汽油机机内净化技术应用研究.doc

吉吉 林林 农农 业业 大大 学学 学学 士士 学学 位位 论论 文文 题目名称 汽油机机内净化技术应用研究 学生姓名 李 岩 院 系 工程技术学院 专业年级 交通运输 2010 级一班 指导教师 施继红 职 称 副教授 2014 年 5 月 25 日 目 录 题目 摘要及关键词 1 前 言 1 1 1 汽油机发展状况 1 1 2 汽车排放污染物的种类及危害 1 1 2 1 co 的排放及危害 2 1 2 2 碳氢化合物的排放及危害 3 1 2 3 氮氧化合物的排放及危害 3 1 2 4 微粒的排放及危害 3 1 3 不同工况下汽车排气有害成分浓度 3 1 4 汽车排放标准 4 1 4 1 中国汽车排放标准 4 1 4 2 欧洲汽车排放标准 4 1 4 3 美国汽车排放标准 4 2 汽油机机内净化技术 5 2 1 喷油控制技术 5 2 2 点火系统控制技术 6 2 3 低排放燃烧技术 7 2 4 涡轮增压技术 8 2 5 多气门技术与可变气门正时技术 9 2 6 废弃再循环技术 9 2 7 改进燃烧室结构 10 2 8 汽油机机内净化在汽车上的应用 10 2 8 1 燃烧室的改进 10 2 8 2 稀燃系统的应用 11 3 汽油机机内净化与柴油机机外净化的比较 13 3 1 汽油机机内净化与柴油机机外净化的不同 13 3 2 汽油机机内净化的优势 14 4 汽油机机内净化技术应用现状与展望 14 4 1 汽车汽油机机内净化的现状 15 4 2 汽油机机内净化遇到的困难 15 4 3 汽油机机内净化技术的发展趋势 16 5 结论 16 参考文献 17 致谢 18 附录 19 I 汽油机机内净化技术应用研究 姓 名 李 岩 专 业 交通运输 指导教师 施 继 红 摘摘 要 要 现在汽车领域发展非常广泛 一些新的节能 净化技术被应用在汽车领域上 这样使得能源 环境得到保护 本文对汽车汽油机机内净化做详细的分析 定义 从 发展的角度看汽油机机内净化技术 列举出了机内净化的途径 并对其分析 并对汽 油机机内净化在汽车上的应用前景进行展望 关键词 关键词 汽油机 机内净化 净化途径 前景展望 Application of purification technology of gasoline engine Name li yan Major Traffic and Transportation Tutor Shi Jihong Abstract Now the development of automotive very widely Some of the new energy saving purifying technology is used in the automotive field This makes the energy protection The detailed analysis of the definition of the purification of the gasoline engine See gasoline engine cleaning technology from the perspective of development Enumerated the analysis of inner purification method and analysis it And prospect the gasoline engine cleaning technology Keywords Gasoline engine purification machine Purification approach the field of automobiles look into the future 1 1 前言 近些年来 随着世界经济的发展中心正呈现出多极化的趋势 中国已逐渐成为 对于世界经济发展不可小觑的力量 比如在汽车制造业 连续数年中国的汽车销量在 世界位居群首 然而随之带来的环境污染问题也成为我国政府要重视和加强管理的问 题 比如今年全国各地区都出现了不同程度的雾霾天气 也是迄今 50 多年来出现 的最严重和持续时间最长的污染 给人们的正常工作 生活 出行带来了极大不便 导致这种现象的主要原因是空气中含有大量颗粒物和其他排放物质 其中汽车排放的 污染物比重最大 众所周知 所谓机内净化就是从有害排放物的生成机理及影响 因素出发 以改进发动机燃烧过程为核心 达到减少和抑制污染物生成的各种技 术 简单说就是降低污染物生成量的技术 如改进发动机的燃烧室结构 改进点火系 统 改进进气系统 采用电控汽油喷射 采用废气再循环技术等 机内净化被公认为 是治理车用汽油机排气污染的治本措施 1 1 汽油机发展状况 1883年 戴姆勒和迈巴赫制成功了第一台四冲程往复式汽油机 它装上了迈巴赫 设计的化油器 并用白炽灯管解决了点火问题 汽油机的转速一下从200r min 跃升到 800 1000r min 它具有功率大 质量轻 体积小 转速快和效率高等优点 因此特 别适用于交通工具 与此同时 本茨研制成功了现在仍在使用的点火装置和水冷式冷 却器 到十九世纪末主要的集中活塞式汽油机大体上进入实用阶段 并且很快显示出 巨大的生命力 上世纪最初二十年 为适应交通运输的要求 以提高功率和比功率为主 采取了 提高转速 增加缸数和改进相应辅助装置的措施 转速又从800 r min 提高到 1500 1700r min 比功率从3 68w kg 提高到441 3 735 5w kg 对提高飞机的飞行性 能和汽车的负载能力具有重大意义 上世纪二十年代 主要解决汽油机的爆震燃烧问 题 当时汽油机压缩比达到4时汽油机就发生爆震 美国通用汽车公司研究室的米格雷 和鲍义德通过在汽油中加入少量四乙基铝干扰氧和汽油分子化合的正常过程 解决了 爆震的问题 使压缩比从4提高到了8 大大提高了汽油机的功率和热 效率 同时英国的里卡多及其合作者通过对燃烧室及原理的研究 改进了燃烧室 使汽油机的功率提高了20 20年代到50年代 主要是在汽油机上装备了增压器 废气涡轮清压可使气压增至 1 4 1 6个大气压 它的应用为提高汽油机的功率和热效率开辟了一个新的途径 50 年代至今汽油机技术在原理上已发展至极致 它的结构越来越紧凑 转速越来越高 其技术现状为缸内喷射 多门技术 进气滚流稀薄分层燃烧 电子控制点火正时汽油 喷射及空燃比随工况精确控制等全面电子发动机管理 废气在循环及三元催化等排气 净化技术等 1 2 汽车排放污染物的种类及危害 2 汽车发动机排气中包含许多成分 其基本成分是二氧化碳 CO2 水蒸气 H2O 过 剩的氧气 O2 以及存留下的氮气 N2 等 它们是燃料和空气完全燃烧后的产物 从毒物学的观点看排气中的这些成分是无害的 除上述基本成分外 汽车发动机排气 中还含有不完全燃烧的产物和燃烧反应的中间产物 包括一氧化碳 CO 碳氢化合物 HC 氮氧化物 NOx 二氧化硫 SO2 固体颗粒 铅及铅化物 碳烟 及醛类等 这些成分的质量总和在汽车发动机排气中所占的比例不大 例如汽油机只占5 柴油 机还不到1 但它们中大部分是有害的 有强烈刺激性的臭味 或有致癌作用 因此 被列为有害排放物 除以上几种物质外 还有臭气 它由多种成分组成 除了 有臭味外 主要就是燃料 的不完全燃烧产物 如甲醛 丙烯醛等 当汽车停留在街道路口时 产生这些物质较 多 它能刺激眼睛的粘膜 1 2 1 co 的排放及危害 CO 的生成主要受混合气浓度的影响 在过量空气系数 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 由于混合不均匀造成局部区域或者已成为燃烧产物的 CO 和 Hz0 在高温时吸热 产生热离解反应生成 CO 另外 在排气过程中 未燃碳氢化合物 HC 的不完全氧化也会产生少量 CO CO 吸入人 体后 非常容易和血液中的血红蛋白结合 它的亲和力是氧的 300 倍 因此 肺里的 血红蛋白不与氧结合而与CO 结合 致使人体缺氧 引起头痛 头晕 呕吐等中毒 症状 严重是造成死亡 CO 的容许限度规定为 8h 内100ppm 如1h 内吸入150的 CO 就会出现中毒症状 并危害中枢神经系统 造成感 觉 反应 理解 记忆等机能障碍 严重时引起神经麻痹 如1h 内吸入1000ppm 的 CO 就会发 生死亡 具体的 co 对人体的危害见表1 1 Co ppm Co 中毒程度对人的危害 100 160 0 01 0 016 慢性中毒 长期接触 每天数小时 使人头痛 乏力 记忆力减退 失眠 数小时 后喘息 心跳 4000 04 轻度中毒1小时后头痛 头晕 疲倦 恶心 600 800 0 06 0 08 中度中毒 1小时后心悸 呼吸困难甚至晕厥 0 5 1小时后呼吸困难 昏厥 1000 4000 10000 0 1 0 4 1 0 重度中毒 出现昏迷 阵发性抽搐 很快昏迷 抽搐 抢救不及时会死 亡 3 短时间会失去知觉 几分钟会死亡 表1 1不同程度的 co 对人体的危害 Table1 1Different degree of harm of CO to human body 1 2 2 碳氢化合物的排放及其危害 HC 与 CO 一样 也是一种不完全燃烧的产物 与过量空气系数同时混合气变稀时 火花塞附近 的燃油混合气浓度降低 最小点火能量迅速增加 火核难以形成 不仅使点火困难 而且滞燃期增长 火焰发展时间长和燃烧速率慢等使得发动机最佳点火提前角 MBT 增 加 燃烧效率降低 燃烧循环变动增大 导致汽车的驾驶性能下降 另外 在燃烧稀 薄混合气时 由于混合气分层将不可避免地在火花塞周围出现混合气过浓或者浓混合 气区域过大的现象 而这些区域正好是高温区域 从而令这些地方的 NOx 生成增加 而且由于排气中始终为富氧氛围 有害排放物 NOx 的还原也比较困难 分层燃烧系统 用过稀的 已处于汽油机失火范围内的混合气的问题在于难以形成火核 即使用 高能点火系统进行点火 因为在微小体积内的燃料量太少 所以往往不足以支持火焰 9 的正常传播 分层燃烧就是要合理地组织气缸内混合气分布 使在火花塞周围有较浓 的混合气 而在燃烧室内的大部分区域具有很稀的混合气 这样可确保正常点火和燃 烧 同时也扩展了稀燃失火极限 并可提高经济性 减少排放 基于上述原因 在实 际的稀燃系统中 大多采取分层混合气组织燃烧 2 4 涡轮增压技术 废气涡轮增压系统 这就是我们平时最常见的涡轮增压装置了 增压器与发动机 无任何机械联系 实际上是一种空气压缩机 通过压缩空气来增加进气量 它是利用 发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮 涡轮又带动同轴的叶轮 叶轮压 送由空气滤清器管道送来的空气 使之增压进入气缸 当发动机转速增快 废气排出 速度与祸轮转速也同步增快 叶轮就压缩更多的空气进入气缸 空气的压力和密度增 大可以燃烧更多的燃料 相应增加燃料量就可以增加发动机的输出功率 一般而言 加装废气涡轮增压器后的发动机功率及扭矩要增大20 30 但是废气涡轮增压器技 术也有其必须注意的地方 那就是泵轮和涡轮由一根轴相连 也就是转子 发动机排 出的废气驱动泵轮 泵轮带动涡轮旋转 涡轮转动后给进气系统增压 增压器安装在 发动机的排气一侧 所以增压器的工作温度很高 而且增压器在工作时转子的转速非 常高 可达到每分钟十几万转 如此高的转速和温度使得常见的机械滚针或滚珠轴承 无法为转子工作 因此涡轮增压器普遍采用全浮动轴承 由机油来进行润滑 还有冷 却液为增压器进行冷却 2 5 多气门技术与可变气门正时技术 多气门发动机是指每一个气缸的气门数目超过两个 即两个进气门和一个排气门 的三气门式 两个进气门和两个排气门的四气门式 三个进气门和两个排气门的五气 门式 其中四气门式最为普遍 在汽油发动机中 多气门与两气门比较 前者能保证 较大的换气流通面积 减少泵气损失 增大充量系数 且火花塞可以布置在燃烧室中 央或接近这一位置 保证较高的质量燃烧速率 发动机低速运行时 可通过电控系统 关闭一个进气道 使气缸内进气涡流加强 改善燃烧 因此 多气门发动机有排放污 染少 能提高发动机的功率和降低噪音的优点 符合优化环境和节省能源的发展方向 所以多气门技术能迅速推广开来 在普通的发动机上 进气门和排气门的开闭时间 是固定不变的 这种固定不变 的正时 很难兼顾到发动机不同转速的工作需求 为了使发动机达到更高的效率 通 常是修改凸轮轴的 a 倾角 以改变节气门的开闭时间 达到最快的做功时间 从而产 生更大的动能 而现在又有了可变气门正时 就是更容易地解决这一问题的技术 可变气门正时技术 在整个可变配气技术里 属于结构简单 成本低的机构系统 它通过液压和齿轮传动机构 根据发动机的需要 动态调节气门正时 可变气门正时 不能改变气门开启持续时间 只能控制气门提前打开或推迟关闭的时刻 目的是通过 改善进气效率 得到额外的空气量 再燃烧相应额外的油 从而实现单位排量的大功 率输出以及减排节油的目的 2 6 废弃再循环 废气再循环是指把发动机排出的部分废气回送到进气歧管 并与新鲜混合气一起 再次进入气缸 由于废气中含有大量的 CO2 而 CO2 不能燃烧却吸收大量的热 使气缸 中混合气的燃烧温度降低 从而减少了 NOx 的生成量 废气再循环 EGR 系统的开启状态 EGR 阀 废气再循环阀 通常在下列条件下开启 1 发动机暖机运转 2 转速超过怠速 ECM 根据发动机冷却水温传感器 节气 10 门位置传感器和空气流量传感器来控制 EGR 系统 汽油发动机在 重负下 时起作用 柴油发动机在发动机暖机状态时不起作用 废气再循环系统工作原理 废气再循环 EGR 控制方式 发动机控制电脑即 ECU 根据发动机的转速 负荷 节气门开度 温度 进气流量 排气温度控制电磁阀适时地打开 进气管真空度经 电磁阀进入 EGR 阀真空膜室 膜片拉杆将 EGR 阀门打开 排气中的少部分废气经 EGR 阀进入进气系统 与混合气混合后进入气缸参与燃烧 少部分废气进入气缸参与混合 气的燃烧 降低了燃烧时气缸中的温度 因 NOX 是在高温富氧的条件下生成的 故抑 制了 NOX 的生成 从而降低了废气中的 NOX 的含量 但是 过度的废气参与再循环 将会影响混合气的着火 性能 从而影响发动机的动力性 特别是在发动机怠速 低 速 小负荷及冷机时 再循环的废气会明显地影响发动机性能 所以 当发动机在怠 速 低速 小负荷 及冷机时 ECU 控制废气不参与再循环 避免发动机性能受到影响 当发动机超过一定的转速 负荷及达到一定的温度时 ECU 控制少部分废气参与再循环 而且 参与再循环的废气量根据发动机转速 负荷 温度及废气温度的不同而不同 以达到废气中的 NOX 最低 2 7 改进燃烧室结构 选用结构紧凑和面容比较小的燃烧室 缩短燃烧室狭缝长度 适当提高燃烧室壁 温 以削弱缝隙和壁面对火焰传播的阻挡与淬熄作用 可以降低 HC CO 的排放量 采 用 4 气门或 5 气门结构 组织进气涡流 滚流或挤流 并兼用电控配气定时 可变进 气流通截面等可变技术 可以有效地改善发动机的动力性 经济性和排气净化性能 提高气缸内混合气的湍流程度 有助于混合气快速和完全燃烧 这是因为静止或层流 混合气的火焰传播速度一般不超过 1 m s 而湍流时可高达 1 OOm s 以上 改善气流 运动的主要方法有加强进气涡流和压缩涡流 进气涡流可通过改进进气道形状来实现 在燃烧室内采用挤气面设计可以使混合气形成压缩湍流 2 8 汽油机机内净化在汽车上的应用 汽油机机内净化在汽车上的应用主要体现在改进燃烧室的结构和稀薄燃烧 分层燃 烧上 在结构和燃烧系统上 采用了先进的技术 这些先进的技术还在不断地更新和 换代中 现代技术在汽车上的应用得到广泛的发展 2 8 1 燃烧室形状的改进 如图 3 1 所示 日本本田紊流型燃烧室 三菱的喷流阀控制系统 火球型燃烧室以 及天津大学研制的射流型燃烧室 它们的特点均是在实现稀混合气稳定燃烧的同时 加快燃烧速度 以此达到提高经济性和降低排放 11 图 3 1 几种稀燃发动机的燃烧室 Figure3 1Several kinds of lean burn combustion chamber engine 2 8 2 稀燃系统的应用 丰田 D 4 稀燃系统 丰田公司于 1996 年成功开发的 D 4 缸内直喷式稀燃系统具有一定的代表意义 如 图 3 2 所示 其特点如下 通过安装在进气道上的电子涡流控制阀 E SCV 形成不同角度的斜向进气涡流 大 大促进了缸内的混合气形成 如图 3 3 所示 燃烧室为半球屋顶形 活塞顶部极富特色的唇形深皿凹坑与进气涡流 旋向以及高精度的喷油时间和喷油方向控制相配合 在火花塞周围形成较浓的易点燃 混合气区域 见图中 b 为抑制扩散燃烧所产生的黑烟 采用高压 8 13MPa 旋流喷射器 可实现高度微粒 化 喷雾粒度小于 5 m 汽油喷射 12 图 3 2 丰田 D 4 缸内直喷式稀燃发动机 Figure3 2 ToyotaD 4 cylinder direct injection lean burn engine 为了控制分层燃烧时 NOX 的产生 采用了电控 EGR 系统 带有宽域氧传感器 紧凑耦合三效催化转化器和 NOX 吸附还原型催化转化器 灵活的电喷控制系统 可实现对不同的工况范围采用不同的燃烧方式 以保证所有工 况下都能稳定燃烧 a 燃料混合过程 13 b 缸内混合气浓度分布图 图 3 3 丰田 D 4 燃烧室 Figure3 3 ToyotaD 4combustion chamber 如图 3 4 所示 CVCC 发动机为了实现分层燃烧 特别选用半球形燃烧室作为主室 主室类似于传统点燃式发动机的燃烧室 设有一个进气门和一个排气门 除了主室外 还有一个副室 这种副室有别于压燃式发动机的预燃室和其他一些混合式发动机的副 室 副室本身安置了进气门 与主室过量空气系数不同的混合气通过这个相对较小的 进气门进入副室 主副室之间通过一个很窄的通道相连接 图 3 4CVCC 发动机的燃烧室 Figure3 4ccvcThe engine combustion chambers 1 主室 2 主进气门 3 副进气通道 4 副进气门 5 火花塞 6 预燃室 因为这种发动机拥有两个化油器或两套进气管喷射装置 所以可以分别提供不同 过量空气系数的混合气给主 副室的进气系统 如图 4 24 所示 进气冲程时 混合气 通过节气门向两个进气系统运动 要通往主室的混合气受到严重的节流 使得混合气 通过副室流向主室 进气时便可以实现较好的扫气 因而只有极少数废气残留在副室 中 压缩冲程期间 混合气从主室压入副室 因为主副室连接通道处的节流作用 副 室混合气着火后压力高于主室 高压气体通过节流通道进入主室 因为火花塞安置在 副室 火花塞处电极间混合气不仅能点火 同时火焰也能从这部分已燃的混合气向外 14 传播并最终引燃主室中的稀混合气 3 汽油机机内净化与柴油机机外净化的比较 柴油机在环保 节能 动力性 安全性等指标上较汽油机有很大优势 车用发动机柴 油化已成为当今汽车行业不可阻挡的发展趋势 1 目前 在欧洲新登记的轿车和轻 型汽车中采用柴油机的比例都已经超过 53 2 与汽油机不同 柴油机采用压缩空气的 方法提高空气温度使注入的柴油达到燃点燃烧 3 排气含有过剩 O2 这对于 CO 和 hc 的氧化是有利的 但是却不利于 NOX 的还原去除 4 因此柴油机的颗粒物及 NOX 排放仍 然是一个较严重的问题 5 在大力发展柴油机汽车产业的同时 应该注重控制柴油机 的污染排放 而汽油机汽油发动机的理想燃烧是指混合气完全燃烧 汽车的排放物应 为二氧化碳 CO2 氮 N2 和水 H2O 但汽油发动机在实际工作过程中 混合气 燃烧往往是不完全的 燃烧生成物除了以上三种之外 还有炭氢化合物 HC 一氧化 碳 CO 氮氧化合物 NOX 铅化物以及二氧化硫等 汽油机与柴油机净化方式有所 不同 3 1 汽油机机内净化与柴油机机外净化的不同 柴油机机外净化装置从净化原理上主要分为5种 即氧化催化器 微粒捕集器 NOX 捕集器 选择性催化还原器和等离子体反应器 汽油机机内净化方式有改进发动机的 燃烧室结构 改进点火系统 改进进气系统 采用电控汽油喷射 采用废气再循环技 术 多气门技术 涡轮增压技术等 3 2 汽油机机内净化的优势 由于柴油机的燃烧特点是非均质燃烧 混合气的形成时间很短 而且是一边混合一 边燃烧 这就使得气缸内各个区域的过量空气系数差别很大 有的地方是富氧燃烧 有的区域是缺氧燃烧 造成了柴油机的 NOx 和 CO 排放量都很高 而汽油机是预混燃烧 方式 即在燃烧前已经是均质混合气 所以汽油机只要严格控制空燃比就可以控制 NOx CH 和 CO 的量 再用三效催化转化器 就可以把排放控制在要求的范围之内 所 以汽油机控制排放要比柴油机轻松 4 汽油机机内净化技术应用现状与展望 汽油机机内净化在其基本原有的技术上 有新的改进 下面是对未来发展趋势的展 望 1 三元催化系统 1 控制空燃比技术的多样化为测量进入气缸的空气量 原采用叶轮型 但分压器 的触点经常振动 为解决这个问题 采用直接计量进入气缸的空气量的方法 这些方 法可实现小型化 高灵敏度 高计量精度等 目前 空燃比控制技术广泛采用多点喷 射及氧传感器的反馈方式 2 改善燃料喷射时序 按照发动机转速稳燃料喷射脉动幅度确定燃料的喷射 使其具有同步性 以曲轴 转角为基准 对各气缸内供给的燃料进行独立喷射 时序喷射 在一个循环过程中 气缸内喷射的燃料与进入的空气在供给方向上保持一致 因此 改善了加速时的燃料 供给 缓解了空燃比的稀薄化 NO 二的排放量也相对降低 3 喷油嘴的改善 15 对空燃比的控制特性产生不良影响的原因之一就是喷射的燃料附着在气缸壁上 解决的方法主要是改善喷射时燃料的雾化程度 另外 从发动机动力性及燃料经济性 方面考虑 目前四气门发动机的应用有增加的倾向 此时 燃料会附着在气门中间隔 壁上 也会出现局部空燃比过大的问题 二孔喷射器产品的问世 解决了这个问题 2超稀薄燃烧 NO 二的排放量在空燃比15 16附近较大 由于燃料在空燃比较大时消耗较低 所 以需综合考虑 NO 二与燃料消耗的多种影响因素 加强对稀薄燃烧的研究 改善其燃烧 稳定性 目前 空燃比大于23的超稀薄混合气 己可以获得稳定的燃烧 主要采取以 下三种方式 1 由超稀薄混合气传感器控制空燃比 2 由点火系改善燃烧 其一 采用增大初级切断电流 提高产生火花时的能量 加大火花塞点火间隙 提 高点火能量 将火花塞放电持续时间延长到原来的8一4倍 增大初期火焰 促进燃烧的 方法等 其二 为增大点火能量 考虑在火花塞火焰方面改用近似于等离子喷射的点火装 置 但从实用角度看 需解决内腔的排气等许多问题 3 增大混合气的速度 旋涡 和紊流 3电子控制技术的发展 对发动机采用电子控制 使原来固定式或机械式的控制机构可变化 从排气净化 技术上 获得了较大的收益 进行电子控制 大幅度改善了发动机加速 减速运转时 的排放特性 发动机加速时 NO 二的排放量较高 高负荷时 使发动机在理论空燃比范围内运转 采用催化剂净化 NO 低负荷时使发动机在稀薄空燃比范围内运转 对燃料消耗较高的 部分也采用大空燃比进行控制 EGR 的利用与电子控制相配合的电子控制技术 今后会逐渐增多 4 1 我国汽车汽油机机内净化的现状 随着我国汽车数量的增加 汽车排放造成的环境污染也日趋严重 特别是汽车使用 密度较大的城市和地区 为了保护环境 控制污染 提高人民的身体健康水平 我国 从 70 年代末和 80 年代初 已先后制定了环境保护法 规定了一系列汽车排放标准 并 加强了新生产车排放污染的控制 到 1995 年我国控制排放污染的具体目标是 轻型汽 油车多工况下 尾气排放总量要降低 60 70 中型汽车多工况下 尾气排放总量要降 低 3000 柴油车自由加速烟度降至 3 5 个 波许 bosch 单位 因此 在 80 年代中 期 相继开展了大量的研究开发工作 在机内净化技术方面 主要是从汽油车的有害排放物生成机理出发 通过控制汽油 机的燃烧过程 达到减少发动机污染物的形成 为此 一些汽车制造厂 为保证汽车 排放稳定达标 主要从改进汽油机的化油器和点火系统的性能方面 开展了各种研究 工作 并取得较大进展 由于电控汽车喷射系统 不仅是降低汽车排气污染 改造环 境的客观需要 而且也是挤入世界汽车先进行列之林的最有效的措施之一 所以 这 项技术已逐渐引起我国和众多生产厂的重视 据调查 目前我国一些大学也在开展这 方面的研究 但还没有达到实用水平 今后究竟如何发展 仍然是当前我国汽车行业 面临的一个重大课题 由于我国燃料结构是以煤为主 因而国内城市大气污染的特征是煤烟型污染 交通 16 噪声是城市噪声的主要污染源 其次是工业噪声 加上国内车用汽油质量低 国外早 已淘汰的低辛烷值 70 号 汽油和含铅汽油仍占很大比例 因此 在我国机外净化技 术 现行汽车法规只控制烃类和一氧化碳排放量 汽车尾气催化转化器大都集中于氧 化型剂的开发 活性组元多采用非贵金属型 即 稀土金属 氧化铜等 的多组分催化剂 其抗铅中毒性能比贵金属高 所用载体通常是氧化铝球体或茧青石陶瓷蜂窝体 由上所述说明 我国借鉴国外发达国家的经验 在汽车排放控制及尾气净化技术 方面 已经有了一些发展 而且有些技术已达到可实际应用阶段 但水平还不高 距 国外发展水平还有较大差距 还不能完全满足我国汽车排放法规的要求 有些科技开 发成果脱离国内汽车状况 而得不到推广应用 导致一些生产厂家和开发科研单位纷 纷转产和下马 4 2 汽油机机内净化遇到的困难 涡轮增压技术存在的不足 车用增压发动机与柴油机一样 必须有低转速大扭矩 特性 要有一个较大的速度系数或一个较大的扭矩储备系数 扭矩特性交叉的原因是 随着转速的增加 负荷的提高 排气温度也相应升高 增压器转速提高 增压压力上 升 相应扭矩增大 这种匹配情况 不仅容易发生高速爆震 而且扭矩特性也不符合 车用发动机的要求 涡轮增压系统在汽油机工况突变时 不能随工况变化供应的增压 空气流量和增压压力 而要滞后一段时间才能适应 滞后时间越长 汽油机的加速性 也越差 汽油机的增压滞后问题更显得突出 因为汽油机本身的惯性小 灵活性强 转速范围宽广 所以对增压器的反应要求更高 同样 稀薄燃烧技术也存在问题 尽管稀燃技术能有效地提高发动机的经济性和改 善发动机的排放性能 但在实际应用时 仍然有很多问题函代解决 稀燃发动机中 当混合气变稀时 着火延迟时间加长 而且火焰传播速度慢 使完全燃烧变得更加困 难 同时混合气变稀时 火花塞附近的燃油混合气浓度降低 最小点火能量迅速增加 火核难以形成 不仅使点火困难 而且滞燃期增长 火焰发展时间长和燃烧速率慢等 使得发动机最佳点火提前角 MBT 增加 燃烧效率降低 燃烧循环变动增大 导致汽车 的驾驶性能下降 另外 在燃烧稀薄混合气时 由于混合气分层将不可避免地在火花 塞周围出现混合气过浓或者浓混合气区域过大的现象 而这些区域正好是高温区域 从而令这些地方的 NOx 生成增加 而且由于排气中始终为富氧氛围 有害排放物 NOx 的还原也比较困难 采用稀薄燃烧方式时 空燃比的变化范围较大 而点火提前角和喷油定时都与空 燃比大小有关 因此 点火提前角和喷油定时的控制都要随着空燃比的变化而改变 为了提高稀燃极限 还要采用可变进气系统在缸内产生可变滚流和可变涡流 并配合 喷油定时等技术在发动机缸内形成有利于稀薄燃烧的混合气浓度分布 为了降低排放 还要采取废气再循环技术 稀燃催化技术等 这些都增大了稀燃发动机控制系统的复 杂程度 由于目前的汽油发动机大多数为 单点或多点 气道喷射发动机 而且在目前 的技术状态下 对过渡工况下气道内的油膜运动状态研究还不是很透彻 即使对燃用 理论空燃比的发动机来说 气道喷射式发动机过渡工况空燃比的控制问题也是一个非 常棘手的难题 而对于稀燃发动机来讲就显得更为困难 由于稀燃发动机的排放处理 依赖于空燃比的调节和催化剂特性的良好配合 不仅需要对发动机的喷油脉宽进行规 律的控制 还要对发动机的节气门开度和点火时刻进行随时调整以保证稀燃发动机在 空燃比发生阶跃变化时 对外扭矩输出的波动较小 由此可以看出 采用稀燃技术会 大幅增加控制系统的复杂性 17 4 3 汽油机机内净化技术的发展趋势 1 稀薄燃烧 传统发动机的空燃比在14 7 1附近 而稀薄燃烧发动机空燃比通常在15 1 27 1 随着空燃比的增加 尾气中的 NOx CO 浓度明显降低 HC 浓度在一定的空燃比范围内 也有所减少 目前稀燃高压缩比是降低汽油机排放 提高性能的主要研究方向 在稀 燃时 为改善混合气质量而采取的措施有 实现分层燃烧 燃烧室设计得更紧凑 尽量 减少有害的缝隙容积 改善火花塞结构及布置 采用高能点火系统 实现快速燃烧等 2 均质混合气压燃 均质混合气压燃在起动和加速阶段的工作情况与汽油发动机相同 通过火花塞将燃 料和空气的混合物点燃 当进入高速行驶时 发动机切换到均质混合气压燃模式 通过 气缸内的高压和高温使燃料燃烧 此时的工作情况与柴油机相同 都是通过高压从燃 料中获取更多的能量 均质混合气压燃发动机能适应汽油 天然气 丙烷 乙醇 柴 油和生物燃料等多种燃料 均质混合气压燃的燃烧方式被人们称为内燃机的第三种燃 烧方式 是当前内燃机燃烧的一个研究热点 它最有希望在近期在轿车发动机上得到 应用 从而获得和汽油机一样的高功率输出和低微粒排放量 以及在部分负荷河达75 负荷 和怠速时获得和柴油机一样或更高的经济性 但 NOx 排放很低 5 5 结论 当今环境为题是一个受广大人群关注的问题 它牵动着许多人的心 随着人们生 活水平不断的提高 汽车产业发展迅速 这就促使了环境的恶化 汽车排放污染日