排放控制.docx
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排放控制
课时授课计划
授课日期
班级组别
课题:
排放控制系统
课程要求及目的
1.掌握汽车污染物的成份及来源
2.了解燃油蒸汽控制系统的组成、控制原理和检修方法
3.了解废气再循环控制系统的组成、控制原理和检修方法
4.了解三元催化反应器的作用、结构和检修方法
5.掌握空燃比反馈控制的工作原理
参考书
《汽车电控发动机构造与维修》
《汽车发动机电控系统的万用表检测》
《丰田亚洲龙轿车维修手册》
《本田轿车维修手册》
教学重点
1.汽车污染物的成份和来源
2.燃油蒸汽控制系统、废气再循环控制、三元催化的工作原理
3.空燃比反馈控制的工作原理
教学难点
1.燃油蒸汽控制系统、废气再循环控制、三元催化的检修方法
2.空燃比反馈控制的原理
教学方法
讲授法、演示法
教学准备
1.教材、教案及相关教学资料
2.教学用多媒体
3.氧传感器、三元催化实物
4.电控发动机两台
教学过程
课堂组织:
分钟
复习旧课:
分钟
1、汽油机对点火系的要求?
2、电控点火系控制内容?
3、消除爆震最有效的方法是什么?
讲授新课:
分钟
排放控制系统
示范操作及学生练习:
分钟
1.氧传感器的检测
导入新课
环境保护问题是当前各国所关注的五大社会问题(粮食、能源、人口、资源和环境)之一。
汽车所造成的环境污染,已越来越引起人们的普遍关注,各国的废气排放标准越来越严格,各大汽车制造厂为能顺利达到汽车废气检验标准便研究开发控制废气排放的各种方法。
排气污染物
对装点燃式发动机的汽车,指排气管排放的气态污染物。
对于汽油燃料的汽车,主要是指排气中CO、HC、NOX(即气态污染物)。
对于柴油车,则指的是碳烟(即颗粒物)。
讲授新课
一、汽车排放污染物的来源
一)发动机燃烧后所排放的废气
所排放的废气的有害发动机燃烧后成份有三种:
1.一氧化碳(CO)。
CO是在空气量不足的情况下所产生的不完全燃烧的产物,因此CO的排出量基本上受空燃比所支配。
通常在空燃比过小时容易产生。
2.碳氢化合物(HC)。
HC是燃料不完全燃烧的产物(即有未燃的,也有燃料分解的产物)。
当发动机点火不良、排气门泄漏或空燃比过小或过大时,导致燃烧不完全而产生,特别在怠速和减速时最多。
3.氮氧化物(NOX)。
NOX是指NO、NO2、N2O4等多种多样氮氧化物的总称,其中对环境危害性最大的是NO和N02,当气缸内的温度高,且氧浓度充足的情况下最易产生。
怠速时CO的排放量最多,NOX最少;行驶时,NOX排放量最多,HC最少;加速时,各种有害气体的排放量都增加,其中NOX的增加最显著;减速时,NOX最少,HC却显著增加。
二)曲轴箱的废气
发动机从压缩到做功行程时,未燃烧的气体经活塞环、气缸的间隙窜入曲轴箱中,导致机油与废气混合使机油变稀,降低发动机的润滑性;机油产生热分解和变脏;生成油泥,使金属零件加速磨损;窜气使活塞和气缸过热,积炭造成早燃,引起活塞环胶着,造成气缸擦伤等,成为产生各种故障的原因。
因此,曲轴箱内必须有新鲜空气不断循环。
过去,新鲜空气从呼吸管吸入发动机曲轴箱,然后和窜气一起排人大气,其废气成份与发动机燃烧所排放的废气相同,这就成为污染源之一。
窜气的主要成份是HC,占70%—80%,剩下的20%-30%是CO、CO2、NOX、SO2、PbO等成份。
三)汽油蒸发形成的废气
随着外界温度的降低,油箱内部的汽油蒸气凝结,因此产生部分真空,从油箱盖吸入空气;而随着外界温度的上升,空气与燃油蒸气(HC)一起排出,此外,除油泵外,燃油管道等接头处渗出的汽油蒸气逸散至大气中。
以上各种汽油蒸气,成为大气污染源之一。
各汽车制造厂控制汽车废气排放的方式大致分为发动机燃烧过程控制和发动机外部废气控制。
发动机外部废气控制又可分为油蒸气挥发和窜缸废气及废气排放净化控制。
二、油蒸气挥发控制(EVAP)
为了防止燃油箱向大气排放燃油蒸气而污染大气环境,在发动机控制系统中采取了由发动机ECU控制的活性炭罐蒸发污染控制装置。
当燃油受热或大气压力降低(海拔高度增加)时,燃油箱中形成燃油蒸气,经过燃油管将燃油蒸气存储在活性炭罐中。
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,当打开时,空气从活性炭罐大气入口处吸进炭罐,冲洗活性炭罐延长活性炭罐寿命,并与燃油蒸气混合送至发动机燃烧。
发动机工作时的燃油量包括喷油器喷射油量和来自燃油箱蒸发控制燃油蒸气。
为了控制燃油箱逸出的燃油蒸汽,电控发动机普遍采用了碳罐,油箱中的燃油蒸汽在发动机不运转时被碳罐中的活性碳所吸附,当发动机运转时,依靠进气管中的真空度将燃油蒸汽吸入发动机中。
电子控制单元根据发动机的工况通过电磁阀控制真空度的通或断达到燃油蒸汽的控制。
采用燃油蒸汽的控制可减少大气中的HC和节约燃料。
控制方式:
1、ECU→清污电磁阀→真空→真空控制阀→进气歧管吸入燃油蒸汽
2、ECU→清污电磁阀→进气歧管吸入燃油蒸汽
三、窜缸废气净化控制(PCV)
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;此外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。
为环保,将这些进入曲轴箱的气体导入进气歧管,使其重新燃烧。
为解决此问题,一般都采用曲轴箱强制通风系统。
曲轴箱强制通风系统的作用是减少窜缸废气(HC)。
四、废气再循环(EGR)控制
废气再循环是目前广泛采用的,旨在减少发动机氮氧化合物生成量的一种较有效的方法。
它把发动机排出的一部分废气引入进气系统中,和混合气一起再进入气缸中燃烧,以抑制氮氧化物(NOX)的生成。
NOX是在高温富氧条件下,混合气中的N2和O2发生化学反应的产物。
一般而言,燃烧温度越高,排出的NOX越多。
氮氧化物(NOx)与燃烧温度的关系如图所示。
将废气再次引入气缸,是因为废气中含有大量的二氧化碳。
二氧化碳是一种惰性气体,新鲜的混合气中渗入适当比例的废气后,使得单位燃料中二氧化碳的含量明显增加,由于二氧化碳不参与燃烧,却能吸收热量,故使燃烧温度之下降,有利于抑制NOX的生成。
功率下降,因此,应在发动机NOX排放量多的运行工况范围进行适量的废气再循环。
EGR的控制量指标大多采用EGR率表示,其定义如下:
EGR率=EGR气体流量/(吸人空气量+EGR气体流量)X100%
过度的废气再循环会影响发动机的正常运行,特别是在怠速、低转速小负荷及发动机处于冷车运行时,再循环的废气将会使发动机的性能明显降低。
进入进气歧管的废气量一般控制在6%-15%范围内。
一)EGR阀控制方式分类
1.正压力控制式
简称P型,完全由真空控制。
当发动机发动后,若有真空源加到EGR
膜盒,将膜片吸起后,EGR阀打开,真空完全消失后,EGR阀才会关闭。
2.负压力控制式
简称N型。
当发动机发动后,原在EGR膜盒内的真空会泄放,直到
EGR动作条件达到时,发动机真空建立在膜盒内,但EGR阀还未开启,
必须当排气压力达到,EGR阀。
才能打开,打开时间一次可持续20s。
3.全电子控制式
发动机控制单元根据传感器和开关信号直接控制EGR阀的打开或关
闭。
发动机ECU依据进气歧管压力传感器或空气流量计、节气门位置传
感器、水温传感器和发动机转速、变速箱扭力、锁止离合器、P/N开关
等信号来控制EGR阀开度的大小。
通常EGR在发动机怠速、暖机、小负
荷、大负荷减速及高转速时不工作,废气不回送,仅在加速、中负荷到
大负荷之间动作。
二)ECU控制的开环控制EGR系统工作过程
ECU根据发动机冷却液温度、节气门开度、转速和起动等信号来控制EGR电磁阀的通电或断电。
1.组成:
EGR阀、EGR电磁阀等。
2.控制方式:
ECU→EGR电磁阀→真空→EGR阀→部分废气进入进气歧管
3.工作原理
执行废气再循环时,一部分废气从排气歧管经管道通过废气再循环阀进入进
气管与新鲜空气混合。
废气再循环阀由阀体上方真空室的真空度控制,真空室的真空度由ECU根据冷却水温度等输入信息,控制真空电磁阀的开启或关闭来实现。
发动机怠速和暖机期间,真空电磁阀关闭空气进入废气再循环阀上方的真空室,废气再循环阀在回位弹簧的作用下关闭,废气再循环停止。
当温度达到一定水平时,真空电磁阀开启,真空室的真空度提高,废气再循环阀打开,进行废气循环。
废气再循环量的控制对发动机工作性能有很大影响。
废气再循环量过少,不能达到有效降低NOX,排放量的目的。
废气再循环量过大,则发动机工作不稳定,综合性能恶化。
一般情况下,EGR采用开环控制,ECU进行EGR控制的相关参数是发动机的冷却水温、进气温度、发动机转速和节气门开度等。
由于在对EGR进行控制时,需要综合考虑以上因素,故必须采用电子控制,否则很难使发动机性能和有效降低NOX排放量得到和谐的统一。
三)EGR位置传感器
废气再循环何时开始工作以及流量多少对NOX的排放量和发动机性能的影响是非常大的,废气再循环流量调整非常精确,过多的废气再循环量会使发动机怠速失速或功率下降甚至熄火,没有足够的废气再循环将会使尾气排放的氮氧化合物猛增,同时发动机还可能产生爆震。
为正确地控制废气再循环量,一些发动机控制系统用电子反馈控制,发动机ECU发出开关或脉冲宽度及调制信号给废气在循环真空电磁阀,来控制流入废气再循环控制电磁阀的真空度。
在EGR阀打开时,EGR阀位置传感器发出一个与废气再循环阀开启成比例的信号给ECU,ECU能够将这个信号转变成废气再循环流动率。
四)带EGR位置传感器的电控废气再循环系统
1-压力传感器2-ON-OFF电磁阀3-EGR位置传感器4-EGR阀
5-真空管6-到进气歧管7-废气8-水温开关9-水温传感器
该系统在EGR阀上部装有一个可以检测EGR阀升程的位置传感器,用来检测EGR阀的开度,并利用电位计将其位移转换为相应的电压信号输送到ECU,作为ECU控制废气再循环的参考信号。
在这种EGR控制系统中,根据发动机的转速和负荷,预先设定出阀的升程位置,通过改变ON--OFF电磁阀的工作状态,控制膜片室的负压。
工作时,将预先设定的EGR阀升程位置与当前的EGR阀升程位置(由EGR阀位置传感器提供)作比较,若不相等,由ECU控制改变ON-OFF电磁阀工作状态,将EGR控制阀的升程调至最佳值。
在全负荷及高转速范围,利用节气门开度、发动机转速等控制参数,由ON--OFF电磁阀把空气导人真空室,使EGR阀完全关闭,停止废气再循环。
五)装有背压修正阀的电控EGR系统
在EGR真空电磁阀与EGR阀之间的真空管路中装有一个背压修正阀,其作用是根据排气歧管中的背压,控制废气再循环。
即当发动机在小负荷排气背压低时,背压修正阀保持EGR阀处于关闭状态,不进行废气再循环;当发动机负荷增大,排气歧管背压增大时,背压修正阀才允许EGR阀打开,进行废气再循环。
排气歧管的背压通过管路作用在背压修正阀的背压气室下方。
当发动机在小负荷工况时,排气背压低,在修正阀弹簧力的作用下,背压气室膜片向下移动,修
正阀门关闭真空通道。
此时,EGR阀在弹簧力作用下保持关闭,不进行废气再循环。
当发动机负荷增大时,排气歧管背压升高,修正阀背压气室下方的压力
升高,膜片克服阀门弹簧弹力向上运动,将修正阀打开。
由EGR真空电磁
阀控制的真空通过背压修正阀进入EGR阀上方真空气室,将EGR阀吸起,
废气从排气歧管经EGR阀进入进气管进行废气再循环。
EGR真空电磁阀由ECU控制。
ECU根据发动机转速、进气压力、冷却
水温度、空气流量等输入信号,通过控制EGR真空电磁阀的开度,来控制
EGR上方真空室的真空度,从而控制EGR阀的开度,达到对参与再循环的
废气量进行控制的目的。
六)广州本田雅阁轿车发动机废气再循环(EGR)系统
五、三元催化转换器
三元催化转换器安装在排气消声器前面,由三元催化转换芯子和外壳等构成。
大多数三元催化转换芯子以蜂窝状陶瓷作为承载催化剂的载体,在陶瓷载体上浸渍铂(或钯)和铑的混合物作为催化剂。
为了提高芯子的抗颠簸性能,芯子外面通常用钢丝包裹。
三元触媒转化器是用铂、钯和铑作为催化剂,将CO和HC氧化后,NOX与HC或空气中的H还原,最后形成CO2、HC及N2排人大气。
触媒前后各装一个氧传感器,分别提供了表示催化净化前和后的排气中氧含量的输出电压,前(主)氧传感器用作空燃比控制的反馈信号,后(副)氧传感器信号输入给发动机ECU测试催化净化的效率。
通过两个传感器电压之差就可以测量出触
媒转换有害废气的能力。
一个工作正常的催化转换器,配上正常控制燃油分配系统的燃油反馈控制系统,可以保证将有害的排气成份转变为相对无害的二氧化碳和水。
但是催化器会因过热而受损(由点火不良等造成),催化剂表面物质减少,孔板金属烧结,也
会受磷、铅或硫(从燃油中来)以及发动机冷却液中硅的污染而造成永久损坏。
六、氧传感器和空燃比反馈控制
一)氧传感器的功用
检测排气管中氧的浓度。
二)分类
1.氧化锆式氧传感器
2.氧化钛式氧传感器
三)氧化锆式氧传感器
氧化锆式氧传感器的主要元件是氧化锆烧结的多孔性试管状陶瓷体,也称锆管。
锆管固定在带有安装螺纹的固定钢套中,锆管的内外表面都镀覆一层多孔铂膜作为电极,内表面与大气相通,外表面与排气管中的废气相接触。
为防止废气对铂膜的腐蚀,锆管外表面的铂膜上覆盖有一层多孔性陶瓷层。
锆管外面的防护钢套上开有槽口或圆孔,废气通过槽口与锆管外表面接触。
氧传感器的接线端有一金属护套,其上开有一个孔,使锆管内表面与大气相通。
由于锆管的陶瓷体是多孔性的,因此氧能够渗入固体电解质内。
当温度较高时,若陶瓷体内(大气)与陶瓷体外(废气)两侧含氧量不同,氧气发生电离产生氧离子,氧离子从大气侧向废气侧扩散,在锆管两铂电极之间产生电压。
混合气稀时,排气中氧的含量高、锆管内外两侧氧的浓度差小,氧离子扩散量少,信号电压低;混合气浓时,排气中氧的含量低,锆管内外两侧氧的浓度差大,氧离子扩散量多,信号电压高。
氧传感器产生的信号电压范围在0.1V-0.9V,发动机ECU收到小于0.45V信号电压,确认混合气稀;收到大于0.45V信号电压,确认混合气浓。
四)氧化钛式氧传感器
二氧化钛式氧传感器工作原理:
电控单元ECU将一个恒定的1V电压加在二氧化钛氧传感器的正极,并将传感器负极上的电压降与电控单元控制程序中设定的参考电压相比较。
发动机混合气浓度变化时,排出的废气中的氧分子含量也发生变化,氧传感器的电阻也随之改变,使得与电控单元连接的氧传感器负极上的电压降也产生变化。
当发动机的可燃混合气浓(A/F<14.7)时,排气中氧含量少,氧化钛管外表面氧很少,二氧化钛呈现低电阻;当发动机混合气稀(A/F>14.7)时,排气中氧含量高,氧化钛管外表面氧浓度大,二氧化钛呈现高电阻。
电阻在混合气空燃比理论空燃比14.7(过量空气系数约为1)时产生突变。
通过这样的反馈控制,使混合器的浓度保持在理论空燃比附近的狭小范围内。
五)空燃比反馈控制
在反馈控制过程中,若假定开始时混合气的实际空燃比偏浓,此时氧传感器输出高电平信号。
ECU收到这一信号后,通过减小(开始骤降,然后缓降)反馈修正系数,使喷油持续时间缩短,喷油器的喷油量减少。
由于喷油量减少,混合气很快变稀。
最终使混合气的实际空燃比稳定在理论空燃比附近。
从整体上看,当混合气偏浓时,由于空燃比占浓的时间比空燃比占稀的时间长,故氧传感器输出高电位时间也相对较长,从而使修正系数向着减小的方向移动。
ECU对空燃比的控制还包括在下列状态下是否需要进行反馈控制的判定:
一般在发动机起动时;起动后燃油增量修正(加浓)时;冷却水温度使燃油增量修正时;节气门全开(大负荷、高转速)时;加减速燃油量修正时;燃油中断停供时;从氧传感器输入的空燃比过稀信号持续时间大于规定值(如10s以上)时;从氧传感器送来的空燃比过浓信号持续时间大于规定值(如4s以上)时,ECU停止空燃比反馈控制,即发动机进入空燃比开环控制运行状态。
此外,当氧传感器的温度在300℃以下时,传感器不会产生电压信号,因而也不能对混合气空燃比进行正确检测,反馈控制也不会发生作用。
总结巩固新课:
分钟
1.发动机废气的来源
2.EGR系统功用
3.氧化锆式氧传感器的原理
4.哪些情况不需要空燃比反馈控制
示范操作:
分钟
一、活性碳罐的检查
如果炭罐有裂缝或损坏,更换炭罐;如果燃油从炭罐底部漏出,更换炭罐并检查软管是否连接错误、堵塞或泄漏。
检查炭罐底部的滤清器,如果很脏、堵塞或损坏,更换滤清器。
将一根软管连接到控制阀的较低的管子上吹气,应该几乎没有或只有少量空气通过进入炭罐(如果炭罐有一个常开的净化口,会有少量空气通过);用一个手动真空泵对炭罐口的真空管端施加51kPa的真空度,此时再次通过连接到较低的管子上的软管吹气,空气流量应增加,否则,更换炭罐。
当控制阀失效或线路不良、活性炭罐损坏、软管裂开或连接错误会引起怠速不稳和失速、发动机性能不良和空燃比不正确。
二、氧传感器的检查
1)氧传感加热器电阻的测量
测量时,可拆下氧传感器、线束插头,测量氧传感器接线端中加热器接柱与搭铁接柱之间的电阻,其阻值一般在4-40kΩ。
2)氧传感器反馈电压的测量:
在检查时,先将兆欧级数字电压表置于毫伏挡,并使正表笔与氧传感器信号
输出端相接,负表笔与传感器接地端相连,然后起动发动机,使其怠速运转。
此
时,电压表,应有毫伏级电压指示,并且电压有波动。
当发动机温度升高后,系
统进入闭环控制状态时,细心观察电压表指示电压值的变化。
其规定波动范围应
为0.1-0.9V;平均值为0.5V。
另外,也可取下真空软管,使进入发动机的混合
气变稀,此时电压表的读数应下降到0.2V左右。
安全措施:
分钟
1.讲解安全措施
2.在起动发动机时注意通知其他同学
3.在使用万用表时,使用电阻档和通断档时应将点火开关关闭,以防损坏电子元件。
巡回指导:
分钟
1.教育学生爱护教具,以防损坏
2.重点让学生掌握操作步骤和方法
3.发现问题及时指导
4.保持有序操作,不许大声喧哗
5.课间停止操作,关闭电源,收回点火开关钥匙
结束指导:
分钟
1.总结实习操作情况
2.讲解操作中发现的共性问题
3.讲授操作重点
布置作业
1.《汽车电控发动机构造与维修习题集》排放控制系统部分
2.实习报告:
氧传感器的检测
执行情况及体会
系主任签字:
年月日
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- 排放 控制