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汽车废气再循环控制系统的结构与检修方法

【摘要】:废气再循环是目前用于减少NOx排放量的一种有效措施。因此废气再循环量必须有一定的控制范围,并能根据发动机的运行工况自行调节再循环的废气量。一般机械式控制系统控制的EGR 率的范围为5%~15%。EGR 阀安装在废气再循环通道中,用以控制废气再循环量。闭环控制EGR 系统工作时,ECU 可根据EGR 阀开度传感器的反馈信号修正电磁阀的开度,使EGR 率保持在最佳值。新鲜空气经节气门进入稳压箱,参与再循环的废气经EGR 阀进入稳压箱。

废气再循环(Exhaust Gas Recirculation,EGR)的作用是把一部分废气引入进气系统中使其和新鲜空气混合一起进入汽缸中参与燃烧,其主要目的是减少氮氧化合物(NOx)排放。

NOx是空气中的氮气与氧气在高温、高压条件下生成的。发动机排出NOx的量主要与汽缸内的最高温度有关,汽缸内最高温度越高,排出的NOx量越多,如图5.8 所示。减少NOx的最有效方法是降低燃烧室的温度。

废气再循环是目前用于减少NOx排放量的一种有效措施。因为排气中的主要成分是CO2、H2O 和NO2等,它们的比热容较高,能降低最高燃烧温度,这样就抑制了NOx生成。但是,过度的废气再循环会影响发动机的正常运行,尤其是在怠速、低速小负荷及冷机运行时,再循环的废气将明显降低发动机的性能。因此废气再循环量必须有一定的控制范围,并能根据发动机的运行工况自行调节再循环的废气量。废气再循环量的多少一般用废气再循环率(EGR 率)来表示,EGR 率是指废气再循环量与进入汽缸内的气体总量的比率,即

废气再循环控制系统有机械式和电控式两种。一般机械式控制系统控制的EGR 率的范围为5%~15%。而电控式控制系统控制的EGR 率的范围为15%~20%,并且结构简单,所以现代汽车电控发动机上通常采用电控式EGR 控制系统。电控式EGR 控制系统主要有两种,即开环控制EGR 系统和闭环控制EGR 系统。

(1)开环控制EGR 系统

日产NISSAN 轿车VG30 型发动机所采用的废气再循环系统就是一种开环控制EGR 系统,如图5.9 所示。它由EGR 控制电磁阀、EGR 阀、曲轴位置传感器节气门位置传感器、冷却液温度传感器、启动信号及发动机的ECU 等组成。EGR 阀安装在废气再循环通道中,用以控制废气再循环量。EGR 控制电磁阀安装在通向EGR 阀的真空通道中,ECU 根据节气门开度、转速、发动机冷却液温度和启动等信号来控制电磁阀的通电或断电。ECU 控制EGR 电磁阀不通电时,EGR 阀的真空通道接通,EGR 阀开启,系统进行废气再循环ECU 控制EGR 电磁阀通电时,EGR 阀的真空通道被切断,EGR 阀关闭,系统停止废气再循环。

图5.8 燃烧温度与NOx排放量的关系

图5.9 日产NISSAN 轿车VG30 型发动机EGR 控制系统

在发动机工作时,ECU 控制EGR 电磁阀通电,停止废气再循环的工况有:

①启动工况(启动开关信号)。

②怠速工况(节气门位置传感器怠速触点闭合信号)。

③暖机工况(冷却液温度信号)。

④转速低于900 r/min 或高于3 200 r/min 的工况(转速信号)。

除上述以外的其他工况,ECU 均控制EGR 电磁阀不通电,系统均进行废气再循环。废气再循环量取决于EGR 阀的开度,而EGR 阀的开度直接由真空度控制。真空管口设在靠近节气门全闭位置的上方,随发动机转速和负荷(节气门开度)的增大,真空管口处的真空度增加,EGR 阀的开度增大;随发动机转速和负荷的减小,EGR 阀的开度也减小。

在有些发动机的EGR 控制系统中,EGR 电磁阀采用占空比控制型电磁阀,ECU 通过占空比控制真空电磁阀的开度,调节作用在EGR 阀上的真空度,控制EGR 阀的开度,以实现对废气再循环量的控制。在此系统中,通向EGR 阀的真空管口一般设在节气门之后。

(2)闭环控制EGR 系统

在开环控制EGR 系统中,EGR 率只受ECU 预先设置好的程序控制,系统不能检测发动机各种工况下的EGR 率,因此无反馈信号。而在闭环控制EGR 系统中,ECU 以EGR 率或EGR阀开度作为反馈信号实现闭环控制,其控制精度更高。

用EGR 阀开度作为反馈信号的闭环控制EGR 系统,如图5.10 所示。EGR 阀开度传感器为电位计式,其工作原理与电位计式节气门位置传感器类似。EGR 阀开度传感器与ECU 之间有3 条连接线路,分别为电源线、搭铁线和信号线。ECU 通过电源线为传感器提供5 V 的标准电压,传感器将EGR 阀开度变化转换为电信号经信号线输送给ECU。闭环控制EGR 系统工作时,ECU 可根据EGR 阀开度传感器的反馈信号修正电磁阀的开度,使EGR 率保持在最佳值。

图5.10 用EGR 阀开度作为反馈信号的闭环控制EGR 系统

用EGR 率作为反馈信号的闭环控制EGR 系统控制原理,如图5.11 所示。ECU 根据EGR率传感器信号对EGR 阀实行反馈控制。新鲜空气经节气门进入稳压箱,参与再循环的废气经EGR 阀进入稳压箱。EGR 率传感器安装在稳压箱上,检测稳压箱内气体中的氧浓度(氧浓度随EGR 率的增大而降低),并转换成电信号输送给ECU,ECU 根据此反馈信号修正ECU 阀的开度,使EGR 率保持在最佳值,从而有效地减少NOx的排放量。

(3)电磁式EGR 阀

电磁式EGR 阀由发动机ECU 控制,电磁式EGR 阀由电磁线圈、电枢、锥形阀、EGR 阀开度位置传感器等组成,如图5.12 所示,发动机ECU 控制电磁线圈通电,使电枢向上运动,当其带动锥形阀离开阀座后,废气就可以进入进气歧管。

图5.11 用EGR 率作为反馈信号的闭环控制EGR 系统控制原理图

图5.12 电磁式EGR 阀结构

1—弹簧;2—位置传感器;3—电磁线圈;4—阀杆;5—通道;6—EGR 阀;7—阀体

发动机ECU 根据冷却液温度传感器、节气门位置传感器和空气流量传感器的输入信号确定最佳的EGR 阀开启程度,再通过控制EGR 阀电磁线圈的通电时间(占空比信号)控制电枢的最佳开启位置,EGR 阀中的开度位置传感器可以反馈电枢的实际位置,从而可以实现EGR系统的闭环控制。

(4)电磁式EGR 及其控制电路检测

凯越轿车废气再循环控制电磁阀控制电路,如图5.13 所示,该EGR 阀主要进行的检测如下:

①使用故障诊断仪指令EGR 阀至25%、50%、75%等待定开度,观察发动机怠速转速是否变化,如无变化,则说明EGR 阀故障或线路故障。

②发出以上指令的同时,如发动机怠速转速发生变化,则读取EGR 阀开度是否增大,如无变化,则说明开度传感器或线路故障。

③如①中怠速转速无变化,应检测EGR 阀电源端子的电压,是否为12 V 电压。

图5.13 凯越轿车废气再循环控制电磁阀控制电路