李嘉柱

摘要：本文阐述归纳了车用汽、柴油机的排放污染物生成机理。并从机内、机外两个角度分析，最终得出汽油机与柴油机的综合排放控制策略。

关键词：汽车污染物;排放控制

1  车用内燃机主要排放污染物的生成机理

汽车排放物种类众多，按燃烧角度看可分为：完全燃烧产物二氧化碳（CO2）、水蒸气（H2O）、氧气（O2）、氮气（N2）等;不完全燃烧与燃烧中间产物一氧化碳（CO）、碳氢化合物（THC）、氮氧化合物（NOX）、二氧化硫（SO2）、颗粒物（PM）等。

可燃混合气形成与燃烧方式上的差异，导致汽油机与柴油机在排放污染物种类与排放控制策略也有所差异。

从图1可以看出，汽油机主要排放污染物为CO、HC和NOX，柴油机主要排放污染物为NOX和颗粒物（PM）。此外，目前的国六法规还对NMHC（非甲烷总烃）与PN（固体悬浮颗粒数）进行了限值要求[3]。下面将分析排放污染物的主要生成机理。

1.1 CO的生成机理

CO主要是烃类物质的不完全燃烧产生。具体原因有：①过量空气系数小于一时，C不能完全氧化，CO为未完全燃烧产物。②过量空气系数大于一时，理论上无未完全燃烧产生的CO，但实际燃烧过程中，混合气的不均匀会使局部区域燃烧不完全，加上壁面油膜随进气而边流动边蒸发也会造成不均匀，从而产生CO。③燃烧生成的CO2高温时可解离为CO[2]。④排期过程中，未燃碳氢化合物不完全氧化反应也生成CO。

1.2 HC的生成机理

车辆排放生成的HC种类繁多，包含芳香烃、烯烃、烷烃以及醛类等。与CO类似，其主要产生原因也是燃油的不完全燃烧，此外还有燃油的挥发。具体原因：①缸内壁面淬熄效应（占30%-50%）：低温壁面及附面层将火焰前锋面冷却，活化分子能量被吸收，燃烧链反应中断，壁面形成淬熄层[6]，冷启动与怠速时尤为明显。②缝隙效应：在活塞与缸壁之间、缸盖、缸垫和缸体之间的窄缝、进、排气门和气门座之间、火花塞中心电极附近由于面容比很大，导致火焰难以传播，淬熄效应加剧。③油膜与积碳的吸附效应（占35%-50%）：进气冲程与压缩冲程，缸内气压增大，气缸壁面的润滑油膜、活塞顶与燃烧室壁面、进排气门上的积碳开始吸附燃油蒸汽与HC，在膨胀与排气过程中少部分HC被氧化，大直接部分排出气缸。④不完全燃烧：启动、怠速以及高负荷工况下，为提高发动机功率采用过浓混合气以及中等负荷工况下采用较大残余废气系数都会使得燃烧不完全，HC排放升高。

1.3 NOX的生成机理

NOX是NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5等的总称，其中NO在排气中占99%，NO2约占1%。NO在经排气管进入大气后，与氧气反应最后生成NO2。

NO的主要生成方式有[1]：①高温NO（主要来源），据高温反应机理，产生NO的三要素为反应温度、时间和氧气浓度，氧气足够的情况下，反应温度越高、时间越长，产生的NO越多。②激发NO，过量空气系数小于一时，在燃烧气体中（火焰前锋面上）发生一系列活化能不高的反应，且不需要很高温度即可进行。③燃料NO，对于柴油机，因其燃料中氮含量（0.002～0.03%）較汽油机高，会发生类似激发的反应，生成NO。[1]

1.4 颗粒物（PM）的生成机理

颗粒物分原始与二次颗粒。原始颗粒为内燃机燃烧的产物;二次颗粒指排气内，各气态、液态与固态组成间进行物理或化学变化生成的颗粒。颗粒物（PM）含：碳烟（DS）、可溶性有机物（SOF）与硫酸盐。其中碳烟占比最高，高负荷时尤为明显。碳烟的生成过程为：①成核：气相燃油分子高温下发生热裂解和部分氧化，变为各种不饱和烃，后脱氢产生原子级碳粒子，聚合为直径2nm碳核。②长大：碳核间的相互碰撞以及周围气相烃的不断聚集使碳核长大，最终变为碳烟基元（直径20～30mm）。基元再聚为多孔聚合物（直径1微米）。③颗粒物（PM）生成：排气过程中，随温度降低，有机成分SOF、硫酸盐和水冷凝吸附在碳核表面，最终形成颗粒物（PM）。

2  汽油机排放控制技术

2.1 机内净化技术

机内净化技术指通过改善发动机本身的设计和优化燃烧过程来改善排放。机内措施主要有：①采用电子控制技术;②优化燃烧系统设计;③采取各种可变技术;④废气再循环技术。⑤汽油机缸内直喷技术（GDI）。

2.1.1 电子控制技术

通过闭环控制系统进行精确的点火、喷油、空燃比控制是改善汽油机排放的主要手段。

点火控制包括：①提高点火能量，使燃烧可靠性增加，循环波动率下降，燃烧稀限上升，采用较高过量空气系数来减少CO、HC排放。方法有：增大电极电压、增大火花塞间隙、延长放电时间。随着稀薄燃烧技术的推广，无触点高能点火系统（极间电压1～2万伏）广泛应用。②点火提前角控制，适当推迟点火时刻，压力最高点远离上止点位置，燃烧过程中体积变大，温度降低，NOX排放减少;同时后燃期延长，排气温度上升，HC被氧化，减少HC排放。③精确控制空燃比，将空燃比控制在最佳空燃比误差范围内。使污染物排放总量达到最优。

2.1.2 优化燃烧系统的设计

优化对象包括燃烧室形状、缸内气流运动两大方面。

①燃烧室设计应使得：1）燃烧室形状紧凑2）火花塞布置在中央3）减少缝隙容积（活塞头部、火花塞、进、排气门），如采用高位活塞环。这些措施使得面容比减少，同时缩短火焰传播距离。使得燃烧充分快速进行，从而降低因燃烧不充分导致的CO、HC排放。同时面容比小，壁面淬熄效应减轻，HC进一步减少。②改善缸内气流运动，可通过改进进气道形状增强进气涡流，同时燃烧室内的挤气面设计可使得混合器产生压缩湍流。上述措施都使混合气湍流增强，油气混合更均匀，火焰传播速度加快，燃烧充分快速进行。

2.1.3 采取各种可变技术

包括可变配气技术、可变压缩比技术、可变工作气缸数和可变增压系统等[7]。其中最为常见的是可变进排气正时系统（VVT），采用多气门技术，减少进气阻力，提高充量系数。气门连续可变正时控制和升程控制来实现匹配发动机各转速和工况下的进排气要求，达到最佳充气效率。

2.1.4 废气再循环技术（EGR）

分为外部EGR和内部EGR，废气再循环率一般不超过20%，废气再循环使得缸内CO2增多，比热容增加，燃烧温度与速度下降，还可运用中冷EGR进一步降低燃耗温度，NOX生成减少。内部EGR通过调节气门重叠角，使排气不充分，废气滞留，实现废气循环[8]。

2.1.5 汽油机缸内直喷技术（GDI）[1]

汽油机直喷技术与稀薄燃烧技术相结合，达到均质燃烧与分层燃烧，提高混合气混合程度，精确控制空燃比。有效降低HC排放，可增大压缩比，提高发动机热效率，节能30%以上。

2.2 机外净化技术

前处理：①提高燃油品质（低硫、苯、烯烃和芳烃）或添加清净剂（促进完全燃烧）;②采用清洁能源（压缩天然气、液化石油气、醇类燃料）。

后处理：目前广泛采用三元催化转化器。通过铂（PT）、钯（PD）、铑（RH）三种贵金属催化剂，通过氧化还原反应将污染物转化为CO2、H2O和N2。

3  柴油机排放控制策略

柴油机排放主要控制NOX与PM。其控制思路为：抑制预混合燃烧，使燃烧温度降低，减小NOX排放;通过促进扩散燃烧，使黑烟、微粒降低。

柴油机机外净化技术与汽油机类似，这里介绍柴油机机内净化技术。

3.1 增压与增压中冷

进气密度大幅度提高，燃烧完全，PM降低。同时还降低CO与HC排放，动力性与经济性改善。但压缩中温度升高和富氧氛围使得NOX排放增多，采用增压中冷，抑制NOX生成。

3.2 改善喷油特性

初期低喷油速率，减少滞燃期混合气生成量，初期燃烧速率减小，从而降低燃烧温度。

中期急速喷油，采用高压喷射（电控高压油泵、共轨系统、泵喷嘴），有利于提供较高混合势能，提高雾化质量，加上卷吸作用，扩散燃烧快速充分进行[4]。

后期急断油，避免后期喷油压力下降导致雾化不良引起的燃烧不完全。

此外，采用多段喷射、预喷射也可使NOX降低。

3.3 优化燃烧室设计

采用四气门技术可以减少进气阻力，加大进气量，提高燃烧效率;采用紧凑燃烧室，加强燃烧中后期扰流，混合气运动增强，碳烟氧化再燃烧加剧，排气PM（碳烟）减少。

3.4 废气再循环（EGR）

类似于汽油机，一部分排气经冷却后经EGR阀进入气缸，增大混合气比热容，降低最高燃烧温度，抑制燃烧速率，减少NOX排放。对柴油机运行工况、进气温度、冷却水温度等进行测量，对废弃循环量进行修正，可得到最佳EGR率MAP图[5]。

从上述控制策略可以看出，柴油机主要控制NOX与PM排放，汽油机主要控制CO、HC和NOX的排放。

4  结束语

降低燃油消耗、减少废气排放一直以来是企业与国家生产改进的重点，也是汽车领域未来继续研究发展的方向。了解内燃机的污染物来源，掌握其控制方法与策略对今天的汽车制造业有着重要意义。

参考文献：

[1]王瑛璞.汽车排放污染生成机理及控制技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，2007.

[2]王体迎.我国城市汽车排放污染控制技术探讨[D].成都：西南交通大学，2009.

[3]GB 18352.6-2016，轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[S].

[4]庞威.新型柴油机乘用车排放技术研究[D].长沙：湖南大学机械与运载工程学院，2014.

[5]杨帅，李秀元，影启戛，等.EGR率对柴油机排放特性影响的试验[J].农业机械学报，2006，37（5）：29-33.

[6]韩卫.防爆柴油机燃用F-T柴油-PODE-甲醇混合燃料的燃烧和排放特性[D].太原：太原理工大学，2016.

[7]张治中.一种可变气门升程机构的设计与仿真[D].长沙：湖南大学，2017.

[8]石磊.内外部EGR与电控燃油喷射控制柴油均質燃烧的研究[D].上海：上海交通大学，2006.