二次空氣補氣降低CQ188F汽油機排放的試驗研究

張明輝

作者信息：常柴股份有限公司，213002，江蘇常州

通用小型汽油機是一種靈活而操作簡便的可移動小型通用內燃機動力源，廣泛應用于工農業生產、工程建設、園林、家庭等領域。 2012 年，我國通用小型汽油機產銷量約2 300 萬臺，與2011 年持平。 我國小汽油機行業自2003 年起，出口所占總產銷量的比例一直在80%以上[1]。 通用小型汽油機龐大的保有量和生產量使其污染物排放日益嚴重， 促使各國政府相繼對其制定了日益嚴苛的排放污染物控制法規。 目前國內四沖程通用小型汽油機采用機內凈化技術能夠滿足歐盟第II 階段、中國第II 階段和美國EPA 第II 階段排放法規限值要求，但是考慮劣化或批量生產還不能夠完全滿足美國EPA 第III 階段或更加嚴格的排放限值要求； 因此需要在通用小型汽油機采取機內凈化技術基礎上再采用機外凈化措施，進一步降低排氣中CO 和HC 的含量，從而達到美國EPA 第Ⅲ階段或更加嚴格的排放限值的要求。采用機后二次空氣補氣技術具有結構簡單、 安裝方便、安全性好、成本增加不多的特點，適合CQ188F汽油機的實際應用， 對降低通用小型汽油機的排放具有廣泛的實用價值。

1 二次空氣補氣在通用小型汽油機上的應用

汽油機的二次空氣是指在混合氣形成之后進入到氣缸或直接補入到排氣系統的空氣， 這一技術相應稱為二次空氣補氣技術。 二次空氣補氣技術的工作原理就是將一定量的新鮮空氣引入到汽油機的排氣管中， 提高排氣中的氧濃度， 使廢氣中的CO 和HC 進一步與氧發生氧化反應，進行“二次燃燒”，生成無害的CO2和H2O，從而降低排氣中有害廢氣CO和HC 的含量。 二次空氣補氣技術可以分為機前補氣與機后補氣兩種： 機前補氣是指對空氣或燃油在進入到氣缸前進行預處理， 這種補氣方式的實質是改善汽油機燃燒狀況； 機后補氣是指將新鮮空氣引進到排氣系統中對廢氣進行處理， 以減少有害廢氣排放量。

CQ188F 汽油機是采用化油器的傳統通用小型汽油機，根據它的結構特點，適合采用結構簡單、安全性較高、成本增加不多、對汽油機性能影響較小的機后被動式二次空氣補氣系統。 由于CQ188F 汽油機工作時工況變化較為平滑， 因此它的二次空氣補氣系統中只需要補氣閥而不需要另外帶控制閥裝置，補氣閥結構參見圖1。 它的工作原理是這樣的：當CQ188F 汽油機工作時， 每一次排氣門的循環關閉就會在排氣管道中出現脈沖式的相對低壓， 這樣汽油機的每一個工作循環一般都會在排氣管道內不同程度地出現負的壓力波， 此時大氣壓力高于排氣管道中的氣體壓力，利用排氣壓力波出現負壓段，補氣閥的簧片自動打開（圖1），新鮮的空氣就會通過補氣閥進入到CQ188F 汽油機排氣管內進行補氣，靠燃燒后的排氣高溫， 使HC 和CO 與二次空氣中的O2在排氣管中進行氧化反應， 生成CO2和H2O，以達到降低尾氣中有害排放物含量的目的； 當排氣管中的壓力大于外界壓力時， 補氣閥使用的彈性簧片不允許熱廢氣倒流。

圖1 補氣閥結構示意圖

2 試驗研究與結果分析

2.1 CQ188F 汽油機基本技術參數

CQ188F 汽油機樣機的基本技術規格和參數如下：

結構型式：單缸、四沖程、頂置氣門、強制風冷、氣缸斜置25°；

氣缸直徑：88 mm；

活塞行程：64 mm；

壓縮比：8.1∶1；

總排量：389 cm3；

額定功率/轉速：7.35 kW/3 600 r/min；

最大扭矩/轉速：22 N·m/2 500 r/min；

怠速轉速：1 440 r/min；

潤滑形式：飛濺潤滑；

點火方式：TCI 晶體管點火；

啟動方式：手拉啟動或電啟動。

本文所采用的樣機CQ188F 汽油機已經進行了進排氣系統優化和供油系統優化匹配兩項機內凈化措施， 實測經過機內凈化過的CQ188F 汽油機樣機排放性能能夠滿足中國第Ⅱ階段、美國EPA 第II 階段和歐盟第II 階段的通用小型汽油機排放法規，但是考慮劣化系數的要求還不能滿足美國EPA 第III階段排放限值的要求。

2.2 試驗臺布置介紹

CQ188F 汽油機進行整機性能和排放試驗的試驗臺布置見圖2。

2.3 試驗主要設備介紹

圖2 CQ188F 汽油機整機性能和排放試驗的試驗臺布置示意圖

CQ188F 汽油機整機性能和排放試驗所用主要設備見表1。

表1 CQ188F 汽油機臺架測試所用的儀器儀表

①日本HORIBA 公司；②浙江遂昌恒力測試設

備有限公司；③上海內燃機研究所

2.4 CQ188F 汽油機美國EPA 第III 階段排放限值及測試循環

本文研究對象CQ188F 汽油機氣缸排量為389 cm3，其美國EPA 第III 階段的排放限值和測試循環方法如下。

（1）美國EPA 第III 階段排放限值見表2。

表2 CQ188F 汽油機美國EPA 第III 階段排放限值

（2）測試循環：對非道路用通用小型汽油機排放測量的試驗方法，美國EPA、歐盟和中國都有自己的規定。 在發動機臺架上按穩態工況組合的測試循環進行測量， 在汽油機規定的不同穩態工況下測試尾氣排放濃度值， 再按規定的計算方法對各工況排放進行加權計算得到汽油機整機排放值。 對于CQ188F 汽油機，美國EPA 采用B 測試循環，歐盟采用G2 測試循環，中國采用G2 測試循環。 雖然采用的測試循環分類代號不全相同， 但是測試循環內容是一致的，見表3。從表3 可以看出，CQ188F 汽油機整機排放值在中小負荷時權重是比較大的， 因此要重點控制和降低該機型中小負荷時的有害污染物排放。

表3 CQ188F 汽油機測試循環

2.5 CQ188F 汽油機二次空氣補氣排放試驗及分析

通過汽油機二次空氣補氣的多方案試驗， 確定CQ188F 汽油機機后二次空氣補氣閥的優化方案，根據試驗規范對CQ188F 汽油機二次空氣補氣前后的排放進行測試對比試驗。 圖3 為CQ188F 汽油機進行二次空氣補氣前后排氣中CO、HC、NOx等有害排放物體積分數φ 變化對比圖。

圖3 CQ188F 汽油機補氣前后CO、HC、NOx排放物體積分數變化

從圖3 中可以分析出：

（1） 補氣后在中小負荷階段時CO 排放下降非常明顯。 這主要是由于在小負荷時， 氣缸進氣量較少，排氣壓力波動較大，使得二次補氣進氣量增大，從而使得CO 被部分二次氧化為CO2。

（2） 補氣后在整個運行工況下HC 降低得也較為明顯， 其中在額定轉速下10%負荷時HC 的體積分數從1 957.5×10-6下降到632.5×10-6， 降幅達到67.69%。 這是由于補氣后較多的新鮮空氣進入到排氣管中，使廢氣中的氧氣含量增多，這一方面在一定程度上稀釋了廢氣中HC 的濃度； 另一方面在廢氣高溫作用下，HC 與補進的空氣進一步發生氧化反應，從而大量地降低了HC 的排放。由于補氣量是隨著負荷的減小而增加的， 因此在中小負荷時HC 下降得最多。

表4 是二次空氣補氣前后CQ188F 汽油機的整機排放值，經過機后二次空氣補氣后，CQ188F 汽油機廢氣中氧含量增多，同時利用排氣廢氣的高溫，使未燃盡的CO 和HC 與氧氣進一步發生氧化反應，整機有害污染物排放量明顯降低。

表4 CQ188F 汽油機補氣優化前后排放值的變化g/（kW·h）

從表4 數值可以看出：

（1）HC 排放值下降明顯， 從排氣無補氣時的4.63 g/（kW·h）下降到3.52 g/（kW·h），降幅達到24.0%。

（2）CO 排放值從383.6 g/（kW·h） 下降到325.3 g/（kW·h），下降了15.2%。 CO 下降幅度比HC 下降幅度小是由于HC 燃燒后的產物中會有部分轉化成CO，使得CO 的降幅不如HC。

（3）NOx從2.60 g/（kW·h） 下降到2.23 g/（kW·h），下降了14.2%。 國內外有關研究資料表明，排氣中本身存在的CO、HC 可作為還原劑， 借助排氣的高溫將NOx還原成N2[2]，所以NOx的排放也會有一定降低。

（4）HC+NOx總體排放從7.23 g/（kW·h）下降到5.75g/（kW·h），下降了20.5%，此值劣化后完全能夠達到美國EPA 第III 階段通用小型汽油機的排放標準（8 g/（kW·h））。

3 結論

本文對應用機后二次空氣補氣技術來降低通用小型汽油機排放進行了初步試驗研究，得出以下結論：

（1） 二次空氣補氣技術不僅可以降低通用小型汽油機廢氣中的CO 和HC 排放， 而且NOx的排放也有一定的降低。

（2） 被動式二次空氣補氣在中小負荷時對降低通用小型汽油機的CO 和HC 排放效果明顯， 而根據測試循環方法通用小型汽油機整機排放值在中小負荷時權重較大， 因此通用小型汽油機在采用機內凈化的基礎上適合再采用機后被動式二次空氣補氣技術， 可以使樣機排放值劣化后完全能夠達到美國EPA 第III 階段通用小型汽油機的排放標準。

[1] 中國內燃機工業協會，《中國內燃機工業年鑒》編委會.中國內燃機工業年鑒[M] .上海：上海交通大學出版社，2013：89～92

[2]周松，肖友洪，朱元清,等.內燃機排放與污染控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010：117