GDI(汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù))排放特性及后處理

1、GDI排放特性及后處理1前言隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及人民生活水平的不斷提高,汽車保有量越來越大。汽車在帶給人類巨大便利的同時(shí)也帶給人類嚴(yán)重的環(huán)境污染，為此世界各國紛紛制定愈來愈嚴(yán)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，人們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制技術(shù)的研究也在不斷的深入 。2汽油機(jī)有害排放物的成分及其危害汽油機(jī)排放物的成分非常復(fù)雜,除了N2、O2、CO2、H2和水蒸氣等無害外，其余均為有害成分，主要是從排氣管排出的廢氣和其它部位漏出的燃料蒸汽以及從曲軸箱竄出的氣體，主要包括不完全燃燒生成的CO，未燃燒的燃料HC，高溫燃燒時(shí)生成的NOx等。（1）CO是城市大氣中的主要污染物，而汽車排出的C

2、O占整個(gè)大氣中的90%以上，CO易與血紅蛋白結(jié)合，致使人體缺氧，引起頭痛、頭暈、嘔吐等癥狀，嚴(yán)重時(shí)可使人窒息死亡；（2）NOx、HC化合物在陽光中紫外線照射作用下發(fā)生一系列的鏈?zhǔn)交瘜W(xué)反應(yīng)，NOx是光化學(xué)煙霧產(chǎn)生的主要元兇，使人眼紅、頭痛、手足抽搐，還會(huì)使植物枯死并使橡膠破裂。空氣污染的危害廣泛而深遠(yuǎn)，已嚴(yán)重威脅著人類的生存與發(fā)展 。3傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)有害成份的生成機(jī)理3.1CO生成機(jī)理CO是一種不完全燃燒的產(chǎn)物，是汽油機(jī)排氣中有害成分濃度最大的物質(zhì)，其生成主要受混合氣濃度的影響，在過量空氣系數(shù)a的濃混合氣工況時(shí)，由于缺氧使燃燒中的碳不能完全氧化成CO2，CO作為中間產(chǎn)物生成。 在a1的稀混合氣工況時(shí)

3、，理論上不應(yīng)有CO產(chǎn)生，但實(shí)際燃燒過程中，由于混合不均勻部分區(qū)域的a1條件成立，由局部燃燒不完全而產(chǎn)生CO或者已成為燃燒產(chǎn)物的CO2 和H2O在高溫時(shí)吸熱，產(chǎn)生熱離解分解反應(yīng)，由此生成CO。3.2HC生成機(jī)理HC排放物的生成除了曲軸箱通風(fēng)口漏出和油箱蒸發(fā)外，主要是不完全燃燒、壁面淬熄等原因：（1）不完全燃燒：發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，若混合氣過濃或過稀，或著廢氣被嚴(yán)重稀釋，或者點(diǎn)火系統(tǒng)發(fā)生故障，則火花塞可能不跳火，或者跳火后不能使混合氣著火，或者著火后又在傳播過程中熄滅，致使混合氣中部分燃料，甚至全部燃料以未燃HC形式排出，使HC排放明顯升高。（2）壁面淬熄效應(yīng)：壁面淬熄效應(yīng)是指溫度較低的燃燒室壁面對(duì)火焰

4、的迅速冷卻，使活化分子的能力被吸收，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中斷，在壁面形成0.050.4mm的未燃或不完全燃燒的火焰淬熄層，產(chǎn)生大量未燃的HC。（3）狹縫效應(yīng)：狹縫主要指活塞、活塞環(huán)和氣缸壁之間的間隙，火花塞螺紋間隙，進(jìn)排氣門與氣缸蓋氣門座面相配的密封帶間隙等。汽油機(jī)工作時(shí)總會(huì)有一些燃油隱藏在這些縫隙中，因火焰無法傳入其中而不能燃燒，成為未燃燒HC的一個(gè)來源。（4）壁面油膜和積炭吸附：在進(jìn)氣和壓縮過程中，氣缸壁面上的潤滑油膜，以及沉積在活塞頂部、燃燒室壁面和進(jìn)氣門、排氣門上的多孔性積炭，會(huì)吸附未燃混合氣和燃油蒸氣，在膨脹和 排氣過程中這些吸附的燃油蒸氣會(huì)隨之進(jìn)入氣態(tài)的燃燒產(chǎn)物中。這樣HC的少部分被氧化，大部

5、分則隨已燃?xì)怏w排出氣缸。3.3NOx生成機(jī)理氮氧化合物的形成和其它廢氣不同，它不是來自燃料，而是空氣中的氧和氮在燃燒室高溫高壓作用下反應(yīng)生成的，NOx主要以NO的形式出現(xiàn)，高溫下，氧分子分解成氧原子，處于分子狀態(tài)的氮與氧原子碰撞生成NO。汽油機(jī)尾氣中的NO主要取決于溫度和混合氣濃度。在供給稀混合氣時(shí)，NO隨溫度增加而迅速增多，在一定溫度時(shí)，NO隨混合氣加濃而降低，即高溫富氧易產(chǎn)生氮氧化合物。另外NO還與滯留時(shí)間有關(guān)，高溫持續(xù)時(shí)間越長，NO生成時(shí)間越長，NO就越多。4GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放機(jī)理相比較一氧化碳和碳?xì)浠衔锏呐欧?，點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放機(jī)理是最復(fù)雜的。我們認(rèn)為總的HC排放量主要發(fā)生在

6、兩個(gè)連續(xù)的階段。首先是HC的來源：采取幾個(gè)不同的措施防止一小部分燃油竄入正在正常燃燒的汽缸，其次，未能完全燃燒的HC通過排氣門進(jìn)入排氣管，它們?cè)谂艢鉀_程都被排出汽缸。因此必然會(huì)在排氣管中出現(xiàn)HC。4.1GDI發(fā)動(dòng)機(jī)HC的形成機(jī)理與傳統(tǒng)的PFI發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，不完整的火焰?zhèn)鞑?，墻壁淬火，缸壁裂縫和濕潤等也是GDI發(fā)動(dòng)機(jī)HC的主要來源。然而，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)特殊的燃燒系統(tǒng)與PFI發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒系統(tǒng)方面有很大的不同。因此在HC形成方面存在一些不同。特別是汽缸壁的濕度方面。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)在進(jìn)氣行程注入燃料的過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞頂面和汽缸壁是濕潤的。原因是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞和氣缸套的溫度很低，注入的大量燃

7、料粘附在活塞頂以及氣缸套表面，無法及時(shí)蒸發(fā)。而在膨脹做功行程過程中粘附在活塞頂及氣缸套表面的燃油才開始蒸發(fā)，因此造成HC排放的增加。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)結(jié)束后，對(duì)PFI發(fā)動(dòng)機(jī)而言，因?yàn)榱魅氚l(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的氣體經(jīng)過加熱，所以因?yàn)槿加驮斐傻陌l(fā)動(dòng)機(jī)活塞及氣缸套表面濕潤地方的液體會(huì)很快蒸發(fā)為氣體，因此不會(huì)增加HC的排放量。但是對(duì)于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)，其空氣混合物形成的時(shí)間極短，粘附在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套上的燃油依然不能完全蒸發(fā)。所在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)運(yùn)行過程中都會(huì)影響到HC的排放。參考目前的研究成果，不同的濕潤部位例如：活塞腔，進(jìn)氣門底座，排氣門底座會(huì)產(chǎn)生不同量的HC排放。根據(jù)實(shí)驗(yàn)排氣門底座的濕潤狀態(tài)是最壞的情況，而進(jìn)氣門底座

8、濕潤狀態(tài)是最好的情況，活塞頂?shù)臐駶櫊顟B(tài)比排氣門濕潤狀態(tài)稍好。HC的排放比幾乎完全取決于噴油時(shí)刻造成的汽缸內(nèi)部的濕潤情況。對(duì)于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)，其燃油的直接燃燒會(huì)產(chǎn)生一些獨(dú)特的HC來源。就像我們知道的，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油蒸發(fā)以及空氣混合燃料的形成時(shí)間極短。由于燃油不良的蒸發(fā)，有大部分參與燃燒做功，而另一部分則形成未燃的HC排放物。為了減少由于燃油在氣缸內(nèi)的不良好蒸發(fā)造成的過多的HC排放。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)非常重要的方面。然而對(duì)于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)來說，它有兩種燃燒方式：分層燃燒方式和均質(zhì)燃燒方式兩種。所以必須做權(quán)衡，這將會(huì)增加HC的排放尤其是在均質(zhì)燃燒的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。 此外，與PFI發(fā)動(dòng)機(jī)相比

9、，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比很高，所以，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)燃燒溫度比PFI發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)較低。這導(dǎo)致汽缸內(nèi)的HC未能完全氧化。因此發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放增加。由于同樣的原因，發(fā)動(dòng)機(jī)排放的廢氣很難被催化劑催化轉(zhuǎn)化成對(duì)大氣無害的氣體。所以在冷啟動(dòng)階段GDI發(fā)動(dòng)機(jī)排放的尾氣中的HC處在一個(gè)非常高的水平。5GDI排放后處理GDI發(fā)動(dòng)機(jī)確實(shí)可以提高燃油經(jīng)濟(jì)性，但是，同時(shí)其提高幅度也受到嚴(yán)格的排放要求的限制。無論是在歐洲、北美還是其他地方，更進(jìn)一步的排放標(biāo)準(zhǔn)要求燃燒系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行策略和尾氣后處理系統(tǒng)須加以協(xié)調(diào)發(fā)展。所以真正的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論值。大多數(shù)車用GDI發(fā)動(dòng)機(jī)由于受到嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)的限制，無

10、法完全發(fā)揮其潛在的燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，為了滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，采取了輕度節(jié)流、稀燃NOX后處理系統(tǒng)、NOX存儲(chǔ)型轉(zhuǎn)化器。5.1輕度節(jié)流GDI技術(shù)顯著提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的潛力主要?dú)w因于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的混合氣以分層充氣模式形成，從而避開了因負(fù)荷變化調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量而可能出現(xiàn)的截流損失。然而，在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行過程中，在保持一個(gè)能使催化器有效工作的溫度的前提下，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的超稀燃燒是非常困難的。因此，稀燃可實(shí)現(xiàn)范圍的擴(kuò)展將收到排氣溫度要求的限制。為了擴(kuò)展稀燃運(yùn)行范圍，或許確實(shí)需要一定的進(jìn)氣管真空度以保持排氣溫度在催化器有效工作溫度以上，這一限制使得GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在MVEG測(cè)試循環(huán)下的燃油經(jīng)濟(jì)性降低36%。在最低負(fù)荷工況下也

11、許確實(shí)需要一定的節(jié)流以使燃燒穩(wěn)定性保持在一個(gè)可接受的水平。輕度的節(jié)流已經(jīng)證實(shí)對(duì)HC排放控制有效；例如，在20%的EGR率下，通過輕度的節(jié)流可以減少HC排放達(dá)20%，不過這也導(dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性降低了3%。在設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)分層燃燒的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，也必須使其可以運(yùn)行在需要均質(zhì)充氣的冷氣動(dòng)或高負(fù)荷工況條件下。對(duì)于這樣的運(yùn)行條件，采用適當(dāng)?shù)墓?jié)流是非常有利的。節(jié)流的應(yīng)用同樣有利于發(fā)動(dòng)機(jī)各種運(yùn)行模式間的平滑過渡。另外，在為了減少NOX排放而采用高EGR率的情況下以及碳罐的凈化也需要一定的進(jìn)氣管真空度。在發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)（EMS）控制下采用節(jié)流的方法能使其迅速實(shí)現(xiàn)，并能提高1%的燃油經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在某一運(yùn)行

12、條件范圍的燃油消耗情況，通過采用雙區(qū)模型進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性可以增加20%，這一結(jié)果是和當(dāng)前使用三效催化器的PFI發(fā)動(dòng)機(jī)相比得到的，并且在該運(yùn)行范圍內(nèi)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)都是采用了混合氣分層模式。然而，這對(duì)后處理來說是不實(shí)際的。催化器的有效運(yùn)行溫度是一個(gè)很重要的參數(shù)，如果催化器的進(jìn)口溫度要保持在一個(gè)重要的的限值以上，就不可能在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)使用超稀混合氣。分析同時(shí)表明，如果考慮到排放要求限制，可采用分層混合氣的發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍會(huì)非常窄，這使得預(yù)期的燃油經(jīng)濟(jì)性提高幅度降低10。顯然，這就要求催化轉(zhuǎn)化技術(shù)需要更進(jìn)一步的提高。這樣才能使高度分層的混合氣燃燒的潛在優(yōu)勢(shì)全部發(fā)揮出來。由于稀燃和較低的節(jié)流程度，

13、會(huì)導(dǎo)致排氣溫度過低，這給保持催化溫度和轉(zhuǎn)化效率提出了一個(gè)大難題。需要強(qiáng)調(diào)的是，提高直噴燃燒系統(tǒng)在更高的稀釋比下運(yùn)行的能力以提高燃油經(jīng)濟(jì)性實(shí)施起來是受到限制的。由于使用過高的混合氣稀釋比會(huì)使排氣溫度降低，因此實(shí)際上是不可行的。5.2稀燃NOX后處理系統(tǒng)為了保持催化溫度和理想的轉(zhuǎn)化效率，稀燃NOX后處理系統(tǒng)的最低溫度限制要求了發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際可采用的最高稀釋比不能高于某一限值。采用比這一限值更低的空燃比是不現(xiàn)實(shí)的。相反地，稀燃NOX后處理系統(tǒng)的最高溫度限制決定了分層充氣或稀薄均質(zhì)充氣運(yùn)行時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)所能承受的最高負(fù)荷。稀燃系統(tǒng)在高于這一載荷限制的條件下運(yùn)行會(huì)直接導(dǎo)致 NOX排放大大增加。另外，可采用分層充

14、氣模式的最大負(fù)荷也受到碳煙排放水平的限制。因此，對(duì)于能夠大幅提高燃油經(jīng)濟(jì)性的、采用分層混合氣或稀薄均質(zhì)混合氣的負(fù)荷區(qū)域而言，稀燃NOX后處理系統(tǒng)的溫度限制也大大限制了它的范圍。這樣，改善稀燃NOX后處理系統(tǒng)的特性和擴(kuò)大這一負(fù)荷區(qū)域是最大程度發(fā)揮GDI技術(shù)燃油經(jīng)濟(jì)性潛力的關(guān)鍵。5.3NOX存儲(chǔ)式催化器NOX存儲(chǔ)型轉(zhuǎn)化器是為滿足燃油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)而特別設(shè)計(jì)的，在其排氣側(cè)裝有一個(gè)NOx感應(yīng)器。傳統(tǒng)的三向催化式轉(zhuǎn)化器無法在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不充分階段將氮氧化物充分分解；因此排氣中的成分將含有大量有害的化學(xué)物質(zhì)。含有鋇金屬涂層的存儲(chǔ)型催化式轉(zhuǎn)化器能夠高效地完成將大量殘留氮氧化物轉(zhuǎn)化為無害氮?dú)獾娜蝿?wù)。存儲(chǔ)型轉(zhuǎn)化器由設(shè)

15、定的運(yùn)行特性和溫度控制。當(dāng)轉(zhuǎn)化器達(dá)到飽和，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)生成更濃的混合氣體。這會(huì)使排氣的溫度升高，這時(shí)轉(zhuǎn)化器涂層的鋇分子便開始釋放氮氧化物。氮氧化物會(huì)隨之被轉(zhuǎn)化為氮?dú)?。凈化高濃度混合氣體程序的工作頻率，由發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行條件所決定，不過平均運(yùn)行每分鐘內(nèi)，會(huì)有幾秒鐘的時(shí)間用來凈化尾氣。 NOX存儲(chǔ)式催化器需要周期性的再生和凈化，可以通過短時(shí)間的多噴油來實(shí)現(xiàn)，但這會(huì)直接導(dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性的降低。這一點(diǎn)在高速高負(fù)荷時(shí)尤為明顯，因?yàn)榇藭r(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)不是運(yùn)行在稀薄分層混合氣模式下就是稀薄均質(zhì)充氣模式下。對(duì)于中負(fù)荷運(yùn)行條件下，可采用分層混合氣的運(yùn)行區(qū)域不是受燃燒系統(tǒng)的限制，而是更多的受NOX存儲(chǔ)式催化器凈化要求的限制。排氣溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)NOX排放主要隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加而升高。在相同的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行區(qū)域，NOX存儲(chǔ)式催化器存儲(chǔ)能力下降，相應(yīng)地需要更加頻繁地對(duì)其加以凈化，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性會(huì)產(chǎn)生負(fù)面的影響。在某些工況點(diǎn)上，這種凈化頻率會(huì)成為比燃燒系統(tǒng)本身更嚴(yán)格的限制因素