燃油蒸發排放控制系統及其故障診斷監測

◆文/河南 王良斌

一、燃油蒸發排放

尾氣排放、曲軸箱排放和蒸發排放是汽車產生污染物的三大原因。目前，蒸發排放主要是燃油方面的蒸發排放，其余則是內飾材料和涂料等方面的排放。燃油蒸發排放不僅會在燃油箱內產生，而且在噴油器處也會產生。例如，每當發動機隨機熄火時，噴油器沒有來得及燃燒的油及整個熄火期間泄露出來的油最終都會以燃油蒸汽的形式排入到大氣中，造成環境污染。本文通過對燃油箱燃油蒸發排放控制系統及其故障診斷監測技術做詳細介紹，以期對大家有所幫助。

燃油溫度升高和車輛行駛顛簸是導致燃油箱內燃油蒸發的主要原因，而引起燃油溫度升高的原因有很多，例如環境溫度升高、外部熱輻射(夏季的路面、排氣管路)、回流燃油帶來大量熱量(為滿足國Ⅳ或以上排放法規很多汽油機均采用了無回油燃油系統)及燃油泵運行產生的熱量等。

將燃油蒸汽引入進氣系統參與燃燒作功可以使汽車的經濟性和排放性得以提高，但與此同時也給燃油定量控制帶來麻煩，這也是現代汽車必須要裝備燃油蒸發排放控制系統的原因以及安裝完后要解決的問題。

二、燃油蒸發排放控制系統

1.燃油蒸發排放控制系統的組成

燃油蒸發排放控制系統主要由清洗電磁閥、碳罐和雙向閥、電磁截止閥和壓力傳感器等元部件組成，如圖1所示。燃油箱采用全密封式油箱蓋子，燃油箱內燃油蒸汽積聚到一定壓力時，雙向閥被單向壓開，燃油蒸汽進入碳罐被活性炭吸收暫存(吸附)。當清洗電磁閥開啟后，在進氣歧管壓力和環境壓力的壓差作用下，空氣經過常開的電磁截止閥穿過底部的空氣濾芯沖入碳罐，順勢沖刷掉吸附在活性炭粒上的燃油蒸汽(脫附，又稱再生)并與之相混合形成清洗氣流，清洗氣流通過清洗電磁閥的定量控制進入進氣歧管。

圖1 燃油蒸發排放控制系統組成

2.清洗電磁閥

清洗電磁閥結構如圖2所示(以博世公司產品為例)。電磁銜鐵的兩表面分別與葉片彈簧和密封元件相連接，葉片彈簧將電磁銜鐵連同密封元件一并舉起離開密封座1個預設的距離，形成清洗電磁閥的開度。清洗電磁閥的進、出口壓差和電磁力增大，克服葉片彈簧的彈力，使密封元件靠近密封座，開度減小，清洗氣流流量也隨之減小；而進、出口壓差和電磁力減小時，相應動作也與之相反。單向閥用于防止發動機熄火期間而碳罐內的燃油蒸汽達到飽和時進入進氣歧管。

圖2 清洗電磁閥結構

有兩個力可以改變清洗電磁閥的開度，一個是清洗電磁閥進、出口壓差，開度隨著壓差增大而減小，另外一個就是電磁力。ECU以調節脈沖信號占空比的形式控制電磁線圈通電電流的大小，電磁力大小因此得以改變，即增加占空比，通電電流增加，電磁力增加，開度減小，反之亦然。

清洗電磁閥進、出口壓差取決于發動機負荷和轉速(環境壓力視為恒定)，而負荷和轉速是發動機的運行變量，它服從于車輛實際運行的需要，只有ECU(ElectronicControlUnit電子控制單元，又稱“行車電腦”、“車載電腦”等)根據發動機運行工況通過調節脈沖信號占空比來實現清洗氣流流量的定量控制。

3.雙向閥的結構和作用

雙向閥就是兩個結構相同的單向閥相并聯，根據其作用不同分別稱為壓力單向閥和真空單向閥，用于燃油箱壓力平衡。壓力單向閥還有抑制燃油蒸發速率的作用。當發動機大負荷運行時，隨著油箱內燃油迅速減少，油箱內可能會形成真空度，此時，真空單向閥被吸開，空氣經電磁截止閥、碳罐、真空單向閥進入油箱，避免油箱被吸癟；當油箱內產生大量燃油蒸汽壓力升高(例如夏季長時間停車)時，壓力單向閥被壓開，燃油蒸汽進入碳罐被活性炭吸收，釋放油箱壓力。合理設計壓力單向閥的彈簧預壓力，使油箱壓力保持適度的正壓，有利于抑制燃油蒸發速率。

4.清洗運行的補償機制

在未開啟燃油蒸發排放控制系統時，λ閉環控制根據氧傳感器信號將λ控制于λ＝1附近一個狹窄的窗口內(λ＝0.99～1的λ窗口)，當開啟燃油蒸發排放控制系統實施清洗運行時，λ將進行大幅度波動，而當幅度超出λ閉環控制的調控能力時，λ閉環控制則無法實現。為此，當實施清洗運行模式時，ECU就要預先增大或減小噴油脈寬，用于補償因清洗氣流將要導致的λ大幅度波動，使λ波動最小，確保λ閉環控制仍能實現。ECU此項補償機制的核心是補償機制的定量控制，補償定量取決于清洗氣流的質量。影響其量的因素(即清洗氣流的流量)有清洗電磁閥的開度和進、出口壓差相關，影響其質(即清洗氣流中所含的燃油量)的因素有發動機負荷、環境溫度及車輛顛簸程度等，而通過精確計量清洗氣流的質量而確定補償定量其難度很大，因此通常不采用此方法。

確定清洗氣流質量的方法，在實施λ閉環控制的工況范圍內，ECU按既定的規律驅動清洗電磁閥交替開啟和關閉。ECU控制清洗電磁閥的開度以既定恒斜率的斜坡函數變化，根據λ閉環控制測定出λ偏離1的程度，與清洗電磁閥關閉時的情形相比，對清洗氣流質量做出實時評估，用于隨后的補償定量控制，以保證在整個清洗強度范圍內，λ閉環控波動受影響最小。

5.相關部件的優化匹配設計

油箱燃油蒸發速率、碳罐儲存能力和清洗電磁閥清洗能力相匹配，碳罐吸收的燃油蒸汽量與清洗氣流帶走的燃油蒸汽量處于動平衡狀態。前者除了與碳罐大小有關外，還與燃油蒸發速率密切相關，而發動機運行工況、環境溫度、車輛行駛條件對燃油蒸發速率都有影響。優化清洗氣流定量控制策略和碳罐設計，同時通過整車設計(例如采用無回油系統和高效燃油泵、燃油箱遠離熱源和隔熱)抑制燃油蒸發速率，力求滿足不同用戶的要求，避免出現或減少出現清洗氣流兩個極端的情況(即純空氣和燃油濃度極高的燃油蒸汽)，防止超出補償定量的范圍，避免給λ閉環控制造成不利影響。

6.控制策略

(1)清洗氣流流量(即清洗電磁閥開度)隨發動機轉速和負荷的增加而增大。

(2)發動機水溫低于60℃或70℃(不同發動機略有差異)時，清洗電磁閥關閉。

(3)發動機運行中，凡是燃油切斷工況(例如倒拖、減速、限速)，清洗電磁閥關閉。

(4)λ閉環控制未激活時，清洗電磁閥關閉或只允許打開極小開度。

三、燃油蒸發排放控制系統故障診斷監測

利用真空開關對清洗電磁閥進行故障診斷監測，只能應付先期較低的排放法規要求，如今的汽車電控發動機必須裝備第2代車載故障診斷系統，目前燃油蒸發排放控制系統的故障診斷監測包括以下兩個方面。

1.清洗電磁閥驅動級故障診斷監測

清洗電磁閥采用ECU下游驅動方式，清洗電磁閥線圈下游線到功率管之間的電壓可能出現兩種情況，一種是電壓為0，另一種是出現電源電壓即電壓為12V或14V。當功率管完全導通即占空比為100%時電壓為0，當功率管占空比為0時電壓為12V或14V。因此，實施清洗電磁閥驅動級故障診斷監測時，ECU主動實施占空比為100%和0，監測下游線上的電壓應該為0時卻出現電源電壓，則判為斷路，應該為電源電壓時卻出現0，則判為對地短路。

2.燃油蒸汽泄漏故障診斷監測

實施燃油泄漏故障診斷監測時，首先ECU使電磁截止閥(常開閥)得關閉，封閉燃油蒸汽儲存系統。然后，在怠速工況下打開清洗電磁閥。ECU根據壓力傳感器信號的變化，便可判斷系統是否有泄漏以及泄漏的程度。

四、常見故障和相關疑慮

1.碳罐堵塞

碳罐內部填充滿活性炭顆粒，底部設置有空氣濾芯，汽車在行駛一定里程后會出現堵塞的情況。尤其是灰塵較大地區的車輛，出現碳罐堵塞的概率更大。碳罐堵塞會導致清洗氣流無法形成，從根本上破壞了燃油蒸發排放控制系統的運行，進而導致空燃比過稀，發動機無法正常運行，此外還會造成油箱的壓力平衡被破壞，而當燃油量的減少，油箱會形成過高的真空度，甚至吸癟油箱，最終導致發動機無法運行。因此，汽車在行駛中出現加不上油，進而慢慢熄火，熄火后啟動困難等現象時，要先檢查碳罐是否堵塞。

2.清洗電磁閥失控

清洗電磁閥的失控的原因有結構原因、異物使閥芯被卡不受電磁力所控制、電磁線圈回路出現斷路或短路這三種，不管遇到哪種情況都從根本上破壞了燃油蒸發排放控制系統的運行。當閥芯被卡于關閉位置時，將導致部分工況空燃比過?。划旈y芯被卡于開啟位置時，將導致部分工況空燃比過濃。在故障診斷實踐中，凡是由空燃比不正確引起的相關故障，例如啟動困難、怠速不穩、行駛中易熄火及熄火后不易啟動等都有可能與清洗電磁閥的失控有關。

3.燃油蒸汽泄漏

連接管路和碳罐因碰擦、老化而破損或破裂造成燃油蒸汽泄漏，將導致空燃比過稀，發動機無法正常運行，更為嚴重的后果是埋下了安全隱患。行駛中出現加油聳車現象以及當打開發動機蓋兒或在車內聞到較濃的燃油氣味時，通常首先要檢查燃油蒸發排放系統的管路和碳罐是否泄漏。

4. 碳罐燃油蒸汽過飽和問題

正常情況下，碳罐的吸附和脫附處于動平衡狀態，碳罐內燃油蒸汽不會出現飽和狀態，這也是碳罐大小與整車相匹配的結果。但凡事都有特殊情況，例如夏季長時間停用的車輛也有可能出現碳罐內燃油蒸汽過飽和的情況。此時，燃油蒸汽是否會從碳罐的空氣入口處溢出造成空氣污染暫無法做詳細探究，在碳罐的空氣入口處設置單向閥只能進不能出解決此問題也仍需行業內朋友們一起探討。

5.碳罐堵塞故障診斷監測問題

在汽車故障診斷當中，碳罐堵塞是燃油蒸發排放控制系統的常見故障，不但不利于環境保護，而且有時還會影響發動機怠速穩定性，給汽車行駛造成較為嚴重的后果，因此，對碳罐堵塞故障實施診斷監測很有必要。碳罐堵塞故障判斷方法比較簡單，無需增加硬件設施，只需軟件設置即可，很容易實現。例如，在怠速工況下打開清洗電磁閥，壓力傳感器的信號不會超出既定的范圍，超出既定的范圍，便可判斷為碳罐已堵塞。另外，筆者認為，碳罐堵塞應該被看成是高級別的故障，發動機故障指示燈也應該被點亮，并生成相應的故障碼儲存起來，這樣會提高人們對于碳罐堵塞的重視程度，也會促進汽車維修人員的診斷排除故障工作順利進行。