發動機稀薄燃燒技術對排放的影響

陳文浩

廈門金龍聯合汽車工業有限公司 福建省廈門市 361023

1 發動機稀薄燃燒技術概況

近年來，對于汽車尾氣排放的控制標準越來越嚴格，自2017年1月1日起，規定新車的排放標準必須達到國五的排放新標準。以往的利用控制空燃比的方法已經不能很好的滿足當前的政策要求，所以對于發動機稀薄燃燒技術的研究越來越深入。目前有害的排放氣體一般為一氧化碳、碳氫化合物、一氧化氮、二氧化氮，這些氣體在廢氣中的占比雖然非常低（一般只占到百分之二），造成的危害卻是相當巨大的。一氧化碳是因為燃油不完全燃燒而產生的無色無味的氣體，其不僅對人身體健康會造成極大的威脅，更會因為其自身的化學反應造成危害很大的光化學污染。而一氧化碳的主要來源便是汽車尾氣排放，其在空氣中不斷的累計，對大氣造成嚴重的污染。碳氫化合物中混合了甲醛、丙烯酸、苯并芘等物質，具有強烈的刺激性氣味，對于呼吸道和鼻腔有較為嚴重的危害，而且具有強致癌性，碳氫化合物對人體健康的危害是十分巨大的。一氧化氮是無色無味的危害性較小的氣體，其在空氣中的反應可生成二氧化氮。二氧化氮是紅棕色的惡臭刺激性氣體，對人體的肺部具有極強危害，會造成肺部疾病。

發動機稀薄燃燒技術是發動機的空燃比在大于理論值時的燃燒技術。在此情況下，汽車尾氣所排放的一氧化碳、碳氫化合物、一氧化氮、二氧化氮等有害氣體都能達到最少。在稀薄燃燒時，其燃燒的主要氣體成分是氧氣和氮氣，比熱小，燃燒效率較高。本文將對發動機的稀薄燃燒技術對排放的影響進行相關試驗，因為稀薄燃燒技術有一些分層燃燒的復雜技術，在本文中就不做贅述，只做一些基礎性試驗研究，達到獲得其對排放相關影響的結論。

圖1 在2000轉每分鐘的工況下，采用發動機稀薄技術對排放的影響曲線圖

2 發動機稀薄燃燒技術對排放的影響分析

在發動機進行正常運轉時，通過傳感器的反饋，電子燃油控制系統會對其噴油量進行精準的控制。可以將發動機的氣體空燃比控制在理論值14.7左右。本試驗通過開環控制的手法，利用發動機ECU手動調節噴油量，然后獲得相關數據，表明發動機稀薄燃燒技術對于排放的影響。試驗的具體過程如下：

待發動機啟動達到2000轉每分鐘的穩定轉速、50Nm扭矩的情況下，將其由閉環控制轉變為開環控制，此時可以通過手動的方式控制發動機的噴油量。通過ECU的既定程序精準控制噴油量，從而對氣體的空燃比進行改變。先把空燃比設定在標準的14.7上，然后將其噴油量逐步的縮小，使得氣體的混合變成稀薄氣體，直到最后發動機因為噴油量過小而熄火。在這個過程中，對其尾氣排放的一氧化碳、碳氫化合物、一氧化氮、二氧化氮進行記錄，同時對即時的發動機轉速、扭矩等數據進行記錄，最后通過對數據的分析得出最終結論。試驗得出的汽車在2000轉每分鐘的工況下，采用發動機稀薄技術對排放的影響曲線圖，如圖1所示：

圖1中顯示的是隨著噴油量減少，一氧化碳、碳氫化合物、一氧化氮、二氧化氮等有害氣體的排放規律。試驗中的噴油量是從3860uS逐步減少到2860uS的情況，一般噴油量因其控制系統的不同會存在偏差，所以并不具備普遍性，于是使用過量空氣系數來表示其噴油量。

伴隨著發動機噴油量的減少，過量空氣系數不斷增加，發動機的主要廢氣一氧化碳、碳氫化合物、一氧化氮、二氧化氮排放呈現出不同的變化規律。首先來看一氧化氮、二氧化氮的變化情況：當過量空氣系數λ=1.07時，一氧化氮、二氧化氮的排放處于最高值，除了這個情況以外，不論其空氣系數變大或者是變小，一氧化氮、二氧化氮的排放都會逐漸減小，在過量空氣系數λ=1.5時，一氧化氮、二氧化氮的排放值只有最高峰值的百分之三。再來看看碳氫化合物的變化情況：當過量空氣系數λ=1.24的情況下，碳氫化合物的排放處于最低值，除了這個情況以外，不論其空氣系數變大或者是變小，碳氫化合物的排放都會增大，明顯可以看出其朝著空氣稀薄方向變化時，碳氫化合物的增加速率會加快。如圖中所示，碳氫化合物和一氧化氮、二氧化氮的曲線相交于過量空氣系數λ=1.35的情況下，這就表明，在這一點所處的工況環境下，碳氫化合物和一氧化氮、二氧化氮的排放總值是最低的。最后再來分析下一氧化碳的變化情況：當過量空氣系數λ=1.1的情況下，一氧化碳的排放處于最低值；當過量空氣系數λ<1.1的情況，也就是說空氣稀薄的情況下，一氧化碳的排放量下降趨勢十分的明顯。λ從0.97增加到1.1時，一氧化碳的排放量將近下降了13倍。當過量空氣系數λ>1.1的情況下，伴隨空氣變得稀薄，一氧化碳的牌坊卻沒有發生明顯的變化，整體狀況趨于穩定。

然后通過改變工況進行對比試驗研究，將工況設定為轉速在3000轉每分鐘，扭矩50Nm的情況下，發動機采用稀薄燃燒技術對排放的影響。如圖2所示：

根據圖2所示，首先來看一氧化氮、二氧化氮，空氣變得稀薄時，一氧化氮、二氧化氮的變化與發動機在2000轉每分鐘的工況時采用稀薄燃燒技術的變化完全相同，在λ=1.07的情況下會出現排放的最高峰值。再來分析下碳氫化合物的變化，與發動機在2000轉每分鐘的工況時采用稀薄燃燒技術的變化相同，在λ=1.21的情況下會出現排放的最低值，相比于2000轉每分鐘時稀薄燃燒后的碳氫化合物排放最低點λ=1.24，向空氣變濃方向稍有減小。一氧化碳排放與發動機在2000轉每分鐘的工況時采用稀薄燃燒技術的變化，只是在最低點發生了變化，與碳氫化合物的變化規律是相似的，其最低點出現在λ=1.07時，相比于2000轉每分鐘時的最低點λ=1.1，向空氣變濃方向稍有減小。發動機在3000轉每分鐘的工況工作時，氣體燃燒的更加充分。所以即使在2000轉每分鐘時較濃的混合氣相對于3000轉每分鐘的工況也可以實現完全燃燒，使得排放的廢氣降到最低。由此我們可以做出類似的推論，當發動機扭矩加大時，其尾氣的排放會呈現出相同的規律。

圖2 在3000轉每分鐘的工況下，采用發動機稀薄技術對排放的影響曲線圖

3 結語

本文中主要針對發動機采用稀薄燃燒技術后，主要污染物一氧化碳、碳氫化合物、一氧化氮、二氧化氮的排放變化進行了試驗研究和分析。然后改變發動機工況后作了對比試驗，找出了一些發動機在采用稀薄燃燒技術后其排放尾氣的變化規律，可以得出如下結論，在利用手動模式減少發動機噴油量的情況下，使發動機采用稀薄燃燒技術的過程中，主要污染物一氧化碳、碳氫化合物、一氧化氮、二氧化氮排放的變化規律各不相同，但其變化都與發動機的工況變化無關，遵循著自有的規律。但是綜合試驗的分析情況來看，采用發動機稀薄燃燒技術能夠很明顯的降低一氧化碳、碳氫化合物、一氧化氮、二氧化氮等主要污染物的排放值，具有很強的環保意義。