影响汽油机有害排放物生成的主要因素及控制

时间：2023-11-04 百科知识版权反馈

【摘要】：处于最佳燃烧的α范围内，HC及油耗均为最低。图9－5为燃油消耗量和有害排放物随点火时间变化的关系曲线。负荷是通过混合气成分对燃烧产物中有害物质发生影响的。各种工况下汽油机有害物质的排放浓度如表9－1所示。怠速与减速工况是HC生成的主要工况。EGR是控制NO x排放的主要措施。因此，EGR率必须根据工况要求进行控制。发动机润滑系和冷却系的设计要保证起动后尽快达到正常运转温度。

9.2　影响汽油机有害排放物生成的主要因素及控制

9.2.1　影响因素

1.混合气成分

汽油机是一种预混燃烧，其可燃混合气浓度范围比较窄，而且在怠速、满负荷等工况下处于浓混合气工作，因而混合气成分是影响排放的最主要的因素。如图9－4所示为混合气成分对CO、HC、NO _x的影响曲线。随空燃比α下降，混合气变浓，燃烧时氧气相对不足，不完全燃烧生成物增加，使CO、HC迅速增加，在空燃比α大于14.7以后，CO浓度已经很低了，但随空燃比再增加时，因混合气不均匀造成局部缺氧仍有少量CO生成。同时，因CO氧化反应速度慢，燃烧温度下降，使HC排放量也增加。NO _x浓度峰值出现在理论空燃比靠稀的一侧，反映出高的NO生成率必须兼具高温、富氧两个条件。HC的走向则是两头高、中间低，与燃油消耗率的变化趋势基本一致。当浓混合气逐渐变稀，在缝隙容积与激冷层中混合气燃料比例减少，因此HC量减少。处于最佳燃烧的α范围内，HC及油耗均为最低。但当混合气过稀，火焰有可能熄灭，因而HC的生成量又会上升。

2.点火正时

图9－5为燃油消耗量和有害排放物随点火时间变化的关系曲线。点火提前角减小时(推迟点火)，后燃增加，膨胀时的温度及排气温度均上升，促进了未燃烧成分的氧化，这对降低HC很有利。同时减小点火提前角，可以降低燃烧最高温度、减少燃烧反应滞留时间(图9－6)，对降低NO _x十分有利。可见，减小点火提前角对降低NO及HC均有利，但以牺牲动力性为代价。

图9－4　有害排放物浓度与α的关系

图9－5　点火提前角对燃油消耗量和有害排放物的影响

图9－6　气缸内燃烧压力与点火时刻的关系

3.负荷

负荷是通过混合气成分对燃烧产物中有害物质发生影响的。汽油机在怠速及小负荷工况运行时，节气门分别在几乎关闭和小开度位置，新气量进入少，废气相对增多，供给的混合气偏浓，而且燃烧室温度较低，燃烧速度慢，易引起不完全燃烧，使CO排出量增加;又因为燃烧室温度低，燃烧室壁面激冷现象严重，未燃烧的燃油量增多，结果致使HC排放量增多。在中等负荷(节气门开度从25%～80%)时，供给经济混合气，容易完全燃烧，废气中CO含量最少，HC含量也较低。由于燃烧室温度提高，NO _x生成量增多。在满负荷(节气门开度为80%～100%)时，供给浓混合气，使燃烧气体压力、温度升高，致使NO _x生成量增多;同时还提高了排气温度，使HC在排气中继续燃烧，其排放量减少;但因混合气较浓，使CO排放量增加。

4.转速

随着发动机转速的升高，混合气经过进气系统的流速及活塞运动速度也随之升高，缸内紊流加强，促进混合，改善了缸内的燃烧，减少了激冷层的厚度，使CO、HC排放减少。NO _x的生成量与混合气成分有关:当用浓混合气时，由于转速升高散热时间相对缩短，缸内燃烧温度升高，使NO _x生成量增加;当用稀混合气时，由于燃烧持续角增加，燃烧温度反而会下降，使NO _x生成量减少。

提高怠速转速使混合气变稀，CO及HC的排放减少。因此，从减少发动机排气污染出发，可适当提高怠速转速，但同时应注意到随着怠速转速升高油耗也会有所上升。

5.工况

汽车发动机主要是在不稳定工况下工作，包括怠速运转、加速运转、定速运转、减速运转等。不同工况由于混合气浓度不同，有害物的排放量相差很大。各种工况下汽油机有害物质的排放浓度如表9－1所示。怠速与减速工况是HC生成的主要工况。在怠速工况下，燃烧环境温度比较低，缸内残余废气量比较大，混合气比较浓，致使燃烧恶化，HC排放浓度增加，在减速工况下，很高的进气管真空度使进气管内沉积的燃料油膜大量蒸发，这是HC增加的重要原因。

表9－1　不同工况下的CO、HC、NO_x排放浓度

6.废气再循环(EGR)率

将一部分排气回送至燃烧室，利用排气中的气体比热大的特点，可以抑制燃烧的最高温度，将有利于抑制NO _x的生成。在中高速工况选择恰当的EGR率能有效的控制NO _x的排放量，如果EGR率过大，NO _x浓度虽然下降，但实际进入缸内的可燃混合气减少，燃烧的有效性降低，动力性会变差。

9.2.2　机内净化技术

机内净化是指改善可燃混合气的品质和燃烧状况，抑制有害气体的产生，降低排气中的有害成分。

1.废气再循环装置(EGR)

EGR是将一部分排气(5%～20%)引入进气系统，和混合气一起再进入气缸燃烧，如图9－7所示。EGR是控制NO _x排放的主要措施。

NO _x是在高温和富氧条件下形成的。燃烧温度越高，NO _x的生成物越多。一部分排气的再循环，减少了排气总量，由于废气的比热值大，使气缸内气体的比热值增加，同时使进入气缸混合气中单位燃料对应的氧浓度减少，降低了燃烧速度，燃烧温度随之下降，从而有效地控制了NO _x的生成，如图9－8所示。

图9－7　EGR的工作原理

图9－8　燃烧温度与NO _x生成物的关系

1－EGR阀　2－废气再循环　3－混合气形成系统

EGR率与发动机动力性能、经济性能和排放性能有关，如图9－9所示。EGR率能有效的控制NO _x的生成:但EGR率过大时，燃烧速度太慢，燃烧变得不稳定，失火率增加，使油耗恶化和转矩下降，动力性和经济性变坏，HC也会增加;如果EGR率过小，NO _x排放达不到法规要求，易产生爆燃和发动机过热等现象。因此，EGR率必须根据工况要求进行控制。

2.改进发动机设计

(1)冷起动、暖机和怠速。发动机冷起动时，由于温度低，空燃比小，CO和HC排放很高。应尽量缩短起动时间，为此要提高点火能量，增大起动机的功率。暖机期间要使可燃混合气、冷却液和机油尽快热起来。例如，采用进气自动加热系统，有助于改善暖机和寒冷天气运转时的混合气形成。采用进气温度自动调节式空气滤清器，以保证在外界气温变化很大的情况下，使进气温度大致保持在40℃左右，从而得到较稀的混合气。

发动机润滑系和冷却系的设计要保证起动后尽快达到正常运转温度。例如，机油冷却器应有自动控制温度的装置，既保证大负荷下机油得到足够的冷却，又保证暖机时使机油很快热起来。冷却系统除了用节温器控制冷却液的循环外，还广泛应用温控硅油离合器风扇或温控电动风扇，改善冷却系统对温度的适应性，以减少发动机在暖机和小负荷冷天运转时的污染物排放。

汽油机在实际使用中怠速工况占很大比例，在怠速工况下由于残余废气量大，混合气不得不加浓，导致CO和HC排放很高。为降低怠速排放可提高怠速转速至800～1000r/min。

(2)压缩比。增大压缩比是提高发动机热效率的决定因素，一般都是在汽油辛烷值允许的前提下尽可能用较高的压缩比，以获得较好的功率和油耗指标。较高的压缩比具有与较紧凑的燃烧室类似的优点。但高压缩比使燃烧室内温度增加，使NO _x反应速度增加，NO _x排放量增大。传统的汽油机，根据最易发生爆燃的工况(如最大转矩工况)选择压缩比;而现代的汽油机，则选择更高一些的压缩比，在大部分工况下能正常燃烧，在发生爆燃的时候，通过安装在机体上的爆燃传感器接受信号，用电控单元适当推迟点火消除爆燃。

图9－9　不同EGR率对油耗和排放的影响

(3)燃烧系统。燃烧室的形状主要影响未燃的HC排放物浓度。由于燃烧室内缝隙、紧挨缸壁的边界层、形状复杂而且表面积大的燃烧室是形成未燃HC的主要来源。理想的燃烧室形状应紧凑、表面积小，并带有一定强度的进气旋流。这样可以形成快速燃烧，降低对辛烷值要求。火花塞处的充气旋流，保证了良好的点火性能，使高压缩比、稀燃发动机成为可能。旋流还可以减少工作过程的波动、改善热传导，缩短燃烧持续时间，对减少NO _x来说也是很重要的因素。

不论是从改善动力性能、经济性能出发，还是从降低排放出发，对汽油机燃烧系统的要求都是一致的，应尽可能使燃烧系统紧凑。汽油机燃烧室形状越紧凑，燃烧过程就完成的越快，CO和HC排放下降。但另一方面，燃烧越快将导致燃烧温度增高，可能使NO _x生成量增大，因而采用快速燃烧的同时需采取用EGR和推迟点火等来降低NO _x。紧凑燃烧室、快速燃烧加上优化的EGR率和点火定时，可能给出动力性能、经济性能、NO _x排放之间的最佳折中。

因此，圆盘形、浴盆形、楔形燃烧室越来越让位于半球形、帐篷形等面容比小的紧凑燃烧室。

图9－10　4气门和2气门发动机对油耗和HC排放物的影响

(4)进气系统。采用每缸3、4或5气门，用涡轮增压代替自然吸气，不仅可以通过增加气缸充量密度、减小泵气损失和机械损失、增大发动机功率来改善动力性和经济性，而且也降低了CO₂和污染物的排放量，其中HC的降低较为明显(图9－10)。

凸轮形状决定气门开启和关闭时刻及气门升程曲线，而这些参数影响发动机的充气过程。进入气缸新鲜混合气的数量，决定发动机的转矩和功率。留在气缸内未燃混合气量和在排气门开启时未被排出的废气量会影响点火性能和燃烧状况。这些都会影响发动机效率、未燃HC排放物和NO _x排放物的浓度。理想的气门正时，应根据发动机转速和负荷而变化，采用可变配气相位方法。例如，采用可变气门升程和可变气门正时等技术。在高速时增大气门重叠角，以得到高的输出功率;在低速时，采用小的气门重叠角，减少HC的排放量。

充气好坏不仅受配气相位的影响，也受到进、排气道的影响。进气行程中，在进气道内产生周期性压力波动。这些压力波在进气道内运动，并在进气管的端部反射回来。如果将进气道设计成与气门正时协调，在进气结束前瞬间，压力波峰值到达进气门，这种增压效果使更多的新鲜混合气进入缸内。对排气道的作用也类似。如果将进、排气道设计成在进、排气门同时开启时，均为正压差，则不仅能得到较好的充排气效果，同时对排放、功率和油耗都有好处。产生进气旋流的进气道其作用和燃烧室内旋流的作用一样。充气的运动使燃烧室内混合气快速燃烧。因而可增加发动机热效率和提高稀燃能力。进气旋流是实现低排放的有效措施之一。

(5)活塞组设计。活塞、活塞环与气缸壁之间形成的间隙，对汽油的HC排放有很大影响，因此要在工作可靠的前提下尽量缩小活塞头部(火力岸)与气缸的间隙，尽量缩小顶环到活塞顶的距离，即减小火力岸高度。为此，要寻找热膨胀更小的活塞材料(例如碳纤维复合材料)和耐热性更好的活塞环材料以及合理的结构。

(6)分层稀薄燃烧。为了保证可靠点火，在火花塞附近形成浓混合气，而在其他区域供给稀混合气，实现分层稀薄燃烧。要实现这样的要求，可采用的办法之一是采用与柴油机一样的分隔燃烧室形式，副燃烧室内装有火花塞，相当于预燃室作用，给副燃烧室提供浓混合气。在主燃烧室不需要考虑点火，可供给稀混合气。由于发动机内燃烧的混合气非常稀和非常浓，使NO _x排放浓度有很大降低，如图9－11所示。在火花塞附近供给过量空气系数为0.85～0.95的浓混合气，主燃烧室供给过量空气系数是1.55～1.62左右的稀混合气(工作极限)。由于采用了分隔型双燃烧室，燃烧室表面积过大，因而未燃HC排放物浓度将增加。分层燃烧也可采用缸内直接喷射方法，在火花塞附近，产生浓混合气。但这种方法具有成本高、效率低等缺点。有一些分层燃烧发动机采用混合气进入燃烧室时充气和气流运动来实现分层。

图9－11　稀燃发动机混合气浓度工作极限

1－采用三元催化转化器a= 14.9时发动机控制　2－用稀燃传感器控制发动机　3－用燃烧压力传感器控制发动机　4－发动机处于工作极限下运行　5－工作极限　6－燃油消耗　7－发动机运行不稳定

3.电子控制燃油喷射系统(EFl)

混合气形成的空燃比特性是决定点燃式内燃机性能和排放的关键因素。小负荷时，根据燃烧稳定性要求提供浓混合气;在常用的中等负荷时，根据燃料经济性要求提供略稀混合气;在大负荷时，根据动力性的要求提供浓混合气。随着排放法规的逐步严格，需要使用三元催化转化器来降低汽油机的排放，而这种转化器只有当a的值在14.9左右时才能有效地同时转化CO、HC和NO _x三种污染物。要很好地控制空燃比最好的方法就是采用带氧传感器的闭环控制的电子控制燃油喷射发动机。

4.提高燃油品质

除了限制汽油中铅、硫、磷等各种有害物的含量，提高燃油辛烷值、增加抗爆燃能力等方法外，采用醇类或烃类等代用燃料也可改善发动机的排放性能。

9.2.3　机外净化技术

机外净化是指用设置在发动机外部的附加装置使排出的废气净化后再排入大气。

图9－12　闭式曲轴箱强制通风系统

1.曲轴箱强制通风系统(PVC)

曲轴箱窜气是指在压缩过程和燃烧过程中由活塞与气缸之间的间隙窜入曲轴箱的油气混合气和已燃气体，并与曲轴箱内的润滑油蒸气混合后，由通风口排入大气的污染气体。发动机所排放出的HC总量中，来自曲轴箱窜气和燃油蒸发的占40%左右。

如上图9－12所示，新鲜空气由空气滤清器进入曲轴箱，与窜气混合后，经PCV阀进入进气管，与空气或油气混合气一起被吸入气缸燃烧掉。PCV阀可随发动机运转状况自动调节吸入气缸的窜气量。在怠速和小负荷时，由于进气管真空度较高，阀体被吸向上方(进气管侧)，阀口气流流通截面减少，吸入气缸的窜气量减少，以避免混合气过稀，造成燃烧不稳定或失火。而在加速和大负荷时，窜气量增多，而进气管真空度变低，在弹簧作用下阀体下移，阀口流通截面增大，使大量的窜气进入气缸被燃烧掉。当发动机高速大负荷运转时，一旦窜气量过多而不能完全吸净时，窜气会从闭式通气口倒流入空滤，经入进气管。

2.燃油蒸发控制系统

所谓燃油蒸发是指由油箱和燃油系统管接头处蒸发并排向大气的燃油蒸气。目前最常用的是活性炭罐式油蒸气吸附装置，其工作原理如图9－13所示。由燃油系统和油箱蒸发出来的油蒸气，经储气罐流入炭罐被活性炭所吸附。当发动机工作时，在进气管真空度作用下控制阀开启，被活性炭吸附的油蒸气与从炭罐下部进入的空气一起被吸入进气管，最后进入气缸被燃烧掉，而同时活性炭得到再生。