二次空气喷射系统对V型汽油机排放及油耗影响的研究

宋庆文，吕明芮，陈立，郭英俊，郝伟，闫涛，徐宁宁

（1.中国第一汽车股份有限公司技术中心,长春 130011；2.中国汽车技术研究中心,天津 300300）

二次空气喷射系统对V型汽油机排放及油耗影响的研究

宋庆文1，吕明芮2，陈立1，郭英俊1，郝伟1，闫涛1，徐宁宁1

（1.中国第一汽车股份有限公司技术中心,长春 130011；2.中国汽车技术研究中心,天津 300300）

为了达到降低发动机排放及油耗的目的，在发动机冷起动阶段使用一种向排气歧管内喷射二次空气的方法,并研究二次空气喷射系统对冷态发动机排放及油耗的影响。试验结果表明，二次空气喷射系统的应用能有效降低发动机冷起动阶段HC及CO的排放，同时不使油耗增加。

1 前言

发动机的排放污染物主要产生在冷起动阶段，该阶段发动机排气温度低，不能使催化器快速达到起燃温度，因此该过程中HC及CO排放物水平高。

解决发动机冷起动排放问题的后处理方法有很多，主要有前置催化剂、电加热催化剂、排气燃烧器、HC收集器、二次空气与真空绝热催化转化器等，这些技术从不同侧面解决了冷起动排放问题，并都取得了一定成效[1～3]。

2 二次空气喷射技术原理

发动机在冷起动及暖机过程中，为了保证发动机能够顺利起动及低速运转平稳，一般会采取开环控制模式，加大喷油量使发动机中的混合气处于过浓状态，同时推迟点火角使发动机燃烧滞后。该过程中大量的未燃混合气进入排气系统，此时由于排气系统中催化器还未达到起燃温度，不能起到催化作用，导致尾气中的HC及CO浓度很高。

汽油机中催化器对尾气处理起重要作用，但要具备温度和混合气浓度两个条件，只有催化剂的温度达到起燃温度且尾气中的混合气空燃比接近理论值时，才能使尾气中的CH4、CO、C3H8、NOx、O2等物质之间发生充分的氧化还原反应[4]。

二次空气的喷入满足上述两个条件，在冷起动及暖机过程中向排气歧管中喷入新鲜空气，其与尾气中未燃的HC及CO等物质充分混合，由于此时排气歧管中的温度还较高，所以混合气会在排气管中再次发生热氧化反应，部分未燃的HC、CO转变为CO2和H2O,同时释放出大量热量，既降低污染物又加快了催化器的升温速度。同时二次空气给尾气带来更多的新鲜空气，使催化器前的混合气空燃比接近理论值，也降低发动机有害气体的排放量。

3 二次空气发动机台架试验方法

3.1 试验用发动机及仪器设备

试验采用的V6发动机是一款进气道多点喷射、4冲程、双顶置4气门、3.0 L排量的自然吸气发动机，主要参数见表1。台架示意如图1所示。

表1 发动机参数

3.2 测量点布置

图2为二次空气试验的总体布置示意。试验用二次空气为干燥脱水的压缩空气，在每个排气歧管上安装相同长度和管径的喷射管且喷射角度相同，以保证每个歧管喷入相同的二次空气且混合均匀性一致。为了使喷入的二次空气与尾气混合均匀，对伸入排气歧管的二次空气喷管进行特殊设计及安装（见图2），将喷管的末端设计为45°斜切口，安装时使切口朝向与尾气流动方向相反，使二次空气喷入排气歧管后在尾气流动的作用下产生更强的湍流，从而混合更均匀。

发动机冷却水温度采样点为发动机出水口处，机油温度采样点为发动机油底壳处，进气温度压力湿度采样点为空气滤清器入口处，三效催化转换器（简称催化器）前后各一个排放采样探头，催化前和催化中各一个温度采样点。试验准备时对节温器进行预处理，使发动机冷却水在试验时始终保持大循环状态，以保证冷却水能稳定在目标范围内。其余测量参数按照常规台架试验进行设置。

3.3 试验方法

在排放法规中发动机冷起动及暖机过程中产生的气态污染物在整个测试循环中占的比重最大，故该试验主要研究冷态、低速、低负荷状态下二次空气对气态污染物的排放影响规律。

以排放法规为依据经过统筹计算，试验选用的工况为转速为1 200 r/min，平均有效压力（BMEP）为0.1 MPa。为了使台架试验更真实准确，发动机冷却水温度在水恒温设备的作用下保持在20～30℃，机油温度在机油冷却器的作用下保持在25～35℃，进气温度在进气空调的作用下保持在20℃左右。在油温、水温及外部环境恒定的情况下进行试验：

a.保持发动机工况不变，通过电控软件推迟点火角至发动机稳定运行边界，然后锁定点火角；

b.发动机油路开环控制，通过ECU调整喷油系数，使缸内λ在0.75～1.00之间变化，步长为0.05；

c.在每个缸内λ恒定的情况下，调节二次空气调压阀使缸外λ在0.75～1.30之间变化，步长为0.05，当排气温度超过850℃时停止试验；

d.每次调节完二次空气后稳定1 min，然后记录所有台架及排放数据。

4 试验结果

4.1 二次空气流量变化规律

图3为二次空气流量变化规律。可知，在缸内λ不变的情况下，缸外λ随着二次空气喷入量的增加而增大；在缸外λ不变的情况下，二次空气喷入量随着缸内λ的减小而增大。

4.2 催化器前温度变化规律

图4为催化器前温度变化规律。可知，在缸内λ相同时，催化器前的排气温度随二次空气喷入的增加而降低，其原因是新鲜空气喷入越多对尾气的稀释作用越大，喷入的空气升温所吸收的热量就越多，排气温度就会越低；在缸外λ相同时，催化器前的排气温度随缸内λ的降低而降低，其原因是缸内λ越低，混合气越浓，燃烧越不充分，释放的热量越少，同时由图3得出在缸外λ不变时，尾气中二次空气的喷入量随缸内λ的减小而增加，更多的二次空气加剧了尾气温度的降低速度。

4.3 催化器中温度变化规律

图5为催化器中的温度变化规律。可知，在缸内λ相同时，催化器中心的温度随着二次空气喷入量的增加而出现先升高后降低的现象；在缸外λ相同的情况下，催化器中心的温度随着缸内λ的降低而增大。

造成第1种现象的原因是，新鲜空气喷入排气管中后，未燃烧的混合气会在催化器中继续发生氧化还原反应，同时释放出大量的热量，使催化器中的温度升高，但是当缸外λ大于1后，催化器中的温度反而会降低，这主要是由于喷入的新鲜空气太多，过稀的混合气在催化器中发生氧化还原反应不充分，同时没有参与反应的新鲜空气在该过程中吸热升温，因此使催化器中的温度降低，从而会出现先升高后降低的现象。

造成第2种现象的原因是，在缸外λ相同时，尾气中未燃烧的可燃物随着缸内λ的降低而增加，同时由于缸外λ保持不变，所以喷入的新鲜空气也会按比例增加，导致大量尾气在催化器中发生氧化还原反应，同时放出大量的热量，使催化器中的温度随缸内λ的降低而增加。

4.4 HC排放变化规律

图6为催化器前的HC变化规律。可知，在缸内λ相同时，催化器前尾气中HC的浓度随着二次空气喷入量的增加而减小，其原因是二次空气对尾气中HC进行稀释并使部分HC发生热氧化反应，导致HC浓度出现不同程度的下降；在缸外λ相同时，催化器前尾气中HC的浓度随着缸内λ的降低而增加，其原因是混合气在缸内燃烧的过程中，混合气越浓燃烧越不充分，尾气中的HC含量越高。

图7为催化器后的HC变化规律。可知，催化器后的HC浓度在二次空气的作用下发生巨大变化。有两个区域出现了HC浓度几乎为0的情况，说明该区域的HC被氧化还原的很彻底。选用合适的缸内混合气浓度和喷入适当的二次空气量，在三元催化剂的作用下，可以大幅度降低尾气中的HC含量，最大限度的净化尾气中的有害气体。

4.5 CO排放变化规律

图8为催化器前的CO变化规律。可知，催化器前的CO浓度变化规律与HC非常相似，说明二次空气对CO和HC的影响规律相同，其内在原理也基本一致。

图9为催化器后的CO变化规律。可知，二次空气与尾气中大量的CO在三元催化剂的作用下发生了氧化还原反应，使催化器后尾气中的CO浓度成数量级的降低，如果选用合适的缸内λ和喷入适量的二次空气，可使尾气中CO的含量大幅下降。

4.6 NOx排放变化规律

图10为催化器前的NOx变化规律。可知，在缸内λ相同的情况下，催化器前的NOx浓度随着二次空气喷入的增加而降低；在缸外λ相同的情况下，催化器前的NOx浓度随着缸内λ的减小而降低。

由NOx的生成机理可知，NOx的产生与温度有很大关系，尾气温度越高越容易产生NOx，所以图10的变化规律与图4的变化规律相同。

图11为催化器后的NOx变化规律。可知，在缸内λ不变的情况下，催化器后NOx的浓度随着二次空气喷入量的增加而增大，说明二次空气的加入会使尾气中产生更多的NOx，不利于降低NOx浓度。但在图11的左下角NOx的浓度几乎为0，结合图7和图9中的HC和CO的浓度分布情况，可以找出一个既能降低HC和CO，又不使NOx大幅增大的缸内、缸外λ组合区域，该区域的中心为缸内λ=0.85、缸外λ=1，在该区域合理利用二次空气技术，就能达到降低尾气中HC和CO含量的同时又不使NOx排放量过度增加的效果。

4.7 燃油消耗率变化规律

燃油消耗率与二次空气喷入量的关系如图12所示。在缸内λ相同的情况下，发动机燃油消耗率随着二次空气喷入量的增加而小幅增长或保持不变。其原因是二次空气的喷入使排气背压小幅增长，导致进、排气受阻，缸内残余废气增加，泵气损失功率加大从而影响油耗。

5 结束语

a.在汽油机后处理系统中，合理使用二次空气喷射系统可有效降低冷起动及暖机阶段HC及CO的排放，同时抑制油耗及NOx排放的增长。

b.该V型汽油机二次空气喷射效果最佳的区域为以缸内λ=0.85、缸外λ=1为中心的局部区域，最佳二次空气的喷入量约为4.5 kg/h左右。

1 程勇,王建昕,庄人隽,等.电喷汽油机起动及暖机过程HC排放的测试分析.汽车工程,2002,24（4）：331～335.

2 蔡锐彬,秦宇.对二次空气改善车用汽油机排气净化效果的研究.车用发动机,2000（5）：34～36.

3 王永军,徐世利,王彬.轿车冷起动/暖机工况排放优化.汽车技术,2006（4）：13～15.

4 周龙保.内燃机学.北京：机械工业出版社，2005.

（责任编辑 晨 曦）

修改稿收到日期为2017年5月1日。

The Study on the Influence of Secondary Air Injection System on the Emission and Fuel Consumption of V-Type Gasoline Engine

Song Qingwen1,Lv Mingrui2,Chen Li1,Guo Yingjun1,Hao Wei1,Yan Tao1,Xu Ningning1
（1.China FAW Corporation Limited R&D Center,Changchun 130011;2.China Automotive Technology&Research Center,Tianjin 300300）

In order to reduce engine emissions and fuel consumption,a method of injecting secondary air into the exhaust manifold is used during the cold start of engine.This paper studied the effect of secondary air injection on the emission and fuel consumption of the cold engine.The experimental results show that the application of the secondary air injection system can effectively reduce the emissions of HC and CO at the cold starting stage of the engine without increasing the fuel consumption.

Secondary air injection system,Engine,Emissions,Fuel Consumption

二次空气喷射系统 发动机 排放 油耗

U464.1

A

1000-3703（2017）07-0043-04