汽油機排放影響因素與標定優化研究

郭正華

（濟源職業技術學院，河南 濟源 454650）

1 汽油機有害氣體生成的主要原理及危害

1.1 CO 的生成

針對汽油機中的汽油，其由多種碳氫化合物構成，往往會在燃燒過程中與空氣混合而發生HC+O2=CO2+H2O 反應，而由于一部分混合氣會因為不完全燃燒而生成CO，因此，CO成了汽油機有害氣體的主要組成部分。一方面，在通常情況下，針對過量空氣系數α＜1，混合氣中便會有CO 生成，但考慮到汽油機實際工作情況較為復雜，因此，即使空氣充足，汽油燃燒同樣也會產生一定的CO；另一方面，針對汽車減速過程，由于停留在汽油機進氣系統中的燃料會在急劇蒸發作用下進入燃燒室，并使得混合氣瞬間發生燃燒惡化現象，因此，會導致CO 濃度的顯著上升。

1.2 HC 的生成

對比CO 生成過程，HC 生成同樣與汽油的不完全燃燒有著直接關系，同時，在實際汽油機運轉過程中，包括壁面驟冷、換氣在內的諸多問題均可能導致HC 生成，因此，在實際探究過程中需從多個方面進行考量。首先，針對壁面驟冷，這是汽油機壁面附近很容易發生的一種常見火焰燃燒現象，而基于長期試驗過程我們發現，由于火焰在離開壁面后會立即熄滅，使得壁面0.05 ～0.37mm 的薄膜很容易留下一定未燃混合氣，進而導致一定HC 在長期保留后經汽油機排出；其次，針對不完全燃燒，汽車怠速所致的廢氣稀釋以及減速所致的瞬時強真空問題是造成汽油機產生HC 的主要原因，其中，在不完全燃燒發生后，汽油機HC 濃度會明顯提升，不僅很容易產生光化學煙霧，同時，也會導致臭氧破壞等環境問題的趨于嚴重；最后，針對換氣，這是二沖程汽油機HC的主要產生原因，其中，在換氣過程中，二沖程汽油機的HC會直接通過氣缸而排入廢氣，這使得該汽油機的HC 排放量要遠高于四沖程汽油機，最終導致HC 危害程度更加嚴重。

1.3 NOx 的生成

針對汽油機排放的NO，其在高溫環境下很容易產生其他氮化物，這是NOx的主要產生機理，其中，在氮元素的鏈反應發生后，高溫承擔了NO 化學變化的主要導因，進而不僅容易在HC 作用下產生光化學煙霧，同時，也會因NOx本身存在的刺激性臭味而致使人體患有支氣管炎等常見呼吸道疾病。

2 汽油機排放的主要影響因素

針對汽油機排放影響因素，我們以2.0L 自然吸氣進氣管噴射發動機為研究對象，借助HORIBA 排放分析儀、燃燒分析儀等具體設備進行圖一的試驗臺搭建，其中，試驗采用控制變量法，對包括汽油機設計因素及環境因素在內的多個方面進行研究，最終構建完整的汽油機排放模型，并以此為調整汽油機優化方案作出鋪墊。

2.1 設計因素

（1）燃燒室面容比。針對燃燒室面容比，由于通常情況下燃燒室壁面驟冷問題是造成HC 產生的關鍵原因，因此，當燃燒室表面積減少時，燃燒室F 與火焰停止燃燒時燃燒室容積Vc的比值必將成為HC 濃度的直接控制參數。其中，考慮到燃燒室驟冷層厚度一般占有燃燒室總體積的1%～2%，因此可構建的HC 排放模型，且當F/Vc值升高時，HC 的排放濃度也會得到明顯的提升。

（2）燃燒室形狀設計。從目前來看，燃燒室形狀同樣會對HC 等污染物的排放量造成影響，其中，基于常見汽油機，當汽油機表面積降低時，HC 的排出量也會明顯得到控制，且由于半球型燃燒室和盆型燃燒室分別擁有最優的F/Vc值和最大的F/Vc值，因此，在相同余隙容積下，盆型燃燒室的HC排放量往往最大，半球型燃燒室的HC 排放量往往最小。

（3）行程缸徑比。針對行程缸徑比，同樣，需根據F/Vc值來確定汽油機的排放量，其中，由于小缸徑長行程發動機往往擁有較小的F/Vc值，因此，當其他參數保持一致時，HC 排放量會隨著汽油機行程缸徑比的增加而增加。

（4）壓縮比。針對汽油機壓縮比，當壓縮比減少時，燃燒室F/Vc值會明顯減少，這是因為當減少壓縮比時，汽油機的余隙容積會明顯提升，最終在汽油機表面積增大的基礎上導致汽油機熱效率下降。

2.2 使用因素

（1）混合氣成分。基于汽油機使用過程，混合氣成分同樣是影響汽油機排放量的主要因素，其中，當過量空氣系數α＜1 時，汽油機供給空氣會明顯不足，這使得汽油機內部燃燒并不完全，很容易導致CO 濃度的直接上升，而當α值趨于1.08 附近后，CO 濃度會逐步呈現降低趨勢，但由于α 過大時，HC 濃度反而會上升，因此，控制α 值往往是于混合氣層面就汽油機排放問題進行解決的關鍵路徑。此外，針對濃度較高的混合氣，考慮到其一般具有較低的燃燒溫度，因此，往往含有較少的NO，但是，當混合氣氧濃度提升時，NO 會在化學反應影響下以極高的生成速度而產生，進而導致氮元素化合物的含量上升。

（2）點火定時。針對點火定時層面，試驗證明，HC 濃度與點火定時同樣存在較大關系。其中，若點火存在滯后現象，HC 濃度會明顯減少，這是因為點火滯后會導致混合氣后燃增大，進而導致排氣溫度上升以及HC 的進一步氧化。同時，由于點火滯后會使得燃燒室于燃燒期間增大自身面容比，因此，面容比變化同樣也是造成HC 濃度減少的主要原因。

（3）負荷。在通常情況下，若減少汽油機負荷，通過縮短排氣系統中混合氣的停留時間來控制HC 濃度，同樣也能夠在減少HC 排放量方面發揮較大作用。此外，針對NO 濃度，由于負荷減少會導致燃燒室氣缸溫度下降，因此，相對產生的廢氣也會明顯增加，而當廢氣燃燒時間明顯延長后，燃燒室的最高溫度會顯著降低，因此，也就能在很大程度上控制NO 的產生濃度。

（4）轉速。借助控制變量法就汽油機轉速進行試驗我們發現，當汽油機高速運轉時，由于汽油機轉速提高會導致汽油機氣缸驟冷氧化現象更加明顯，因此，HC 濃度會逐步呈現下降趨勢。但是，在汽油機轉速變更過程中，基于提高發動機轉速所致的火焰速度提升，使得單個氣缸的熱損失問題得到有效解決，不僅可使壓縮比和燃燒溫度明顯提升，同時，也會導致NOx生成率的顯著增加。因此，從目前來看，維持汽油機轉速穩定，將其控制在最佳范圍內，往往是優化汽油機排放的關鍵路徑。

3 汽油機排放標定策略優化方法

3.1 標定策略優化方案設計

基于上述汽油機排放影響因素，我們構建了汽油機的標定策略優化方案，其中，若汽車為怠速狀態，將點火提前角從MBT 減少為0，進而確保汽油燃燒所致HC 和NOx的降低；若汽車為低轉速低負荷狀態，打開進氣門，關閉排氣門延遲，通過控制內部EGR 降低HC 及NOx排放量；若汽車為低轉速負荷狀態，就汽輪機內部EGR 進行擴大，并通過控制外部EGR來滿足工況運行要求，進而在降低NOx的基礎上保障發動機爆震問題的有效解決。

3.2 實車排放測試結果對比

根據上述標定策略優化方案，以實車為基礎進行試驗，其中，試驗證明，無論是高速工況還是低速工況，通過調整VVT和EGR 均能起到一定的HC 和NOx控制效果，而需注意的是，在超高速循環過程中，由于性能區間與中轉速高負荷區間共同存在，使得HC排放往往并不能得到有效控制，因此，在一般情況下，可將HC+NOx的排放量由42mg/km 優化到29mg/km。

4 結語

綜上所述，本文基于汽車系統中十分關鍵的汽油機，詳細闡述了汽油機排放的主要影響因素，并通過實證分析驗證了擴大汽油機內部EGR 等手段的應用效果，其中，針對汽油機節能減排的巨大影響，只有進一步就汽油機生產工藝進行優化，并在汽車使用過程中合理控制轉速、負荷等參數，才能實現汽油機NOx等污染物的最小化排放，才能促進汽車工業的可持續健康發展。