汽车排放技术发展趋势

汽车排放技术发展趋势研究报告 随着汽车工业的高速发展，汽车已经成为人们日常生活中不可缺少的交通工具。但与此同时，汽车尾气排放也成为城市空气污染的重要来源。对车辆排放的限制，已成为政治、经济、决策的一个焦点。改善发动机燃烧状况，降低油耗，减少污染物排放，或是开发清洁能源汽车，已经成为现代汽车工业的发展趋势。 电子控制缸内直喷+精确控制空燃比+三元催化器可使发动机能耗及排放大幅降低。多气门技术、稀燃技术、连续气门正时及升程可变技术、分层充气、废弃再循环（EGR）与电控技术相结合，是目前车用汽油机的发展方向。 1 发动机控制技术 通过优化发动机自身工作过程来降低油耗及排放污染物，是节能减排的主要方法之一。 1.1 电控EGR EGR（Exhaust Gas Recirculation）是将部分废气从排气管直接引入进气管，在λ=1时，降低排放和提高部分负荷性能的一种方法。引入进气管的废气可以大大增加新鲜混合气中已燃气体的比例，这样可以减少可燃混合气的发热量，增大了混合气的热容，使最高燃烧温度下降，因而可以有效地抑制NOx的生成。

EGR总体布局简图 发动机控制单元（ECU）根据发动机转速、负荷以及冷却液温度等传感器的信号，按照标定的EGR脉谱对EGR阀、节流阀等执行机构进行控制。在低速、小负荷时，由于供油量小，燃烧变得相对不太稳定，系统会降低EGR率（EGR率=EGR气体流量/（吸入空气量 +EGR气体流量）×100%）。在高速、大负荷时，为了获得较高的输出功率也要降低EGR率。怠速时，由于燃烧温度较低，则NOx的排放量不多，一般会关闭EGR阀，否则将导致发动机工作不稳定。水温过低时，混合气供应不均匀，燃烧不稳定，而且燃烧温度低，一般系统会关闭EGR阀。在电子控制中，系统会随水温升高而逐渐使阀的开度增大。 EGR技术对降低Nox的效果明显且效率高。另外采用EGR后缸内的最高燃烧温度下降，有效降低了爆燃倾向，因此EGR与提高压缩比相结合可以同时改善热效率和排放。EGR技术对发动机的改动小，成本低，即使是采用较为复杂的电控EGR，许多元件也可以和发动机电控系统共用或整合，因此作为一项降低NOx的有效措施得到了广泛的关注。 1.2 稀薄燃烧 所谓稀薄燃烧，是指通过提高发动机内混合气的空燃比，让混合气在空燃比大于理论空燃比数值的状态下燃烧。说得直白一些，就是让很少的汽油在很稀的混合状态下燃烧。它可以使燃料的燃烧更加完全，同时，辅以相应的排放控制措施，汽油机的有害排放物C O 、HC……，将大大地减少。 汽油机稀薄燃烧包括进气道喷射稀燃系统(PFI:High Pressure Injection )、直接喷射稀燃系统(GDI: GasolineDirect Injection)和均质混合气压燃系统(HCCI: Homogeneous ChargeCompression Ignition)。 1.2.1进气道喷射稀燃系统（PFI） 普通汽油机工作时保证可靠点火所对应的空燃比为10～20，与此相比，稀燃汽油机的空燃比要大得多。为了保证可靠点火，点燃式稀燃汽油机在点火瞬间火花塞周围必须形成易于点燃的空燃比为12.0～13.5 的混合气。这就要求混合气在气缸内非均质分布。而要实现混合气的非均质分布，必须使混合气在气缸内分层。混合气分层主要依靠气流的运动结合适时的喷油实现。进气道喷射稀燃系统根据进气流在气缸内的流动形式不同，可分为涡流分层和滚流分层两种。 涡流分层稀燃方式一般是通过对进气系统的合理配置，使缸内产生强烈的涡流运动。该涡流的轴线与气缸中心线大体一致，形成沿气缸轴线的涡流运动。在进气冲程初期，随着活塞向下运动，缸内形成较强的涡流。通过控制喷油时刻使喷油器在进气后期喷油，进入气缸的燃油大部分就保持在气缸的上部，气缸内的强涡流起到维持混合气分层的作用，气缸内将形成上浓下稀的分层效果，火花塞周围有较浓的混合气。这样形成的涡流在压缩后期虽然随着活塞的上行逐渐衰减，但涡流的分层效果仍可大体一直保持到压缩上止点，有利于点火燃烧。不难看出，在这种燃烧系统中影响稀燃效果的主要因素是缸内涡流的强度和喷油定时。一般说来，涡流越强，缸内混合气上下混合的趋势就越弱，分层效果保持得就越好。喷油定时和喷油速率决定了缸内混合气在流场中的空间分布以及浓度梯度。稀燃极限与喷油定时关系很大，只有在进气行程的某一区间内结束喷油，才能得到理想的混合气分层。 当前的稀燃汽油机普遍采用多进气门结构，在空气运动方面，即使以涡流为主的稀燃发动机也不采用单纯的涡流运动，而是在中高负荷时采用涡流，在低负荷时采用涡流控制阀等可变进气技术在缸内形成斜轴涡流。这种稀燃发动机的代表是丰田公司的进气道喷射第三代稀燃系统、本田公司的VTCE-E 以及马自达公司的稀燃系统。丰田第三代稀燃系统和马自达稀燃系统的共同特点是都采用涡流控制阀(SCV)来调节涡流的强度，采用1个直气道和1 个螺旋气道组织空气运动。在低负荷时，SCV 关闭获得强的涡流；在高负荷时，SCV 打开获得斜轴涡流，促进燃油与空气的混合。 滚流分层稀燃系统滚流是指气流的旋转中心线与气缸的轴线垂直。滚流分层多用于进气道对称布置的多气门发动机，尤其是蓬顶形燃烧室、对称进气的4气门发动机。通过合理配置进气系统，可以促使滚流运动的形成。当进气门升程较小时，进气流在缸内的流动紊乱，有规律的流动不明显。此时存在两个旋转轴相互平行而垂直于气缸轴线的涡团，一个在进气门下方靠近进气道一侧，另一个在进气道对侧，大致位于排气门下方，此为非滚流期。当气门升程加大时，位于进气道对侧的涡团突然加强，进而占据整个燃烧室，与此同时另一个涡团逐渐消失，此为滚流产生期。随着气门升程的加大和活塞下移，滚流不断加强。在进气行程下止点附近滚流达到最强，此为滚流发展期。压缩行程属滚流的持续期。在压缩行程后期，由于燃烧室空间扁平，不适于滚流发展而遭破坏。在上止点附近，滚流几乎被压碎而成为小尺度的湍流，此为破碎期。滚流的生命周期短，点火后将很快在燃烧过程中消失。正是由于滚流在上止点附近破碎为湍流，将进气流动的动能转化为湍动能，才有利于发动机性能的提高。 日本三菱汽车公司利用进气道喷射燃油先后成功地在3气门和4气门发动机上实现了缸内滚流分层稀燃(MVV)系统。初期的MVV 系统，燃油由双进气门的其中一个气道提供，火花塞布置在正对供油进气门的进气流下游，混合气在滚流轴线方向上出现浓稀分层，火花塞附近有适于着火的混合气浓度。但此种方案不能将火花塞布置在气缸盖上的燃烧室中心，加大了火焰的传播距离，仅用于二进一排的3气门汽油机。后来，三菱公司研制出了适用于4 气门发动机的滚流分层稀燃系统，在4气门汽油机的进气道内对称布置两个立式隔板，在两个隔板之间喷油，使混合气在缸内滚流轴线方向上形成稀、浓、稀的夹层分布，这样可以充分发挥火花塞中心布置的优势。 1.2.2 缸内直喷技术（GDI） 在近来各厂采用的发动机科技中，最炙手可热的技术非缸内直喷莫属。这套由柴油发动机衍生而来的科技目前已经大量使用在包含大众（含奥迪）、宝马、梅赛德斯-奔驰、通用以及丰田车系上。采用缸内直喷设计的最大优势，就在于燃油是以极高压力直接注入于燃烧室中，因此除了喷油嘴的构造和位置都异于传统供油系统，在油气的雾化和混合效率上也更为优异。加上近来车上各项电子系统的控制技术大幅进步，发动机控制单元（ECU）对于进气量与喷油时机的判读与控制也愈加精准，因此在搭配上缸内直喷技术以使得发动机的燃烧效率大幅提升下，除了发动机得以产生更大动力，对于环保和节能也都有正面的帮助。 GDI与PFI的对比 1.2.2.1分层燃烧直喷汽油机 最先投入市场的一些产品直喷汽油机，都在部分负荷工况时采用分层燃烧。理想的分层燃烧，混合气在缸内分成两个区域：一个区域为含油混合气区，当地空燃比接近当量空燃比。另一个区域为无油区，空燃比为无穷大。点燃燃烧仅发生在含油混合气区，因此，分层燃烧混合气的平均空燃比在理论上可远远大于当量空燃比。 分层燃烧对汽油机热效率的影响，主要是通过增加缸内平均空燃比来实现的；空燃比的增加可以减少汽油机在部分负荷工况的泵气损失，同时也增加了混合气的比热比，提高热效率。例如，当空燃比由当量空燃比增加到3 6，理论上空气燃油循环的比油耗可下降11.5％，还不包括泵气损失的减少。如果考虑到泵气损失的减少，比油耗下降的更多。 实际上，由于种种原因，分层燃烧对热效率的改进达不到上述理想的空气燃油循环的计算结果，分层燃烧混合气的平均空燃比也往往受到限制。通过缸内直喷来形成分层燃烧混合气有很多不同形式。主要有壁面阻挡型直喷汽油机和软喷射型直喷汽油机，还有空气压喷型直喷汽油机。 日本三菱汽车公司开发的GDI发动机，是利用缸内滚流实现稀燃的典型直喷发动机。与原PFI 方式的4G93 原型机相比，4G93GDII3l的空燃比由10.5提高到12.0，燃油喷射压力提高到5.0MPa，大约是进气道多点喷射方式的15倍。为了控制进人气缸的空气运动，采用了近似直立的进气道使缸内形成强烈的逆向滚流，利用弯曲顶面的活塞进一步加强逆向滚流。喷油器布置在进气道一侧，火花塞布置在中间，活塞顶面形状与喷油时刻配合，可以形成两种不同的稀燃模式。当发动机在小负荷时，燃油在压缩冲程后期喷向活塞曲顶，碰撞到曲顶壁面后反弹向火花塞，只在火花塞附近形成较浓的混合气，实现了气缸内由浓到稀的滚流分层，形成了滚流分层稀燃模式。当发动机大负荷时，燃油在压缩冲程初期喷入缸内，形成了均质稀燃模式。