汽油機(jī)排放影響因素與標(biāo)定優(yōu)化研究

郭正華

（濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 濟(jì)源 454650）

1 汽油機(jī)有害氣體生成的主要原理及危害

1.1 CO 的生成

針對(duì)汽油機(jī)中的汽油，其由多種碳?xì)浠衔飿?gòu)成，往往會(huì)在燃燒過程中與空氣混合而發(fā)生HC+O2=CO2+H2O 反應(yīng)，而由于一部分混合氣會(huì)因?yàn)椴煌耆紵蒀O，因此，CO成了汽油機(jī)有害氣體的主要組成部分。一方面，在通常情況下，針對(duì)過量空氣系數(shù)α＜1，混合氣中便會(huì)有CO 生成，但考慮到汽油機(jī)實(shí)際工作情況較為復(fù)雜，因此，即使空氣充足，汽油燃燒同樣也會(huì)產(chǎn)生一定的CO；另一方面，針對(duì)汽車減速過程，由于停留在汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中的燃料會(huì)在急劇蒸發(fā)作用下進(jìn)入燃燒室，并使得混合氣瞬間發(fā)生燃燒惡化現(xiàn)象，因此，會(huì)導(dǎo)致CO 濃度的顯著上升。

1.2 HC 的生成

對(duì)比CO 生成過程，HC 生成同樣與汽油的不完全燃燒有著直接關(guān)系，同時(shí)，在實(shí)際汽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，包括壁面驟冷、換氣在內(nèi)的諸多問題均可能導(dǎo)致HC 生成，因此，在實(shí)際探究過程中需從多個(gè)方面進(jìn)行考量。首先，針對(duì)壁面驟冷，這是汽油機(jī)壁面附近很容易發(fā)生的一種常見火焰燃燒現(xiàn)象，而基于長期試驗(yàn)過程我們發(fā)現(xiàn)，由于火焰在離開壁面后會(huì)立即熄滅，使得壁面0.05 ～0.37mm 的薄膜很容易留下一定未燃混合氣，進(jìn)而導(dǎo)致一定HC 在長期保留后經(jīng)汽油機(jī)排出；其次，針對(duì)不完全燃燒，汽車怠速所致的廢氣稀釋以及減速所致的瞬時(shí)強(qiáng)真空問題是造成汽油機(jī)產(chǎn)生HC 的主要原因，其中，在不完全燃燒發(fā)生后，汽油機(jī)HC 濃度會(huì)明顯提升，不僅很容易產(chǎn)生光化學(xué)煙霧，同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致臭氧破壞等環(huán)境問題的趨于嚴(yán)重；最后，針對(duì)換氣，這是二沖程汽油機(jī)HC的主要產(chǎn)生原因，其中，在換氣過程中，二沖程汽油機(jī)的HC會(huì)直接通過氣缸而排入廢氣，這使得該汽油機(jī)的HC 排放量要遠(yuǎn)高于四沖程汽油機(jī)，最終導(dǎo)致HC 危害程度更加嚴(yán)重。

1.3 NOx 的生成

針對(duì)汽油機(jī)排放的NO，其在高溫環(huán)境下很容易產(chǎn)生其他氮化物，這是NOx的主要產(chǎn)生機(jī)理，其中，在氮元素的鏈反應(yīng)發(fā)生后，高溫承擔(dān)了NO 化學(xué)變化的主要導(dǎo)因，進(jìn)而不僅容易在HC 作用下產(chǎn)生光化學(xué)煙霧，同時(shí)，也會(huì)因NOx本身存在的刺激性臭味而致使人體患有支氣管炎等常見呼吸道疾病。

2 汽油機(jī)排放的主要影響因素

針對(duì)汽油機(jī)排放影響因素，我們以2.0L 自然吸氣進(jìn)氣管噴射發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，借助HORIBA 排放分析儀、燃燒分析儀等具體設(shè)備進(jìn)行圖一的試驗(yàn)臺(tái)搭建，其中，試驗(yàn)采用控制變量法，對(duì)包括汽油機(jī)設(shè)計(jì)因素及環(huán)境因素在內(nèi)的多個(gè)方面進(jìn)行研究，最終構(gòu)建完整的汽油機(jī)排放模型，并以此為調(diào)整汽油機(jī)優(yōu)化方案作出鋪墊。

2.1 設(shè)計(jì)因素

（1）燃燒室面容比。針對(duì)燃燒室面容比，由于通常情況下燃燒室壁面驟冷問題是造成HC 產(chǎn)生的關(guān)鍵原因，因此，當(dāng)燃燒室表面積減少時(shí)，燃燒室F 與火焰停止燃燒時(shí)燃燒室容積Vc的比值必將成為HC 濃度的直接控制參數(shù)。其中，考慮到燃燒室驟冷層厚度一般占有燃燒室總體積的1%～2%，因此可構(gòu)建的HC 排放模型，且當(dāng)F/Vc值升高時(shí)，HC 的排放濃度也會(huì)得到明顯的提升。

（2）燃燒室形狀設(shè)計(jì)。從目前來看，燃燒室形狀同樣會(huì)對(duì)HC 等污染物的排放量造成影響，其中，基于常見汽油機(jī)，當(dāng)汽油機(jī)表面積降低時(shí)，HC 的排出量也會(huì)明顯得到控制，且由于半球型燃燒室和盆型燃燒室分別擁有最優(yōu)的F/Vc值和最大的F/Vc值，因此，在相同余隙容積下，盆型燃燒室的HC排放量往往最大，半球型燃燒室的HC 排放量往往最小。

（3）行程缸徑比。針對(duì)行程缸徑比，同樣，需根據(jù)F/Vc值來確定汽油機(jī)的排放量，其中，由于小缸徑長行程發(fā)動(dòng)機(jī)往往擁有較小的F/Vc值，因此，當(dāng)其他參數(shù)保持一致時(shí)，HC 排放量會(huì)隨著汽油機(jī)行程缸徑比的增加而增加。

（4）壓縮比。針對(duì)汽油機(jī)壓縮比，當(dāng)壓縮比減少時(shí)，燃燒室F/Vc值會(huì)明顯減少，這是因?yàn)楫?dāng)減少壓縮比時(shí)，汽油機(jī)的余隙容積會(huì)明顯提升，最終在汽油機(jī)表面積增大的基礎(chǔ)上導(dǎo)致汽油機(jī)熱效率下降。

2.2 使用因素

（1）混合氣成分。基于汽油機(jī)使用過程，混合氣成分同樣是影響汽油機(jī)排放量的主要因素，其中，當(dāng)過量空氣系數(shù)α＜1 時(shí)，汽油機(jī)供給空氣會(huì)明顯不足，這使得汽油機(jī)內(nèi)部燃燒并不完全，很容易導(dǎo)致CO 濃度的直接上升，而當(dāng)α值趨于1.08 附近后，CO 濃度會(huì)逐步呈現(xiàn)降低趨勢，但由于α 過大時(shí)，HC 濃度反而會(huì)上升，因此，控制α 值往往是于混合氣層面就汽油機(jī)排放問題進(jìn)行解決的關(guān)鍵路徑。此外，針對(duì)濃度較高的混合氣，考慮到其一般具有較低的燃燒溫度，因此，往往含有較少的NO，但是，當(dāng)混合氣氧濃度提升時(shí)，NO 會(huì)在化學(xué)反應(yīng)影響下以極高的生成速度而產(chǎn)生，進(jìn)而導(dǎo)致氮元素化合物的含量上升。

（2）點(diǎn)火定時(shí)。針對(duì)點(diǎn)火定時(shí)層面，試驗(yàn)證明，HC 濃度與點(diǎn)火定時(shí)同樣存在較大關(guān)系。其中，若點(diǎn)火存在滯后現(xiàn)象，HC 濃度會(huì)明顯減少，這是因?yàn)辄c(diǎn)火滯后會(huì)導(dǎo)致混合氣后燃增大，進(jìn)而導(dǎo)致排氣溫度上升以及HC 的進(jìn)一步氧化。同時(shí)，由于點(diǎn)火滯后會(huì)使得燃燒室于燃燒期間增大自身面容比，因此，面容比變化同樣也是造成HC 濃度減少的主要原因。

（3）負(fù)荷。在通常情況下，若減少汽油機(jī)負(fù)荷，通過縮短排氣系統(tǒng)中混合氣的停留時(shí)間來控制HC 濃度，同樣也能夠在減少HC 排放量方面發(fā)揮較大作用。此外，針對(duì)NO 濃度，由于負(fù)荷減少會(huì)導(dǎo)致燃燒室氣缸溫度下降，因此，相對(duì)產(chǎn)生的廢氣也會(huì)明顯增加，而當(dāng)廢氣燃燒時(shí)間明顯延長后，燃燒室的最高溫度會(huì)顯著降低，因此，也就能在很大程度上控制NO 的產(chǎn)生濃度。

（4）轉(zhuǎn)速。借助控制變量法就汽油機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)汽油機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于汽油機(jī)轉(zhuǎn)速提高會(huì)導(dǎo)致汽油機(jī)氣缸驟冷氧化現(xiàn)象更加明顯，因此，HC 濃度會(huì)逐步呈現(xiàn)下降趨勢。但是，在汽油機(jī)轉(zhuǎn)速變更過程中，基于提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速所致的火焰速度提升，使得單個(gè)氣缸的熱損失問題得到有效解決，不僅可使壓縮比和燃燒溫度明顯提升，同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致NOx生成率的顯著增加。因此，從目前來看，維持汽油機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，將其控制在最佳范圍內(nèi)，往往是優(yōu)化汽油機(jī)排放的關(guān)鍵路徑。

3 汽油機(jī)排放標(biāo)定策略優(yōu)化方法

3.1 標(biāo)定策略優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

基于上述汽油機(jī)排放影響因素，我們構(gòu)建了汽油機(jī)的標(biāo)定策略優(yōu)化方案，其中，若汽車為怠速狀態(tài)，將點(diǎn)火提前角從MBT 減少為0，進(jìn)而確保汽油燃燒所致HC 和NOx的降低；若汽車為低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷狀態(tài)，打開進(jìn)氣門，關(guān)閉排氣門延遲，通過控制內(nèi)部EGR 降低HC 及NOx排放量；若汽車為低轉(zhuǎn)速負(fù)荷狀態(tài)，就汽輪機(jī)內(nèi)部EGR 進(jìn)行擴(kuò)大，并通過控制外部EGR來滿足工況運(yùn)行要求，進(jìn)而在降低NOx的基礎(chǔ)上保障發(fā)動(dòng)機(jī)爆震問題的有效解決。

3.2 實(shí)車排放測試結(jié)果對(duì)比

根據(jù)上述標(biāo)定策略優(yōu)化方案，以實(shí)車為基礎(chǔ)進(jìn)行試驗(yàn)，其中，試驗(yàn)證明，無論是高速工況還是低速工況，通過調(diào)整VVT和EGR 均能起到一定的HC 和NOx控制效果，而需注意的是，在超高速循環(huán)過程中，由于性能區(qū)間與中轉(zhuǎn)速高負(fù)荷區(qū)間共同存在，使得HC排放往往并不能得到有效控制，因此，在一般情況下，可將HC+NOx的排放量由42mg/km 優(yōu)化到29mg/km。

4 結(jié)語

綜上所述，本文基于汽車系統(tǒng)中十分關(guān)鍵的汽油機(jī)，詳細(xì)闡述了汽油機(jī)排放的主要影響因素，并通過實(shí)證分析驗(yàn)證了擴(kuò)大汽油機(jī)內(nèi)部EGR 等手段的應(yīng)用效果，其中，針對(duì)汽油機(jī)節(jié)能減排的巨大影響，只有進(jìn)一步就汽油機(jī)生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化，并在汽車使用過程中合理控制轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等參數(shù)，才能實(shí)現(xiàn)汽油機(jī)NOx等污染物的最小化排放，才能促進(jìn)汽車工業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。