燃油蒸发排放控制系统及其故障诊断监测

◆文/河南 王良斌

一、燃油蒸发排放

尾气排放、曲轴箱排放和蒸发排放是汽车产生污染物的三大原因。目前，蒸发排放主要是燃油方面的蒸发排放，其余则是内饰材料和涂料等方面的排放。燃油蒸发排放不仅会在燃油箱内产生，而且在喷油器处也会产生。例如，每当发动机随机熄火时，喷油器没有来得及燃烧的油及整个熄火期间泄露出来的油最终都会以燃油蒸汽的形式排入到大气中，造成环境污染。本文通过对燃油箱燃油蒸发排放控制系统及其故障诊断监测技术做详细介绍，以期对大家有所帮助。

燃油温度升高和车辆行驶颠簸是导致燃油箱内燃油蒸发的主要原因，而引起燃油温度升高的原因有很多，例如环境温度升高、外部热辐射(夏季的路面、排气管路)、回流燃油带来大量热量(为满足国Ⅳ或以上排放法规很多汽油机均采用了无回油燃油系统)及燃油泵运行产生的热量等。

将燃油蒸汽引入进气系统参与燃烧作功可以使汽车的经济性和排放性得以提高，但与此同时也给燃油定量控制带来麻烦，这也是现代汽车必须要装备燃油蒸发排放控制系统的原因以及安装完后要解决的问题。

二、燃油蒸发排放控制系统

1.燃油蒸发排放控制系统的组成

燃油蒸发排放控制系统主要由清洗电磁阀、碳罐和双向阀、电磁截止阀和压力传感器等元部件组成，如图1所示。燃油箱采用全密封式油箱盖子，燃油箱内燃油蒸汽积聚到一定压力时，双向阀被单向压开，燃油蒸汽进入碳罐被活性炭吸收暂存(吸附)。当清洗电磁阀开启后，在进气歧管压力和环境压力的压差作用下，空气经过常开的电磁截止阀穿过底部的空气滤芯冲入碳罐，顺势冲刷掉吸附在活性炭粒上的燃油蒸汽(脱附，又称再生)并与之相混合形成清洗气流，清洗气流通过清洗电磁阀的定量控制进入进气歧管。

图1 燃油蒸发排放控制系统组成

2.清洗电磁阀

清洗电磁阀结构如图2所示(以博世公司产品为例)。电磁衔铁的两表面分别与叶片弹簧和密封元件相连接，叶片弹簧将电磁衔铁连同密封元件一并举起离开密封座1个预设的距离，形成清洗电磁阀的开度。清洗电磁阀的进、出口压差和电磁力增大，克服叶片弹簧的弹力，使密封元件靠近密封座，开度减小，清洗气流流量也随之减小；而进、出口压差和电磁力减小时，相应动作也与之相反。单向阀用于防止发动机熄火期间而碳罐内的燃油蒸汽达到饱和时进入进气歧管。

图2 清洗电磁阀结构

有两个力可以改变清洗电磁阀的开度，一个是清洗电磁阀进、出口压差，开度随着压差增大而减小，另外一个就是电磁力。ECU以调节脉冲信号占空比的形式控制电磁线圈通电电流的大小，电磁力大小因此得以改变，即增加占空比，通电电流增加，电磁力增加，开度减小，反之亦然。

清洗电磁阀进、出口压差取决于发动机负荷和转速(环境压力视为恒定)，而负荷和转速是发动机的运行变量，它服从于车辆实际运行的需要，只有ECU(ElectronicControlUnit电子控制单元，又称“行车电脑”、“车载电脑”等)根据发动机运行工况通过调节脉冲信号占空比来实现清洗气流流量的定量控制。

3.双向阀的结构和作用

双向阀就是两个结构相同的单向阀相并联，根据其作用不同分别称为压力单向阀和真空单向阀，用于燃油箱压力平衡。压力单向阀还有抑制燃油蒸发速率的作用。当发动机大负荷运行时，随着油箱内燃油迅速减少，油箱内可能会形成真空度，此时，真空单向阀被吸开，空气经电磁截止阀、碳罐、真空单向阀进入油箱，避免油箱被吸瘪；当油箱内产生大量燃油蒸汽压力升高(例如夏季长时间停车)时，压力单向阀被压开，燃油蒸汽进入碳罐被活性炭吸收，释放油箱压力。合理设计压力单向阀的弹簧预压力，使油箱压力保持适度的正压，有利于抑制燃油蒸发速率。

4.清洗运行的补偿机制

在未开启燃油蒸发排放控制系统时，λ闭环控制根据氧传感器信号将λ控制于λ＝1附近一个狭窄的窗口内(λ＝0.99～1的λ窗口)，当开启燃油蒸发排放控制系统实施清洗运行时，λ将进行大幅度波动，而当幅度超出λ闭环控制的调控能力时，λ闭环控制则无法实现。为此，当实施清洗运行模式时，ECU就要预先增大或减小喷油脉宽，用于补偿因清洗气流将要导致的λ大幅度波动，使λ波动最小，确保λ闭环控制仍能实现。ECU此项补偿机制的核心是补偿机制的定量控制，补偿定量取决于清洗气流的质量。影响其量的因素(即清洗气流的流量)有清洗电磁阀的开度和进、出口压差相关，影响其质(即清洗气流中所含的燃油量)的因素有发动机负荷、环境温度及车辆颠簸程度等，而通过精确计量清洗气流的质量而确定补偿定量其难度很大，因此通常不采用此方法。

确定清洗气流质量的方法，在实施λ闭环控制的工况范围内，ECU按既定的规律驱动清洗电磁阀交替开启和关闭。ECU控制清洗电磁阀的开度以既定恒斜率的斜坡函数变化，根据λ闭环控制测定出λ偏离1的程度，与清洗电磁阀关闭时的情形相比，对清洗气流质量做出实时评估，用于随后的补偿定量控制，以保证在整个清洗强度范围内，λ闭环控波动受影响最小。

5.相关部件的优化匹配设计

油箱燃油蒸发速率、碳罐储存能力和清洗电磁阀清洗能力相匹配，碳罐吸收的燃油蒸汽量与清洗气流带走的燃油蒸汽量处于动平衡状态。前者除了与碳罐大小有关外，还与燃油蒸发速率密切相关，而发动机运行工况、环境温度、车辆行驶条件对燃油蒸发速率都有影响。优化清洗气流定量控制策略和碳罐设计，同时通过整车设计(例如采用无回油系统和高效燃油泵、燃油箱远离热源和隔热)抑制燃油蒸发速率，力求满足不同用户的要求，避免出现或减少出现清洗气流两个极端的情况(即纯空气和燃油浓度极高的燃油蒸汽)，防止超出补偿定量的范围，避免给λ闭环控制造成不利影响。

6.控制策略

(1)清洗气流流量(即清洗电磁阀开度)随发动机转速和负荷的增加而增大。

(2)发动机水温低于60℃或70℃(不同发动机略有差异)时，清洗电磁阀关闭。

(3)发动机运行中，凡是燃油切断工况(例如倒拖、减速、限速)，清洗电磁阀关闭。

(4)λ闭环控制未激活时，清洗电磁阀关闭或只允许打开极小开度。

三、燃油蒸发排放控制系统故障诊断监测

利用真空开关对清洗电磁阀进行故障诊断监测，只能应付先期较低的排放法规要求，如今的汽车电控发动机必须装备第2代车载故障诊断系统，目前燃油蒸发排放控制系统的故障诊断监测包括以下两个方面。

1.清洗电磁阀驱动级故障诊断监测

清洗电磁阀采用ECU下游驱动方式，清洗电磁阀线圈下游线到功率管之间的电压可能出现两种情况，一种是电压为0，另一种是出现电源电压即电压为12V或14V。当功率管完全导通即占空比为100%时电压为0，当功率管占空比为0时电压为12V或14V。因此，实施清洗电磁阀驱动级故障诊断监测时，ECU主动实施占空比为100%和0，监测下游线上的电压应该为0时却出现电源电压，则判为断路，应该为电源电压时却出现0，则判为对地短路。

2.燃油蒸汽泄漏故障诊断监测

实施燃油泄漏故障诊断监测时，首先ECU使电磁截止阀(常开阀)得关闭，封闭燃油蒸汽储存系统。然后，在怠速工况下打开清洗电磁阀。ECU根据压力传感器信号的变化，便可判断系统是否有泄漏以及泄漏的程度。

四、常见故障和相关疑虑

1.碳罐堵塞

碳罐内部填充满活性炭颗粒，底部设置有空气滤芯，汽车在行驶一定里程后会出现堵塞的情况。尤其是灰尘较大地区的车辆，出现碳罐堵塞的概率更大。碳罐堵塞会导致清洗气流无法形成，从根本上破坏了燃油蒸发排放控制系统的运行，进而导致空燃比过稀，发动机无法正常运行，此外还会造成油箱的压力平衡被破坏，而当燃油量的减少，油箱会形成过高的真空度，甚至吸瘪油箱，最终导致发动机无法运行。因此，汽车在行驶中出现加不上油，进而慢慢熄火，熄火后启动困难等现象时，要先检查碳罐是否堵塞。

2.清洗电磁阀失控

清洗电磁阀的失控的原因有结构原因、异物使阀芯被卡不受电磁力所控制、电磁线圈回路出现断路或短路这三种，不管遇到哪种情况都从根本上破坏了燃油蒸发排放控制系统的运行。当阀芯被卡于关闭位置时，将导致部分工况空燃比过稀；当阀芯被卡于开启位置时，将导致部分工况空燃比过浓。在故障诊断实践中，凡是由空燃比不正确引起的相关故障，例如启动困难、怠速不稳、行驶中易熄火及熄火后不易启动等都有可能与清洗电磁阀的失控有关。

3.燃油蒸汽泄漏

连接管路和碳罐因碰擦、老化而破损或破裂造成燃油蒸汽泄漏，将导致空燃比过稀，发动机无法正常运行，更为严重的后果是埋下了安全隐患。行驶中出现加油耸车现象以及当打开发动机盖儿或在车内闻到较浓的燃油气味时，通常首先要检查燃油蒸发排放系统的管路和碳罐是否泄漏。

4. 碳罐燃油蒸汽过饱和问题

正常情况下，碳罐的吸附和脱附处于动平衡状态，碳罐内燃油蒸汽不会出现饱和状态，这也是碳罐大小与整车相匹配的结果。但凡事都有特殊情况，例如夏季长时间停用的车辆也有可能出现碳罐内燃油蒸汽过饱和的情况。此时，燃油蒸汽是否会从碳罐的空气入口处溢出造成空气污染暂无法做详细探究，在碳罐的空气入口处设置单向阀只能进不能出解决此问题也仍需行业内朋友们一起探讨。

5.碳罐堵塞故障诊断监测问题

在汽车故障诊断当中，碳罐堵塞是燃油蒸发排放控制系统的常见故障，不但不利于环境保护，而且有时还会影响发动机怠速稳定性，给汽车行驶造成较为严重的后果，因此，对碳罐堵塞故障实施诊断监测很有必要。碳罐堵塞故障判断方法比较简单，无需增加硬件设施，只需软件设置即可，很容易实现。例如，在怠速工况下打开清洗电磁阀，压力传感器的信号不会超出既定的范围，超出既定的范围，便可判断为碳罐已堵塞。另外，笔者认为，碳罐堵塞应该被看成是高级别的故障，发动机故障指示灯也应该被点亮，并生成相应的故障码储存起来，这样会提高人们对于碳罐堵塞的重视程度，也会促进汽车维修人员的诊断排除故障工作顺利进行。