影響通用小型汽油機排放因素分析

劉建輝武世福李海橋蘇鐵熊（-國家摩托車質量監督檢驗中心　陜西　西安　7003 -中北大學）

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影響通用小型汽油機排放因素分析

劉建輝1武世福2李海橋2蘇鐵熊2
（1-國家摩托車質量監督檢驗中心陜西西安710032 2-中北大學）

摘要：節能減排已成為當今社會發展的一大主題，通用小型汽油機作為一種常見的動力裝置，其排放已逐漸成為大氣的主要污染源之一。針對通用小型汽油機的排放現狀，分析了過量空氣系數、點火系統、轉速、負荷、調速器的穩定性、廢氣再循環技術、催化轉化技術和燃料等對排放的影響，相應地提出了降低尾氣排放的技術路線，有助于通用小型汽油機節能減排路線的優化。

關鍵詞：通用小型汽油機排放過量空氣系數點火系統

引言

通用小型汽油機作為一種常見的動力裝置，在國內的發展史可追溯到1948年首臺樣機的試制成功[1]。經過幾十年的發展，2012年國內通用小型汽油機年產量已達到2300多萬臺，占同期全球同類發動機總產量的38%，但尾氣中的有害物質占其排放污染物總量的65%～80%，已成為大氣的主要污染源之一[2]。

當前全球面臨環境污染和資源短缺兩大問題的困擾，節能減排已成為社會發展的一大主題。為了控制排放，歐美國家不斷推行更加嚴格的排放標準[3]。美國EPA于1997年最先制定了通用小型汽油機的排放法規，并于2008年首次提出燃油蒸發試驗的要求，而國內直到2013年才開始逐步實施排放第2階段標準。中國作為通用小型汽油機主要生產地[4]，有更多的義務和責任來不斷提升排放控制技術，降低尾氣污染。本文以此為背景，對通用小型汽油機排放尾氣中主要有污染物NOx、CO、HC的生成因素進行全面分析，提出了技術路線，為降低通用小型汽油機排放提供了依據。

1影響通用小型汽油機排放的因素

通用小型汽油機生成的NOx、CO、HC與過量空氣系數（φat）、燃燒條件、設計參數、運行參數、燃料品質等因素有關，其中主要受過量空氣系數和點火系統的影響，尤其以過量空氣系數為最[5-7]。

1.1過量空氣系數影響因素分析

φat對排氣污染物的生成有著重要的影響，188F型通用小型汽油機的試驗結果[8]如圖1所示：隨著φat的增大，CO濃度逐漸減小；NOx濃度呈現兩頭低、中間高，且在φat取值為1.05附近最高；HC濃度呈現兩頭高、中間低，且在時受過量空氣系數的影響較大。

圖1　排氣中NOx、CO、HC的濃度與空燃比的關系

NOx的生成與溫度和氧濃度有關。當在1.05附近時，燃燒充分，燃燒溫度較高，混合氣中氧含量充分，滿足NOx生成條件，因此出現NOx濃度峰值。混合氣加濃（φat＜1.0），燃燒溫度降低、混合氣中氧含量少，NOx的生成量減少。混合氣變稀（φat≥1.1），火焰傳播速度減緩，燃燒溫度降低，NOx的濃度降低。

CO的濃度受制于化學反應速率、反應過程的熱力狀態和氧濃度等因素。隨著φat的增大，O2濃度增大，燃燒更加充分，CO的濃度降低。當φat大于1.0時，混合氣中空燃比分布不均，高溫分解和反應凍結發生，CO仍舊保持一定濃度。當φat大于1.1時，混合氣變稀，燃燒溫度降低，高溫分解減緩，CO的濃度緩慢下降。

HC的生成與缸壁淬冷效應、燃燒室縫隙效應、壁面油膜吸附效應、積碳吸附效應等有關。混合氣較濃（φat＜1.0），O2濃度不足，不能完全燃燒，HC濃度升高；混合氣過稀（φat＞1.1），容易造成火焰不能完全傳播以至斷火，HC濃度迅速增加。

目前國內通用小型汽油機主要以化油器供油，但其燃油霧化不好，進氣量無法反饋，難以精確地滿足工況需求，造成排放偏高。逐步取而代之的是電子控制燃油噴射系統，該技術利用氧傳感器對空燃比進行精確的閉環調節，以實現分層充氣，快速燃燒，排氣污染物明顯改善。

近期，汽油機領域的新技術是缸內直噴技術（GDI）將替代進氣道噴射（PFI）。GDI是將汽油直接噴入氣缸內，可實現稀薄混合氣的分層燃燒，壓縮比和熱效率都有所提高，每個循環中燃燒更加充分，在理論上解決了加速、冷啟動等工況下過量空氣系數不當的問題，尾氣中的污染物大幅度降低。該技術已在車用汽油機上得到了使用，有望在中小型汽油機上被采用。王小龍[9]對168F型通用小型汽油機進行改造，以原化油器進氣道作為可燃混合氣的主進氣系統，同時增設缸側輔助進氣系統，補充可控的增壓空氣，加快缸內氣流的復合運動，將空載下的過量空氣系數提高到2.7，實現稀薄燃燒，CO可降低90%，HC可降低20%。

1.2點火系統因素分析

點火系統的技術參數對點火正時和點火能量有影響，會改變混合氣燃燒條件，影響排氣污染物的生成[10]。

點火正時影響燃燒室的溫度和壓力，決定了燃燒始點和缸內燃燒的最高溫度，對HC和NOx的排放有顯著影響，如圖2所示。隨著點火提前角的減小，HC和NOx的排放量減少。由于減小點火提前角，點火推遲，缸內氣體壓力和混合氣燃燒時的燃燒室面積減少，已燃混合氣溫度升高，HC的氧化加快，積蓄在缸套壁面潤滑油膜中的未然HC量也隨當時缸內的低壓而有所降低。同時火焰延遲期縮短，急燃期加快，后燃期縮短，焰后燃燒產物區的反應時間縮短，NOx的排放量明顯減少。但是點火推遲過大，發動機排氣溫度升高，有損其燃油經濟性和動力性[11]。

圖2　不同點火提前角下的HC、CO、NOx排放

點火能量是火焰核形成的重要因素，可以擴大燃油混合比的可燃界限，縮短著火延遲期，加快急燃期，提高燃燒的最高溫度，促進燃燒，減少HC的排放量。中小負荷時，一方面缸內氣體運動微弱，火焰核的形成受殘余廢氣影響，著火延遲期增長，燃燒不穩定；另一方面殘余廢氣的稀釋作用使得混合氣中局部氧濃度存在很大差異，點火能量將難以有效控制CO的排放[12]。高能點火使燃燒室溫度升高，加之氧含量豐富，有助于NOx的生成。但是穩定運轉后，NOx排放不再受高能點火的影響。

為了提高點火系統的性能，德國寶馬公司開發了雙火花塞點火系統，該技術已成功運用于中小排量發動機。兩個同型號的火花塞同步或異步點火，提高點火能量，火焰傳播距離縮短，燃燒速度加快，提高了循環的等容度和循環熱效率，同時著火概率提高，循環波動減小[13]，指示熱效率提高，尾氣排放得到改善。

1.3轉速和負荷因素的分析

通用小型汽油機通常在不高于標定轉速的范圍內運轉，轉速對HC和NOx的影響遠大于對CO的影響。隨著轉速的升高，一方面燃燒室內混合氣的擾流混合和渦流擴散加強，燃燒速度加快，促進了激冷層對燃料的后氧化，燃燒更充分，HC排放明顯下降；另一方面燃燒速度加快，傳熱相對減少，熱效率提高，急劇升高的燃燒溫度會使NOx的排放量升高。怠速工況下，節氣門幾乎關閉，燃燒過程惡化，循環波動大，加之整機熱負荷小，缸內零部件溫度低，有利于HC的生成，但對CO和NOx的排放沒有影響。

排氣污染物的生成與負荷有著復雜的關系。因為混合氣成分是否滿足工況需求，受制于負荷和供油系統的共同作用。大量的試驗研究[14]表明：在混合氣成分基本不變的工況下，隨著負荷的減小，缸內混合物中NOx排放量在減小，而HC排放量在增加，CO卻基本不變；當負荷小于50%時，混合氣濃度的變化將不會影響NOx排放。

1.4結構參數因素分析

結構參數中，燃燒室的面容比、沖程缸徑比、壓縮比等對排放有影響。面容比對HC的排放有較大的影響，是設計者為減少污染物排放而考慮的重要因素之一。隨著面容比的增大，進入活塞環隙的混合氣增多，燃燒室縫隙效應明顯；同時膨脹比也隨之增加，膨脹后期的排氣溫度下降，HC排放量上升。壓縮比的增大會使燃燒溫度上升，更多的NOx排出。相反，沖程缸徑比的減小，有助于氣缸面容比減小，促使氣缸的相對散熱面積減小，有利于降低HC的產生。

目前國內不同排量的通用小型汽油機燃燒室的形狀較為相近，其共同點是：隨著缸徑的增大，相應的排量增大，面容比隨之減小，HC排放量降低；但同

時整機的熱負荷上升[15]，NOx的濃度隨即增加。

1.5調速器的穩定性因素分析

調速器可限制通用小型汽油機的最高轉速以及調節穩定轉速，其工作的穩定性對HC排放有顯著影響。當穩定性差時，則節氣門抖動加劇，不同循環下混合氣成分的差異性增大，循環波動增大，燃燒不穩定，HC排放增加，但對CO和NOx排放影響甚微。近幾年，用于發電機的通用小型汽油機逐步使用電子調速器[16]。它采用PDI自適應控制，用單片機和步進電機取代了離心機械式調速器所用的甩塊彈簧式速敏機構，在瞬時調速率、轉速波動率等方面動態精度高，運轉穩定，尾氣排放理想。

1.6廢氣再循環因素的分析

廢氣再循環是將排氣管中部分尾氣引入進氣管，與新鮮空氣混合，使得混合氣的熱容量提高，氧濃度降低，發動機的燃燒速度降低，燃燒散熱加快，缸內溫度降低，從而有效降低NOx的排放量。天津大學內燃機研究所的試驗結果[17-18]如圖3、圖4所示，經分析可知：

1）廢氣再循環可降低HC + NOx的排放量；

圖3　不同負荷下EGR對NOx排放的影響

圖4　不同負荷下EGR對HC排放的影響

2）100%負荷時，廢氣的進入降低缸內燃燒溫度，減少氧濃度，對NOx排放的控制富有成效；75%負荷時，廢氣再循環對HC排放控制顯著。

1.7催化轉化技術的分析

催化轉化器能有效地降低排氣污染物的排放，Ronald G.silver[19]的研究成果如圖5所示：Rh對NOx的催化轉化率最高，其次是HC，但對CO沒有作用。在蜂窩狀載體上調整Pt、Rh的含量，輔助以稀土金屬，可有效地降低通用小型汽油機排氣中HC＋NOx

的排放量[20-21]。

圖5　 Rh與Pd催化轉化HC、NOx效率比較

傳統的化油器+催化轉化器可以降低排放，但是油氣混合程度難以及時、準確地滿足工況需求，排放結果偏高。相反，在閉環控制的電子控制燃油噴射系統作用下，空燃比處在化學當量比的范圍內，經過Pt—Rh三效型的催化劑[22]的轉化，尾氣中NOx、CO、HC的含量都可降低80%以上。

1.8燃料因素分析

醇類燃料具有辛烷值高、含氧量高、可燃界限寬、汽化潛熱大等特點，逐漸成為汽油的替代品之一，并在汽油機上得到廣泛應用。用M15甲醇汽油、90#汽油在168F通用小型汽油機上進行試驗[23]，其排放結果如圖6所示。隨著甲醇的加入，CO排放大幅度降低，HC排放先增大后降低，NOx排放一直偏高。甲醇含有羥基，著火界限寬，在燃燒時有自供氧效應，同時高汽化潛熱降低了進氣溫度，提高了充氣效率，有助燃燒，CO、HC排放降低。而高含氧量對NOx生成的促進作用大于低熱值的抑制作用，因此NOx的排放大幅度上升。甲醇汽油雖有助于排氣污染物的降低，但會造成醛類污染。

天然氣不含硫、苯、烯等有害物質，在排放方面具有明顯的優越性。以天然氣作為燃料，發動機排放的CO、HC和NOx顯著降低[24-25]，該燃料已在汽車上得到了大力推廣。本田公司用液化天燃氣作為通用小型汽油機燃料，排放結果遠低于標準限值。液化石油氣熱值高，抗爆性好，尾氣排放量比裝有催化轉化器的汽油機還低，已在摩托車發動機上得到了使用，而在通用小型汽油機上的使用尚處在研制階段。

圖6　不同燃料的CO、HC及NOx排放曲線

2結論與展望

本文通過對影響通用小型汽油機排放的因素進行分析，并對汽油機目前的一些新技術進行了闡述，通過分析可以得出：

1）過量空氣系數和點火系統是影響通用小型汽油機排放的關鍵因素。電子控制燃油噴射系統和缸內直噴等先進技術的應用，將改變通用小型汽油機只在狹窄的值范圍內低排放的狀態。雙火花塞可降低點火系統對排放的影響。廢氣再循環技術、高效催化轉化器的使用也為解決通用小型汽油機的排放問題提供了途徑。

2）在設計階段，通用小型汽油機的結構參數和運行參數應被設計者充分考慮，并不斷優化，提高動力性，降低排放。

3）醇類混合燃料、液化天然氣、液化石油氣等替代燃料的使用，不僅將有效減緩能源危機，同時也有助于尾氣排放的降低。

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Analysis of the Factors Affecting Emission from Non-Road Small Spark-Ignition Engine

Liu Jianhui1，Wu Shifu2，Li Haiqiao2，Su Tiexiong2
1- China National Motorcycle Testing Center（Xi'an，Shaanxi，710032，China）
2- North University of China

Abstract：Energy conservation and emissions reduction have become a major theme in today's social development. Non-road small spark-ignition engine is a type of common power units, its emission has gradually become one of the main atmospheric pollution sources. Aiming at the current situation from the emission of non-road small spark-ignition engine，we mainly analyze the effect of excess air coefficient，ignition system，speed，load，the stability of governor，EGR，catalytic conversion technology and fuel on the emission，and put forwards technical routes to reduce exhaust emission. That's helpful for optimization of energy conservation and emission reduction routes for non-road small spark-ignition engine.

Keywords：Non-road small spark-ignition engine，Emission，Excess air coefficient，Ignition system

收稿日期：（2015-03-17）

文章編號：2095-8234（2015）03-0079-05

文獻標識碼：A

中圖分類號：TK411+.51

作者簡介：劉建輝（1988-），男，助理工程師，主要從事中小型汽油機測試。