發動機排放物生成的原因分析與控制技術

李 客

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西柳州545005）

節能和環保是汽車永恒的主題，備受人們關注。能源和環保的現狀如何，人們采用哪些措施節約能源和減少污染，一直是汽車界重要的研究課題。

內燃機排放物是由HC、CO、NOx和PM等組成，排放污染物涉及到公眾的身體健康和環境保護等長遠利益。隨著世界汽車保有量的不斷增加，由汽車尾氣排放造成的大氣污染問題，已經成為世界公害。因此，內燃機的排放控制工作，始終是在各國政府和國際組織制定的一系列排放法規的指導和管制下開展的。

我國從20世紀80年代開始，著手汽車和內燃機的排放控制工作，逐步建立起我國的汽車及車用內燃機的排放控制體系。

2005年，國家發布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）》，并要求在2007年7月1日，要在全國范圍實施輕型汽車的國Ⅲ排放標準，到2010年將在全國范圍實施國Ⅳ排放標準。

1 發動機排放物的生成原因和組成分布

1.1 生成原因

（1）一氧化碳（CO）。CO的產生是由于燃油在氣缸中燃燒不充分所致，是氧氣不足而生成的中間產物，混合氣濃度大，混合氣不均勻，都會使排氣中的CO增加。如果反應氣的氧濃度、溫度足夠高，化學反應所占有的時間足夠長，CO會氧化成CO2。

（2）碳氫化合物（HC）。HC包括碳氫燃料及其不完全燃燒產物、潤滑油及其裂解和部分氧化物，點燃式發動機的未燃HC生成和排放渠道如下：

排氣排放物，主要是燃燒過程中未燃燒或燃燒不完全的碳氫燃料；

曲軸箱排放物，是從燃燒室通過活塞與氣缸之間的間隙漏入曲軸箱的竄氣，含有大量HC，如果排入大氣也構成HC排放物；

蒸發排放物，是從燃油箱、化油器、燃油管接頭等處蒸發的燃油蒸氣，如果進入大氣，同樣構成HC排放物。

（3）氮氧化物（NOx）。是由空氣中的氧氣和氮氣反應生成的，包括NO、NO2等，其中又以NO為主。但是空氣中的氧氣和氮氣在大氣狀態下，并不會發生化學反應，只是因為燃燒形成的1 200～2 400℃的高溫環境為氧氣和氮氣反應生成NO、NO2創造了條件，才造成了氮氧化物（NOx）排放。

2.2 組成分布

發動機排放物主要有排氣排放物、燃燒室漏入曲軸箱的氣體和潤滑油蒸發物、供油系統蒸發的燃料蒸氣等。各排放物的組成分布如下：

（1）排氣排放物。是排氣管排出廢氣，其中CO含量最高，占整機CO總排放量的98%～99%；其次是HC，占整機HC總排放量的60%；最后是NOx，占整機NOx總排放量98%～99%以及柴油機排放的PM等。

（2）曲軸箱排放物。是燃燒室通過活塞、活塞環間隙竄入曲軸箱的氣體和潤滑油蒸發物。其主要成分是HC占總量20%，其次是CO占總量1%～2%和NOx占總量1%～2%。

（3）蒸發排放物。是供油系統蒸發的燃料蒸汽，全部是HC，約占總量20%。

3 排放物的控制技術

3.1 機前凈化技術

利用各種技術手段和措施，對進入發動機氣缸之前的空氣和燃料進行預處理，以達到降低排放物的目的。

（1）采用無鉛汽油。使用無鉛汽油能有效控制汽車廢氣中的有害物質，減少HC、CO、NOx等污染；同時采用無鉛汽油還可以減少鉛污染，以及避免催化劑的鉛中毒。

（2）清潔代用燃料及燃油添加劑。燃用甲醇燃料可以提高發動機的動力性能、經濟性能，有害排放物低，是一種清潔代用燃料。乙醇是含氧燃料，發動機燃用乙醇可以實現無煙排放，并能大幅度降低CO排放，HC、NOx也可以有不同程度的降低。

壓縮天然氣和液化石油氣的最大優點，是燃料費用與污染物排放低。與汽油相比，使用壓縮天然氣的汽車的HC排放下降70%左右，NOx排放下降40%～50%，CO排放下降20%以上。

（3）采用增壓中冷技術。增壓中冷技術主要用于柴油機，采用增壓中冷是將經壓縮后的空氣冷卻，使發動機的進氣溫度降低，進氣密度增加；使發動機氣缸內殘余廢氣系數降低，同時減少了對進氣加熱的作用，使充量系數提高，提高發動機功率，同時降低了燃燒室的溫度。因此，增壓中冷技術能提高發動機的動力性和經濟性，并能降低排放。

（4）廢氣再循環（EGR）。廢氣再循環的工作原理，是燃燒廢氣回到進氣管，與混合氣體一起進入燃燒室，以降低發動機燃燒溫度，從而減少氧化氮的生成量。廢氣再循環系統使廢氣的再循環量，在每一個工作點都達到最佳狀況，從而使燃燒過程始終處于最理想的情況，最終保證排放物中的污染成份最低。

采用廢氣再循環，能有效地降低點燃式內燃機的NOx排放。廢氣再循環使發動機工作混合氣的總熱容大大增加，最高燃燒溫度降低。一般10%的EGR率就可使NOx排放下降50%～70%，效果極其明顯。應用EGR控制點燃機NOx排放的技術關鍵，是適當控制EGR率，使之在各種不同工況下得到性能的最佳折中，實現綜合優化。

3.2 機內凈化技術

內燃機缸內凈化技術，對混合氣的形成和燃燒過程有決定性的影響，因而也影響著發動機的動力性、經濟性、燃燒噪聲和有害廢氣的排放。其以改進發動機氣缸內的燃燒過程為核心，因此機內凈化是控制發動機排放的根本。

（1）電子控制燃油噴射系統。電子控制汽油噴射系統(EFI)利用各種傳感器檢測發動機的各種工作狀態，經ECU的判斷和計算，使發動機在不同工況下均能獲得合適空燃比的混合氣。因此混合氣濃度時刻與發動機工況相適應，燃油混合氣燃燒完全，所以發動機排放的污染物濃度就低。

（2）改善點火系統。點火系統的性能，如點火正時脈譜和點火能量特性，對電噴汽油機的燃燒有重要作用，從而影響發動機的性能和排放。為使發動機高效節能、動力強勁、排放最低，要求點火可靠，正時優化。

點火系統的可靠性，對減少HC排放是至關重要的，而采用電控點火系統，不僅能提高點火能量和工作可靠性，還能對點火正時進行最佳調節，以改善燃燒過程，降低有害排放物。

（3）采用可變進氣系統（VIS）。是為了使充量系數達到最佳，充分利用進氣諧振作用，使發動機的高速與低速性能都達到最優。常見的可變進氣系統，是通過改變進氣管長度的方式來實現的。在低速時控制閥關閉，氣體從主氣道流入發動機中；而高速時控制閥打開，氣體從主、副兩個氣道同時流入氣缸中。控制閥關閉時，相當于進氣管流通截面積減少，相應提高了低速充量系數，并可增加進氣渦流，改善燃燒過程，從而降低污染物的排放。

（4）采用可變氣門正時系統（VVT）?？梢愿倪M充氣效率，獲得更高的扭矩和功率，提高燃油經濟性；在降低NOx排放的前提下，同時具有降低HC排放和有助于冷啟動功能。而采用不同的VVT設計方案，所獲得的動力性、經濟性及排放效果也有所不同。

1）進氣相位調節IPS——獲得排放改善的同時，提高發動機的動力性；可以減少10%的HC和50%的NOx排放。五菱柳機L15發動機采用的就是IPS技術。

2）排氣相位調節EPS——通過改變重疊角的大小，可以影響殘余廢氣的比例，降低燃燒溫度，減少NOx。由于吸入了行程結束時HC含量最低的廢氣進行再氧化，所以減少了HC的排放。因此，可以降低70%的NOx和15%的HC排放，同時可以改進燃油消耗率。

3）進排氣相位同時進行調節DEPS——在提高燃油經濟性的同時，可以降低50%的NOx。

4）進排氣相位獨立調節DIPS——能提高發動機動力性、燃油經濟性、舒適性，同時可以降低70%的NOx和15%的HC排放。

（5）采用四氣門技術。與傳統的兩氣門發動機比較，采用四氣門技術不僅能增加發動機進排氣流動面積，減少流動阻力的損失，而且還能組織進氣渦流、滾流或擠流，能吸進更多的空氣來混合燃油燃燒作功，節省燃油，更快地排出廢氣，排放污染少，能提高發動機的功率和降低噪音的優點。

（6）降低燃燒室的面容比A/V。A/V表示燃燒室的緊湊性，它與燃燒室形狀以及汽油機的主要結構參數有關。側置氣門燃燒室的A/V大，頂置氣門燃燒室的A/V要小得多。一般來說，A/V大，火焰傳播距離長，容易爆燃，HC排放增高。因此，降低燃燒室的面容比A/V能較好降低HC排放。

（7）適當降低壓縮比。從提高功率和經濟性考慮，提高壓縮比是比較有利的，但過高的壓縮比，將使壓力升高率增加，發動機的噪聲與振動增大。此外，提高壓縮比對大氣污染也是不利的。因為壓縮比增加，燃燒室的狹隙、潤滑油膜和沉積物處生成未燃HC增加；壓縮比增加，燃燒室表面與體積之比即面容比增加，相對增加激冷面積，增加了HC排放量。壓縮比高，膨脹比也大，膨脹后期燃氣溫度下降，HC氧化速率下降，使更多的燃料以未燃HC的形式排出；壓縮比高，排氣溫度低，使壁面溫度降低，使粘附在壁面上的液態燃料難于汽化，增加HC排放；壓縮比高，使得最高燃燒溫度增加，NOx增加。

（8）采用充量分層、缸內直噴及稀薄燃燒系統。進氣道噴射的分層燃燒方式，分為進氣道噴射的分層燃燒方式和缸內直噴分層燃燒方式。

1）進氣道噴射的分層燃燒方式，又可分為軸向分層燃燒系統和橫向分層燃燒系統。橫向分層稀燃系統是利用滾流來實現的。在一個進氣道噴射的汽油生成濃混合氣，在滾流的引導下經過設置在氣缸中央的火花塞，在其兩側為純空氣，活塞頂做成有助于生成滾流的曲面。此燃燒系統經濟性比常規汽油機提高6%～8%，NOx含量下降80%。

2）缸內直噴（GDI）分層混合氣燃燒，主要依靠由火花塞處向外擴展的由濃到稀的混合氣，即借助于燃燒室形狀的壁面引導方式，依靠氣流運動的氣流引導方式和依靠燃油噴霧的噴霧控制方式。缸內直噴發動機部分負荷時在壓縮行程后期噴油，形成分層混合氣，空燃比A/F為25～40或更大；高負荷時在進氣行程早期噴油，形成均質混合氣，A/F為20～25或理論空燃比，或最大功率空燃比。因此，GDI發動機具有能提高燃油經濟性，部分負荷經濟性改善可達30%～50%，一般為20%，并相應降低CO2排放。發動機在冷起運時HC排放也得到很大的改善。

3）點燃式內燃機的過量空氣系數，既影響燃燒溫度，又影響燃燒產物中氧的含量，所以對NOx的排放影響很大。過量空氣系數增大，燃燒溫度下降明顯，導致NOx生成量減少。因此，稀薄燃燒是降低點燃機NOx排放的重要手段。

3.3 排放后處理技術

隨著對內燃機低排放的要求不斷嚴格，能兼顧動力性、經濟性、排放性的內燃機越來越復雜，成本急劇上升。因此，世界各國都先后開發排氣后處理技術，在不影響或少影響內燃機其他性能的同時，降低最終向大氣環境的排放。

現在最成功的排氣后處理技術裝置，是汽油機的三元催化轉換器，它是集氧化、還原功能于一體的催化轉化器，采用了貴金屬型(Pd、Pt，Rh)三元催化轉化器。發動機排出的有害氣體(CO、HC、NOx)通過三元催化轉化器時發生氧化、還原反應，生成無害成份 (H2O、N2、CO2)，可使排放的 CO、HC、NOx 同時降低90%以上。

3.4 蒸發排放物控制技術

利用曲軸箱強制通風系統和活性炭罐電磁閥，分別對發動機曲軸箱的排放物和供油系統產生的蒸發有害排放物進行凈化。

（1）曲軸箱強制通風系統（PCV）。發動機運轉時，燃燒室中的可燃混合氣和已燃氣體，在壓縮、燃燒、膨脹過程中，或多或少的會通過活塞組和氣缸之間的間隙，漏入曲軸箱空間內。點燃式內燃機漏入曲軸箱的竄氣中含有大量未燃HC及不完全燃燒產物和少量CO、NOx等有害物質。PCV閥的開閉及開啟的程度，是由進氣歧管真空度控制的，真空度，大流量?。徽婵斩刃?，流量大；發動機不運轉時關閉。利用發動機進氣系統的抽吸作用，通過PCV閥將曲軸箱內廢氣吸至進氣歧管，再吸進發動機的氣缸，參加燃燒，從而降低污染物的排放。

（2）蒸發排放控制系統。由活性炭罐、吸附控制閥，脫附控制閥和連接管路組成。系統在汽車停放時，把燃油蒸氣吸附到碳罐暫時儲存起來；在汽車行駛過程時，由發動機ECU控制電磁閥，把儲存在活性碳罐里的燃油蒸氣流進到進氣歧管內，在燃燒室燃燒，從而避免HC排到大氣中去，造成環境污染。

4 結束語

在發動機排放污染物眾多的凈化措施中，降低HC、CO、PM排放與降低NOx所采用的措施，往往相互矛盾；而某些凈化措施，也有常與發動機的動力、經濟指標發生矛盾。因此，對發動機排放物進行控制的技術關鍵，是盡量使發動機在各種不同工況下得到性能的最佳折中，實現綜合優化。同時要定期對發動機進行維護保養，養成良好的行車習慣，使汽車發動機始終保持在理想的工作狀態，積極預防和減少排放物的產生，提高發動機的動力性，降低燃油消耗，減少尾氣排放。

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