汽油发动机排放控制技术

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汽油发动机排放控制技术

本文概要介绍了汽车排放污染物的构成，生成机理。针对这些生成物，发动机所采用的方案和控制技术，阐述了金客公司装用MPI发动机后，提高了整车的动力性和排放净化性能，为我们进一步开发和研究低污染汽车打下了良好的基础。
在大气污染中，汽车排放所造成的污染占有相当比重。据有关资料介绍，大气中所含CO的75%，HC和NOX的50%来源汽车的排放。特别是在汽车密度高的国家，其排放污染早以成为严重的社会公害。为此，我国也建立严格的排放法规加以限制。
一、
汽油车排放中的有害气体及来源
1、汽油发动机排放中的有害气体：
    汽油是多种碳氢化合物的混合物。在发动机内，汽油和空气混合并燃烧，大部分生成CO2和H2O。依据燃烧条件，也有一部分由于不完全燃烧而生成CO和HC 化合物。此外当燃烧温度很高时，空气中的氮与未燃的氧起反应生成NOX。其中CO、HC和NOX气体对人类和环境都会造成很大危害。
2、汽油车排放物的来源：
    发动机排气管排出的废气，其主要成分为CO、HC和NOX，以及60%以上的化合物是经排气管排入大气。发动机曲轴箱产生的污染物是指从活塞环间隙泄露到曲轴箱，并经过曲轴箱通气孔排入到大气的气体。其主要成份为未燃烧的HC，约占HC排放总量的20~25%，另外还有1~2%的CO和NOX。
    汽车燃油蒸发物，是指发动机停止运转时、加油或修理时，燃油箱和化油器的浮子室的燃油蒸发经过空气滤清器和油箱气孔窜入大气的燃油蒸汽，燃油蒸发物污染物主要是HC。通过这一渠道排放的HC化合物占HC总排放量的20%。
二、
汽油车有害排放物的生成机理
1、CO的生成机理：

CO是烃燃料燃烧的中间产物。排气中CO主要是在局部缺氧或低温下由于烃的不完全燃烧产生的。理论上讲当空燃比A/F=14.7时将实现完全反应,生成CO2和H2O。当空气不足时A/F<14.7时,则有部分燃料不被完全燃烧而生成CO。
    然而在实际中不仅空气不足时燃烧生成物中有CO，就是在空气充足时，燃烧产物中也含有CO及H2O。其原因是由于混合气的形成与分配不均造成的。另外在使用混合气时，在高温下燃烧生成的CO2和H2O也可能有一小部分发生如下的离解反应：

2CO2=2CO+O2
2H2O=2H2+O2
而离解反应生成的H2又会使CO2还原成CO，既

CO2+H2=CO+H2O
    所以，在发动机排气中，总会有CO的存在。尽管如此，排气中CO的浓度基本上取决于空燃比。
2、HC的生成机理：
HC产生的原因除燃料的不完全燃烧外，缸壁淬冷也是排气中HC的主要来源。
    由于汽油机中混合气的燃烧是靠火焰传播进行的，当火焰传到接近气缸壁面附近时，由于壁面的冷却作用，火焰不能完全传播到缸壁表面，使大约0.5mm厚度上的混合气烧不着,通常把这层烧不着的混合气叫做淬冷层。淬冷层的厚度随空燃比、气缸内的压力、气体的流动状态而变化。当混合气的空燃比位于浓混合区的某个值的附近，淬冷层的厚度最小，比它更浓或更稀的混合气都会使淬冷层的厚度增加，气缸内的压力越高，气体流动越活跃，都使淬冷层变得越薄。另外，活塞顶部与第一道气环之间的空隙、火花塞磁芯周围的空隙等，火焰也不能传播过去。上述淬冷层和气隙中的混合气没有燃烧就随废气排出。在排气初期，靠近排气门附近的那一部分淬冷层中的未燃气体首先剥离随排气排出。在排气后期，活塞把气缸壁面的淬冷层也卷进排气中，使HC的排放浓度大大增加。
    发动机工作时，如果混合气过浓时，由于空气不足，燃烧不完全，未燃燃料或燃烧过程中，生成的HC增多，HC的排放浓度当然增加。而当混合气过稀或缸内废气过多时，则可能引起火焰不充分甚至完全断火，致使排气中的浓度显著增加，在正常情况下发动机提供的是可点燃的混合气，火焰传播不完全，通常是在进气管真空度很高的情况使用发生的。例如怠速或减速时所引起的高度废气稀释所造成，或者是在过渡工况，特别是在暖车及减速时，进入气缸内的混合气很可能过浓或过稀，以致不能燃烧完全，使HC排放量增加。
3、NOX的生成机理：

NOX是空气在燃烧室的高温条件下，由氧和氮的反应所形成的，它和其他废气成分不同，不是来自燃料。发动机所排出的NOX虽含有少量的NO2，但大部分是NO。排气中的NO在大气中氧化成NO2，通常把NO2和NO统称为NOX。
    在发动机工作中，无论是进行完全燃烧反应，还是不完全燃烧反应，其最初燃烧反应所产生的热必将使空气中的氧分子裂解为氧原子，并与空气中的氮分子发生反应而生成NO和氮分子，而氮原子又与空气中氧分子发生反应生成NO和氧原子，这部分氧原子又可与氮分子重新反应，产生NO，其反应式为

O2=2O

N2+O=NO+N

N+O2=NO+O
    在这些反应中，燃烧废气温度越高，燃烧后残留的氧气浓度越大，高温持续时间越长，NO的生成量就越多。
三、
影响排放中有害气体的生成因素
    排气中有害气体的生成与空燃比点火时刻，发动机的结构等有关。通常，空燃比和点火时刻的影响最大。
1、空燃比：
当低于理论空燃比14.7时,排出的CO浓度便急剧上升;反之，空燃比从16附近起，则趋于稳定，并且数值很低。这说明混合气越浓时，由于燃烧所需的氧气不足，所以引起不完全燃烧，而引起CO的急剧增长。同时还说明，要减少CO的排放就必须采用稀混合气。实验证明，发动机CO的排放量基本决定于空燃比，其他的影响因素都小。

HC与CO不同，空燃比在17以内时，随着空燃比的增加，HC便下降。但继续增大时，由于混合气过于稀薄，易发生火焰不完全传播，甚至断火，使HC排放浓度迅速增加。
    空燃比对NO的影响，当混合气很浓时，由于燃烧高峰温度和可利用的氧的浓度都很低，使NO的生成量也较低。用空燃比15.5~16的稍稀混合气时,排出的浓度最高。对于空燃比稀于16的混合气，虽然氧的浓度增加可以促进NO的生成，但这种增加却被由于稀混合气中燃烧温度和形成速度的降低所抵消，因此对于很浓或很稀的混合气，NO的排放浓度均不高。
2、点火时刻：
    推迟点火时刻，HC的排放将减少，这是因为点火时刻推迟后，在燃烧室内的燃烧时间将缩短，由于后燃，将使排气温度上升，促进了HC和CO的后氧化。另外由于燃烧时降低了气缸的面容比，使燃烧室内的淬冷面积减少，使排出的HC减少。但需说明的是采用推迟点火的结果虽然使排气污染物有所下降，但这种下降是靠牺牲燃料经济性换来的。
    点火时刻对CO排放浓度影响不大，但过分推迟点火，亦会使CO在燃烧室内没有时间完全氧化，而引起排放量的增加。
点火时刻对NO浓度的影响如3—3所示。无论在任何转速和负荷下，加大点火提前角，均使NO的排放浓度增加。这是因为点火时刻提前时，燃烧温度升高所造成。图3——3
点火时刻对NO排放浓度的影响
3、其它：
    影响排放中有害气体的生成因素还有：发动机转速、空气温度、燃烧室的形成、压缩比等。
四、
汽车排放控制技术
上面叙述了汽车发动机作为一个大气污染源，论述了污染源的生成机理和生成因素。面对这些问题，我们进行了大量的研究工作，采用什么样的发动机，用何种控制技术来解决汽车排放污染与净化问题，满足国家即将出台的相当欧洲1号的汽车排放污染物标准。方案的确定是首要的。
1、
汽油发动机排放控制方案
   降低HC，主要有三个方面：燃烧室内燃烧的改进；提高排气温度后燃烧的处理；催化剂后处理。近年来，广泛采用的是闭环控制的三元催化系统，这种系统将混合气精确地控制在化学计量空燃比范围内，并且还可有效地控制NOX，较好的燃油喷雾和燃烧过程中，空气适宜的运动是改进燃烧的基础。同时，和燃油喷射有关的各种小的改进，比如尽可能避免壁流的喷油方向的选择和控制涡流和紊流的方法都被采用。推迟点火角以提高排气温度是最早的降低HC和NOX的方法，但这种方法也降低了燃油效率，因此这种方法应和其它方法一起使用。稀混合气被用作提高燃油效率而不是降低HC的一种方法，但是稀混合气必须和其它方法一起使用来改进燃烧，以此避免不稳定燃烧而产生大量HC。
   采用高能点火（全三极管）是后处理系统催化剂使用的前提，这是因为由于不稳定燃烧（包括偶然失火）造成的HC升高会导致催化剂燃尽。由于含铅汽油中的铅会毒害催化剂，所以必须使用无铅汽油。因为无铅汽油使燃烧室内的燃烧残余物的形成和积累明显减少，所以无铅汽油的使用对降低不带催化剂的汽车的排放也有效。
    降低NOX的基本方法：是通过再循环废气（充当一种惰性物质）进入燃烧的最高温度（EGR废气再循环系统）和使用闭环控制的三元催化系统。见图4—2。在三元催化技术出现之前，人们使用多元氧化催化系统，这种系统用浓混合气补偿。由于再循环大量废气造成不稳定燃烧。但随着技术的发展，这种系统因为降低燃油效率而被三元催化系统取代。
    使用无铅汽油的汽油机车辆排放的微粒（PM）大约是柴油车辆微粒排放量十分之一，因此汽油机车辆的微粒排放目前没有限制。
    对于铅的排放，有效的方法是改用无铅汽油。
2、
4G6MPI发动机排放控制技术
    根据以上所说方案，我们认为发动机是汽车的心脏，发动机的好坏不仅决定了汽车的各项性能。而且最终决定了汽车发动机污染物排放的最根本、最关键的问题。经过大量的调查研究，分析和论证，最终选择了4G6MPI发动机，下面分析一下该发动机所采用的控制技术。
   （1）防止燃油蒸气泄漏：对于燃料蒸气排放到大气中，所采用PVC阀和蒸汽排放控制系统来进行控制。
    把曲轴箱内含有高浓度的未燃燃料、润滑油蒸汽、不完全氧化烃，用曲轴箱强制通风装置（含PVC阀）引至进气管，烧尽各种油气，降低废气中的HC。因这种技术已广泛应用在汽车上，所以曲轴箱窜气已不再是汽油机车污染大气的来源。
蒸汽排放系统，将汽油箱内燃料蒸发产生的油气首先密封起来，防止直接排入大气，同时将油气导入活性碳罐中，由罐中的碳粒利用物理原理将HC吸附。当发动机运转时，由发动机电子控制单元（ECU）接收各传感器信号，恰时开启控制阀，使碳罐与进气管之间产生通路，利用进气管负压源，使导管中的气体高速流动而产生吸力，将HC从碳粒上脱离，并与从罐底部流入的空气一起被吸入气缸内燃烧。
   （2）、控制进气与燃烧技术：该机采用每缸四气门结构，即两进两排。进气门总的通过断面积较大充气效率较高。排气门直径较小，使其燃烧温度降低，提高了充填效率，为了强化燃烧纵流，将燃烧室设计成单坡屋顶型，由平面组成，将火花塞配置在中央，挤气区域的合理，构成火焰点燃后均匀和迅速，提高了燃烧效率。
    混合气充分雾化能使发动机在各种工况下稳定地燃烧，以防止早燃和爆燃等不完全燃烧而导致排放物增加。
点火系统控制：采用高能点火系统，闭磁点火线圈，加强火花强度及加长火花持续时间，加强了燃烧，可降低HC的排放，尤其在稀薄燃烧时，配合高能点火可促进火焰核心的形成，提高点火性能，无触点晶体点火装置内藏在ECU内，与输送到ECU的点火角信号经分析判断，再传给点火器，并且配合电子控制点火正时，由CPU控制点火提前角，废除真空离心点火提前装置，从而使发动机在各种工况都可最佳地调整点火时刻，不影响其它范围的点火调整。
（3）
电控汽油喷射：
电控汽油喷射系统由传感器、执行器和电控单元（ECU）三部分组成。采用先进的顺序喷射方式，见图4—6，ECU监测发动机的负荷，转速、温度、进气量、蓄电池、电压等状态参数。ECU中的计算机接收各种传感器发出的发动机当前状态的信息，然后依据发动机运转的各种实际需要，通过中央电控单元CPU精确控制燃油喷射时间和数量，控制相应的执行器如喷油器、点火线圈、怠速步进电机等工作。由于顺序喷射设立在最佳时间喷油，对混合气的形成十分有利，对经济性和降低有害物排放有很大益处。
（4）、废气再循环（EGR）
根据前述的在发动机燃烧时，温度越高，持续时间越长，NOx浓度就越多这一现象，在排气歧管中引出一部分排除的废气，再进入气缸里进行燃烧。我们称废气再循环，在这个管路中设置的阀叫EGR，这部分废气可减慢燃烧进程并吸收热量，因而减少了NOx的生成。该发动机采用了ECU控制EGR阀。由于NOx排放量随负荷增加而增加，再循环废气回流亦应随负荷而增大；冷启动暖机时，怠速和小负荷时，NOx排放浓度不高 ；在全负荷或超负荷时，考虑保持动力性都不应进行废气再循环。ECU就可以根据转速、负荷、温度等传感器信号决定所需，控制废气量，控制各种辅助控制阀，限制EGR阀在各种工况下的废气量。
3、
汽车尾气催、净化技术
对于汽车尾气污染最有效的方法就是尾气催化技术。该车采用三效催化剂净化装置。催化剂由载体、涂层及活性物组成，堇青石蜂窝载体上涂上γ-氧化铝活性层，采用铂（Pt）钯（Pd）和铑（Rh）贵金属活性物。
    该发动机在近似理论空燃比下运转，三元催化剂同时具有净化CO、HC和NO的能力，在发应过程中，CO、HC将NO还原成N2，同时CO、HC被氧化成CO2和H2O。这种催化剂在较宽的空燃比范围内具有良好的选择性。对废气的转化有良好的活性。在催化剂中有一种贮氧的成分，它能在瞬态富氧条件下贮存氧，在贫氧条件下释放氧，使催化剂的氧化、还原能力得以扩大。三效催化剂最重要的特点就是要求空燃比经常保持在理论空燃比14.6±0.3极窄的范围内。见图4-9可看到空燃比A/F在14.6±0.3的范围内，则CO、HC和NOx转化率可在80%以上。小于14.6会降低CO、HC的转化率。在大于14.6另一侧，NOx的转化率急剧下降。一般发动机要求每缸都在理论空燃比条件下，运行是不太容易。但4G6发动机是用闭路回路电子控制系统控制空燃比，在排气歧管上安装一个氧传感器用来测量废气中氧的含氧量，从而向ECU提供气缸所需喷油量信息，获取比较精确的A/F控制，这样就可以达到精确地控制废气成分。

thesecondtonone

挺详细的资料

yy9016

学习，有无柴油机排放控制技术？

dqjulong

谢谢分享 小弟受教

yinqing

这样的理论很适合初步进入这个领域的专业人员，对发动机设计的其他专业人员也有很大的指导意义。我几年前接触过排放理论，这一篇更加系统，全面，相互联系性很强，对于理解汽油发动机排放控制的全局很有帮助。现在部分先进的发动机空燃比都设计在19以上，所以这些问题基本不存在。我是一个发动机发烧友，发动机拆了十几次，现在空燃比提高到25左右（根据喷油脉宽计算的），没有排放问题。其实国内的发动机都可以使用空燃比19以上的”稀薄燃烧模式“（指普通电喷发动机，不是缸内直喷，也不需要VVT/CVVT/DVVT），并不难做到，难的是不去这样想，或者不相信自己能做到。相关企业或者科研机构或人员如果有兴趣可以看看我的车：瑞虎1.6/09款/SUV，空燃比24-28（通过喷油脉宽计算，原车设计怠速3.0-3.3ms，改装后1.6-2.0ms，最大缩窄48%）。氮氧化物排放低于国4的20%。我开始也为排放担心，后来去测了一下才知道不高，为什么？有研究了很多资料，现在基本明白了。联想到满街的进口车、合资车、理解了一些排放方面的深层问题。

woodey320

这个应该是做排放的初级入门介绍吧