發動機排放污染物的控制與凈化措施

付國峰

20世紀60年代以來，內燃機排放污染物的控制與凈化問題已成為內燃機技術發展上的一個重要內容，國內外都取得了一些成果，其中包括排放污染物的測定方法、排放污染物的控制標準、各種控制措施（如結構和工作過程改進、改善燃料性能等）及凈化措施等。控制和凈化排放污染物的措施是多種多樣的，大致可歸納如下三點：

一、改善混合氣的調制

要求混合氣盡量化油良好、各缸分配均勻、燃空比適當。在改進化油器方面，提高化油器各量孔和各關鍵部件的加工精度；精確調整和控制混合氣，使燃空比保持在排放污染成分綜合評價時在最佳范圍內，或采用與機外凈化手段相配合的調整以滿足排放要求；采用稀混合氣以減少CO、HC排放量，并采用汽油噴射、分層燃燒等方法以改善燃燒；采用降低燃燒溫度的方法減少NOx生成量，如排氣再循環法等；采用化油器附加裝置以解決非穩定工況時的污染成分增多問題，這些非穩定工況如啟動、暖車、冷態快怠速、熱怠速、強制怠速、加速、急減速等，解決辦法都是通過各種裝置消除或補償由于氣流或燃料的慣性和機件的熱慣性造成的混合氣成分偏離過大，使混合氣成分保持與穩定工況接近，這些裝置如自動阻風機構、節氣門緩沖器、節氣門定位器、怠速限制器、熱怠速補償器、調溫怠速螺釘、減速燃料供給裝置、溫度調節的加速泵柱塞等；化油器上還附設了浮子室燃油蒸汽回收系統、防止斷電后自行熾熱點火的電磁閥等其他防污染的裝置。在進氣系統上采用恒溫預熱裝置供給熱空氣以保證燃油迅速蒸發，聯接了油箱蒸發排放控制系統，進氣管結構應使各缸混合氣分配均勻。采用電子反饋化油器或微電腦控制的節氣門前單點汽油噴射系統、進氣門前多點噴射系統則是近年來得到進一步發展，使每一工況都可得到最佳燃空比，達到最佳的性能組合，從而大大降低排放污染。采用排氣再循環裝置是目前很普遍的一種辦法，即把少部分（約15%以內）的排氣再導回而混入新混合氣，重新進入氣缸燃燒，這樣可以降低燃燒最高溫度，降低O2的濃度，抑制NOx的產生，使燃燒延續較長時間，減少HC的生成，但這種方法對發動機經濟性是不利的。還有經常采用把曲軸箱竄氣強制吸入進氣管，進入氣缸再次燃燒的曲軸箱強制通風裝置。

二、改進燃燒過程

燃燒室結構應該滿足盡量少的排放污染物的生成，有盡量小的面容比以減少HC的生成。為了降低汽油機使用高辛烷值汽油的鉛化合物污染，曾經有過一段控制汽油機壓縮比的發展，但這顯然與提高熱效率相抵觸。采用稀混合氣可以大大改善燃燒，提高性能，減少排放污染，適于汽油機經常不滿負荷運行的特點；稀混合氣的非均質燃燒（分層燃燒）是發展中的一個重要內容，對于降低汽油機的幾種主要排放污染物和提高經濟性效果顯著，這種方案的復雜性是必須有主副燃燒室的濃混合氣，并用火花塞點燃，火焰使主燃燒室的稀混合氣燃燒，必須有主副燃燒室和兩套供油系統，往往與汽油噴射系統相結合；另外還有均質稀燃和高壓縮比的稀燃等方案以改進燃燒過程、降低污染排放。改進點火系統，隨轉速和負荷的不同工況精確控制點火時刻和燃燒過程也是一個重要內容，采用雙膜片式分電器使怠速及小負荷時延遲點火，并可降低燃燒溫度，延長燃燒時間，降低排放污染物生成，采用無觸點感應式晶體管點火裝置以提高點火可靠性，可減少由于某些循環不著火而大量排放HC的情況。

三、尾氣處理

由于只用機內凈化措施有時難于滿足日益嚴格的排放標準，所以又有各種機外的尾氣處理措施。為了凈化處理排放出的CO和HC，可以將新鮮空氣用泵送到排氣門附近，使排放物在1000 ℃以下燃燒，這種裝置稱為熱反應器。還有一種催化反應器，如裝在消聲器前的氧化催化轉換器，可使CO和HC在催化劑作用下氧化為無害成分，催化劑的作用是利用化學吸附作用提高污染物反應速度，進行氧化反應時一般要求在600～700 ℃，其外殼要用耐高溫、耐腐蝕的不銹鋼制成，內部充以粒度Φ2～Φ4 mm的一些過渡金屬氧化物，表面鍍以貴金屬鉑、鈀，或者做成蜂窩狀，使其表面積大而且高溫強度好；還可以用一種還原催化反應使NO還原反應為無害成分，但要求更高的還原分解溫度和更長的反應時間，所以目前未能普遍使用；使用催化反應器時最好不用含鉛汽油，因為排放中的鉛成分覆蓋在催化劑表面上后會阻礙排氣而與催化劑接觸，大大減低催化劑的作用；更新型的尾氣處理裝置是采用三元催化反應器，因為對NOx而言，CO、HC等是還原性氣體，對CO、HC而言，O2和NOx是氧化性氣體，把這幾種污染物用同一種催化劑除去是可能的，但應使各成分濃度在某一范圍內保持平衡，所以這時要求燃燒前混合氣空燃比精確控制在一較窄范圍內，燃燒后排氣中的氧氣濃度要求用傳感器傳遞信息以反饋控制混合氣空燃比。這些措施表明，凈化排放與改善混合氣調制、改善燃燒過程是統一的，應用電子技術是必要的手段，采用電控可以使內燃機的工作更為精確，在技術原理上提高到一個新的水平。endprint