汽油机排气净化.doc

本科生毕业论文本科生毕业论文设计题目 汽油机排气净化与排放控制技术 作者姓名 指导教师 所在学院 专业（系） 班级（届） 完成日期 年 月 日目 录摘要11. 汽油机有害排放物的危害21.1 汽油机燃烧产生的污染物21.2 各种污染物带来的危害22. 汽油机主要污染物的生成机理42.1 污染物生成途径42.2 一氧化碳（CO）生成机理52.3 NOx的生成机理52.4 HC的生成机理63. 汽油机排放污染物生成的影响因素93.1 CO和HC生成的影响因素93.1.1 空燃比的影响93.1.2 负荷和转速的影响93.1.3 点火正时的影响113.1.4 燃烧室结构的影响113.2 NOx生成的影响因素124. 排气净化的主要控制措施164.1 机内净化174.1.1 改进发动机的设计174.1.2 电子控制燃油喷射系统204.2 机外净化214.2.1 废气再循环（EGR）214.2.2 曲轴箱强制通风装置（PCV）214.2.3 氧化催化方式224.2.4 热反应器224.2.5 三元催化转化装置（TWC）235. 排气污染物控制的新技术245.1 改善燃油品质245.2 汽油掺水技术24结论26参考文献27摘 要随着汽车行业的迅猛发展，汽车的保有量呈现出急速上升的趋势。由于汽车总数的增加，给环境保护也带来了很大的压力。尤其是，发动机排出的有害污染物对大气环境造成了很严重的威胁，为了保护地球环境，减少污染物的排放量，各国都相继制定了严格的排放标准，来控制发动机有害污染物的排放。本文通过对CO、HC和NOx三种有害污染物的研究，总结出各种污染物的生成机理和影响因素，从而确定出净化排气污染物的主要控制措施，并在此基础上，探索出了排气污染物控制的新技术；在研究的同时，兼顾了各种控制方法对发动机的动力性、经济性产生的影响，以寻求最优的综合性能。 关键词：汽油机 污染物 危害 机理 影响 措施 1 汽油机有害排放物的危害1.1 汽油机燃烧产生的污染物汽油机尾气排放中含有很多种成分。其中大部分成分是氧气（O2）、二氧化碳（CO2）、水蒸气（H2O）和氮气（N2）等，这些成分都是空气和燃料完全混合燃烧之后得到的产物，并且其本身无害。除了上述大部分成分之外，汽油机尾气排放中还存在少量的在燃烧反应过程中，生成的中间产物和未完全燃烧的产物，例如碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NOx）和颗粒等有害污染物都属于此类。虽然，此类物质在汽油机尾气排放总量中占的比例很小，但是由于它们本身很多成分是有毒的，且有的成分还具有很强的刺激性，甚至有些可以诱发癌症，因此它们被列入为有害污染物。1.2 各种污染物带来的危害1）CO带来的危害：CO是一种无色并且有毒的气体。它通过肺脏进入人体以后，由于其亲和能力比氧气高约300倍。所以，在人体内血红蛋白无法和氧气完成结合，而只能与一氧化碳相结合，这样便阻挡了血液输送氧气的可能性，会使人产生头晕和头痛的症状。严重时，会使中枢神经受损，最终有可能危及生命。2）CO2带来的危害：CO2是一种无色并且有刺激性气味的气体，其本身无毒，但是由于它本身会使得气体温度上升，导致温室效应的产生。再加上现在地球上森林资源不断减少，而燃料燃烧后排入大气的CO2日益增加，致使温室效应越来越严重。3）NOx带来的危害：NOx是在燃烧过程中产生的多种氮氧化物的总和，例如NO、NO2、N2O3等，都属于NOx。而在汽油机尾气排放中存在的有害污染物主要是NO和NO2。这两种物质给人体造成的危害都非常大。NO是无色气体，略微带有毒性，浓度较高的NO才会引起中枢神经轻度受损，但是NO非常容易和氧气反应生成NO2。NO2是一种褐色有毒气体。通过肺脏进入人体之后，非常容易和血红蛋白完成结合，这样便阻挡了血液向人体输送氧气的可能性。NO2还会与HC反应生成光化学烟雾，这种过氧化物会损害人的皮肤、眼睛，甚至还会刺激人的肺脏，引起肺炎或肺气肿。在大气中会生成硝酸，而硝酸是酸雨的主要来源成分之一。4）HC带来的危害：HC由未完全燃烧的和未燃的燃料共同组成，例如烯烃、烷烃、芳香烃等多种成分。烯烃稍微有点甜味，对粘膜刺激很大。烷烃对人体没有直接危害。芳香烃进入人体会损伤神经系统。HC中的烃类和NOx在大气中，会发生光化学反应，生成一种新的有害污染物光化学烟雾。5）微粒带来的危害：微粒是尾气排放物中碳烟、油雾和铅化物的总称。a. 碳烟：它是燃料在燃烧过程中燃烧不完全的产物。燃烧时肯定会生成很多燃烧不完全产物，它们会以很多形式附着在碳粒表面。这些附着在碳粒表面的物质很多都是致癌物质。b. 铅化物：为了改善燃油品质，曾在汽油中添加多种铅化物，例如添加四乙铅可以提高汽油的抗爆性，但这种含铅的汽油燃烧后，从排气管排出后将会产生铅化物，这些成分会对大气造成严重的污染。如果这种气体被吸入人体后，铅元素将会在人体内逐渐积累，累计到一定量时，就会引起铅中毒。2 汽油机主要污染物的生成机理2.1 污染物生成途径汽油机排入大气的污染物，按照排放的路径一般分为燃料蒸发泄漏、燃料燃烧排气和曲轴箱窜气这3种，如图2-1所示。图2-1 汽油机排气污染物的主要来源1）燃料蒸发泄漏：蒸发排放物是在发动机停止工作后，油箱中的汽油蒸汽通过空气滤清器排入大气。这些物质主要是未燃烧的碳氢化合物（HC）。若不能合理地加以控制，其排放量将占到HC排放总量的20%。而燃油蒸发形式基本有两种：一是当油箱内的压力比大气压力高时，燃油蒸气将从油箱的通风口泄漏出来，滴落到地面迅速蒸发从而造成有害物HC的污染。另一种是，采用传统化油器式发动机，燃油蒸汽经浮子室通风口泄漏。但是现在随着生产技术越来越先进，化油器式发动机已经被淘汰。许多车上也开始安装了燃油蒸发控制系统，即把燃油蒸发系统泄漏的燃油蒸汽用碳罐收集到一起，等到发动机正常运转时，再让其重新进入气缸并且参与燃烧。2）燃烧排气：汽油机中的有害污染物主要是经过排气管排出。在气缸中，如果燃料完全燃烧，HC中的氢和碳会被完全氧化并且生成H2O和CO2。但若是发生不完全燃烧将会生成不完全氧化的污染物HC和CO等。此外，由于反应是在温度很高时发生的，这就给NOx的形成创造了有利的条件。3）曲轴箱窜气：曲轴箱窜气指的是在发动机压缩行程中，缸内的混合气从活塞环间隙漏到曲轴箱内，并经其通风口将污染物排入大气。窜出的气体成分主要是未燃的碳氢化合物（HC）。而泄漏量也将会随着发动机的不断磨损而迅速增加，若不加以控制，这部分排放量将占到汽油机HC排放总量的25%。 排放污染物主要是指CO、NOx、HC、CO2和微粒；而燃油蒸发泄漏和曲轴箱窜气的排放污染物主要成分是HC。在这几种有害物质中，排放量比较大并且对大气环境造成严重污染是CO、NOx和HC。其他的有害物质含量很低，再加上HC和NOx是产生光化学烟雾的主要原因。所以本文只对这三种有害排放物的生成机理进行详细的分析。2.2 一氧化碳（CO）生成机理CO是人们在燃烧产物中发现的最早的污染物之一。CO是烃燃料氧化生成的中间产物，烃燃料与空气燃烧完全时可简化为下式：该式说明一个含n个碳原子和m个氢原子的烃燃料分子，燃烧完全时需要供给（n+m/4）个氧分子。若按理论空燃比完全燃烧，1g烃燃料大约需要供给14.7g的空气。但要是空气量不足时，部分燃料将不能燃烧完全，此时就会生成CO和H2，即因此，有害污染物CO的浓度基本上受空燃比的支配。而当混合气的实际空燃比超过理论空燃比时，在氧气富足的稀混合气中，排放物中将不会产生CO，取而代之生成的是O2。事实上由于各个气缸混合和分配不均匀，再加上燃烧室里的混合也不一定均匀，就会出现局部缺氧区域，使得在排气中还含有少量的CO。即使空气和燃料混合的很均匀，但由于燃烧后温度很高，使得已经产生的CO2也会有一部分被分解为O2和CO，另外H2O也会部分被分解成H2和O2，生成的H2也会使CO2还原成CO，所以排气中总会有少量CO存在。2CO22CO+O22H2O2H2+O2CO2+H2CO+H2O2.3 NOx的生成机理汽油机排气中的NOx主要是大量的NO和少量的NO2，其他的氮氧化合物含量很少。汽油机中的燃料在排入大气后，NO会转化成NO2。当温度超过2000时，氧分子会分解成氧原子，它和氮分子化合生成NO，泽尔多维奇反应认为NO的生成机理由以下三个反应式支配，即式2-1式2-2式2-3 O22O 式中 K1、K-1、K2、K-2-分别是正逆反应速度常数，其数值见表2-1。表2-1 反应速度常数速度常数单位（cm3/gmol）K1K-1K2K-27*1018exp（-75500/RT）1.55*101813.3*109T*exp(-7080/RT)3.2*109*exp（-39100/RT） 注：表内温度以K作为单位，R=1.986cal/(gmolk)这些反应均属于连锁反应，反应是从式1开始，大部分氧原子在燃烧到达很高温度时，由氧分子离解产生。在公式2中，当氮分子和氧原子相撞时，会生成NO及氮原子，然后在公式3中氮原子与氧分子相互碰撞，从而生成了NO和氧原子。在链反应式中，式2左边的氧可以由式3右边的氧来提供，但式2和式3生成的NO是同一数量级的。2.4 HC的生成机理 汽车尾气排放的HC是由氧化不完全产物、未完全燃烧烃以及燃烧过程中一些分解了的产物共同构成。这其中有很多种的碳氢化合物，比如饱和烃、不饱和烃、醛类等，成分很多，组成变化也很复杂。汽油机有害排放污染物中HC主要扩散途径有三个缸壁激冷效应、燃料燃烧不完全及二冲程扫气过程。四冲程发动机正常工作时，排放物HC的来源于缸壁激冷效应。1）缸壁激冷效应是指在火焰传播过程中，燃烧室壁面使接近它的混合气冻结，致使火焰不能一直传播到缸壁表面，即在缸壁冷却区周围出现的一种燃烧现象。通常冷壁的用处就是使反应减慢直至终止，并且会在缸壁表面留下一层未燃烧的或不完全燃烧的混合气。在发动机正常运转时，激冷层中的未燃HC在火焰掠过之后，将会扩散至已经燃烧的气体主流中，并且在气缸内大部分得到氧化，只有极少的一部分转化成未燃的HC排放。但在怠速和冷起动工况中，因为燃烧室壁面温度偏低，致使形成的淬熄层加厚，再加上已经燃烧的气体温度偏低并且混合气偏浓，致使后期氧化效果偏弱，因此缸壁激冷效应是未燃HC排放的主要来源。如图2-2所示图2-2 气缸中HC 的生成情况另外，缝隙效应是激冷效应的主要表现形式。燃烧室缝隙的组成如图2-3所示。燃烧室缝隙效应，也就是通常所说的双壁激冷。指的是汽油机在正常工作时经常会在燃烧室的缝隙中发现一些燃油蒸汽或液态油滴隐藏，因火焰无法到达缝隙中，所以其中的碳氢化合物不能参与燃烧，于是就成为了汽油机中未燃HC来源的一个重要因素，一般来说，缝隙效应对HC排放的影响不是很大，但是在低负荷工况时，活塞向上运动并且活塞环扫过气缸壁时，曾在冷却区聚集的燃油很容易堆积在活塞顶部第一道气环后面的缝隙中，使得HC的排放量增加。图2-3 燃烧室内缝隙的组成2）燃料燃烧不完全：发动机在正常运转时，若混合气过稀或过浓，又或者点火系统发生故障，再或者废气稀释很严重，则火花塞有可能不跳火，也可能虽然跳火却点火失败，亦或火焰在传播时自行熄灭，使得混合气中的部分以致于全部燃料均以未燃HC形式排出，加剧了大气污染。3 汽油机排放污染物生成的影响因素3.1 CO和HC生成的影响因素3.1.1 空燃比的影响空燃比A/F是影响排气污染物产生的一个重要因素。它对污染物HC、CO和NOx的影响如图3-1所示。从图中不难看出，随着空燃比不断增加，HC的排放浓度呈现出两头高、中间低的曲线；CO的排放浓度呈现出逐渐下降的趋势；而NOx的排放浓度却呈现出中间高、两头低的趋势，其浓度的峰值出现在靠近稀混合气一侧的理论空燃比附近，而HC排放浓度谷值出现在了比理论空燃比更稀的地方。在图3-1中，随着空燃比不断增加，CO的浓度反而降低，这是由于进气量的持续增加，燃料能完全燃烧，当实际空燃比大于理论空燃比后，CO仍能保持一定浓度，这是由于混合气空燃比高温分解、分布不均及反应冻结所导致的。随着空燃比不断增加，使得混合气的浓度变稀，燃烧温度降低，从而减少了高温分解，致使CO的浓度进一步下降。 图3-1 空燃比对有害排放物的影响3.1.2 负荷和转速的影响1）转速：发动机转速对HC和CO不存在直接的影响，而是通过进气门进气、混合气的形成以及燃料燃烧起作用，使HC、CO的排放浓度明显下降。这是因为随着转速的升高，活塞往复运动速度和混合气流经进气系统的流速也随之变快，气缸内紊流增强，促进了混合气充分混合，改善了缸内燃烧效率，从而减少了激冷层的厚度，并且还增加了排气的混合和扰流。最终使排气中的有害成分HC的排放量降低。转速对于CO排放浓度的影响很小，这是因为在正常的排气温度时，排气系统中有害排放物CO 的后期氧化反应程度，不受混合状况的影响，而取决于化学反应速度。但是在怠速工况下，影响程度就不一样了，如图3-2所示，提高怠速转速，使混合气变稀，再加上阻碍进气的能力变弱，从而使进入气缸的空气量明显增多，燃烧状况得到改善，最终使CO和 HC的排放量降低。所以，从降低汽油发动机排气污染着手，可适当增加怠速转速，但应注意的是，随着怠速转速的升高油耗也会增加。图3-2 CO、HC和怠速转速之间的关系2）负荷：汽油机在怠速及小负荷工况下工作时，节气门的位置分别处于接近关闭和最小开度，新鲜空气进入量较少，废气相对增多，由于供给的混合气较浓，燃烧室内温度比较低，燃烧速度缓慢，易发生不完全燃烧，导致CO的排放浓度升高，又因为缸内燃烧温度偏低，燃烧室壁面激冷现象相对严重，致使有些燃料没有来得及燃烧，燃油量增加，最终将导致HC排放量上升。在中等负荷（节气门开度从25%80%）工况下运转时，过量空气系数控制在1.0附近，混合气很容易完全燃烧，所以排气中CO的浓度较少，HC的浓度也偏低，但是由于燃烧室内温度上高，导致排气中NOx的生成量增加。在满负荷（节气门开度从80%100%）工况下运转时，为了满足发动机对动力性的要求，燃油供给系统需要供给浓混合气，使燃烧气体压力和温度升高，加剧了NOx的生成量，同时也使排气温度上升，保证了HC在排气中继续燃烧，使其排放量减少；但因混合气过浓，过量空气系数小于1.0，也使CO的浓度增加。 3.1.3 点火正时的影响空燃比一定时，随着点火提前角的减小（推迟点火），HC的排放减少，但燃油消耗量升高。HC排放浓度降低的原因在于推迟点火后，后燃增加，致使排气温度上升，促进了未燃烧成分的氧化，使HC的排放量减少。点火正时对CO 的排放浓度影响极小，除非是过分推迟点火，使CO没有充足的时间氧化完全，这也会导致CO的排放浓度上升，如图3-3所示。图3-3 点火提前角对HC和CO的影响 3.1.4 燃烧室结构的影响在汽油机的结构参数中，对排放有很大影响的主要有燃烧室的面容比、压缩比、气缸容积等。燃烧室的面积与容积之比（S/V）对汽油机HC的排放有很大的影响，如图3-4所示这是因为HC的排放主要是燃烧室的激冷效应引起的，而在燃烧室壁面附近的激冷层不能充分燃烧，进而形成排气中的未燃烃，所以能够让S/V增加的因素，都一定会使排气中有害污染物HC的浓度升高。从减少排放的角度看，在设计燃烧室时，应尽量降低燃烧室的S/V，而S/V是由燃烧室的基本形状所决定。但是CO 的排放浓度基本上不受燃烧室面容比的影响。图3-5列出了一组排量、缸径和压缩比均相同而面容比不相同的燃烧室。因此，合理设计燃烧室形状对减少有害排放物的生成至关重要。 图3-4 面容比对HC排放量的影响 图3-5 燃烧室的形状3.2 NOx生成的影响因素根据有害污染物NOx的生成机理，归纳出影响其排放量的主要因素有3个：1）O2的浓度：在高温条件时，氧气的浓度是有害排放物NOx生成的主要条件，若是氧气浓度低时，即使燃烧温度很高，NOx的生成也会受到抑制。2）燃烧温度：随着温度的升高，NOx的平衡浓度增加，生成速率加快。特别是在O2充足的情况下，高温是生成NOx的最重要因素，换言之，降低NOx排放量的最有效的措施就是降低最高燃烧温度。3）高温滞留时间：由于NOx的生成反应速度和分解反应缓慢，在缸内温度、压力变化速度很快时，NOx要想达到平衡浓度非常困难。温度较高并且停留时间越长，NOx的排放浓度就越高。反之，即使具备高温条件，如果缩短滞留时间，也可以达到降低NOx浓度的效果。所以，只要是对上述三方面有影响的因素，都可以影响NOx的生成量，下面分别进行讨论。a. 空燃比的影响 空燃比对缸内燃料燃烧时可以使用的含氧量和最高燃烧温度影响很大。如图3-6所示，为一台V8发动机的空燃比对NOx排放浓度的影响，图中的三条曲线分别表示了不同的最高燃烧温度。在混合气浓度较高时，含氧量和燃料燃烧后缸内温度都很低，从而限制了NOx的生成量，使其浓度下降；当空燃比A/F在16左右时，由于燃烧温度较高，燃料中含氧充足，此时，NOx排放浓度，出现峰值。对于空燃比A/F大于16的混合气，虽然增加氧气浓度可以促进NOx的生成反应，但由于火焰传播速度减慢，稀混合气的燃烧温度降低，也对NOx的生成有限制作用。所以无论混合气是很浓或很稀时，NOx的排放浓度都会下降。图3-6 空燃比对NOx的影响b. 点火时间的影响 点火时间对燃烧室的最高压力和最高温度均有很大的影响，点火时间对有害排放物NOx浓度含量的影响表示在图3-7中，在任何转速和负荷下，增大点火提前角，都会使NOx的含量增加。所以，从降低NOx排放的角度出发，可以采取减小点火提前角，同时缩短焰后燃烧产物区的反应时间，可以使NOx的排放量明显下降，但却以牺牲动力性作为代价。图3-7 点火时间对NOx的影响c. 转速的影响 对于空燃比不同的混合气来讲，转速对NOx的生成也有不同影响。如图3-8所示，当转速提高时，由于着火落后期受转速的影响不大，在点火时间恒定的条件下，大部分的燃烧将在做功行程温度和压力较低的地方进行，使得NOx的生成速率减慢。而燃烧速率较大的浓混合气，在增大转速后，由于气体在缸内的扰动得打加强，加大了火焰在气缸内的传播速度，并且也减少了燃烧的热损失，使NOx生成速率增加。图3-8 转速对NOx的影响d. 其他影响因素：冷却液温度升高后，燃料热量降低的能力减小，从而使燃料的最高燃烧温度升高，最终致使NOx的生成量加剧。 由于燃料中芳香烃的最高燃烧温度较高，所以它的成分对NOx的排放量有很大的影响，芳香烃含量增加，NOx的排放量也随之上升。4 排气净化的主要控制措施如前所述，汽车排出的污染物主要有三个来源，分别是：燃料蒸发泄漏、曲轴箱窜气和尾气排放。采用燃油蒸发控制系统能够解决油箱蒸发污染物的困扰，想要解决曲轴箱窜气带来的有害污染物可以用曲轴箱强制通风系统，但是排气污染物所涉及的成分很多，最不容易控制。人们经过很多年的的努力，并且在发动机的设计及排气后处理等方面进行了大量的尝试和研究，最终研发出了汽油机排气净化装置，使有害排放污染物得到有效的控制。如图4-1所示，汽油机排气净化系统由三个方面组成：曲轴箱强制通风系统、燃料蒸发控制系统以及催化净化系统。1）曲轴箱强制通风系统：是指在压缩行程中，气缸内的混合气从活塞环间隙窜入到曲轴箱内，并且重新进入到进气系统参与燃烧，从而避免了以有害污染物HC为主的混合气排入到大气中。2）燃料蒸发控制系统：是指从油箱和燃油系统管接头处蒸发并且排入大气的燃油蒸汽。目前车上最常用的是活性炭罐式吸附装置。其功用是用活性碳罐中的活性炭吸附油箱等处产生的有害气体，并且依靠进气管真空度的作用，使其同碳罐下部进入的空气一起被吸入进气管，最后进入气缸燃烧，而同时活性炭得到再生。3）催化净化系统：功用是使将要排出的有害污染物成分进一步下降，涵盖了用以控制空燃比反馈信号的氧传感器和催化器温度控制器等。图4-1 排气净化系统的组成汽油机中有害排放物CO的排量主要取决于空燃比，有害排放物HC的排量与点火时刻、空燃比、燃烧室的面容比S/V等有直接的关系，而NOx的排量主要取决于燃料的含氧量、最高燃烧温度和高温滞留时间。对此，根据控制汽油机排放污染物的有效途径，总结出汽油机的排气净化的措施，一般可分为两大类。第一类是通过对汽油机的改进和调整，改善缸内燃烧过程，减少有害污染物在机内的产生，从而降低尾气排放，如合理的控制点火时间和发动机的空燃比等就属于机内控制方法，或称为机内净化；另一类是例如热反应器、催化净化器、二次进气系统等将燃烧过程中产生的污染物用安装在排气系统上的净化装置进行后处理，使已经生成的有害污染物在净化装置中进一步减少或消失，已达到降低尾气排放的目的，这一类称为机外净化。4.1 机内净化4.1.1 改进发动机的设计 1）燃烧系统：燃烧室的形状主要影响未燃HC排放的浓度。理想的燃烧室形状应结构紧凑，表面积小，并且带有一定强度的进气涡流。这样可以形成快速燃烧，降低对辛烷值的要求，从而使HC的排放量降低。因此，半球形、帐篷形等紧凑型的燃烧室已经渐渐替代了楔形和浴盆形燃烧室。而燃烧室内火花塞的布置位置也成为影响排放物生成及燃料消耗的另一个重要因素，如图4-2所示。采用将火花塞布置在燃烧室的中心，减小了火焰传播行程，加快了燃烧过程。图4-2 火花塞布置形式对HC排放量的影响不论是从改善经济性、动力性还是从减少污染物排放出发，设计燃烧室形状的一个重要原则就是要尽可能使燃烧室紧凑。而优化燃烧系统的设计可以从以下几方面入手，来改善汽油机的排放性和经济性：a. 紧凑的燃烧室可以有效的防止发动机爆震。因为由于燃烧时间的延长，发生爆震的可能性也就越大。b. 面容比S/V小，可以减少燃烧室壁对混合气的淬熄效应，从而降低HC的排放量。c. 快速燃烧与推迟点火提前角或废气再循环等多措并举，可以在降低排放污染物的同时保证发动机的动力性。 2）活塞组设计：活塞、活塞环与汽缸壁之间形成的间隙，对汽油中HC的排放量有很大影响，因此要在发动机工作可靠的前提下尽可能缩小活塞头部与气缸的间隙，尽可能减小顶环到活塞顶部的距离，也就是减小火力岸的高度。为此，要寻找热膨胀更小的活塞材料和耐热性更好的活塞环材料以及合理地结构。3）压缩比：增大发动机的的压缩比是提高其热效率的重要因素，通常是在辛烷值允许的范围内尽可能应用较高的压缩比，来获得较高的功率和较低的油耗。高压缩比使缸内气体温度升高，促进了混合气的形成和燃烧，从而降低了HC的排量，并且可以有效的改善发动机的经济性、动力性和排气净化性能。传统的汽油机，根据最容易发生爆燃的工况（如最大扭矩）来选择压缩比；而现代电控汽油机，除了通过合理的措施改善燃烧过程，进而提高压缩比之外，灵活的电控系统也为进一步提高压缩比创造了有利条件，于是选择更高的压缩比，在大部分工况下正常燃烧，在发生爆燃时，通过安装在机体上的爆燃传感器接收信号，用ECU控制适当推迟点火以消除爆燃。4）点火系统：推迟点火对发动机的动力性、经济性和排放性有很大的影响，这也是目前一直应用最普遍的排放控制技术。如图4-3表示出了点火提前角对平均有效压力Pme、最高燃烧压力Pmax、燃油消耗率ge和排气温度Te的影响。当点火提前角在上止点前3540时，Pme和ge最佳，这是以保证经济性和动力性为目标时最常用的点火提前角。适当推迟点火会降低HC的排放量，这是由于排气温度上升，会使得有效压力降低和燃油消耗率上升。所以，运用这种方法来降低HC的排放有一定的限制。在实际中要全面考虑发动机的排放特性、经济性和动力性，从而确定出最佳的点火提前角。图4-3 点火提前角对动力性和经济性的影响除此之外，想要增强混合气着火的可靠性也可以采用提高点火能量的办法，增大混合气着火界限，是改善燃烧过程、降低HC排量的一项重要方法。 5）稀薄燃烧：指的是混合气中燃油含量较低，燃油与空气之比在1:25以上。稀薄燃烧的最大优点就是能够改善燃油经济性，使燃料燃烧效率高，同时还可以提高汽油机的输出功率。因为在实际空燃比远远大于理论空燃比时，点火较困难，发生爆燃的机率也很小，CO和NOx的排放量也会随着空燃比的增加而不断减少。然而，当空燃比增到一定程度时，燃烧速度减慢，燃料燃烧不完全，致使HC的排放量有所增加，而从稀薄燃烧到理论空燃比附近燃烧的过程中，空燃比是不断变化的。所以，三元催化转化器不能净化有害排放物NOx，所以要实现稀薄燃烧，主要的想法就是通过提高火焰喷射强度，增加涡流及稳流，进而增强火焰传播速度，与此同时也要发挥出三元催化转化器的工作效能，最终实现稀薄燃烧，从而达到降低燃油油耗和减少污染物排放的目的。汽油机实现稀薄燃烧的关键技术归纳起来有如下三个方面：a. 采用紧凑型燃烧室，通过改善进气口的位置使混合气在缸内形成一个强大的涡流，从而提高气体速度；并将火花塞布置在燃烧室中央，从而缩短点火距离，将压缩比提高到13：1左右，加快了燃料燃烧速度。b. 分层燃烧（非均质燃烧) 若稀薄燃烧的混合比在25:1以上，按照常规来讲是无法点燃的，因此要使用分层燃烧技术，将燃烧室中的混合气分为两部分，其中靠近火花塞附近的一小部分较浓，混合比达到12:1左右；其余外层逐渐稀薄。浓混合气点燃后会引燃较稀混合气使之正常燃烧。c. 高能点火和间隙较大的火花塞为形成火核创造了有利条件，从而缩短了火焰传播距离，并且加快了燃烧速度。有的稀薄燃烧发动机还采用2个火花塞或者多极火花塞的形式来达到此目的。上述三点只是单从整体角度出发，对汽油机稀薄燃烧技术进行归纳，但要是具体到某种机型就会有所差异。因为各种汽油机稀薄燃烧方式在技术上不完全一样，甚至于同一部发动机，在不同工况下稀燃方式也可能不一样。有些侧重燃油分布形式及缸内气体流动，重点是分层燃烧技术。有些则侧重增大点火能量及缩短火焰传播距离，其重点在于高能点火。6）进气系统 采用发动机多气门技术，用涡轮增压替代自然吸气，不仅可以增大换气时通流截面,减少泵气损失，增大气缸进气量，且有利于火花塞布置在中心位置，保证了较高的燃烧速率，燃油消耗下降，并且也降低了CO 和HC的排放量。可变气门正时对发动机的经济性、动力性以及排放性能都有很大的影响。因此，合理的选择配气正时，保证良好的充气效率，是提高发送机性能尤为重要的技术研究方向。在分析汽油机工作原理时，不难看出：在进、排气门启闭的四个时期中，进气门迟闭角对充气效率的影响最大。4.1.2 电子控制燃油喷射系统电子控制燃油喷射系统能利用各种传感器来检测发动机的所有工作状态，经过微机判断和计算，来改变发动机在不同工况下的喷油量、喷油时刻和点火提前角，使发动机在不同工况下都能得到合适的空燃比混合气，同时也提高了发动机的充气效率，达到了排气净化和节油的目的，而且提高了发动机的动力性。空燃比特性是决定点燃式发动机性能和排放的首要因素。小负荷工况时，为了使燃料燃烧稳定，要求供应浓混合气；中等负荷工况时，为了保证燃料燃烧效率，要求供应微稀混合气；而在大负荷工况时，为了保证汽车动力性，要求供应浓混合气。 近些年，随着排放法规日益严格，就需要采用三元催化转化器来降低汽油机有害污染物排放，然而这种转化器要求严格，即只有当空燃比的值在14.7左右时，才能同时并且有效地转化CO、HC和NOx这三种有害排放物。为了更好的控制空燃比，最好的方法就是使用带氧传感器的闭环控制电子控制燃油喷射式发动机。4.2 机外净化4.2.1 废气再循环（EGR）EGR是把发动机排出的一部分废气重新引入到进气管，并与新鲜混合气一起再次进入气缸燃烧。因废气含有大量的CO2（惰性气体），虽然不能燃烧却可以吸收大量的热，使燃料燃烧温度降低，从而降低NOx的排放量，如图4-4。在新鲜的混合气里混入废气，会导致混合气热值降低，汽油发动机功率下降。为了兼顾提升发动机性能、减少NOx的排放，必须根据发动机的运转条件来控制再次参与循环流通的废气量。NOx的生成量随着负荷的增大而增多，因此，再次参与循环流通的废气量也会随着负荷增大而增加。当发动机在怠速或小负荷工况时，为了保证发动机运行稳定性，ECU将控制废气不参与再循环；在全负荷工况时，为了保证发动机有很强的动力性，控制废气也不参与再循环；当发动机转速、负荷超过一定的量并且达到一定的温度时，ECU将控制一小部分废气参与再循环,并且参与再循环的废气量会根据发动机的转速，负荷以及温度变化做相应的调整，以达到减少NOx排放量的目标。图4-4 废气再循环系统结构图4.2.2 曲轴箱强制通风装置（PCV）在发动机压缩行程中，一些混合气从活塞与气缸之间的缝隙窜入到曲轴箱，并与箱内的润滑油混合，经过通风口从而排入大气。如果窜入的混合气不被排出，将会稀释曲轴箱内的润滑油，使其变质甚至还会造成机件性能过早损坏。现在大多数汽油机都装有PCV阀来自动调节吸入气缸的窜气量，促使发动机换气，但有些有害排放物会沉积在PCV阀附近，造成阀口堵塞。若PCV阀堵塞，将使其过滤能力下降，致使耗油量增多，机件磨损严重，甚至会损坏发动机。因此须定期保养PCV，清除阀门附近的有害污染物。 4.2.3 氧化催化方式在尾气排放净化处理时，采用的催化反应器一般有两种：一种是氧化排气中CO、HC的氧化催化转化器，它的原理是利用废气中残留的氧气或进行空气2次喷射，使废气中的CO、HC被氧化。另一种是还原NOx的还原催化转化器，它的原理是利用废气中的HC、CO和H2等成分充当还原剂，通过催化反应使废气中NOx得到还原。由于汽油中普遍采用铅添加剂，致使催化剂很容易失效，给排气净化带来一些困难，现在很多国家已相继颁布政策，禁止在油品中添加铅。 4.2.4 热反应器热反应器是一种大型容器，通常直接连在气缸盖上，以促使排气中的HC和CO在排气过程中进一步得到氧化的装置，结构如图4-5所示。根据发动机的空燃比，热反应器通常可分为两种。在燃料充足的条件下燃烧时，热反应器需要进行二次空气喷射，来使排气中较高浓度的CO和HC完全氧化，并将反应温度维持在高温状态。而在燃料不足的条件下燃烧时，将不需要进行二次空气喷射，这期间的运转温度主要由排气温度决定，若温度太低，将使得转化效率过低。它是通过非催化反应来达到氧化排气中有害物CO和HC的目的。其原理在于这类反应器能在一段时间内保持排气时高温，当废气从缸内排出后，依然会在排气系统中被继续氧化。热反应器的类型属于氧化装置，因此并不能除去有害排放物NOx。热反应器上的隔热套具有良好的隔热效果，被安放在紧靠发动机处。近些年，由于催化转化装置的广泛使用，热反应器渐渐退出人们的视野。图4-5 热反应器的结构4.2.5 三元催化转化装置（TWC）随着汽车电控燃油喷射系统不断完善以及低硫无铅汽油的广泛使用，采用TWC是控制汽车排放最理想的措施。TWC作为重要的净化装置被安装在排气系统中。当通过TWC的气体温度较高时，它里面的净化剂会使HC、CO和NOx气体活性增强，促使其进行氧化还原反应。在高温下HC经过氧化反应转化成水（H2O）和二氧化碳(CO2)；在高温下CO经过氧化反应转化成二氧化碳（CO2）；而NOx则经过还原反应转化成氮气和氧气。通过有害气体到无害气体的转变，使排放污染物得到净化。5 排气污染物控制的新技术5.1 改善燃油品质目前, 我国自产的燃油在品质上与国际相比差异很大,。燃油中的硫含量偏高并且质量升级滞后，使汽车排放污染物的程度一直居高不下，是有害污染物PM2.5的主要来源。若燃油品质不能得到进一步的提高，燃烧汽油所产生的污染物排放量也会增加，因此，提高燃油品质已成为当今社会迫在眉睫的问题。燃油品质的高低对尾气排放、燃料消耗和动力性等方面影响很大。试验表明, 在燃油中添加合适的成分,就可以达到改善燃油品质的目的。比如在汽油辛烷值太低时,可以适当加入一些抗爆剂，增强抗爆性；在汽油中加入适当的添加剂,可以将气缸内部的油垢和积炭清除干净；在燃料中加入催化型助燃剂，能尽量使混合物的燃烧在同一时间内完成,并且可以有效地提升汽油机的工作效率；想要达到控制汽车有害污染物排放的目的，最基本的要求是使用无铅汽油。除了上述方法外，应用烃类或醇类等代用燃料也可以改善发动机的排放性能。5.2 汽油掺水技术为了节约能源, 国内外