第七节 汽油机排放控制系统
一、汽车排放污染物
主要有一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NOx）和微粒物（PM），而碳氢化合物、氮氧化合物还会形成危害性更大的光化学烟雾。
1.一氧化碳（CO）
CO是在发动机内由于空气不足或空气中氧含量不足造成混合气过浓而产生的，也是煤气的主要成分。相信大家都知道煤气中毒是怎么回事，汽车尾气中CO的含量虽不至于导致人死亡，但其危害相当大，能使血液的输氧能力大大降低，使心脏、头脑等重要器官严重缺氧，引起头晕、恶心、头痛等症状，使中枢神经系统受损，慢性中毒，严重时会使心血管工作困难。
2.碳氢化合物（HC）
碳氢化合物包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油和部分氧化物等，含有甲烷、甲醛、丙烯醛等醛类气体。单独的碳氢化合物一般情况下对人作用不是很明显，但它是产生光化学烟雾的重要成分。当浓度较高，就会对眼、呼吸道和皮肤有强烈的刺激作用，甚至引起头晕、恶心、贫血等症状。
3.氮氧化物（NOx）
氮氧化物是发动机产生的一种褐色的有刺鼻气味的气体，含有多种氮氧化物。氮氧化物进入人体肺泡后形成亚硝酸和硝酸，对肺组织产生剧烈的刺激作用，亚硝酸盐则能与人体内血红蛋白结合，形成变性血红蛋白，可在一定程度上造成人体缺氧。
4.光化学烟雾
氮氧化物受阳光中紫外线照射后发生化学反应，会形成有毒的光化学烟雾，呈浅蓝色，是一种强烈刺激性有毒气体的二次污染物。当光化学烟雾中的光化学剂超过一定浓度时，具有明显的刺激性，它能刺激眼结膜，引起流泪并导致红眼病，同时对鼻、咽等器官均有刺激性，能引起急性喘息症，可以使人呼吸困难，眼红喉痛，头脑晕沉，造成中毒。光化学烟雾中的臭氧是强氧化剂，能使植物变黑直至枯死，使橡胶开裂。
5.微粒
微粒（也称颗粒）对人体的健康的危害程度和颗粒的大小及组成有关。微粒越小，悬浮在空气中的时间越长，它们进入人体肺部后停滞在肺部及支气管中的比例越大，危害越大。微粒除了对人体的呼吸系统有害外，由于微粒存在孔隙，能黏附SO2、未燃HC、NO2等有毒物质或苯丙芘等致癌物质，因而对人体的健康造成更大的危害。柴油机排放的微粒更多，成分更复杂，对人体的危害更大。
另外，科学研究表明，汽车尾气还与全球变暖关系密切，CO2含量过高是导致全球气温升高的重要原因。
发动机的排放控制就是针对排放产生上述有害物的原理，在发动机上增设一些控制装置，以降低污染物（CO、HC和NOx）的排放，并将其控制在规定的范围内。现代汽车上采用了多种排放净化措施，一般常用的有二次空气喷射系统、废气再循环（EGR）装置、活性炭罐控制装置、三元催化转换装置等。
二、汽油蒸气排放 （EVAP） 控制系统
1.EVAP控制系统功能
收集汽油箱和浮子室内的汽油蒸气，并将汽油蒸气导入气缸参加燃烧，从而防止汽油蒸气直接排出大气而防止造成污染。同时，根据发动机工况，控制导入气缸参加燃烧的汽油蒸气量。
2.EVAP控制系统的组成与工作原理
如图1-41所示，油箱的燃油蒸气通过单向阀进入活性炭罐上部，空气从炭罐下部进入清洗活性炭，在炭罐右上方有一定数量的排放小孔及受真空控制的排放控制阀，排放控制阀内部的真空度由炭罐控制电磁阀控制。
图1-41 EVAP控制系统
发动机工作时，ECU根据发动机转速、温度、空气流量等信号，控制炭罐电磁阀的开闭来控制排放控制阀上部的真空度，从而控制排放控制阀的开度。当排放控制阀打开时，燃油蒸气通过排放控制阀被吸入进气歧管。
在部分电控EVAP控制系统中，活性炭罐上不设真空控制阀，而将受ECU控制的电磁阀直接装在活性炭罐与进气管之间的吸气管中，如图1-42所示为韩国现代轿车装用的电控EVAP控制系统。
图1-42 韩国现代轿车EVAP系统
3.EVAP控制系统的检测
（1）一般维护 检查管路有无破损或漏气，炭罐壳体有无裂纹，每行驶20000km应更换活性炭罐底部的进气滤芯。
（2）真空控制阀的检查 拆下真空控制阀，用手动真空泵由真空管接头给真空控制阀施加约5kPa真空度，从活性炭罐侧孔吹入空气应畅通，不施加真空度时，吹入空气则不通。
（3）电磁阀的检查 拆开电磁阀进气管一侧的软管，用手动真空泵由软管接头给控制电磁阀施加一定的真空度，电磁阀不通电时应能保持真空度，若接蓄电池电压，真空度应释放。测量电磁阀两端子间电阻应为36～44Ω。
三、废气再循环 （EGR） 控制系统
1.EGR控制系统功能
将适当的废气重新引入气缸参加燃烧，从而降低气缸的最高温度，以减少NOx的排放量。
种类有开环控制EGR系统和闭环控制EGR系统。
2.开环控制EGR系统
如图1-43所示，主要由EGR阀和EGR电磁阀等组成。
图1-43 开环控制EGR系统
EGR阀安装在废气再循环通道中，用以控制废气再循环量。EGR电磁阀安装在通向EGR真空通道中，ECU根据发动机冷却液温度、节气门开度、转速和启动等信号来控制电磁阀的通电或断电。ECU不给EGR电磁阀通电时，控制EGR阀的真空通道接通，EGR阀开启，进行废气再循环；ECU给EGR电磁阀通电时，控制EGR阀的真空度通道被切断，EGR阀关闭，停止废气再循环。
3.闭环控制EGR系统
闭环控制EGR系统，将检测实际的EGR率或EGR阀开度作为反馈控制信号，其控制精度更高。
与开环相比，只是在EGR阀上增设一个EGR阀开度传感器。其控制原理是EGR率传感器安装在进气总管中的稳压箱上，新鲜空气经节气门进入稳压箱，参与再循环的废气经EGR电磁阀进入稳压箱，传感器检测稳压箱内气体中的氧浓度，并转换成电信号送给ECU，ECU根据此反馈信号修正EGR电磁阀的开度，使EGR率保持在最佳值。
4.EGR控制系统的检修
（1）一般检查 拆下EGR阀上的真空软管，发动机转速应无变化，用手触试真空软管应无真空吸力；发动机温度达到正常工作温度后，怠速时检查结果应与冷机时相同，若转速提高到2500r/min左右，拆下真空软管，发动机转速有明显提高。
（2）EGR电磁阀的检查 冷态测量电磁阀电阻应为33～39Ω。电磁阀不通电时，从进气管侧吹入空气应畅通，从滤网处吹应不通；接上蓄电池电压时，应相反。
（3）EGR阀的检查 如图1-44所示，用手动真空泵给EGR阀膜片上方施加约15kPa的真空度，EGR阀应能开启，不施加真空度，EGR阀应能完全关闭。
图1-44 EGR阀的检查
四、三元催化转换器 （TWC） 与空燃比反馈控制系统
1.TWC功能
利用转换器中的三元催化剂，将发动机排出废气中的有害气体转变为无害气体。
2.TWC的构造
三元催化剂一般为铂（或钯）与铑的混合物。
3.影响TWC转换效率的因素
影响最大的是混合气的浓度和排气温度。
只有在理论空燃比14.7∶1附近，三元催化转化器的转化效率最佳，一般都装有氧传感器检测废气中氧的浓度，氧传感器信号输送给ECU，用来对空燃比进行反馈控制。
此外，发动机的排气温度过高（815℃以上），TWC转换效率将明显下降。
4.氧传感器
（1）氧化锆氧传感器 在敏感元件氧化锆的内外表面覆盖一层铂，外侧与大气相同。在400℃以上的高温时，若氧化锆内外表面处气体中氧的浓度有很大差别，在铂电极之间将会产生电压。当混合气稀时，排气中氧的含量高，传感器元件内外侧氧的浓度差小，氧化锆元件内外侧两极之间产生的电压很低（接近0），反之，如排气中几乎没有氧，内外侧之间电压高（约为1V）。在理论空燃比附近，氧传感器输出电压信号值有一个突变，如图1-45所示。
图1-45 氧化锆氧传感器及其输出特性
1—法兰；2—铂电极；3—氧化锆管；4—铂电极；5—加热器；6—涂层；7—废气；8—套管；9—大气
（2）氧化钛氧传感器 氧化钛氧传感器主要由二氧化钛元件、导线、金属外壳和接线端子等组成。当废气中的氧浓度高时，二氧化钛的电阻值增大；反之，废气中氧浓度较低时，二氧化钛的电阻值减小，利用适当的电路对电阻变量进行处理，即转换成电压信号输送给ECU，用来确定实际的空燃比。
（3）氧传感器控制电路 日本丰田LS400轿车氧传感器控制电路如图1-46所示。闭环控制，当实际空燃比比理论空燃比小时，氧传感器向ECU输入高电压信号（0.75～0.9V）。此时ECU减小喷油量，空燃比增大。当空燃比增大到理论空燃比时，氧传感器输出电压信号将突变下降至0.1 V左右，ECU立即控制增加喷油量，空燃比减小。如此反复，就能将空燃比精确地控制在理论空燃比附近一个极小的范围内。
图1-46 氧传感器控制电路
5.TWC及氧传感器的检修
（1）使用注意事项
①装有氧传感器和TWC装置的汽车，禁止使用含铅汽油。
②装用蜂巢型转换器的汽车，一般汽车每行驶80000km应更换转换器芯体。
③装用颗粒型转换器的汽车，其颗粒形催化剂的重量低于规定值时，应更换。
（2）热型氧传感器加热器的检查 检测加热器线圈的电阻，如丰田LS400在20℃时线圈阻值应为5.1～6.3Ω。
（3）氧传感器信号检查 发动机高速运转，直到氧传感器的工作温度达到400℃以上再维持怠速运转。然后反复踩动加速踏板，并测量氧传感器输出信号电压，加速时应为高电压信号，减速时应输出低电压信号。
五、二次空气供给系统
1.二次空气供给系统的功能
在一定工况下，将新鲜空气送入排气管，促使废气中的一氧化碳和碳氢化合物进一步氧化，从而降低一氧化碳和HC的排放量，同时加快三元催化转换器的升温。
2.二次空气供给系统的组成与工作原理
控制阀主要由舌簧阀和膜片阀组成。
点火开关接通后，蓄电池向二次空气电磁阀供电，ECU控制电磁阀搭铁回路。电磁阀不通电时，关闭通向膜片阀真空室的真空通道，膜片阀弹簧推动膜片下移，关闭二次空气供给通道；ECU给电磁阀通电，进气管真空度将膜片阀吸起，使二次空气进入排气管。
3.二次空气供给系统的检修
①低温启动发动机后，拆下空气滤清器盖，应听到舌簧阀发出的“嗡、嗡”声。
②拆下二次空气供给软管，用手指盖住软管口检查，发动机温度在18～63℃范围内怠速运转时，有真空吸力；温度在63℃以上，启动后70s内应有真空吸力，启动70s后应无真空吸力；发动机转速从4000r/min急减速时，应有真空吸力。
③拆下二次空气阀，从空气滤清器侧软管接头吹入空气应不漏气。
④电磁阀的检查，阻值应为36～44Ω。