汽油机节能与环保最新技术及国内对策研究

韩同群

（湖北汽车工业学院，湖北十堰442002）



汽油机节能与环保最新技术及国内对策研究

韩同群

（湖北汽车工业学院，湖北十堰442002）

摘要：简要介绍了汽油机的技术进步、在乘用车领域的应用及其排放法规的国内外施行现状，分析了欧Ⅴ（国Ⅴ）、欧Ⅵ排放标准和油耗限值对车用汽油机的要求。对汽油品质和汽油机现有技术进行了综合分析，对比国内外相关技术研发与集成，政策法规制定等领域的情况，分析判断国内车用汽油机的发展趋势和努力方向，对节约传统石化能源、缓解汽车交通污染、保护环境实现可持续发展提出相应的见解和对策。

关键词：汽油机；汽油品质；排放法规；低排放技术

0　前言

近十几年来，国内汽车工业呈现井喷式发展势头，产销量均世界领先。我国的汽车保有量中，80%是汽油车，而乘用车汽油机的比例更是超过99%。表1列出了世界和国内近3年的汽车产量（乘用车单独列出）［1-2］。

在汽油机的节能、环保技术方面，先进国家做了大量工作，并取得了一系列突破性进展。美国制定了世界最严格的汽车排放法规，即加州部分零排放汽车（PZEV）法规，世界各大汽车公司和研究机构在汽油机相关领域做了大量的研究，专家们富有成效的工作，诞生了大量的节能减排技术，使汽油机的有害排放接近于零。传统汽油机在节能减排方面尚存巨大潜力。

表1　世界和国内近3年汽车产量　辆

我国自2000年正式实施排放法规以来，已经实现了从国Ⅰ到国Ⅳ乃至国Ⅴ的大发展。尽管如此，与欧、美、日等发达国家和地区相比，国内汽油机的节能减排，无论是从技术研发，还是在政策法规方面仍存在差距。

从分析世界最先进的汽油机节能减排技术出发，对比国内外相关技术研发，政策法规制定等领域的情况，分析判断国内车用汽油机的发展趋势和努力方向，试图对节约传统石化能源、缓解汽车交通污染、保护环境实现可持续发展提出相应的见解和对策。

1　国内外汽油机排放法规1.1国外情况

1）美国美国有加州及联邦2个标准。美国加州标准最严，1994年美国加州颁布了清洁燃料和低排放汽车计划CF/LEV，规定从1995年起实施严格的低污染汽车标准（LEV），分4个阶段进行：即过渡低排放车（TLEV）、低排放车（LEV）、超低排放车（ULEV）和零污染车和（ZEV，污染物排放为零）。表2是加州轻型车目前执行的是ULEV标准排放限值。其中碳氢化和物（HC）不仅限制总碳氢（THC），还要限制非甲烷碳氢化物（NMHC），且保证里程80 000 km。

2）欧洲乘用车的欧洲排放标准如表3所示（节选汽油机EuroⅤ、EuroⅥ部分）。

1.2我国情况

2015年我国在全国范围内执行国Ⅳ标准，北京、上海、广东于2014年4月30日起汽油车实施国Ⅴ标准，柴油车仍执行国Ⅳ标准，因此我国目前汽油机的国Ⅳ/国Ⅴ标准并行。表4为国Ⅴ标准排放限值，相当于欧盟的欧Ⅴ标准，为了完整起见，对轻型汽、柴油车全部列出。轻型汽车指基准质量不超过2 610 kg的M1类、M2类、N1类和N2类汽车，如表4～5所示，表中PI为点燃式，CI为压燃式。下一步将执行国Ⅵ标准，轻型汽、柴油车将减排多项污染物，削减PM2.5的排放。国Ⅵ相比国Ⅴ，点燃式发动机（汽油机）限值指标均相同，主要区别是降低（加严）了压燃式发动机（柴油机）的NOX和HC+ NOX限值，因只涉及柴油机，故不列出国Ⅵ。

国Ⅴ标准提高了对汽油要求，汽油硫含量从50×10-6降到10×10-6，油品质量要求也进一步提高。将车用汽油牌号由90号、93号、97号修改为89号、92号、95号。对在线诊断系统（OBD）提出要求与限值，OBD监测各排放指标，而且一旦OBD报警，车辆正常运行要限制里程，超过限制里程，车辆功率受到限制。另外，应监测THC和NOX来判断催化转化器的效率下降（劣化）程度。新增对点燃式汽车新增的监测要求，直喷点燃式汽油机，应监测PM。国Ⅴ的OBD极限值见表5。

表2　美国加州轻型汽车排放限值　g·km-1

表3　欧洲乘用车汽油车排放标准M1　g·km-1

表4　国Ⅴ标准排放限值

点燃式PM质量限值仅适用于装直喷汽油机的车辆。与国Ⅳ（未列出）相比，汽油车国Ⅴ/Ⅵ的CO、THC没有变化，NOX排放限值（60 mg）下降了25%，新增非甲烷碳氢（对人体更为有害）NMHC限值（68 mg）、直喷点燃式发动机车辆的PM排放限值（5 mg），并将引入新的测量方法。新增附件XII，确定CO2排放和燃料消耗量，试验规程按照UN/ECE R101法规进行。

表5　国Ⅴ的OBD限值

2　开发高效节能车用汽油机

传统汽油机的热效率不如柴油机，尤其是在部分负荷下。从这点来看，汽油机的经济性不如柴油机。但汽油机也不能被取代，除了运转柔和，排放更容易控制等优点外，特别是工作模式的科技进展，汽油机在节能环保方面也在不断进步，节能逐步达到柴油机水平。

2.1工作模式的变革

汽油机工作模式也称作燃烧模式，目前传统汽油机利用进气道喷射（PFI）形成均匀的混合气，用唯一火花点燃，然后火焰推进到整个燃烧室。受末端混合气会自燃进而发生爆震制约，汽油机的压缩比不能过高，从而也就限制了热效率的提高。业内早就认识到利用稀燃技术来解决这一难题，近年来利用缸内直喷形成稀薄的可燃混合气并点火燃烧，稀燃技术走向成熟。

汽油缸内直喷（GDI）可以获得稀空燃比（可高达40∶1，甚至最高可达100∶1），实现超稀薄混合气稳定燃烧。缸内直喷相对于进气道燃料喷射，改善汽油机部分负荷性能，总体改善燃油经济性，最大燃油消耗率改善可达到25%。此外，在降低排放方面，GDI不会在进气道表面形成油膜，冷起动时未燃碳氢（UBHC）少，允许用较大的废气再循环（EGR）率，降低了NOX。

2.2减少各种损失

1）减少泵气损失采用多气门以减少进气损失，提高充气效率。可变气门控制系统（VVT/ VVL）得到广泛应用，凸轮相位可变系统采用多液压驱动的连续可变系统，未来可能把液压驱动改为电机驱动，相对液压驱动响应速度更快，不受发动机转速和液压油温度的影响。正在研究的无凸轮气门驱动系统用电磁式或电液机构驱动气门，气门正时和升程都实现无级调节。部分负荷可以采用较大的节气门开度，减少泵气损失。

2）减少摩擦损失对发动机进行摩擦学系统优化设计［4］，减少活塞裙部宽度，提高活塞裙部纵向型线中凸点；降低活塞环组弹力及高度，改进油环结构；降低曲轴主轴承宽度，适当增大曲轴主轴承间隙等。在加工和装配工艺方面，在保证润滑的前提下，降低缸筒网纹表面粗糙度；减少缸盖螺栓力对缸筒变形影响；降低气门弹簧预紧力及刚度，对行配气机构动力学分析等等。

2.3停缸技术

发动机部分负荷时通过一定机构、策略切断部分气缸的供油或进排气，降低泵气损失和油耗，通常实现停缸的策略有3种：1）仅对部分气缸断油；2）断油的同时将工作缸的废气引入非工作缸，气门正常开闭；3）断油同时停止气缸的气门运动。第1种方法容易实现，但存在气门的节流损失，节油效果不明显，且热负荷不均匀；第2种方法对发动机改动大，且高温废气对进气管路和喷油器有影响，因此应用极少；第3种节油效果最好，技术最成熟，应用较多。

2.4开发小排量汽油机

开发小排量汽油机（0.6～1.5 L），利用增压、缸内直喷、可变进气系统、混合动力等技术使发动机小排量化并获得高性能。增压型小排量汽油机燃油消耗显著降低，同时仍能获得与中、大排量自然吸气汽油机相近的性能，增压的小型汽油机在成本上仅增加20%，而同时获得25%的CO2排放降低，综合工况油耗降低20%。

2.5增压

目前汽油机采用的增压方式是机械增压和废气涡轮增压。直喷稀燃模式降低了末端混合气自燃趋向，有利于解决增压汽油机解决爆燃问题。为了保证增压后在高机械负荷和热负荷条件下能可靠耐久地工作，须在发动机主要热力参数的选取、结构设计、材料、工艺等方面进行优化。目前“直喷+涡轮增压”已日趋成熟。采取的主要措施有：合理选择匹配增压器，采用中冷降低热负荷，对冷却系统也进行优化设计（如：电控离合式水泵+电控节温器，活塞独立冷却系统，机油温控系统等）另外还要解决动力输出反应滞后问题，一些机型已把2种增压方式结合起来使用，甚至采用多级增压。

3　满足汽油机低排放的技术与对策

3.1提高汽油品质

汽油品质升级对减排的贡献很大。

1）硫含量国Ⅴ标准要求汽油中的硫含量仅为国Ⅳ标准的1/5，燃烧更加充分，降低了喷油器故障，且可以减少尾气中PM2.5的排放。

2）燃油添加剂除了降低硫含量外，也将使用多年的含锰添加剂MMT进行限制。MMT即甲基环戊二烯三羰基锰。2000年左右代替四乙铅作为汽油抗爆剂，其性质稳定、与汽油兼容性好、成本低廉。但车企认为MMT的燃烧排放物会沉积在燃烧室、进气阀和火花塞的表面，缩短零部件寿命，对此油企和车企还存在争议。公共卫生专家也质疑含锰汽油对空气的污染。因此该限值在争议中获得通过。在修订国Ⅴ标准时，参考了欧盟要求，要求汽油中不得加入含锰抗爆剂，其限值为不大于2 mg·L-1。

3）芳烃组分汽油还限制芳烃组分百分比。提高芳烃组分可实现较高辛烷值，但芳烃的燃烧会产生致癌物质排放，并易在燃烧室形成沉积物，芳烃过多将增加PM、氮氧化物和有机组分排放。

因此，国Ⅴ标准限制含锰添加剂，同时对芳烃的限值为40%。这样会导致辛烷值在当前生产技术条件下出现一定程度的下降，国Ⅴ标准汽油牌号由90号、93号、97号修改为89号、92号、95号。

3.2降低HC排放

3.2.1非直喷汽油机

对于非直喷汽油机来说，绝大部分工况下燃烧标准空燃比的均匀混合气，三效催化转换器的转化效率非常高。在非标准空燃比工况下，如冷起动和怠速，一氧化碳（CO）和氮氧化合物（NOX）排放少且易控制，但HC排放量大，国Ⅴ排放的控制难点关键在于碳氢化合物HC的控制。配有三效催化器的汽油机，HC排放70%～80%是在冷起动阶段产生的。实施国Ⅴ标准后，原来“ECE15+EUDC”测试中的40 s怠速被取消，即从发动机起动开始排放采样，对于冷起动阶段的排放控制提出了更高的要求。在冷起动时，部分燃油以液态形式附着在进气道、进气门和缸壁上，总体混合气较浓，且三效催化器也需要一定的时间加热才能起燃并达到最高转化效率，导致HC排放增加。因此，国Ⅴ排放的控制难点在于冷起动时的HC控制，采取的措施有下列3种：

1）紧凑耦合催化器为迅速提升催化器温度，采用紧凑耦合催化器，安装位置距发动机较近，体积和热容量都较小，有利于快速起燃。但热负荷较大，容易老化。此外，其在机舱中占据较大空间，发动机振动会造成机械应力，因此，须金属作为催化剂载体。同一般的陶瓷载体相比，金属载体有更好的热稳定性，并能将壁做的很薄（小于0.05mm）。

2）加热型催化器加热型催化转化系统可采用不同的加热源。a.电加热型催化器：利用电能对催化器进行加热，可以迅速提高温度并快速起燃。采用带有铂涂层的导电金属作为催化剂载体，用交流发电机供电。b.后燃加热型催化器：通过向气缸内喷入过量的燃油以形成过浓的燃气，然后在排气道内喷入二次空气使未燃混合气达到理论空燃比附近，未燃混合气在排气管中继续燃烧所释放的热量用来给催化器加热起燃。c.燃氢加热型催化器：该系统向排气管中喷入氢气，通过点火装置将气点燃，给催化转化器加热，使之快速起燃。

3）HC吸附装置利用吸附器将HC暂时吸附，催化器起燃后再进行转化，有较好的效果。目前有旁通式和串联式2种。旁通式HC吸附系统如图1a所示，在冷起动后的前（约70s），排气通过切换阀从旁通沸石吸附器流过，排气中的大部分HC被吸附。随着排气温度升高。在二级催化器起燃之后，HC开始从沸石中脱附出来，在排气管中喷入二次空气。在一级催化器起燃之后，切换阀被关闭，排气不再经过吸附器而直接流到二级催化器。图1b是串联式HC吸附系统，主要由一级催化器、HC吸附器、二级催化器和主催化器组成。冷起动时，一级催化器不工作，大部分HC被吸附器吸附。随后，在二次空气的喷射下，一级催化器逐渐被激活。由于热容量大，HC吸附升温很慢。到达一定温度后，HC开始脱附出来，并且大部分被已起燃了的二级催化器所氧化，剩余部分在流经主催化器时再次被净化。

b串联式图1 HC吸附装置

3.2.2直喷汽油机

直喷汽油机提高了热效率，但稀燃造成的富氧尾气使传统的三效催化转换器对NOX的还原比较困难。目前的稀燃NOX后处理系统转化效率不高、价格昂贵和对燃油品质敏感，另外，由于稀燃NOX催化剂需要再生，会导致燃油消耗增加。

目前直喷汽油机采取的主要措施：排气再循环系统（EGR）与电控缸内直喷、可变涡流进气结构及新型三效催化转换器结合应用，组成“电控燃油喷射+分层稀燃+EGR+三效催化转换器”，其中三效催化转换器是吸附催化转化和选择还原催化转化相结合，采用沸石和贵金属分子筛催化器对NOX进行选择还原。该选择还原催化器具备高的NOX转化率、较好的水热耐久性和高的抗硫中毒能力。

4　结论

汽油机结构轻巧、工作柔和，在乘用车领域仍将占主导地位。通过不断的研究和技术突破，汽油机有害排放会极低，并更加节能。与世界先进水平相比，我国在汽油机领域还有相当差距，由于市场开放和竞争，差距在逐渐缩小。由于特殊的“国情”，政府必须大力推进油品的升级，这不但可以满足低排放汽油机的要求，还对在用的车辆降低污染物排放产生重大影响，是治理雾霾的有效有段。汽油机起动、怠速和部分负荷排放高，效率低，通过采用VVT/VVL技术、缸内直喷技术、增压技术、可变排量技术、先进的催化转换器、EGR技术，开发小型机等以及不同方法的组合技术都可以提高汽油机热效率、改善排放。

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Overview on the Latest Technology of Energy Saving and Environmental Protection for Automobile Gasoline Engine and
Research of Domestic Policies and Countermeasures

Han Tongqun
（Hubei University of Automotive Technology, Shiyan 442002, China）

Abstract:The technical progress of the gasoline engine, application in the passenger car field and im⁃plementation status of emission regulations at home and abroad were briefly introduced. The require⁃ments of the Euro V (China V) and Euro VI emission standards and fuel consumption limits and regula⁃tions for vehicle gasoline engine were analyzed. A comprehensive analysis on the quality of gasoline and existing technical route of gasoline engines were carried out, the domestic and foreign related tech⁃nology research and development and integration, the formulation of policies and regulations and other areas were compared, the development trend and direction of the domestic car gasoline engines were analyzed and judged, and the corresponding ideas and countermeasures were put forward for saving the traditional fossil energy, alleviating motor vehicle pollution and protecting the environment to achieve sustainable development.

Key words:gasoline engine; gasoline quality; emissions regulation; low emission technology

作者简介：韩同群（1967-），男，湖北十堰人，教授，主要从事汽车发动机设计研究。E-mail：htq66667@sina.com

收稿日期：2016-02-21

doi：10.3969/j.issn.1008-5483.2016.01.001

中图分类号：TK427

文献标识码：A

文章编号：1008-5483（2016）01-0001-05