现代汽油机排气污染物控制新技术

现代汽油机排气污染物控制新技术卢华【摘要】根据最新资料综述了现代汽油机排污控制的新技术,并提出应当正确借鉴发达国家的经验和成果,结合我国国情，作深入细致的调研探讨，使我国的汽车排放控制技术提高到目前发达国家普遍使用的水平，并建立具有国际竞争力的汽车及内燃机工业.【期刊名称】《装备制造技术》【年(卷)，期】2010(000)003【总页数】5页(P86-89,94)【关键词】汽油机;排气污染物;控制;新技术【作者】卢华【作者单位】柳州五菱柳机动力有限公司广西，柳州,545005【正文语种】中文【中图分类】X734.2新历史时期对内燃机的要求，已从传统的〃动力性，经济性，耐久性”发展到〃高适应性，高效率，低排放，低噪声”的综合指标。特别是低排放，将成为内燃机发展的关键。发达国家为解决低排放问题，经过了许多年的努力，分阶段制定实施了严格的排放法规，研究推出了与之相应、行之有效的控制方案，形成了一定的技术路线，并获得了显著效果。汽油机的排气污染物主要是一氧化碳(CO)及碳氢（HC）和氮氧化物（NOX）,其浓度主要与过量空气系数有关。表1列出了改善汽油机排气污染物的技术措施，笔者将就其中部分作介绍说明。表1改善汽油机排气污染物的技术措施物理改进汽油品质的改善，汽油掺水，汽油掺氢，增压，废气再循环（冷）前处理净化优化控制EGR优化控制精确的混合气制备电喷技术（进气道喷射，缸内喷射）多气门技术，气缸几何参数的优化设计（燃烧室、程径比、气缸容积）燃烧改进机内净化可变进气系统，可变凸轮轴相位，可变气门升程，可变气门相位，全可变气门控制，可变压缩比，电子式点火定时调节，爆震控制，动力传动系统的整体控制广阔的优化控制新燃烧方式稀薄燃烧，分层燃烧先进的制造和质量控制二次空气喷射，氧化催化反应器，热反应器，三元催化反应器后处理净化1燃料品质的改善汽车工业发展的不同时期，对车用燃油的品质有着不同的要求。早期的要求主要是出于满足车辆性能的考虑；随着社会对环境保护要求的日益加强，人们开始重视车用燃油的质量对汽车排放污染物的直接影响。清洁的汽油是净化排放的必要条件，只有提高汽油品质，高水平的排放控制技术才能得以推广应用。《世界燃料规范》总结了汽油质量对排放影响的主要因素。研究表明：汽油的辛烷值、挥发性及硫、铅、含氧化合物、烯烃、芳烃、苯等含量对排放的影响很大。为了支持车辆排放控制技术，需要使用无铅汽油，因为即使是轻微的铅污染，也会使现代催化转换系统遭到破坏。因此，汽油无铅化是长期的基本要求。此外，现代汽车上若采用了由三元催化器构成的精密闭环控制系统，则在车辆的有效使用期内这些系统必须保持在最佳工作状态，以使排气污染物控制在最低。能产生灰分的锰（MMT）和铁（铁的化合物）等添加剂对催化剂和其它装置产生不可逆转的破坏影响，导致排气污染加大。因此必须使用高质量的汽油，不使用产生灰分的添加剂。2汽油掺水技术汽油掺水是用以控制NOx的重要措施之一。由于水的蒸发潜热很高，所以水蒸汽的生成要吸收大量的热，因而导致了最高燃烧温度的下降，水蒸汽还对燃气进行了稀释，降低了氧的浓度，所以使NOx的产生受到抑制。在不引起机油稀释和机件生锈的前提下，净化效果最好的措施是汽油与水及特定的表面活性剂（即乳化剂）预混成具有抗爆作用的乳化燃料，通过汽油供给系，供给汽油机使用。乳化燃料的制备可通过以下方法获取：（1） 可变离心泵；（2） 齿轮泵；（3） 应用超声设备实现油水均匀细微混合；（4） 机械式液力剪切器；（5） 引汽乳化系统等。这些设备、系统部分已经微型化，可以装在汽油机上作为附件边制备边使用，这样可以降低对乳化燃料稳定性的要求，从而能够进一步减少乳化剂的含量，使燃料成本降低。3多气门技术，特别是四气门技术多气门汽油机，是指气门数多于2个的汽油机。1920年初，意大利布格吉公司率先将多气门发动机用于赛车；20世纪70年代，随着排放要求越来越严格，加之电子技术的应用，多气门发动机的优越性才明显表现出来。20世纪80年代，由于排放问题被突出起来，使得多气门发动机得到了长足发展。四气门汽油机有两个进气门和两个排气门，在四气门汽油机技术的发展过程中，四气门的潜力不断得到发掘。与传统的二气门汽油机相比，四气门柴油机具有以下优点[2，7]:（1） 扩大了进气截面，增加了进气量，可提高功率约15%~20%；（2） 火花塞可中心垂直布置，更有利于改善燃烧过程；（3） 可使排放减少15%~20%可以预计，性能优越的四气门汽油机将会全面取代二气门汽油机。4CBR（ControlledBurnRate）技术CBR，即可控燃烧速率。采用CBR技术能降低油耗达7%左右，如再与VVT（可变气门正时）相结合，油耗还能进一步降低。采用CBR技术，利用普通的三元催化器就能达到欧B、欧IV排放标准。CBR机构简单，它有非对称进气道，一个切向气道，一个中向气道。切向气道引导气流沿轴向旋转形成涡流，中向气道引导气流沿汽缸轴线前进。中向气道里面也有个类似节气门的蝴蝶阀，低转速（＜1000r/min）或中低负荷（1000-4000r/min，负荷v70%）,蝴蝶阀关闭或部分关闭。即使蝴蝶阀关闭，该阀门还留有专门通道供油束通过。关闭中向气道会使通过中性气道进入汽缸的混合气变浓，切向气道可以进入更多的新鲜燃气，形成稀混合气。与不带CBR的发动机相比，相同工况下，CBR发动机节气门开度大，因此可以减小泵气损失功。广义地说，利用CBR技术也实现了分层燃烧，中部浓混合气靠近火花塞，点火性能好，外围稀混合气可以提高过量空气系数，有利于降低油耗。另外，关闭一个进气道，可以增强缸内涡流比，提高燃烧稳定性，使缸内EGR率的上限提高，采用合适的EGR率不仅降低排放，而且还能提高燃油经济性。5汽油机废气再循环（EGR）技术EGR是英文ExhaustGasRecirculation的缩写，意思为废气再循环系统，是针对引擎排气中有害气体之一的NOx所设置的排气净化装置。发动机ECU根据发动机的转速、负荷（节气门开度）、温度、进气流量、排气流量，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是在高温条件下生成的，故抑制了NOx的再次生成，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和性能，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。现在我们运用得最多的是低压废气再循环系统，以及脉冲式废气再循环系统6VVT及VTEC系统的应用普通发动机在制造出来后，配气相位和气门升程就固定不变了，无法适应不同转速下发动机对进排气的需求。因此，传统的发动机设计人员在考虑凸轮轴型线时，都采用折衷方案，既要照顾高速也要考虑低速。但是这种综合考虑的设计方案，在某种程度上限制了发动机的性能，已远远不能满足现在车用发动机的要求。因此，人们希望能够有这样一种发动机，其其气门正时能随发动机的转速变化而变化，凸轮型线能够适应任何转速，不论在高速还是低速都能得到最佳的配气相位。于是，可变气门正时系统（VVT）与可变配气相位控制机构（VTEC）便应运而生。6.1VVT（VariableValveTiming）可变气门正时系统可变气门正时系统，通过配备的控制及执行系统，对发动机凸轮的相位进行调节，从而使得气门开启、关闭的时间，随发动机转速的变化而变化，以提高充气效率，增加发动机功率。发动机可变气门正时技术原理，是根据发动机的运行情况，调整进气（排气）的量，和气门开合时间及角度。使得进入的空气量达到最佳，提高燃烧效率，达到优化排放的目的。其优点是省油，公升比大。缺点是中段转速扭矩不足。VVT-i是目前比较先进的可变气门正时技术，由于采用电子控制单元（ECU）控制，又称为〃智慧型可变气门正时系统”。VVT-i系统视控制器的安装部位不同，而分成两种：一种是安装在排气凸轮轴上的，称为叶片式VVT-i;另一种是安装在进气凸轮轴上的，称为螺旋槽式VVT-i。两者构造有些不一样，但作用是相同的，都是一种控制进气凸轮轴气门正时的装置，它通过调整凸轮轴转角配气正时进行优化，从而提高发动机在所有转速范围内的动力性和燃油经济性，降低尾气的排放。VVT-i的优点，是可连续调节气门正时，但不能调节气门升程。其工作原理是：当发动机由低速向高速转换时，ECU就自动地将机油压向进气凸轮轴驱动齿轮内的小涡轮，这样在压力的作用下，小涡轮就相对于齿轮壳旋转一定的角度，从而使凸轮轴在60°的范围内向前或向后旋转，从而改变进气门开启的时刻，达到连续调节气门正时的目的。6.2VTEC可变气门正时和升程电子控制系统VTEC系统全称是可变气门正时和升程电子控制系统，它能随发动机转速、负荷、水温等运行参数的变化，而适当地调整配气正时和气门升程，使发动机在高、低速下均能达到最高效率。与很多普通发动机一样，VTEC发动机每缸有4气门（2进2排）、凸轮轴和摇臂等，但与普通发动机不同的，是凸轮与摇臂的数目及控制方法。在VTEC系统中，其进气凸轮轴上分别有3个凸轮面，分别顶动摇臂轴上的3个摇臂，当发动机处于低转速或者低负荷时，3个摇臂之间无任何连接，左边和右边的摇臂分别顶动两个进气门，使两者具有不同的正时及升程，以形成挤气作用效果。此时中间的高速摇臂不顶动气门，只是在摇臂轴上做无效的运动。对于低速，尤其是冷车条件下，有利于提高混合气均匀度、增大燃烧速率、减少壁面激冷效应和余隙的影响，使燃烧更加充分，从而提高了经济性，并大幅降低了HC、CO的排放；当转速在不断提高时，发动机的各传感器将监测到的负荷、转速、车速以及水温等参数送到ECU中，ECU对这些信息进行分析处理。当达到需要变换为高速模式时，电脑就发出一个信号打开VTEC电磁阀，通过VTEC电磁阀控制液压油的走向，使得两进气摇臂连成一体，并由开启时间最长、升程最大的进气凸轮来驱动气门，此时两进气门按照大凸轮的轮廓同步进行。与低速运行相比，大大增加了进气流通面积和开启持续时间，从而提高了发动机高速时的动力性但是VTEC系统对于配气相位的改变仍然是阶段性的，也就是说其改变配气相位只是在某一转速下的跳跃，而不是在一段转速范围内连续可变°i-VTEC系统则弥补了这一缺点，大大改善VTEC系统的性能。简单地说，i-VTEC系统是在VTEC系统的基础上，增加了一个称为VTC（VariableTimingControl“可变正时控制"）的装置 一组进气门凸轮轴正时可变控制机构，即i-VTEC=VTEC+VTC。此时，排气阀门的正时与开启的重叠时间是可变的，由VTC控制，使进气凸轮轴的相位连续变化。VTC令气门重叠时间更加精确，保证进、排气门最佳重叠时间，可将发动机功率提高20%。VTC机构的导入，使发动机在大范围转速内都能有合适的配气相位，使得气门的配气相位能够〃智能化地”适应发动机负荷的改变。实现了汽油机在最佳怠速的工作稳定性、稀薄燃烧，最佳油耗、排放，最佳扭矩输出三个方面的智能化控制，在很大程度上提高了发动机的性能。另外，i-VTEC发动机采用进气歧管在前、排气歧管在后的布置。排气歧管缩短了长度，也就是缩短了与三元催化器之间的距离，使三元催化器更快进入适当的工作温度，能有效控制废气排放。由于发动机启动后i-VTEC系统就进入状态，不论低转速或者高转速VTC都在工作，也就消除了原来VTEC系统存在的缺陷。7动力传动系统整体控制技术20世纪80年代中期出现的动力传动系统的综合电子控制，是用一套或两套控制单元（ECU）同时控制变速器和发动机，以改善车辆的动力性、经济性和排放等综合性能。目前动力传动系统的整体控制方案基本分两大类[8]:（1）将发动机控制和变速器控制的任务由一个ECU来承担。其特点是集成度高，可靠性好；但对微处理器的要求也高，开发调试的难度相对较大。将发动机和变速器分别用两个相互之间可以以一定方式进行信息交流的ECU进行控制。其优点是对微处理器的要求较低，发动机和变速器的电子控制可以单独进行开发，系统的通用性和可移植性强，并有利于缩短研究开发周期和实现产品的系列化。8新概念燃烧方式和燃烧模型8.1稀薄燃烧稀薄燃烧，顾名思义就是发动机的空燃比相对理论空燃比14.7:1更大，稀薄燃烧发动机中，以更为稀薄的混合气，空燃比大于18。稀薄燃烧技术的最大特点，就是燃烧效率高、经济、环保，同时还可以提升发动机的功率输出。因为在稀薄燃烧的条件下，由于混合气点火比理论空燃比条件下困难，暴燃也就更不容易发生，因此可以采用较高的压缩比设计，提高热能转换效率，再加上汽油能在过量的空气里充分燃烧，混合气较稀时，绝热指数K反而增大。从理论上讲，混合气越稀，K值越大，热效率也越大。随着空燃比的增加，由于采用稀的混合气使燃烧温度降低，NOx的排放明显减少，同时燃烧产物中的氧成分有利于HC和CO的氧化，因此，HC和CO的排放也减小，同时还可避免不稳定燃烧甚至失火/9T>T2S.^t.xx/xo然而，随着空燃比增加到一定程度，由于燃烧速度的降低，可能会使燃烧不完全，HC的排放会迅速增加，而在分层稀薄燃烧到均质理论空燃比燃烧过程中，空燃比连续变化。因此，三效催化转化器不能够净化排放气体中的NOx。所以要实现稀薄燃烧，避免上述不利后果，主要的思路就是通过提高喷焰强度，增加稳流及涡流，进而加快火焰传播速度，提高燃烧速度并通过控制排气温度发挥三效催化转化器的效能，最终实现合理的稀薄燃烧。由此采取的关键措施主要有：提高压缩比。采用紧凑型燃烧室，通过进气口位置改进使缸内形成较强的空气运动旋流，提高气流速度；将火花塞置于燃烧室中央，缩短点火距离；提高压缩比至13:1左右，促使燃烧速度加快。分层燃烧技术。如果稀燃技术的混合比达到25:1以上，按照常规是无法点燃的，因此必须采用由浓至稀的分层燃烧方式。通过缸内空气的运动在火花塞周围形成易于点火的浓混合气，混合比达到12:1左右，夕卜层逐渐稀薄。浓混合气点燃后，燃烧迅速波及外层。为了提高燃烧的稳定性，降低氮氧化物(NOx)，现在采用燃油喷射定时与分段喷射技术，即将喷油分成两个阶段，进气初期喷油，燃油首先进入缸内下部随后在缸内均匀分布，进气后期喷油，浓混合气在缸内上部聚集在火花塞四周被点燃，实现分层燃烧。高能点火和宽间隙火花塞有利于火核形成，火焰传播距离缩短，燃烧速度增快，稀燃极限大。有些稀燃发动机采用双火花塞或者多极火花塞装置，来达到上述目的。可变涡流控制系统，在低负荷状态下产生较强涡流，在全负荷状态下减小涡流甚至不用涡流。采用高精度空燃比控制系统及缸内喷注方式，有利于提高空燃比及压缩比，扩展燃烧失火极限，实现稀薄燃烧。增大EGR的废气再循环量，有效的降低燃烧温度，同时降低了发动机的排放值。8.2分层燃烧分层燃烧，是一种新型的燃烧模型，其目的是为了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，以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。其类型主要有：图1分层燃烧示意图轴向分层燃烧。燃料在涡流作用下，沿气缸轴向产生上浓下稀的分层。滚流(纵涡)分层稀燃。进气过程中形成的绕垂直于气缸轴线方向旋转的有组织的空气旋流，称为滚流，也称为纵涡或横向涡流。滚流在压缩过程中逐渐被压扁，在上止点附近破碎成许多小尺寸的涡流和湍流，可大大改善混合气燃烧过程。9可变压缩比——未来发动机新技术可变压缩比的目的，在于提高增压发动机的燃油经济性。在增压发动机中，为了防止爆震，其压缩比低于自然吸气式发动机。在增压压力低时，热效率降低，使燃油经济性下降。特别在涡轮增压发动机中，由于增压度上升缓慢，在低压缩比条件下，扭矩上升也很缓慢，形成所谓的增压滞后现象。也就是说，发动机在低速时，增压作用滞后，要等到发动机加速至一定转速后增压系统才起到作用。为了解决这个问题，可变压缩比是重要方法。就是说，在增压压力低的低负荷工况，使压缩比提高到与自然吸气式发动机压缩比相同或超过；另一方面，在高增压的高负荷工况下，适当降低压缩比。换言之，随着负荷的变化连续调节压缩比，以便能够从低负荷到高的整个工况范围内有效调节热效率，改善燃烧，实现降低排气污染物的要求。为了使催化转化过程能够顺利地进行，三效催化转化器必须达到4001左右的工作温度。冷发动机起动后需要经历一段所谓的〃起燃时间”，才能达到这一温度，大约是1~2min。在起燃时间尚未结束之前，三效催化转化器对排放的净化转化作用十分有限。采用可变压缩比汽油机概念，与推迟点火一样，能够在低负荷工况下降低热效率，进而提高单位排量的废气热流量，迅速地加热三效催化转化器，缩短起燃时间，明显地降低冷起动和暖机阶段排放；在部分负荷工况，利用HC随着压缩比增大而升高的现象，提高废气再循环率，使HC与NOx充分反应，有效地降低NOx排放；在较高负荷下通过提高压缩比能够提高热效率，增大扭矩，可以部分替代混合气加浓的程度，因而降低对混合气加浓的要求，这样就可以扩大闭环控制的工况范围，进一步降低有害物质CO和HC的排放。这种可变压缩比技术，最初由Saab研发。在2000年的日内瓦车展上，Saab展出了它的SVC可变压缩比发动机，这款发动机利用气缸盖相对于曲轴箱侧转实现可变压缩比，其压缩比范围可从8:1至14:1之间变化。在发动机小负荷时，采用高压缩比以节约燃油；在发动机大负荷时，采用低压缩比，并辅以机械增压器，以实现大功率和高扭矩输出。SVC发动机的气缸盖和气缸体是动态连接在一起的，在缸体与缸盖之间安装楔型滑块，缸体可以沿滑块的斜面运动，气缸盖可以绕缸体前后摆动，气缸盖与气缸体通过一组摇臂连接（图中的桔黄色部分），摇臂能在ECU的控制下改变一定的角度，使得燃烧室与活塞顶面的相对位置发生变化，改变燃烧室的客积，从而改变压缩比。由于气缸盖和气缸体会发生移位，在气缸盖和气缸体之间设计了一组橡胶套，起到密封作用。SVC发动机采用可变压缩比技术后，其综