GDI(汽油机缸内直喷技术)排放特性及后处理.doc

GDI排放特性及后处理1前言随着经济的发展及人民生活水平的不断提高,汽车保有量越来越大。汽车在带给人类巨大便利的同时也带给人类严重的环境污染，为此世界各国纷纷制定愈来愈严格的排放法规，以减少汽车废气 排放污染。为满足排放法规的要求，人们对发动机排放控制技术的研究也在不断的深入 。2汽油机有害排放物的成分及其危害汽油机排放物的成分非常复杂,除了N2、O2、CO2、H2和水蒸气等无害外，其余均为有害成分，主要是从排气管排出的废气和其它部位漏出的燃料蒸汽以及从曲轴箱窜出的气体，主要包括不完全燃烧生成的CO，未燃烧的燃料HC，高温燃烧时生成的NOx等。（1）CO是城市大气中的主要污染物，而汽车排出的CO占整个大气中的90%以上，CO易与血红蛋白结合，致使人体缺氧，引起头痛、头晕、呕吐等症状，严重时可使人窒息死亡；（2）NOx、HC化合物在阳光中紫外线照射作用下发生一系列的链式化学反应，NOx是光化学烟雾产生的主要元凶，使人眼红、头痛、手足抽搐，还会使植物枯死并使橡胶破裂。空气污染的危害广泛而深远，已严重威胁着人类的生存与发展 。3传统内燃机有害成份的生成机理3.1CO生成机理CO是一种不完全燃烧的产物，是汽油机排气中有害成分浓度最大的物质，其生成主要受混合气浓度的影响，在过量空气系数a的浓混合气工况时，由于缺氧使燃烧中的碳不能完全氧化成CO2，CO作为中间产物生成。 在a1的稀混合气工况时，理论上不应有CO产生，但实际燃烧过程中，由于混合不均匀部分区域的a1条件成立，由局部燃烧不完全而产生CO或者已成为燃烧产物的CO2 和H2O在高温时吸热，产生热离解分解反应，由此生成CO。3.2HC生成机理HC排放物的生成除了曲轴箱通风口漏出和油箱蒸发外，主要是不完全燃烧、壁面淬熄等原因：（1）不完全燃烧：发动机运转时，若混合气过浓或过稀，或着废气被严重稀释，或者点火系统发生故障，则火花塞可能不跳火，或者跳火后不能使混合气着火，或者着火后又在传播过程中熄灭，致使混合气中部分燃料，甚至全部燃料以未燃HC形式排出，使HC排放明显升高。（2）壁面淬熄效应：壁面淬熄效应是指温度较低的燃烧室壁面对火焰的迅速冷却，使活化分子的能力被吸收，链式反应中断，在壁面形成0.050.4mm的未燃或不完全燃烧的火焰淬熄层，产生大量未燃的HC。（3）狭缝效应：狭缝主要指活塞、活塞环和气缸壁之间的间隙，火花塞螺纹间隙，进排气门与气缸盖气门座面相配的密封带间隙等。汽油机工作时总会有一些燃油隐藏在这些缝隙中，因火焰无法传入其中而不能燃烧，成为未燃烧HC的一个来源。（4）壁面油膜和积炭吸附：在进气和压缩过程中，气缸壁面上的润滑油膜，以及沉积在活塞顶部、燃烧室壁面和进气门、排气门上的多孔性积炭，会吸附未燃混合气和燃油蒸气，在膨胀和 排气过程中这些吸附的燃油蒸气会随之进入气态的燃烧产物中。这样HC的少部分被氧化，大部分则随已燃气体排出气缸。3.3NOx生成机理氮氧化合物的形成和其它废气不同，它不是来自燃料，而是空气中的氧和氮在燃烧室高温高压作用下反应生成的，NOx主要以NO的形式出现，高温下，氧分子分解成氧原子，处于分子状态的氮与氧原子碰撞生成NO。汽油机尾气中的NO主要取决于温度和混合气浓度。在供给稀混合气时，NO随温度增加而迅速增多，在一定温度时，NO随混合气加浓而降低，即高温富氧易产生氮氧化合物。另外NO还与滞留时间有关，高温持续时间越长，NO生成时间越长，NO就越多。4GDI发动机的HC排放机理相比较一氧化碳和碳氢化合物的排放，点燃式发动机的HC排放机理是最复杂的。我们认为总的HC排放量主要发生在两个连续的阶段。首先是HC的来源：采取几个不同的措施防止一小部分燃油窜入正在正常燃烧的汽缸，其次，未能完全燃烧的HC通过排气门进入排气管，它们在排气冲程都被排出汽缸。因此必然会在排气管中出现HC。4.1GDI发动机HC的形成机理与传统的PFI发动机一样，不完整的火焰传播，墙壁淬火，缸壁裂缝和湿润等也是GDI发动机HC的主要来源。然而，GDI发动机特殊的燃烧系统与PFI发动机在燃烧系统方面有很大的不同。因此在HC形成方面存在一些不同。特别是汽缸壁的湿度方面。发动机启动时在进气行程注入燃料的过程中，发动机的活塞顶面和汽缸壁是湿润的。原因是因为发动机启动时发动机的活塞和气缸套的温度很低，注入的大量燃料粘附在活塞顶以及气缸套表面，无法及时蒸发。而在膨胀做功行程过程中粘附在活塞顶及气缸套表面的燃油才开始蒸发，因此造成HC排放的增加。当发动机暖机结束后，对PFI发动机而言，因为流入发动机汽缸的气体经过加热，所以因为燃油造成的发动机活塞及气缸套表面湿润地方的液体会很快蒸发为气体，因此不会增加HC的排放量。但是对于GDI发动机，其空气混合物形成的时间极短，粘附在发动机气缸套上的燃油依然不能完全蒸发。所在GDI发动机的整个运行过程中都会影响到HC的排放。参考目前的研究成果，不同的湿润部位例如：活塞腔，进气门底座，排气门底座会产生不同量的HC排放。根据实验排气门底座的湿润状态是最坏的情况，而进气门底座湿润状态是最好的情况，活塞顶的湿润状态比排气门湿润状态稍好。HC的排放比几乎完全取决于喷油时刻造成的汽缸内部的湿润情况。对于GDI发动机，其燃油的直接燃烧会产生一些独特的HC来源。就像我们知道的，GDI发动机的燃油蒸发以及空气混合燃料的形成时间极短。由于燃油不良的蒸发，有大部分参与燃烧做功，而另一部分则形成未燃的HC排放物。为了减少由于燃油在气缸内的不良好蒸发造成的过多的HC排放。GDI发动机的燃烧系统的设计是一个非常重要的方面。然而对于GDI发动机来说，它有两种燃烧方式：分层燃烧方式和均质燃烧方式两种。所以必须做权衡，这将会增加HC的排放尤其是在均质燃烧的运转状况。 此外，与PFI发动机相比，GDI发动机的空燃比很高，所以，GDI发动机的缸内燃烧温度比PFI发动机相对较低。这导致汽缸内的HC未能完全氧化。因此发动机的HC排放增加。由于同样的原因，发动机排放的废气很难被催化剂催化转化成对大气无害的气体。所以在冷启动阶段GDI发动机排放的尾气中的HC处在一个非常高的水平。5GDI排放后处理GDI发动机确实可以提高燃油经济性，但是，同时其提高幅度也受到严格的排放要求的限制。无论是在欧洲、北美还是其他地方，更进一步的排放标准要求燃烧系统、发动机运行策略和尾气后处理系统须加以协调发展。所以真正的GDI发动机的燃油经济性会远远低于理论值。大多数车用GDI发动机由于受到严格的排放标准的限制，无法完全发挥其潜在的燃油经济性优势，为了满足排放标准，采取了轻度节流、稀燃NOX后处理系统、NOX存储型转化器。5.1轻度节流GDI技术显著提高汽车燃油经济性的潜力主要归因于发动机燃烧的混合气以分层充气模式形成，从而避开了因负荷变化调节进气流量而可能出现的截流损失。然而，在发动机稳定运行过程中，在保持一个能使催化器有效工作的温度的前提下，实现稳定的超稀燃烧是非常困难的。因此，稀燃可实现范围的扩展将收到排气温度要求的限制。为了扩展稀燃运行范围，或许确实需要一定的进气管真空度以保持排气温度在催化器有效工作温度以上，这一限制使得GDI发动机在MVEG测试循环下的燃油经济性降低36%。在最低负荷工况下也许确实需要一定的节流以使燃烧稳定性保持在一个可接受的水平。轻度的节流已经证实对HC排放控制有效；例如，在20%的EGR率下，通过轻度的节流可以减少HC排放达20%，不过这也导致燃油经济性降低了3%。在设计可实现分层燃烧的GDI发动机时，也必须使其可以运行在需要均质充气的冷气动或高负荷工况条件下。对于这样的运行条件，采用适当的节流是非常有利的。节流的应用同样有利于发动机各种运行模式间的平滑过渡。另外，在为了减少NOX排放而采用高EGR率的情况下以及碳罐的净化也需要一定的进气管真空度。在发动机管理系统（EMS）控制下采用节流的方法能使其迅速实现，并能提高1%的燃油经济性。对于GDI发动机在某一运行条件范围的燃油消耗情况，通过采用双区模型进行分析后发现燃油经济性可以增加20%，这一结果是和当前使用三效催化器的PFI发动机相比得到的，并且在该运行范围内GDI发动机都是采用了混合气分层模式。然而，这对后处理来说是不实际的。催化器的有效运行温度是一个很重要的参数，如果催化器的进口温度要保持在一个重要的的限值以上，就不可能在整个运行范围内使用超稀混合气。分析同时表明，如果考虑到排放要求限制，可采用分层混合气的发动机工作范围会非常窄，这使得预期的燃油经济性提高幅度降低10。显然，这就要求催化转化技术需要更进一步的提高。这样才能使高度分层的混合气燃烧的潜在优势全部发挥出来。由于稀燃和较低的节流程度，会导致排气温度过低，这给保持催化温度和转化效率提出了一个大难题。需要强调的是，提高直喷燃烧系统在更高的稀释比下运行的能力以提高燃油经济性实施起来是受到限制的。由于使用过高的混合气稀释比会使排气温度降低，因此实际上是不可行的。5.2稀燃NOX后处理系统为了保持催化温度和理想的转化效率，稀燃NOX后处理系统的最低温度限制要求了发动机实际可采用的最高稀释比不能高于某一限值。采用比这一限值更低的空燃比是不现实的。相反地，稀燃NOX后处理系统的最高温度限制决定了分层充气或稀薄均质充气运行时的发动机所能承受的最高负荷。稀燃系统在高于这一载荷限制的条件下运行会直接导致 NOX排放大大增加。另外，可采用分层充气模式的最大负荷也受到碳烟排放水平的限制。因此，对于能够大幅提高燃油经济性的、采用分层混合气或稀薄均质混合气的负荷区域而言，稀燃NOX后处理系统的温度限制也大大限制了它的范围。这样，改善稀燃NOX后处理系统的特性和扩大这一负荷区域是最大程度发挥GDI技术燃油经济性潜力的关键。5.3NOX存储式催化器NOX存储型转化器是为满足燃油直喷发动机而特别设计的，在其排气侧装有一个NOx感应器。传统的三向催化式转化器无法在发动机燃烧不充分阶段将氮氧化物充分分解；因此排气中的成分将含有大量有害的化学物质。含有钡金属涂层的存储型催化式转化器能够高效地完成将大量残留氮氧化物转化为无害氮气的任务。存储型转化器由设定的运行特性和温度控制。当转化器达到饱和，发动机会在短时间内生成更浓的混合气体。这会使排气的温度升高，这时转化器涂层的钡分子便开始释放氮氧化物。氮氧化物会随之被转化为氮气。净化高浓度混合气体程序的工作频率，由发动机的运行条件所决定，不过平均运行每分钟内，会有几秒钟的时间用来净化尾气。 NOX存储式催化器需要周期性的再生和净化，可以通过短时间的多喷油来实现，但这会直接导致燃油经济性的降低。这一点在高速高负荷时尤为明显，因为此时发动机不是运行在稀薄分层混合气模式下就是稀薄均质充气模式下。对于中负荷运行条件下，可采用分层混合气的运行区域不是受燃烧系统的限制，而是更多的受NOX存储式催化器净化要求的限制。排气温度和发动机NOX排放主要随着发动机转速和负荷的增加而升高。在相同的发动机运行区域，NOX存储式催化器存储能力下降，相应地需要更加频繁地对其加以净化，这对发动机的燃油经济性会产生负面的影响。在某些工况点上，这种净化频率会成为比燃烧系统本身更严格的限制因素