二次空氣噴射系統(tǒng)對(duì)V型汽油機(jī)排放及油耗影響的研究

宋慶文，呂明芮，陳立，郭英俊，郝偉，閆濤，徐寧寧

（1.中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心,長(zhǎng)春 130011；2.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心,天津 300300）

二次空氣噴射系統(tǒng)對(duì)V型汽油機(jī)排放及油耗影響的研究

宋慶文1，呂明芮2，陳立1，郭英俊1，郝偉1，閆濤1，徐寧寧1

（1.中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心,長(zhǎng)春 130011；2.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心,天津 300300）

為了達(dá)到降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放及油耗的目的，在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)階段使用一種向排氣歧管內(nèi)噴射二次空氣的方法,并研究二次空氣噴射系統(tǒng)對(duì)冷態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)排放及油耗的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，二次空氣噴射系統(tǒng)的應(yīng)用能有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)階段HC及CO的排放，同時(shí)不使油耗增加。

1 前言

發(fā)動(dòng)機(jī)的排放污染物主要產(chǎn)生在冷起動(dòng)階段，該階段發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度低，不能使催化器快速達(dá)到起燃溫度，因此該過(guò)程中HC及CO排放物水平高。

解決發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)排放問(wèn)題的后處理方法有很多，主要有前置催化劑、電加熱催化劑、排氣燃燒器、HC收集器、二次空氣與真空絕熱催化轉(zhuǎn)化器等，這些技術(shù)從不同側(cè)面解決了冷起動(dòng)排放問(wèn)題，并都取得了一定成效[1～3]。

2 二次空氣噴射技術(shù)原理

發(fā)動(dòng)機(jī)在冷起動(dòng)及暖機(jī)過(guò)程中，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)能夠順利起動(dòng)及低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，一般會(huì)采取開(kāi)環(huán)控制模式，加大噴油量使發(fā)動(dòng)機(jī)中的混合氣處于過(guò)濃狀態(tài)，同時(shí)推遲點(diǎn)火角使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒滯后。該過(guò)程中大量的未燃混合氣進(jìn)入排氣系統(tǒng)，此時(shí)由于排氣系統(tǒng)中催化器還未達(dá)到起燃溫度，不能起到催化作用，導(dǎo)致尾氣中的HC及CO濃度很高。

汽油機(jī)中催化器對(duì)尾氣處理起重要作用，但要具備溫度和混合氣濃度兩個(gè)條件，只有催化劑的溫度達(dá)到起燃溫度且尾氣中的混合氣空燃比接近理論值時(shí)，才能使尾氣中的CH4、CO、C3H8、NOx、O2等物質(zhì)之間發(fā)生充分的氧化還原反應(yīng)[4]。

二次空氣的噴入滿足上述兩個(gè)條件，在冷起動(dòng)及暖機(jī)過(guò)程中向排氣歧管中噴入新鮮空氣，其與尾氣中未燃的HC及CO等物質(zhì)充分混合，由于此時(shí)排氣歧管中的溫度還較高，所以混合氣會(huì)在排氣管中再次發(fā)生熱氧化反應(yīng)，部分未燃的HC、CO轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2和H2O,同時(shí)釋放出大量熱量，既降低污染物又加快了催化器的升溫速度。同時(shí)二次空氣給尾氣帶來(lái)更多的新鮮空氣，使催化器前的混合氣空燃比接近理論值，也降低發(fā)動(dòng)機(jī)有害氣體的排放量。

3 二次空氣發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)及儀器設(shè)備

試驗(yàn)采用的V6發(fā)動(dòng)機(jī)是一款進(jìn)氣道多點(diǎn)噴射、4沖程、雙頂置4氣門(mén)、3.0 L排量的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，主要參數(shù)見(jiàn)表1。臺(tái)架示意如圖1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

3.2 測(cè)量點(diǎn)布置

圖2為二次空氣試驗(yàn)的總體布置示意。試驗(yàn)用二次空氣為干燥脫水的壓縮空氣，在每個(gè)排氣歧管上安裝相同長(zhǎng)度和管徑的噴射管且噴射角度相同，以保證每個(gè)歧管?chē)娙胂嗤亩慰諝馇一旌暇鶆蛐砸恢?。為了使噴入的二次空氣與尾氣混合均勻，對(duì)伸入排氣歧管的二次空氣噴管進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)及安裝（見(jiàn)圖2），將噴管的末端設(shè)計(jì)為45°斜切口，安裝時(shí)使切口朝向與尾氣流動(dòng)方向相反，使二次空氣噴入排氣歧管后在尾氣流動(dòng)的作用下產(chǎn)生更強(qiáng)的湍流，從而混合更均勻。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度采樣點(diǎn)為發(fā)動(dòng)機(jī)出水口處，機(jī)油溫度采樣點(diǎn)為發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼處，進(jìn)氣溫度壓力濕度采樣點(diǎn)為空氣濾清器入口處，三效催化轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱催化器）前后各一個(gè)排放采樣探頭，催化前和催化中各一個(gè)溫度采樣點(diǎn)。試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)對(duì)節(jié)溫器進(jìn)行預(yù)處理，使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水在試驗(yàn)時(shí)始終保持大循環(huán)狀態(tài)，以保證冷卻水能穩(wěn)定在目標(biāo)范圍內(nèi)。其余測(cè)量參數(shù)按照常規(guī)臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置。

3.3 試驗(yàn)方法

在排放法規(guī)中發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)及暖機(jī)過(guò)程中產(chǎn)生的氣態(tài)污染物在整個(gè)測(cè)試循環(huán)中占的比重最大，故該試驗(yàn)主要研究冷態(tài)、低速、低負(fù)荷狀態(tài)下二次空氣對(duì)氣態(tài)污染物的排放影響規(guī)律。

以排放法規(guī)為依據(jù)經(jīng)過(guò)統(tǒng)籌計(jì)算，試驗(yàn)選用的工況為轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，平均有效壓力（BMEP）為0.1 MPa。為了使臺(tái)架試驗(yàn)更真實(shí)準(zhǔn)確，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度在水恒溫設(shè)備的作用下保持在20～30℃，機(jī)油溫度在機(jī)油冷卻器的作用下保持在25～35℃，進(jìn)氣溫度在進(jìn)氣空調(diào)的作用下保持在20℃左右。在油溫、水溫及外部環(huán)境恒定的情況下進(jìn)行試驗(yàn)：

a.保持發(fā)動(dòng)機(jī)工況不變，通過(guò)電控軟件推遲點(diǎn)火角至發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行邊界，然后鎖定點(diǎn)火角；

b.發(fā)動(dòng)機(jī)油路開(kāi)環(huán)控制，通過(guò)ECU調(diào)整噴油系數(shù)，使缸內(nèi)λ在0.75～1.00之間變化，步長(zhǎng)為0.05；

c.在每個(gè)缸內(nèi)λ恒定的情況下，調(diào)節(jié)二次空氣調(diào)壓閥使缸外λ在0.75～1.30之間變化，步長(zhǎng)為0.05，當(dāng)排氣溫度超過(guò)850℃時(shí)停止試驗(yàn)；

d.每次調(diào)節(jié)完二次空氣后穩(wěn)定1 min，然后記錄所有臺(tái)架及排放數(shù)據(jù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 二次空氣流量變化規(guī)律

圖3為二次空氣流量變化規(guī)律?？芍诟變?nèi)λ不變的情況下，缸外λ隨著二次空氣噴入量的增加而增大；在缸外λ不變的情況下，二次空氣噴入量隨著缸內(nèi)λ的減小而增大。

4.2 催化器前溫度變化規(guī)律

圖4為催化器前溫度變化規(guī)律?？芍?，在缸內(nèi)λ相同時(shí)，催化器前的排氣溫度隨二次空氣噴入的增加而降低，其原因是新鮮空氣噴入越多對(duì)尾氣的稀釋作用越大，噴入的空氣升溫所吸收的熱量就越多，排氣溫度就會(huì)越低；在缸外λ相同時(shí)，催化器前的排氣溫度隨缸內(nèi)λ的降低而降低，其原因是缸內(nèi)λ越低，混合氣越濃，燃燒越不充分，釋放的熱量越少，同時(shí)由圖3得出在缸外λ不變時(shí)，尾氣中二次空氣的噴入量隨缸內(nèi)λ的減小而增加，更多的二次空氣加劇了尾氣溫度的降低速度。

4.3 催化器中溫度變化規(guī)律

圖5為催化器中的溫度變化規(guī)律。可知，在缸內(nèi)λ相同時(shí)，催化器中心的溫度隨著二次空氣噴入量的增加而出現(xiàn)先升高后降低的現(xiàn)象；在缸外λ相同的情況下，催化器中心的溫度隨著缸內(nèi)λ的降低而增大。

造成第1種現(xiàn)象的原因是，新鮮空氣噴入排氣管中后，未燃燒的混合氣會(huì)在催化器中繼續(xù)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，同時(shí)釋放出大量的熱量，使催化器中的溫度升高，但是當(dāng)缸外λ大于1后，催化器中的溫度反而會(huì)降低，這主要是由于噴入的新鮮空氣太多，過(guò)稀的混合氣在催化器中發(fā)生氧化還原反應(yīng)不充分，同時(shí)沒(méi)有參與反應(yīng)的新鮮空氣在該過(guò)程中吸熱升溫，因此使催化器中的溫度降低，從而會(huì)出現(xiàn)先升高后降低的現(xiàn)象。

造成第2種現(xiàn)象的原因是，在缸外λ相同時(shí)，尾氣中未燃燒的可燃物隨著缸內(nèi)λ的降低而增加，同時(shí)由于缸外λ保持不變，所以噴入的新鮮空氣也會(huì)按比例增加，導(dǎo)致大量尾氣在催化器中發(fā)生氧化還原反應(yīng)，同時(shí)放出大量的熱量，使催化器中的溫度隨缸內(nèi)λ的降低而增加。

4.4 HC排放變化規(guī)律

圖6為催化器前的HC變化規(guī)律?？芍?，在缸內(nèi)λ相同時(shí)，催化器前尾氣中HC的濃度隨著二次空氣噴入量的增加而減小，其原因是二次空氣對(duì)尾氣中HC進(jìn)行稀釋并使部分HC發(fā)生熱氧化反應(yīng)，導(dǎo)致HC濃度出現(xiàn)不同程度的下降；在缸外λ相同時(shí)，催化器前尾氣中HC的濃度隨著缸內(nèi)λ的降低而增加，其原因是混合氣在缸內(nèi)燃燒的過(guò)程中，混合氣越濃燃燒越不充分，尾氣中的HC含量越高。

圖7為催化器后的HC變化規(guī)律?？芍呋骱蟮腍C濃度在二次空氣的作用下發(fā)生巨大變化。有兩個(gè)區(qū)域出現(xiàn)了HC濃度幾乎為0的情況，說(shuō)明該區(qū)域的HC被氧化還原的很徹底。選用合適的缸內(nèi)混合氣濃度和噴入適當(dāng)?shù)亩慰諝饬?，在三元催化劑的作用下，可以大幅度降低尾氣中的HC含量，最大限度的凈化尾氣中的有害氣體。

4.5 CO排放變化規(guī)律

圖8為催化器前的CO變化規(guī)律?？芍?，催化器前的CO濃度變化規(guī)律與HC非常相似，說(shuō)明二次空氣對(duì)CO和HC的影響規(guī)律相同，其內(nèi)在原理也基本一致。

圖9為催化器后的CO變化規(guī)律?？芍慰諝馀c尾氣中大量的CO在三元催化劑的作用下發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，使催化器后尾氣中的CO濃度成數(shù)量級(jí)的降低，如果選用合適的缸內(nèi)λ和噴入適量的二次空氣，可使尾氣中CO的含量大幅下降。

4.6 NOx排放變化規(guī)律

圖10為催化器前的NOx變化規(guī)律?？芍诟變?nèi)λ相同的情況下，催化器前的NOx濃度隨著二次空氣噴入的增加而降低；在缸外λ相同的情況下，催化器前的NOx濃度隨著缸內(nèi)λ的減小而降低。

由NOx的生成機(jī)理可知，NOx的產(chǎn)生與溫度有很大關(guān)系，尾氣溫度越高越容易產(chǎn)生NOx，所以圖10的變化規(guī)律與圖4的變化規(guī)律相同。

圖11為催化器后的NOx變化規(guī)律。可知，在缸內(nèi)λ不變的情況下，催化器后NOx的濃度隨著二次空氣噴入量的增加而增大，說(shuō)明二次空氣的加入會(huì)使尾氣中產(chǎn)生更多的NOx，不利于降低NOx濃度。但在圖11的左下角NOx的濃度幾乎為0，結(jié)合圖7和圖9中的HC和CO的濃度分布情況，可以找出一個(gè)既能降低HC和CO，又不使NOx大幅增大的缸內(nèi)、缸外λ組合區(qū)域，該區(qū)域的中心為缸內(nèi)λ=0.85、缸外λ=1，在該區(qū)域合理利用二次空氣技術(shù)，就能達(dá)到降低尾氣中HC和CO含量的同時(shí)又不使NOx排放量過(guò)度增加的效果。

4.7 燃油消耗率變化規(guī)律

燃油消耗率與二次空氣噴入量的關(guān)系如圖12所示。在缸內(nèi)λ相同的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率隨著二次空氣噴入量的增加而小幅增長(zhǎng)或保持不變。其原因是二次空氣的噴入使排氣背壓小幅增長(zhǎng)，導(dǎo)致進(jìn)、排氣受阻，缸內(nèi)殘余廢氣增加，泵氣損失功率加大從而影響油耗。

5 結(jié)束語(yǔ)

a.在汽油機(jī)后處理系統(tǒng)中，合理使用二次空氣噴射系統(tǒng)可有效降低冷起動(dòng)及暖機(jī)階段HC及CO的排放，同時(shí)抑制油耗及NOx排放的增長(zhǎng)。

b.該V型汽油機(jī)二次空氣噴射效果最佳的區(qū)域?yàn)橐愿變?nèi)λ=0.85、缸外λ=1為中心的局部區(qū)域，最佳二次空氣的噴入量約為4.5 kg/h左右。

1 程勇,王建昕,莊人雋,等.電噴汽油機(jī)起動(dòng)及暖機(jī)過(guò)程HC排放的測(cè)試分析.汽車(chē)工程,2002,24（4）：331～335.

2 蔡銳彬,秦宇.對(duì)二次空氣改善車(chē)用汽油機(jī)排氣凈化效果的研究.車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī),2000（5）：34～36.

3 王永軍,徐世利,王彬.轎車(chē)?yán)淦饎?dòng)/暖機(jī)工況排放優(yōu)化.汽車(chē)技術(shù),2006（4）：13～15.

4 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

（責(zé)任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2017年5月1日。

The Study on the Influence of Secondary Air Injection System on the Emission and Fuel Consumption of V-Type Gasoline Engine

Song Qingwen1,Lv Mingrui2,Chen Li1,Guo Yingjun1,Hao Wei1,Yan Tao1,Xu Ningning1
（1.China FAW Corporation Limited R&D Center,Changchun 130011;2.China Automotive Technology&Research Center,Tianjin 300300）

In order to reduce engine emissions and fuel consumption,a method of injecting secondary air into the exhaust manifold is used during the cold start of engine.This paper studied the effect of secondary air injection on the emission and fuel consumption of the cold engine.The experimental results show that the application of the secondary air injection system can effectively reduce the emissions of HC and CO at the cold starting stage of the engine without increasing the fuel consumption.

Secondary air injection system,Engine,Emissions,Fuel Consumption

二次空氣噴射系統(tǒng) 發(fā)動(dòng)機(jī) 排放 油耗

U464.1

A

1000-3703（2017）07-0043-04