基于多传感器闭环反馈控制的汽车尾气处理系统研究

金世佳

摘要：从提高燃料质量、选用新动力源、优化汽车排放控制系统结构3个方面，介绍汽车尾气净化处理技术。在简要介绍汽车排放控制系统的结构组成及工作原理基础上，重点论述基于多传感器反馈控制的废气再循环装置的工作原理及特点，为净化汽车尾气提供参考。

关键词：尾气处理技术；燃料；动力源；EGR

中图分类号：U464.17 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）07-0031-03

随着我国机动车产量和保有量的不断增加，汽车排放的有害废物已成为大气污染的主要来源之一。汽车尾气对大气环境的污染日趋加重，严重危害居民的健康。所谓尾气污染，主要是指柴油、汽油等机动车燃料因含有添加剂和杂质，而在不完全燃烧时排出的一些有害物质对环境及人体的污染和破坏。尾气中包含100多种有害物质，主要有固体悬浮微粒、一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物、铅和黑烟等。医学研究表明：肺癌的发病率和死亡率与大气污染成正比；城市的肺癌发病率大于近郊，且近郊区大于远郊区。汽车尾气危害可分为直接危害和间接危害2种。科学分析表明，汽车尾气中含有上百种不同的化合物，其中污染物有固体悬浮微粒、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、铅及硫氧化合物等，这些物质会严重危害人的身体健康；尾气直接危害人体健康的同时，还会对人类生活的环境产生深远影响。尾气中的二氧化硫达到一定浓度时会产生酸雨，造成土壤和水源酸化，影响农作物和森林的生长；二氧化碳使气候变暖、冰川融化、水位上涨等。

1 汽车尾气的净化处理技术

1.1 提高燃料质量

1） 选用恰当的润滑添加剂——机械摩擦改进剂。在机油中添加一定量（比例为3%～5%）石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯粉末等固体添加剂，可节省发动机燃油5%左右。此外，采用上述固体润滑剂可使汽车发动机汽缸密封性能大大改善，汽缸压力增加，燃烧完全，尾气中的CO和碳氢含量随之下降，减轻对大气环境的污染。

2） 使用无铅汽油，严禁使用有铅汽油。

3） 掺入添加剂，改变燃料成分。向汽油中掺入15%以下的甲醇或乙醇燃料，能在一定程度上减少或消除CO、NOx、CH的污染效果，提高燃料的利用率。

4） 采用生物燃料等可再生能源。有关专家指出，开发乙醇代替汽油，既节约能源，又可消化陈粮，使汽车排出的有害气体减少。

1.2 改变汽车动力方式

1） 研制电动汽车。电能是清洁能源。目前，汽车使用电能的瓶颈技术已经解决，蓄电池技术的发展将电动汽车的研制推向了高潮，已有相当数量的电动汽车投入使用。电动汽车不产生任何尾气，避免了汽车尾气污染，是未来汽车技术研发的主题。

2） 研制太阳能电动汽车。太阳能转化效率不断提高，使用太阳能作为动力已经成为现实。美国和欧洲都已开发出太阳能汽车。

3） 优化汽车排放控制系统的结构，减少所释放的尾气。

2 汽车排放控制系统结构优化

汽车排放控制系统主要包括曲轴箱通风装置（见图1）、燃油蒸发排放装置（见图2）、废气再循环装置、三元催化剂和二次空气喷射系统。

2.1 燃油蒸发排放装置

燃油蒸发排放装置的工作原理：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，从而控制真空控制阀上部的真空度，进而控制真空控制阀的开度；当真空控制阀打开时，燃油蒸汽通过真空控制阀被吸入进气歧管；发动机怠速或温度较低时，ECU使电磁阀断电，关闭吸气通道，活性炭罐内的燃油蒸汽不能被吸入进气歧管。

2.2 废气再循环装置（EGR）

不进行废气再循环的工况有启动工况、怠速工况、暖机工况、转速低于900 r/min或高于3200 r/min。EGR率指废气再循环量在进入气缸内的气体中所占的比率，即EGR率=[EGR量/（进气量+EGR量）]×100%。

EGR电子控制系统的组成见图3。图3中：①提供发动机转速信号；②为进气管压力传感器；③提供启动信号；④为EGR阀开度反馈控制传感器。

2.2.1 开环控制EGR系统 在开环控制EGR系统（见图4）中，ECU根据各传感器信号确定发动机工况，并按其内存的EGR率与转速、负荷的对应关系进行控制，但对其控制结果不进行检测，控制精度令人满意。闭环控制比开环控制更能获得较好的控制精度。

2.2.2 闭环控制EGR系统 由信号正向通路和反馈通路构成闭合回路的自动控制系又称反馈控制系统，是基于反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，通过消除偏差获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。

反馈控制是自动控制的主要形式。自动控制系统多数是反馈控制系统。反馈控制系统由控制器、受控对象和反馈通路组成。通过比较环节将输入与输出相减，给出偏差信号。这一环节在具体系统中与控制器一起统称为调节器。在反馈控制系统中，当外部扰动或系统内部变化时，只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，能改善系统的响应特性。但反馈回路的引入会增加系统的复杂性，且增益选择不合理时会引起系统不稳定。为提高控制精度，在扰动变量可以测量时，同时采用扰动控制（即前馈控制）作为反馈控制的补充，并构成复合控制系统。

EGR闭环控制方式为：1） 用EGR阀开度作为反馈信号。EGR阀开度传感器向ECU反馈电磁阀开度的信号，ECU据此修正电磁阀开度，使EGR率保持在最佳值。2） 用EGR率作为反馈信号的闭环控制EGR系统。EGR率传感器安装在进气总管中的稳压箱上，使新鲜空气进入稳压箱，参与再循环的废气经EGR电磁阀也进入稳压箱。传感器检测稳压箱内气体的氧浓度，并转换成电信号输送给ECU，ECU据此修正电磁阀开度，使EGR率保持在最佳值。

EGR阀开度反馈控制系统和EGR率反馈控制系统分别见图5和图6。

3 结语

世界上因汽车尾气污染而导致的问题不可胜数。随着科学技术的不断发展，新能源的使用以及汽车内部结构的优化，都会缓解尾气污染，使汽车尾气治理取得理想效果。然而，只在技术和结构上进行改进是远远不够的，还应提倡绿色出行、植树造林等。

参考文献

[1] 金伟.论汽车尾气的危害以及防治措施[J].化学工程与装备，2008（11）：131-132.

[2] 李滨丹，吴宁.探讨汽车尾气污染危害与对策[J].环境科学与管理，2009，7（34）：174-177.

[3] 邵文燕.汽车尾气污染及治理技术[J].科技情报开发与经济，2009（16）：167-169.

[4] 李彦栋.漫谈汽车尾气与排放控制[J].汽车知识与技术，2008（3）：8-9.

[5] 王莹，陈冬青，李小平，等.汽车尾气污染对人体健康的危害[J].中国卫生工程学，2002（4）：204-205.

[6] 金陶胜，傅立新.吸入因子：汽车尾气污染健康影响的一种评价方法[J].环境与健康杂志，2006（2）：182-184.

[7] 张北源，刘纯旭.汽车尾气治理技术简介[J].科技信息：2008（5）：35.

[8] 吴萍，陈作平，曾万明.汽车污染物排放的危害及对策[J].科技视野，2008（9）：52-53.

[9] 李良寿.汽车传感器的技术分析[J].仪表技术与传感器，2006（4）：61-62.

[10] 郑霞君，方祖华.小型通用汽油机排放控制的研究[J].内燃机工程，2006（5）：32-34.

摘要：从提高燃料质量、选用新动力源、优化汽车排放控制系统结构3个方面，介绍汽车尾气净化处理技术。在简要介绍汽车排放控制系统的结构组成及工作原理基础上，重点论述基于多传感器反馈控制的废气再循环装置的工作原理及特点，为净化汽车尾气提供参考。

关键词：尾气处理技术；燃料；动力源；EGR

中图分类号：U464.17 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）07-0031-03

随着我国机动车产量和保有量的不断增加，汽车排放的有害废物已成为大气污染的主要来源之一。汽车尾气对大气环境的污染日趋加重，严重危害居民的健康。所谓尾气污染，主要是指柴油、汽油等机动车燃料因含有添加剂和杂质，而在不完全燃烧时排出的一些有害物质对环境及人体的污染和破坏。尾气中包含100多种有害物质，主要有固体悬浮微粒、一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物、铅和黑烟等。医学研究表明：肺癌的发病率和死亡率与大气污染成正比；城市的肺癌发病率大于近郊，且近郊区大于远郊区。汽车尾气危害可分为直接危害和间接危害2种。科学分析表明，汽车尾气中含有上百种不同的化合物，其中污染物有固体悬浮微粒、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、铅及硫氧化合物等，这些物质会严重危害人的身体健康；尾气直接危害人体健康的同时，还会对人类生活的环境产生深远影响。尾气中的二氧化硫达到一定浓度时会产生酸雨，造成土壤和水源酸化，影响农作物和森林的生长；二氧化碳使气候变暖、冰川融化、水位上涨等。

1 汽车尾气的净化处理技术

1.1 提高燃料质量

1） 选用恰当的润滑添加剂——机械摩擦改进剂。在机油中添加一定量（比例为3%～5%）石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯粉末等固体添加剂，可节省发动机燃油5%左右。此外，采用上述固体润滑剂可使汽车发动机汽缸密封性能大大改善，汽缸压力增加，燃烧完全，尾气中的CO和碳氢含量随之下降，减轻对大气环境的污染。

2） 使用无铅汽油，严禁使用有铅汽油。

3） 掺入添加剂，改变燃料成分。向汽油中掺入15%以下的甲醇或乙醇燃料，能在一定程度上减少或消除CO、NOx、CH的污染效果，提高燃料的利用率。

4） 采用生物燃料等可再生能源。有关专家指出，开发乙醇代替汽油，既节约能源，又可消化陈粮，使汽车排出的有害气体减少。

1.2 改变汽车动力方式

1） 研制电动汽车。电能是清洁能源。目前，汽车使用电能的瓶颈技术已经解决，蓄电池技术的发展将电动汽车的研制推向了高潮，已有相当数量的电动汽车投入使用。电动汽车不产生任何尾气，避免了汽车尾气污染，是未来汽车技术研发的主题。

2） 研制太阳能电动汽车。太阳能转化效率不断提高，使用太阳能作为动力已经成为现实。美国和欧洲都已开发出太阳能汽车。

3） 优化汽车排放控制系统的结构，减少所释放的尾气。

2 汽车排放控制系统结构优化

汽车排放控制系统主要包括曲轴箱通风装置（见图1）、燃油蒸发排放装置（见图2）、废气再循环装置、三元催化剂和二次空气喷射系统。

2.1 燃油蒸发排放装置

燃油蒸发排放装置的工作原理：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，从而控制真空控制阀上部的真空度，进而控制真空控制阀的开度；当真空控制阀打开时，燃油蒸汽通过真空控制阀被吸入进气歧管；发动机怠速或温度较低时，ECU使电磁阀断电，关闭吸气通道，活性炭罐内的燃油蒸汽不能被吸入进气歧管。

2.2 废气再循环装置（EGR）

不进行废气再循环的工况有启动工况、怠速工况、暖机工况、转速低于900 r/min或高于3200 r/min。EGR率指废气再循环量在进入气缸内的气体中所占的比率，即EGR率=[EGR量/（进气量+EGR量）]×100%。

EGR电子控制系统的组成见图3。图3中：①提供发动机转速信号；②为进气管压力传感器；③提供启动信号；④为EGR阀开度反馈控制传感器。

2.2.1 开环控制EGR系统 在开环控制EGR系统（见图4）中，ECU根据各传感器信号确定发动机工况，并按其内存的EGR率与转速、负荷的对应关系进行控制，但对其控制结果不进行检测，控制精度令人满意。闭环控制比开环控制更能获得较好的控制精度。

2.2.2 闭环控制EGR系统 由信号正向通路和反馈通路构成闭合回路的自动控制系又称反馈控制系统，是基于反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，通过消除偏差获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。

反馈控制是自动控制的主要形式。自动控制系统多数是反馈控制系统。反馈控制系统由控制器、受控对象和反馈通路组成。通过比较环节将输入与输出相减，给出偏差信号。这一环节在具体系统中与控制器一起统称为调节器。在反馈控制系统中，当外部扰动或系统内部变化时，只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，能改善系统的响应特性。但反馈回路的引入会增加系统的复杂性，且增益选择不合理时会引起系统不稳定。为提高控制精度，在扰动变量可以测量时，同时采用扰动控制（即前馈控制）作为反馈控制的补充，并构成复合控制系统。

EGR闭环控制方式为：1） 用EGR阀开度作为反馈信号。EGR阀开度传感器向ECU反馈电磁阀开度的信号，ECU据此修正电磁阀开度，使EGR率保持在最佳值。2） 用EGR率作为反馈信号的闭环控制EGR系统。EGR率传感器安装在进气总管中的稳压箱上，使新鲜空气进入稳压箱，参与再循环的废气经EGR电磁阀也进入稳压箱。传感器检测稳压箱内气体的氧浓度，并转换成电信号输送给ECU，ECU据此修正电磁阀开度，使EGR率保持在最佳值。

EGR阀开度反馈控制系统和EGR率反馈控制系统分别见图5和图6。

3 结语

世界上因汽车尾气污染而导致的问题不可胜数。随着科学技术的不断发展，新能源的使用以及汽车内部结构的优化，都会缓解尾气污染，使汽车尾气治理取得理想效果。然而，只在技术和结构上进行改进是远远不够的，还应提倡绿色出行、植树造林等。

参考文献

[1] 金伟.论汽车尾气的危害以及防治措施[J].化学工程与装备，2008（11）：131-132.

[2] 李滨丹，吴宁.探讨汽车尾气污染危害与对策[J].环境科学与管理，2009，7（34）：174-177.

[3] 邵文燕.汽车尾气污染及治理技术[J].科技情报开发与经济，2009（16）：167-169.

[4] 李彦栋.漫谈汽车尾气与排放控制[J].汽车知识与技术，2008（3）：8-9.

[5] 王莹，陈冬青，李小平，等.汽车尾气污染对人体健康的危害[J].中国卫生工程学，2002（4）：204-205.

[6] 金陶胜，傅立新.吸入因子：汽车尾气污染健康影响的一种评价方法[J].环境与健康杂志，2006（2）：182-184.

[7] 张北源，刘纯旭.汽车尾气治理技术简介[J].科技信息：2008（5）：35.

[8] 吴萍，陈作平，曾万明.汽车污染物排放的危害及对策[J].科技视野，2008（9）：52-53.

[9] 李良寿.汽车传感器的技术分析[J].仪表技术与传感器，2006（4）：61-62.

[10] 郑霞君，方祖华.小型通用汽油机排放控制的研究[J].内燃机工程，2006（5）：32-34.

摘要：从提高燃料质量、选用新动力源、优化汽车排放控制系统结构3个方面，介绍汽车尾气净化处理技术。在简要介绍汽车排放控制系统的结构组成及工作原理基础上，重点论述基于多传感器反馈控制的废气再循环装置的工作原理及特点，为净化汽车尾气提供参考。

关键词：尾气处理技术；燃料；动力源；EGR

中图分类号：U464.17 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）07-0031-03

随着我国机动车产量和保有量的不断增加，汽车排放的有害废物已成为大气污染的主要来源之一。汽车尾气对大气环境的污染日趋加重，严重危害居民的健康。所谓尾气污染，主要是指柴油、汽油等机动车燃料因含有添加剂和杂质，而在不完全燃烧时排出的一些有害物质对环境及人体的污染和破坏。尾气中包含100多种有害物质，主要有固体悬浮微粒、一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物、铅和黑烟等。医学研究表明：肺癌的发病率和死亡率与大气污染成正比；城市的肺癌发病率大于近郊，且近郊区大于远郊区。汽车尾气危害可分为直接危害和间接危害2种。科学分析表明，汽车尾气中含有上百种不同的化合物，其中污染物有固体悬浮微粒、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、铅及硫氧化合物等，这些物质会严重危害人的身体健康；尾气直接危害人体健康的同时，还会对人类生活的环境产生深远影响。尾气中的二氧化硫达到一定浓度时会产生酸雨，造成土壤和水源酸化，影响农作物和森林的生长；二氧化碳使气候变暖、冰川融化、水位上涨等。

1 汽车尾气的净化处理技术

1.1 提高燃料质量

1） 选用恰当的润滑添加剂——机械摩擦改进剂。在机油中添加一定量（比例为3%～5%）石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯粉末等固体添加剂，可节省发动机燃油5%左右。此外，采用上述固体润滑剂可使汽车发动机汽缸密封性能大大改善，汽缸压力增加，燃烧完全，尾气中的CO和碳氢含量随之下降，减轻对大气环境的污染。

2） 使用无铅汽油，严禁使用有铅汽油。

3） 掺入添加剂，改变燃料成分。向汽油中掺入15%以下的甲醇或乙醇燃料，能在一定程度上减少或消除CO、NOx、CH的污染效果，提高燃料的利用率。

4） 采用生物燃料等可再生能源。有关专家指出，开发乙醇代替汽油，既节约能源，又可消化陈粮，使汽车排出的有害气体减少。

1.2 改变汽车动力方式

1） 研制电动汽车。电能是清洁能源。目前，汽车使用电能的瓶颈技术已经解决，蓄电池技术的发展将电动汽车的研制推向了高潮，已有相当数量的电动汽车投入使用。电动汽车不产生任何尾气，避免了汽车尾气污染，是未来汽车技术研发的主题。

2） 研制太阳能电动汽车。太阳能转化效率不断提高，使用太阳能作为动力已经成为现实。美国和欧洲都已开发出太阳能汽车。

3） 优化汽车排放控制系统的结构，减少所释放的尾气。

2 汽车排放控制系统结构优化

汽车排放控制系统主要包括曲轴箱通风装置（见图1）、燃油蒸发排放装置（见图2）、废气再循环装置、三元催化剂和二次空气喷射系统。

2.1 燃油蒸发排放装置

燃油蒸发排放装置的工作原理：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，从而控制真空控制阀上部的真空度，进而控制真空控制阀的开度；当真空控制阀打开时，燃油蒸汽通过真空控制阀被吸入进气歧管；发动机怠速或温度较低时，ECU使电磁阀断电，关闭吸气通道，活性炭罐内的燃油蒸汽不能被吸入进气歧管。

2.2 废气再循环装置（EGR）

不进行废气再循环的工况有启动工况、怠速工况、暖机工况、转速低于900 r/min或高于3200 r/min。EGR率指废气再循环量在进入气缸内的气体中所占的比率，即EGR率=[EGR量/（进气量+EGR量）]×100%。

EGR电子控制系统的组成见图3。图3中：①提供发动机转速信号；②为进气管压力传感器；③提供启动信号；④为EGR阀开度反馈控制传感器。

2.2.1 开环控制EGR系统 在开环控制EGR系统（见图4）中，ECU根据各传感器信号确定发动机工况，并按其内存的EGR率与转速、负荷的对应关系进行控制，但对其控制结果不进行检测，控制精度令人满意。闭环控制比开环控制更能获得较好的控制精度。

2.2.2 闭环控制EGR系统 由信号正向通路和反馈通路构成闭合回路的自动控制系又称反馈控制系统，是基于反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，通过消除偏差获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。

反馈控制是自动控制的主要形式。自动控制系统多数是反馈控制系统。反馈控制系统由控制器、受控对象和反馈通路组成。通过比较环节将输入与输出相减，给出偏差信号。这一环节在具体系统中与控制器一起统称为调节器。在反馈控制系统中，当外部扰动或系统内部变化时，只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，能改善系统的响应特性。但反馈回路的引入会增加系统的复杂性，且增益选择不合理时会引起系统不稳定。为提高控制精度，在扰动变量可以测量时，同时采用扰动控制（即前馈控制）作为反馈控制的补充，并构成复合控制系统。

EGR闭环控制方式为：1） 用EGR阀开度作为反馈信号。EGR阀开度传感器向ECU反馈电磁阀开度的信号，ECU据此修正电磁阀开度，使EGR率保持在最佳值。2） 用EGR率作为反馈信号的闭环控制EGR系统。EGR率传感器安装在进气总管中的稳压箱上，使新鲜空气进入稳压箱，参与再循环的废气经EGR电磁阀也进入稳压箱。传感器检测稳压箱内气体的氧浓度，并转换成电信号输送给ECU，ECU据此修正电磁阀开度，使EGR率保持在最佳值。

EGR阀开度反馈控制系统和EGR率反馈控制系统分别见图5和图6。

3 结语

世界上因汽车尾气污染而导致的问题不可胜数。随着科学技术的不断发展，新能源的使用以及汽车内部结构的优化，都会缓解尾气污染，使汽车尾气治理取得理想效果。然而，只在技术和结构上进行改进是远远不够的，还应提倡绿色出行、植树造林等。

参考文献

[1] 金伟.论汽车尾气的危害以及防治措施[J].化学工程与装备，2008（11）：131-132.

[2] 李滨丹，吴宁.探讨汽车尾气污染危害与对策[J].环境科学与管理，2009，7（34）：174-177.

[3] 邵文燕.汽车尾气污染及治理技术[J].科技情报开发与经济，2009（16）：167-169.

[4] 李彦栋.漫谈汽车尾气与排放控制[J].汽车知识与技术，2008（3）：8-9.

[5] 王莹，陈冬青，李小平，等.汽车尾气污染对人体健康的危害[J].中国卫生工程学，2002（4）：204-205.

[6] 金陶胜，傅立新.吸入因子：汽车尾气污染健康影响的一种评价方法[J].环境与健康杂志，2006（2）：182-184.

[7] 张北源，刘纯旭.汽车尾气治理技术简介[J].科技信息：2008（5）：35.

[8] 吴萍，陈作平，曾万明.汽车污染物排放的危害及对策[J].科技视野，2008（9）：52-53.

[9] 李良寿.汽车传感器的技术分析[J].仪表技术与传感器，2006（4）：61-62.

[10] 郑霞君，方祖华.小型通用汽油机排放控制的研究[J].内燃机工程，2006（5）：32-34.