1、精選優質文檔-傾情為你奉上精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業專心-專注-專業精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業汽油機HC排放的生成機理及凈化措施摘要 汽車作為現代化交通工具，給人們的生產與生活帶來了極大方便。可是它的尾氣排放物卻給大氣環境造成了嚴重污染。通過對汽車尾氣中的固體懸浮微粒、一氧化碳、氮氧化物、碳氫化合物、鉛和黑煙等有害成份及其危害機理進行分析。探討了治理汽車尾氣污染的主要原因，提出了汽車尾氣污染防治的若干對策。本文主要論述了車用汽油機HC排放物控制的必要性，探討了HC的生成機理及其影響因素，介紹了各種車用汽油機HC排放的控制技術，分析了各種凈化技術的特點和存在的問題

2、。關鍵詞：汽油機；碳氫化合物；生成機理；凈化措施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

3、 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

4、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 introd

5、uced along with the features and problems of respective purification technique.Key word: gasoline engine; HC; generation mechanism; purification measures目 錄 TOC o 1-3 h z u 1 緒 論1.1 本文研究的意義和內容1.1.1 本文研究的意義 環境和發展是當今世界普遍關注的重大問題，這是因為環境是人類賴以生存的發展和基礎，如果人類的生存環境遭到破壞，將嚴重阻礙社會經濟的發展和威脅人群的健康與生存。人類在進入二十一世紀以后，生產力

6、得到了高速發展，創造了高度的物質文明，但也帶來了一系列社會和環境問題。特別是人類從環境中獲取物質和能量，創造了人類需要的物質文明和財富，同時也將污染帶給環境，造成對環境的污染和生態系統的破壞。汽車排放是目前增長最快的大氣污染源，在發達國家城市區域，汽車是CO、HC、NOx和O3等空氣污染的主要來源。碳氫化合物（HC）主要是未燃和未完全燃燒的燃油、潤滑油及其裂解產物。凡是對HC來源起作用的因素 ,均在一定程度上影響HC的排放量 。在發動機結構參數和燃燒室形狀不變的情況下，HC排放量主要與空燃比、燃燒條件、負荷情況以及燃料性質等有關。環境污染控制與解決能源危機是當今社會急需解決的兩大問題。如果人類

7、的生存環境遭到破壞，將嚴重阻礙社會經濟的發展和威脅人群的健康與生存。由于汽油機對環境的污染一般要比柴油機嚴重，所以控制汽油機污染物的排放是解決汽車排放控制的重點。汽油機排放污染物可歸納如下：排氣（尾氣）污染物主要有CO、HC、NOX、SO2和微粒；曲軸箱竄氣和燃油蒸發成分HC。1.1.2 本文研究的內容本課題就是探討汽油機HC的生成機理、影響因素以及凈化措施。1.2 國內外研究情況本世紀六十年代以來，全球范圍內由于汽車尾氣引起的空氣污染日趨嚴重，在工業發達、交通稠密的國家更是如此，許多國家紛紛通過制定機動車排放法規來克服這一問題而作出努力。逐步嚴格的排放法規，給汽車和發動機制造商提出了巨大的挑

8、戰和新的發展機遇，一些實力強大的汽車制造商和開發機構也不斷推出滿足新排放法規的產品。回顧國外汽車排放的歷程可以看出，這是一個技術和法規相互促進、不斷進步的過程。80年代初，美國制定了相當嚴格的的排放法規，使汽車制造商感到不管如何改進化油器也不可能達標，必須另辟新路時，新的電子控制燃油噴射系統技術應運而生。90年代初，隨著汽車排放標準的進一步提高，汽車制造商開發出第二代多點燃油噴射技術，并配備新型催化轉化器。最近，缸內直噴稀燃汽油發動機汽車也在日本開發成功，在不斷改善汽車排放的同時，使燃油經濟性也不斷改進，從而滿足不斷嚴格的汽車環保節能的要求。20世紀90年代以來，國外對冷起動工況下的HC排放，

9、開展了較深入的研究。我國近些年這方面的工作也相繼展開，其中黃佐華1等較早地研究了冷起動HC排放及其影響因素；程勇2等結合三效催化反應器的起燃特性，研究了冷起動和暖機過程缸內氣體排放及影響因素；紀常偉3等研究了進氣管結構對汽油機起動排放的影響；李理光4等基于循環控制方法分析了汽油機冷啟動首次循環噴射脈寬對冷起動著火穩定性的影響，并發現了確保LPG發動機冷起動首循環起動成功的空燃比窗口區域。1.3 研究方法 通過查閱資料及教師指導探索分析汽油機HC生成機理及排放措施，研究每一凈化措施的利與弊，針對一凈化措施進行詳細論述，經過對比尋求高效率的凈化措施。2 汽油機HC生成機理汽油機排放污染物的排放途徑

10、可分為曲軸箱竄氣、燃料蒸發泄露和燃燒排氣3部分。曲軸箱竄氣主要指在壓縮或燃燒過程中汽缸中的混合氣或燃氣從活塞環間隙泄漏到曲軸箱，并由曲軸箱通風口排入大氣的氣體，其主要成分是未燃碳氫化合物HC。泄漏量隨著發動機的磨損而增加。在沒有控制曲軸箱排放時，這部分排放量占汽油機HC總排放量的25%左右。發達國家的汽車對泄漏氣體已全部進行了控制，使泄漏氣體由曲軸箱循環進入發動機中燒掉。汽油是一種容易蒸發的高揮發性液體，燃油供給系統的蒸發排放主要產生于燃油箱和化油器等通大氣口。燃油蒸發一般有以下幾種形式：一是當然油箱內壓力高于環境壓力時，汽油蒸發器從汽油蓋內的通風口泄漏出來。如果油箱太滿時，燃油膨脹將會從通風

11、口溢出，滴漏到地面迅速蒸發進而造成HC污染。另外，采用傳統的化油器式發動機，化油器浮子室的外部及內部通風口也是燃油蒸發的一個泄漏途徑。當發動機長時間運轉后停下來時，發動機機體的溫度高于環境溫度，浮子室內的燃油會蒸發形成汽油蒸發，這些汽油蒸發便由內部通風口進入空氣濾清器內，其中一部分泄露進入大氣形成HC污染。在不加控制的情況下，這部分排放量占汽油機HC總排放量的20%左右。發達國家的汽車都安裝了蒸發污染的控制裝置，即把由燃油系統的各個通風口泄漏的燃油蒸汽用炭罐先吸收起來，到發動機工作時再釋放出來使其進入氣缸內燃燒。汽油機排放的HC，其成分及其復雜，估計有100200種成分，包括芳香烴、烯烴、烷烴

12、和醛類。出牌其中的未燃燒烴外，還包括燃油供給系統的蒸發排放以及燃燒室等泄漏排放出的HC。由進氣管排入大氣的污染物是在缸內形成的。缸內HC的成因主要有以下幾種：第一是多種原因造成的不完全燃燒，第二是燃燒室壁面的粹熄作用，第三是熱力過程中的狹縫效應，第四是壁面油膜和積炭的吸附作用。2.1 不完全燃燒(氧化) 在以預均勻混合氣進行燃燒的汽油機中，HC和CO一樣，也是一種不完全燃燒（氧化的產物）。大量實驗表明，碳氫燃料的氧化根據其溫度、壓力、混合比、燃料種類及分子結構的不同有著不同的特點。各種烴燃料的燃燒實質是烴的一系列氧化反應，這一系列的氧化反應有隨著溫度而拓寬的一個濃限和稀限。混合氣過濃或過稀都可

13、能燃燒不完全或失火，因而HC的排放與空燃比A/F有密切關系，如圖2-1所示。怠速及高負荷工況時，可燃混合氣濃度處于過濃狀態，加之怠速時殘余廢氣系數大，造成不完全燃燒或失火；另外，汽車在加速或減速時，會造成暫時的混合氣過濃或過稀現象，也會產生不完全燃燒或失火。即使在A/F14.8時，由于油氣混合不均勻，造成局部過稀或過濃現象，也會因不完全燃燒產生HC排放。 圖2-1 排氣中CO、HC、NOX與A/F的關系2.2 壁面淬熄效應燃燒過程中，燃氣溫度高達2000以上，而汽缸壁面溫度在300以下，因而靠近壁面的氣體受低溫壁面的影響，溫度遠低于燃氣溫度，并且氣體的流動也較弱。所謂壁面淬熄效應是指溫度較低的

14、燃燒室壁面對火焰的迅速冷卻(也稱激冷)，使活化分子的能力被吸收，鏈式反應中斷，在壁面形成0.10.2mm的不燃燒或不完全燃燒的火焰淬熄層，產生大量未燃的HC。淬熄層厚度隨發動機工況、混合氣湍流程度和壁溫的不同而不同，小負荷時較厚，特別是冷起動和怠速時，燃燒室壁溫較低，形成很厚的淬熄層。另外，燃燒室中各種狹窄的縫隙，例如活塞頭部與氣缸壁之間的狹縫，火花塞中心電極周圍，進氣門和排氣門頭部周圍處，由于面容比很大，淬熄層效應十分劇烈，火焰無法進入其中繼續燃燒；而在膨脹和排氣過程中，缸內壓力下降，縫隙中的未燃混合氣返回氣缸，并隨排氣一起排出。雖然縫隙容積較小，但其中氣體壓力高，溫度低，因而密度大，HC的

15、濃度極高。一些研究表明，由壁面淬熄效應產生的HC可占排氣管排放HC的3050。2.3 狹縫效應 燃燒室縫隙效應,又稱雙壁激冷。按照這個觀點，汽油機工作時總有一些液態油滴或燃油蒸汽隱藏在縫隙中，因火焰無法傳入其中而不能燃燒，于是成為碳氫化合物的一個來源。一般來說，縫隙效應對HC排放影響不大，但在低負荷運轉下，當活塞上行、活塞環掃過缸壁時，在冷壁區凝結的燃油更易堆積在活塞頂岸和第一道環后的間隙中，使HC排放升高。2.4 壁面油膜和積炭吸附在進氣和壓縮過程中，氣缸壁面上的潤滑油膜，以及沉積在活塞頂部、燃燒室壁面和進氣門、排氣門上的多孔性積炭，會吸附未燃混合氣和燃料蒸氣，在膨脹和排氣過程中這些吸附的燃

16、料蒸氣柱隨之進入氣態的燃燒產物中。像上述淬熄層一樣，這些HC的少部分被氧化，大部分則隨已燃氣體排出汽缸。據研究，這種油膜和積炭吸附產生的HC排放占總量的3550。實驗表明，發動機使用含鉛汽油時燃燒室積炭可使HC排放增加720，消除積炭后，HC排放明顯降低。汽缸中HC排放過程可由透明燃燒室的高速攝影結果（圖2-2）予以說明。圖a表示在燃燒過程中，汽缸蓋底面1、汽缸壁面2、活塞頂部3以及第1道活塞以上的狹縫4等處，存在不燃燒的淬熄層。圖b表示在膨脹過程中，由于活塞下行，后期汽缸壓力下降，故上止點和活塞頂之間HC氣體膨脹并沿著汽缸壁鋪開；在排氣行程時，由于活塞上行，汽缸壁附近的HC被刮離汽缸壁卷成圖

17、c所示的漩渦。在排氣出口處用快速采樣法測試的結果表明，未燃HC排放氣缸是有如圖2-3所示的兩個明顯的峰值。圖2-3中縱坐標有兩個，一是未燃碳氫的排放含量，另一是碳氫的質量流率。圖2-3上兩個峰值，第一個峰值出現在排氣門剛打開時的先期排放階段，這被認為是氣體離開汽缸時夾帶了汽缸頂部間隙內的混合氣以及淬熄層等的氣體所形成；第二個峰值出現在排氣行程后期，圖2-2所示的活塞運動產生的漩渦使汽缸壁面的HC和溶于潤滑油薄膜層中的HC排出被認為是這個峰值形成的原因，此時排氣中的HC濃度極高，而排氣的質量流率相對降低。 a b c1-汽缸蓋底面；2-汽缸壁面；3-活塞頂部；4-活塞以上狹縫圖2-2 HC排放過

18、程（汽油機n=1200r/min，=1.2節氣門全開）圖2-3 排氣中HC隨曲軸轉角的變化3 影響HC生成的因素 汽油機的設計與運行參數、燃料的制備、分配及成分等因素都與排氣中污染物的排出量有很大關系，為了減低汽油機排氣中的有害排放物，必須了解這些因素對有害排放物生成的影響。下面介紹一下HC排放物生成的因素。其中包括空燃比的影響、點火提前角的影響、轉速的影響、負荷的影響、冷卻水及燃燒室壁面溫度的影響、排氣背壓的影響、燃燒室壁面沉淀物的影響以及相關因素的影響和燃燒性質的影響。 3.1 空燃比的影響空燃比A/F是影響汽油機中污染物產生的重要影響因素之一。它對排氣中CO、HC和NOX的影響如圖2-1

19、。從圖中可以看出，隨空燃比的增加，CO排放濃度逐漸下降，HC排放濃度兩頭高、中間低，而NOX排放濃度卻是兩頭低、中間高。NOX的濃度峰值出現在理論空燃比附近并且靠近稀混合氣的一側。而HC排放濃度的谷值則出現在較理論空燃比較稀的地方。空燃比對HC排放濃度的影響甚大。通常HC排放濃度和數量有隨混合氣變稀而下降的趨勢，但是，當混合氣空燃比大于17:1時，混合氣過分稀薄，易發生火焰不完全傳播以至斷火，使HC排放量迅速增加。混合氣過濃時，空氣量不足，不能完全燃燒，燃油消耗率和HC排放率都增加。混合氣過稀時，火焰燃燒不充分或斷火，也使燃油消耗率和HC排放率增加。因此，凡影響空燃比和排氣后反應的因素，如大氣

20、壓力、進氣溫度、排氣溫度、排氣中的含氧量等，也必然影響HC的排放。3.2 點火提前角的影響點火提前角推遲，后燃嚴重。一方面，降低了混合氣燃燒時的燃燒室面積，激冷壁面面積減小；另一方面，導致排氣溫度上升，促進HC在排氣系統中的氧化。這些都使最終排出的HC減少。點火提前角對汽油機HC排放的影響如圖3-1所示。空燃比一定時，隨點火提前交的推遲，HC減少，燃油消耗卻明顯惡化。這是由于隨點火時可相對于最佳點火提前角（MBT）的推遲，后燃加重，熱效率變差。但點火提前角推遲會導致排氣溫度上升，使得在排氣行程以及排氣管中HC氧化反應加速，使最終排除HC 減少。圖3-1 點火提前角對HC排放的影響3.4 負荷的

21、影響發動機試驗結果表明，如果維持空燃比和轉速保持不變，并按最大功率調節點火時間時，改變負荷對HC排放濃度幾乎沒有影響，但在負荷增加時，HC排放量會因廢氣流量變大而幾乎呈線性增長。3.5 冷卻水及燃燒室壁面溫度的影響提高汽油機冷卻水及燃燒室壁面溫度，可降低狹縫容積中儲存的HC含量，減少淬熄層的厚度，改善狹縫容積逸出的HC及淬熄層擴散出來的燃油的氧化條件，而且可改善燃油的蒸發、分配，提高排氣溫度，使HC排放物減少。HC排放隨冷卻水溫增加而減少的情況如圖3-2所示。不過冷卻水及燃燒室壁面溫度的提高也使燃燒最高溫度增加，從而NO排放也增加。圖3-2 冷卻水溫對HC排放的影響3.6 排氣背壓的影響當排氣

22、管上裝上催化轉化器或消聲器后，排氣背壓增加，留在缸內的廢氣增多，未燃的烴會在下一循環中被燒掉，排氣中的HC含量將降低，然而，如果背壓過大，則留在缸內的廢氣過多，稀釋了混合氣，燃燒惡化，排出的HC會增加。3.7 燃燒室壁面沉積物的影響沉積在活塞頂部、燃燒室壁面和進氣門、排氣門上的多孔性積炭，會吸附未燃混合氣和燃料蒸氣，在排氣過程中再釋放出來。因此，燃燒室壁面沉積物的增加，使HC的排放量增加。沉淀物對排氣的多環節芳香烴的含量有明顯影響。在汽油機小負荷運轉時，芳香烴儲存與沉淀物中，而在重負和運載時釋放出來。燃油的芳香烴含量高。但是，如果沒有足夠的時間形成沉淀物，那么即使使用芳香烴含量高的燃油，排氣的

23、芳香烴含量也較低。圖3-3表明，隨著汽油機運轉時間的增加，沉積物加厚，排氣的未燃烴含量增加。圖曲線1表示節氣門全開、過量空氣系數=1200r/min時，排氣中HC的變化；曲線2表示節氣門部分開啟、過量空氣系數=1.01、發動機轉速n=2000r/min時排氣的HC的變化。由圖3-3可知，汽油機的運轉時間及沉淀物的厚度對HC排放影響大，點3表示清除沉淀物后HC的變化。圖3-3 汽油機運轉時間對HC排放的影響3.8 相關結構因素的影響對汽油機影響較大的結構參數有汽缸工作容積、行程缸徑比（S/D）、燃燒室形狀、壓縮比、活塞頂結構尺寸、配氣定時以及排氣系統等。這些參數的影響遵循下列兩點：第一點是在上止

24、點時燃燒室的容積比F/V越大，進入活塞的間隙的混合氣越多，排氣氧化不多時HC的排出量增大；第二點是若使由燃燒室壁面散失的熱量減少、殘留氣體減少，則NO的排放量增大。3.8.1 汽缸工作容積與行程缸徑比的影響汽油機的汽缸工作容積與行程缸徑比對排氣污染物的排放和油耗有很大的影響。圖3-4為汽油機的工作容積與行程缸徑比對HC排放的影響。圖上的HC排放量是相對值。圖3-4 行程缸徑比及工作容積對HC排放的影響汽油機的氣缸工作容積越大，則汽缸面容比F/V越小，汽缸相對散熱面積越小，因此HC排放和油耗越低，汽油機行程缸徑比的影響更大，汽油機的行程越長，HC排放和油耗越低。根據散熱規律的對比分析，長行程汽油

25、機的燃燒速度快，點火定時可以相對后移。長行程汽油機的最高放熱率大、燃燒溫度高。這些因素都有利于降低汽油機的HC排放和燃油消耗。3.8.2 壓縮比的影響壓縮比增大后，F/V增大，進入活塞頂環隙的混合氣增多，HC的排出量也增加。壓縮比對HC排放的影響如圖3-5所示。圖3-5 壓縮比對HC排放的影響3.8.3 燃燒室形狀的影響當工作容積和壓縮比保持一定，變化燃燒室形狀時，HC的排放量與F/V成正比，即F/V增大，HC排出量也增加。3.8.4 氣門定時的影響氣門定時對發動機HC排放的影響如圖3-6所示。排氣門早開導致正在燃燒的HC排出，從而使HC排放增多。圖3-6 氣門定時對發動機HC排放的影響 3.

26、8.5 活塞頂環隙容積的影響進入活塞和缸壁構成的小間隙（活塞頂環隙）的混合氣，由于壁面淬熄效應和狹縫效應的影響，很難燃燒掉，從而影響HC的排放量。圖3-7表示其影響的實驗結果。圖中d表示活塞頂環隙容積的增大，進入環隙的混合氣增多，HC的排放量增加。圖3-7 活塞頂環隙容積對HC排放的影響3.8.6 排氣系統的影響排氣系統對HC的排放有影響。因為HC在排氣系統中可以進一步被氧化，溫度越高，HC被氧化的越多；排氣在近期系統高溫段停留的時間越長，HC被氧化的也就越多。3.8.7 火花塞位置的影響火花塞在燃燒室的位置不同時，發動機的燃燒放熱速率不同，故火花塞的位置對排放有重要影響。火花塞的布置應是火焰

27、傳播距離短，若火花塞距燃燒室的縫隙較遠，則汽油機排放的HC增加，反之亦然。火花塞的位置對HC排放的影響還與燃燒室的結構形狀有關，一般來說，對非緊湊型燃燒室的影響比對緊湊型燃燒室的影響大。如在圓盤形燃燒室上，由于火花塞位置不同可使發動機HC排放的差別高達81；而半球形燃燒室上，火花塞位置的改變僅能使發動機HC的排放產生35的差別。3.9 燃料性質的影響汽油的辛烷值、揮發性也會影響HC的排放量。辛烷值太低或揮發性太差都會使HC的排放量增加。汽油機辛烷值的大小影響汽油機的油耗，較低的辛烷值導致油耗增加，因此排放量也隨之增大。汽油機的揮發性太低，則混合氣的生成不良，啟動困難，暖機性能不好，影響燃燒和排

28、放；揮發性太高，則蒸發排放增加，炭罐容易過載，并且油路中氣泡增加，影響噴油器的穩定性，進而影響排放。4 汽油機控制HC排放的主要凈化措施汽車是人類文明的最重要的交通工具，其增長率超過人口增長率，而且還在不斷增加。在整整一個世紀中，全球汽車保有量已達到近8億輛。因此，環境保護問題已經成為世界性重要問題。削減汽車排放污染物的最根本途徑，是依靠汽車排放控制技術的開發和應用，而推動這些先進的排放控制技術發展的動力，主要是實施嚴格的汽車排放標準。汽車排放污染物的控制技術可分為三類：以改進發動機燃燒過程為核心的機內凈化技術，在排氣系統中采用化學或物理的方法對已生成的有害排放物進行凈化的排放后處理技術，以及

29、來自曲軸箱和供油系統的有害物進行凈化的非排氣污染控制技術。后兩類也稱為機外凈化技術。4.1 機內凈化4.1.1 燃燒系統的改進 緊湊的燃燒室形狀燃燒室面容比越小，結構越緊湊，傳熱損失就越小，混合氣越均勻，燃燒過程完成得就越穩定且快，HC排放就越低。因此，圓盤形、浴盆形、楔形燃燒室越來越多地被半球形、帳篷形、屋頂形等緊湊型燃燒室所代替。現代汽油機大多采用火花塞布置在燃燒室中央，以縮短火焰傳播距離，加速燃燒過程。提高發動機的壓縮比，從而提高缸內混合氣溫度，可以促進混合氣的形成和燃燒，達到減少HC排放的目的。燃燒室設計的重要原則之一是面容比S/V要小，即盡可能緊湊；火花塞盡可能布置在燃燒室中央，以縮

30、短火焰燃燒距離。優化設計的燃燒系統可使其有機的經濟性和排放特性方面得到以下改善：緊湊的燃燒室可使燃燒時間縮短，實現快速燃燒，提高熱力循環的等容度，使熱效率提高。快速燃燒與推遲點火提前角或EGR的排放控制措施聯用并匹配得當，可在降低排放的同時保證動力性和經濟性不至于惡化。快速充分的燃燒可降低CO和HC的排放。緊湊的燃燒室可有效地防止爆震，或者說提高了機械辛烷值。因為燃燒時間越長，越容易發生爆震。這就使得汽油極有可能進一步提高壓縮比以改善熱效率。面容比S/V小，可減輕燃燒室壁面對混合氣的淬熄效應，減少HC排放。面容比S/V小，可減少燃燒過程中的散熱損失，有效提高熱效率。 總之，緊湊的燃燒室可直接使

31、汽油機的熱效率提高，HC和CO排放降低。 減少不參與燃燒的縫隙容積如在上章HC生成機理介紹的那樣，在活塞頭部、火花塞和進氣門外處存在著S/V很大的縫隙，由于壁面淬熄效應而產生大量HC。因而在燃燒室和活塞組設計中應盡量減少這些縫隙容積。如圖4-1給出的例子，由原設計改為高位活塞組設計后，HC排放降低了20。圖4-1 采用高位活塞環降低HC的效果4.1.2 推遲點火提前角點火提前角對發動機的動力性、經濟性、排放特性和噪聲有重要影響，推遲點火提前角一直是最簡單易行也是最普遍應用的排放控制技術。圖4-1示出了點火提前角對平均有效壓力Pme、燃油消耗率ge、最高燃燒壓力Pmax、和排氣溫度te的影響。點

32、火提前角為上止點前3540（CA）時，Pme和ge最佳，這是以動力性經濟性為目標時最常用的點火提前角。適當推遲點火提前角會降低HC的排放量，是由于排氣溫度上升，促進了進氣過程中HC在汽缸內和排氣管內的氧化。但會引起有效壓力的下降和燃油消耗率的上升。因此，靠這種方法降低HC的排放有一定限度，實際中應綜合考慮排放特性、動力性及經濟性確定最佳點火提前角。圖 4-1 點火提前角對動力經濟性的影響4.1.3 汽油缸內直接噴射（GDI）進氣管低壓電控燃油噴射系統發動機在冷啟動時，進氣管內的氣流速度低，燃油蒸發不良會導致形成油膜，進入缸內會直接附著在進氣門底面、缸套壁面等處，再加上混合氣過濃，燃燒不完全，形

33、成大量的未燃HC排出機外。采用GDI的發動機改善了油氣的混合機理，冷啟動時不再需要過量供油，HC的排量大為降低。GDI發動機完全避免了在進氣門等表面形成油膜，燃油計量準確，屬于稀燃。4.1.4 高能點火與兩次、多次點火技術高能點火對HC排放的作用有兩方面，一是增大了初始火核半徑，有助于提高燃燒速度和減少循環變動；二是降低混合氣較稀時的熄火概率，使發動機可用稍稀的混合氣，從而減少HC的排放。采用兩次、多次點火技術可以改善啟動、怠速工況下HC的排放。4.2 機外凈化4.2.1 熱反應凈化器與兩次空氣供給裝置熱反應凈化器盡量安裝在靠近排氣總管出口處的排氣管路中，兩次空氣和排氣中的未燃混合氣混合后，利

34、用排氣本身的余熱保持高溫，并給予一定的反應時間，使HC和CO再燃燒。影響熱反應凈化的一個重要因素是排氣中O2的濃度，當熱反應器內有足夠的O2時，HC和CO的凈化效果較好。要提高O2的濃度，可以通過兩次空氣供給裝置向排氣中噴人適量的兩次空氣，噴射量由排氣管中的HC和CO含量決定。4.2.2 HC吸附器與三效催化轉化器在發動機排氣尾管中安裝HC吸附器。通過吸附器中的活性碳或氟石以吸附冷啟動和怠速時排出的HC。三效催化轉化器是利用催化劑促進發動機排氣中HC、CO和NOx發生反應生成無害的物質。國內廣泛使用的是價格低廉的稀土催化劑。發動機暖機工作一段時間后，吸附介質溫度升高，如果達到HC的脫附溫度，吸

35、附器將釋放吸附的HC。與此同時，三效催化轉化器的溫度也會上升，如果在吸附器釋放HC之前，使三效催化轉化器達到起燃溫度，則可以使冷啟動階段的HC排放大幅降低。此外還可以將吸附器解吸出來的HC引入進氣系統，兩次進入燃燒室燃燒，同樣也可達到降低冷啟動時排放的目的。采用吸附方法降低HC排放是一種被動方法，它只能將HC短暫存留，HC的轉化還必須依靠三效催化轉化器來實現，而且在催化轉化器未達到起燃溫度之前，HC就有可能被釋放。 氧化性催化器OC (4-1) (4-2) 三元催化器TWC (4-3) (4-4) 在氧化性催化劑中CO、HC與氧氣進行氧化反應，生成無害的CO2和H2O。而三元催化劑中，CO和H

36、C與NOX互為氧化劑和還原劑，生成無害的CO2、H2O及N2。剩余的CO和HC則進行EGR率式和4-1式反應。4.2.3 曲軸箱強制通風系統曲軸箱竄氣是指在壓縮過程和燃燒過程中由活塞與氣缸之間的間隙竄入曲軸箱的油氣混合氣和已燃氣體，并與曲軸箱內的潤滑油蒸汽混合后，由通風口排入大氣的污染氣體。汽油機工作時產生的HC排放，約25%來自曲軸箱竄氣。曲軸箱強制通風系統的作用原理是新鮮空氣從單獨的小濾清器吸人曲軸箱，在曲軸箱內與竄氣混合后回流至進氣歧管，再與混合氣一起進入氣缸，使竄氣中的HC得以燃燒。目前幾乎所有的汽車發動機都已裝了該系統。4.2.4 燃油蒸發控制系統燃油蒸發是指由化油器浮子室、油箱和燃

37、油系統管接頭處蒸發并排向大氣的燃油蒸氣。其中HC排放的20%來自燃油系統。燃油蒸發控制裝置是把燃油蒸氣中的HC用活性碳收集起來，然后再用回流空氣使其脫附并將其送回發動機燃燒處理。它可以在不影響發動機功率的情況下，減少HC的排放，并相應提高燃油經濟性。其工作原理如圖4-2所示。1-空氣濾清器；2-控制器；3-儲氣罐；4-油箱；5-炭罐；6-進氣管圖4-2 燃油蒸發控制系統工作原理4.3 清潔燃料近十幾年來，國外在努力降低作為汽車主流動力的汽油機和柴油機的排放污染的同時，也在不懈的探索和研究開發更理想的動力系統和排放污染更低的代用燃料。這些研究的目的，不僅是為了降低汽車排放污染物，也是為了節省能源

38、和開發新的汽車能源，以緩解汽車對石油燃料的單純依賴。對于甲醇、乙醇、天然氣和液化石油氣，在汽車上已有很多實際應用。與不安裝排氣后處理裝置的汽油車和柴油車相比，它們的排氣污染降低，被稱為清潔燃料。醇類可用作內燃機的燃料，在汽油機上的應用已日益成熟，并獲得推廣。在汽油機混溶10%15%的甲醇（M10M15）作為混合燃料在汽油機上使用基本不成問題，目前國內外大多應用和推廣的也是這種混合燃料。純甲醇發動機的研究工作也已經取得突破性進展，正在向商品化發展。汽油機使用甲醇與汽油機混合的燃料（如M15）時，發動機和燃油系統都需要改造，混合燃油中甲醇成分會侵蝕燃油系統的橡膠件和塑料件，必須改用抗侵蝕的材料。甲

39、醇和汽油混合燃油往往有較大的揮發性，為避免熱起動和由于汽阻引起加速性下降等問題，必須采取加大燃油循環流量等措施對燃油循環系統進行改造。由于混合燃油有較高的蒸發潛熱，阻風門和暖機裝置必須使之適應。表4-1列出了美國對使用M15燃油的15種不同車型的實驗數據。與使用純汽油相比，CO、HC、NOX均有所降低，容積燃油消耗率增加，而按能量計算的燃油消耗率卻有所降低。表4-1 15種使用M15燃料的車型的實驗結果“1/3”混合工況燃油消耗率容積+5.6能量-2.6空氣污染HC-6.7CO-15.5NOX-5.3目前汽油機使用壓縮天然氣是以雙燃料為主要方式，它是在汽油機的基礎上保留汽油機的燃料供給系統并附

40、加了一套壓縮天然氣瓶、壓縮閥及計算機流量控制裝置等。在汽車行駛過程中，駕駛員可根據需要隨時進行切換。這種方式的優點是汽油機改造成本相對較低。為了更有效地利用天然氣和減少汽車排放污染，人們正設計開發天然氣專用發動機。由于這種發動機只使用天然氣，所以可以采用高壓縮比，使用專門的燃料供給系統控制空燃比，結合對燃燒系統和排氣系統的優化匹配設計，可以實現高效率和低排放的目標。液化石油氣（LGP）是原油煉制汽油、柴油過程的副品，其主要成分是丁烷和丙烷。這些碳氫化合物的一些主要特性是在常溫及相對較低的壓力（1.6MP）下即可轉化為液體。液化石油氣都以液態儲存和運輸，有較高的能量密度；但通常以氣態使用，因此比

41、較容易使用在汽油機上。與汽油相比，液化石油氣的單位熱值較低，只有高級汽油的3/2左右，其辛烷值比汽油高，其他方面也有較大差異。這些差異決定了液化石油氣發動機的優缺點。5 汽油缸內直接噴射(GDI)5.1 概述汽油機的缸內直噴式燃燒方式（GDI，Gasoline Direct Injection），很早以前就在航空發動機上使用。從40年代開始，以美國TCCS燃燒系統為開端，歐美日等國的一些汽車公司不斷地進行研究開發并推出了一些方案。但直到1995年以后，在人們長期對缸內流動、混合器形成和燃燒過程深入研究的基礎上，加之現代汽油機電控技術和稀燃催化器的應用，終于是GDI稀燃系統實用化4。四沖程汽油機

42、發展的方向是在滿足了排放法規和耐久性的同時大幅度的減低了油耗，在這一點上，缸內直噴式汽油機提供了一個很好的發展方向，它結合了柴油機與汽油機兩方面的優點：(1)工作在部分負荷時通過實現分層稀燃(= 23)及采用質調節方式以避免節氣門的節流損失，達到與柴油機相當的燃油經濟性；(2)在全負荷時通過實現均質預混合燃燒，來保持汽油機升功率高的特點。同時由于噴入缸內燃油蒸發時的冷卻作用，增加了整機的抗爆性，有望實現較高的壓縮比，從而有助于提高循環的理論效率，使缸內直噴汽油機在保持動力性指標時，具有很好的燃油經濟性。5.2 車用汽油機缸內直噴技術5.2.1 缸內直噴式與進氣道噴射式汽油機的比較電噴式汽油機按

43、噴射位置分為兩種形式：進氣道噴射式(PDI)和缸內直噴(GDI)。其主要差別在于混合氣的準備過程不一樣。進氣道噴射發動機當進氣門關閉時將燃油噴在各缸進氣閥的背面，進氣沖程中油氣混合物進入汽缸。在冷起動過程中，由于蒸發不完全，燃油會在進氣管、進氣閥背部表面形成油膜和油坑，實際噴入的燃油量遠遠超過了按化學當量比計算得到的噴油量，文獻5和6都提到了各自的補償公式，但現實產品還是會在發動機開始起動的410個循環中出現失火或部分燃燒的現象，HC排放顯著增加，因此對進氣道噴射汽油機而言，在美國FTP排放測試中最初的90s內產生HC總量90%的情況是常見的事。相反，直噴式汽油機避免了進氣道濕壁現象的問題，為

44、燃油的精確計量提供了方便相應地降低了冷起動過程中HC的排放量，提高了發動機的瞬態響應速度，發動機基本上在第2個工作循環就能正常運轉起來。進氣道噴射發動機的另一個局限性在于負荷的變化依靠節氣門的調節。盡管節氣門控制對PFI發動機來說已是成熟的技術，但它帶來的熱動力損失是相當大的。任何利用節氣門來調節負荷的系統都會面對這種寄生泵吸損失，并且會使發動機在低負荷時熱效率降低。相反，直噴式汽油機可以不再使用節氣門來調節負荷，而是利用缸內空燃比的變化來達到發動機的工況要求，這一工作原理提高了GDI發動機在部分負荷時的容積效率，燃油經濟性隨之得以改善。進氣道噴射發動機在不采用輔助的助燃方法組織稀燃時，其空燃

45、比存在上限 (= 27)，超過這一界限，發動機工作會不穩定，HC排放增加 。要超過這一極限，必須使用缸內直噴的方法，通過充量分層 ，使發動機在部分負荷時達到 4050，即利用缸內空氣運動 (渦流或滾流)與噴油時刻相配合，讓火花塞點火時附近有濃的可燃混合氣 ，而缸內其它部分則為稀混合氣或純空氣。圖5-1a是一臺三菱直噴式汽油機在轉速為2000r/min時的測試結果。由于應用分層燃燒，空燃比可達 40，燃油經濟性改善 30；圖5-1b列出幾項主要影響因素 。據稱裝配此發動機的三菱“格蘭特”在日本1015工況循環中燃油耗比傳統專用PFI發動機的汽車下降低了35%，怠速工況因燃燒穩定下降了40，從而允

46、許較低的怠速轉速。 （a）GDI和PFI發動機的對比 （b）主要影響因素圖 5-1 三菱GDI發動機燃油經濟性改善與進氣道噴射發動機相比，直噴式汽油機需要克服缸內壓力，因此一般供油系統的壓力較高(510MPa)，這樣使得進入氣缸的燃油可以得到較好的霧化，典型的霧化尺寸大約為16mSMD，而進氣道噴射發動機的大約為 120mSMD。此外，由于直噴式發動機直接將燃油噴至氣缸，消除了燃油供給的滯后效應，故當發動機在減速時可以停止噴油，從而提高了燃油經濟性。眾所周知，燃油的潛熱可以用來降低混合氣的溫度和容積，從而影響著發動機的充氣效率和爆震趨勢。對進氣道噴射發動機而言，由于燃油是噴在進氣歧管內的，燃油

47、的蒸發主要依賴于進氣道和進氣閥等熱源對油膜的熱傳遞，因而不能顯著地冷卻充質。對缸內直噴式汽油機而言，燃油以較細的霧化顆粒形式進入氣缸，從周圍的空氣中獲得熱能，因而可以有效地起到冷卻充質的目的。 不同的噴射定時影響著燃燒室表面到充質的熱傳率。在進氣沖程中噴油，增加了缸壁對充質的熱傳遞，這樣燃油蒸發對最終充質溫度的冷卻效果就變差了；在壓縮沖程中噴油，噴油之前，由于空氣溫度較高，缸壁對空氣的傳熱率降低，這樣當燃油噴入時，燃油蒸發對充質的冷卻效果得到了較好的保持，因而在點火時刻燃氣溫度較低，最終降低了爆震趨勢。5.2.2 現代直噴式汽油機的開發 燃油供給系統GDI發動機如PROCO(Ford Prog

48、rammed Combustion System）（如圖5-2所示）以及TCCS(Texaco Controlled Combustion System）有一個共同的特征，那就是利用與柴油機一樣的泵嘴管供油系統來達到遲噴的目的（即將燃油在壓縮沖程后期噴入氣缸，依靠進氣渦流或滾流實現混合氣分層），在大部分負荷范圍內可以實現無節流操作，燃油經濟性可與非直噴式柴油機相媲美，但這類系統使用機械式供油系統，導致它們在全負荷工況時還是遲噴，從而影響了功率輸出，為了彌補這一點而采用的增壓系統使之在成本和性能上變得與柴油機相類似，但部分負荷時HC排放急劇增加。現代直噴式汽油機需要至少兩個甚至三個或更多的不同操

49、作模式去完成為發動機在整個運行工況范圍內提供霧化良好的可燃混合氣。全負荷工況時，期望燃油擴散充分以保證在最大油量時形成油、氣的均勻預混合，一般通過在進氣沖程內進行燃油噴射來實現；部分負荷時，期望在壓縮行程后期，即活塞接近上止點時進行快速噴射，并形成緊湊的、霧化良好的混合氣分層，由于要克服此時缸內高達1.0MPa的環境壓力，噴射壓力必須比進氣道噴射方式高得多。活塞圖5-2 PROCO燃油系統燃油的噴射壓力對油束的霧化和貫穿度有重要影響。提高噴射壓力能夠減小油霧顆粒的平均直徑，而較低的噴射壓力可以減少油泵負荷、系統準備時間和噴油器噪聲，從而延長燃油系統的工作壽命。目前大多數直噴式汽油機選用的供油壓

50、力為413MPa，使用過高的噴射壓力，如20MPa，固然有利于燃油的霧化，但同時也增加了油束的貫穿度，造成濕壁現象使排放惡化。為提高噴油壓力和噴油時間的控制自由度，增加燃油噴射策略變化的靈活性，共軌系統加上電磁控制噴油器是一種理想的選擇。共軌系統給噴油器提供一個恒定的壓力源，通過控制噴油器針閥的開啟和持續時間來決定噴油時刻和噴油量的大小，從而消除了發動機轉速和負荷波動的影響。 噴油器 噴油器是直噴式汽油機最關鍵的零部件，其工作特性直接影響著發動機的性能和排放。它必須能夠對燃油進行精確計量，且響應性和重復性都很好，因其工作特點，還要求它能提供SMD25m的高度霧化燃油，為達到這個指標，據試驗統計

51、，燃油系統的工作壓力至少應為4.0MPa，對遲噴和混合氣分層模式來說，壓力還要高至5.07.0MPa。如供油壓力低于4.0MPa，將會由于缸內壓力引起的變化而造成顯著的計量誤差。從霧化的角度來看，完全蒸發的燃油可使燃燒過程更加迅速并能將HC排放控制在所要求的范圍內。當汽油液滴直徑為80m時，在壓縮狀態下蒸發需要10多毫秒的時間，對應于發動機轉速為1500r/min時的100多度曲軸轉角；相比之下，當液滴直徑為25m時，蒸發只需要幾毫秒，對應于10多度曲軸轉角，從而使噴射策略更加靈活，這也是提高噴射壓力將油霧的SMD控制在25m以下的原因。當然，SMD并不是唯一評價燃油霧化質量的最好指標。即使S

52、MD非常小，只要其中存在一部分大尺寸油滴，HC排放將增加。在一個SMD為25m的油霧中，每一個直徑為50m的油滴不僅質量是平均值的8倍，而且蒸發的持續期很長，當25m的油滴完全蒸發時，50m的油滴直徑仍將有47m7。因此在衡量直噴式燃燒系統的油霧特性時，特別是針對HC排放，DV10DV90或許是更好的評價參數。用于直噴式汽油機的噴嘴主要有三種：(1)孔式噴嘴；(2)內開式旋流型噴嘴；(3)外開式噴嘴。盡管柴油機的多孔噴嘴經歷了幾十年的持續發展，但若將其應用于GDI 發動機還是不太理想。針閥啟閉式的多孔噴嘴將導致火花塞點火時火焰核不穩定，濃混合氣區和稀混合氣區緊密相鄰，從而使火焰不能均勻一致地傳

53、播至整個燃燒室。目前GDI發動機廣泛使用單流體、軸針內開式旋流型噴嘴，只有一個噴孔，工作油壓為5.010M Pa。這種結構可以看成為無限個噴孔的多孔噴嘴，沿著噴霧錐面的周向燃油均勻分布。由于它在軸向動量的基礎上加上了很強的徑向旋轉動量，因而使得燃油進入燃燒室時能夠形成一空心錐形的油束，燃油的霧化程度得以提高，油束也更加趨向軸向對稱。錐角的初始角度按實際應用需要可以設計成從25180。選擇好噴油器的位置和噴霧錐角，可以極大地減少大油量時燃油和缸壁的碰撞，從而改善排放性能。 缸內流場缸內流場的形式主要有三種：(1)渦流，其旋轉軸軸線平行于氣缸中心線；(2)滾流，其旋轉軸線垂直于氣缸中心線；(3)擠

54、流，形成于壓縮沖程活塞接近上止點時與缸頭間隙處的徑向氣體流動，它有助于加強壓縮終點時的湍流強度。對GDI發動機來說，渦流和滾流都可用來產生混合氣分層。渦流比滾流有較少的粘性擴散，因而保持的時間較長，可以充分利用它來維持壓縮沖程中的混合氣分層。活塞頂部特殊形狀的凹坑也可用來產生壓縮行程后期所期望的紊流，通常渦流還應用擠流作為一個徑向分量以增加燃燒早期的紊流強度。由于渦流的旋轉動量與發動機的轉速成正比，而油束的動量是獨立的，不受轉速影響，因此利用渦流來促進油、氣混合有一個操作范圍限制。此外，高渦流比還將因離心力的作用使油滴甩向缸壁，造成濕壁現象的增加。 缸內的滾流運動只有在燃燒室幾何形狀足夠扁平時

55、才能在壓縮行程后期由于滾流變形和相對較大的速度梯度而全部轉化為紊流，否則，將出現滾流動能的不完全變換，導致火花塞處的氣流速度上升，與以渦流為主的流場結構相比，以滾流為主的流場平均流的循環波動率較大，它將直接影響著點火后初始火焰核的形狀，但燃燒期和火焰速度無顯著變化。再者，滾流成分因缸壁作用易退化為大尺度的二次流結構，這使得保持穩定的混合氣分層更加困難，因此加大滾流強度以增加壓縮終了時的湍流強度，對彌補因稀薄燃燒而降低的火焰速度是有益的。滾流運動迅速演變為與紊流長度尺寸同階的多個小渦旋的現象在以渦流為主的流場中一般觀察不到，這可能是因為氣缸的幾何形狀有利于具有小粘性擴散特性的渦流維持其旋轉動。對

56、四氣門發動機，當進氣閥角度大于40時宜采用滾流結構；對三氣門或四氣門發動機，當進氣閥角度小于30時則應采用渦流結構；當閥角在3040之間時，任何一種流場結構都是可行的。現在大部分GDI發動機都應用渦流最為缸內氣體流動的主要形式（圖5-2a、b）；圖5-2a中噴油器中置，火花塞偏置在油束的周向，這種設計一般要求電極凸進燃燒室，因而常常導致高負荷時火花塞的耐久性問題；圖b中火花塞中置噴油嘴偏置，依靠活塞頂部特殊形狀的凹坑和坑內渦流形成混合氣分層。近幾年來，日本三菱汽車公司對滾流在GDI發動機中的應用做了大量的試驗研究，結果顯示在壓縮行程的后期，滾流能夠有效地增加靠近缸壁處的氣體流動速度，從而可以促

57、進粘附在缸壁上的油滴快速蒸發，也可利用滾流和活塞頂部凹坑相配合將分層混合氣導向火花塞，控制油束碰撞和火焰傳播，從排氣側到進氣側的擠流還能提高燃燒速度。圖5-2c是三種以滾流為主的GDI燃燒系統，以擠流作為混合氣分層動力的燃燒系統如圖2d所示，其原理是利用擠流產生湍流來改善混合氣的準備過程，同時促進活塞頂部油膜的蒸發。試驗表明擠流在混合氣準備和燃燒中的作用非常有限，整個系統的性能與PFI發動機相似。 圖 5-2 GDI燃燒系統混合氣準備策略 燃燒系統結構 大部分燃燒系統火花塞的安裝位置選擇在靠近缸頭中心處，這主要是為了火焰傳播的對稱性，增加燃燒速率和標定功率，減少熱損失和自動著火的趨勢。噴油器的

58、定位有兩種：一是中央布置，即噴油器緊靠火花塞；二是側向布置，即將噴油器安裝在進氣道下側。由于易產生燃燒沉積物和降低耐久性，噴油器應避免安裝在排氣側。圖5-3所示為三種可行的方案。前兩種常被稱為“狹窄空間”設計，第三種則被稱為“開闊空間”設計。圖 5-3 三種噴油器和火花塞的布置方案 “狹窄空間”的設計特點：(1)具有較高的著火穩定性；(2)能夠形成高度的混合氣分層；(3)燃油分布的一致性較好；(4)高負荷下有利于均質混合；(5)混合氣形成對活塞頂形狀依賴性較小；(6)安裝困難，氣門尺寸需減小；(7)易造成火花塞污染；(8)噴油器頂端溫度高，沉積趨勢加大；(9)對油霧特性敏感；(10)油束易和活

59、塞頂產生碰撞；(11)火花塞電極的伸入距離需特殊設計。“開闊空間”的設計特點：(1)延長了混合氣的準備時間；(2)安裝較為靈活，氣門尺寸較大，因而充氣效率高；(3)不易受油霧特性變化的影響；(4)可利用進氣降低噴油器頂端溫度；(5)油霧不會和火花塞電極碰撞，降低了失火可能性，可使用標準火花塞；(6)混合氣分層較為困難且波動性大；(7)燃油和缸壁碰撞的可能性加大，易造成潤滑油稀釋。有多種燃燒系統設計方案可以達到分層稀燃的目的。按噴油器位置分：一種是將噴油器安裝在缸頭的頂部中間；一種是將噴油器側置，即安裝在進氣道下部。按缸內氣流結構分：一種基于進氣渦流，一種基于進氣滾流。以下是三種主要的系統結構。

60、 （1）噴油器頂置式燃燒系統 圖5-4是AVL公司一種商用機缸內充氣分層示意圖，它使用平頂活塞，進氣系統除節氣門外還包括一個控制閥和一個輔助空氣噴射氣道，使缸內產生一定強度的渦流。燃油噴在旋流的中間并集中在那兒，油霧速度應盡可能小，這樣才能保證可燃混合氣靠近氣缸上部火花塞附近，同時又可避免油霧和活塞相碰撞。這種燃燒系統的缸內氣流結構應盡量減少紊流的成分，因為紊流可將油霧引向缸壁，使一部分燃油粘附在缸壁上，從而增加了排放。缸內渦流不僅保持了稀空燃比時的充氣分層，又擴大了火焰的燃燒范圍，提高了火焰的傳播速度。進氣速度隨著控制閥的開啟角度而變化，這樣通過調整控制閥，使稀燃區域沿發動機轉速向高、低兩個