汽车电控发动机系统结构和原理汽车排放控制.docx
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汽车电控发动机系统结构和原理汽车排放控制
汽车排放控制
任务一概述
任务目标
1.发动机的排放控制主要成分、危害
学习目标
1.了解发动机的主要成分和危害
随着汽车保有量的与日俱增，汽车排气对人类健康的危害及对环境的污染也日甚一日。
对此，世界各国都制定了相应的法规和标准，把汽车有害排放物控制在较低的水平。
为了满足排放标准，必须对发动机排气进行净化。
近几年来，汽车界开发和创制出许多净化排气的新技术和新装置，对汽车排放污染物的控制也越来越严格。
目前汽车排放污染物控制系统，根据污染物来自排气管、曲轴箱和燃油系统的不同，一般分为排气污染物控制系统和非排气污染物控制系统。
排气污染物的主要成份及其生成机理
发动机的有害排放物主要有一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NOx）和微粒。
汽车有害物质的主要成分
CO是燃油的不完全燃烧产物，主要是燃油混合气过浓，燃烧时氧气不足造成的，是一种无色、无味的有毒气体。
它与血液中血红素的亲和力是氧气的300倍，因此当人吸入CO后，血液吸收和运送氧的能力降低，从而使心脏、头脑等重要器官严重缺氧，引起头晕、头痛、恶心等中毒症状，轻则使中枢神经系统受损，重则会使心血管工作困难，直至死亡（当吸入含容积浓度为0.3%的CO气体时，可致人于死亡）。
汽车尾气中CO的产生是燃烧不充分所致，是氧气不足而生成的中间产物。
燃气中的氧气量充足时，理论上燃料燃烧后不会存在CO。
但当氧气量不足时，就会有部分燃料不能完全燃烧，而生成CO。
HC包括未燃烧和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解产物和部分氧化物，其中有些成分会对眼睛和皮肤有强刺激作用，且浓度高时会引起头晕、恶心、贫血甚至急性中毒。
车用发动机的碳氢排放物中有完全未燃烧的燃料，但更多的是燃料的不完全燃烧产物，还有小部分由润滑油不完全燃烧而生成。
排气中未燃碳氢物的成份十分复杂，其中有些是原来燃料中不含有的成份，这是部分氧化反应所致。
车用发动机在正常运转情况下，HC的生成区主要位于气缸壁的四周处，故对整个气缸容积来说是不均匀的，而且对排气过程而言HC的分布也是不均匀的。
在发动机一个工作循环内，排气中HC的浓度出现两个峰值，一个出现在排气门刚打开时的先期排气阶段，另一个峰值出现在排气行程结束时。
HC的生成主要由火焰在壁面淬冷、狭隙效应、润滑油膜的吸附和解吸、燃烧室内沉积物的影响、体积淬熄及碳氢化合物的后期氧化所致。
NOx主要是指NO和NO2，产生于燃烧室内高温富氧的环境中。
空气中NOx浓度在10ppm～20ppm时可刺激口腔及鼻粘膜、眼角膜等。
当NOx超过500ppm时，几分钟可使人出现肺气肿而死亡。
发动机排气中的氮氧化物NOX包含NO和NO2，其中大部分是NO，它们是N2在燃烧高温下的产物。
排气污染物控制系统分类
1.三元催化系统；
2.废气再循环控制（EGR）系统；
3.二次空气喷射（AIR）系统。
三、非排气污染物控制系统：
1.非排气污染物的含义：
指由排气管以外的其它途径排放到大气中的有害污染物。
2.分类：
1）曲轴箱强制通风（PCV）系统；
2）燃油蒸发控制（EVAP）系统。
曲轴箱窜气；燃油蒸发
三元催化器
任务目标
1.发动机的三元催化
学习目标
1.了解发动机的三元催化
三元催化器，是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置，它可将汽车尾气排出的CO、HC和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气。
由于这种催化器可同时将废气中的各种主要有害物质转化为无害物质，随着环境保护要求的日益苛刻，越来越多的汽车安装了废气催化转化器以及氧传感器装置。
它安装在发动机排气管中，通过氧化还原反应，生成二氧化碳、水和氮气，故又称之为三元（效）催化转化器，如图6-3所示。
三元催化器
一、三元催化器的工作原理
当高温的汽车尾气通过净化装置时，三元催化器中的净化剂将增强CO、HC和NOx三种气体的活性，促使其进行一定的氧化-还原化学反应。
其中CO在高温下氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体；HC化合物在高温下氧化成水（H20）和二氧化碳；NOx还原成氮气和氧气。
三种有害气体变成无害气体，使汽车尾气得以净化。
三元催化由外壳、催化剂、托架、整体式载体等组成，催化剂涂在整体格栅式载体上当尾气通过多孔载体时被转化。
三元催化器的内部结构
二、三元催化器的作用
三元催化转换器中主要起作用的是三元催化剂，它是铂（或钯）和铑的混合物，促使有害气体HC、C0和N0x发生反应，生成无害的CO2、N2和H20。
但是只有当混合气的空燃比保持稳定时，三元催化转换器的转换效率才能得到精确控制。
三元催化转换器的转换效率与混合气空燃比的关系曲线如图。
转换效率与空燃比的关系曲线
三、三元催化器的检测
1.将真空表接到进气歧管，启动发动机，使其从怠速逐渐升至2500r/min，观察真空表的变化，如果这时真空度下降，则保持发动机转速2500r/min不变，且此后真空度读数明显下降，则说明催化转化器有阻塞。
2.启动发动机，预热至正常工作温度，将发动机转速维持在2500r/min左右，将车辆举升，用数字式温度计（接触式或非接触式红外线激光温度计）测量催化转化器进口和出口的温度，须尽量靠近催化转化器（50mm内）。
催化转化器出口的温度应至少高于进口温度10%～15%，大多数正常工作的催化转化器，其催化转化器出口的温度高于进口温度20%～25%。
如果车辆在主催化转化器之前还安装了副催化转化器，主催化转化器出口温度应高于进口温度15%～20%，如果出口温度值低于以上的范围，则催化转化器工作不正常，需更换；如果出口温度值超过以上范围，则说明废气中含有异常高浓度的CO和HC，需对发动机本身做进一步的检查。
废气再循环（EGR）控制系统
任务目标
1.发动机的废气再循环系统控制
学习目标
1.了解发动机的废气再循环系统控制
废气再循环（ExhaustGasRecirculation，即EGR）系统的作用是把一部分排气引入进气系统中使其和新鲜混合气一起进入气缸中参与燃烧，其主要目的是减少氮氧化合物（NOx）的排放，如图6-6所示为EGR阀实物。
氮氧化合物（N0x）是混合气在高温和富氧条件下燃烧时，含在混合气中的N2和O2发生化学反应产生的。
燃烧温度越高，N2和02越容易反应，排出的N0x越多。
所以减少N0x的最好方法就是降低燃烧室的温度。
如图6-7所示，废气再循环控制系统部件主要有EGR阀、EGR枢轴位置传感器和EGR真空调节器等，其中EGR阀是最关键的部件。
EGR阀实物图EGR阀内部结构原理
一、基本工作原理
在高温燃烧的状态下，气缸中的氮气与氧气结合生成氮氧化合物（NOx）。
可以通过以下措施减少NOx的生成。
1.加浓混合气，降低燃烧温度。
但这会增加HC与CO的排放量。
2.降低压缩比，但这样会降低效率与燃油经济性。
3.将排气管内废气引入气缸，降低气缸内的燃烧温度（废气再循环）。
排气中的废气已经燃烧过就不会再燃烧，这些气体可以顶替部分的正常进气。
因而废气再循环可以放慢燃烧过程，使燃烧温度下降以减少NOx的生成量。
轻负荷与中等发动机转速是EGR的最佳条件，因为此时对发动机功率没太大的需求。
如果负荷增加，则减少EGR（或在节气门大开时取消EGR）来给司机提供尽可能多的扭矩。
此外在高负荷时没有足够的发动机真空来开启EGR阀，如图6-8所示。
4.怠速时禁用EGR。
5.基本上要求EGR要随发动机冷却液温度及进气温度减少或推迟，因为排气中有水可能造成节流板结冰，发动机在升温前燃烧也不稳定。
6.随着大气压力降低，最终停止EGR，因为开启EGR阀的发动机真空是随海拔高度的增加而减少的。
7.随着EGR量的增加，点火角度提前。
现代发动机控制系统，点火提前角基于的是DPFE传感器计算的实际的废气再循环率，而不是所要求的废气再循环率。
这样不管系统怎样工作，点火提前角都是正确的。
真空驱动式EGR阀系统
二、机械式EGR系统
机械式EGR系统是一种开环系统利用节流板开启时的发动机真空开启EGR阀，利用水温控制来防止发动机低温时启动EGR。
机械式EGR系统
三、电子式EGR系统
EVRSonicEGR系统是闭环系统采用真空操纵的EGR阀，用EGR阀位置（EVP）传感器提供反馈。
EGR阀通过一个占空比控制的EGR调节器电磁阀（EVR）加以调节。
EVR用来控制EGR阀位置以提供所要求的EGR流量，如图6-10所示。
随着EGR阀开启EVP信号电压增加。
这种系统只探测EGR阀的阀针位置，流量只是由开启的EGR阀位置推断的，不能探测实际流量或阻塞。
电子式EGR系统
四、压力反馈EGR（PFE）
压力反馈EGR（PFE）是闭环系统采用真空操纵的EGR阀，排气压力传感器提供反馈。
EGR阀通过一个由占空比控制的EGR真空调节器电磁阀（EVR）加以调节。
EVR用来控制EGR位置以提供所要求的EGR流量。
通过测量EGR管中EGR流量孔下游的排气压力计算EGR流量。
●随着EGR阀开启与EGR流量增加，PFE传感器电压减少。
●这是由量孔处的压降产生。
压力反馈EGR（PFE）
五、差压反馈EGR
差压反馈EGR（DPFE）是闭环系统采用真空操纵的EGR阀，以差压式排气压力传感器提供反馈。
EGR阀通过一个由占空比控制的EGR真空调节器电磁阀（EVR）加以调节。
EVR用来控制EGR阀的位置以提供所需求的EGR流量，通过测量EGR管中流量孔处的排气压力计算EGR流量。
差压反馈EGR
六、电控EGR系统（EEGR）
1.电控系统的重点
电控EGR系统采用步进电机直接操纵EGR阀，而不是利用发动机真空和膜片操纵。
真空控制的EGR阀、DPFE传感器、EVR电磁阀、孔管全部取消。
通过0至52个步级进行控制，使EGR阀从全闭步进到全开位置，EGR阀的位置决定EGR的流量。
由于无EGR阀位置反馈，需要用MAP传感器监测EGR流量的正确性。
发动机冷却液流经此总成，使系统的工作温度下降增加了电机的寿命。
电控EGR系统（EEGR）
2.电控EGR系统的工作原理
以集成在一起的电子器件和软件算法控制带有位置反馈信号的转动磁体，这一整体图6-13电控EGR系统（EEGR）就是废气再循环电磁阀和节流阀门板的电子控制装置。
这一装置可快速调节废气再循环率或进气率，同时完成板载故障诊断功能。
EEGR系统利用废气再循环控制氮氧化合物（NOx）排放，原理与真空控制式EGR系统一样。
唯一的区别是控制排气的方式。
EEGR系统由电机/EGR阀总成、PCM（发动机电脑）和连接线束组成。
此外还需要一个MAP传感器，系统的工作原理如图。
EEGR工作原理
1）EEGR系统ECT（水温传感器）、CHT（气缸盖温度传感器）、TP（节气门位置传感器）、MAF（空气流量传感器）、CKP（曲轴位置传感器）、MAP（进气压力传感器）动力控制模块PCM需要这些信号的输入提供发动机的工况信息。
要使EEGR系统工作，发动机须暖机并以中负荷且转速稳定。
在怠速、长时间节气门大开EEGR部件或EGR所需输入信号故障时，PCM将关闭EEGR系统。
2）PCM要根据给定的发动机工况计算所需的EGR流量。
3）PCM向EEGR电机发出指令，使其移动一定步级。
步进电机直接操纵EEGR阀，与发动机真空无关。
通过0至52个步级的指级控制，使EEGR阀的位置从全关到全开的状态。
EGR阀的位置决定EGR的流量。
4）EGR引入进气岐管时，利用TMAP传感器测量岐管压力变化。
所用的EGR变化将与TMAP信号相关联（EGR流量增加了岐管内的压力）。
燃油蒸发控制
任务目标
1.发动机的燃油蒸发控制
学习目标
1.了解发动机的燃油蒸发控制
汽车产生的排放物中大约有20%来自燃油蒸发。
燃油蒸发控制（EvaporativeEmissionControl，即EVAP）系统，能够存储燃油系统产生的燃油蒸气（HC），阻止燃油蒸气泄漏到大气中，减少环境污染，同时将收集的燃油蒸气适时地送入进气歧管，与正常混合气混合后进入发动机燃烧，使汽油得到充分利用。
燃油蒸发控制系统的组成和构造，随汽车制造厂和生产年代的不同而不同。
早期的燃油蒸发控制（EVAP）系统多是利用真空进行控制，而现在基本上都采用发动机控制模块进行控制。
目前常见的比较简单的燃油蒸发控制系统主要由燃油箱、活性炭罐、炭罐控制电磁阀和发动机控制模块等组成，能够提供比较精确的蒸发流量的控制，如图6-15所示。
活性炭罐是燃油蒸发系统中贮存蒸气的部件，活性炭罐的下部与大气相通，上部有接头与油箱和进气歧管相连，用于收集和清除燃油蒸气。
中间是活性炭颗粒，具有极强的吸附燃油分子的作用。
燃油箱内的燃油蒸气（HC），经油箱管道进入活性炭罐后，蒸气中的燃油分子被吸附在活性碳颗粒表面。
活性炭罐有一个出口，经软管与发动机进气歧管相通。
软管的中部设一个活性炭罐电磁阀（常闭），以控制管路的通断。
当发动机运转时，如果发动机控制模块控制活性炭罐电磁阀开启，则在进气歧管真空吸力的作用下，空气从活性炭罐底部进入，经过活性碳至上方出口，再经软管进入发动机进气管，吸附在活性碳表面的燃油分子又重新脱附，随新鲜空气一起被吸入发动机气缸燃烧。
这一过程一方面使燃油得到充分利用，另一方面也使活性炭罐内的活性碳保持良好的吸附燃油分子的能力，而不会因使用太久而失效。
当活性炭罐电磁阀关闭时，燃油蒸气贮存在活性炭罐中。
燃油蒸发控制组件
二次空气喷射系统
任务目标
1.发动机的二次空气喷射控制
学习目标
1.了解发动机的二次空气喷射控制
二次空气喷射（AirInjection，即AIR）系统的实质是将一定量的新鲜空气引入排气管或三元催化转换器中，使废气中的有害气体与空气进一步燃烧，以进一步减少有害物的排放。
发动机处于正常工作温度时，二次空气喷射系统可降低HC和C0的排放量。
发动机刚刚起动时二次空气喷射系统不但能降低HC的排放量，而且会缩短氧传感器的加热时间，使发动机控制模块尽快进入空燃比闭环控制过程。
许多二次空气喷射系统都是用空气泵将空气泵入排气口或催化转换器，由真空控制空气旁通阀和空气分流阀，它们又控制从空气泵到排气口或催化转换器的空气量。
空气分流阀到排气口和催化转换器之间各有一个单向阀，以防止在减速等情况时，排气管中的废气倒流至二次空气喷射系统。
发动机控制模块控制两个电磁线圈，分别给旁通阀和分流阀供应真空。
二次空气喷射系统
曲轴箱强制通风（PCV）系统
任务目标
1.发动机的曲轴箱强制通风
学习目标
1.了解发动机的曲轴箱强制通风
发动机燃烧室内的混合气和燃烧后的废气顺着活塞和气缸体的内壁漏入曲轴箱内，将稀释和污染机油，造成机油的润滑性能下降，因此必须将这些污染物从曲轴箱内排出。
曲轴箱内的压力随发动机转速升高而增加，如果不通风，会将机油从油封或气缸垫压出。
由于环保的原因，不能将这些混合气直接排入大气，为解决此问题，现代汽车一般都采用曲轴箱强制通风（PositiveCrankcaseVentilation，即PCV）系统，将这些进入曲轴箱的气体导入进气歧管，使其重新燃烧，其工作原理如图。
PCV工作原理图
PCV阀是曲轴箱强制通风（PCV）系统中最重要的部件，PCV阀内有一个锥形阀，由它控制曲轴箱蒸气流入进气管，同时防止气体或火焰反向流动。
当发动机工作时，进气管真空度作用在PCV阀上，此真空吸引新鲜空气经空气滤芯、空气软管进入气门室盖，再经过气缸盖孔进入曲轴箱，并在曲轴箱中与从燃烧室泄漏的气体混合。
这些空气与泄漏气体的混合气由于有进气歧管真空的吸引，所以向上经气缸盖孔流经气门室盖及PCV阀，进入进气歧管，然后再经进气门进入燃烧室燃烧。
发动机运转工况不同，PCV阀的开度也不相同，图6-18是在发动机各种工况下PCV阀打开的情况。
发动机各工况PCV工作状态
失火监测器
任务目标
1.发动机的失火监视器
学习目标
1.了解发动机的失火监视器
1、失火监测器
1.失火监测器的含义
失火监测监视器是一种车载诊断策略，其设计是在于监测发动机的失火情况，并且辨别出发生失火问题的特定气缸。
失火是指气缸中因为没有跳火、燃油量不足、压缩比不足、或是其它因素而缺乏燃烧反应的一种现象。
失火监测监视器仅当特定的基本发动机条件先行满足后，才可以进行运作。
监视器必须自ECT、CHT、MAF与CKP等传感器中取得相关输入信号后才能启用。
此外失火监测监视器也会在自我测试要求中执行检测。
2.失火监测的目的
为了防止催化器损坏，监测尾气排放是否超标，在发动机正常运转时确定是哪一个气缸或哪几个气缸发生失火。
3.特殊工况不进行失火探测
（1）关闭节气门减速时。
（2）超速限制时。
（3）附加负荷状态发生变化时。
二、失火监测原理
1.原理
失火监测器通过监测曲轴转速的变化来探测失火。
监测曲轴在转过规定角度所用的时间来确定曲轴的转速和加速度，加速度是曲轴转速的变化率，与气缸所产生的动力直接相关。
将各加速度相互比较，失火监测器便可以确定是否有气缸没有产生应有的加速度。
为了精确的进行失火探测，对因路面不平或高转速、轻负荷工况造成的机械噪音应去除。
燃烧不充分的气缸与其它气缸相比加速度值较低，如图6-19所示。
在4号气缸工作时，因为气缸内混合气燃烧不充分，所以活塞下行速度相对慢于其它气缸。
控制单元通过监测做功气缸活塞从上止点到下止点之间所用的时间，来判断该做功气缸是否发生失火现象。
失火监测器检测原理
2.廓型修正
廓型修正程序用以修正曲轴相位角的轻微误差，可以改善失火监测器对发动机高速的监测性能。
在没完成廓型修正之前失火监测器是不工作的。
监测必须经过三次96km/h～64km/h节气门关闭无制动减速后才能完成，修正的结果会被贮存在长效KAM中。
注意：
不要误清KAM（随机存储器），如KAM学习值被重置后要重新做廓型修正。
使用原厂的设备、拆下蓄电池、断开处理器均可重置KAM。
喷油器泄漏可能造成错误的廓型修正，使失火监测停止或设置失火故障码。
3.感应噪声
遇到感应噪声时（如碰到路面凹坑），PCM会计算出信号中有非现实的加速度（大于发动机实际性能的加速度）。
在出现非现实的加速度时，处理器会将对此加速度之前和之后的15次点火忽略不计，通过忽略减速度防止误判失火的发生。
当车轮进入凹坑时,发动机因自身重量而产生一个加速度，当车轮离开凹坑时因自身重量而产生一个减速度，电控单元监测到这一事件后会屏蔽这个非现实的失火事件。
正常失火与感应噪声的比较
4.不可重现的冷启动失火
任何汽车都可能发生一种不可重现的冷启动失火现象，特别是机油没有达到正常工作温度时。
首次运行失火监测器时，冷起动失火有时会使MIL点亮，这时催化器没有达到工作温度，也并没有损坏。
不可重现的失火是不可诊断和修理的，发动机启动后延迟240s运行失火监测器可以暂时解决这个问题。
永久的解决办法是在两个驾驶循环之间加入一个催化器的温度模式，并修改MIL对催化器损坏性失火的点亮程序。
这样就可以取消240s延迟。
三、失火的分类
失火类型可分为：
A类失火；B类失火
1.A类失火
A类失火的阈值是催化器受损的百分比，按200圈计算监测器比较实际的失火率与转速/负荷表上的百分比阈值。
如果失火率高于阈值,并且催化器温度模式显示催化器受损，发生A类失火时MIL（故障指示灯）就会以每秒一次的速率闪烁。
如果催化器达到工作温度，高失火率会使催化器过热,这样将使催化器出现永久性的热损伤。
典型的A类失火标定值从怠速时的40%到高速时的5%，对于六缸或八缸的发动机在发生A类失火时,PCM会关闭发生失火的气缸,防止催化器损坏。
PCM还会重试关闭的气缸，失火现象是不是还存在。
如果不再发生失火,PCM将会重新启用该气缸。
2.B类失火
B类失火按1000转计算，然后监测将实际缺火率与阈值比较。
-典型的标定值为1%到3%，与发动机的转速和负荷无关。
-如失火率高于排放阈值，MIL将在第二驾驶循环亮起
四、失火诊断
1.汽油发动机运行所需的基本条件
1）空气
2）燃料
3）压缩比
4）高压火花
如果缺少这些基本条件，发动机就不能工作。
发动机的任何一个气缸缺少这些条件或条件不足都会出现失火现象。
几乎汽车上的每一个系统都会造成发动机失火，只是概率大小不相同。
失火诊断可能会很复杂，因为很多故障都可能造成失火，比如燃料质量、低速积碳、机油粘度高、射频信号的干扰、EGR系统通道堵塞或卡死在开启位置、EVAP系统泄漏或常通等等。
2.根本原因
1）点火系统
2）燃料系统
3）发动机本身机械原因
3.直观检查的内容
1）高压线松动、漏电或烧蚀
2）喷油器插头断或损坏
3）真空泄漏
4）曲轴皮带轮或触发叶轮摆动
5）触发叶轮或曲轴位置传感器损坏
4.失火故障码
注：
在诊断失火问题时必须处理其故障码，是为了保证失火故障不是由其它的故障而引起的，失火探测诊断对故障码与气缸直接相关。
1）失火故障码
（1）P0300有失火但不能确定是哪一气缸。
（2）P0301-P0310测试1-10号气缸失火。
（3）P1309失火监测器失效。
2）失火故障其它原因
（1）凸轮轴位置传感器（CMP）与36-1方波不同步。
（2）信号品质不良或CKP（曲轴位置传感器）与CMP（凸轮轴位置传感器）信号有杂波。
3）PCM/AICE内部芯故障。
这些故障码对于A类和B类失火都是一样的，在解码器会有注明。
清除故障码也会清除固定帧数据，因此在清除故障码之前一定要先记录这些信息。
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