二次空气补气降低CQ188F汽油机排放的试验研究

张明辉

作者信息：常柴股份有限公司，213002，江苏常州

通用小型汽油机是一种灵活而操作简便的可移动小型通用内燃机动力源，广泛应用于工农业生产、工程建设、园林、家庭等领域。 2012 年，我国通用小型汽油机产销量约2 300 万台，与2011 年持平。 我国小汽油机行业自2003 年起，出口所占总产销量的比例一直在80%以上[1]。 通用小型汽油机庞大的保有量和生产量使其污染物排放日益严重， 促使各国政府相继对其制定了日益严苛的排放污染物控制法规。 目前国内四冲程通用小型汽油机采用机内净化技术能够满足欧盟第II 阶段、中国第II 阶段和美国EPA 第II 阶段排放法规限值要求，但是考虑劣化或批量生产还不能够完全满足美国EPA 第III 阶段或更加严格的排放限值要求； 因此需要在通用小型汽油机采取机内净化技术基础上再采用机外净化措施，进一步降低排气中CO 和HC 的含量，从而达到美国EPA 第Ⅲ阶段或更加严格的排放限值的要求。采用机后二次空气补气技术具有结构简单、 安装方便、安全性好、成本增加不多的特点，适合CQ188F汽油机的实际应用， 对降低通用小型汽油机的排放具有广泛的实用价值。

1 二次空气补气在通用小型汽油机上的应用

汽油机的二次空气是指在混合气形成之后进入到气缸或直接补入到排气系统的空气， 这一技术相应称为二次空气补气技术。 二次空气补气技术的工作原理就是将一定量的新鲜空气引入到汽油机的排气管中， 提高排气中的氧浓度， 使废气中的CO 和HC 进一步与氧发生氧化反应，进行“二次燃烧”，生成无害的CO2和H2O，从而降低排气中有害废气CO和HC 的含量。 二次空气补气技术可以分为机前补气与机后补气两种： 机前补气是指对空气或燃油在进入到气缸前进行预处理， 这种补气方式的实质是改善汽油机燃烧状况； 机后补气是指将新鲜空气引进到排气系统中对废气进行处理， 以减少有害废气排放量。

CQ188F 汽油机是采用化油器的传统通用小型汽油机，根据它的结构特点，适合采用结构简单、安全性较高、成本增加不多、对汽油机性能影响较小的机后被动式二次空气补气系统。 由于CQ188F 汽油机工作时工况变化较为平滑， 因此它的二次空气补气系统中只需要补气阀而不需要另外带控制阀装置，补气阀结构参见图1。 它的工作原理是这样的：当CQ188F 汽油机工作时， 每一次排气门的循环关闭就会在排气管道中出现脉冲式的相对低压， 这样汽油机的每一个工作循环一般都会在排气管道内不同程度地出现负的压力波， 此时大气压力高于排气管道中的气体压力，利用排气压力波出现负压段，补气阀的簧片自动打开（图1），新鲜的空气就会通过补气阀进入到CQ188F 汽油机排气管内进行补气，靠燃烧后的排气高温， 使HC 和CO 与二次空气中的O2在排气管中进行氧化反应， 生成CO2和H2O，以达到降低尾气中有害排放物含量的目的； 当排气管中的压力大于外界压力时， 补气阀使用的弹性簧片不允许热废气倒流。

图1 补气阀结构示意图

2 试验研究与结果分析

2.1 CQ188F 汽油机基本技术参数

CQ188F 汽油机样机的基本技术规格和参数如下：

结构型式：单缸、四冲程、顶置气门、强制风冷、气缸斜置25°；

气缸直径：88 mm；

活塞行程：64 mm；

压缩比：8.1∶1；

总排量：389 cm3；

额定功率/转速：7.35 kW/3 600 r/min；

最大扭矩/转速：22 N·m/2 500 r/min；

怠速转速：1 440 r/min；

润滑形式：飞溅润滑；

点火方式：TCI 晶体管点火；

启动方式：手拉启动或电启动。

本文所采用的样机CQ188F 汽油机已经进行了进排气系统优化和供油系统优化匹配两项机内净化措施， 实测经过机内净化过的CQ188F 汽油机样机排放性能能够满足中国第Ⅱ阶段、美国EPA 第II 阶段和欧盟第II 阶段的通用小型汽油机排放法规，但是考虑劣化系数的要求还不能满足美国EPA 第III阶段排放限值的要求。

2.2 试验台布置介绍

CQ188F 汽油机进行整机性能和排放试验的试验台布置见图2。

2.3 试验主要设备介绍

图2 CQ188F 汽油机整机性能和排放试验的试验台布置示意图

CQ188F 汽油机整机性能和排放试验所用主要设备见表1。

表1 CQ188F 汽油机台架测试所用的仪器仪表

①日本HORIBA 公司；②浙江遂昌恒力测试设

备有限公司；③上海内燃机研究所

2.4 CQ188F 汽油机美国EPA 第III 阶段排放限值及测试循环

本文研究对象CQ188F 汽油机气缸排量为389 cm3，其美国EPA 第III 阶段的排放限值和测试循环方法如下。

（1）美国EPA 第III 阶段排放限值见表2。

表2 CQ188F 汽油机美国EPA 第III 阶段排放限值

（2）测试循环：对非道路用通用小型汽油机排放测量的试验方法，美国EPA、欧盟和中国都有自己的规定。 在发动机台架上按稳态工况组合的测试循环进行测量， 在汽油机规定的不同稳态工况下测试尾气排放浓度值， 再按规定的计算方法对各工况排放进行加权计算得到汽油机整机排放值。 对于CQ188F 汽油机，美国EPA 采用B 测试循环，欧盟采用G2 测试循环，中国采用G2 测试循环。 虽然采用的测试循环分类代号不全相同， 但是测试循环内容是一致的，见表3。从表3 可以看出，CQ188F 汽油机整机排放值在中小负荷时权重是比较大的， 因此要重点控制和降低该机型中小负荷时的有害污染物排放。

表3 CQ188F 汽油机测试循环

2.5 CQ188F 汽油机二次空气补气排放试验及分析

通过汽油机二次空气补气的多方案试验， 确定CQ188F 汽油机机后二次空气补气阀的优化方案，根据试验规范对CQ188F 汽油机二次空气补气前后的排放进行测试对比试验。 图3 为CQ188F 汽油机进行二次空气补气前后排气中CO、HC、NOx等有害排放物体积分数φ 变化对比图。

图3 CQ188F 汽油机补气前后CO、HC、NOx排放物体积分数变化

从图3 中可以分析出：

（1） 补气后在中小负荷阶段时CO 排放下降非常明显。 这主要是由于在小负荷时， 气缸进气量较少，排气压力波动较大，使得二次补气进气量增大，从而使得CO 被部分二次氧化为CO2。

（2） 补气后在整个运行工况下HC 降低得也较为明显， 其中在额定转速下10%负荷时HC 的体积分数从1 957.5×10-6下降到632.5×10-6， 降幅达到67.69%。 这是由于补气后较多的新鲜空气进入到排气管中，使废气中的氧气含量增多，这一方面在一定程度上稀释了废气中HC 的浓度； 另一方面在废气高温作用下，HC 与补进的空气进一步发生氧化反应，从而大量地降低了HC 的排放。由于补气量是随着负荷的减小而增加的， 因此在中小负荷时HC 下降得最多。

表4 是二次空气补气前后CQ188F 汽油机的整机排放值，经过机后二次空气补气后，CQ188F 汽油机废气中氧含量增多，同时利用排气废气的高温，使未燃尽的CO 和HC 与氧气进一步发生氧化反应，整机有害污染物排放量明显降低。

表4 CQ188F 汽油机补气优化前后排放值的变化g/（kW·h）

从表4 数值可以看出：

（1）HC 排放值下降明显， 从排气无补气时的4.63 g/（kW·h）下降到3.52 g/（kW·h），降幅达到24.0%。

（2）CO 排放值从383.6 g/（kW·h） 下降到325.3 g/（kW·h），下降了15.2%。 CO 下降幅度比HC 下降幅度小是由于HC 燃烧后的产物中会有部分转化成CO，使得CO 的降幅不如HC。

（3）NOx从2.60 g/（kW·h） 下降到2.23 g/（kW·h），下降了14.2%。 国内外有关研究资料表明，排气中本身存在的CO、HC 可作为还原剂， 借助排气的高温将NOx还原成N2[2]，所以NOx的排放也会有一定降低。

（4）HC+NOx总体排放从7.23 g/（kW·h）下降到5.75g/（kW·h），下降了20.5%，此值劣化后完全能够达到美国EPA 第III 阶段通用小型汽油机的排放标准（8 g/（kW·h））。

3 结论

本文对应用机后二次空气补气技术来降低通用小型汽油机排放进行了初步试验研究，得出以下结论：

（1） 二次空气补气技术不仅可以降低通用小型汽油机废气中的CO 和HC 排放， 而且NOx的排放也有一定的降低。

（2） 被动式二次空气补气在中小负荷时对降低通用小型汽油机的CO 和HC 排放效果明显， 而根据测试循环方法通用小型汽油机整机排放值在中小负荷时权重较大， 因此通用小型汽油机在采用机内净化的基础上适合再采用机后被动式二次空气补气技术， 可以使样机排放值劣化后完全能够达到美国EPA 第III 阶段通用小型汽油机的排放标准。

[1] 中国内燃机工业协会，《中国内燃机工业年鉴》编委会.中国内燃机工业年鉴[M] .上海：上海交通大学出版社，2013：89～92

[2]周松，肖友洪，朱元清,等.内燃机排放与污染控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010：117