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1、车用汽油发动机排放控制技术浅谈车用汽油发动机排放控制技术浅谈随着世界汽车保有量的不断增加，由汽车尾气排放造成的大气污染问题已经成为世界公害。削减汽车排放污染物的最根本途径，是开发和应用先进的汽车排放污染物控制技术。汽车排放污染物控制技术可分为 3 类：机内净化技术，它以改进发动机气缸内的燃烧过程为核心；排放后处理技术，即在尾气排放系统中采用化学或物理的方法对已生成的有害排放物进行净化；非尾气污染控制技术，即对由发动机曲轴箱和供油系统产生的有害排放物进行净化。其中后 2 类技术也被统称为机外净化技术。 车用汽油发动机排放控制技术研究现状(一)机内净化技术电子控制燃油喷射系统 电子控制汽油喷射系统
2、(EFI)利用各种传感器检测发动机的各种工作状态，经微机的判断、计算，使发动机在不同工况下均能获得合适空燃比的混合气。因混合气浓度时刻与发动机工况相适应，燃油混合气燃烧完全，所以发动机排放的污染物浓度就低。1995 年以后，国外汽油发动机几乎 100%采用电子控制燃油喷射系统，而其中绝大多数是多点电喷汽油车。目前，我国已停止生产化油器式汽油车。可变进气流通截面及可变配气定时系统 采用可变进气流通截面可改善中速运转及部分负荷时的汽油发动机性能，并可控制燃烧速率。采用变配气定时系统可调节缸内剩余废气量，降低氮氧化物排放，改善怠速性能。废气再循环控制 发动机工作过程中，将一部分未充分燃烧的废气引入到
3、进气系统，使它重新与刚吸入的新鲜空气(或混合气)混合进入气缸再进行循环燃烧的方法称为废气再循环控制(EGR)。废气再循环可有效地控制氮氧化物的排放量，但由于它减少了进气充量中的含氧量，只宜在部分负荷时采用，以使发动机排放物中的碳氢化合物不致明显增加。要最大限度地减少氮氧化物的含量，又不影响汽油发动机的经济性和碳氢化物排放，需要采用电控技术来优化发动机各工况下的废气再循环控制。如今，电控 EGR 技术已在国内外得到广泛应用。燃烧系统优化设计 不同的燃烧室形状会使汽油发动机性能有很大差别，L 形燃烧室基本属于 20 世纪 70 年代前的设计，面容比(S/V)最大，火焰传播距离最长，燃烧持续期被拉长
4、，因而其排放特性和动力经济性都很差。燃烧室设计的重要原则是：面容比要小，即尽可能紧凑；火花塞尽可能布置在燃烧室中央，以缩短火焰传播距离。结构紧凑的燃烧室可直接使汽油发动机的热效率提高，碳氢化物和一氧化碳的排放降低；结合调整推迟点火提前角或应用 EGR控制，也可同时降低氮氧化物的排放。(二)机外净化技术三元催化转换器 综观人类治理汽车排放污染的历程，在 20 世纪 70 年代中期以前主要是采用以改善发动机燃烧过程为主的各种机内净化技术。这些技术尽管对降低排气污染起到了很大作用，但效果有限，且不同程度地对汽车的动力性和经济性带来负面效应。随着排放标准的不断提高，人们开始考虑各种机外净化技术。三元催
5、化转换器的研制成功使汽车排放控制技术产生了突破性的进展，它可使汽油车排放的一氧化碳、碳氢化物和氮氧化物同时降低 90%以上。目前，应用电子控制燃油喷射和三元催化转换器已成为国际上汽油车排放控制技术的主流。除少量微型汽车和中、重型运输汽车外，大部分汽油车都采用了催化转化器，特别是汽油发动机轿车和轻型卡车采用三元催化转换器的比例分别为 91.6%和 100%。由此可以看出三元催化转换器在排放控制技术中的重要位置。曲轴箱强制通风系统 在汽车所排放到大气中的碳氢化物总量中，25%来自于曲轴箱窜气，20%来自于燃油供给系统蒸发，其余 55%来自尾气排放。曲轴箱窜气是指在压缩过程和燃烧过程中，由活塞与气缸
6、之间的间隙窜入曲轴箱的燃油混合气和燃烧废气，与曲轴箱内的润滑油蒸气混合后，由通风口排入大气形成污染的过程。为了彻底消除曲轴箱窜气窜出发动机外，在发动机上都采用强制曲轴箱通风系统。这种系统有几种方案，其中最常用的是封闭再循环方案，即设法将曲轴箱窜气经封闭管道吸进发动机的气缸，参加燃烧。二次空气喷射控制 二次空气喷射作为早期控制污染物排放的措施之一，目前与催化转换器配合使用。它同样由 ECU 根据发动机的工作温度控制二次空气喷射气道的导通，将新鲜空气引入排气歧管或三元催化转换器中，实现对氮氧化物、一氧化碳、碳氢化物的转变，以减少排气污染。在将空气引入排气管的方式中，除了空气泵控制外，还可利用排气脉
7、冲波来实现。车用汽油发动机排放控制技术发展趋势(一)清洁代用燃料近几十年来，国内外在努力降低作为汽车主流动力的汽油发动机和柴油发动机的排放污染的同时，也在不懈地探索和研究开发更理想的动力系统和排放污染更低的代用燃料。这些研究的目的，不仅是为了降低汽车排气污染，也是为了节省石油资源和开发新的汽车能源，以缓解汽车对石油燃料的单纯依赖。目前，甲醇、乙醇、天然气和液化石油气，在汽车上已有很多实际应用。与不安装排气后处理装置的汽油车和柴油车废气排放相比，替代石油燃料燃烧后的排放污染较低，被称为清洁燃料。液化石油气 液化石油气(LPG)是原油炼制汽油、柴油过程中的副产品，其主要成分是丁烷和丙烷，这些碳氢化
8、合物的一个主要特性是在常温及相对较低的压力(约 1.6 兆帕)下即可转化为液体。液化石油气都以液态储存和运输，有较高的能量密度；但通常以气态使用，因此比较容易应用于汽油发动机上。液化石油气发动机与改装前的汽油发动机相比，排气污染物均有明显降低，碳氢化物、一氧化碳和氮氧化物分别减少了 38%、86%和 25%，而且汽油发动机改装成液化石油气发动机技术难度不大，所以在许多国家液化石油气发动机得到了推广应用。醇类燃料 是指甲醇和乙醇。第二次世界大战期间，由于燃料短缺，以醇类作为燃料的发动机曾经被使用过。现在从技术上讲，醇类发动机的开发已趋于成熟，汽油发动机循环方式的醇类燃料发动机已在一些国家成功使用
9、，如巴西和美国等。大量的开发经验表明，使用醇类燃料不仅使发动机获得良好的经济性，而且可以降低污染物的排放。压缩天然气 天然气是多种气体的混合物，其中主要成分是甲烷。根据产地的不同，甲烷在天然气中的含量约为 81%98%。作为汽车燃料，为了携带方便，需经压缩成为压缩天然气(CNG)或低温液化成为液化天然气(LNG)。天然气以其储量大，且可以减少排气污染，因而受到普遍重视，据估计目前世界上已有 60 万台压缩天然气发动机在运行，其中大部分用在轻型车辆上。氢燃料 氢是一种清洁燃料，其燃烧产物是水，没有碳烟，不产生二氧化碳，也不产生除氮氧化物以外的污染物。但是氢的生产过程需要消耗能源，如果所消耗的能源
10、是太阳能、水力势能或风能等，则可以降低二氧化碳的排放。随着技术的进步，特别是太阳能的高效廉价利用、燃料电池技术的进步以及储氢技术的突破，一般认为在本世纪中期开始将会有大量使用氢作为能源的动力机械。燃料电池 电动汽车在人类密集的都市有其特殊的优点。但是电能储存的能量密度太低，成本太高，是人类发现电能以来一直没有得到圆满解决的问题。(二)稀燃发动机稀燃发动机采用了分隔型双燃烧室，燃烧室表面积较大。层状充气可采用缸内直接喷射方法，在火花塞附近供给过量空气系数为0.850.95 的浓混合气，而在燃烧室供给过量空气系数是1.551.62 左右的稀混合气(工作极限)。因此，燃烧产生的氮氧化物排放浓度大大降
11、低。车用汽油发动机使用稀混合气，可比较全面地降低有害排放物，而高压缩比可提高经济性。目前稀燃高压缩比仍是降低汽油发动机排放、提高性能的主要研究方向。在稀燃时，为改善混合气质量而采取的措施有：实现分层燃烧；燃烧室设计得更合理紧凑，尽量减少有害的缝隙容积；改善火花塞结构及布置，采用高能点火系统，实现快速燃烧等。日本丰田公司利用产生紊流的辅助燃烧室，开发了一种可以使用稀混合气工作的燃烧系统。该系统在燃烧室中设置副室，在喷口部位配置火花塞。在压缩过程中，一边对火花塞凹坑进行扫气，一边使混合气产生适当的流速，促进着火。副室的压力随着火焰传播而增加，然后传向主燃烧室，产生紊流，促进主室的燃烧。丰田公司的一
12、种复合涡流可控燃烧系统采用分层充气燃烧，降低氮氧化物排放。副燃烧室内装有进气门和火花塞，进气门分开驱动。工作时，供给副室的少量极浓的混合气通过孔道与主室内的极稀混合气相混合，在副室和孔道附近形成较浓的中间混合气，使混合气能可靠地着火。而主室由于没有强烈的紊流，极稀的混合气只能缓慢地燃烧。所以燃烧温度较低，使生成的氮氧化物相应减少。(三)缸内直接喷射技术缸内直喷汽油发动机是在部分负荷时用混合气的分层化实现超稀薄燃烧，得到同柴油机一样低的燃油消耗率；在高负荷时用预混合汽油发动机的均匀混合，得到高功率特性的理想汽油发动机。目前，发动机缸内直接喷射(GDI)技术已有少量机型出现(如日本丰田汽车公司的
13、D-4 型发动机)，欧洲市场还有一些直喷发动机系统。虽然目前缸内直接喷射发动机在技术、成本和排放等问题上还有一些技术难题未能克服，但由于缸内直接喷射发动机的一些无可比拟的优点，如部分负荷可以实现无节流或小节流的变质调节；对于中、小负荷的车用发动机来讲，对燃油的经济性改善较大；缸内燃油雾化吸热，提高了充量系数并可采用高的压缩比，发动机的动态响应性好等。有人预计，直喷汽油机将于 2010 年以前克服上述技术、成本和排放等技术难题，成为轿车发动机的主导产品。(四)均质混合气压燃近几年，内燃机界提出并积极研究的一种新概念燃烧技术“均质混合气压燃”(HCCI)，可望使发动机的排放性能获得新的突破无烟排放
14、，氮氧化物排放几乎为零。发动机均质混合气压缩燃烧需要燃油与空气的均质混合，混合气在压缩冲程活塞接近上止点的时刻，自动起火燃烧，它既具有传统汽油发动机混合气均质混合的工作特性，又具有传统柴油发动机压燃式点火的工作特点。传统柴油发动机采用高压缩比压燃式工作方式，不用节气门，泵气损失小，其热效率和部分负荷燃油经济性优于汽油发动机，但柴油喷射形成非均匀的混合气，燃烧温度高，容易产生氮氧化物排放物，局部缺氧造成碳烟和微粒排放；传统汽油发动机采用均质混合气燃烧，燃料与空气混合均匀，燃烧完善，通常不产生碳烟微粒，但需要节气门，在部分负荷时泵气损失大，燃油经济性差。有关研究结果证明，均质混合气压燃发动机兼有传统汽油发动机和柴油发动机的优点。目前，均质混合气压燃发动机常用较稀的混合气，其均质混合气在燃烧室内多处同时燃烧，燃烧速率快，火焰温度低，有利于抑制氮氧化物的生成。同时，燃料和空气混合均匀，而且氧气充足，避免了因燃料缺氧而排放碳烟现象的发生。
