车用汽油机排放控制技术研究

孙 潇 邴桂斌

(1.淮安信息职业技术学院 江苏 淮安 223003；2.北京市华铁工程咨询有限责任公司 中国 北京 100055)

为满足日益严格的排放法规的需求，降低汽车污染物的排放，各类车用汽油机废气排放控制技术和控制方法迅速发展。本文从机前净化技术、机内净化技术和机外处理技术三条途径着手，对汽油机排放控制技术的发展进行了分析。

1 机前净化技术

机前净化技术是在混合气进入气缸之前，对燃料和空气采取的措施。主要从以下几个方面进行介绍。

1.1 燃油处理技术

燃油处理技术是通过提高汽油的品质或添加一些添加剂使汽油充分燃烧，以此减少有害物的排放。

在提高汽油品质方面，除了需要采用含铅汽油外，还要降低汽油中的硫、苯及烃类物质的含量。此外，在燃油中使用添加剂可以减少进气系统和油路中产生的积碳，改善发动机的燃烧效率，降低HC、CO的排放量。在发动机采用无铅汽油后，为提高汽油的辛烷值，在燃油中添加抗爆剂，如醇类、醚类，可改善汽车发动机的性能，降低废气中的CO的含量。这种混合燃料又被称之为汽醇燃料或M燃料。

1.2 替代燃料的使用

车用汽油机的替代燃料主要是：液化石油气、天然气、醇类燃料等。液化石油气辛烷值高、抗爆性好、热值高、安全可靠，且热效率较高；但是CO和NOx的排放较高，发动机冷启动困难，加速性能下降。天然气在主要成分是烷烃，主要有压缩天然气和液化天然气两种。其主要特点是化学性质稳定、热值高、抗爆性能好、燃烧效率高。醇类燃料主要应用甲醇和乙醇两种，因其本身含氧量较高，燃料燃烧的更加充分，减少了环境的压力，但是因为能源利用率较低、成本较高等原因，很难广泛应用[1]。

1.3 燃油蒸发控制系统

燃油蒸发控制系统可有效降低燃油箱中汽油蒸发排入大气所造成的污染，以活性碳罐的使用效果最为有效。工作原理：当停车期间，利用活性碳罐活性，吸收汽油蒸汽，防止向大气扩散；当发动机运行后，电控单元控制活性碳罐电磁阀打开与进气管的通道，利用进气真空度将活性碳罐中吸附的汽油蒸汽吸入进气管道中与进气一起参与燃烧。这不仅降低了HC的排放，还提高了燃油的有效利用率。

此系统在怠速及全负荷工况下不工作，以防止在怠速工况时造成混合气过浓而熄火及在全负荷运行时，混合气过稀而降低发动机的动力性[2]。

1.4 进气系统的技术改进

为提高进气系统的充气效率，使混合气混合更为均匀，发动机的进气系统多采用以下技术：

（1）采用多气门技术，保证较大的换气流通截面。这不仅可以增大充气系数，而且对于火花塞的中心布置、泵气损失减少、有害排放物降低等有很大的帮助。

（2）采用进气涡流电控系统，加强油气混合，实现可燃混合气的快速、充分燃烧。该系统电控单元采集发动机转速、节气门开度、冷却水温等信号，控制进气管路中涡流控制阀的旋转角度，引导气流偏转产生涡流，提高火焰的传播速度，降低HC的排放。此技术多应用在采用稀薄燃烧技术的发动机上。

（3）采用可变进气系统，以适应发动机高、低转速不同工况进气量的需求。目前采用的可变进气系统控制，主要有这么两种控制方式：可变流通面积控制方式和可变流通长度控制方式。控制原理均是利用进气谐振的效果，提高充气效率，在发动机不同转速条件下实现性能的最优化，可提高发动机动力性、经济性。

2 机内净化技术

2.1 燃烧系统的优化

燃烧室系统的优化主要围绕两个方面：改善缸内的气流及采用紧凑的燃烧室形状。要增强缸内混合气的涡流和紊流，可采用螺旋进气道或利用可变的截止阀增强缸内涡流扰动，提高火焰的传播速度[3]。紧凑的燃烧室可通过减少不参与燃烧的缝隙容积的措施，即将活塞第一环槽的位置上移减少活塞头部到活塞顶部的距离，使燃烧室更紧凑，以降低HC的排放。

2.2 电控燃油喷射系统的优化

电控燃油喷射系统的优化，给发动机提供适应工况要求的燃油空燃比。闭环反馈控制的应用，满足了三元催化转化器对空燃比的要求。不仅可以降低燃油消耗率，还能很好的改善发动机的排放特性。现在多用精度更高的线性宽域氧传感器替代传统氧传感器，能在更宽的范围内对空燃比进行反馈，使发动机排放性能更佳。

2.3 点火正时的优化

点火提前角对发动机的动力性、经济性和排放性能有重要影响。最常用的排放控制是推迟点火提前角，以降低HC和NOx的排放。但是推迟点火提前角会使平均有效压力下降和油耗上升，所以应综合考虑发动机排放特性、动力性及经济性来确定最佳点火提前角。

2.4 稀薄燃烧技术

使发动机的空燃比较之传统发动机14.7:1理论空燃比提高到15:1-27:1，随着空燃比的增加，尾气中的NOx、CO等浓度会明显减少，HC的排放也有一定的降低。此技术是降低汽油机排放、提高发动机性能的主要研究方向。在稀薄燃烧技术应用的同时，通常与分层燃烧技术、紧凑的燃烧室形状、火花塞结构及布置位置的改善等技术协调应用。

2.5 废气再循环控制技术

废气再循环将一定数量的废气引入发动机进气管道，利用惰性气体的高比热值及不可燃特性，使发动机的燃烧温度降低、氧的浓度减少，从而有效的控制发动机NOx的排放，但在发动机处于怠速、小负荷低转速及冷启动工况时，废气的再循环量必须要严格控制以保证发动机的性能。

2.6 均质混合气压燃技术

在启动和加速阶段，通过火花塞点火将燃料与空气的混合物点着；当进入高速行驶时，发动机切换至均质混合气压燃模式，通过气缸内的高温高压使燃料燃烧，工作情况与柴油机类似。此技术被称为内燃机的第三者燃烧方式，是当前内燃机燃烧的研究热点，是点燃式内燃机和压缩式内燃机的有机结合，可适用于汽油、天然气、丙烷、乙醇、柴油和生物燃料等多种燃料。目前，均质混合气压燃技术具有低排放、高热效率、低燃油消耗率的优点，但其燃烧时刻、爆震、可变压缩比等的控制与调整需要进一步攻克[4]。

3 机外净化技术

在改进发动机本身设计及优化其运行参数来降低污染物的排放，难度越来越大。需要兼顾发动机动力性、经济性、排放性等要求的发动机结构越来越复杂，成本急剧上升[5]。

3.1 三元催化转换器

三元催化转换器是目前应用最广泛的排放后处理装置，安装在排气管上。其最高转换效率发生在理论空燃比14.7:1附近的很小的范围之内，为了实现空燃比的精确控制，通常在排气管道中安装氧传感器，形成闭环控制。但在低温起动、暖机、急加速、急减速等开环情况下，三元催化转换器效率较低，排放污染物就会增加。

为了改善低温起动性能，采用紧凑耦合催化器安装在距离发动机较近的位置，通常热容量较小、激活时间短，可显著减少冷启动阶段的HC的排放。

3.2 闭式曲轴箱强制通风系统

闭式曲轴箱强制通风系统是在早期曲轴箱通风的基础上发展出来的，将曲轴箱和进气管连通，根据发动机工况的不同，利用进气管中真空度的变化，控制曲轴箱窜气进入进气管的再循环量。此技术可以提高发动机的经济性，并可以降低排放，因此在发动机上广泛采用。

3.3 二次空气喷射技术

以减少废气排放为目的，二次空气喷射技术被广泛地应用在发动机上，通常有空气泵式和脉冲式两种。该技术是将新鲜空气送入发动机排气管内，使废气中的HC、CO进一步氧化为H2O、CO2。因此二次空气喷射系统也常被称为补燃系统或后燃系统。

4 结束语

发动机排放污染物的净化往往在降低HC、CO与降低NOx排放量上相互矛盾，无法兼顾。同时，废气处理净化装置也常与发动机的动力性、经济性指标发生冲突。因此，对发动机排放物控制的技术综合优化的关键是将性能达到最佳折中。同时还应在日常的车辆使用中养成良好的驾驶习惯，并对发动机做好维护保养，使发动机保持在最佳的工作状态，从根本上预防、减少有害排放物的生成。

［1］郭猛超,张亚军,胡伟.车用替代燃料现状及应用分析[J].能源与环境,2007(05):20-21.

［2］王春雨.燃油蒸发排放控制系统诱发的故障与排除[J].汽车维修,2009.2:12.

［3］刘志强,吴文兵,王锡云.降低车用汽油机排放的技术措施[J].公路与汽运,2003(1):5-7.

［4］孙庆,秦松涛,张勇.汽油机均质混合气压燃燃烧技术[J].山东内燃机,2006(1):14-17.

［5］金迪武,王庆,邓琦.轻型汽车排放升级国Ⅳ控制技术研究[J].企业技术开发,2007(5):29-30.