宋慶文，呂明芮，陳立，郭英俊，郝偉，閆濤，徐寧寧

（1.中國第一汽車股份有限公司技術中心,長春 130011；2.中國汽車技術研究中心,天津 300300）

二次空氣噴射系統(tǒng)對V型汽油機排放及油耗影響的研究

宋慶文1，呂明芮2，陳立1，郭英俊1，郝偉1，閆濤1，徐寧寧1

（1.中國第一汽車股份有限公司技術中心,長春 130011；2.中國汽車技術研究中心,天津 300300）

為了達到降低發(fā)動機排放及油耗的目的，在發(fā)動機冷起動階段使用一種向排氣歧管內噴射二次空氣的方法,并研究二次空氣噴射系統(tǒng)對冷態(tài)發(fā)動機排放及油耗的影響。試驗結果表明，二次空氣噴射系統(tǒng)的應用能有效降低發(fā)動機冷起動階段HC及CO的排放，同時不使油耗增加。

1 前言

發(fā)動機的排放污染物主要產(chǎn)生在冷起動階段，該階段發(fā)動機排氣溫度低，不能使催化器快速達到起燃溫度，因此該過程中HC及CO排放物水平高。

解決發(fā)動機冷起動排放問題的后處理方法有很多，主要有前置催化劑、電加熱催化劑、排氣燃燒器、HC收集器、二次空氣與真空絕熱催化轉化器等，這些技術從不同側面解決了冷起動排放問題，并都取得了一定成效[1～3]。

2 二次空氣噴射技術原理

發(fā)動機在冷起動及暖機過程中，為了保證發(fā)動機能夠順利起動及低速運轉平穩(wěn)，一般會采取開環(huán)控制模式，加大噴油量使發(fā)動機中的混合氣處于過濃狀態(tài)，同時推遲點火角使發(fā)動機燃燒滯后。該過程中大量的未燃混合氣進入排氣系統(tǒng)，此時由于排氣系統(tǒng)中催化器還未達到起燃溫度，不能起到催化作用，導致尾氣中的HC及CO濃度很高。

汽油機中催化器對尾氣處理起重要作用，但要具備溫度和混合氣濃度兩個條件，只有催化劑的溫度達到起燃溫度且尾氣中的混合氣空燃比接近理論值時，才能使尾氣中的CH4、CO、C3H8、NOx、O2等物質之間發(fā)生充分的氧化還原反應[4]。

二次空氣的噴入滿足上述兩個條件，在冷起動及暖機過程中向排氣歧管中噴入新鮮空氣，其與尾氣中未燃的HC及CO等物質充分混合，由于此時排氣歧管中的溫度還較高，所以混合氣會在排氣管中再次發(fā)生熱氧化反應，部分未燃的HC、CO轉變?yōu)镃O2和H2O,同時釋放出大量熱量，既降低污染物又加快了催化器的升溫速度。同時二次空氣給尾氣帶來更多的新鮮空氣，使催化器前的混合氣空燃比接近理論值，也降低發(fā)動機有害氣體的排放量。

3 二次空氣發(fā)動機臺架試驗方法

3.1 試驗用發(fā)動機及儀器設備

試驗采用的V6發(fā)動機是一款進氣道多點噴射、4沖程、雙頂置4氣門、3.0 L排量的自然吸氣發(fā)動機，主要參數(shù)見表1。臺架示意如圖1所示。

表1 發(fā)動機參數(shù)

3.2 測量點布置

圖2為二次空氣試驗的總體布置示意。試驗用二次空氣為干燥脫水的壓縮空氣，在每個排氣歧管上安裝相同長度和管徑的噴射管且噴射角度相同，以保證每個歧管噴入相同的二次空氣且混合均勻性一致。為了使噴入的二次空氣與尾氣混合均勻，對伸入排氣歧管的二次空氣噴管進行特殊設計及安裝（見圖2），將噴管的末端設計為45°斜切口，安裝時使切口朝向與尾氣流動方向相反，使二次空氣噴入排氣歧管后在尾氣流動的作用下產(chǎn)生更強的湍流，從而混合更均勻。

發(fā)動機冷卻水溫度采樣點為發(fā)動機出水口處，機油溫度采樣點為發(fā)動機油底殼處，進氣溫度壓力濕度采樣點為空氣濾清器入口處，三效催化轉換器（簡稱催化器）前后各一個排放采樣探頭，催化前和催化中各一個溫度采樣點。試驗準備時對節(jié)溫器進行預處理，使發(fā)動機冷卻水在試驗時始終保持大循環(huán)狀態(tài)，以保證冷卻水能穩(wěn)定在目標范圍內。其余測量參數(shù)按照常規(guī)臺架試驗進行設置。

3.3 試驗方法

在排放法規(guī)中發(fā)動機冷起動及暖機過程中產(chǎn)生的氣態(tài)污染物在整個測試循環(huán)中占的比重最大，故該試驗主要研究冷態(tài)、低速、低負荷狀態(tài)下二次空氣對氣態(tài)污染物的排放影響規(guī)律。

以排放法規(guī)為依據(jù)經(jīng)過統(tǒng)籌計算，試驗選用的工況為轉速為1 200 r/min，平均有效壓力（BMEP）為0.1 MPa。為了使臺架試驗更真實準確，發(fā)動機冷卻水溫度在水恒溫設備的作用下保持在20～30℃，機油溫度在機油冷卻器的作用下保持在25～35℃，進氣溫度在進氣空調的作用下保持在20℃左右。在油溫、水溫及外部環(huán)境恒定的情況下進行試驗：

a.保持發(fā)動機工況不變，通過電控軟件推遲點火角至發(fā)動機穩(wěn)定運行邊界，然后鎖定點火角；

b.發(fā)動機油路開環(huán)控制，通過ECU調整噴油系數(shù)，使缸內λ在0.75～1.00之間變化，步長為0.05；

c.在每個缸內λ恒定的情況下，調節(jié)二次空氣調壓閥使缸外λ在0.75～1.30之間變化，步長為0.05，當排氣溫度超過850℃時停止試驗；

d.每次調節(jié)完二次空氣后穩(wěn)定1 min，然后記錄所有臺架及排放數(shù)據(jù)。

4 試驗結果

4.1 二次空氣流量變化規(guī)律

圖3為二次空氣流量變化規(guī)律?？芍?，在缸內λ不變的情況下，缸外λ隨著二次空氣噴入量的增加而增大；在缸外λ不變的情況下，二次空氣噴入量隨著缸內λ的減小而增大。

4.2 催化器前溫度變化規(guī)律

圖4為催化器前溫度變化規(guī)律?？芍?，在缸內λ相同時，催化器前的排氣溫度隨二次空氣噴入的增加而降低，其原因是新鮮空氣噴入越多對尾氣的稀釋作用越大，噴入的空氣升溫所吸收的熱量就越多，排氣溫度就會越低；在缸外λ相同時，催化器前的排氣溫度隨缸內λ的降低而降低，其原因是缸內λ越低，混合氣越濃，燃燒越不充分，釋放的熱量越少，同時由圖3得出在缸外λ不變時，尾氣中二次空氣的噴入量隨缸內λ的減小而增加，更多的二次空氣加劇了尾氣溫度的降低速度。

4.3 催化器中溫度變化規(guī)律

圖5為催化器中的溫度變化規(guī)律。可知，在缸內λ相同時，催化器中心的溫度隨著二次空氣噴入量的增加而出現(xiàn)先升高后降低的現(xiàn)象；在缸外λ相同的情況下，催化器中心的溫度隨著缸內λ的降低而增大。

造成第1種現(xiàn)象的原因是，新鮮空氣噴入排氣管中后，未燃燒的混合氣會在催化器中繼續(xù)發(fā)生氧化還原反應，同時釋放出大量的熱量，使催化器中的溫度升高，但是當缸外λ大于1后，催化器中的溫度反而會降低，這主要是由于噴入的新鮮空氣太多，過稀的混合氣在催化器中發(fā)生氧化還原反應不充分，同時沒有參與反應的新鮮空氣在該過程中吸熱升溫，因此使催化器中的溫度降低，從而會出現(xiàn)先升高后降低的現(xiàn)象。

造成第2種現(xiàn)象的原因是，在缸外λ相同時，尾氣中未燃燒的可燃物隨著缸內λ的降低而增加，同時由于缸外λ保持不變，所以噴入的新鮮空氣也會按比例增加，導致大量尾氣在催化器中發(fā)生氧化還原反應，同時放出大量的熱量，使催化器中的溫度隨缸內λ的降低而增加。

4.4 HC排放變化規(guī)律

圖6為催化器前的HC變化規(guī)律?？芍诟變圈讼嗤瑫r，催化器前尾氣中HC的濃度隨著二次空氣噴入量的增加而減小，其原因是二次空氣對尾氣中HC進行稀釋并使部分HC發(fā)生熱氧化反應，導致HC濃度出現(xiàn)不同程度的下降；在缸外λ相同時，催化器前尾氣中HC的濃度隨著缸內λ的降低而增加，其原因是混合氣在缸內燃燒的過程中，混合氣越濃燃燒越不充分，尾氣中的HC含量越高。

圖7為催化器后的HC變化規(guī)律?？芍?，催化器后的HC濃度在二次空氣的作用下發(fā)生巨大變化。有兩個區(qū)域出現(xiàn)了HC濃度幾乎為0的情況，說明該區(qū)域的HC被氧化還原的很徹底。選用合適的缸內混合氣濃度和噴入適當?shù)亩慰諝饬浚谌呋瘎┑淖饔孟?，可以大幅度降低尾氣中的HC含量，最大限度的凈化尾氣中的有害氣體。

4.5 CO排放變化規(guī)律

圖8為催化器前的CO變化規(guī)律?？芍?，催化器前的CO濃度變化規(guī)律與HC非常相似，說明二次空氣對CO和HC的影響規(guī)律相同，其內在原理也基本一致。

圖9為催化器后的CO變化規(guī)律?？芍?，二次空氣與尾氣中大量的CO在三元催化劑的作用下發(fā)生了氧化還原反應，使催化器后尾氣中的CO濃度成數(shù)量級的降低，如果選用合適的缸內λ和噴入適量的二次空氣，可使尾氣中CO的含量大幅下降。

4.6 NOx排放變化規(guī)律

圖10為催化器前的NOx變化規(guī)律?？芍?，在缸內λ相同的情況下，催化器前的NOx濃度隨著二次空氣噴入的增加而降低；在缸外λ相同的情況下，催化器前的NOx濃度隨著缸內λ的減小而降低。

由NOx的生成機理可知，NOx的產(chǎn)生與溫度有很大關系，尾氣溫度越高越容易產(chǎn)生NOx，所以圖10的變化規(guī)律與圖4的變化規(guī)律相同。

圖11為催化器后的NOx變化規(guī)律。可知，在缸內λ不變的情況下，催化器后NOx的濃度隨著二次空氣噴入量的增加而增大，說明二次空氣的加入會使尾氣中產(chǎn)生更多的NOx，不利于降低NOx濃度。但在圖11的左下角NOx的濃度幾乎為0，結合圖7和圖9中的HC和CO的濃度分布情況，可以找出一個既能降低HC和CO，又不使NOx大幅增大的缸內、缸外λ組合區(qū)域，該區(qū)域的中心為缸內λ=0.85、缸外λ=1，在該區(qū)域合理利用二次空氣技術，就能達到降低尾氣中HC和CO含量的同時又不使NOx排放量過度增加的效果。

4.7 燃油消耗率變化規(guī)律

燃油消耗率與二次空氣噴入量的關系如圖12所示。在缸內λ相同的情況下，發(fā)動機燃油消耗率隨著二次空氣噴入量的增加而小幅增長或保持不變。其原因是二次空氣的噴入使排氣背壓小幅增長，導致進、排氣受阻，缸內殘余廢氣增加，泵氣損失功率加大從而影響油耗。

5 結束語

a.在汽油機后處理系統(tǒng)中，合理使用二次空氣噴射系統(tǒng)可有效降低冷起動及暖機階段HC及CO的排放，同時抑制油耗及NOx排放的增長。

b.該V型汽油機二次空氣噴射效果最佳的區(qū)域為以缸內λ=0.85、缸外λ=1為中心的局部區(qū)域，最佳二次空氣的噴入量約為4.5 kg/h左右。

1 程勇,王建昕,莊人雋,等.電噴汽油機起動及暖機過程HC排放的測試分析.汽車工程,2002,24（4）：331～335.

2 蔡銳彬,秦宇.對二次空氣改善車用汽油機排氣凈化效果的研究.車用發(fā)動機,2000（5）：34～36.

3 王永軍,徐世利,王彬.轎車冷起動/暖機工況排放優(yōu)化.汽車技術,2006（4）：13～15.

4 周龍保.內燃機學.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

（責任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2017年5月1日。

The Study on the Influence of Secondary Air Injection System on the Emission and Fuel Consumption of V-Type Gasoline Engine

Song Qingwen1,Lv Mingrui2,Chen Li1,Guo Yingjun1,Hao Wei1,Yan Tao1,Xu Ningning1
（1.China FAW Corporation Limited R&D Center,Changchun 130011;2.China Automotive Technology&Research Center,Tianjin 300300）

In order to reduce engine emissions and fuel consumption,a method of injecting secondary air into the exhaust manifold is used during the cold start of engine.This paper studied the effect of secondary air injection on the emission and fuel consumption of the cold engine.The experimental results show that the application of the secondary air injection system can effectively reduce the emissions of HC and CO at the cold starting stage of the engine without increasing the fuel consumption.

Secondary air injection system,Engine,Emissions,Fuel Consumption

二次空氣噴射系統(tǒng) 發(fā)動機 排放 油耗

U464.1

A

1000-3703（2017）07-0043-04