国内通用小型汽油机尾气排放控制研究进展

刘建辉　杨　锐　毛文刚　杨建伟（国家摩托车质量监督检验中心陕西西安710032）

·综述·

国内通用小型汽油机尾气排放控制研究进展

刘建辉杨锐毛文刚杨建伟
（国家摩托车质量监督检验中心陕西西安710032）

由于资源短缺，环境污染严重，节能减排已成为当今世界的热点话题。随着通用小型汽油机的广泛使用，其尾气对大气的污染日渐严重，降低排放已迫在眉睫。分析了影响通用小型汽油机尾气中污染物的生成因素，讲述了燃油品质进展，从电控燃油喷射系统、挤流燃烧室、点火系统、缸内直喷、可变配气机构及废气再循环等方面阐述了机内净化的研究成果，结合二次补气和催化转化器介绍了机外净化的现状。结合机内外研究进展，展望了未来技术发展和应用方向。

通用小型汽油机排放控制燃油品质机内净化机外净化

引言

通用小型汽油机已成为家庭园艺器械、农业机械、抢险救援等领域的常用动力，全球每年大约有5 000万台的需求量。随着道路机车排放得以控制，通用小型汽油机尾气排放逐步成为又一大气污染源。为了有效降低环境污染，到2020年全球将有64%的人口地区对通用小型汽油机的排放有法规要求。未来，中国、欧盟和加拿大都将借鉴美国EPA已实施的第三阶段通用小型汽油机排放限值，加严本国的排放限值［1-3］，以强制降低尾气排放。

近两年，国内通用小型汽油机产量一直保持在2 400万台以上，占同期全球同类发动机总产量的45%以上，中国已成为全球通用小型汽油机主要制造基地之一。因此，国内已重视对通用小型汽油机尾气排放的控制研究及应用。国内学者基于影响汽油机均质混合气燃烧的因素，从燃油品质、机内净化和机外净化3方面进行研究，提出了相应的排放控制技术。

1　尾气中污染物成份及影响因素

汽油机尾气中的污染物有NOx、HC、CO、微粒物（含碳烟、重金属氧化物）及硫化物等，主要是NOx、HC、CO。CO是一种不完全燃烧的产物，其生成主要与混合气浓度有关，还受工质温度和化学反应时间影响。当过量空气系数大于1.1或小于1.0时，CO的生成会显著增多。HC含有以烃类、醛类为主的200多种化合物，其中50%的HC源于缝隙效应，其余的与壁面激冷层、润滑油的吸附和解吸有关。NOx中95%是NO，还有不到5%的NO2。NO主要源于高温NO，还有激发NO及燃料中的NO。当温度达到1 200℃以上时，高温NO的生成遵循捷尔杜维奇链反应机理［4］，还与氧浓度和反应时间有关。

国内学者从汽油机污染物生成机理出发，对不同型号的通用小型汽油机进行了研究［5-7］，其结果表明：通用小型汽油机生成的NOx、HC、CO与燃油品质、燃油供给方式、整机设计参数、点火系统及尾气处理装置等因素有关，如图1所示。

图1　影响通用小型汽油机排放的因素框图

2　排放控制技术研究进展

从技术的范畴讲，要降低通用小型汽油机排放，需要结合污染物生成的影响因素，从燃油品质、机内燃烧和机外净化3方面着手研究，以期达到提高燃油品质、优化机内燃烧及净化尾气的效果。

2.1燃油品质进展

2.1.1燃油品质对排放的影响

汽油中影响排放的主要成份是高辛烷值的稀烃和芳香烃，还有硫和苯。稀烃属于不饱和碳氢，其含量的增多可降低HC，但会引起NOx和CO增多［8］。芳香烃中的高热值有助于提高整机性能，但易引起HC急剧增加。硫的燃烧会使催化转化器失效。苯不仅增加空气中致癌物质，同时也影响HC和CO的排放［9］。

2.1.2燃油品质改善

多年来，由于国内汽油的调和以催化裂化汽油为主，致使汽油中稀烃含量远高于欧美国家。因此，国内对降低汽油中烯烃含量的呼声不断。但烯烃的过度减少会致使辛烷值持续下降，不利于发动机起动。所以，国内适度降低烯烃含量，同时在保证汽油中总芳香烃的情况下，适当降低了重芳香烃含量，以改善排放［10］。通过炼油技术的提升，现在国内市售的部分汽油已将烯烃的含量最低降低到13.0%，芳香烃含量达到29%，硫含量降低到10 mg/kg，苯含量降低到1.0%。

2.2机内净化研究进展

机内净化从影响空燃比、点火能量、点火提前角及燃烧系统等方面来进行改进，以期达到改善燃烧及减少污染物生成，主要技术包括电控燃油喷射系统、挤流燃烧室、点火系统、缸内直喷、可变配气机构和废气再循环等。

2.2.1电控燃油喷射系统

现阶段，通用小型汽油机主要采用化油器供油，但化油器量孔的流通特性和喉管处的气流运动往往造成油气混合不均匀，且难以快速响应工况需求，导致燃烧不充分，尾气排放恶化。电控燃油喷射系统能监控发动机的运行状况，工况响应迅速，可依据目标空燃比精确喷射燃油，燃油雾化效果好，油气混合均匀，燃烧充分，能大幅度改善整机的动力性、经济性和排放。

尉文峰［11］在439 mL排量的发电机组用通用小型汽油机上使用FAI喷射系统，其点火控制思路为“中心点火角+点火修正角”（如图2所示）。当发动机工作时，ECU根据节气门开度和转速查询喷油MAP和点火MAP从而得出喷油脉冲和中心点火角，再由ECU驱动喷油和点火。依据GB/T8190.4中的G2循环试验要求，测得HC+NOx可降低到6.1 g/（kW·h）。刘胜吉［12］等人在168F通用小型汽油机上进行开环控制的电子控制燃油喷射系统的标定，实现目标空燃比定量喷油，能快速响应工况需求，燃烧改善，使CO降低了62.7%，HC+NOx降低了31.6%。

2.2.2挤流燃烧室

燃烧室形状会直接影响压缩行程终点产生的进气涡流，影响混合气燃烧，对尾气排放有重要影响［13］。利用活塞表面和缸盖的特殊形状，可在火焰传播过程中形成挤流燃烧室，在压缩行程末期产生径向或横向的气体挤压流动，形成强度适中的进气涡流，促进火核形成，加快火焰传播速度，缩短火焰传播距离，提高燃烧效率，在不影响NOx生成的条件下可使HC生成减少3%～10%。天津大学宋贺［14］对ST168FII型通用小型汽油机的气缸盖和平顶活塞进行改动，形成新型的挤流燃烧室，提高了湍流强度和速度的体积均值，增强了混合气的速燃能力，HC+NOx降低了8.4%。

2.2.3点火系统

油气混合气的燃烧程度与点火能量有关，高能点火可提高燃烧速率和等容度，促使燃烧温度和爆发压力升高，降低排放。王金磊［15］等人在168F型通用小型汽油机上采用N30UH钕铁硼磁钢型点火线圈铁芯和GBT复合晶体管，初级电流提高将近60%，点火能量极大提高，火焰传播速度提高约1倍，火焰核半径增加0.5倍，使得同一工况下的HC最大降低30%，CO最大降低25%。

油气混合气的燃烧程度还受点火正时制约，与点火器的性能有关。目前，通用小型汽油机所用的磁电机点火系统多采用电容放电式点火器。这种点火器只能选择趋于中间的较佳点火提前角作为该转速点的点火提前角，难以实现各工况下的最佳点火，影响燃烧始点和燃烧最高温度，造成了HC和NOx的排放过高。而数字点火器可解决高转速和点火提前角的非线性的问题，使点火提前角的精确度可提高到±0.5°CA，实现了发动机运行工况与点火正时的良好匹配，从而达到最佳点火，改善燃烧，已在二冲程通用小型汽油机降低排放方面取得了显著效果［16］。

2.2.4缸内直喷技术

与一般的进气道喷射（PFI）相比，缸内直喷（GDI）在提高汽油机热效率和降低排放方面优势明显。GDI是将汽油直接喷入气缸内，极限扩大稀燃，实现稀薄混合气的分层燃烧，提高了压缩比和热效率；同时油滴直径变得更小，易于吸收空气中的热量，提高雾化效果，降低缸内燃烧温度，降低排放。薛云［17］等人在电控燃油喷射系统的170F型通用小型汽油机上进行直喷均匀混合燃烧。汽油流过初级增压泵、单向阀后，经两套增压缸的作用后形成稳定油压，ECU经过计算后控制电磁阀的开闭，稳压后的燃油定量从内开旋流式喷油嘴喷出，能实现均质混合气的稀燃（如图3所示）。怠速工况下HC降低了77.4%，CO降低了40.6%，NOx降低了33.9%。

图3　GDI燃油供给系统示意图

2.2.5可变配气机构

配气机构是发动机的重要组成部分，对发动机性能有着重要的影响，可变气门正时（VVT）是目前汽油机发展的重要方向之一［18］。与固定配气相位相比，VVT则可以改变发动机在不同转速下的配气相位，优化充气效率，提高燃烧效率，解决大负荷与小负荷下的动力性与经济性、排放的矛盾。吴俊刚［19］将VVT技术运用到中小型汽油机上，其结构示意图如图4所示。低负荷工况下，低速凸轮驱动低速摇臂，控制气门的开启，较少的进气量可满足低负荷要求。高负荷工况时，高速凸轮驱动低高速摇臂组合的整体摇臂，气门开启时间延长，升程增大，进气量增多，缸内混合气燃烧改善。高低凸轮在不同工况下的工作，满足了充气效率，降低了过量空气系数对排放的影响。国内学者已开始研究多工况下运转的通用小型汽油机的VVT技术，以满足各工况下进气量的需求，提高燃烧效率，减低排放。

图4　VVT机构示意图

图5　EGR系统示意图

2.2.6废气再循环

废气再循环（EGR）不仅能有效降低NOx的生成，而且有助于提高汽油机在最大负荷时的抗爆燃能力和燃油经济性［20］。EGR的主要方式是将排气管中部分尾气引入进气管，与新鲜空气混合，降低混合气密度，减少泵气损失；同时废气对化学反应速率有抑制作用，可有效降低NOx生成。天津大学内燃机研究所［21-22］对EGR进行大量试验，其试验示意图如图5所示。尾气经过冷却器冷却、除水后，由手动阀调节补气流量，以满足工况要求。试验结果显示：在中高负荷下，EGR可降低HC+NOx的排放量，尤其在高负荷下EGR对降低NOx的生成富有成效。

2.2.7电子调速器

调速器可调节发动机转速波动，使转速达到稳定，同时可限制最高转速。调速器多用在发电机组用的通用小型汽油机上，其工作的稳定性对HC排放影响显著。当稳定性差时，易使节气门抖动加剧，造成混合气成分的差异性增大，燃烧变化增大，循环波动增大，缝隙效应、壁面激冷层的作用明显，HC生成增多。近几年，为提高调速系统的稳定性，取代机械调速器的是电子调速器［23］（如图6所示）。它采用PDI自适应控制，由单片机获取基准转速，通过控制步进电机的正反转来调节节气门的开闭，进行稳定反馈调节，动态响应精度高，转速的稳态调速率可降低到2%以内，循环波动降低，热效率提高，排放降低。

图6　电子调速系统示意图

2.3机外净化研究进展

由于尾气中的NOx、HC、CO的生成存在着相互制约，机内净化只能有效地平衡各项排放指标而获得最低综合排放，不可能完全消除污染物［24］。而机外净化在不会影响整机动力性的情况下，可以将NOx、HC、CO转化为N2、H2O和CO2。

2.3.1二次补气

二次补气不仅可以降低通用小型汽油机的排放，而且能在多种机型上广泛使用［25］。通用小型汽油机工作时，排气门的关闭会使排气管道中的脉冲式低压形成低压波，致使补气阀打开，新鲜空气进入排气管内，在尾气提供的高温环境下将HC和CO转化为H2O和CO2。张明辉［26］在CQ188F通用小型汽油机上使用二次补气阀（如图7所示），HC+NOx下降20.5%，CO下降15.2%。

图7　补气阀结构示意图

2.3.2催化转化器

三效催化转化器是常用的汽油机尾气催化净化系统。三效催化转化器的贵金属成分有Pt、Rh、Pd，其中Pt和Rh为主要成分，其比例多为5∶1。Pt主要催化HC和CO的氧化反应，Rh催化NOx的还原反应。Pt成本高，Pd可以替代Pt，但Pd晶体结构比较容易容纳杂质，易被铅、硫等化学毒化。目前，国内多数通用小型汽油机采用化油器供油，空燃比难以自控，难以精确满足催化氧化的反应条件，故对催化转化器的要求较高。

龚为佳［27］等人以堇青石为载体，以贵金属和适量的稀土作为三效催化转化器，提出化油器式通用小型汽油机后处理控制方案（如图8所示），并运用在188FD型通用小型汽油机。稳态工况的污染物可以通过催化转化器降低，瞬态工况尤其冷热机起动时的污染物可以通过碳罐最大化吸收、催化转化器作用而减少，使得NOx的净化效率达到了90%以上，HC和CO的净化率达到70%以上。

图8　化油器式通用小型汽油机排放控制方案

3　总结与展望

随着大家环保意识的增强，排放法规的加严，通用小型汽油机的排放控制技术急需日趋成熟，并规模化应运到产品上。目前，针对通用小型汽油机尾气净化，国内学者已在燃料、燃烧及尾气处理三方面取得了成果，出现了多种降排技术。针对国内通用小型汽油机的现状，未来应关注以下几点：

1）为了满足排放法规，降低成本，应尽量减小对整机外观改动，可使用化油器加机外净化来降低排放，但是需要提高化油器的精度，以实现其与催化转化器及二次补气的良好匹配。

2）要改善整机在动力、油耗和排放等方面的综合性能，电子控制燃油喷射系统及点火系统的提升将成为通用小型汽油机先进排放技术路线的制高点，但是需要进一步研究降低成本的问题。

3）挤流燃烧室、缸内直喷、可变配气机构及废气再循环是将车用发动机的减排技术改进后运用到通用小型汽油机上，虽然有一定的减排效果，但其成熟性还有待深入研究。

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Research Progresses in Exhaust Emission Control for Demostic Non-road Small Spark-ignition Engine

Liu Jianhui，Yang Rui，Mao Wengang，Yang Jianwei
China National Motorcycle Testing Center（Xi，an，Shananxi，710032，China）

Due to the shortage of resources and serious environmental pollution，energy conservation and emission reduction have become a hot topic in today's world.With non-road small spark-ignition engine used widely，pollution from exhaust has become serious，the reduction of exhaust emission is extremely urgent.The paper analyzes the influence factors of pollution from non-road small spark-ignition engine exhaust，gives an account of the development of gasoline quality，represents the research achievement of interior purification，such as electronic control fuel injection system，squish combustion chamber，ignition system，GDI，variable admission valve train gear，EGR and so on.External purification is introduced from secondly air and catalytic conversion.In view of interior purification and external purification，the direction of technology development and application is pointed out.

Non-road small spark-ignition engine，Emission control，Gasoline quality，Interior purification，External purification

TK411+.5

A

2095-8234（2016）04-0071-06

2016-04-20）

刘建辉（1988-），男，助理工程师，主要从事中小型汽油机测试。