張明輝

作者信息：常柴股份有限公司，213002，江蘇常州

通用小型汽油機(jī)是一種靈活而操作簡便的可移動(dòng)小型通用內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力源，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工程建設(shè)、園林、家庭等領(lǐng)域。 2012 年，我國通用小型汽油機(jī)產(chǎn)銷量約2 300 萬臺(tái)，與2011 年持平。 我國小汽油機(jī)行業(yè)自2003 年起，出口所占總產(chǎn)銷量的比例一直在80%以上[1]。 通用小型汽油機(jī)龐大的保有量和生產(chǎn)量使其污染物排放日益嚴(yán)重， 促使各國政府相繼對其制定了日益嚴(yán)苛的排放污染物控制法規(guī)。 目前國內(nèi)四沖程通用小型汽油機(jī)采用機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)能夠滿足歐盟第II 階段、中國第II 階段和美國EPA 第II 階段排放法規(guī)限值要求，但是考慮劣化或批量生產(chǎn)還不能夠完全滿足美國EPA 第III 階段或更加嚴(yán)格的排放限值要求； 因此需要在通用小型汽油機(jī)采取機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)基礎(chǔ)上再采用機(jī)外凈化措施，進(jìn)一步降低排氣中CO 和HC 的含量，從而達(dá)到美國EPA 第Ⅲ階段或更加嚴(yán)格的排放限值的要求。采用機(jī)后二次空氣補(bǔ)氣技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、 安裝方便、安全性好、成本增加不多的特點(diǎn)，適合CQ188F汽油機(jī)的實(shí)際應(yīng)用， 對降低通用小型汽油機(jī)的排放具有廣泛的實(shí)用價(jià)值。

1 二次空氣補(bǔ)氣在通用小型汽油機(jī)上的應(yīng)用

汽油機(jī)的二次空氣是指在混合氣形成之后進(jìn)入到氣缸或直接補(bǔ)入到排氣系統(tǒng)的空氣， 這一技術(shù)相應(yīng)稱為二次空氣補(bǔ)氣技術(shù)。 二次空氣補(bǔ)氣技術(shù)的工作原理就是將一定量的新鮮空氣引入到汽油機(jī)的排氣管中， 提高排氣中的氧濃度， 使廢氣中的CO 和HC 進(jìn)一步與氧發(fā)生氧化反應(yīng)，進(jìn)行“二次燃燒”，生成無害的CO2和H2O，從而降低排氣中有害廢氣CO和HC 的含量。 二次空氣補(bǔ)氣技術(shù)可以分為機(jī)前補(bǔ)氣與機(jī)后補(bǔ)氣兩種： 機(jī)前補(bǔ)氣是指對空氣或燃油在進(jìn)入到氣缸前進(jìn)行預(yù)處理， 這種補(bǔ)氣方式的實(shí)質(zhì)是改善汽油機(jī)燃燒狀況； 機(jī)后補(bǔ)氣是指將新鮮空氣引進(jìn)到排氣系統(tǒng)中對廢氣進(jìn)行處理， 以減少有害廢氣排放量。

CQ188F 汽油機(jī)是采用化油器的傳統(tǒng)通用小型汽油機(jī)，根據(jù)它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，適合采用結(jié)構(gòu)簡單、安全性較高、成本增加不多、對汽油機(jī)性能影響較小的機(jī)后被動(dòng)式二次空氣補(bǔ)氣系統(tǒng)。 由于CQ188F 汽油機(jī)工作時(shí)工況變化較為平滑， 因此它的二次空氣補(bǔ)氣系統(tǒng)中只需要補(bǔ)氣閥而不需要另外帶控制閥裝置，補(bǔ)氣閥結(jié)構(gòu)參見圖1。 它的工作原理是這樣的：當(dāng)CQ188F 汽油機(jī)工作時(shí)， 每一次排氣門的循環(huán)關(guān)閉就會(huì)在排氣管道中出現(xiàn)脈沖式的相對低壓， 這樣汽油機(jī)的每一個(gè)工作循環(huán)一般都會(huì)在排氣管道內(nèi)不同程度地出現(xiàn)負(fù)的壓力波， 此時(shí)大氣壓力高于排氣管道中的氣體壓力，利用排氣壓力波出現(xiàn)負(fù)壓段，補(bǔ)氣閥的簧片自動(dòng)打開（圖1），新鮮的空氣就會(huì)通過補(bǔ)氣閥進(jìn)入到CQ188F 汽油機(jī)排氣管內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)氣，靠燃燒后的排氣高溫， 使HC 和CO 與二次空氣中的O2在排氣管中進(jìn)行氧化反應(yīng)， 生成CO2和H2O，以達(dá)到降低尾氣中有害排放物含量的目的； 當(dāng)排氣管中的壓力大于外界壓力時(shí)， 補(bǔ)氣閥使用的彈性簧片不允許熱廢氣倒流。

圖1 補(bǔ)氣閥結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗(yàn)研究與結(jié)果分析

2.1 CQ188F 汽油機(jī)基本技術(shù)參數(shù)

CQ188F 汽油機(jī)樣機(jī)的基本技術(shù)規(guī)格和參數(shù)如下：

結(jié)構(gòu)型式：單缸、四沖程、頂置氣門、強(qiáng)制風(fēng)冷、氣缸斜置25°；

氣缸直徑：88 mm；

活塞行程：64 mm；

壓縮比：8.1∶1；

總排量：389 cm3；

額定功率/轉(zhuǎn)速：7.35 kW/3 600 r/min；

最大扭矩/轉(zhuǎn)速：22 N·m/2 500 r/min；

怠速轉(zhuǎn)速：1 440 r/min；

潤滑形式：飛濺潤滑；

點(diǎn)火方式：TCI 晶體管點(diǎn)火；

啟動(dòng)方式：手拉啟動(dòng)或電啟動(dòng)。

本文所采用的樣機(jī)CQ188F 汽油機(jī)已經(jīng)進(jìn)行了進(jìn)排氣系統(tǒng)優(yōu)化和供油系統(tǒng)優(yōu)化匹配兩項(xiàng)機(jī)內(nèi)凈化措施， 實(shí)測經(jīng)過機(jī)內(nèi)凈化過的CQ188F 汽油機(jī)樣機(jī)排放性能能夠滿足中國第Ⅱ階段、美國EPA 第II 階段和歐盟第II 階段的通用小型汽油機(jī)排放法規(guī)，但是考慮劣化系數(shù)的要求還不能滿足美國EPA 第III階段排放限值的要求。

2.2 試驗(yàn)臺(tái)布置介紹

CQ188F 汽油機(jī)進(jìn)行整機(jī)性能和排放試驗(yàn)的試驗(yàn)臺(tái)布置見圖2。

2.3 試驗(yàn)主要設(shè)備介紹

圖2 CQ188F 汽油機(jī)整機(jī)性能和排放試驗(yàn)的試驗(yàn)臺(tái)布置示意圖

CQ188F 汽油機(jī)整機(jī)性能和排放試驗(yàn)所用主要設(shè)備見表1。

表1 CQ188F 汽油機(jī)臺(tái)架測試所用的儀器儀表

①日本HORIBA 公司；②浙江遂昌恒力測試設(shè)

備有限公司；③上海內(nèi)燃機(jī)研究所

2.4 CQ188F 汽油機(jī)美國EPA 第III 階段排放限值及測試循環(huán)

本文研究對象CQ188F 汽油機(jī)氣缸排量為389 cm3，其美國EPA 第III 階段的排放限值和測試循環(huán)方法如下。

（1）美國EPA 第III 階段排放限值見表2。

表2 CQ188F 汽油機(jī)美國EPA 第III 階段排放限值

（2）測試循環(huán)：對非道路用通用小型汽油機(jī)排放測量的試驗(yàn)方法，美國EPA、歐盟和中國都有自己的規(guī)定。 在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上按穩(wěn)態(tài)工況組合的測試循環(huán)進(jìn)行測量， 在汽油機(jī)規(guī)定的不同穩(wěn)態(tài)工況下測試尾氣排放濃度值， 再按規(guī)定的計(jì)算方法對各工況排放進(jìn)行加權(quán)計(jì)算得到汽油機(jī)整機(jī)排放值。 對于CQ188F 汽油機(jī)，美國EPA 采用B 測試循環(huán)，歐盟采用G2 測試循環(huán)，中國采用G2 測試循環(huán)。 雖然采用的測試循環(huán)分類代號不全相同， 但是測試循環(huán)內(nèi)容是一致的，見表3。從表3 可以看出，CQ188F 汽油機(jī)整機(jī)排放值在中小負(fù)荷時(shí)權(quán)重是比較大的， 因此要重點(diǎn)控制和降低該機(jī)型中小負(fù)荷時(shí)的有害污染物排放。

表3 CQ188F 汽油機(jī)測試循環(huán)

2.5 CQ188F 汽油機(jī)二次空氣補(bǔ)氣排放試驗(yàn)及分析

通過汽油機(jī)二次空氣補(bǔ)氣的多方案試驗(yàn)， 確定CQ188F 汽油機(jī)機(jī)后二次空氣補(bǔ)氣閥的優(yōu)化方案，根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范對CQ188F 汽油機(jī)二次空氣補(bǔ)氣前后的排放進(jìn)行測試對比試驗(yàn)。 圖3 為CQ188F 汽油機(jī)進(jìn)行二次空氣補(bǔ)氣前后排氣中CO、HC、NOx等有害排放物體積分?jǐn)?shù)φ 變化對比圖。

圖3 CQ188F 汽油機(jī)補(bǔ)氣前后CO、HC、NOx排放物體積分?jǐn)?shù)變化

從圖3 中可以分析出：

（1） 補(bǔ)氣后在中小負(fù)荷階段時(shí)CO 排放下降非常明顯。 這主要是由于在小負(fù)荷時(shí)， 氣缸進(jìn)氣量較少，排氣壓力波動(dòng)較大，使得二次補(bǔ)氣進(jìn)氣量增大，從而使得CO 被部分二次氧化為CO2。

（2） 補(bǔ)氣后在整個(gè)運(yùn)行工況下HC 降低得也較為明顯， 其中在額定轉(zhuǎn)速下10%負(fù)荷時(shí)HC 的體積分?jǐn)?shù)從1 957.5×10-6下降到632.5×10-6， 降幅達(dá)到67.69%。 這是由于補(bǔ)氣后較多的新鮮空氣進(jìn)入到排氣管中，使廢氣中的氧氣含量增多，這一方面在一定程度上稀釋了廢氣中HC 的濃度； 另一方面在廢氣高溫作用下，HC 與補(bǔ)進(jìn)的空氣進(jìn)一步發(fā)生氧化反應(yīng)，從而大量地降低了HC 的排放。由于補(bǔ)氣量是隨著負(fù)荷的減小而增加的， 因此在中小負(fù)荷時(shí)HC 下降得最多。

表4 是二次空氣補(bǔ)氣前后CQ188F 汽油機(jī)的整機(jī)排放值，經(jīng)過機(jī)后二次空氣補(bǔ)氣后，CQ188F 汽油機(jī)廢氣中氧含量增多，同時(shí)利用排氣廢氣的高溫，使未燃盡的CO 和HC 與氧氣進(jìn)一步發(fā)生氧化反應(yīng)，整機(jī)有害污染物排放量明顯降低。

表4 CQ188F 汽油機(jī)補(bǔ)氣優(yōu)化前后排放值的變化g/（kW·h）

從表4 數(shù)值可以看出：

（1）HC 排放值下降明顯， 從排氣無補(bǔ)氣時(shí)的4.63 g/（kW·h）下降到3.52 g/（kW·h），降幅達(dá)到24.0%。

（2）CO 排放值從383.6 g/（kW·h） 下降到325.3 g/（kW·h），下降了15.2%。 CO 下降幅度比HC 下降幅度小是由于HC 燃燒后的產(chǎn)物中會(huì)有部分轉(zhuǎn)化成CO，使得CO 的降幅不如HC。

（3）NOx從2.60 g/（kW·h） 下降到2.23 g/（kW·h），下降了14.2%。 國內(nèi)外有關(guān)研究資料表明，排氣中本身存在的CO、HC 可作為還原劑， 借助排氣的高溫將NOx還原成N2[2]，所以NOx的排放也會(huì)有一定降低。

（4）HC+NOx總體排放從7.23 g/（kW·h）下降到5.75g/（kW·h），下降了20.5%，此值劣化后完全能夠達(dá)到美國EPA 第III 階段通用小型汽油機(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)（8 g/（kW·h））。

3 結(jié)論

本文對應(yīng)用機(jī)后二次空氣補(bǔ)氣技術(shù)來降低通用小型汽油機(jī)排放進(jìn)行了初步試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

（1） 二次空氣補(bǔ)氣技術(shù)不僅可以降低通用小型汽油機(jī)廢氣中的CO 和HC 排放， 而且NOx的排放也有一定的降低。

（2） 被動(dòng)式二次空氣補(bǔ)氣在中小負(fù)荷時(shí)對降低通用小型汽油機(jī)的CO 和HC 排放效果明顯， 而根據(jù)測試循環(huán)方法通用小型汽油機(jī)整機(jī)排放值在中小負(fù)荷時(shí)權(quán)重較大， 因此通用小型汽油機(jī)在采用機(jī)內(nèi)凈化的基礎(chǔ)上適合再采用機(jī)后被動(dòng)式二次空氣補(bǔ)氣技術(shù)， 可以使樣機(jī)排放值劣化后完全能夠達(dá)到美國EPA 第III 階段通用小型汽油機(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 中國內(nèi)燃機(jī)工業(yè)協(xié)會(huì)，《中國內(nèi)燃機(jī)工業(yè)年鑒》編委會(huì).中國內(nèi)燃機(jī)工業(yè)年鑒[M] .上海：上海交通大學(xué)出版社，2013：89～92

[2]周松，肖友洪，朱元清,等.內(nèi)燃機(jī)排放與污染控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010：117