車用汽油機排放控制技術研究

孫 瀟 邴桂斌

(1.淮安信息職業技術學院 江蘇 淮安 223003；2.北京市華鐵工程咨詢有限責任公司 中國 北京 100055)

為滿足日益嚴格的排放法規的需求，降低汽車污染物的排放，各類車用汽油機廢氣排放控制技術和控制方法迅速發展。本文從機前凈化技術、機內凈化技術和機外處理技術三條途徑著手，對汽油機排放控制技術的發展進行了分析。

1 機前凈化技術

機前凈化技術是在混合氣進入氣缸之前，對燃料和空氣采取的措施。主要從以下幾個方面進行介紹。

1.1 燃油處理技術

燃油處理技術是通過提高汽油的品質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、苯及烴類物質的含量。此外，在燃油中使用添加劑可以減少進氣系統和油路中產生的積碳，改善發動機的燃燒效率，降低HC、CO的排放量。在發動機采用無鉛汽油后，為提高汽油的辛烷值，在燃油中添加抗爆劑，如醇類、醚類，可改善汽車發動機的性能，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，發動機冷啟動困難，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。其主要特點是化學性質穩定、熱值高、抗爆性能好、燃燒效率高。醇類燃料主要應用甲醇和乙醇兩種，因其本身含氧量較高，燃料燃燒的更加充分，減少了環境的壓力，但是因為能源利用率較低、成本較高等原因，很難廣泛應用[1]。

1.3 燃油蒸發控制系統

燃油蒸發控制系統可有效降低燃油箱中汽油蒸發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：當停車期間，利用活性碳罐活性，吸收汽油蒸汽，防止向大氣擴散；當發動機運行后，電控單元控制活性碳罐電磁閥打開與進氣管的通道，利用進氣真空度將活性碳罐中吸附的汽油蒸汽吸入進氣管道中與進氣一起參與燃燒。這不僅降低了HC的排放，還提高了燃油的有效利用率。

此系統在怠速及全負荷工況下不工作，以防止在怠速工況時造成混合氣過濃而熄火及在全負荷運行時，混合氣過稀而降低發動機的動力性[2]。

1.4 進氣系統的技術改進

為提高進氣系統的充氣效率，使混合氣混合更為均勻，發動機的進氣系統多采用以下技術：

（1）采用多氣門技術，保證較大的換氣流通截面。這不僅可以增大充氣系數，而且對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）采用進氣渦流電控系統，加強油氣混合，實現可燃混合氣的快速、充分燃燒。該系統電控單元采集發動機轉速、節氣門開度、冷卻水溫等信號，控制進氣管路中渦流控制閥的旋轉角度，引導氣流偏轉產生渦流，提高火焰的傳播速度，降低HC的排放。此技術多應用在采用稀薄燃燒技術的發動機上。

（3）采用可變進氣系統，以適應發動機高、低轉速不同工況進氣量的需求。目前采用的可變進氣系統控制，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度控制方式。控制原理均是利用進氣諧振的效果，提高充氣效率，在發動機不同轉速條件下實現性能的最優化，可提高發動機動力性、經濟性。

2 機內凈化技術

2.1 燃燒系統的優化

燃燒室系統的優化主要圍繞兩個方面：改善缸內的氣流及采用緊湊的燃燒室形狀。要增強缸內混合氣的渦流和紊流，可采用螺旋進氣道或利用可變的截止閥增強缸內渦流擾動，提高火焰的傳播速度[3]。緊湊的燃燒室可通過減少不參與燃燒的縫隙容積的措施，即將活塞第一環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 電控燃油噴射系統的優化

電控燃油噴射系統的優化，給發動機提供適應工況要求的燃油空燃比。閉環反饋控制的應用，滿足了三元催化轉化器對空燃比的要求。不僅可以降低燃油消耗率，還能很好的改善發動機的排放特性?，F在多用精度更高的線性寬域氧傳感器替代傳統氧傳感器，能在更寬的范圍內對空燃比進行反饋，使發動機排放性能更佳。

2.3 點火正時的優化

點火提前角對發動機的動力性、經濟性和排放性能有重要影響。最常用的排放控制是推遲點火提前角，以降低HC和NOx的排放。但是推遲點火提前角會使平均有效壓力下降和油耗上升，所以應綜合考慮發動機排放特性、動力性及經濟性來確定最佳點火提前角。

2.4 稀薄燃燒技術

使發動機的空燃比較之傳統發動機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等濃度會明顯減少，HC的排放也有一定的降低。此技術是降低汽油機排放、提高發動機性能的主要研究方向。在稀薄燃燒技術應用的同時，通常與分層燃燒技術、緊湊的燃燒室形狀、火花塞結構及布置位置的改善等技術協調應用。

2.5 廢氣再循環控制技術

廢氣再循環將一定數量的廢氣引入發動機進氣管道，利用惰性氣體的高比熱值及不可燃特性，使發動機的燃燒溫度降低、氧的濃度減少，從而有效的控制發動機NOx的排放，但在發動機處于怠速、小負荷低轉速及冷啟動工況時，廢氣的再循環量必須要嚴格控制以保證發動機的性能。

2.6 均質混合氣壓燃技術

在啟動和加速階段，通過火花塞點火將燃料與空氣的混合物點著；當進入高速行駛時，發動機切換至均質混合氣壓燃模式，通過氣缸內的高溫高壓使燃料燃燒，工作情況與柴油機類似。此技術被稱為內燃機的第三者燃燒方式，是當前內燃機燃燒的研究熱點，是點燃式內燃機和壓縮式內燃機的有機結合，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，均質混合氣壓燃技術具有低排放、高熱效率、低燃油消耗率的優點，但其燃燒時刻、爆震、可變壓縮比等的控制與調整需要進一步攻克[4]。

3 機外凈化技術

在改進發動機本身設計及優化其運行參數來降低污染物的排放，難度越來越大。需要兼顧發動機動力性、經濟性、排放性等要求的發動機結構越來越復雜，成本急劇上升[5]。

3.1 三元催化轉換器

三元催化轉換器是目前應用最廣泛的排放后處理裝置，安裝在排氣管上。其最高轉換效率發生在理論空燃比14.7:1附近的很小的范圍之內，為了實現空燃比的精確控制，通常在排氣管道中安裝氧傳感器，形成閉環控制。但在低溫起動、暖機、急加速、急減速等開環情況下，三元催化轉換器效率較低，排放污染物就會增加。

為了改善低溫起動性能，采用緊湊耦合催化器安裝在距離發動機較近的位置，通常熱容量較小、激活時間短，可顯著減少冷啟動階段的HC的排放。

3.2 閉式曲軸箱強制通風系統

閉式曲軸箱強制通風系統是在早期曲軸箱通風的基礎上發展出來的，將曲軸箱和進氣管連通，根據發動機工況的不同，利用進氣管中真空度的變化，控制曲軸箱竄氣進入進氣管的再循環量。此技術可以提高發動機的經濟性，并可以降低排放，因此在發動機上廣泛采用。

3.3 二次空氣噴射技術

以減少廢氣排放為目的，二次空氣噴射技術被廣泛地應用在發動機上，通常有空氣泵式和脈沖式兩種。該技術是將新鮮空氣送入發動機排氣管內，使廢氣中的HC、CO進一步氧化為H2O、CO2。因此二次空氣噴射系統也常被稱為補燃系統或后燃系統。

4 結束語

發動機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，無法兼顧。同時，廢氣處理凈化裝置也常與發動機的動力性、經濟性指標發生沖突。因此，對發動機排放物控制的技術綜合優化的關鍵是將性能達到最佳折中。同時還應在日常的車輛使用中養成良好的駕駛習慣，并對發動機做好維護保養，使發動機保持在最佳的工作狀態，從根本上預防、減少有害排放物的生成。

［1］郭猛超,張亞軍,胡偉.車用替代燃料現狀及應用分析[J].能源與環境,2007(05):20-21.

［2］王春雨.燃油蒸發排放控制系統誘發的故障與排除[J].汽車維修,2009.2:12.

［3］劉志強,吳文兵,王錫云.降低車用汽油機排放的技術措施[J].公路與汽運,2003(1):5-7.

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

［5］金迪武,王慶,鄧琦.輕型汽車排放升級國Ⅳ控制技術研究[J].企業技術開發,2007(5):29-30.