國內(nèi)通用小型汽油機(jī)尾氣排放控制研究進(jìn)展

劉建輝　楊　銳　毛文剛　楊建偉（國家摩托車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心陜西西安710032）

·綜述·

國內(nèi)通用小型汽油機(jī)尾氣排放控制研究進(jìn)展

劉建輝楊銳毛文剛楊建偉
（國家摩托車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心陜西西安710032）

由于資源短缺，環(huán)境污染嚴(yán)重，節(jié)能減排已成為當(dāng)今世界的熱點(diǎn)話題。隨著通用小型汽油機(jī)的廣泛使用，其尾氣對大氣的污染日漸嚴(yán)重，降低排放已迫在眉睫。分析了影響通用小型汽油機(jī)尾氣中污染物的生成因素，講述了燃油品質(zhì)進(jìn)展，從電控燃油噴射系統(tǒng)、擠流燃燒室、點(diǎn)火系統(tǒng)、缸內(nèi)直噴、可變配氣機(jī)構(gòu)及廢氣再循環(huán)等方面闡述了機(jī)內(nèi)凈化的研究成果，結(jié)合二次補(bǔ)氣和催化轉(zhuǎn)化器介紹了機(jī)外凈化的現(xiàn)狀。結(jié)合機(jī)內(nèi)外研究進(jìn)展，展望了未來技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用方向。

通用小型汽油機(jī)排放控制燃油品質(zhì)機(jī)內(nèi)凈化機(jī)外凈化

引言

通用小型汽油機(jī)已成為家庭園藝器械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、搶險(xiǎn)救援等領(lǐng)域的常用動(dòng)力，全球每年大約有5 000萬臺的需求量。隨著道路機(jī)車排放得以控制，通用小型汽油機(jī)尾氣排放逐步成為又一大氣污染源。為了有效降低環(huán)境污染，到2020年全球?qū)⒂?4%的人口地區(qū)對通用小型汽油機(jī)的排放有法規(guī)要求。未來，中國、歐盟和加拿大都將借鑒美國EPA已實(shí)施的第三階段通用小型汽油機(jī)排放限值，加嚴(yán)本國的排放限值［1-3］，以強(qiáng)制降低尾氣排放。

近兩年，國內(nèi)通用小型汽油機(jī)產(chǎn)量一直保持在2 400萬臺以上，占同期全球同類發(fā)動(dòng)機(jī)總產(chǎn)量的45%以上，中國已成為全球通用小型汽油機(jī)主要制造基地之一。因此，國內(nèi)已重視對通用小型汽油機(jī)尾氣排放的控制研究及應(yīng)用。國內(nèi)學(xué)者基于影響汽油機(jī)均質(zhì)混合氣燃燒的因素，從燃油品質(zhì)、機(jī)內(nèi)凈化和機(jī)外凈化3方面進(jìn)行研究，提出了相應(yīng)的排放控制技術(shù)。

1　尾氣中污染物成份及影響因素

汽油機(jī)尾氣中的污染物有NOx、HC、CO、微粒物（含碳煙、重金屬氧化物）及硫化物等，主要是NOx、HC、CO。CO是一種不完全燃燒的產(chǎn)物，其生成主要與混合氣濃度有關(guān)，還受工質(zhì)溫度和化學(xué)反應(yīng)時(shí)間影響。當(dāng)過量空氣系數(shù)大于1.1或小于1.0時(shí)，CO的生成會顯著增多。HC含有以烴類、醛類為主的200多種化合物，其中50%的HC源于縫隙效應(yīng)，其余的與壁面激冷層、潤滑油的吸附和解吸有關(guān)。NOx中95%是NO，還有不到5%的NO2。NO主要源于高溫NO，還有激發(fā)NO及燃料中的NO。當(dāng)溫度達(dá)到1 200℃以上時(shí)，高溫NO的生成遵循捷爾杜維奇鏈反應(yīng)機(jī)理［4］，還與氧濃度和反應(yīng)時(shí)間有關(guān)。

國內(nèi)學(xué)者從汽油機(jī)污染物生成機(jī)理出發(fā)，對不同型號的通用小型汽油機(jī)進(jìn)行了研究［5-7］，其結(jié)果表明：通用小型汽油機(jī)生成的NOx、HC、CO與燃油品質(zhì)、燃油供給方式、整機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)、點(diǎn)火系統(tǒng)及尾氣處理裝置等因素有關(guān)，如圖1所示。

圖1　影響通用小型汽油機(jī)排放的因素框圖

2　排放控制技術(shù)研究進(jìn)展

從技術(shù)的范疇講，要降低通用小型汽油機(jī)排放，需要結(jié)合污染物生成的影響因素，從燃油品質(zhì)、機(jī)內(nèi)燃燒和機(jī)外凈化3方面著手研究，以期達(dá)到提高燃油品質(zhì)、優(yōu)化機(jī)內(nèi)燃燒及凈化尾氣的效果。

2.1燃油品質(zhì)進(jìn)展

2.1.1燃油品質(zhì)對排放的影響

汽油中影響排放的主要成份是高辛烷值的稀烴和芳香烴，還有硫和苯。稀烴屬于不飽和碳?xì)?，其含量的增多可降低HC，但會引起NOx和CO增多［8］。芳香烴中的高熱值有助于提高整機(jī)性能，但易引起HC急劇增加。硫的燃燒會使催化轉(zhuǎn)化器失效。苯不僅增加空氣中致癌物質(zhì)，同時(shí)也影響HC和CO的排放［9］。

2.1.2燃油品質(zhì)改善

多年來，由于國內(nèi)汽油的調(diào)和以催化裂化汽油為主，致使汽油中稀烴含量遠(yuǎn)高于歐美國家。因此，國內(nèi)對降低汽油中烯烴含量的呼聲不斷。但烯烴的過度減少會致使辛烷值持續(xù)下降，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。所以，國內(nèi)適度降低烯烴含量，同時(shí)在保證汽油中總芳香烴的情況下，適當(dāng)降低了重芳香烴含量，以改善排放［10］。通過煉油技術(shù)的提升，現(xiàn)在國內(nèi)市售的部分汽油已將烯烴的含量最低降低到13.0%，芳香烴含量達(dá)到29%，硫含量降低到10 mg/kg，苯含量降低到1.0%。

2.2機(jī)內(nèi)凈化研究進(jìn)展

機(jī)內(nèi)凈化從影響空燃比、點(diǎn)火能量、點(diǎn)火提前角及燃燒系統(tǒng)等方面來進(jìn)行改進(jìn)，以期達(dá)到改善燃燒及減少污染物生成，主要技術(shù)包括電控燃油噴射系統(tǒng)、擠流燃燒室、點(diǎn)火系統(tǒng)、缸內(nèi)直噴、可變配氣機(jī)構(gòu)和廢氣再循環(huán)等。

2.2.1電控燃油噴射系統(tǒng)

現(xiàn)階段，通用小型汽油機(jī)主要采用化油器供油，但化油器量孔的流通特性和喉管處的氣流運(yùn)動(dòng)往往造成油氣混合不均勻，且難以快速響應(yīng)工況需求，導(dǎo)致燃燒不充分，尾氣排放惡化。電控燃油噴射系統(tǒng)能監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況，工況響應(yīng)迅速，可依據(jù)目標(biāo)空燃比精確噴射燃油，燃油霧化效果好，油氣混合均勻，燃燒充分，能大幅度改善整機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放。

尉文峰［11］在439 mL排量的發(fā)電機(jī)組用通用小型汽油機(jī)上使用FAI噴射系統(tǒng)，其點(diǎn)火控制思路為“中心點(diǎn)火角+點(diǎn)火修正角”（如圖2所示）。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，ECU根據(jù)節(jié)氣門開度和轉(zhuǎn)速查詢噴油MAP和點(diǎn)火MAP從而得出噴油脈沖和中心點(diǎn)火角，再由ECU驅(qū)動(dòng)噴油和點(diǎn)火。依據(jù)GB/T8190.4中的G2循環(huán)試驗(yàn)要求，測得HC+NOx可降低到6.1 g/（kW·h）。劉勝吉［12］等人在168F通用小型汽油機(jī)上進(jìn)行開環(huán)控制的電子控制燃油噴射系統(tǒng)的標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)空燃比定量噴油，能快速響應(yīng)工況需求，燃燒改善，使CO降低了62.7%，HC+NOx降低了31.6%。

2.2.2擠流燃燒室

燃燒室形狀會直接影響壓縮行程終點(diǎn)產(chǎn)生的進(jìn)氣渦流，影響混合氣燃燒，對尾氣排放有重要影響［13］。利用活塞表面和缸蓋的特殊形狀，可在火焰?zhèn)鞑ミ^程中形成擠流燃燒室，在壓縮行程末期產(chǎn)生徑向或橫向的氣體擠壓流動(dòng)，形成強(qiáng)度適中的進(jìn)氣渦流，促進(jìn)火核形成，加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?，縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，提高燃燒效率，在不影響NOx生成的條件下可使HC生成減少3%～10%。天津大學(xué)宋賀［14］對ST168FII型通用小型汽油機(jī)的氣缸蓋和平頂活塞進(jìn)行改動(dòng)，形成新型的擠流燃燒室，提高了湍流強(qiáng)度和速度的體積均值，增強(qiáng)了混合氣的速燃能力，HC+NOx降低了8.4%。

2.2.3點(diǎn)火系統(tǒng)

油氣混合氣的燃燒程度與點(diǎn)火能量有關(guān)，高能點(diǎn)火可提高燃燒速率和等容度，促使燃燒溫度和爆發(fā)壓力升高，降低排放。王金磊［15］等人在168F型通用小型汽油機(jī)上采用N30UH釹鐵硼磁鋼型點(diǎn)火線圈鐵芯和GBT復(fù)合晶體管，初級電流提高將近60%，點(diǎn)火能量極大提高，火焰?zhèn)鞑ニ俣忍岣呒s1倍，火焰核半徑增加0.5倍，使得同一工況下的HC最大降低30%，CO最大降低25%。

油氣混合氣的燃燒程度還受點(diǎn)火正時(shí)制約，與點(diǎn)火器的性能有關(guān)。目前，通用小型汽油機(jī)所用的磁電機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)多采用電容放電式點(diǎn)火器。這種點(diǎn)火器只能選擇趨于中間的較佳點(diǎn)火提前角作為該轉(zhuǎn)速點(diǎn)的點(diǎn)火提前角，難以實(shí)現(xiàn)各工況下的最佳點(diǎn)火，影響燃燒始點(diǎn)和燃燒最高溫度，造成了HC和NOx的排放過高。而數(shù)字點(diǎn)火器可解決高轉(zhuǎn)速和點(diǎn)火提前角的非線性的問題，使點(diǎn)火提前角的精確度可提高到±0.5°CA，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況與點(diǎn)火正時(shí)的良好匹配，從而達(dá)到最佳點(diǎn)火，改善燃燒，已在二沖程通用小型汽油機(jī)降低排放方面取得了顯著效果［16］。

2.2.4缸內(nèi)直噴技術(shù)

與一般的進(jìn)氣道噴射（PFI）相比，缸內(nèi)直噴（GDI）在提高汽油機(jī)熱效率和降低排放方面優(yōu)勢明顯。GDI是將汽油直接噴入氣缸內(nèi)，極限擴(kuò)大稀燃，實(shí)現(xiàn)稀薄混合氣的分層燃燒，提高了壓縮比和熱效率；同時(shí)油滴直徑變得更小，易于吸收空氣中的熱量，提高霧化效果，降低缸內(nèi)燃燒溫度，降低排放。薛云［17］等人在電控燃油噴射系統(tǒng)的170F型通用小型汽油機(jī)上進(jìn)行直噴均勻混合燃燒。汽油流過初級增壓泵、單向閥后，經(jīng)兩套增壓缸的作用后形成穩(wěn)定油壓，ECU經(jīng)過計(jì)算后控制電磁閥的開閉，穩(wěn)壓后的燃油定量從內(nèi)開旋流式噴油嘴噴出，能實(shí)現(xiàn)均質(zhì)混合氣的稀燃（如圖3所示）。怠速工況下HC降低了77.4%，CO降低了40.6%，NOx降低了33.9%。

圖3　GDI燃油供給系統(tǒng)示意圖

2.2.5可變配氣機(jī)構(gòu)

配氣機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，對發(fā)動(dòng)機(jī)性能有著重要的影響，可變氣門正時(shí)（VVT）是目前汽油機(jī)發(fā)展的重要方向之一［18］。與固定配氣相位相比，VVT則可以改變發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的配氣相位，優(yōu)化充氣效率，提高燃燒效率，解決大負(fù)荷與小負(fù)荷下的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性、排放的矛盾。吳俊剛［19］將VVT技術(shù)運(yùn)用到中小型汽油機(jī)上，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。低負(fù)荷工況下，低速凸輪驅(qū)動(dòng)低速搖臂，控制氣門的開啟，較少的進(jìn)氣量可滿足低負(fù)荷要求。高負(fù)荷工況時(shí)，高速凸輪驅(qū)動(dòng)低高速搖臂組合的整體搖臂，氣門開啟時(shí)間延長，升程增大，進(jìn)氣量增多，缸內(nèi)混合氣燃燒改善。高低凸輪在不同工況下的工作，滿足了充氣效率，降低了過量空氣系數(shù)對排放的影響。國內(nèi)學(xué)者已開始研究多工況下運(yùn)轉(zhuǎn)的通用小型汽油機(jī)的VVT技術(shù)，以滿足各工況下進(jìn)氣量的需求，提高燃燒效率，減低排放。

圖4　VVT機(jī)構(gòu)示意圖

圖5　EGR系統(tǒng)示意圖

2.2.6廢氣再循環(huán)

廢氣再循環(huán)（EGR）不僅能有效降低NOx的生成，而且有助于提高汽油機(jī)在最大負(fù)荷時(shí)的抗爆燃能力和燃油經(jīng)濟(jì)性［20］。EGR的主要方式是將排氣管中部分尾氣引入進(jìn)氣管，與新鮮空氣混合，降低混合氣密度，減少泵氣損失；同時(shí)廢氣對化學(xué)反應(yīng)速率有抑制作用，可有效降低NOx生成。天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所［21-22］對EGR進(jìn)行大量試驗(yàn)，其試驗(yàn)示意圖如圖5所示。尾氣經(jīng)過冷卻器冷卻、除水后，由手動(dòng)閥調(diào)節(jié)補(bǔ)氣流量，以滿足工況要求。試驗(yàn)結(jié)果顯示：在中高負(fù)荷下，EGR可降低HC+NOx的排放量，尤其在高負(fù)荷下EGR對降低NOx的生成富有成效。

2.2.7電子調(diào)速器

調(diào)速器可調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，使轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定，同時(shí)可限制最高轉(zhuǎn)速。調(diào)速器多用在發(fā)電機(jī)組用的通用小型汽油機(jī)上，其工作的穩(wěn)定性對HC排放影響顯著。當(dāng)穩(wěn)定性差時(shí)，易使節(jié)氣門抖動(dòng)加劇，造成混合氣成分的差異性增大，燃燒變化增大，循環(huán)波動(dòng)增大，縫隙效應(yīng)、壁面激冷層的作用明顯，HC生成增多。近幾年，為提高調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性，取代機(jī)械調(diào)速器的是電子調(diào)速器［23］（如圖6所示）。它采用PDI自適應(yīng)控制，由單片機(jī)獲取基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，通過控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)節(jié)氣門的開閉，進(jìn)行穩(wěn)定反饋調(diào)節(jié)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)精度高，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率可降低到2%以內(nèi)，循環(huán)波動(dòng)降低，熱效率提高，排放降低。

圖6　電子調(diào)速系統(tǒng)示意圖

2.3機(jī)外凈化研究進(jìn)展

由于尾氣中的NOx、HC、CO的生成存在著相互制約，機(jī)內(nèi)凈化只能有效地平衡各項(xiàng)排放指標(biāo)而獲得最低綜合排放，不可能完全消除污染物［24］。而機(jī)外凈化在不會影響整機(jī)動(dòng)力性的情況下，可以將NOx、HC、CO轉(zhuǎn)化為N2、H2O和CO2。

2.3.1二次補(bǔ)氣

二次補(bǔ)氣不僅可以降低通用小型汽油機(jī)的排放，而且能在多種機(jī)型上廣泛使用［25］。通用小型汽油機(jī)工作時(shí)，排氣門的關(guān)閉會使排氣管道中的脈沖式低壓形成低壓波，致使補(bǔ)氣閥打開，新鮮空氣進(jìn)入排氣管內(nèi)，在尾氣提供的高溫環(huán)境下將HC和CO轉(zhuǎn)化為H2O和CO2。張明輝［26］在CQ188F通用小型汽油機(jī)上使用二次補(bǔ)氣閥（如圖7所示），HC+NOx下降20.5%，CO下降15.2%。

圖7　補(bǔ)氣閥結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.2催化轉(zhuǎn)化器

三效催化轉(zhuǎn)化器是常用的汽油機(jī)尾氣催化凈化系統(tǒng)。三效催化轉(zhuǎn)化器的貴金屬成分有Pt、Rh、Pd，其中Pt和Rh為主要成分，其比例多為5∶1。Pt主要催化HC和CO的氧化反應(yīng)，Rh催化NOx的還原反應(yīng)。Pt成本高，Pd可以替代Pt，但Pd晶體結(jié)構(gòu)比較容易容納雜質(zhì)，易被鉛、硫等化學(xué)毒化。目前，國內(nèi)多數(shù)通用小型汽油機(jī)采用化油器供油，空燃比難以自控，難以精確滿足催化氧化的反應(yīng)條件，故對催化轉(zhuǎn)化器的要求較高。

龔為佳［27］等人以堇青石為載體，以貴金屬和適量的稀土作為三效催化轉(zhuǎn)化器，提出化油器式通用小型汽油機(jī)后處理控制方案（如圖8所示），并運(yùn)用在188FD型通用小型汽油機(jī)。穩(wěn)態(tài)工況的污染物可以通過催化轉(zhuǎn)化器降低，瞬態(tài)工況尤其冷熱機(jī)起動(dòng)時(shí)的污染物可以通過碳罐最大化吸收、催化轉(zhuǎn)化器作用而減少，使得NOx的凈化效率達(dá)到了90%以上，HC和CO的凈化率達(dá)到70%以上。

圖8　化油器式通用小型汽油機(jī)排放控制方案

3　總結(jié)與展望

隨著大家環(huán)保意識的增強(qiáng)，排放法規(guī)的加嚴(yán)，通用小型汽油機(jī)的排放控制技術(shù)急需日趨成熟，并規(guī)?；瘧?yīng)運(yùn)到產(chǎn)品上。目前，針對通用小型汽油機(jī)尾氣凈化，國內(nèi)學(xué)者已在燃料、燃燒及尾氣處理三方面取得了成果，出現(xiàn)了多種降排技術(shù)。針對國內(nèi)通用小型汽油機(jī)的現(xiàn)狀，未來應(yīng)關(guān)注以下幾點(diǎn)：

1）為了滿足排放法規(guī)，降低成本，應(yīng)盡量減小對整機(jī)外觀改動(dòng)，可使用化油器加機(jī)外凈化來降低排放，但是需要提高化油器的精度，以實(shí)現(xiàn)其與催化轉(zhuǎn)化器及二次補(bǔ)氣的良好匹配。

2）要改善整機(jī)在動(dòng)力、油耗和排放等方面的綜合性能，電子控制燃油噴射系統(tǒng)及點(diǎn)火系統(tǒng)的提升將成為通用小型汽油機(jī)先進(jìn)排放技術(shù)路線的制高點(diǎn)，但是需要進(jìn)一步研究降低成本的問題。

3）擠流燃燒室、缸內(nèi)直噴、可變配氣機(jī)構(gòu)及廢氣再循環(huán)是將車用發(fā)動(dòng)機(jī)的減排技術(shù)改進(jìn)后運(yùn)用到通用小型汽油機(jī)上，雖然有一定的減排效果，但其成熟性還有待深入研究。

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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）

劉建輝（1988-），男，助理工程師，主要從事中小型汽油機(jī)測試。