車用汽油機(jī)排放控制技術(shù)研究

孫 瀟 邴桂斌

(1.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 淮安 223003；2.北京市華鐵工程咨詢有限責(zé)任公司 中國(guó) 北京 100055)

為滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)的需求，降低汽車污染物的排放，各類車用汽油機(jī)廢氣排放控制技術(shù)和控制方法迅速發(fā)展。本文從機(jī)前凈化技術(shù)、機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)和機(jī)外處理技術(shù)三條途徑著手，對(duì)汽油機(jī)排放控制技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了分析。

1 機(jī)前凈化技術(shù)

機(jī)前凈化技術(shù)是在混合氣進(jìn)入氣缸之前，對(duì)燃料和空氣采取的措施。主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行介紹。

1.1 燃油處理技術(shù)

燃油處理技術(shù)是通過(guò)提高汽油的品質(zhì)或添加一些添加劑使汽油充分燃燒，以此減少有害物的排放。

在提高汽油品質(zhì)方面，除了需要采用含鉛汽油外，還要降低汽油中的硫、苯及烴類物質(zhì)的含量。此外，在燃油中使用添加劑可以減少進(jìn)氣系統(tǒng)和油路中產(chǎn)生的積碳，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率，降低HC、CO的排放量。在發(fā)動(dòng)機(jī)采用無(wú)鉛汽油后，為提高汽油的辛烷值，在燃油中添加抗爆劑，如醇類、醚類，可改善汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，降低廢氣中的CO的含量。這種混合燃料又被稱之為汽醇燃料或M燃料。

1.2 替代燃料的使用

車用汽油機(jī)的替代燃料主要是：液化石油氣、天然氣、醇類燃料等。液化石油氣辛烷值高、抗爆性好、熱值高、安全可靠，且熱效率較高；但是CO和NOx的排放較高，發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)困難，加速性能下降。天然氣在主要成分是烷烴，主要有壓縮天然氣和液化天然氣兩種。其主要特點(diǎn)是化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、熱值高、抗爆性能好、燃燒效率高。醇類燃料主要應(yīng)用甲醇和乙醇兩種，因其本身含氧量較高，燃料燃燒的更加充分，減少了環(huán)境的壓力，但是因?yàn)槟茉蠢寐瘦^低、成本較高等原因，很難廣泛應(yīng)用[1]。

1.3 燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)

燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)可有效降低燃油箱中汽油蒸發(fā)排入大氣所造成的污染，以活性碳罐的使用效果最為有效。工作原理：當(dāng)停車期間，利用活性碳罐活性，吸收汽油蒸汽，防止向大氣擴(kuò)散；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行后，電控單元控制活性碳罐電磁閥打開(kāi)與進(jìn)氣管的通道，利用進(jìn)氣真空度將活性碳罐中吸附的汽油蒸汽吸入進(jìn)氣管道中與進(jìn)氣一起參與燃燒。這不僅降低了HC的排放，還提高了燃油的有效利用率。

此系統(tǒng)在怠速及全負(fù)荷工況下不工作，以防止在怠速工況時(shí)造成混合氣過(guò)濃而熄火及在全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，混合氣過(guò)稀而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性[2]。

1.4 進(jìn)氣系統(tǒng)的技術(shù)改進(jìn)

為提高進(jìn)氣系統(tǒng)的充氣效率，使混合氣混合更為均勻，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)多采用以下技術(shù)：

（1）采用多氣門技術(shù)，保證較大的換氣流通截面。這不僅可以增大充氣系數(shù)，而且對(duì)于火花塞的中心布置、泵氣損失減少、有害排放物降低等有很大的幫助。

（2）采用進(jìn)氣渦流電控系統(tǒng)，加強(qiáng)油氣混合，實(shí)現(xiàn)可燃混合氣的快速、充分燃燒。該系統(tǒng)電控單元采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開(kāi)度、冷卻水溫等信號(hào)，控制進(jìn)氣管路中渦流控制閥的旋轉(zhuǎn)角度，引導(dǎo)氣流偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生渦流，提高火焰的傳播速度，降低HC的排放。此技術(shù)多應(yīng)用在采用稀薄燃燒技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)上。

（3）采用可變進(jìn)氣系統(tǒng)，以適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)高、低轉(zhuǎn)速不同工況進(jìn)氣量的需求。目前采用的可變進(jìn)氣系統(tǒng)控制，主要有這么兩種控制方式：可變流通面積控制方式和可變流通長(zhǎng)度控制方式?？刂圃砭抢眠M(jìn)氣諧振的效果，提高充氣效率，在發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速條件下實(shí)現(xiàn)性能的最優(yōu)化，可提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性。

2 機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)

2.1 燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化

燃燒室系統(tǒng)的優(yōu)化主要圍繞兩個(gè)方面：改善缸內(nèi)的氣流及采用緊湊的燃燒室形狀。要增強(qiáng)缸內(nèi)混合氣的渦流和紊流，可采用螺旋進(jìn)氣道或利用可變的截止閥增強(qiáng)缸內(nèi)渦流擾動(dòng)，提高火焰的傳播速度[3]。緊湊的燃燒室可通過(guò)減少不參與燃燒的縫隙容積的措施，即將活塞第一環(huán)槽的位置上移減少活塞頭部到活塞頂部的距離，使燃燒室更緊湊，以降低HC的排放。

2.2 電控燃油噴射系統(tǒng)的優(yōu)化

電控燃油噴射系統(tǒng)的優(yōu)化，給發(fā)動(dòng)機(jī)提供適應(yīng)工況要求的燃油空燃比。閉環(huán)反饋控制的應(yīng)用，滿足了三元催化轉(zhuǎn)化器對(duì)空燃比的要求。不僅可以降低燃油消耗率，還能很好的改善發(fā)動(dòng)機(jī)的排放特性?，F(xiàn)在多用精度更高的線性寬域氧傳感器替代傳統(tǒng)氧傳感器，能在更寬的范圍內(nèi)對(duì)空燃比進(jìn)行反饋，使發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能更佳。

2.3 點(diǎn)火正時(shí)的優(yōu)化

點(diǎn)火提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能有重要影響。最常用的排放控制是推遲點(diǎn)火提前角，以降低HC和NOx的排放。但是推遲點(diǎn)火提前角會(huì)使平均有效壓力下降和油耗上升，所以應(yīng)綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性、動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性來(lái)確定最佳點(diǎn)火提前角。

2.4 稀薄燃燒技術(shù)

使發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比較之傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)14.7:1理論空燃比提高到15:1-27:1，隨著空燃比的增加，尾氣中的NOx、CO等濃度會(huì)明顯減少，HC的排放也有一定的降低。此技術(shù)是降低汽油機(jī)排放、提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的主要研究方向。在稀薄燃燒技術(shù)應(yīng)用的同時(shí)，通常與分層燃燒技術(shù)、緊湊的燃燒室形狀、火花塞結(jié)構(gòu)及布置位置的改善等技術(shù)協(xié)調(diào)應(yīng)用。

2.5 廢氣再循環(huán)控制技術(shù)

廢氣再循環(huán)將一定數(shù)量的廢氣引入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管道，利用惰性氣體的高比熱值及不可燃特性，使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒溫度降低、氧的濃度減少，從而有效的控制發(fā)動(dòng)機(jī)NOx的排放，但在發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速、小負(fù)荷低轉(zhuǎn)速及冷啟動(dòng)工況時(shí)，廢氣的再循環(huán)量必須要嚴(yán)格控制以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

2.6 均質(zhì)混合氣壓燃技術(shù)

在啟動(dòng)和加速階段，通過(guò)火花塞點(diǎn)火將燃料與空氣的混合物點(diǎn)著；當(dāng)進(jìn)入高速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)切換至均質(zhì)混合氣壓燃模式，通過(guò)氣缸內(nèi)的高溫高壓使燃料燃燒，工作情況與柴油機(jī)類似。此技術(shù)被稱為內(nèi)燃機(jī)的第三者燃燒方式，是當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)燃燒的研究熱點(diǎn)，是點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)和壓縮式內(nèi)燃機(jī)的有機(jī)結(jié)合，可適用于汽油、天然氣、丙烷、乙醇、柴油和生物燃料等多種燃料。目前，均質(zhì)混合氣壓燃技術(shù)具有低排放、高熱效率、低燃油消耗率的優(yōu)點(diǎn)，但其燃燒時(shí)刻、爆震、可變壓縮比等的控制與調(diào)整需要進(jìn)一步攻克[4]。

3 機(jī)外凈化技術(shù)

在改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)本身設(shè)計(jì)及優(yōu)化其運(yùn)行參數(shù)來(lái)降低污染物的排放，難度越來(lái)越大。需要兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性等要求的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，成本急劇上升[5]。

3.1 三元催化轉(zhuǎn)換器

三元催化轉(zhuǎn)換器是目前應(yīng)用最廣泛的排放后處理裝置，安裝在排氣管上。其最高轉(zhuǎn)換效率發(fā)生在理論空燃比14.7:1附近的很小的范圍之內(nèi)，為了實(shí)現(xiàn)空燃比的精確控制，通常在排氣管道中安裝氧傳感器，形成閉環(huán)控制。但在低溫起動(dòng)、暖機(jī)、急加速、急減速等開(kāi)環(huán)情況下，三元催化轉(zhuǎn)換器效率較低，排放污染物就會(huì)增加。

為了改善低溫起動(dòng)性能，采用緊湊耦合催化器安裝在距離發(fā)動(dòng)機(jī)較近的位置，通常熱容量較小、激活時(shí)間短，可顯著減少冷啟動(dòng)階段的HC的排放。

3.2 閉式曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)

閉式曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)是在早期曲軸箱通風(fēng)的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的，將曲軸箱和進(jìn)氣管連通，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況的不同，利用進(jìn)氣管中真空度的變化，控制曲軸箱竄氣進(jìn)入進(jìn)氣管的再循環(huán)量。此技術(shù)可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，并可以降低排放，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)上廣泛采用。

3.3 二次空氣噴射技術(shù)

以減少?gòu)U氣排放為目的，二次空氣噴射技術(shù)被廣泛地應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)上，通常有空氣泵式和脈沖式兩種。該技術(shù)是將新鮮空氣送入發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管內(nèi)，使廢氣中的HC、CO進(jìn)一步氧化為H2O、CO2。因此二次空氣噴射系統(tǒng)也常被稱為補(bǔ)燃系統(tǒng)或后燃系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物的凈化往往在降低HC、CO與降低NOx排放量上相互矛盾，無(wú)法兼顧。同時(shí)，廢氣處理凈化裝置也常與發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)發(fā)生沖突。因此，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放物控制的技術(shù)綜合優(yōu)化的關(guān)鍵是將性能達(dá)到最佳折中。同時(shí)還應(yīng)在日常的車輛使用中養(yǎng)成良好的駕駛習(xí)慣，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)做好維護(hù)保養(yǎng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)保持在最佳的工作狀態(tài)，從根本上預(yù)防、減少有害排放物的生成。

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［4］孫慶,秦松濤,張勇.汽油機(jī)均質(zhì)混合氣壓燃燃燒技術(shù)[J].山東內(nèi)燃機(jī),2006(1):14-17.

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