降低車用汽油機排放的技術(shù)措施

1、降低車用汽油機排放的技術(shù)措施劉志強1,吳文兵1,王錫云2(1.長沙交通學(xué)院,湖南長沙 410076; 2.蒙自師范?？茖W(xué)校化學(xué)系,云南蒙自 661100摘 要:為了限制汽車廢氣排放污染,降低車用汽油機廢氣排放的技術(shù)迅速發(fā)展,文中概述了這些技術(shù),介紹了汽油機前沿研究動向。關(guān)鍵詞:汽車;汽油機;排放;技術(shù)措施中圖分類號:U464.171 文獻標識碼:A 文章編號:1671-2668(200301-0005-03汽車廢氣排放是大氣污染的主要來源之一,由于是低空排放,對環(huán)境和人體健康危害極大。日益嚴峻的大氣污染問題迫使世界各國紛紛制定愈來愈嚴格的排放法規(guī),以減少汽車廢氣排放污染。為滿足排放法規(guī)的要求,

2、車用汽油機排氣污染控制技術(shù)迅速發(fā)展,這些措施與提高汽油機動力性和燃油經(jīng)濟性所采取的措施是相互影響、交織在一起的。1 機內(nèi)凈化技術(shù)1.1 電子控制燃油噴射與電控系統(tǒng)優(yōu)化電子控制燃油噴射系統(tǒng)可在汽油機工況變化時提供隨之變化的精確的空燃比。部分負荷時,采用閉環(huán)反饋控制,可滿足三效催化轉(zhuǎn)化器對空燃比的嚴格要求。由于采用壓力噴射,汽油的霧化和汽化質(zhì)量高,有利于快速燃燒與完全燃燒,擴大了汽油機的燃燒界限。電控燃油噴射的這些優(yōu)點,不僅降低了燃油消耗率,而且大大改善了排放特性。現(xiàn)在,電控汽油噴射系統(tǒng)已發(fā)展成汽油機電控(管理系統(tǒng)。電控系統(tǒng)可分成許多功能模塊,汽油機運轉(zhuǎn)時又可根據(jù)不同工況劃分為不同運轉(zhuǎn)模式。一般,

3、控制器ECU根據(jù)各傳感器傳來的信息,先判斷汽油機工作在何運轉(zhuǎn)模式,再轉(zhuǎn)入該模式并調(diào)用相關(guān)功能模塊,實現(xiàn)對汽油機的控制。即傳感器用各種電信號將一個與實際工況相符的 模擬汽油機反映到控制系統(tǒng)中,控制系統(tǒng)根據(jù)輸入信息與自身存儲的知識庫來決定控制的方式和指令,并將指令送到執(zhí)行器完成控制1。指令完成后又對后續(xù)輸入信息產(chǎn)生影響。ECU在信息流動和循環(huán)中實現(xiàn)對汽油機的實時控制,控制項目包括噴油量與噴油定時、點火定時與點火能量、空燃比調(diào)節(jié)、廢氣再循環(huán)(EGR、催化轉(zhuǎn)化器、爆燃限制、配氣相位、進氣諧振、怠速調(diào)節(jié)、冷起動與暖機、加速加濃與減速斷油等。電控系統(tǒng)優(yōu)化可實現(xiàn)瞬態(tài)配制混合氣,使各工況下汽油機排放特性、動力

4、性與經(jīng)濟性達到最佳。1.2 推遲點火提前角點火提前角對發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放特性有重要影響。推遲點火提前角是最簡單易行也是最普遍應(yīng)用的排放控制技術(shù)。隨著點火提前角的減小,HC和NO x排放明顯降低。但推遲點火提前角會使平均有效壓力下降和油耗上升,因而靠推遲點火提前角降低排放是有限的,應(yīng)綜合考慮排放特性、動力性及經(jīng)濟性來確定最佳點火提前角。1.3 EGR目前,電子控制外部EGR得到了廣泛應(yīng)用。采用EGR的主要目的是降低NO x排放。由于廢氣中氧含量很低,且廢氣中主要成分的比熱容較大,EGR 使燃燒溫度降低,抑制了NO x的生成。但EGR降低了發(fā)動機的燃燒速度和溫度,導(dǎo)致發(fā)動機最大功率下降、

5、耗油率上升和燃燒不穩(wěn)定。必須根據(jù)發(fā)動機工況要求控制EGR率,并采取快速燃燒和穩(wěn)定燃燒的措施,如加強缸內(nèi)氣流運動,加大點火能量。負荷、轉(zhuǎn)速特別是空燃比和點火提前角的改變,使EGR在不同工況下降低NO x的效果有所不同,對H C、CO排放和比油耗的影響也不一樣,需要根據(jù)空燃比和點火提前角的改變調(diào)整EGR率。反之,由于EGR稀釋了可燃混合氣,使燃燒持續(xù)期延長,需要根據(jù)EGR率調(diào)節(jié)對空燃比和點火提前角的控制。即各工況下存在一個最佳的EGR率,它的實現(xiàn)只能依靠電子控制系統(tǒng)。1.4 燃燒系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計1緊湊的燃燒室形狀。與缸內(nèi)氣流運動配合,緊湊的燃燒室可實現(xiàn)快速充分燃燒,降低CO和HC 排放。采取減少不參與

6、燃燒的縫隙容積的措施,如高位活塞環(huán),還可進一步降低HC排放。與推遲點5公 路 與 汽 運總第94期 H ighw ays&Automotive Ap plications火提前角或EGR 配合使用,可同時降低NO x 排放。2改善缸內(nèi)氣流。增強缸內(nèi)混合氣的渦流和紊流,即加強油氣混合,能實現(xiàn)快速和完全燃燒,降低廢氣排放。采用螺旋進氣道,在進氣門上設(shè)置導(dǎo)氣屏或采用可變的截止閥可控制缸內(nèi)的渦流與紊流。擠氣面的變化能增強燃燒室內(nèi)紊流擾動,提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?減少淬熄層厚度,降低H C 排放。3多氣門技術(shù)。4氣門或5氣門汽油機與傳統(tǒng)的2氣門汽油機相比,充量系數(shù)大,泵氣損失小,便于火花塞中心布置,不

7、僅使汽油機燃油消耗率降低,而且降低了污染物的比排放量。4可變進氣系統(tǒng)。長度一定的進氣管只能在某一轉(zhuǎn)速區(qū)域得到最高的充量系數(shù)。發(fā)動機設(shè)置長短不同的主、副進氣管,根據(jù)轉(zhuǎn)速信號控制轉(zhuǎn)換閥關(guān)閉或開啟較長的副進氣管,可實現(xiàn)進氣管長度二級變化。隨著汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展,已能實現(xiàn)進氣管長度無級變化,使發(fā)動機在所有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都達到最佳充氣效果。5可變配氣正時。對氣門定時的基本要求:怠速或低速時氣門重疊角要小,隨著轉(zhuǎn)速上升,氣門重疊角應(yīng)加大,即進、排氣門的啟閉要隨工況而變?？勺兣錃庹龝r兼顧了發(fā)動機的高、低速性能,較好地滿足了動力性、經(jīng)濟性和排放特性的綜合要求2。1.5 稀薄燃燒采用稀混合氣燃燒是提高汽油機燃油

8、經(jīng)濟性和降低NO x 、CO 排放非常有效的措施。如圖1所示,隨著過量空氣系數(shù) 的增大,尾氣中NO x 、CO 濃度圖1 汽油機主要排氣污染物與過量空氣系數(shù)間的關(guān)系3明顯降低,H C 濃度在一定的空燃比范圍內(nèi)也有所減少。但隨著 增大,均質(zhì)稀混合氣難以點燃且燃燒速度減慢,造成燃燒不穩(wěn)定和H C 排放回升。因而研究人員提出了新的稀薄燃燒方式:!軸向分層稀薄燃燒。通過特殊結(jié)構(gòu)形成強烈的進氣渦流,燃油在進氣行程后期噴入氣缸,在壓縮行程中隨渦流產(chǎn)生上濃下稀的分層,保證火花塞附近混合氣較濃,這樣就解決了稀混合氣著火困難的問題,同時降低了排放。滾流分層稀薄燃燒。日本三菱公司的MVV 燃燒系統(tǒng)4進氣道中設(shè)置了

9、一垂直隔板,使進氣在缸內(nèi)形成3股獨立的滾流,兩側(cè)是空氣,中間是濃混合氣,配合以特殊形狀的曲頂活塞,可使?jié)饣旌蠚馀c空氣在壓縮過程中維持分層。由于滾流直到上止點附近才破碎為紊流,因而提高了燃燒的穩(wěn)定性和燃燒速度。在EGR 中,利用滾流分層原理,使混合氣與廢氣分層,則能提高EGR 率,使汽油機的燃油經(jīng)濟性和排放指標得到極大改善。1.6 混合燃燒柴油機的CO 、HC 和NO x 排放水平低于汽油機的主要原因在于柴油機的燃燒以擴散燃燒為主。這促使人們產(chǎn)生了在汽油機的均質(zhì)預(yù)混合燃燒方式中部分揉入擴散燃燒的思想,即混合燃燒方式。通過噴油定時、燃油噴射系統(tǒng)與缸內(nèi)流場的合理匹配,由點火定時即可實現(xiàn)對燃燒的控制。

10、其中,噴油定時決定了混合燃燒方式的均質(zhì)程度。汽油機電控技術(shù)和汽油噴射技術(shù)的發(fā)展使這一思想在缸內(nèi)直噴(GDI汽油機上變成了現(xiàn)實5。2 機外凈化技術(shù)2.1 排放后處理技術(shù)1二次空氣噴射與熱反應(yīng)器的配合使用,可有效降低HC 和CO 排放,但對NO x 無效,一般再配合EGR 以降低NO x 排放。2催化轉(zhuǎn)化器。安裝三效催化轉(zhuǎn)化器是目前最有效的機外尾氣凈化措施。三效催化劑對H C 和CO 的氧化與對NO x 的還原效率隨空燃比的變化而變化,為得到高的轉(zhuǎn)換效率,空燃比必須控制在理論空燃比附近的一個狹窄的窗口范圍內(nèi)(見圖1,即要由電控系統(tǒng)對空燃比實施閉環(huán)控制。采用空燃比閉環(huán)控制和三效催化轉(zhuǎn)化器,可使HC

11、和CO 排放減少90%95%,NO x 減少80%以上,進一步采用EGR,NO x 排放還可降低。3稀薄燃燒型催化轉(zhuǎn)化器。在稀薄燃燒條件下,空燃比較大,尾氣中氧的濃度較高,目前的三效催化轉(zhuǎn)化器不能有效還原NO x ,必須研制新的De NO x 系統(tǒng)。一個重要的研究方向是貴金屬-堿金屬混合型具有吸附和還原能力的存儲式催化器6。這種催化器主要用于缸內(nèi)直噴稀燃發(fā)動機,這類發(fā)6 公 路 與 汽 運H ighw ays &A utomotive App lications 第1期2003年2月動機在富氧和富燃交替變化條件下工作,其工作原理:在富氧時,NO氧化成NO2,NO2再與吸附劑中的堿金屬反

12、應(yīng)生成硝酸鹽;在富燃時,硝酸鹽分解釋放出NO x,NO x再與HC和CO反應(yīng)被還原。2.2 非排氣污染物控制采用閉式曲軸箱強制通風(fēng)系統(tǒng)可有效減少曲軸箱竄氣污染。對燃油蒸發(fā)物的控制一般采用活性碳罐吸附,汽油機工作時由真空或電子控制在適當(dāng)時刻開啟清除閥使之脫附而進入氣缸燃燒掉。3 燃料技術(shù)3.1 汽 油無鉛化是排放控制對車用汽油的必然要求。但無鉛汽油在減少鉛污染的同時降低了汽油的辛烷值,在不采取其他措施的情況下,會增加總的廢氣與污染物排放。汽油中的烯烴和芳香烴辛烷值高,但烯烴有很高的臭氧活性并可導(dǎo)致高的NO x排放;芳香烴燃燒會產(chǎn)生致癌物并易形成燃燒室沉積物。汽油中的烯烴和芳香烴含量主要取決于石油

13、的煉制工藝。汽油中的硫會直接產(chǎn)生二氧化硫和硫化氫并降低催化劑的轉(zhuǎn)化效率,因此,必須降低硫含量。在汽油中添加含氧化物如乙醇,可提高抗爆性并有利于減少H C和CO排放,但可能導(dǎo)致NO x排放增加。因此,綜合考慮上述因素,確定新的汽油配方,改進汽油制備工藝,添加替代燃料,改善油品特性,對減少汽油機排放污染是非常必要的。3.2 代用燃料汽油代用燃料有壓縮天然氣CNG、液化石油氣LPG、甲醇、乙醇、氫燃料等,下面僅對CNG、LPG和汽油的排放特性作一對比6。表1是按美國聯(lián)邦實驗規(guī)范FTP方式測試的排放結(jié)果,表2是歐洲對采表1 汽油車與天然氣汽車發(fā)動機排放對比 g#km-1排放物汽油天然氣HC 1.62

14、1.31N O x 2.16 1.40CO7.56 6.23CO221.9116.84表2 5輛雙燃料轎車排放對比g#km-1排放物汽油液化石油氣HC0.140.12N O x0.120.16CO0.87用了閉環(huán)控制三效催化轉(zhuǎn)化器和新型LPG裝置的5輛汽油-液化石油氣車進行排放測試的結(jié)果。4 混合動力系統(tǒng)如果能使汽油機盡量在熱效率高而有害排放低的某一最佳工作區(qū)域內(nèi)運轉(zhuǎn),則總的有害排放必定低于變工況運轉(zhuǎn)條件下的總排放,而且單一工況運轉(zhuǎn)便于優(yōu)化廢氣后處理系統(tǒng)并使其轉(zhuǎn)換效率始終保持較高水平。根據(jù)這一原理,國外研究開發(fā)了多種混合動力車輛7,如豐田公司的Prius轎車,與動力性相當(dāng)?shù)耐惼蛙囅啾?油耗

15、降低近50%,CO和NO x排放指標只有日本排放限值的10%。混合動力系統(tǒng)最關(guān)鍵的技術(shù)在于確定其工作模式與控制策略,即系統(tǒng)在滿足何條件下進入何種工作模式及在此模式下發(fā)動機的優(yōu)化控制。5 結(jié)束語車用汽油機有害排放物的形成及影響因素眾多,降低其有害排放物需考慮各方面因素,采取綜合技術(shù)措施。電子控制燃油噴射和三效催化轉(zhuǎn)化器聯(lián)合使用是目前最有效的尾氣凈化措施。研制稀燃催化轉(zhuǎn)化器對稀燃技術(shù)和混合燃燒技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。改進油品,開發(fā)代用燃料,研制混合動力汽車是降低汽車排放的有效措施。參考文獻:1 卓 斌,劉啟華.車用汽油機燃料噴射與電子控制M.北京:機械工業(yè)出版社,1999.2 蘇 巖,李理光,肖 敏,等.國外發(fā)動機可變配氣相位研究進展機構(gòu)篇J.汽車技術(shù),1999(6. 3 李 勤.現(xiàn)代內(nèi)燃機排氣污染物的測量與控制M.北京:機械工業(yè)出版社,1998.4 K.Kunahara,T.Watanabe,J.T akemur a,et al.Optimization of in-Cylinder flow and mix ing for a center-spark four-valve eng ine employing the concept of barr el-stratificationJ.SAE Paper,940986.5 Kume T,Iw amoto Y