影響通用小型汽油機(jī)排放因素分析

劉建輝武世福李海橋蘇鐵熊（-國(guó)家摩托車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心　陜西　西安　7003 -中北大學(xué)）

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影響通用小型汽油機(jī)排放因素分析

劉建輝1武世福2李海橋2蘇鐵熊2
（1-國(guó)家摩托車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心陜西西安710032 2-中北大學(xué)）

摘要：節(jié)能減排已成為當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的一大主題，通用小型汽油機(jī)作為一種常見的動(dòng)力裝置，其排放已逐漸成為大氣的主要污染源之一。針對(duì)通用小型汽油機(jī)的排放現(xiàn)狀，分析了過量空氣系數(shù)、點(diǎn)火系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、調(diào)速器的穩(wěn)定性、廢氣再循環(huán)技術(shù)、催化轉(zhuǎn)化技術(shù)和燃料等對(duì)排放的影響，相應(yīng)地提出了降低尾氣排放的技術(shù)路線，有助于通用小型汽油機(jī)節(jié)能減排路線的優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：通用小型汽油機(jī)排放過量空氣系數(shù)點(diǎn)火系統(tǒng)

引言

通用小型汽油機(jī)作為一種常見的動(dòng)力裝置，在國(guó)內(nèi)的發(fā)展史可追溯到1948年首臺(tái)樣機(jī)的試制成功[1]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，2012年國(guó)內(nèi)通用小型汽油機(jī)年產(chǎn)量已達(dá)到2300多萬臺(tái)，占同期全球同類發(fā)動(dòng)機(jī)總產(chǎn)量的38%，但尾氣中的有害物質(zhì)占其排放污染物總量的65%～80%，已成為大氣的主要污染源之一[2]。

當(dāng)前全球面臨環(huán)境污染和資源短缺兩大問題的困擾，節(jié)能減排已成為社會(huì)發(fā)展的一大主題。為了控制排放，歐美國(guó)家不斷推行更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)[3]。美國(guó)EPA于1997年最先制定了通用小型汽油機(jī)的排放法規(guī)，并于2008年首次提出燃油蒸發(fā)試驗(yàn)的要求，而國(guó)內(nèi)直到2013年才開始逐步實(shí)施排放第2階段標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)作為通用小型汽油機(jī)主要生產(chǎn)地[4]，有更多的義務(wù)和責(zé)任來不斷提升排放控制技術(shù)，降低尾氣污染。本文以此為背景，對(duì)通用小型汽油機(jī)排放尾氣中主要有污染物NOx、CO、HC的生成因素進(jìn)行全面分析，提出了技術(shù)路線，為降低通用小型汽油機(jī)排放提供了依據(jù)。

1影響通用小型汽油機(jī)排放的因素

通用小型汽油機(jī)生成的NOx、CO、HC與過量空氣系數(shù)（φat）、燃燒條件、設(shè)計(jì)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)、燃料品質(zhì)等因素有關(guān)，其中主要受過量空氣系數(shù)和點(diǎn)火系統(tǒng)的影響，尤其以過量空氣系數(shù)為最[5-7]。

1.1過量空氣系數(shù)影響因素分析

φat對(duì)排氣污染物的生成有著重要的影響，188F型通用小型汽油機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果[8]如圖1所示：隨著φat的增大，CO濃度逐漸減?。籒Ox濃度呈現(xiàn)兩頭低、中間高，且在φat取值為1.05附近最高；HC濃度呈現(xiàn)兩頭高、中間低，且在時(shí)受過量空氣系數(shù)的影響較大。

圖1　排氣中NOx、CO、HC的濃度與空燃比的關(guān)系

NOx的生成與溫度和氧濃度有關(guān)。當(dāng)在1.05附近時(shí)，燃燒充分，燃燒溫度較高，混合氣中氧含量充分，滿足NOx生成條件，因此出現(xiàn)NOx濃度峰值?；旌蠚饧訚猓é誥t＜1.0），燃燒溫度降低、混合氣中氧含量少，NOx的生成量減少?；旌蠚庾兿。é誥t≥1.1），火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p緩，燃燒溫度降低，NOx的濃度降低。

CO的濃度受制于化學(xué)反應(yīng)速率、反應(yīng)過程的熱力狀態(tài)和氧濃度等因素。隨著φat的增大，O2濃度增大，燃燒更加充分，CO的濃度降低。當(dāng)φat大于1.0時(shí)，混合氣中空燃比分布不均，高溫分解和反應(yīng)凍結(jié)發(fā)生，CO仍舊保持一定濃度。當(dāng)φat大于1.1時(shí)，混合氣變稀，燃燒溫度降低，高溫分解減緩，CO的濃度緩慢下降。

HC的生成與缸壁淬冷效應(yīng)、燃燒室縫隙效應(yīng)、壁面油膜吸附效應(yīng)、積碳吸附效應(yīng)等有關(guān)?；旌蠚廨^濃（φat＜1.0），O2濃度不足，不能完全燃燒，HC濃度升高；混合氣過稀（φat＞1.1），容易造成火焰不能完全傳播以至斷火，HC濃度迅速增加。

目前國(guó)內(nèi)通用小型汽油機(jī)主要以化油器供油，但其燃油霧化不好，進(jìn)氣量無法反饋，難以精確地滿足工況需求，造成排放偏高。逐步取而代之的是電子控制燃油噴射系統(tǒng)，該技術(shù)利用氧傳感器對(duì)空燃比進(jìn)行精確的閉環(huán)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)分層充氣，快速燃燒，排氣污染物明顯改善。

近期，汽油機(jī)領(lǐng)域的新技術(shù)是缸內(nèi)直噴技術(shù)（GDI）將替代進(jìn)氣道噴射（PFI）。GDI是將汽油直接噴入氣缸內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)稀薄混合氣的分層燃燒，壓縮比和熱效率都有所提高，每個(gè)循環(huán)中燃燒更加充分，在理論上解決了加速、冷啟動(dòng)等工況下過量空氣系數(shù)不當(dāng)?shù)膯栴}，尾氣中的污染物大幅度降低。該技術(shù)已在車用汽油機(jī)上得到了使用，有望在中小型汽油機(jī)上被采用。王小龍[9]對(duì)168F型通用小型汽油機(jī)進(jìn)行改造，以原化油器進(jìn)氣道作為可燃混合氣的主進(jìn)氣系統(tǒng)，同時(shí)增設(shè)缸側(cè)輔助進(jìn)氣系統(tǒng)，補(bǔ)充可控的增壓空氣，加快缸內(nèi)氣流的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，將空載下的過量空氣系數(shù)提高到2.7，實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒，CO可降低90%，HC可降低20%。

1.2點(diǎn)火系統(tǒng)因素分析

點(diǎn)火系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)對(duì)點(diǎn)火正時(shí)和點(diǎn)火能量有影響，會(huì)改變混合氣燃燒條件，影響排氣污染物的生成[10]。

點(diǎn)火正時(shí)影響燃燒室的溫度和壓力，決定了燃燒始點(diǎn)和缸內(nèi)燃燒的最高溫度，對(duì)HC和NOx的排放有顯著影響，如圖2所示。隨著點(diǎn)火提前角的減小，HC和NOx的排放量減少。由于減小點(diǎn)火提前角，點(diǎn)火推遲，缸內(nèi)氣體壓力和混合氣燃燒時(shí)的燃燒室面積減少，已燃混合氣溫度升高，HC的氧化加快，積蓄在缸套壁面潤(rùn)滑油膜中的未然HC量也隨當(dāng)時(shí)缸內(nèi)的低壓而有所降低。同時(shí)火焰延遲期縮短，急燃期加快，后燃期縮短，焰后燃燒產(chǎn)物區(qū)的反應(yīng)時(shí)間縮短，NOx的排放量明顯減少。但是點(diǎn)火推遲過大，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度升高，有損其燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性[11]。

圖2　不同點(diǎn)火提前角下的HC、CO、NOx排放

點(diǎn)火能量是火焰核形成的重要因素，可以擴(kuò)大燃油混合比的可燃界限，縮短著火延遲期，加快急燃期，提高燃燒的最高溫度，促進(jìn)燃燒，減少HC的排放量。中小負(fù)荷時(shí)，一方面缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)微弱，火焰核的形成受殘余廢氣影響，著火延遲期增長(zhǎng)，燃燒不穩(wěn)定；另一方面殘余廢氣的稀釋作用使得混合氣中局部氧濃度存在很大差異，點(diǎn)火能量將難以有效控制CO的排放[12]。高能點(diǎn)火使燃燒室溫度升高，加之氧含量豐富，有助于NOx的生成。但是穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后，NOx排放不再受高能點(diǎn)火的影響。

為了提高點(diǎn)火系統(tǒng)的性能，德國(guó)寶馬公司開發(fā)了雙火花塞點(diǎn)火系統(tǒng)，該技術(shù)已成功運(yùn)用于中小排量發(fā)動(dòng)機(jī)。兩個(gè)同型號(hào)的火花塞同步或異步點(diǎn)火，提高點(diǎn)火能量，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x縮短，燃燒速度加快，提高了循環(huán)的等容度和循環(huán)熱效率，同時(shí)著火概率提高，循環(huán)波動(dòng)減小[13]，指示熱效率提高，尾氣排放得到改善。

1.3轉(zhuǎn)速和負(fù)荷因素的分析

通用小型汽油機(jī)通常在不高于標(biāo)定轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速對(duì)HC和NOx的影響遠(yuǎn)大于對(duì)CO的影響。隨著轉(zhuǎn)速的升高，一方面燃燒室內(nèi)混合氣的擾流混合和渦流擴(kuò)散加強(qiáng)，燃燒速度加快，促進(jìn)了激冷層對(duì)燃料的后氧化，燃燒更充分，HC排放明顯下降；另一方面燃燒速度加快，傳熱相對(duì)減少，熱效率提高，急劇升高的燃燒溫度會(huì)使NOx的排放量升高。怠速工況下，節(jié)氣門幾乎關(guān)閉，燃燒過程惡化，循環(huán)波動(dòng)大，加之整機(jī)熱負(fù)荷小，缸內(nèi)零部件溫度低，有利于HC的生成，但對(duì)CO和NOx的排放沒有影響。

排氣污染物的生成與負(fù)荷有著復(fù)雜的關(guān)系。因?yàn)榛旌蠚獬煞质欠駶M足工況需求，受制于負(fù)荷和供油系統(tǒng)的共同作用。大量的試驗(yàn)研究[14]表明：在混合氣成分基本不變的工況下，隨著負(fù)荷的減小，缸內(nèi)混合物中NOx排放量在減小，而HC排放量在增加，CO卻基本不變；當(dāng)負(fù)荷小于50%時(shí)，混合氣濃度的變化將不會(huì)影響NOx排放。

1.4結(jié)構(gòu)參數(shù)因素分析

結(jié)構(gòu)參數(shù)中，燃燒室的面容比、沖程缸徑比、壓縮比等對(duì)排放有影響。面容比對(duì)HC的排放有較大的影響，是設(shè)計(jì)者為減少污染物排放而考慮的重要因素之一。隨著面容比的增大，進(jìn)入活塞環(huán)隙的混合氣增多，燃燒室縫隙效應(yīng)明顯；同時(shí)膨脹比也隨之增加，膨脹后期的排氣溫度下降，HC排放量上升。壓縮比的增大會(huì)使燃燒溫度上升，更多的NOx排出。相反，沖程缸徑比的減小，有助于氣缸面容比減小，促使氣缸的相對(duì)散熱面積減小，有利于降低HC的產(chǎn)生。

目前國(guó)內(nèi)不同排量的通用小型汽油機(jī)燃燒室的形狀較為相近，其共同點(diǎn)是：隨著缸徑的增大，相應(yīng)的排量增大，面容比隨之減小，HC排放量降低；但同

時(shí)整機(jī)的熱負(fù)荷上升[15]，NOx的濃度隨即增加。

1.5調(diào)速器的穩(wěn)定性因素分析

調(diào)速器可限制通用小型汽油機(jī)的最高轉(zhuǎn)速以及調(diào)節(jié)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，其工作的穩(wěn)定性對(duì)HC排放有顯著影響。當(dāng)穩(wěn)定性差時(shí)，則節(jié)氣門抖動(dòng)加劇，不同循環(huán)下混合氣成分的差異性增大，循環(huán)波動(dòng)增大，燃燒不穩(wěn)定，HC排放增加，但對(duì)CO和NOx排放影響甚微。近幾年，用于發(fā)電機(jī)的通用小型汽油機(jī)逐步使用電子調(diào)速器[16]。它采用PDI自適應(yīng)控制，用單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)取代了離心機(jī)械式調(diào)速器所用的甩塊彈簧式速敏機(jī)構(gòu)，在瞬時(shí)調(diào)速率、轉(zhuǎn)速波動(dòng)率等方面動(dòng)態(tài)精度高，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，尾氣排放理想。

1.6廢氣再循環(huán)因素的分析

廢氣再循環(huán)是將排氣管中部分尾氣引入進(jìn)氣管，與新鮮空氣混合，使得混合氣的熱容量提高，氧濃度降低，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒速度降低，燃燒散熱加快，缸內(nèi)溫度降低，從而有效降低NOx的排放量。天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所的試驗(yàn)結(jié)果[17-18]如圖3、圖4所示，經(jīng)分析可知：

1）廢氣再循環(huán)可降低HC + NOx的排放量；

圖3　不同負(fù)荷下EGR對(duì)NOx排放的影響

圖4　不同負(fù)荷下EGR對(duì)HC排放的影響

2）100%負(fù)荷時(shí)，廢氣的進(jìn)入降低缸內(nèi)燃燒溫度，減少氧濃度，對(duì)NOx排放的控制富有成效；75%負(fù)荷時(shí)，廢氣再循環(huán)對(duì)HC排放控制顯著。

1.7催化轉(zhuǎn)化技術(shù)的分析

催化轉(zhuǎn)化器能有效地降低排氣污染物的排放，Ronald G.silver[19]的研究成果如圖5所示：Rh對(duì)NOx的催化轉(zhuǎn)化率最高，其次是HC，但對(duì)CO沒有作用。在蜂窩狀載體上調(diào)整Pt、Rh的含量，輔助以稀土金屬，可有效地降低通用小型汽油機(jī)排氣中HC＋NOx

的排放量[20-21]。

圖5　 Rh與Pd催化轉(zhuǎn)化HC、NOx效率比較

傳統(tǒng)的化油器+催化轉(zhuǎn)化器可以降低排放，但是油氣混合程度難以及時(shí)、準(zhǔn)確地滿足工況需求，排放結(jié)果偏高。相反，在閉環(huán)控制的電子控制燃油噴射系統(tǒng)作用下，空燃比處在化學(xué)當(dāng)量比的范圍內(nèi)，經(jīng)過Pt—Rh三效型的催化劑[22]的轉(zhuǎn)化，尾氣中NOx、CO、HC的含量都可降低80%以上。

1.8燃料因素分析

醇類燃料具有辛烷值高、含氧量高、可燃界限寬、汽化潛熱大等特點(diǎn)，逐漸成為汽油的替代品之一，并在汽油機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。用M15甲醇汽油、90#汽油在168F通用小型汽油機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)[23]，其排放結(jié)果如圖6所示。隨著甲醇的加入，CO排放大幅度降低，HC排放先增大后降低，NOx排放一直偏高。甲醇含有羥基，著火界限寬，在燃燒時(shí)有自供氧效應(yīng)，同時(shí)高汽化潛熱降低了進(jìn)氣溫度，提高了充氣效率，有助燃燒，CO、HC排放降低。而高含氧量對(duì)NOx生成的促進(jìn)作用大于低熱值的抑制作用，因此NOx的排放大幅度上升。甲醇汽油雖有助于排氣污染物的降低，但會(huì)造成醛類污染。

天然氣不含硫、苯、烯等有害物質(zhì)，在排放方面具有明顯的優(yōu)越性。以天然氣作為燃料，發(fā)動(dòng)機(jī)排放的CO、HC和NOx顯著降低[24-25]，該燃料已在汽車上得到了大力推廣。本田公司用液化天燃?xì)庾鳛橥ㄓ眯⌒推蜋C(jī)燃料，排放結(jié)果遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值。液化石油氣熱值高，抗爆性好，尾氣排放量比裝有催化轉(zhuǎn)化器的汽油機(jī)還低，已在摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了使用，而在通用小型汽油機(jī)上的使用尚處在研制階段。

圖6　不同燃料的CO、HC及NOx排放曲線

2結(jié)論與展望

本文通過對(duì)影響通用小型汽油機(jī)排放的因素進(jìn)行分析，并對(duì)汽油機(jī)目前的一些新技術(shù)進(jìn)行了闡述，通過分析可以得出：

1）過量空氣系數(shù)和點(diǎn)火系統(tǒng)是影響通用小型汽油機(jī)排放的關(guān)鍵因素。電子控制燃油噴射系統(tǒng)和缸內(nèi)直噴等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，將改變通用小型汽油機(jī)只在狹窄的值范圍內(nèi)低排放的狀態(tài)。雙火花塞可降低點(diǎn)火系統(tǒng)對(duì)排放的影響。廢氣再循環(huán)技術(shù)、高效催化轉(zhuǎn)化器的使用也為解決通用小型汽油機(jī)的排放問題提供了途徑。

2）在設(shè)計(jì)階段，通用小型汽油機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)應(yīng)被設(shè)計(jì)者充分考慮，并不斷優(yōu)化，提高動(dòng)力性，降低排放。

3）醇類混合燃料、液化天然氣、液化石油氣等替代燃料的使用，不僅將有效減緩能源危機(jī)，同時(shí)也有助于尾氣排放的降低。

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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）

文章編號(hào)：2095-8234（2015）03-0079-05

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TK411+.51

作者簡(jiǎn)介：劉建輝（1988-），男，助理工程師，主要從事中小型汽油機(jī)測(cè)試。