1.7 排放控制
1.7.1 三元催化器
三元催化器见表1-19。
表1-19 三元催化器
1.7.2 氧传感器
1.7.2.1 氧传感器基本结构原理
氧传感器基本结构原理见表1-20。
表1-20 氧传感器基本结构原理
1.7.2.2 氧化锆式氧传感器
氧化锆式氧传感器的基本元件是氧化锆陶瓷管（固体电解质），也称锆管。锆管固定在带有安装螺纹的固定套中，内外表面均覆盖着一层多孔性的铂膜，其内表面与大气接触，外表面与废气接触。氧传感器的接线端有一个金属护套，其上开有一个用于锆管内腔与大气相通的孔；电线将锆管内表面铂极经绝缘套从此接线端引出。
氧化锆在温度超过300℃后，才能进行正常工作。早期使用的氧传感器靠排气加热，这种传感器必须在发动机启动运转数分钟后才能开始工作，它只有一根接线与ECU相连。现在，大部分汽车使用带加热器的氧传感器。这种传感器内有一个电加热元件，可在发动机启动后的20～30s内迅速将氧传感器加热至工作温度。它有三根或四根接线，一根（两根）接ECU，另外两根分别接地和电源。
诊断提示：
锆管的陶瓷体是多孔的，渗入其中的氧气，在温度较高时发生电离。由于锆管内、外侧氧含量不一致，存在浓差，因而氧离子从大气侧向排气侧扩散，从而使锆管成为一个微电池，在两铂极间产生电压。当混合气的实际空燃比小于理论空燃比，即发动机以较浓的混合气运转时，排气中氧含量少，但CO、HC、H2等较多。这些气体在锆管外表面的铅催化作用下与氧发生反应，将耗尽排气中残余的氧，使锆管外表面的氧气浓度变为零，这就使得锆管内、外侧氧浓差加大，两铅极间电压陡增。因此，锆管氧传感器产生的电压将在理论空燃比时发生突变：稀混合气时，输出电压几乎为零；浓混合气时，输出电压接近1V。氧传感器的电压特性如图1-10所示。
图1-10 氧传感器的电压特性
要准确地保持混合气浓度为理论空燃比是不可能的。实际上的反馈控制只能使混合气在理论空燃比附近一个狭小的范围内波动，故氧传感器的输出电压在0.1～0.9V之间不断变化（通常每10s内变化8次以上）。如果氧传感器输出电压变化过缓（每10s少于8次）或电压保持不变（不论保持在高电位或低电位），则表明氧传感器有故障，需检修。
1.7.2.3 二氧化钛式氧传感器
二氧化钛式氧传感器是利用二氧化钛材料的电阻值随排气中氧含量的变化而变化的特性制成的，故又称电阻型氧传感器。二氧化钛式氧传感器的外形和氧化锆式氧传感器相似，在传感器前端的护罩内是一个二氧化钛厚膜元件，如图1-11所示。纯二氧化钛在常温下是一种高电阻的半导体，但表面一旦缺氧，其晶格便出现缺陷，电阻随之减小。由于二氧化钛的电阻也随温度不同而变化，因此，在二氧化钛式氧传感器内部也有一个电加热器，以保持二氧化钛式氧传感器在发动机工作过程中的温度恒定不变。
图1-11 二氧化钛式氧传感器
诊断提示：
二氧化钛式氧传感器检测如图1-12所示，ECU 2#端子将一个恒定的1V电压加在二氧化钛式氧传感器的一端上，传感器的另一端与ECU 4#端子相接。当排出的废气中氧浓度随发动机混合气浓度变化而变化时，氧传感器的电阻随之改变，ECU 4#端子上的电压降也随着变化。当ECU 4#端子上的电压高于参考电压时，ECU判定混合气过浓；当ECU 4#端子上的电压低于参考电压时，ECU判定混合气过稀。通过ECU的反馈控制，可保持混合气的浓度在理论空燃比附近。在实际的反馈控制过程中，二氧化钛式氧传感器与ECU连接的4#端子上的电压也是在0.1～0.9V之间不断变化，这一点与氧化锆式氧传感器是相似的。
图1-12 二氧化钛式氧传感器检测
1.7.2.4 宽频氧传感器
诊断提示：
宽频氧传感器与普通样传感器的区别有，尾气稍微偏浓时，输出电压就突变为0.6～0.9V；反之尾气变稀后，输出电压突变为0.1～0.3V，如果尾气进一步增浓，氧传感器的输出电压已经达到峰值测量电压0.9V。
如果尾气进一步变稀，氧传感器的输出电压已经达到最低测量值0.1V，过浓与过稀的尾气对普通氧传感器已无法测量，0.1～0.9V的两个状态电压信号已无法满足对汽车排放的控制。使用催化转换器上游的两点式氧传感器时，只能对废气成分进行定性分析，即只能区分浓混合气（λ<1）或稀混合气（λ>1）。因此，只围绕λ＝1持续振荡时，才能实现最佳的废气成分控制。
控制过程质量越好，控制系统通过Lambda控制器消除空燃比变化的速度越快。由于燃油提前喷射持续进行，并且氧传感器并未直接位于燃烧室内，因此设定了一个随控制路径响应时间变化的最小周期。这个响应时间分别由DME控制单元的计算时间、吸气之前的燃油提前量时间、气缸内的保压时间、气体在废气排放系统内的流经时间和氧传感器的响应延迟时间组成。这就意味着响应时间由发动机转速和发动机负荷决定。为使Lambda控制器（FR）获得恒定的振幅，对Lambda控制器所做的改进也必须进行调整。
除此之外，在混合气从浓变稀以及从稀变浓的过程中，突然的控制变换会使得振荡周期缩短。其只能在混合气为14.7:1的理论空燃比下，混合气燃烧后对排放的尾气含氧量在比较狭窄的范围内进行检测，因此这是普通氧传感器的缺陷所在。
（1）宽带型氧传感器 根据氧传感器的制造材料不同，宽带型氧传感器可分为以ZrO2为基体的固化电解质型和利用氧化物半导体电阻变化型两大类；根据传感器的结构不同，宽带型氧传感又可分为电池型、临界电流型及泵电池型。
宽带型氧传感器的基本控制原理就是以普通氧化锆型氧传感器为基础扩展而来的。氧化锆型氧传感器有一个特性，即当氧离子移动时会产生电动势；反之，若将电动势加在氧化锆组件上，即会造成氧离子的移动。根据此原理即可由发动机控制单元控制所想要的比例值。
构成宽带型氧传感器的组件有两个部分，一部分是感应室；另一部分是泵氧元。感应室的一面与大气接触，而另一面是测试腔，通过扩散孔与排气接触，与普通氧化锆传感器一样，由于感应室两侧的氧含量不同而产生一个电动势。一般的氧化锆传感器将此电压作为控制单元的输入信号来控制混合比，而宽带型氧传感器与此不同的是，发动机控制单元要把感应室两侧的氧含量保持一致，让电压值维持在0.45V，这个电压只是计算机的参考标准值，它需要传感器的另一部分来完成。
宽带型氧传感器的另一部分是传感器的关键部件——泵氧元，泵氧元一边可以排气，另一边与测试腔相连。泵氧元就是利用氧化锆传感器的反作用原理，将电压施加于氧化锆组件（泵氧元）上，这样会造成氧离子的移动。把排气中的氧泵入测试腔当中，使感应室两侧的电压值维持在0.45V。这个施加在泵氧元上变化的电压，才是我们要的氧含量信号。如果混合气太浓，那么排气中含氧量下降，此时从扩散孔溢出的氧较多，感应室的电压升高。为达到平衡发动机控制单元，增加控制电流使泵氧元增加泵氧效率，使测试腔的氧含量增加，这样可以调节感应室的电压恢复到0.45V。相反混合气太稀，则排气中的含氧量增加，这时氧要从扩散孔进入测试腔，感应室电压降低，此时泵氧元向外排出氧来平衡测试腔中的含氧量，使感应室的电压维持在0.45V。总而言之，加在泵氧元上的电压可以保证当测试腔内的氧多时，排出腔内的氧，这时发动机控制单元的控制电流是正电流；当腔内的氧少时，进行供氧，此时发动机控制单元的控制电流是负电流。以上过程供给泵氧元的电流就反映了排气中的剩余空气含量系数（图1-13）。
图1-13 宽频氧传感器的泵电流随过量空气系数变化特性
诊断提示：
宽带型氧传感器能够提供准确的空燃比反馈信号给ECU，ECU精确地控制喷油时间，使气缸内混合气浓度始终保持理论空燃比。宽带型氧传感器的使用提高了ECU的控制精度，最大限度地发挥三元催化器的作用，优化发动机的性能，并可节省大约15％的燃油消耗，更加有效地降低了有害气体的排放。宽带型氧传感器通过检测发动机尾气排放中的氧含量，并向电子控制单元（ECU）输送相应的电压信号，反映空气燃油混合比的稀浓。ECU根据氧传感器传送的实际混合气浓稀反馈信号而相应调节喷油脉宽，使发动机运行在最佳空燃比（λ=1）状态，从而为催化转换器的尾气处理创造理想的条件。如果混合气太浓（λ<1），必须减少喷油量，如果混合气太稀（λ>1），则要增加喷油量。
（2）宽频氧传感器的工作原理 利用宽频氧传感器（LSU）可实现恒定的氧传感器闭环控制。宽频氧传感器由一个普通窄范围浓差电压型氧传感器（氧化锆参考电池、一个界限电流型氧传感器、氧化锆泵电池）及扩散小孔和扩散室构成（图1-14）。需要一个专门设计的传感器控制器来控制其正常工作。在图1-14中传感器控制器用A和B表示。尾气通过扩散小孔进入扩散室，尾气可能是浓混合气，也可能是稀混合气。氧化锆参考电池感知尾气的浓度后，产生电压Us，根据尾气浓度的不同，浓混合气将产生高于参考电压UsRef的Us，传感器控制器将产生一个正方向的泵电流Ip，该泵电流Ip将氧气泵入扩散室内进行化学分解反应，在废气中产生水和一氧化碳及一些氧化物，附着在泵氧元的表面。在化学反应中将过多的碳氢化合物分解，从而降低了废气的浓度，使扩散室恢复到Us电压为0.45V的尾气含氧浓度的平衡状态。相反，稀混合气将产生低于参考电压UsRef的Us，传感器控制器将产生一个反方向的泵电流Ip，该泵电流Ip将氧气泵出扩散室。当HC燃料或氧气被中和时，参考电池产生的电压Us等于参考电压UsRef，此时的泵电流Ip就反映了尾气的浓度，传感器控制器将泵电流Ip转换成输出电压Uout，通过改变泵电流的极性（电流流动方向）与大小就可以平衡扩散室里的尾气含氧量。如何利用这个变化的泵电流去控制发动机ECU对喷油器喷油时间的调整，是至关重要的。在控制环路中有一个DSP（数字信号处理器）电路，该电路有两路输出，一路将变化的泵电流信号通过放大数模转换成线性电压，此电压从0.7～4V连续变化，去控制发动机ECU的空燃比调整；另一路输出脉宽调制信号去控制COM场效应开关晶体管导通与截止时间，给加热器提供电流，加热氧传感器。
图1-14 宽频氧传感器工作原理示意图
诊断提示：
①氧传感器在尾气中的温度不能大于850℃。
②氧传感器前方的排气管及其连接部位必须保证良好的密封性，避免因空气进入排气系统和尾气泄漏影响氧传感器的调节灵敏度。
③加热器不能加热，就不能烧掉探头上的积炭和残留物，影响对排放气体的测量准确性。
④氧传感器要垂直于尾气流向中，在10～2点位置之间。防止尾气中的潮气冷凝作用而损坏氧传感器的内部陶瓷部分。
⑤禁止使用清洗剂、油性液体或挥发性固体，也不能使用硅密封胶。由于硅密封胶中含有醋酸，若硅密封胶应用在有机油流动的部位，其中的醋酸蒸发，进入曲轴箱，经通风系统进入气缸，最终排入排气系统损害氧传感器，表现在部件顶端工作面呈现“白色”，俗称“硅中毒”。
⑥对于V形排列的发动机，左右两列气缸排气管上的氧传感器不能装反，同时导线电器连接不能接反。
⑦安装前和安装后，保护氧传感器不受机械震动。
⑧在安装宽带氧传感器时最好要在螺纹部位涂一层由石墨、玻璃胶组成的石墨悬浮液专用防黏剂，在工作中石墨被烧掉，玻璃胶保留下来，以免再次维修时造成与排气管螺纹烧结损伤而便于拆卸。新的氧传感器的螺纹上已经涂有这种防黏剂，保证其不得与传感器接头接触。
⑨氧传感器插座线及引出线在安装的过程中不应处于张紧状态，其挠度应大于15mm。防止由于引出线弯曲或者拉力作用导致的损坏。
⑩要保证插接件处的气密性，防止湿气与水的渗入造成腐蚀损伤或线路短路故障。
氧传感器如果坠落到地上则不能再使用，因为其中的陶瓷绝缘体可能破裂。
1.7.3 废气再循环
废气再循环减小了一定行驶工况下的NOx排放，这可以通过再循环将废气送回燃烧过程实现，从而达到降低燃烧温度（通过延迟燃油燃烧率），进而降低氮氧化物（NOx）形成的目的。当EGR阀工作时，它会使废气和进气歧管相连。当需要EGR时，ECM操作EGR控制电磁阀（EGRC-电磁），允许真空到达EGR阀顶部。阀上升，废气可以通过再循环回到进气歧管。当不需要EGR时，ECM切换EGR控制电磁阀，使通向EGR阀的真空管路连接到大气，阀关闭（图1-15）。
图1-15 废气再循环系统
废气再循环阀是该系统中最重要的元件，按照控制方式可分为由进气歧管真空度控制的真空膜片式EGR阀和由发动机ECU控制的电磁式EGR阀（表1-21）。真空膜片式EGR阀能够实现的EGR率一般在5％～15％之间；电磁式EGR阀则可实现较大EGR率的控制，并且控制更加方便。
表1-21 废气再循环阀
1.7.4 二次空气系统
二次空气系统见表1-22。
表1-22 二次空气系统
1.7.5 燃油蒸发控制系统EVAP
1.7.5.1 燃油蒸发控制系统EVAP组成（表1-23）。
表1-23 燃油蒸发控制系统EVAP组成
1.7.5.2 燃油蒸发控制系统EVAP基本控制原理（表1-24）
表1-24 燃油蒸发控制系统EVAP基本控制原理
