汽油发动机尾气排放超标分析与治理措施*

李先锋

（运城职业技术大学）

多年来汽车保有量增长的同时，汽车运行带来的环境污染也日益严重，国家制定了越来越严格的汽车排放污染标准，倒逼汽车产业升级。2020年7月1日起《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（GB 18352.6—2016）实施以来[1]，因尾气超标而年审不合格现象，给客户造成了很大困扰。检测数据的客观公正性，使汽车检测站对如何应对超标而感到困惑。要将超标的尾气治理合格，需对发动机理论和实践操作有全面的了解。

1 汽油发动机尾气生成的机理分析

1.1 汽车尾气种类

汽车尾气包括二氧化碳CO2、水蒸气H2O、一氧化碳CO、氮氧化合物NOx、碳氢化合物CH、颗粒排放物PM等。其中完全燃烧产生的CO2和H2O对大气无害，其余物质均有害[2]。

1.2 有害成分的生成机理

汽油发动机各种有害成分的生成各有特点。

1.2.1 CO

CO是碳不完全燃烧的产物。当过量空气系数＜1时，因缺氧使汽油中的碳不能完全氧化成CO2，高温下CO2因热离解反应再转化成CO。

1.2.2 HC

HC也是一种不完全燃烧产物。高温燃气遇到300℃左右的气缸壁，产生壁面淬熄效应，使部分汽油未燃烧或未完全燃烧，即排出气缸。特别是混合气质量不佳的发动机，更易使碳氢化合物排放超标。燃油系统泄露、发动机曲轴箱中的机油蒸汽外泄，也都属碳氢化合物排放[3]。

汽油品质不好，如馏分较重会造成汽油挥发性变差，使进入发动机燃烧室的燃油与空气不能充分混合，不易燃烧完全，也是HC生成的原因。

1.2.3 NOx

高温、富氧是NOx生成的必要条件。NOx的主要成分是NO和NO2，NO排出燃烧室后，与空气中O2再次发生氧化反应，生成NO2。NO2和HC相遇后，发生化学反应形成光化学烟雾，对人体健康影响较大。

1.2.4 颗粒排放物

不佳的汽油质量，因不易汽化燃烧不完全容易产生碳微粒排放物；含铅汽油产生铅微粒排放物；进入燃烧室的润滑油因燃烧不完全，产生的碳微粒排放物。

1.3 影响汽油发动机汽车尾气排放的因素

1.3.1 可燃混合气形成

图1示出CO、THC、NOx排放量，发动机功率，随混合气浓度变化的规律。混合气稀经济性变好，功率下降，NOx下降，但THC变高。功率最高时，CO、THC高，热效率下降，油耗增加。

图1 燃空当量比

汽油蒸发性与汽油质量、温度、气压、进气质量、汽油喷出速度等有关。

1）汽油质量[4]。若蒸发性太差，既不能在气缸中完全气化，使功率下降，还会造成启动和加速困难。但蒸发性太强，则易形成气阻，造成供油不足。反映蒸发性的主要指标是馏程和饱和蒸气压。10%馏出温度越低，表明汽油中所含低沸点馏分越多、蒸发性越强，有利于低温启动；过低则易产生气阻。50%馏出温度低，常温下能较好蒸发；过高，供油量急增时，汽油来不及完全气化导致燃烧不完全。90%馏出温度和终馏点表示汽油中所含重馏分的多少，该温度过高，则汽油中重质馏分过多，工作中不易完全蒸发燃烧，将使气缸积炭增多，油耗上升；蒸发不完全的重质部分会沿缸壁流入曲轴箱稀释机油而加大磨损。

饱和蒸气压越大，蒸发性越强，易于冷启动；但产生气阻倾向和蒸发损失增大。

2）温度。温度低，蒸发性下降，未蒸发的汽油难以燃烧，形成CO和碳微粒，未燃烧汽油排出，也会增大CH以及PM的排放。温度过高，会增加NOx的生成。

3）进气质量。进气过少，流速降低、进气歧管真空度降低，混合气形成时间延长，CO、HC排放增加，排气冒黑烟几率增大。未经计量的进气泄漏，使混合气变稀，排放不正常。发动机进气脏会加速磨损，也影响尾气中微粒的排放。

4）进气歧管真空度。进气歧管真空度变化，会造成进气歧管内绝对压力变化。根据理想气体状态方程PV/T=c可知，c为常数，容积（V/m3）不变，压力（P/Pa）变小使绝对温度（T/K）下降，影响汽油蒸发性，进而影响混合气的形成。

5）汽油喷出速度。喷速大使汽油与空气极速摩擦而粉碎，加速混合气形成。喷出速度与系统压力、进气歧管真空度、喷油器针阀阀孔状态、喷油器开关特性等有关。

1.3.2 点火及燃烧过程

1）点火对尾气排放的影响。火花塞间隙过大引起火弱，点火电压低，都会使燃烧变慢，燃料不能完全燃烧，使HC超标。

2）燃烧过程对尾气排放的影响。缸壁、活塞及环等零件磨损，以及气门密封不严，会造成气缸压缩压力不足，燃速降低使部分混合气泄漏到曲轴箱，或进入排气管，使HC排放增加，同时氧气浓度也会稍高[5]。

1.3.3 排放控制系统对尾气排放的影响

为满足严格的排放标准，汽车上装备了排放控制装置，如表1所示[6]。

表1 汽车排放控制装置影响示意图

实践中仅更换三元催化转化器，使尾气达标，是临时性的，行驶一定里程后排放又会超标。

直喷发动机的分层充气、均质稀薄充气和均质充气3种模式，实现了混合气过量空气系数在较大范围（1～3）内的调节，虽降低了CO、HC的排放，但增加NOx排放。

1.3.4 颗粒物排放

混合气的不均、油品中的杂质、烧机油，是汽车微粒与碳烟排放物的主要来源。

2 汽油发动机尾气排放超标的治理措施

结构原理、混合气形成与燃烧模式均较固定，其自我调节能力不足，实际不能以理想方式工作。即使加注高品质汽油、发动机技术状况良好，也不能保证排放指标总合格。

从使用、维护和维修等技术角度提出避免发动机性能恶化的措施，尽量保持发动机最佳的技术状态，使其排放降到最低限度，这也是降低汽车尾气排放的较好方向。

2.1 选择正规加油站

汽油品质的检测需要专业设备和技术。车主可自主选择正规加油站提供的产品，质量有保障[6]。

年检前加注高品质的汽油，使发动机在中高转速下运行不少于20 min，以便将燃烧室积碳燃烧并排出，改善可燃混合气形成的环境。

2.2 检查和清洁进气系统

通过检测进气歧管真空度，可检查进气是否通畅、排气管有无堵塞。真空表读数摆幅大小、摆动频率快慢与气缸密封性、进排气管通畅或泄漏程度、空燃比以及点火性能好坏有关。

若不合标应逐个排查，排除故障，直到怠速时进气歧管真空度符合标准。

2.3 保持良好的温度

发动机燃烧温度与冷却液温度对尾气排放影响也较大。燃烧温度与发动机转速、负荷有关。冷却液温度除了与转速、负荷有关外，还与冷却系技术状况有关[7]。

1）燃烧温度由燃烧室内燃烧状况的好坏决定，与气缸压缩压力、可燃混合气形成速度和质量、火花塞点火时刻和点火能量直接相关。在汽车检测前，对这3方面进行有效维护，可提高汽车检测合格概率。

检测气缸压缩压力，使其符合标准要求；清洗喷油器，确保其在规定压力下不漏、雾化良好、喷油量符合标准；检测汽油供给系统的系统压力，使其压力符合该车型标准；检测该发动机的点火波形，与标准波形对比，找到故障点进行维修，使点火系统保持良好技术状况。

2）冷却液温度的影响因素有：冷却系统是否通畅无阻；水套内壁是否有水垢；冷却系统水循环量和循环速度；散热器外部是否被脏物覆盖；散热器散热片是否变形阻滞气流流通；风扇转速、集风罩是否漏气。

2.4 提高可燃混合气生成的质量

清洗喷油器，使喷油器单位时间内喷油量符合标准，不堵不漏，雾化良好。使用喷油器清洗测试仪，进行超声波清洗、测试，不建议使用免拆清洗方式。若维护后仍不能达标，则需更换。

测试汽油供给系统的系统压力。压力不足会影响喷油速度和雾化质量以及喷油量。压力不足则检查电动泵或者燃油压力调节器，以及管路有无折或堵的现象，予以对应排除。

2.5 检查各个气缸的点火波形

取消波形测试采取更换火花塞来改善点火状况，是盲目的。更换火花塞未必都能排除某缸点火波形不正确的故障，而通过更换或维修点火系统部件，并用点火波形来检验更换部件带来的维修效果，是极有效率的工作方式[8]。

2.6 其他辅助办法

增加汽车降低排放的附加装置，也是很好的办法。但这种办法无法通过外检关。重视燃油箱及盖、汽油供给系统管路及零件的外部检视，可以降低HC的排放。往油箱内填加汽油添加剂，也会对降低CO、CH等排放量起到一定的作用。

3 结论

采用汽车使用维修实践与理论结合的方法，用理论做指导，用测试仪器检测，结合检测数据，提出改善和治理汽车尾气超标的措施。文章是在不改变汽车原有设计的基础上提出的治理措施，虽经治理维修可以改善汽车尾气排放超标的情况，但是受到汽车依据老标准设计而落后的原因限制，仍然会有无法满足严格的国Ⅵ标准，致使汽车无法检验合格的情况出现。这些落后产品的淘汰与国家推出更加严苛的排放标准的目的相契合，也是汽车行业发展的必要。