李 客

（柳州五菱柳機(jī)動力有限公司，廣西柳州545005）

節(jié)能和環(huán)保是汽車永恒的主題，備受人們關(guān)注。能源和環(huán)保的現(xiàn)狀如何，人們采用哪些措施節(jié)約能源和減少污染，一直是汽車界重要的研究課題。

內(nèi)燃機(jī)排放物是由HC、CO、NOx和PM等組成，排放污染物涉及到公眾的身體健康和環(huán)境保護(hù)等長遠(yuǎn)利益。隨著世界汽車保有量的不斷增加，由汽車尾氣排放造成的大氣污染問題，已經(jīng)成為世界公害。因此，內(nèi)燃機(jī)的排放控制工作，始終是在各國政府和國際組織制定的一系列排放法規(guī)的指導(dǎo)和管制下開展的。

我國從20世紀(jì)80年代開始，著手汽車和內(nèi)燃機(jī)的排放控制工作，逐步建立起我國的汽車及車用內(nèi)燃機(jī)的排放控制體系。

2005年，國家發(fā)布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）》，并要求在2007年7月1日，要在全國范圍實(shí)施輕型汽車的國Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)，到2010年將在全國范圍實(shí)施國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)。

1 發(fā)動機(jī)排放物的生成原因和組成分布

1.1 生成原因

（1）一氧化碳（CO）。CO的產(chǎn)生是由于燃油在氣缸中燃燒不充分所致，是氧氣不足而生成的中間產(chǎn)物，混合氣濃度大，混合氣不均勻，都會使排氣中的CO增加。如果反應(yīng)氣的氧濃度、溫度足夠高，化學(xué)反應(yīng)所占有的時間足夠長，CO會氧化成CO2。

（2）碳?xì)浠衔铮℉C）。HC包括碳?xì)淙剂霞捌洳煌耆紵a(chǎn)物、潤滑油及其裂解和部分氧化物，點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)的未燃HC生成和排放渠道如下：

排氣排放物，主要是燃燒過程中未燃燒或燃燒不完全的碳?xì)淙剂希?/p>

曲軸箱排放物，是從燃燒室通過活塞與氣缸之間的間隙漏入曲軸箱的竄氣，含有大量HC，如果排入大氣也構(gòu)成HC排放物；

蒸發(fā)排放物，是從燃油箱、化油器、燃油管接頭等處蒸發(fā)的燃油蒸氣，如果進(jìn)入大氣，同樣構(gòu)成HC排放物。

（3）氮氧化物（NOx）。是由空氣中的氧氣和氮?dú)夥磻?yīng)生成的，包括NO、NO2等，其中又以NO為主。但是空氣中的氧氣和氮?dú)庠诖髿鉅顟B(tài)下，并不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，只是因?yàn)槿紵纬傻? 200～2 400℃的高溫環(huán)境為氧氣和氮?dú)夥磻?yīng)生成NO、NO2創(chuàng)造了條件，才造成了氮氧化物（NOx）排放。

2.2 組成分布

發(fā)動機(jī)排放物主要有排氣排放物、燃燒室漏入曲軸箱的氣體和潤滑油蒸發(fā)物、供油系統(tǒng)蒸發(fā)的燃料蒸氣等。各排放物的組成分布如下：

（1）排氣排放物。是排氣管排出廢氣，其中CO含量最高，占整機(jī)CO總排放量的98%～99%；其次是HC，占整機(jī)HC總排放量的60%；最后是NOx，占整機(jī)NOx總排放量98%～99%以及柴油機(jī)排放的PM等。

（2）曲軸箱排放物。是燃燒室通過活塞、活塞環(huán)間隙竄入曲軸箱的氣體和潤滑油蒸發(fā)物。其主要成分是HC占總量20%，其次是CO占總量1%～2%和NOx占總量1%～2%。

（3）蒸發(fā)排放物。是供油系統(tǒng)蒸發(fā)的燃料蒸汽，全部是HC，約占總量20%。

3 排放物的控制技術(shù)

3.1 機(jī)前凈化技術(shù)

利用各種技術(shù)手段和措施，對進(jìn)入發(fā)動機(jī)氣缸之前的空氣和燃料進(jìn)行預(yù)處理，以達(dá)到降低排放物的目的。

（1）采用無鉛汽油。使用無鉛汽油能有效控制汽車廢氣中的有害物質(zhì)，減少HC、CO、NOx等污染；同時采用無鉛汽油還可以減少鉛污染，以及避免催化劑的鉛中毒。

（2）清潔代用燃料及燃油添加劑。燃用甲醇燃料可以提高發(fā)動機(jī)的動力性能、經(jīng)濟(jì)性能，有害排放物低，是一種清潔代用燃料。乙醇是含氧燃料，發(fā)動機(jī)燃用乙醇可以實(shí)現(xiàn)無煙排放，并能大幅度降低CO排放，HC、NOx也可以有不同程度的降低。

壓縮天然氣和液化石油氣的最大優(yōu)點(diǎn)，是燃料費(fèi)用與污染物排放低。與汽油相比，使用壓縮天然氣的汽車的HC排放下降70%左右，NOx排放下降40%～50%，CO排放下降20%以上。

（3）采用增壓中冷技術(shù)。增壓中冷技術(shù)主要用于柴油機(jī)，采用增壓中冷是將經(jīng)壓縮后的空氣冷卻，使發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣溫度降低，進(jìn)氣密度增加；使發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)降低，同時減少了對進(jìn)氣加熱的作用，使充量系數(shù)提高，提高發(fā)動機(jī)功率，同時降低了燃燒室的溫度。因此，增壓中冷技術(shù)能提高發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性，并能降低排放。

（4）廢氣再循環(huán)（EGR）。廢氣再循環(huán)的工作原理，是燃燒廢氣回到進(jìn)氣管，與混合氣體一起進(jìn)入燃燒室，以降低發(fā)動機(jī)燃燒溫度，從而減少氧化氮的生成量。廢氣再循環(huán)系統(tǒng)使廢氣的再循環(huán)量，在每一個工作點(diǎn)都達(dá)到最佳狀況，從而使燃燒過程始終處于最理想的情況，最終保證排放物中的污染成份最低。

采用廢氣再循環(huán)，能有效地降低點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的NOx排放。廢氣再循環(huán)使發(fā)動機(jī)工作混合氣的總熱容大大增加，最高燃燒溫度降低。一般10%的EGR率就可使NOx排放下降50%～70%，效果極其明顯。應(yīng)用EGR控制點(diǎn)燃機(jī)NOx排放的技術(shù)關(guān)鍵，是適當(dāng)控制EGR率，使之在各種不同工況下得到性能的最佳折中，實(shí)現(xiàn)綜合優(yōu)化。

3.2 機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)

內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)凈化技術(shù)，對混合氣的形成和燃燒過程有決定性的影響，因而也影響著發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、燃燒噪聲和有害廢氣的排放。其以改進(jìn)發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)的燃燒過程為核心，因此機(jī)內(nèi)凈化是控制發(fā)動機(jī)排放的根本。

（1）電子控制燃油噴射系統(tǒng)。電子控制汽油噴射系統(tǒng)(EFI)利用各種傳感器檢測發(fā)動機(jī)的各種工作狀態(tài)，經(jīng)ECU的判斷和計算，使發(fā)動機(jī)在不同工況下均能獲得合適空燃比的混合氣。因此混合氣濃度時刻與發(fā)動機(jī)工況相適應(yīng)，燃油混合氣燃燒完全，所以發(fā)動機(jī)排放的污染物濃度就低。

（2）改善點(diǎn)火系統(tǒng)。點(diǎn)火系統(tǒng)的性能，如點(diǎn)火正時脈譜和點(diǎn)火能量特性，對電噴汽油機(jī)的燃燒有重要作用，從而影響發(fā)動機(jī)的性能和排放。為使發(fā)動機(jī)高效節(jié)能、動力強(qiáng)勁、排放最低，要求點(diǎn)火可靠，正時優(yōu)化。

點(diǎn)火系統(tǒng)的可靠性，對減少HC排放是至關(guān)重要的，而采用電控點(diǎn)火系統(tǒng)，不僅能提高點(diǎn)火能量和工作可靠性，還能對點(diǎn)火正時進(jìn)行最佳調(diào)節(jié)，以改善燃燒過程，降低有害排放物。

（3）采用可變進(jìn)氣系統(tǒng)（VIS）。是為了使充量系數(shù)達(dá)到最佳，充分利用進(jìn)氣諧振作用，使發(fā)動機(jī)的高速與低速性能都達(dá)到最優(yōu)。常見的可變進(jìn)氣系統(tǒng)，是通過改變進(jìn)氣管長度的方式來實(shí)現(xiàn)的。在低速時控制閥關(guān)閉，氣體從主氣道流入發(fā)動機(jī)中；而高速時控制閥打開，氣體從主、副兩個氣道同時流入氣缸中。控制閥關(guān)閉時，相當(dāng)于進(jìn)氣管流通截面積減少，相應(yīng)提高了低速充量系數(shù)，并可增加進(jìn)氣渦流，改善燃燒過程，從而降低污染物的排放。

（4）采用可變氣門正時系統(tǒng)（VVT）。可以改進(jìn)充氣效率，獲得更高的扭矩和功率，提高燃油經(jīng)濟(jì)性；在降低NOx排放的前提下，同時具有降低HC排放和有助于冷啟動功能。而采用不同的VVT設(shè)計方案，所獲得的動力性、經(jīng)濟(jì)性及排放效果也有所不同。

1）進(jìn)氣相位調(diào)節(jié)IPS——獲得排放改善的同時，提高發(fā)動機(jī)的動力性；可以減少10%的HC和50%的NOx排放。五菱柳機(jī)L15發(fā)動機(jī)采用的就是IPS技術(shù)。

2）排氣相位調(diào)節(jié)EPS——通過改變重疊角的大小，可以影響殘余廢氣的比例，降低燃燒溫度，減少NOx。由于吸入了行程結(jié)束時HC含量最低的廢氣進(jìn)行再氧化，所以減少了HC的排放。因此，可以降低70%的NOx和15%的HC排放，同時可以改進(jìn)燃油消耗率。

3）進(jìn)排氣相位同時進(jìn)行調(diào)節(jié)DEPS——在提高燃油經(jīng)濟(jì)性的同時，可以降低50%的NOx。

4）進(jìn)排氣相位獨(dú)立調(diào)節(jié)DIPS——能提高發(fā)動機(jī)動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、舒適性，同時可以降低70%的NOx和15%的HC排放。

（5）采用四氣門技術(shù)。與傳統(tǒng)的兩氣門發(fā)動機(jī)比較，采用四氣門技術(shù)不僅能增加發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣流動面積，減少流動阻力的損失，而且還能組織進(jìn)氣渦流、滾流或擠流，能吸進(jìn)更多的空氣來混合燃油燃燒作功，節(jié)省燃油，更快地排出廢氣，排放污染少，能提高發(fā)動機(jī)的功率和降低噪音的優(yōu)點(diǎn)。

（6）降低燃燒室的面容比A/V。A/V表示燃燒室的緊湊性，它與燃燒室形狀以及汽油機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。側(cè)置氣門燃燒室的A/V大，頂置氣門燃燒室的A/V要小得多。一般來說，A/V大，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x長，容易爆燃，HC排放增高。因此，降低燃燒室的面容比A/V能較好降低HC排放。

（7）適當(dāng)降低壓縮比。從提高功率和經(jīng)濟(jì)性考慮，提高壓縮比是比較有利的，但過高的壓縮比，將使壓力升高率增加，發(fā)動機(jī)的噪聲與振動增大。此外，提高壓縮比對大氣污染也是不利的。因?yàn)閴嚎s比增加，燃燒室的狹隙、潤滑油膜和沉積物處生成未燃HC增加；壓縮比增加，燃燒室表面與體積之比即面容比增加，相對增加激冷面積，增加了HC排放量。壓縮比高，膨脹比也大，膨脹后期燃?xì)鉁囟认陆担琀C氧化速率下降，使更多的燃料以未燃HC的形式排出；壓縮比高，排氣溫度低，使壁面溫度降低，使粘附在壁面上的液態(tài)燃料難于汽化，增加HC排放；壓縮比高，使得最高燃燒溫度增加，NOx增加。

（8）采用充量分層、缸內(nèi)直噴及稀薄燃燒系統(tǒng)。進(jìn)氣道噴射的分層燃燒方式，分為進(jìn)氣道噴射的分層燃燒方式和缸內(nèi)直噴分層燃燒方式。

1）進(jìn)氣道噴射的分層燃燒方式，又可分為軸向分層燃燒系統(tǒng)和橫向分層燃燒系統(tǒng)。橫向分層稀燃系統(tǒng)是利用滾流來實(shí)現(xiàn)的。在一個進(jìn)氣道噴射的汽油生成濃混合氣，在滾流的引導(dǎo)下經(jīng)過設(shè)置在氣缸中央的火花塞，在其兩側(cè)為純空氣，活塞頂做成有助于生成滾流的曲面。此燃燒系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性比常規(guī)汽油機(jī)提高6%～8%，NOx含量下降80%。

2）缸內(nèi)直噴（GDI）分層混合氣燃燒，主要依靠由火花塞處向外擴(kuò)展的由濃到稀的混合氣，即借助于燃燒室形狀的壁面引導(dǎo)方式，依靠氣流運(yùn)動的氣流引導(dǎo)方式和依靠燃油噴霧的噴霧控制方式。缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)部分負(fù)荷時在壓縮行程后期噴油，形成分層混合氣，空燃比A/F為25～40或更大；高負(fù)荷時在進(jìn)氣行程早期噴油，形成均質(zhì)混合氣，A/F為20～25或理論空燃比，或最大功率空燃比。因此，GDI發(fā)動機(jī)具有能提高燃油經(jīng)濟(jì)性，部分負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性改善可達(dá)30%～50%，一般為20%，并相應(yīng)降低CO2排放。發(fā)動機(jī)在冷起運(yùn)時HC排放也得到很大的改善。

3）點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的過量空氣系數(shù)，既影響燃燒溫度，又影響燃燒產(chǎn)物中氧的含量，所以對NOx的排放影響很大。過量空氣系數(shù)增大，燃燒溫度下降明顯，導(dǎo)致NOx生成量減少。因此，稀薄燃燒是降低點(diǎn)燃機(jī)NOx排放的重要手段。

3.3 排放后處理技術(shù)

隨著對內(nèi)燃機(jī)低排放的要求不斷嚴(yán)格，能兼顧動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性的內(nèi)燃機(jī)越來越復(fù)雜，成本急劇上升。因此，世界各國都先后開發(fā)排氣后處理技術(shù)，在不影響或少影響內(nèi)燃機(jī)其他性能的同時，降低最終向大氣環(huán)境的排放。

現(xiàn)在最成功的排氣后處理技術(shù)裝置，是汽油機(jī)的三元催化轉(zhuǎn)換器，它是集氧化、還原功能于一體的催化轉(zhuǎn)化器，采用了貴金屬型(Pd、Pt，Rh)三元催化轉(zhuǎn)化器。發(fā)動機(jī)排出的有害氣體(CO、HC、NOx)通過三元催化轉(zhuǎn)化器時發(fā)生氧化、還原反應(yīng)，生成無害成份 (H2O、N2、CO2)，可使排放的 CO、HC、NOx 同時降低90%以上。

3.4 蒸發(fā)排放物控制技術(shù)

利用曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)和活性炭罐電磁閥，分別對發(fā)動機(jī)曲軸箱的排放物和供油系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸發(fā)有害排放物進(jìn)行凈化。

（1）曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)（PCV）。發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，燃燒室中的可燃混合氣和已燃?xì)怏w，在壓縮、燃燒、膨脹過程中，或多或少的會通過活塞組和氣缸之間的間隙，漏入曲軸箱空間內(nèi)。點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)漏入曲軸箱的竄氣中含有大量未燃HC及不完全燃燒產(chǎn)物和少量CO、NOx等有害物質(zhì)。PCV閥的開閉及開啟的程度，是由進(jìn)氣歧管真空度控制的，真空度，大流量小；真空度小，流量大；發(fā)動機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)時關(guān)閉。利用發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的抽吸作用，通過PCV閥將曲軸箱內(nèi)廢氣吸至進(jìn)氣歧管，再吸進(jìn)發(fā)動機(jī)的氣缸，參加燃燒，從而降低污染物的排放。

（2）蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)。由活性炭罐、吸附控制閥，脫附控制閥和連接管路組成。系統(tǒng)在汽車停放時，把燃油蒸氣吸附到碳罐暫時儲存起來；在汽車行駛過程時，由發(fā)動機(jī)ECU控制電磁閥，把儲存在活性碳罐里的燃油蒸氣流進(jìn)到進(jìn)氣歧管內(nèi)，在燃燒室燃燒，從而避免HC排到大氣中去，造成環(huán)境污染。

4 結(jié)束語

在發(fā)動機(jī)排放污染物眾多的凈化措施中，降低HC、CO、PM排放與降低NOx所采用的措施，往往相互矛盾；而某些凈化措施，也有常與發(fā)動機(jī)的動力、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)發(fā)生矛盾。因此，對發(fā)動機(jī)排放物進(jìn)行控制的技術(shù)關(guān)鍵，是盡量使發(fā)動機(jī)在各種不同工況下得到性能的最佳折中，實(shí)現(xiàn)綜合優(yōu)化。同時要定期對發(fā)動機(jī)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，養(yǎng)成良好的行車習(xí)慣，使汽車發(fā)動機(jī)始終保持在理想的工作狀態(tài)，積極預(yù)防和減少排放物的產(chǎn)生，提高發(fā)動機(jī)的動力性，降低燃油消耗，減少尾氣排放。

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