毕业设计----汽油机HC排放的生成机理及净化措施(共56页)

汽油机HC排放的生成机理及净化措施摘要 汽车作为现代化交通工具，给人们的生产与生活带来了极大方便。可是它的尾气排放物却给大气环境造成了严重污染。通过对汽车尾气中的固体悬浮微粒、一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物、铅和黑烟等有害成份及其危害机理进行分析。探讨了治理汽车尾气污染的主要原因，提出了汽车尾气污染防治的若干对策。本文主要论述了车用汽油机HC排放物控制的必要性，探讨了HC的生成机理及其影响因素，介绍了各种车用汽油机HC排放的控制技术，分析了各种净化技术的特点和存在的问题。关键词：汽油机；碳氢化合物；生成机理；净化措施Generation Mechanism of HC from Vehicle Gasoline Engine and Its Emission Control TechniqueAbstractAs the modern means of transportation, automobiles bring great convenience to peopleps life and production. However, the exhaust emissions cause terrible pollution to atmospheric environment. Analyzing harmful components: solid suspended particles, Carbonmonoxide, Nitrogen oxides, Hydrocarbons, Lead and smoke and its hazards analyses of the mechanism, the author discusses the main reasons of managing vehicle exhaust pollution and puts forward a number of countermeasures of controlling and prevention of automobile exhaust pollution.The article discusses the necessity of HC emissions control from vehicle gasoline engine, as well as the generation mechanism of HC and its influence factors. HC emission control techniques of all kinds of vehicle gasoline engines are introduced along with the features and problems of respective purification technique.Key word: gasoline engine; HC; generation mechanism; purification measures目 录 1 绪 论1.1 本文研究的意义和内容1.1.1 本文研究的意义 环境和发展是当今世界普遍关注的重大问题，这是因为环境是人类赖以生存的发展和基础，如果人类的生存环境遭到破坏，将严重阻碍社会经济的发展和威胁人群的健康与生存。人类在进入二十一世纪以后，生产力得到了高速发展，创造了高度的物质文明，但也带来了一系列社会和环境问题。特别是人类从环境中获取物质和能量，创造了人类需要的物质文明和财富，同时也将污染带给环境，造成对环境的污染和生态系统的破坏。汽车排放是目前增长最快的大气污染源，在发达国家城市区域，汽车是CO、HC、NOx和O3等空气污染的主要来源。碳氢化合物（HC）主要是未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解产物。凡是对HC来源起作用的因素 ,均在一定程度上影响HC的排放量 。在发动机结构参数和燃烧室形状不变的情况下，HC排放量主要与空燃比、燃烧条件、负荷情况以及燃料性质等有关。环境污染控制与解决能源危机是当今社会急需解决的两大问题。如果人类的生存环境遭到破坏，将严重阻碍社会经济的发展和威胁人群的健康与生存。由于汽油机对环境的污染一般要比柴油机严重，所以控制汽油机污染物的排放是解决汽车排放控制的重点。汽油机排放污染物可归纳如下：排气（尾气）污染物主要有CO、HC、NOX、SO2和微粒；曲轴箱窜气和燃油蒸发成分HC。1.1.2 本文研究的内容本课题就是探讨汽油机HC的生成机理、影响因素以及净化措施。1.2 国内外研究情况本世纪六十年代以来，全球范围内由于汽车尾气引起的空气污染日趋严重，在工业发达、交通稠密的国家更是如此，许多国家纷纷通过制定机动车排放法规来克服这一问题而作出努力。逐步严格的排放法规，给汽车和发动机制造商提出了巨大的挑战和新的发展机遇，一些实力强大的汽车制造商和开发机构也不断推出满足新排放法规的产品。回顾国外汽车排放的历程可以看出，这是一个技术和法规相互促进、不断进步的过程。80年代初，美国制定了相当严格的的排放法规，使汽车制造商感到不管如何改进化油器也不可能达标，必须另辟新路时，新的电子控制燃油喷射系统技术应运而生。90年代初，随着汽车排放标准的进一步提高，汽车制造商开发出第二代多点燃油喷射技术，并配备新型催化转化器。最近，缸内直喷稀燃汽油发动机汽车也在日本开发成功，在不断改善汽车排放的同时，使燃油经济性也不断改进，从而满足不断严格的汽车环保节能的要求。20世纪90年代以来，国外对冷起动工况下的HC排放，开展了较深入的研究。我国近些年这方面的工作也相继展开，其中黄佐华1等较早地研究了冷起动HC排放及其影响因素；程勇2等结合三效催化反应器的起燃特性，研究了冷起动和暖机过程缸内气体排放及影响因素；纪常伟3等研究了进气管结构对汽油机起动排放的影响；李理光4等基于循环控制方法分析了汽油机冷启动首次循环喷射脉宽对冷起动着火稳定性的影响，并发现了确保LPG发动机冷起动首循环起动成功的空燃比窗口区域。1.3 研究方法 通过查阅资料及教师指导探索分析汽油机HC生成机理及排放措施，研究每一净化措施的利与弊，针对一净化措施进行详细论述，经过对比寻求高效率的净化措施。2 汽油机HC生成机理汽油机排放污染物的排放途径可分为曲轴箱窜气、燃料蒸发泄露和燃烧排气3部分。曲轴箱窜气主要指在压缩或燃烧过程中汽缸中的混合气或燃气从活塞环间隙泄漏到曲轴箱，并由曲轴箱通风口排入大气的气体，其主要成分是未燃碳氢化合物HC。泄漏量随着发动机的磨损而增加。在没有控制曲轴箱排放时，这部分排放量占汽油机HC总排放量的25%左右。发达国家的汽车对泄漏气体已全部进行了控制，使泄漏气体由曲轴箱循环进入发动机中烧掉。汽油是一种容易蒸发的高挥发性液体，燃油供给系统的蒸发排放主要产生于燃油箱和化油器等通大气口。燃油蒸发一般有以下几种形式：一是当然油箱内压力高于环境压力时，汽油蒸发器从汽油盖内的通风口泄漏出来。如果油箱太满时，燃油膨胀将会从通风口溢出，滴漏到地面迅速蒸发进而造成HC污染。另外，采用传统的化油器式发动机，化油器浮子室的外部及内部通风口也是燃油蒸发的一个泄漏途径。当发动机长时间运转后停下来时，发动机机体的温度高于环境温度，浮子室内的燃油会蒸发形成汽油蒸发，这些汽油蒸发便由内部通风口进入空气滤清器内，其中一部分泄露进入大气形成HC污染。在不加控制的情况下，这部分排放量占汽油机HC总排放量的20%左右。发达国家的汽车都安装了蒸发污染的控制装置，即把由燃油系统的各个通风口泄漏的燃油蒸汽用炭罐先吸收起来，到发动机工作时再释放出来使其进入气缸内燃烧。汽油机排放的HC，其成分及其复杂，估计有100200种成分，包括芳香烃、烯烃、烷烃和醛类。出牌其中的未燃烧烃外，还包括燃油供给系统的蒸发排放以及燃烧室等泄漏排放出的HC。由进气管排入大气的污染物是在缸内形成的。缸内HC的成因主要有以下几种：第一是多种原因造成的不完全燃烧，第二是燃烧室壁面的粹熄作用，第三是热力过程中的狭缝效应，第四是壁面油膜和积炭的吸附作用。2.1 不完全燃烧(氧化) 在以预均匀混合气进行燃烧的汽油机中，HC和CO一样，也是一种不完全燃烧（氧化的产物）。大量实验表明，碳氢燃料的氧化根据其温度、压力、混合比、燃料种类及分子结构的不同有着不同的特点。各种烃燃料的燃烧实质是烃的一系列氧化反应，这一系列的氧化反应有随着温度而拓宽的一个浓限和稀限。混合气过浓或过稀都可能燃烧不完全或失火，因而HC的排放与空燃比A/F有密切关系，如图2-1所示。怠速及高负荷工况时，可燃混合气浓度处于过浓状态，加之怠速时残余废气系数大，造成不完全燃烧或失火；另外，汽车在加速或减速时，会造成暂时的混合气过浓或过稀现象，也会产生不完全燃烧或失火。即使在A/F14.8时，由于油气混合不均匀，造成局部过稀或过浓现象，也会因不完全燃烧产生HC排放。 图2-1 排气中CO、HC、NOX与A/F的关系2.2 壁面淬熄效应燃烧过程中，燃气温度高达2000以上，而汽缸壁面温度在300以下，因而靠近壁面的气体受低温壁面的影响，温度远低于燃气温度，并且气体的流动也较弱。所谓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(也称激冷)，使活化分子的能力被吸收，链式反应中断，在壁面形成0.10.2mm的不燃烧或不完全燃烧的火焰淬熄层，产生大量未燃的HC。淬熄层厚度随发动机工况、混合气湍流程度和壁温的不同而不同，小负荷时较厚，特别是冷起动和怠速时，燃烧室壁温较低，形成很厚的淬熄层。另外，燃烧室中各种狭窄的缝隙，例如活塞头部与气缸壁之间的狭缝，火花塞中心电极周围，进气门和排气门头部周围处，由于面容比很大，淬熄层效应十分剧烈，火焰无法进入其中继续燃烧；而在膨胀和排气过程中，缸内压力下降，缝隙中的未燃混合气返回气缸，并随排气一起排出。虽然缝隙容积较小，但其中气体压力高，温度低，因而密度大，HC的浓度极高。一些研究表明，由壁面淬熄效应产生的HC可占排气管排放HC的3050。2.3 狭缝效应 燃烧室缝隙效应,又称双壁激冷。按照这个观点，汽油机工作时总有一些液态油滴或燃油蒸汽隐藏在缝隙中，因火焰无法传入其中而不能燃烧，于是成为碳氢化合物的一个来源。一般来说，缝隙效应对HC排放影响不大，但在低负荷运转下，当活塞上行、活塞环扫过缸壁时，在冷壁区凝结的燃油更易堆积在活塞顶岸和第一道环后的间隙中，使HC排放升高。2.4 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料蒸气，在膨胀和排气过程中这些吸附的燃料蒸气柱随之进入气态的燃烧产物中。像上述淬熄层一样，这些HC的少部分被氧化，大部分则随已燃气体排出汽缸。据研究，这种油膜和积炭吸附产生的HC排放占总量的3550。实验表明，发动机使用含铅汽油时燃烧室积炭可使HC排放增加720，消除积炭后，HC排放明显降低。汽缸中HC排放过程可由透明燃烧室的高速摄影结果（图2-2）予以说明。图a表示在燃烧过程中，汽缸盖底面1、汽缸壁面2、活塞顶部3以及第1道活塞以上的狭缝4等处，存在不燃烧的淬熄层。图b表示在膨胀过程中，由于活塞下行，后期汽缸压力下降，故上止点和活塞顶之间HC气体膨胀并沿着汽缸壁铺开；在排气行程时，由于活塞上行，汽缸壁附近的HC被刮离汽缸壁卷成图c所示的漩涡。在排气出口处用快速采样法测试的结果表明，未燃HC排放气缸是有如图2-3所示的两个明显的峰值。图2-3中纵坐标有两个，一是未燃碳氢的排放含量，另一是碳氢的质量流率。图2-3上两个峰值，第一个峰值出现在排气门刚打开时的先期排放阶段，这被认为是气体离开汽缸时夹带了汽缸顶部间隙内的混合气以及淬熄层等的气体所形成；第二个峰值出现在排气行程后期，图2-2所示的活塞运动产生的漩涡使汽缸壁面的HC和溶于润滑油薄膜层中的HC排出被认为是这个峰值形成的原因，此时排气中的HC浓度极高，而排气的质量流率相对降低。 a b c1-汽缸盖底面；2-汽缸壁面；3-活塞顶部；4-活塞以上狭缝图2-2 HC排放过程（汽油机n=1200r/min，=1.2节气门全开）图2-3 排气中HC随曲轴转角的变化3 影响HC生成的因素 汽油机的设计与运行参数、燃料的制备、分配及成分等因素都与排气中污染物的排出量有很大关系，为了减低汽油机排气中的有害排放物，必须了解这些因素对有害排放物生成的影响。下面介绍一下HC排放物生成的因素。其中包括空燃比的影响、点火提前角的影响、转速的影响、负荷的影响、冷却水及燃烧室壁面温度的影响、排气背压的影响、燃烧室壁面沉淀物的影响以及相关因素的影响和燃烧性质的影响。 3.1 空燃比的影响空燃比A/F是影响汽油机中污染物产生的重要影响因素之一。它对排气中CO、HC和NOX的影响如图2-1。从图中可以看出，随空燃比的增加，CO排放浓度逐渐下降，HC排放浓度两头高、中间低，而NOX排放浓度却是两头低、中间高。NOX的浓度峰值出现在理论空燃比附近并且靠近稀混合气的一侧。而HC排放浓度的谷值则出现在较理论空燃比较稀的地方。空燃比对HC排放浓度的影响甚大。通常HC排放浓度和数量有随混合气变稀而下降的趋势，但是，当混合气空燃比大于17:1时，混合气过分稀薄，易发生火焰不完全传播以至断火，使HC排放量迅速增加。混合气过浓时，空气量不足，不能完全燃烧，燃油消耗率和HC排放率都增加。混合气过稀时，火焰燃烧不充分或断火，也使燃油消耗率和HC排放率增加。因此，凡影响空燃比和排气后反应的因素，如大气压力、进气温度、排气温度、排气中的含氧量等，也必然影响HC的排放。3.2 点火提前角的影响点火提前角推迟，后燃严重。一方面，降低了混合气燃烧时的燃烧室面积，激冷壁面面积减小；另一方面，导致排气温度上升，促进HC在排气系统中的氧化。这些都使最终排出的HC减少。点火提前角对汽油机HC排放的影响如图3-1所示。空燃比一定时，随点火提前交的推迟，HC减少，燃油消耗却明显恶化。这是由于随点火时可相对于最佳点火提前角（MBT）的推迟，后燃加重，热效率变差。但点火提前角推迟会导致排气温度上升，使得在排气行程以及排气管中HC氧化反应加速，使最终排除HC 减少。图3-1 点火提前角对HC排放的影响3.4 负荷的影响发动机试验结果表明，如果维持空燃比和转速保持不变，并按最大功率调节点火时间时，改变负荷对HC排放浓度几乎没有影响，但在负荷增加时，HC排放量会因废气流量变大而几乎呈线性增长。3.5 冷却水及燃烧室壁面温度的影响提高汽油机冷却水及燃烧室壁面温度，可降低狭缝容积中储存的HC含量，减少淬熄层的厚度，改善狭缝容积逸出的HC及淬熄层扩散出来的燃油的氧化条件，而且可改善燃油的蒸发、分配，提高排气温度，使HC排放物减少。HC排放随冷却水温增加而减少的情况如图3-2所示。不过冷却水及燃烧室壁面温度的提高也使燃烧最高温度增加，从而NO排放也增加。图3-2 冷却水温对HC排放的影响3.6 排气背压的影响当排气管上装上催化转化器或消声器后，排气背压增加，留在缸内的废气增多，未燃的烃会在下一循环中被烧掉，排气中的HC含量将降低，然而，如果背压过大，则留在缸内的废气过多，稀释了混合气，燃烧恶化，排出的HC会增加。3.7 燃烧室壁面沉积物的影响沉积在活塞顶部、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料蒸气，在排气过程中再释放出来。因此，燃烧室壁面沉积物的增加，使HC的排放量增加。沉淀物对排气的多环节芳香烃的含量有明显影响。在汽油机小负荷运转时，芳香烃储存与沉淀物中，而在重负和运载时释放出来。燃油的芳香烃含量高。但是，如果没有足够的时间形成沉淀物，那么即使使用芳香烃含量高的燃油，排气的芳香烃含量也较低。图3-3表明，随着汽油机运转时间的增加，沉积物加厚，排气的未燃烃含量增加。图曲线1表示节气门全开、过量空气系数=1200r/min时，排气中HC的变化；曲线2表示节气门部分开启、过量空气系数=1.01、发动机转速n=2000r/min时排气的HC的变化。由图3-3可知，汽油机的运转时间及沉淀物的厚度对HC排放影响大，点3表示清除沉淀物后HC的变化。图3-3 汽油机运转时间对HC排放的影响3.8 相关结构因素的影响对汽油机影响较大的结构参数有汽缸工作容积、行程缸径比（S/D）、燃烧室形状、压缩比、活塞顶结构尺寸、配气定时以及排气系统等。这些参数的影响遵循下列两点：第一点是在上止点时燃烧室的容积比F/V越大，进入活塞的间隙的混合气越多，排气氧化不多时HC的排出量增大；第二点是若使由燃烧室壁面散失的热量减少、残留气体减少，则NO的排放量增大。3.8.1 汽缸工作容积与行程缸径比的影响汽油机的汽缸工作容积与行程缸径比对排气污染物的排放和油耗有很大的影响。图3-4为汽油机的工作容积与行程缸径比对HC排放的影响。图上的HC排放量是相对值。图3-4 行程缸径比及工作容积对HC排放的影响汽油机的气缸工作容积越大，则汽缸面容比F/V越小，汽缸相对散热面积越小，因此HC排放和油耗越低，汽油机行程缸径比的影响更大，汽油机的行程越长，HC排放和油耗越低。根据散热规律的对比分析，长行程汽油机的燃烧速度快，点火定时可以相对后移。长行程汽油机的最高放热率大、燃烧温度高。这些因素都有利于降低汽油机的HC排放和燃油消耗。3.8.2 压缩比的影响压缩比增大后，F/V增大，进入活塞顶环隙的混合气增多，HC的排出量也增加。压缩比对HC排放的影响如图3-5所示。图3-5 压缩比对HC排放的影响3.8.3 燃烧室形状的影响当工作容积和压缩比保持一定，变化燃烧室形状时，HC的排放量与F/V成正比，即F/V增大，HC排出量也增加。3.8.4 气门定时的影响气门定时对发动机HC排放的影响如图3-6所示。排气门早开导致正在燃烧的HC排出，从而使HC排放增多。图3-6 气门定时对发动机HC排放的影响 3.8.5 活塞顶环隙容积的影响进入活塞和缸壁构成的小间隙（活塞顶环隙）的混合气，由于壁面淬熄效应和狭缝效应的影响，很难燃烧掉，从而影响HC的排放量。图3-7表示其影响的实验结果。图中d表示活塞顶环隙容积的增大，进入环隙的混合气增多，HC的排放量增加。图3-7 活塞顶环隙容积对HC排放的影响3.8.6 排气系统的影响排气系统对HC的排放有影响。因为HC在排气系统中可以进一步被氧化，温度越高，HC被氧化的越多；排气在近期系统高温段停留的时间越长，HC被氧化的也就越多。3.8.7 火花塞位置的影响火花塞在燃烧室的位置不同时，发动机的燃烧放热速率不同，故火花塞的位置对排放有重要影响。火花塞的布置应是火焰传播距离短，若火花塞距燃烧室的缝隙较远，则汽油机排放的HC增加，反之亦然。火花塞的位置对HC排放的影响还与燃烧室的结构形状有关，一般来说，对非紧凑型燃烧室的影响比对紧凑型燃烧室的影响大。如在圆盘形燃烧室上，由于火花塞位置不同可使发动机HC排放的差别高达81；而半球形燃烧室上，火花塞位置的改变仅能使发动机HC的排放产生35的差别。3.9 燃料性质的影响汽油的辛烷值、挥发性也会影响HC的排放量。辛烷值太低或挥发性太差都会使HC的排放量增加。汽油机辛烷值的大小影响汽油机的油耗，较低的辛烷值导致油耗增加，因此排放量也随之增大。汽油机的挥发性太低，则混合气的生成不良，启动困难，暖机性能不好，影响燃烧和排放；挥发性太高，则蒸发排放增加，炭罐容易过载，并且油路中气泡增加，影响喷油器的稳定性，进而影响排放。4 汽油机控制HC排放的主要净化措施汽车是人类文明的最重要的交通工具，其增长率超过人口增长率，而且还在不断增加。在整整一个世纪中，全球汽车保有量已达到近8亿辆。因此，环境保护问题已经成为世界性重要问题。削减汽车排放污染物的最根本途径，是依靠汽车排放控制技术的开发和应用，而推动这些先进的排放控制技术发展的动力，主要是实施严格的汽车排放标准。汽车排放污染物的控制技术可分为三类：以改进发动机燃烧过程为核心的机内净化技术，在排气系统中采用化学或物理的方法对已生成的有害排放物进行净化的排放后处理技术，以及来自曲轴箱和供油系统的有害物进行净化的非排气污染控制技术。后两类也称为机外净化技术。4.1 机内净化4.1.1 燃烧系统的改进4.1.1.1 紧凑的燃烧室形状燃烧室面容比越小，结构越紧凑，传热损失就越小，混合气越均匀，燃烧过程完成得就越稳定且快，HC排放就越低。因此，圆盘形、浴盆形、楔形燃烧室越来越多地被半球形、帐篷形、屋顶形等紧凑型燃烧室所代替。现代汽油机大多采用火花塞布置在燃烧室中央，以缩短火焰传播距离，加速燃烧过程。提高发动机的压缩比，从而提高缸内混合气温度，可以促进混合气的形成和燃烧，达到减少HC排放的目的。燃烧室设计的重要原则之一是面容比S/V要小，即尽可能紧凑；火花塞尽可能布置在燃烧室中央，以缩短火焰燃烧距离。优化设计的燃烧系统可使其有机的经济性和排放特性方面得到以下改善：（1） 紧凑的燃烧室可使燃烧时间缩短，实现快速燃烧，提高热力循环的等容度，使热效率提高。快速燃烧与推迟点火提前角或EGR的排放控制措施联用并匹配得当，可在降低排放的同时保证动力性和经济性不至于恶化。（2） 快速充分的燃烧可降低CO和HC的排放。（3） 紧凑的燃烧室可有效地防止爆震，或者说提高了机械辛烷值。因为燃烧时间越长，越容易发生爆震。这就使得汽油极有可能进一步提高压缩比以改善热效率。（4） 面容比S/V小，可减轻燃烧室壁面对混合气的淬熄效应，减少HC排放。（5） 面容比S/V小，可减少燃烧过程中的散热损失，有效提高热效率。 总之，紧凑的燃烧室可直接使汽油机的热效率提高，HC和CO排放降低。4.1.1.2 减少不参与燃烧的缝隙容积如在上章HC生成机理介绍的那样，在活塞头部、火花塞和进气门外处存在着S/V很大的缝隙，由于壁面淬熄效应而产生大量HC。因而在燃烧室和活塞组设计中应尽量减少这些缝隙容积。如图4-1给出的例子，由原设计改为高位活塞组设计后，HC排放降低了20。图4-1 采用高位活塞环降低HC的效果4.1.2 推迟点火提前角点火提前角对发动机的动力性、经济性、排放特性和噪声有重要影响，推迟点火提前角一直是最简单易行也是最普遍应用的排放控制技术。图4-1示出了点火提前角对平均有效压力Pme、燃油消耗率ge、最高燃烧压力Pmax、和排气温度te的影响。点火提前角为上止点前3540（CA）时，Pme和ge最佳，这是以动力性经济性为目标时最常用的点火提前角。适当推迟点火提前角会降低HC的排放量，是由于排气温度上升，促进了进气过程中HC在汽缸内和排气管内的氧化。但会引起有效压力的下降和燃油消耗率的上升。因此，靠这种方法降低HC的排放有一定限度，实际中应综合考虑排放特性、动力性及经济性确定最佳点火提前角。图 4-1 点火提前角对动力经济性的影响4.1.3 汽油缸内直接喷射（GDI）进气管低压电控燃油喷射系统发动机在冷启动时，进气管内的气流速度低，燃油蒸发不良会导致形成油膜，进入缸内会直接附着在进气门底面、缸套壁面等处，再加上混合气过浓，燃烧不完全，形成大量的未燃HC排出机外。采用GDI的发动机改善了油气的混合机理，冷启动时不再需要过量供油，HC的排量大为降低。GDI发动机完全避免了在进气门等表面形成油膜，燃油计量准确，属于稀燃。4.1.4 高能点火与两次、多次点火技术高能点火对HC排放的作用有两方面，一是增大了初始火核半径，有助于提高燃烧速度和减少循环变动；二是降低混合气较稀时的熄火概率，使发动机可用稍稀的混合气，从而减少HC的排放。采用两次、多次点火技术可以改善启动、怠速工况下HC的排放。4.2 机外净化4.2.1 热反应净化器与两次空气供给装置热反应净化器尽量安装在靠近排气总管出口处的排气管路中，两次空气和排气中的未燃混合气混合后，利用排气本身的余热保持高温，并给予一定的反应时间，使HC和CO再燃烧。影响热反应净化的一个重要因素是排气中O2的浓度，当热反应器内有足够的O2时，HC和CO的净化效果较好。要提高O2的浓度，可以通过两次空气供给装置向排气中喷人适量的两次空气，喷射量由排气管中的HC和CO含量决定。4.2.2 HC吸附器与三效催化转化器在发动机排气尾管中安装HC吸附器。通过吸附器中的活性碳或氟石以吸附冷启动和怠速时排出的HC。三效催化转化器是利用催化剂促进发动机排气中HC、CO和NOx发生反应生成无害的物质。国内广泛使用的是价格低廉的稀土催化剂。发动机暖机工作一段时间后，吸附介质温度升高，如果达到HC的脱附温度，吸附器将释放吸附的HC。与此同时，三效催化转化器的温度也会上升，如果在吸附器释放HC之前，使三效催化转化器达到起燃温度，则可以使冷启动阶段的HC排放大幅降低。此外还可以将吸附器解吸出来的HC引入进气系统，两次进入燃烧室燃烧，同样也可达到降低冷启动时排放的目的。采用吸附方法降低HC排放是一种被动方法，它只能将HC短暂存留，HC的转化还必须依靠三效催化转化器来实现，而且在催化转化器未达到起燃温度之前，HC就有可能被释放。 氧化性催化器OC (4-1) (4-2) 三元催化器TWC (4-3) (4-4) 在氧化性催化剂中CO、HC与氧气进行氧化反应，生成无害的CO2和H2O。而三元催化剂中，CO和HC与NOX互为氧化剂和还原剂，生成无害的CO2、H2O及N2。剩余的CO和HC则进行EGR率式和4-1式反应。4.2.3 曲轴箱强制通风系统曲轴箱窜气是指在压缩过程和燃烧过程中由活塞与气缸之间的间隙窜入曲轴箱的油气混合气和已燃气体，并与曲轴箱内的润滑油蒸汽混合后，由通风口排入大气的污染气体。汽油机工作时产生的HC排放，约25%来自曲轴箱窜气。曲轴箱强制通风系统的作用原理是新鲜空气从单独的小滤清器吸人曲轴箱，在曲轴箱内与窜气混合后回流至进气歧管，再与混合气一起进入气缸，使窜气中的HC得以燃烧。目前几乎所有的汽车发动机都已装了该系统。4.2.4 燃油蒸发控制系统燃油蒸发是指由化油器浮子室、油箱和燃油系统管接头处蒸发并排向大气的燃油蒸气。其中HC排放的20%来自燃油系统。燃油蒸发控制装置是把燃油蒸气中的HC用活性碳收集起来，然后再用回流空气使其脱附并将其送回发动机燃烧处理。它可以在不影响发动机功率的情况下，减少HC的排放，并相应提高燃油经济性。其工作原理如图4-2所示。1-空气滤清器；2-控制器；3-储气罐；4-油箱；5-炭罐；6-进气管图4-2 燃油蒸发控制系统工作原理4.3 清洁燃料近十几年来，国外在努力降低作为汽车主流动力的汽油机和柴油机的排放污染的同时，也在不懈的探索和研究开发更理想的动力系统和排放污染更低的代用燃料。这些研究的目的，不仅是为了降低汽车排放污染物，也是为了节省能源和开发新的汽车能源，以缓解汽车对石油燃料的单纯依赖。对于甲醇、乙醇、天然气和液化石油气，在汽车上已有很多实际应用。与不安装排气后处理装置的汽油车和柴油车相比，它们的排气污染降低，被称为清洁燃料。醇类可用作内燃机的燃料，在汽油机上的应用已日益成熟，并获得推广。在汽油机混溶10%15%的甲醇（M10M15）作为混合燃料在汽油机上使用基本不成问题，目前国内外大多应用和推广的也是这种混合燃料。纯甲醇发动机的研究工作也已经取得突破性进展，正在向商品化发展。汽油机使用甲醇与汽油机混合的燃料（如M15）时，发动机和燃油系统都需要改造，混合燃油中甲醇成分会侵蚀燃油系统的橡胶件和塑料件，必须改用抗侵蚀的材料。甲醇和汽油混合燃油往往有较大的挥发性，为避免热起动和由于汽阻引起加速性下降等问题，必须采取加大燃油循环流量等措施对燃油循环系统进行改造。由于混合燃油有较高的蒸发潜热，阻风门和暖机装置必须使之适应。表4-1列出了美国对使用M15燃油的15种不同车型的实验数据。与使用纯汽油相比，CO、HC、NOX均有所降低，容积燃油消耗率增加，而按能量计算的燃油消耗率却有所降低。表4-1 15种使用M15燃料的车型的实验结果“1/3”混合工况燃油消耗率容积+5.6能量-2.6空气污染HC-6.7CO-15.5NOX-5.3目前汽油机使用压缩天然气是以双燃料为主要方式，它是在汽油机的基础上保留汽油机的燃料供给系统并附加了一套压缩天然气瓶、压缩阀及计算机流量控制装置等。在汽车行驶过程中，驾驶员可根据需要随时进行切换。这种方式的优点是汽油机改造成本相对较低。为了更有效地利用天然气和减少汽车排放污染，人们正设计开发天然气专用发动机。由于这种发动机只使用天然气，所以可以采用高压缩比，使用专门的燃料供给系统控制空燃比，结合对燃烧系统和排气系统的优化匹配设计，可以实现高效率和低排放的目标。液化石油气（LGP）是原油炼制汽油、柴油过程的副品，其主要成分是丁烷和丙烷。这些碳氢化合物的一些主要特性是在常温及相对较低的压力（1.6MP）下即可转化为液体。液化石油气都以液态储存和运输，有较高的能量密度；但通常以气态使用，因此比较容易使用在汽油机上。与汽油相比，液化石油气的单位热值较低，只有高级汽油的3/2左右，其辛烷值比汽油高，其他方面也有较大差异。这些差异决定了液化石油气发动机的优缺点。5 汽油缸内直接喷射(GDI)5.1 概述汽油机的缸内直喷式燃烧方式（GDI，Gasoline Direct Injection），很早以前就在航空发动机上使用。从40年代开始，以美国TCCS燃烧系统为开端，欧美日等国的一些汽车公司不断地进行研究开发并推出了一些方案。但直到1995年以后，在人们长期对缸内流动、混合器形成和燃烧过程深入研究的基础上，加之现代汽油机电控技术和稀燃催化器的应用，终于是GDI稀燃系统实用化4。四冲程汽油机发展的方向是在满足了排放法规和耐久性的同时大幅度的减低了油耗，在这一点上，缸内直喷式汽油机提供了一个很好的发展方向，它结合了柴油机与汽油机两方面的优点：(1)工作在部分负荷时通过实现分层稀燃(= 23)及采用质调节方式以避免节气门的节流损失，达到与柴油机相当的燃油经济性；(2)在全负荷时通过实现均质预混合燃烧，来保持汽油机升功率高的特点。同时由于喷入缸内燃油蒸发时的冷却作用，增加了整机的抗爆性，有望实现较高的压缩比，从而有助于提高循环的理论效率，使缸内直喷汽油机在保持动力性指标时，具有很好的燃油经济性。5.2 车用汽油机缸内直喷技术5.2.1 缸内直喷式与进气道喷射式汽油机的比较电喷式汽油机按喷射位置分为两种形式：进气道喷射式(PDI)和缸内直喷(GDI)。其主要差别在于混合气的准备过程不一样。进气道喷射发动机当进气门关闭时将燃油喷在各缸进气阀的背面，进气冲程中油气混合物进入汽缸。在冷起动过程中，由于蒸发不完全，燃油会在进气管、进气阀背部表面形成油膜和油坑，实际喷入的燃油量远远超过了按化学当量比计算得到的喷油量，文献5和6都提到了各自的补偿公式，但现实产品还是会在发动机开始起动的410个循环中出现失火或部分燃烧的现象，HC排放显著增加，因此对进气道喷射汽油机而言，在美国FTP排放测试中最初的90s内产生HC总量90%的情况是常见的事。相反，直喷式汽油机避免了进气道湿壁现象的问题，为燃油的精确计量提供了方便相应地降低了冷起动过程中HC的排放量，提高了发动机的瞬态响应速度，发动机基本上在第2个工作循环就能正常运转起来。进气道喷射发动机的另一个局限性在于负荷的变化依靠节气门的调节。尽管节气门控制对PFI发动机来说已是成熟的技术，但它带来的热动力损失是相当大的。任何利用节气门来调节负荷的系统都会面对这种寄生泵吸损失，并且会使发动机在低负荷时热效率降低。相反，直喷式汽油机可以不再使用节气门来调节负荷，而是利用缸内空燃比的变化来达到发动机的工况要求，这一工作原理提高了GDI发动机在部分负荷时的容积效率，燃油经济性随之得以改善。进气道喷射发动机在不采用辅助的助燃方法组织稀燃时，其空燃比存在上限 (= 27)，超过这一界限，发动机工作会不稳定，HC排放增加 。要超过这一极限，必须使用缸内直喷的方法，通过充量分层 ，使发动机在部分负荷时达到 4050，即利用缸内空气运动 (涡流或滚流)与喷油时刻相配合，让火花塞点火时附近有浓的可燃混合气 ，而缸内其它部分则为稀混合气或纯空气。图5-1a是一台三菱直喷式汽油机在转速为2000r/min时的测试结果。由于应用分层燃烧，空燃比可达 40，燃油经济性改善 30；图5-1b列出几项主要影响因素 。据称装配此发动机的三菱“格兰特”在日本1015工况循环中燃油耗比传统专用PFI发动机的汽车下降低了35%，怠速工况因燃烧稳定下降了40，从而允许较低的怠速转速。 （a）GDI和PFI发动机的对比 （b）主要影响因素图 5-1 三菱GDI发动机燃油经济性改善与进气道喷射发动机相比，直喷式汽油机需要克服缸内压力，因此一般供油系统的压力较高(510MPa)，这样使得进入气缸的燃油可以得到较好的雾化，典型的雾化尺寸大约为16mSMD，而进气道喷射发动机的大约为 120mSMD。此外，由于直喷式发动机直接将燃油喷至气缸，消除了燃油供给的滞后效应，故当发动机在减速时可以停止喷油，从而提高了燃油经济性。众所周知，燃油的潜热可以用来降低混合气的温度和容积，从而影响着发动机的充气效率和爆震趋势。对进气道喷射发动机而言，由于燃油是喷在进气歧管内的，燃油的蒸发主要依赖于进气道和进气阀等热源对油膜的热传递，因而不能显著地冷却充质。对缸内直喷式汽油机而言，燃油以较细的雾化颗粒形式进入气缸，从周围的空气中获得热能，因而可以有效地起到冷却充质的目的。 不同的喷射定时影响着燃烧室表面到充质的热传率。在进气冲程中喷油，增加了缸壁对充质的热传递，这样燃油蒸发对最终充质温度的冷却效果就变差了；在压缩冲程中喷油，喷油之前，由于空气温度较高，缸壁对空气的传热率降低，这样当燃油喷入时，燃油蒸发对充质的冷却效果得到了较好的保持，因而在点火时刻燃气温度较低，最终降低了爆震趋势。5.2.2 现代直喷式汽油机的开发5.2.2.1 燃油供给系统GDI发动机如PROCO(Ford Programmed Combustion System）（如图5-2所示）以及TCCS(Texaco Controlled Combustion System）有一个共同的特征，那就是利用与柴油机一样的泵嘴管供油系统来达到迟喷的目的（即将燃油在压缩冲程后期喷入气缸，依靠进气涡流或滚流实现混合气分层），在大部分负荷范围内可以实现无节流操作，燃油经济性可与非直喷式柴油机相媲美，但这类系统使用机械式供油系统，导致它们在全负荷工况时还是迟喷，从而影响了功率输出，为了弥补这一点而采用的增压系统使之在成本和性能上变得与柴油机相类似，但部分负荷时HC排放急剧增加。现代直喷式汽油机需要至少两个甚至三个或更多的不同操作模式去完成为发动机在整个运行工况范围内提供雾化良好的可燃混合气。全负荷工况时，期望燃油扩散充分以保证在最大油量时形成油、气的均匀预混合，一般通过在进气冲程内进行燃油喷射来实现；部分负荷时，期望在压缩行程后期，即活塞接近上止点时进行快速喷射，并形成紧凑的、雾化良好的混合气分层，由于要克服此时缸内高达1.0MPa的环境压力，喷射压力必须比进气道喷射方式高得多。活塞图5-2 PROCO燃油系统燃油的喷射压力对油束的雾化和贯穿度有重要影响。提高喷射压力能够减小油雾颗粒的平均直径，而较低的喷射压力可以减少油泵负荷、系统准备时间和喷油器噪声，从而延长燃油系统的工作寿命。目前大多数直喷式汽油机选用的供油压力为413MPa，使用过高的喷射压力，如20MPa，固然有利于燃油的雾化，但同时也增加了油束的贯穿度，造成湿壁现象使排放恶化。为提高喷油压力和喷油时间的控制自由度，增加燃油喷射策略变化的灵活性，共轨系统加上电磁控制喷油器是一种理想的选择。共轨系统给喷油器提供一个恒定的压力源，通过控制喷油器针阀的开启和持续时间来决定喷油时刻和喷油量的大小，从而消除了发动机转速和负荷波动的影响。5.2.2.2 喷油器 喷油器是直喷式汽油机最关键的零部件，其工作特性直接影响着发动机的性能和排放。它必须能够对燃油进行精确计量，且响应性和重复性都很好，因其工作特点，还要求它能提供SMD25m的高度雾化燃油，为达到这个指标，据试验统计，燃油系统的工作压力至少应为4.0MPa，对迟喷和混合气分层模式来说，压力还要高至5.07.0MPa。如供油压力低于4.0MPa，将会由于缸内压力引起的变化而造成显著的计量误差。从雾化的角度来看，完全蒸发的燃油可使燃烧过程更加迅速并能将HC排放控制在所要求的范围内。当汽油液滴直径为80m时，在压缩状态下蒸发需要10多毫秒的时间，对应于发动机转速为1500r/min时的100多度曲轴转角；相比之下，当液滴直径为25m时，蒸发只需要几毫秒，对应于10多度曲轴转角，从而使喷射策略更加灵活，这也是提高喷射压力将油雾的SMD控制在25m以下的原因。当然，SMD并不是唯一评价燃油雾化质量的最好指标。即使SMD非常小，只要其中存在一部分大尺寸油滴，HC排放将增加。在一个SMD为25m的油雾中，每一个直径为50m的油滴不仅质量是平均值的8倍，而且蒸发的持续期很长，当25m的油滴完全蒸发时，50m的油滴直径仍将有47m7。因此在衡量直喷式燃烧系统的油雾特性时，特别是针对HC排放，DV10DV90或许是更好的评价参数。用于直喷式汽油机的喷嘴主要有三种：(1)孔式喷嘴；(2)内开式旋流型喷嘴；(3)外开式喷嘴。尽管柴油机的多孔喷嘴经历了几十年的持续发展，但若将其应用于GDI 发动机还是不太理想。针阀启闭式的多孔喷嘴将导致火花塞点火时火焰核不稳定，浓混合气区和稀混合气区紧密相邻，从而使火焰不能均匀一致地传播至整个燃烧室。目前GDI发动机广泛使用单流体、轴针内开式旋流型喷嘴，只有一个喷孔，工作油压为5.010M Pa。这种结构可以看成为无限个喷孔的多孔喷嘴，沿着喷雾锥面的周向燃油均匀分布。由于它在轴向动量的基础上加上了很强的径向旋转动量，因而使得燃油进入燃烧室时能够形成一空心锥形的油束，燃油的雾化程度得以提高，油束也更加趋向轴向对称。锥角的初始角度按实际应用需要可以设计成从25180。选择好喷油器的位置和喷雾锥角，可以极大地减少大油量时燃油和缸壁的碰撞，从而改善排放性能。5.2.2.3 缸内流场缸内流场的形式主要有三种：(1)涡流，其旋转轴轴线平行于气缸中心线；(2)滚流，其旋转轴线垂直于气缸中心线；(3)挤流，形成于压缩冲程活塞接近上止点时与缸头间隙处的径向气体流动，它有助于加强压缩终点时的湍流强度。对GDI发动机来说，涡流和滚流都可用来产生混合气分层。涡流比滚流有较少的粘性扩散，因而保持的时间较长，可以充分利用它来维持压缩冲程中的混合气分层。活塞顶部特殊形状的凹坑也可用来产生压缩行程后期所期望的紊流，通常涡流还应用挤流作为一个径向分量以增加燃烧早期的紊流强度。由于涡流的旋转动量与发动机的转速成正比，而油束的动量是独立的，不受转速影响，因此利用涡流来促进油、气混合有一个操作范围限制。此外，高涡流比还将因离心力的作用使油滴甩向缸壁，造成湿壁现象的增加。 缸内的滚流运动只有在燃烧室几何形状足够扁平时才能在压缩行程后期由于滚流变形和相对较大的速度梯度而全部转化为紊流，否则，将出现滚流动能的不完全变换，导致火花塞处的气流速度上升，与以涡流为主的流场结构相比，以滚流为主的流场平均流的循环波动率较大，它将直接影响着点火后初始火焰核的形状，但燃烧期和火焰速度无显著变化。再者，滚流成分因缸壁作用易退化为大尺度的二次流结构，这使得保持稳定的混合气分层更加困难，因此加大滚流强度以增加压缩终了时的湍流强度，对弥补因稀薄燃烧而降低的火焰速度是有益的。滚流运动迅速演变为与紊流长度尺寸同阶的多个小涡旋的现象在以涡流为主的流场中一般观察不到，这可能是因为气缸的几何形状有利于具有小粘性扩散特性的涡流维持其旋转动。对四气门发动机，当进气阀角度大于40时宜采用滚流结构；对三气门或四气门发动机，当进气阀角度小于30时则应采用涡流结构；当阀角在3040之间时，任何一种流场结构都是可行的。现在大部分GDI发动机都应用涡流最为缸内气体流动的主要形式（图5-2a、b）；图5-2a中喷油器中置，火花塞偏置在油束的周向，这种设计一般要求电极凸进燃烧室，因而常常导致高负荷时火花塞的耐久性问题；图b中火花塞中置喷油嘴偏置，依靠活塞顶部特殊形状的凹坑和坑内涡流形成混合气分层。近几年来，日本三菱汽车公司对滚流在GDI发动机中的应用做了大量的试验研究，结果显示在压缩行程的后期，滚流能够有效地增加靠近缸壁处的气体流动速度，从而可以促进粘附在缸壁上的油滴快速蒸发，也可利用滚流和活塞顶部凹坑相配合将分层混合气导向火花塞，控制油束碰撞和火焰传播，从排气侧到进气侧的挤流还能提高燃烧速度。图5-2c是三种以滚流为主的GDI燃烧系统，以挤流作为混合气分层动力的燃烧系统如图2d所示，其原理是利用挤流产生湍流来改善混合气的准备过程，同时促进活塞顶部油膜的蒸发。试验表明挤流在混合气准备和燃烧中的作用非常有限，整个系统的性能与PFI发动机相似。 图 5-2 GDI燃烧系统混合气准备策略 5.2.2.4 燃烧系统结构 大部分燃烧系统火花塞的安装位置选择在靠近缸头中心处，这主要是为了火焰传播的对称性，增加燃烧速率和标定功率，减少热损失和自动着火的趋势。喷油器的定位有两种：一是中央布置，即喷油器紧靠火花塞；二是侧向布置，即将喷油器安装在进气道下侧。由于易产生燃烧沉积物和降低耐久性，喷油