影响通用小型汽油机排放因素分析

刘建辉武世福李海桥苏铁熊（-国家摩托车质量监督检验中心　陕西　西安　7003 -中北大学）



影响通用小型汽油机排放因素分析

刘建辉1武世福2李海桥2苏铁熊2
（1-国家摩托车质量监督检验中心陕西西安710032 2-中北大学）

摘要：节能减排已成为当今社会发展的一大主题，通用小型汽油机作为一种常见的动力装置，其排放已逐渐成为大气的主要污染源之一。针对通用小型汽油机的排放现状，分析了过量空气系数、点火系统、转速、负荷、调速器的稳定性、废气再循环技术、催化转化技术和燃料等对排放的影响，相应地提出了降低尾气排放的技术路线，有助于通用小型汽油机节能减排路线的优化。

关键词：通用小型汽油机排放过量空气系数点火系统

引言

通用小型汽油机作为一种常见的动力装置，在国内的发展史可追溯到1948年首台样机的试制成功[1]。经过几十年的发展，2012年国内通用小型汽油机年产量已达到2300多万台，占同期全球同类发动机总产量的38%，但尾气中的有害物质占其排放污染物总量的65%～80%，已成为大气的主要污染源之一[2]。

当前全球面临环境污染和资源短缺两大问题的困扰，节能减排已成为社会发展的一大主题。为了控制排放，欧美国家不断推行更加严格的排放标准[3]。美国EPA于1997年最先制定了通用小型汽油机的排放法规，并于2008年首次提出燃油蒸发试验的要求，而国内直到2013年才开始逐步实施排放第2阶段标准。中国作为通用小型汽油机主要生产地[4]，有更多的义务和责任来不断提升排放控制技术，降低尾气污染。本文以此为背景，对通用小型汽油机排放尾气中主要有污染物NOx、CO、HC的生成因素进行全面分析，提出了技术路线，为降低通用小型汽油机排放提供了依据。

1影响通用小型汽油机排放的因素

通用小型汽油机生成的NOx、CO、HC与过量空气系数（φat）、燃烧条件、设计参数、运行参数、燃料品质等因素有关，其中主要受过量空气系数和点火系统的影响，尤其以过量空气系数为最[5-7]。

1.1过量空气系数影响因素分析

φat对排气污染物的生成有着重要的影响，188F型通用小型汽油机的试验结果[8]如图1所示：随着φat的增大，CO浓度逐渐减小；NOx浓度呈现两头低、中间高，且在φat取值为1.05附近最高；HC浓度呈现两头高、中间低，且在时受过量空气系数的影响较大。

图1　排气中NOx、CO、HC的浓度与空燃比的关系

NOx的生成与温度和氧浓度有关。当在1.05附近时，燃烧充分，燃烧温度较高，混合气中氧含量充分，满足NOx生成条件，因此出现NOx浓度峰值。混合气加浓（φat＜1.0），燃烧温度降低、混合气中氧含量少，NOx的生成量减少。混合气变稀（φat≥1.1），火焰传播速度减缓，燃烧温度降低，NOx的浓度降低。

CO的浓度受制于化学反应速率、反应过程的热力状态和氧浓度等因素。随着φat的增大，O2浓度增大，燃烧更加充分，CO的浓度降低。当φat大于1.0时，混合气中空燃比分布不均，高温分解和反应冻结发生，CO仍旧保持一定浓度。当φat大于1.1时，混合气变稀，燃烧温度降低，高温分解减缓，CO的浓度缓慢下降。

HC的生成与缸壁淬冷效应、燃烧室缝隙效应、壁面油膜吸附效应、积碳吸附效应等有关。混合气较浓（φat＜1.0），O2浓度不足，不能完全燃烧，HC浓度升高；混合气过稀（φat＞1.1），容易造成火焰不能完全传播以至断火，HC浓度迅速增加。

目前国内通用小型汽油机主要以化油器供油，但其燃油雾化不好，进气量无法反馈，难以精确地满足工况需求，造成排放偏高。逐步取而代之的是电子控制燃油喷射系统，该技术利用氧传感器对空燃比进行精确的闭环调节，以实现分层充气，快速燃烧，排气污染物明显改善。

近期，汽油机领域的新技术是缸内直喷技术（GDI）将替代进气道喷射（PFI）。GDI是将汽油直接喷入气缸内，可实现稀薄混合气的分层燃烧，压缩比和热效率都有所提高，每个循环中燃烧更加充分，在理论上解决了加速、冷启动等工况下过量空气系数不当的问题，尾气中的污染物大幅度降低。该技术已在车用汽油机上得到了使用，有望在中小型汽油机上被采用。王小龙[9]对168F型通用小型汽油机进行改造，以原化油器进气道作为可燃混合气的主进气系统，同时增设缸侧辅助进气系统，补充可控的增压空气，加快缸内气流的复合运动，将空载下的过量空气系数提高到2.7，实现稀薄燃烧，CO可降低90%，HC可降低20%。

1.2点火系统因素分析

点火系统的技术参数对点火正时和点火能量有影响，会改变混合气燃烧条件，影响排气污染物的生成[10]。

点火正时影响燃烧室的温度和压力，决定了燃烧始点和缸内燃烧的最高温度，对HC和NOx的排放有显著影响，如图2所示。随着点火提前角的减小，HC和NOx的排放量减少。由于减小点火提前角，点火推迟，缸内气体压力和混合气燃烧时的燃烧室面积减少，已燃混合气温度升高，HC的氧化加快，积蓄在缸套壁面润滑油膜中的未然HC量也随当时缸内的低压而有所降低。同时火焰延迟期缩短，急燃期加快，后燃期缩短，焰后燃烧产物区的反应时间缩短，NOx的排放量明显减少。但是点火推迟过大，发动机排气温度升高，有损其燃油经济性和动力性[11]。

图2　不同点火提前角下的HC、CO、NOx排放

点火能量是火焰核形成的重要因素，可以扩大燃油混合比的可燃界限，缩短着火延迟期，加快急燃期，提高燃烧的最高温度，促进燃烧，减少HC的排放量。中小负荷时，一方面缸内气体运动微弱，火焰核的形成受残余废气影响，着火延迟期增长，燃烧不稳定；另一方面残余废气的稀释作用使得混合气中局部氧浓度存在很大差异，点火能量将难以有效控制CO的排放[12]。高能点火使燃烧室温度升高，加之氧含量丰富，有助于NOx的生成。但是稳定运转后，NOx排放不再受高能点火的影响。

为了提高点火系统的性能，德国宝马公司开发了双火花塞点火系统，该技术已成功运用于中小排量发动机。两个同型号的火花塞同步或异步点火，提高点火能量，火焰传播距离缩短，燃烧速度加快，提高了循环的等容度和循环热效率，同时着火概率提高，循环波动减小[13]，指示热效率提高，尾气排放得到改善。

1.3转速和负荷因素的分析

通用小型汽油机通常在不高于标定转速的范围内运转，转速对HC和NOx的影响远大于对CO的影响。随着转速的升高，一方面燃烧室内混合气的扰流混合和涡流扩散加强，燃烧速度加快，促进了激冷层对燃料的后氧化，燃烧更充分，HC排放明显下降；另一方面燃烧速度加快，传热相对减少，热效率提高，急剧升高的燃烧温度会使NOx的排放量升高。怠速工况下，节气门几乎关闭，燃烧过程恶化，循环波动大，加之整机热负荷小，缸内零部件温度低，有利于HC的生成，但对CO和NOx的排放没有影响。

排气污染物的生成与负荷有着复杂的关系。因为混合气成分是否满足工况需求，受制于负荷和供油系统的共同作用。大量的试验研究[14]表明：在混合气成分基本不变的工况下，随着负荷的减小，缸内混合物中NOx排放量在减小，而HC排放量在增加，CO却基本不变；当负荷小于50%时，混合气浓度的变化将不会影响NOx排放。

1.4结构参数因素分析

结构参数中，燃烧室的面容比、冲程缸径比、压缩比等对排放有影响。面容比对HC的排放有较大的影响，是设计者为减少污染物排放而考虑的重要因素之一。随着面容比的增大，进入活塞环隙的混合气增多，燃烧室缝隙效应明显；同时膨胀比也随之增加，膨胀后期的排气温度下降，HC排放量上升。压缩比的增大会使燃烧温度上升，更多的NOx排出。相反，冲程缸径比的减小，有助于气缸面容比减小，促使气缸的相对散热面积减小，有利于降低HC的产生。

目前国内不同排量的通用小型汽油机燃烧室的形状较为相近，其共同点是：随着缸径的增大，相应的排量增大，面容比随之减小，HC排放量降低；但同

时整机的热负荷上升[15]，NOx的浓度随即增加。

1.5调速器的稳定性因素分析

调速器可限制通用小型汽油机的最高转速以及调节稳定转速，其工作的稳定性对HC排放有显著影响。当稳定性差时，则节气门抖动加剧，不同循环下混合气成分的差异性增大，循环波动增大，燃烧不稳定，HC排放增加，但对CO和NOx排放影响甚微。近几年，用于发电机的通用小型汽油机逐步使用电子调速器[16]。它采用PDI自适应控制，用单片机和步进电机取代了离心机械式调速器所用的甩块弹簧式速敏机构，在瞬时调速率、转速波动率等方面动态精度高，运转稳定，尾气排放理想。

1.6废气再循环因素的分析

废气再循环是将排气管中部分尾气引入进气管，与新鲜空气混合，使得混合气的热容量提高，氧浓度降低，发动机的燃烧速度降低，燃烧散热加快，缸内温度降低，从而有效降低NOx的排放量。天津大学内燃机研究所的试验结果[17-18]如图3、图4所示，经分析可知：

1）废气再循环可降低HC + NOx的排放量；

图3　不同负荷下EGR对NOx排放的影响

图4　不同负荷下EGR对HC排放的影响

2）100%负荷时，废气的进入降低缸内燃烧温度，减少氧浓度，对NOx排放的控制富有成效；75%负荷时，废气再循环对HC排放控制显著。

1.7催化转化技术的分析

催化转化器能有效地降低排气污染物的排放，Ronald G.silver[19]的研究成果如图5所示：Rh对NOx的催化转化率最高，其次是HC，但对CO没有作用。在蜂窝状载体上调整Pt、Rh的含量，辅助以稀土金属，可有效地降低通用小型汽油机排气中HC＋NOx

的排放量[20-21]。

图5　 Rh与Pd催化转化HC、NOx效率比较

传统的化油器+催化转化器可以降低排放，但是油气混合程度难以及时、准确地满足工况需求，排放结果偏高。相反，在闭环控制的电子控制燃油喷射系统作用下，空燃比处在化学当量比的范围内，经过Pt—Rh三效型的催化剂[22]的转化，尾气中NOx、CO、HC的含量都可降低80%以上。

1.8燃料因素分析

醇类燃料具有辛烷值高、含氧量高、可燃界限宽、汽化潜热大等特点，逐渐成为汽油的替代品之一，并在汽油机上得到广泛应用。用M15甲醇汽油、90#汽油在168F通用小型汽油机上进行试验[23]，其排放结果如图6所示。随着甲醇的加入，CO排放大幅度降低，HC排放先增大后降低，NOx排放一直偏高。甲醇含有羟基，着火界限宽，在燃烧时有自供氧效应，同时高汽化潜热降低了进气温度，提高了充气效率，有助燃烧，CO、HC排放降低。而高含氧量对NOx生成的促进作用大于低热值的抑制作用，因此NOx的排放大幅度上升。甲醇汽油虽有助于排气污染物的降低，但会造成醛类污染。

天然气不含硫、苯、烯等有害物质，在排放方面具有明显的优越性。以天然气作为燃料，发动机排放的CO、HC和NOx显著降低[24-25]，该燃料已在汽车上得到了大力推广。本田公司用液化天燃气作为通用小型汽油机燃料，排放结果远低于标准限值。液化石油气热值高，抗爆性好，尾气排放量比装有催化转化器的汽油机还低，已在摩托车发动机上得到了使用，而在通用小型汽油机上的使用尚处在研制阶段。

图6　不同燃料的CO、HC及NOx排放曲线

2结论与展望

本文通过对影响通用小型汽油机排放的因素进行分析，并对汽油机目前的一些新技术进行了阐述，通过分析可以得出：

1）过量空气系数和点火系统是影响通用小型汽油机排放的关键因素。电子控制燃油喷射系统和缸内直喷等先进技术的应用，将改变通用小型汽油机只在狭窄的值范围内低排放的状态。双火花塞可降低点火系统对排放的影响。废气再循环技术、高效催化转化器的使用也为解决通用小型汽油机的排放问题提供了途径。

2）在设计阶段，通用小型汽油机的结构参数和运行参数应被设计者充分考虑，并不断优化，提高动力性，降低排放。

3）醇类混合燃料、液化天然气、液化石油气等替代燃料的使用，不仅将有效减缓能源危机，同时也有助于尾气排放的降低。

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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）

文章编号：2095-8234（2015）03-0079-05

文献标识码：A

中图分类号：TK411+.51

作者简介：刘建辉（1988-），男，助理工程师，主要从事中小型汽油机测试。