車用內(nèi)燃機(jī)主要排放污染物的生成機(jī)理與控制策略

李嘉柱

摘要：本文闡述歸納了車用汽、柴油機(jī)的排放污染物生成機(jī)理。并從機(jī)內(nèi)、機(jī)外兩個(gè)角度分析，最終得出汽油機(jī)與柴油機(jī)的綜合排放控制策略。

關(guān)鍵詞：汽車污染物;排放控制

1 ?車用內(nèi)燃機(jī)主要排放污染物的生成機(jī)理

汽車排放物種類眾多，按燃燒角度看可分為：完全燃燒產(chǎn)物二氧化碳（CO2）、水蒸氣（H2O）、氧氣（O2）、氮?dú)猓∟2）等;不完全燃燒與燃燒中間產(chǎn)物一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮═HC）、氮氧化合物（NOX）、二氧化硫（SO2）、顆粒物（PM）等。

可燃混合氣形成與燃燒方式上的差異，導(dǎo)致汽油機(jī)與柴油機(jī)在排放污染物種類與排放控制策略也有所差異。

從圖1可以看出，汽油機(jī)主要排放污染物為CO、HC和NOX，柴油機(jī)主要排放污染物為NOX和顆粒物（PM）。此外，目前的國六法規(guī)還對NMHC（非甲烷總烴）與PN（固體懸浮顆粒數(shù)）進(jìn)行了限值要求[3]。下面將分析排放污染物的主要生成機(jī)理。

1.1 CO的生成機(jī)理

CO主要是烴類物質(zhì)的不完全燃燒產(chǎn)生。具體原因有：①過量空氣系數(shù)小于一時(shí)，C不能完全氧化，CO為未完全燃燒產(chǎn)物。②過量空氣系數(shù)大于一時(shí)，理論上無未完全燃燒產(chǎn)生的CO，但實(shí)際燃燒過程中，混合氣的不均勻會(huì)使局部區(qū)域燃燒不完全，加上壁面油膜隨進(jìn)氣而邊流動(dòng)邊蒸發(fā)也會(huì)造成不均勻，從而產(chǎn)生CO。③燃燒生成的CO2高溫時(shí)可解離為CO[2]。④排期過程中，未燃碳?xì)浠衔锊煌耆趸磻?yīng)也生成CO。

1.2 HC的生成機(jī)理

車輛排放生成的HC種類繁多，包含芳香烴、烯烴、烷烴以及醛類等。與CO類似，其主要產(chǎn)生原因也是燃油的不完全燃燒，此外還有燃油的揮發(fā)。具體原因：①缸內(nèi)壁面淬熄效應(yīng)（占30%-50%）：低溫壁面及附面層將火焰前鋒面冷卻，活化分子能量被吸收，燃燒鏈反應(yīng)中斷，壁面形成淬熄層[6]，冷啟動(dòng)與怠速時(shí)尤為明顯。②縫隙效應(yīng)：在活塞與缸壁之間、缸蓋、缸墊和缸體之間的窄縫、進(jìn)、排氣門和氣門座之間、火花塞中心電極附近由于面容比很大，導(dǎo)致火焰難以傳播，淬熄效應(yīng)加劇。③油膜與積碳的吸附效應(yīng)（占35%-50%）：進(jìn)氣沖程與壓縮沖程，缸內(nèi)氣壓增大，氣缸壁面的潤滑油膜、活塞頂與燃燒室壁面、進(jìn)排氣門上的積碳開始吸附燃油蒸汽與HC，在膨脹與排氣過程中少部分HC被氧化，大直接部分排出氣缸。④不完全燃燒：啟動(dòng)、怠速以及高負(fù)荷工況下，為提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率采用過濃混合氣以及中等負(fù)荷工況下采用較大殘余廢氣系數(shù)都會(huì)使得燃燒不完全，HC排放升高。

1.3 NOX的生成機(jī)理

NOX是NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5等的總稱，其中NO在排氣中占99%，NO2約占1%。NO在經(jīng)排氣管進(jìn)入大氣后，與氧氣反應(yīng)最后生成NO2。

NO的主要生成方式有[1]：①高溫NO（主要來源），據(jù)高溫反應(yīng)機(jī)理，產(chǎn)生NO的三要素為反應(yīng)溫度、時(shí)間和氧氣濃度，氧氣足夠的情況下，反應(yīng)溫度越高、時(shí)間越長，產(chǎn)生的NO越多。②激發(fā)NO，過量空氣系數(shù)小于一時(shí)，在燃燒氣體中（火焰前鋒面上）發(fā)生一系列活化能不高的反應(yīng)，且不需要很高溫度即可進(jìn)行。③燃料NO，對于柴油機(jī)，因其燃料中氮含量（0.002～0.03%）較汽油機(jī)高，會(huì)發(fā)生類似激發(fā)的反應(yīng)，生成NO。[1]

1.4 顆粒物（PM）的生成機(jī)理

顆粒物分原始與二次顆粒。原始顆粒為內(nèi)燃機(jī)燃燒的產(chǎn)物;二次顆粒指排氣內(nèi)，各氣態(tài)、液態(tài)與固態(tài)組成間進(jìn)行物理或化學(xué)變化生成的顆粒。顆粒物（PM）含：碳煙（DS）、可溶性有機(jī)物（SOF）與硫酸鹽。其中碳煙占比最高，高負(fù)荷時(shí)尤為明顯。碳煙的生成過程為：①成核：氣相燃油分子高溫下發(fā)生熱裂解和部分氧化，變?yōu)楦鞣N不飽和烴，后脫氫產(chǎn)生原子級碳粒子，聚合為直徑2nm碳核。②長大：碳核間的相互碰撞以及周圍氣相烴的不斷聚集使碳核長大，最終變?yōu)樘紵熁ㄖ睆?0～30mm）?；倬蹫槎嗫拙酆衔铮ㄖ睆?微米）。③顆粒物（PM）生成：排氣過程中，隨溫度降低，有機(jī)成分SOF、硫酸鹽和水冷凝吸附在碳核表面，最終形成顆粒物（PM）。

2 ?汽油機(jī)排放控制技術(shù)

2.1 機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)

機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)指通過改善發(fā)動(dòng)機(jī)本身的設(shè)計(jì)和優(yōu)化燃燒過程來改善排放。機(jī)內(nèi)措施主要有：①采用電子控制技術(shù);②優(yōu)化燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì);③采取各種可變技術(shù);④廢氣再循環(huán)技術(shù)。⑤汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)（GDI）。

2.1.1 電子控制技術(shù)

通過閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行精確的點(diǎn)火、噴油、空燃比控制是改善汽油機(jī)排放的主要手段。

點(diǎn)火控制包括：①提高點(diǎn)火能量，使燃燒可靠性增加，循環(huán)波動(dòng)率下降，燃燒稀限上升，采用較高過量空氣系數(shù)來減少CO、HC排放。方法有：增大電極電壓、增大火花塞間隙、延長放電時(shí)間。隨著稀薄燃燒技術(shù)的推廣，無觸點(diǎn)高能點(diǎn)火系統(tǒng)（極間電壓1～2萬伏）廣泛應(yīng)用。②點(diǎn)火提前角控制，適當(dāng)推遲點(diǎn)火時(shí)刻，壓力最高點(diǎn)遠(yuǎn)離上止點(diǎn)位置，燃燒過程中體積變大，溫度降低，NOX排放減少;同時(shí)后燃期延長，排氣溫度上升，HC被氧化，減少HC排放。③精確控制空燃比，將空燃比控制在最佳空燃比誤差范圍內(nèi)。使污染物排放總量達(dá)到最優(yōu)。

2.1.2 優(yōu)化燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

優(yōu)化對象包括燃燒室形狀、缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)兩大方面。

①燃燒室設(shè)計(jì)應(yīng)使得：1）燃燒室形狀緊湊2）火花塞布置在中央3）減少縫隙容積（活塞頭部、火花塞、進(jìn)、排氣門），如采用高位活塞環(huán)。這些措施使得面容比減少，同時(shí)縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x。使得燃燒充分快速進(jìn)行，從而降低因燃燒不充分導(dǎo)致的CO、HC排放。同時(shí)面容比小，壁面淬熄效應(yīng)減輕，HC進(jìn)一步減少。②改善缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)，可通過改進(jìn)進(jìn)氣道形狀增強(qiáng)進(jìn)氣渦流，同時(shí)燃燒室內(nèi)的擠氣面設(shè)計(jì)可使得混合器產(chǎn)生壓縮湍流。上述措施都使混合氣湍流增強(qiáng)，油氣混合更均勻，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，燃燒充分快速進(jìn)行。

2.1.3 采取各種可變技術(shù)

包括可變配氣技術(shù)、可變壓縮比技術(shù)、可變工作氣缸數(shù)和可變增壓系統(tǒng)等[7]。其中最為常見的是可變進(jìn)排氣正時(shí)系統(tǒng)（VVT），采用多氣門技術(shù)，減少進(jìn)氣阻力，提高充量系數(shù)。氣門連續(xù)可變正時(shí)控制和升程控制來實(shí)現(xiàn)匹配發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速和工況下的進(jìn)排氣要求，達(dá)到最佳充氣效率。

2.1.4 廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR）

分為外部EGR和內(nèi)部EGR，廢氣再循環(huán)率一般不超過20%，廢氣再循環(huán)使得缸內(nèi)CO2增多，比熱容增加，燃燒溫度與速度下降，還可運(yùn)用中冷EGR進(jìn)一步降低燃耗溫度，NOX生成減少。內(nèi)部EGR通過調(diào)節(jié)氣門重疊角，使排氣不充分，廢氣滯留，實(shí)現(xiàn)廢氣循環(huán)[8]。

2.1.5 汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)（GDI）[1]

汽油機(jī)直噴技術(shù)與稀薄燃燒技術(shù)相結(jié)合，達(dá)到均質(zhì)燃燒與分層燃燒，提高混合氣混合程度，精確控制空燃比。有效降低HC排放，可增大壓縮比，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，節(jié)能30%以上。

2.2 機(jī)外凈化技術(shù)

前處理：①提高燃油品質(zhì)（低硫、苯、烯烴和芳烴）或添加清凈劑（促進(jìn)完全燃燒）;②采用清潔能源（壓縮天然氣、液化石油氣、醇類燃料）。

后處理：目前廣泛采用三元催化轉(zhuǎn)化器。通過鉑（PT）、鈀（PD）、銠（RH）三種貴金屬催化劑，通過氧化還原反應(yīng)將污染物轉(zhuǎn)化為CO2、H2O和N2。

3 ?柴油機(jī)排放控制策略

柴油機(jī)排放主要控制NOX與PM。其控制思路為：抑制預(yù)混合燃燒，使燃燒溫度降低，減小NOX排放;通過促進(jìn)擴(kuò)散燃燒，使黑煙、微粒降低。

柴油機(jī)機(jī)外凈化技術(shù)與汽油機(jī)類似，這里介紹柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)。

3.1 增壓與增壓中冷

進(jìn)氣密度大幅度提高，燃燒完全，PM降低。同時(shí)還降低CO與HC排放，動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性改善。但壓縮中溫度升高和富氧氛圍使得NOX排放增多，采用增壓中冷，抑制NOX生成。

3.2 改善噴油特性

初期低噴油速率，減少滯燃期混合氣生成量，初期燃燒速率減小，從而降低燃燒溫度。

中期急速噴油，采用高壓噴射（電控高壓油泵、共軌系統(tǒng)、泵噴嘴），有利于提供較高混合勢能，提高霧化質(zhì)量，加上卷吸作用，擴(kuò)散燃燒快速充分進(jìn)行[4]。

后期急斷油，避免后期噴油壓力下降導(dǎo)致霧化不良引起的燃燒不完全。

此外，采用多段噴射、預(yù)噴射也可使NOX降低。

3.3 優(yōu)化燃燒室設(shè)計(jì)

采用四氣門技術(shù)可以減少進(jìn)氣阻力，加大進(jìn)氣量，提高燃燒效率;采用緊湊燃燒室，加強(qiáng)燃燒中后期擾流，混合氣運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，碳煙氧化再燃燒加劇，排氣PM（碳煙）減少。

3.4 廢氣再循環(huán)（EGR）

類似于汽油機(jī)，一部分排氣經(jīng)冷卻后經(jīng)EGR閥進(jìn)入氣缸，增大混合氣比熱容，降低最高燃燒溫度，抑制燃燒速率，減少NOX排放。對柴油機(jī)運(yùn)行工況、進(jìn)氣溫度、冷卻水溫度等進(jìn)行測量，對廢棄循環(huán)量進(jìn)行修正，可得到最佳EGR率MAP圖[5]。

從上述控制策略可以看出，柴油機(jī)主要控制NOX與PM排放，汽油機(jī)主要控制CO、HC和NOX的排放。

4 ?結(jié)束語

降低燃油消耗、減少廢氣排放一直以來是企業(yè)與國家生產(chǎn)改進(jìn)的重點(diǎn)，也是汽車領(lǐng)域未來繼續(xù)研究發(fā)展的方向。了解內(nèi)燃機(jī)的污染物來源，掌握其控制方法與策略對今天的汽車制造業(yè)有著重要意義。

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