車用內燃機主要排放污染物的生成機理與控制策略

李嘉柱

摘要：本文闡述歸納了車用汽、柴油機的排放污染物生成機理。并從機內、機外兩個角度分析，最終得出汽油機與柴油機的綜合排放控制策略。

關鍵詞：汽車污染物;排放控制

1 ?車用內燃機主要排放污染物的生成機理

汽車排放物種類眾多，按燃燒角度看可分為：完全燃燒產物二氧化碳（CO2）、水蒸氣（H2O）、氧氣（O2）、氮氣（N2）等;不完全燃燒與燃燒中間產物一氧化碳（CO）、碳氫化合物（THC）、氮氧化合物（NOX）、二氧化硫（SO2）、顆粒物（PM）等。

可燃混合氣形成與燃燒方式上的差異，導致汽油機與柴油機在排放污染物種類與排放控制策略也有所差異。

從圖1可以看出，汽油機主要排放污染物為CO、HC和NOX，柴油機主要排放污染物為NOX和顆粒物（PM）。此外，目前的國六法規還對NMHC（非甲烷總烴）與PN（固體懸浮顆粒數）進行了限值要求[3]。下面將分析排放污染物的主要生成機理。

1.1 CO的生成機理

CO主要是烴類物質的不完全燃燒產生。具體原因有：①過量空氣系數小于一時，C不能完全氧化，CO為未完全燃燒產物。②過量空氣系數大于一時，理論上無未完全燃燒產生的CO，但實際燃燒過程中，混合氣的不均勻會使局部區域燃燒不完全，加上壁面油膜隨進氣而邊流動邊蒸發也會造成不均勻，從而產生CO。③燃燒生成的CO2高溫時可解離為CO[2]。④排期過程中，未燃碳氫化合物不完全氧化反應也生成CO。

1.2 HC的生成機理

車輛排放生成的HC種類繁多，包含芳香烴、烯烴、烷烴以及醛類等。與CO類似，其主要產生原因也是燃油的不完全燃燒，此外還有燃油的揮發。具體原因：①缸內壁面淬熄效應（占30%-50%）：低溫壁面及附面層將火焰前鋒面冷卻，活化分子能量被吸收，燃燒鏈反應中斷，壁面形成淬熄層[6]，冷啟動與怠速時尤為明顯。②縫隙效應：在活塞與缸壁之間、缸蓋、缸墊和缸體之間的窄縫、進、排氣門和氣門座之間、火花塞中心電極附近由于面容比很大，導致火焰難以傳播，淬熄效應加劇。③油膜與積碳的吸附效應（占35%-50%）：進氣沖程與壓縮沖程，缸內氣壓增大，氣缸壁面的潤滑油膜、活塞頂與燃燒室壁面、進排氣門上的積碳開始吸附燃油蒸汽與HC，在膨脹與排氣過程中少部分HC被氧化，大直接部分排出氣缸。④不完全燃燒：啟動、怠速以及高負荷工況下，為提高發動機功率采用過濃混合氣以及中等負荷工況下采用較大殘余廢氣系數都會使得燃燒不完全，HC排放升高。

1.3 NOX的生成機理

NOX是NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5等的總稱，其中NO在排氣中占99%，NO2約占1%。NO在經排氣管進入大氣后，與氧氣反應最后生成NO2。

NO的主要生成方式有[1]：①高溫NO（主要來源），據高溫反應機理，產生NO的三要素為反應溫度、時間和氧氣濃度，氧氣足夠的情況下，反應溫度越高、時間越長，產生的NO越多。②激發NO，過量空氣系數小于一時，在燃燒氣體中（火焰前鋒面上）發生一系列活化能不高的反應，且不需要很高溫度即可進行。③燃料NO，對于柴油機，因其燃料中氮含量（0.002～0.03%）較汽油機高，會發生類似激發的反應，生成NO。[1]

1.4 顆粒物（PM）的生成機理

顆粒物分原始與二次顆粒。原始顆粒為內燃機燃燒的產物;二次顆粒指排氣內，各氣態、液態與固態組成間進行物理或化學變化生成的顆粒。顆粒物（PM）含：碳煙（DS）、可溶性有機物（SOF）與硫酸鹽。其中碳煙占比最高，高負荷時尤為明顯。碳煙的生成過程為：①成核：氣相燃油分子高溫下發生熱裂解和部分氧化，變為各種不飽和烴，后脫氫產生原子級碳粒子，聚合為直徑2nm碳核。②長大：碳核間的相互碰撞以及周圍氣相烴的不斷聚集使碳核長大，最終變為碳煙基元（直徑20～30mm）。基元再聚為多孔聚合物（直徑1微米）。③顆粒物（PM）生成：排氣過程中，隨溫度降低，有機成分SOF、硫酸鹽和水冷凝吸附在碳核表面，最終形成顆粒物（PM）。

2 ?汽油機排放控制技術

2.1 機內凈化技術

機內凈化技術指通過改善發動機本身的設計和優化燃燒過程來改善排放。機內措施主要有：①采用電子控制技術;②優化燃燒系統設計;③采取各種可變技術;④廢氣再循環技術。⑤汽油機缸內直噴技術（GDI）。

2.1.1 電子控制技術

通過閉環控制系統進行精確的點火、噴油、空燃比控制是改善汽油機排放的主要手段。

點火控制包括：①提高點火能量，使燃燒可靠性增加，循環波動率下降，燃燒稀限上升，采用較高過量空氣系數來減少CO、HC排放。方法有：增大電極電壓、增大火花塞間隙、延長放電時間。隨著稀薄燃燒技術的推廣，無觸點高能點火系統（極間電壓1～2萬伏）廣泛應用。②點火提前角控制，適當推遲點火時刻，壓力最高點遠離上止點位置，燃燒過程中體積變大，溫度降低，NOX排放減少;同時后燃期延長，排氣溫度上升，HC被氧化，減少HC排放。③精確控制空燃比，將空燃比控制在最佳空燃比誤差范圍內。使污染物排放總量達到最優。

2.1.2 優化燃燒系統的設計

優化對象包括燃燒室形狀、缸內氣流運動兩大方面。

①燃燒室設計應使得：1）燃燒室形狀緊湊2）火花塞布置在中央3）減少縫隙容積（活塞頭部、火花塞、進、排氣門），如采用高位活塞環。這些措施使得面容比減少，同時縮短火焰傳播距離。使得燃燒充分快速進行，從而降低因燃燒不充分導致的CO、HC排放。同時面容比小，壁面淬熄效應減輕，HC進一步減少。②改善缸內氣流運動，可通過改進進氣道形狀增強進氣渦流，同時燃燒室內的擠氣面設計可使得混合器產生壓縮湍流。上述措施都使混合氣湍流增強，油氣混合更均勻，火焰傳播速度加快，燃燒充分快速進行。

2.1.3 采取各種可變技術

包括可變配氣技術、可變壓縮比技術、可變工作氣缸數和可變增壓系統等[7]。其中最為常見的是可變進排氣正時系統（VVT），采用多氣門技術，減少進氣阻力，提高充量系數。氣門連續可變正時控制和升程控制來實現匹配發動機各轉速和工況下的進排氣要求，達到最佳充氣效率。

2.1.4 廢氣再循環技術（EGR）

分為外部EGR和內部EGR，廢氣再循環率一般不超過20%，廢氣再循環使得缸內CO2增多，比熱容增加，燃燒溫度與速度下降，還可運用中冷EGR進一步降低燃耗溫度，NOX生成減少。內部EGR通過調節氣門重疊角，使排氣不充分，廢氣滯留，實現廢氣循環[8]。

2.1.5 汽油機缸內直噴技術（GDI）[1]

汽油機直噴技術與稀薄燃燒技術相結合，達到均質燃燒與分層燃燒，提高混合氣混合程度，精確控制空燃比。有效降低HC排放，可增大壓縮比，提高發動機熱效率，節能30%以上。

2.2 機外凈化技術

前處理：①提高燃油品質（低硫、苯、烯烴和芳烴）或添加清凈劑（促進完全燃燒）;②采用清潔能源（壓縮天然氣、液化石油氣、醇類燃料）。

后處理：目前廣泛采用三元催化轉化器。通過鉑（PT）、鈀（PD）、銠（RH）三種貴金屬催化劑，通過氧化還原反應將污染物轉化為CO2、H2O和N2。

3 ?柴油機排放控制策略

柴油機排放主要控制NOX與PM。其控制思路為：抑制預混合燃燒，使燃燒溫度降低，減小NOX排放;通過促進擴散燃燒，使黑煙、微粒降低。

柴油機機外凈化技術與汽油機類似，這里介紹柴油機機內凈化技術。

3.1 增壓與增壓中冷

進氣密度大幅度提高，燃燒完全，PM降低。同時還降低CO與HC排放，動力性與經濟性改善。但壓縮中溫度升高和富氧氛圍使得NOX排放增多，采用增壓中冷，抑制NOX生成。

3.2 改善噴油特性

初期低噴油速率，減少滯燃期混合氣生成量，初期燃燒速率減小，從而降低燃燒溫度。

中期急速噴油，采用高壓噴射（電控高壓油泵、共軌系統、泵噴嘴），有利于提供較高混合勢能，提高霧化質量，加上卷吸作用，擴散燃燒快速充分進行[4]。

后期急斷油，避免后期噴油壓力下降導致霧化不良引起的燃燒不完全。

此外，采用多段噴射、預噴射也可使NOX降低。

3.3 優化燃燒室設計

采用四氣門技術可以減少進氣阻力，加大進氣量，提高燃燒效率;采用緊湊燃燒室，加強燃燒中后期擾流，混合氣運動增強，碳煙氧化再燃燒加劇，排氣PM（碳煙）減少。

3.4 廢氣再循環（EGR）

類似于汽油機，一部分排氣經冷卻后經EGR閥進入氣缸，增大混合氣比熱容，降低最高燃燒溫度，抑制燃燒速率，減少NOX排放。對柴油機運行工況、進氣溫度、冷卻水溫度等進行測量，對廢棄循環量進行修正，可得到最佳EGR率MAP圖[5]。

從上述控制策略可以看出，柴油機主要控制NOX與PM排放，汽油機主要控制CO、HC和NOX的排放。

4 ?結束語

降低燃油消耗、減少廢氣排放一直以來是企業與國家生產改進的重點，也是汽車領域未來繼續研究發展的方向。了解內燃機的污染物來源，掌握其控制方法與策略對今天的汽車制造業有著重要意義。

參考文獻：

[1]王瑛璞.汽車排放污染生成機理及控制技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，2007.

[2]王體迎.我國城市汽車排放污染控制技術探討[D].成都：西南交通大學，2009.

[3]GB 18352.6-2016，輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[S].

[4]龐威.新型柴油機乘用車排放技術研究[D].長沙：湖南大學機械與運載工程學院，2014.

[5]楊帥，李秀元，影啟戛，等.EGR率對柴油機排放特性影響的試驗[J].農業機械學報，2006，37（5）：29-33.

[6]韓衛.防爆柴油機燃用F-T柴油-PODE-甲醇混合燃料的燃燒和排放特性[D].太原：太原理工大學，2016.

[7]張治中.一種可變氣門升程機構的設計與仿真[D].長沙：湖南大學，2017.

[8]石磊.內外部EGR與電控燃油噴射控制柴油均質燃燒的研究[D].上海：上海交通大學，2006.