发动机排放物生成的原因分析与控制技术

李 客

（柳州五菱柳机动力有限公司，广西柳州545005）

节能和环保是汽车永恒的主题，备受人们关注。能源和环保的现状如何，人们采用哪些措施节约能源和减少污染，一直是汽车界重要的研究课题。

内燃机排放物是由HC、CO、NOx和PM等组成，排放污染物涉及到公众的身体健康和环境保护等长远利益。随着世界汽车保有量的不断增加，由汽车尾气排放造成的大气污染问题，已经成为世界公害。因此，内燃机的排放控制工作，始终是在各国政府和国际组织制定的一系列排放法规的指导和管制下开展的。

我国从20世纪80年代开始，着手汽车和内燃机的排放控制工作，逐步建立起我国的汽车及车用内燃机的排放控制体系。

2005年，国家发布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）》，并要求在2007年7月1日，要在全国范围实施轻型汽车的国Ⅲ排放标准，到2010年将在全国范围实施国Ⅳ排放标准。

1 发动机排放物的生成原因和组成分布

1.1 生成原因

（1）一氧化碳（CO）。CO的产生是由于燃油在气缸中燃烧不充分所致，是氧气不足而生成的中间产物，混合气浓度大，混合气不均匀，都会使排气中的CO增加。如果反应气的氧浓度、温度足够高，化学反应所占有的时间足够长，CO会氧化成CO2。

（2）碳氢化合物（HC）。HC包括碳氢燃料及其不完全燃烧产物、润滑油及其裂解和部分氧化物，点燃式发动机的未燃HC生成和排放渠道如下：

排气排放物，主要是燃烧过程中未燃烧或燃烧不完全的碳氢燃料；

曲轴箱排放物，是从燃烧室通过活塞与气缸之间的间隙漏入曲轴箱的窜气，含有大量HC，如果排入大气也构成HC排放物；

蒸发排放物，是从燃油箱、化油器、燃油管接头等处蒸发的燃油蒸气，如果进入大气，同样构成HC排放物。

（3）氮氧化物（NOx）。是由空气中的氧气和氮气反应生成的，包括NO、NO2等，其中又以NO为主。但是空气中的氧气和氮气在大气状态下，并不会发生化学反应，只是因为燃烧形成的1 200～2 400℃的高温环境为氧气和氮气反应生成NO、NO2创造了条件，才造成了氮氧化物（NOx）排放。

2.2 组成分布

发动机排放物主要有排气排放物、燃烧室漏入曲轴箱的气体和润滑油蒸发物、供油系统蒸发的燃料蒸气等。各排放物的组成分布如下：

（1）排气排放物。是排气管排出废气，其中CO含量最高，占整机CO总排放量的98%～99%；其次是HC，占整机HC总排放量的60%；最后是NOx，占整机NOx总排放量98%～99%以及柴油机排放的PM等。

（2）曲轴箱排放物。是燃烧室通过活塞、活塞环间隙窜入曲轴箱的气体和润滑油蒸发物。其主要成分是HC占总量20%，其次是CO占总量1%～2%和NOx占总量1%～2%。

（3）蒸发排放物。是供油系统蒸发的燃料蒸汽，全部是HC，约占总量20%。

3 排放物的控制技术

3.1 机前净化技术

利用各种技术手段和措施，对进入发动机气缸之前的空气和燃料进行预处理，以达到降低排放物的目的。

（1）采用无铅汽油。使用无铅汽油能有效控制汽车废气中的有害物质，减少HC、CO、NOx等污染；同时采用无铅汽油还可以减少铅污染，以及避免催化剂的铅中毒。

（2）清洁代用燃料及燃油添加剂。燃用甲醇燃料可以提高发动机的动力性能、经济性能，有害排放物低，是一种清洁代用燃料。乙醇是含氧燃料，发动机燃用乙醇可以实现无烟排放，并能大幅度降低CO排放，HC、NOx也可以有不同程度的降低。

压缩天然气和液化石油气的最大优点，是燃料费用与污染物排放低。与汽油相比，使用压缩天然气的汽车的HC排放下降70%左右，NOx排放下降40%～50%，CO排放下降20%以上。

（3）采用增压中冷技术。增压中冷技术主要用于柴油机，采用增压中冷是将经压缩后的空气冷却，使发动机的进气温度降低，进气密度增加；使发动机气缸内残余废气系数降低，同时减少了对进气加热的作用，使充量系数提高，提高发动机功率，同时降低了燃烧室的温度。因此，增压中冷技术能提高发动机的动力性和经济性，并能降低排放。

（4）废气再循环（EGR）。废气再循环的工作原理，是燃烧废气回到进气管，与混合气体一起进入燃烧室，以降低发动机燃烧温度，从而减少氧化氮的生成量。废气再循环系统使废气的再循环量，在每一个工作点都达到最佳状况，从而使燃烧过程始终处于最理想的情况，最终保证排放物中的污染成份最低。

采用废气再循环，能有效地降低点燃式内燃机的NOx排放。废气再循环使发动机工作混合气的总热容大大增加，最高燃烧温度降低。一般10%的EGR率就可使NOx排放下降50%～70%，效果极其明显。应用EGR控制点燃机NOx排放的技术关键，是适当控制EGR率，使之在各种不同工况下得到性能的最佳折中，实现综合优化。

3.2 机内净化技术

内燃机缸内净化技术，对混合气的形成和燃烧过程有决定性的影响，因而也影响着发动机的动力性、经济性、燃烧噪声和有害废气的排放。其以改进发动机气缸内的燃烧过程为核心，因此机内净化是控制发动机排放的根本。

（1）电子控制燃油喷射系统。电子控制汽油喷射系统(EFI)利用各种传感器检测发动机的各种工作状态，经ECU的判断和计算，使发动机在不同工况下均能获得合适空燃比的混合气。因此混合气浓度时刻与发动机工况相适应，燃油混合气燃烧完全，所以发动机排放的污染物浓度就低。

（2）改善点火系统。点火系统的性能，如点火正时脉谱和点火能量特性，对电喷汽油机的燃烧有重要作用，从而影响发动机的性能和排放。为使发动机高效节能、动力强劲、排放最低，要求点火可靠，正时优化。

点火系统的可靠性，对减少HC排放是至关重要的，而采用电控点火系统，不仅能提高点火能量和工作可靠性，还能对点火正时进行最佳调节，以改善燃烧过程，降低有害排放物。

（3）采用可变进气系统（VIS）。是为了使充量系数达到最佳，充分利用进气谐振作用，使发动机的高速与低速性能都达到最优。常见的可变进气系统，是通过改变进气管长度的方式来实现的。在低速时控制阀关闭，气体从主气道流入发动机中；而高速时控制阀打开，气体从主、副两个气道同时流入气缸中。控制阀关闭时，相当于进气管流通截面积减少，相应提高了低速充量系数，并可增加进气涡流，改善燃烧过程，从而降低污染物的排放。

（4）采用可变气门正时系统（VVT）。可以改进充气效率，获得更高的扭矩和功率，提高燃油经济性；在降低NOx排放的前提下，同时具有降低HC排放和有助于冷启动功能。而采用不同的VVT设计方案，所获得的动力性、经济性及排放效果也有所不同。

1）进气相位调节IPS——获得排放改善的同时，提高发动机的动力性；可以减少10%的HC和50%的NOx排放。五菱柳机L15发动机采用的就是IPS技术。

2）排气相位调节EPS——通过改变重叠角的大小，可以影响残余废气的比例，降低燃烧温度，减少NOx。由于吸入了行程结束时HC含量最低的废气进行再氧化，所以减少了HC的排放。因此，可以降低70%的NOx和15%的HC排放，同时可以改进燃油消耗率。

3）进排气相位同时进行调节DEPS——在提高燃油经济性的同时，可以降低50%的NOx。

4）进排气相位独立调节DIPS——能提高发动机动力性、燃油经济性、舒适性，同时可以降低70%的NOx和15%的HC排放。

（5）采用四气门技术。与传统的两气门发动机比较，采用四气门技术不仅能增加发动机进排气流动面积，减少流动阻力的损失，而且还能组织进气涡流、滚流或挤流，能吸进更多的空气来混合燃油燃烧作功，节省燃油，更快地排出废气，排放污染少，能提高发动机的功率和降低噪音的优点。

（6）降低燃烧室的面容比A/V。A/V表示燃烧室的紧凑性，它与燃烧室形状以及汽油机的主要结构参数有关。侧置气门燃烧室的A/V大，顶置气门燃烧室的A/V要小得多。一般来说，A/V大，火焰传播距离长，容易爆燃，HC排放增高。因此，降低燃烧室的面容比A/V能较好降低HC排放。

（7）适当降低压缩比。从提高功率和经济性考虑，提高压缩比是比较有利的，但过高的压缩比，将使压力升高率增加，发动机的噪声与振动增大。此外，提高压缩比对大气污染也是不利的。因为压缩比增加，燃烧室的狭隙、润滑油膜和沉积物处生成未燃HC增加；压缩比增加，燃烧室表面与体积之比即面容比增加，相对增加激冷面积，增加了HC排放量。压缩比高，膨胀比也大，膨胀后期燃气温度下降，HC氧化速率下降，使更多的燃料以未燃HC的形式排出；压缩比高，排气温度低，使壁面温度降低，使粘附在壁面上的液态燃料难于汽化，增加HC排放；压缩比高，使得最高燃烧温度增加，NOx增加。

（8）采用充量分层、缸内直喷及稀薄燃烧系统。进气道喷射的分层燃烧方式，分为进气道喷射的分层燃烧方式和缸内直喷分层燃烧方式。

1）进气道喷射的分层燃烧方式，又可分为轴向分层燃烧系统和横向分层燃烧系统。横向分层稀燃系统是利用滚流来实现的。在一个进气道喷射的汽油生成浓混合气，在滚流的引导下经过设置在气缸中央的火花塞，在其两侧为纯空气，活塞顶做成有助于生成滚流的曲面。此燃烧系统经济性比常规汽油机提高6%～8%，NOx含量下降80%。

2）缸内直喷（GDI）分层混合气燃烧，主要依靠由火花塞处向外扩展的由浓到稀的混合气，即借助于燃烧室形状的壁面引导方式，依靠气流运动的气流引导方式和依靠燃油喷雾的喷雾控制方式。缸内直喷发动机部分负荷时在压缩行程后期喷油，形成分层混合气，空燃比A/F为25～40或更大；高负荷时在进气行程早期喷油，形成均质混合气，A/F为20～25或理论空燃比，或最大功率空燃比。因此，GDI发动机具有能提高燃油经济性，部分负荷经济性改善可达30%～50%，一般为20%，并相应降低CO2排放。发动机在冷起运时HC排放也得到很大的改善。

3）点燃式内燃机的过量空气系数，既影响燃烧温度，又影响燃烧产物中氧的含量，所以对NOx的排放影响很大。过量空气系数增大，燃烧温度下降明显，导致NOx生成量减少。因此，稀薄燃烧是降低点燃机NOx排放的重要手段。

3.3 排放后处理技术

随着对内燃机低排放的要求不断严格，能兼顾动力性、经济性、排放性的内燃机越来越复杂，成本急剧上升。因此，世界各国都先后开发排气后处理技术，在不影响或少影响内燃机其他性能的同时，降低最终向大气环境的排放。

现在最成功的排气后处理技术装置，是汽油机的三元催化转换器，它是集氧化、还原功能于一体的催化转化器，采用了贵金属型(Pd、Pt，Rh)三元催化转化器。发动机排出的有害气体(CO、HC、NOx)通过三元催化转化器时发生氧化、还原反应，生成无害成份 (H2O、N2、CO2)，可使排放的 CO、HC、NOx 同时降低90%以上。

3.4 蒸发排放物控制技术

利用曲轴箱强制通风系统和活性炭罐电磁阀，分别对发动机曲轴箱的排放物和供油系统产生的蒸发有害排放物进行净化。

（1）曲轴箱强制通风系统（PCV）。发动机运转时，燃烧室中的可燃混合气和已燃气体，在压缩、燃烧、膨胀过程中，或多或少的会通过活塞组和气缸之间的间隙，漏入曲轴箱空间内。点燃式内燃机漏入曲轴箱的窜气中含有大量未燃HC及不完全燃烧产物和少量CO、NOx等有害物质。PCV阀的开闭及开启的程度，是由进气歧管真空度控制的，真空度，大流量小；真空度小，流量大；发动机不运转时关闭。利用发动机进气系统的抽吸作用，通过PCV阀将曲轴箱内废气吸至进气歧管，再吸进发动机的气缸，参加燃烧，从而降低污染物的排放。

（2）蒸发排放控制系统。由活性炭罐、吸附控制阀，脱附控制阀和连接管路组成。系统在汽车停放时，把燃油蒸气吸附到碳罐暂时储存起来；在汽车行驶过程时，由发动机ECU控制电磁阀，把储存在活性碳罐里的燃油蒸气流进到进气歧管内，在燃烧室燃烧，从而避免HC排到大气中去，造成环境污染。

4 结束语

在发动机排放污染物众多的净化措施中，降低HC、CO、PM排放与降低NOx所采用的措施，往往相互矛盾；而某些净化措施，也有常与发动机的动力、经济指标发生矛盾。因此，对发动机排放物进行控制的技术关键，是尽量使发动机在各种不同工况下得到性能的最佳折中，实现综合优化。同时要定期对发动机进行维护保养，养成良好的行车习惯，使汽车发动机始终保持在理想的工作状态，积极预防和减少排放物的产生，提高发动机的动力性，降低燃油消耗，减少尾气排放。

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