客户赵先生驾驶一辆2021款丰田卡罗拉轿车，正常使用汽车时发现发动机故障灯常亮，发动机功率下降并伴随着排气管冒黑烟现象。经过汽车维修技师仔细检查发现是三元催化器堵塞导致排放控制系统出现故障。清洗三元催化器后，再次起动发动机，发现故障排除。赵先生对此感到困惑，不理解为什么三元催化器堵塞会导致发动机功率下降，现在请你结合自己所学知识，为客户介绍一下排放控制系统的原理。

一、汽车排放物及其危害

随着汽车保有量的不断增加，汽车排放对自然环境的污染日趋严重。汽车排放污染主要来源于发动机排出的废气（约占65%以上）、曲轴箱窜气（约占20%）和燃油供给系统中蒸发的燃油蒸气（约占10%~20%）。汽油机的主要排放污染物是一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物，柴油机的主要排放污染物是碳氢化合物、氮氧化合物和炭烟。

当氧气量足够，混合气浓度达到理论空燃比14.7：1时，燃油理想的、完全的燃烧可用下面的化学反应式描述：

由上式可知，在理想条件下，混合气和氧气反应后只生成水和二氧化碳，对环境没有污染。但是实际情况是由于燃烧室不具备充分燃烧的条件，发动机也不能时时保持在理论空燃比，汽油不能按照化学理论产生反应，所以会产生除水、二氧化碳之外的一些有害成分。

图6-1-1 发动机燃油燃烧产物成分

（1）一氧化碳CO。CO是无色无味的气体，是混合气不完全燃烧产生的。CO与血液中的血红蛋白结合的速度比O2快250倍。CO经呼吸道进入血液循环，与血红蛋白亲合后生成碳氧血红蛋白，从而削弱血液向各组织输送氧的功能，危害中枢神经系统，造成人的感觉、反应、理解、记忆力等机能障碍，重者危害血液循环系统，导致生命危险。

（2）碳氢化合物HC。HC是未燃烃类、烃类燃烧的中间产物和不完全燃烧产物，包括所有无氧和有氧碳氢化合物。汽油机中HC的产生主要是因为低温缸壁的冷激作用使火焰消失，以及电火花太弱不能点燃混合气等。HC吸入人体后会破坏造血机能，造成贫血、神经衰弱等，同时也会致癌。

（3）氮氧化合物NOx。NOx的主要形式是NO、NO2和N2O，它们是空气中的氮气参与燃烧过程的产物。NOx是对人体有害的气体，特别是对呼吸系统有危害。NO是无色无味的气体，NO吸入人体后会造成中枢神经系统障碍。在空气中，NO逐步被转化成NO2。NO2是有毒、具有穿透性气味的红棕色气体。当空气中的NO2浓度较大时会刺激人体粘膜。而且NO2会造成血液中血红蛋白变性，使血液输气能力下降，轻则引起呼吸异常，直至死亡。

二、排放控制系统的功用与组成

1.排放控制系统的功用

汽车排放控制系统的功用主要是减少汽车尾气中有害物质的排放，从而降低对环境的污染和破坏。它通过各种排放控制装置和传感器来实现这一目标，例如废气再循环系统、三元催化转换器等。废气再循环系统通过引入一部分废气到燃烧室中，降低气缸内最高温度，减少氮氧化物的生成。而三元催化转换器则用于减少尾气中的氮氧化物、一氧化碳和碳氢化合物等有害物质。

排放控制系统是汽车整车的关键组成部分，对汽车减排和环境保护起着至关重要的作用。

2.排放控制系统的组成

排放控制系统主要包括曲轴箱强制通风（PCV）系统、燃油蒸发排放控制（EVAP）系统、三元催化转换（TWC）系统以及废气再循环（EGR）系统四个系统，如图6-1-2所示。

图6-1-2 发动机排放控制系统组成

下面分别介绍这四种系统。

（1）曲轴箱强制通风（PCV）系统

曲轴箱强制通风系统可以解决窜缸混合气对机油及曲轴箱的损坏问题。

曲轴箱强制通风系统是在曲轴箱和进气歧管间安装一根管子和一个强制通风阀（PCV阀），如图6-1-3所示。利用歧管真空度将窜气吸入进气管燃烧，通过PCV阀改变进入气缸重新燃烧的窜缸混合气量。

图6-1-3 PCV阀的结构

（2）燃油蒸发排放控制（EVAP）系统

燃油蒸发排放控制系统可以收集汽油箱内蒸发的汽油蒸汽，并将汽油蒸汽导入气缸参加燃烧，防止汽油蒸汽直接排入大气而造成污染，如图6-1-4所示。

图6-1-4 燃油蒸发排放控制系统工作过程

（3）三元催化转换（TWC）系统

三元催化转换系统是利用转换器中的三元催化剂，将发动机排出废气中的有害气体转变为无害气体，如图6-1-5所示。

图6-1-5 三元催化转换器工作过程

（4）废气再循环（EGR）系统

废气再循环系统是将适量的废气重新引入气缸内参加燃烧，从而降低气缸内的最高温度，以减少NOx的排放量。由于废气再循环也会使发动机的功率降低，使发动机在怠速、低速等工况下运转不稳定，因此需由ECU根据发动机工况控制废气再循环系统的工作。

三元催化转换器的监控

随着汽车排放法规的严格，在具有排放监控功能的0BD-Ⅱ车载自诊断系统中，普遍安装两个氧传感器，即在三元催化转化器的前、后各安装一个氧传感器，如图6-1-6所示。

图6-1-6 双氧传感器的安装位置

前氧传感器的作用是检测发动机不同工况的空燃比，同时发动机ECU根据该信号调整喷油量和计算点火时间。后氧传感器的作用是检测三元催化转化器的工作好坏，即催化转化器尾气转化率的高低。通过与前氧传感器的数据比较，监控三元催化转化器的工作是否良好。

a）三元催化转化器工作良好      b）三元催化转化器工作不良

图6-1-7 后氧传感器与前氧传感器输出信号的比较

如果后氧传感器B的输出信号与前氧传感器A的输出信号同步，但幅值低得多，如图6-1-7a所示，则说明三元催化转化器工作良好。如果后氧传感器B的输出信号与前氧传感器A的输出信号近乎完全相同，如图6-1-7b所示，即同步、等幅值，则说明三元催化转化器工作不良。

一、任务准备

工作任务：一辆2021款丰田卡罗拉轿车，请对汽车排放控制系统进行全面的检查。

1.课前准备

（1）场地设施：举升机一台，装有废气抽排系统和消防设施的场地。

（2）设备设施：2021款丰田卡罗拉轿车一辆

（3）工量具：常用工具（一套）、车辆故障诊断仪、万用表等。

（4）耗材：车内三件套、车外三件套等。

（5）学生组织：教师指导、分组实训、过程评价。

2.注意事项

（1）在工作过程中要注意人身安全，认真执行7S管理。

（2）在工作过程中请根据操作步骤，规范操作，防止损坏设备和器材。

（3）严格按照工作要求正确使用仪器设备，出现问题及时报告，服从管理。

二、任务实施

1.目视检查软管、连接情况和衬垫

目视检查并确认软管、连接部位和衬垫无破裂、泄漏或损坏。如果发现任何缺陷，则在必要时更换零件。

注意：发动机机油油位计、机油加注口盖分总成、通风软管和其他零部件拆下或出现其他故障时，可能会导致发动机不能正常运转。带电动机的节气门体总成和气缸盖分总成之间进气系统零件的断开、松动或破裂会使空气泄漏，从而可能导致发动机工作异常或发动机故障。

2.检查燃油蒸汽排放控制系统

①将GTS诊断仪连接到DLC3。从清污阀上断开1号燃油蒸汽供给软管（图6-1-8）。起动发动机，打开诊断仪。诊断仪进入以下菜单：Powertrain/Engine/Active Test/Activate the EVAP Purge VSV。

检测仪显示：Activate the EVAP Purge VSV

②检查并确认清污阀口出现真空。

如果未出现真空，则检查以下项目：1.清污阀；2.连接进气歧管和清污阀的燃油蒸汽供给软管阻塞；3.ECM PRG端子电压。

③退出诊断仪主动测试模式并将1号燃油蒸汽供给软管连接到清污阀上。

④诊断仪进入以下菜单：Powertrain / Engine / Data List / EVAP (Purge) VSV。

检测仪显示：EVAP (Purge) VSV

⑤使发动机暖机并驾驶车辆。

⑥确认清污阀打开。如果结果不符合规定，则更换清污阀、线束或ECM。

图6-1-8 燃油蒸汽供给软管

3.检查通风喷射器

（1）从涡轮增压器分总成上拆下空气管总成。

拆下螺栓并从气缸盖罩分总成上分离空气管总成（图6-1-9）。

图6-1-9 空气管总成

滑动2个卡子并从涡轮增压器分总成上断开中间冷却器2号水软管和中间冷却器3号水软管（图6-1-10）。

1-中间冷却器2号水软管；2-中间冷却器3号水软管

图6-1-10 中间冷却器软管

从1号水软管卡夹支架上断开中间冷却器2号水软管和中间冷却器3号水软管（图6-1-11）。

1-中间冷却器2号水软管；2-中间冷却器3号水软管

图6-1-11 中间冷却器软管卡夹支架

松开软管卡夹，并从涡轮增压器分总成上拆下空气管总成（图6-1-13）。

图6-1-13 拆下空气管总成

（2）检查阀的工作情况。

将销插入通风喷射器孔（图6-1-14），检查并确认阀平稳移动。

1-通风喷射器；2-销；3-阀

图6-1-14 将销插入通风喷射器孔

阀平稳移动为正常现象。

提示：如果阀无法平稳移动，则其可能会卡在通风喷射器内。

（3）将空气管总成安装到涡轮增压器分总成上。

①紧固软管卡夹。扭矩：6.3N*m。

②将中间冷却器2号水软管和中间冷却器3号水软管连接到1号水软管卡夹支架上。

③将中间冷却器2号水软管和中间冷却器3号水软管连接到涡轮增压器分总成上并滑动2个卡子以将其固定。

④用螺栓将空气管总成安装到气缸盖罩分总成上。扭矩：10Nm

4.检查燃油箱和通风管路

①从炭罐（炭罐总成）上断开燃油箱通风软管。

1-燃油箱盖总成；2-燃油箱通风软管；3-压力表

图6-1-15 连接压力表

②将压力表连接到燃油箱通风软管上（图6-1-15）。

③对燃油箱总成的通风管路施加4kPa的压力。

提示：在燃油箱总成压力不足90%时，进行此检查。燃油箱总成压力满时，加油单向阀关闭且通过2mm节流孔释放压力。因此，拆下燃油箱盖总成时，压力无法平稳降低。

④检查并确认燃油箱总成压力保持一段时间，不会立即降低。

提示：如果压力立即降低，则可能发生以下任一情况：燃油箱盖总成未完全拧紧；燃油箱盖总成损坏；通风管路中有空气泄漏；燃油箱总成损坏。

⑤拆下燃油箱盖总成，检查并确认压力平稳释放。如果压力没有平稳释放，则更换燃油箱总成。将燃油箱通风软管连接到炭罐（炭罐总成）上。

5.检查空气管路

①从2号炭罐分总成上断开空气管路（图6-1-15）。

②检查并确认空气可自由流入空气管路。如果空气不能自由流入空气管路，则对其进行维修或更换。

③将空气管路连接到2号炭罐分总成上。

1-空气管路；a-空气

图6-1-15 空气管路的位置

1.汽油机的主要排放污染物是一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物，柴油机的主要排放污染物是碳氢化合物、氮氧化合物和炭烟。

2.由于燃烧室不具备充分燃烧的条件，发动机也不能时时保持在理论空燃比，汽油不能按照化学理论产生反应，所以会产生除水、二氧化碳之外的一些有害成分。

3.汽车排放控制系统的功用主要是减少汽车尾气中有害物质的排放，从而降低对环境的污染和破坏。

4.排放控制系统是汽车整车的关键组成部分，对汽车减排和环境保护起着至关重要的作用。

5.排放控制系统主要包括曲轴箱强制通风（PCV）系统、燃油蒸发排放控制（EVAP）系统、三元催化转换（TWC）系统以及废气再循环（EGR）系统四个系统。