汽油机车辆尾气排放控制技术发展现状.doc

汽油机车辆尾气排放控制技术发展现状
马亚琴 刘洪
（东风本田发动机有限公司，广州510700）
【摘要】 本文从机内净化和机外净化两个方面阐述了汽车尾气排放控制技术和发展现状，着重介绍了电子控制、可变气门正时和升程、可变进气管长度、三元催化转化器、废气再循环系统等尾气净化措施，以及提高燃油品质在尾气排放控制中的重要性。
关键词：汽车 排放 控制技术
The Developing Status of Control Technology
for Cleaning Exhaust Emissions of Automobile with Gasoline Engine
Ma Yaqin, Liu Hong
（Dongfeng Honda Engine Co., Ltd, Guangzhou 510700）
Abstract：It is presented that the control technology and developing status of cleaning exhaust emissions of automobile according to two conditions including initiative control and passive control. The cleaning ways are introduced that are electronic control, variable valve timing and lift, variable legend of intake pipe, three-ways catalytic converter, exhaust gas recycle and so on. Additionally, it is important to improve fuel quality in the field of controlling the exhaust emissions.
Key Words: Automobile; Exhaust Emissions; Control Technology
1 引言
随着汽车工业的迅速发展，汽车保有量的不断增加，汽车有害气体排放已逐渐成为城市大气污染的主要来源之一。为了挽救日益恶劣的大气环境，世界各国相继制定了汽车排放法规，来控制汽车排放污染。
据有关专家研究，汽车有害排放主要来源于尾气排放，有效地抑制尾气排放污染，是治理汽车有害气体排放污染的关键。为了降低尾气排放污染，世界各领域的相关专家和研究机构，从产生污染物的原因着手，在汽油品质提高、发动机燃烧性能改善以及有害废气净化处理等方面展开研究，并取得了有效的成果。
2 提高汽油品质
汽油品质与汽车排放和经济性有着十分密切的关系，为了适应环保的要求，我国的汽油标准进行了较大调整。2001年1月1日起在全国范围内停止生产含铅汽油，同时颁布和实施了新的车用无铅汽油国家标准，主要技术指标详见表1。

表1 我国车用无铅汽油主要技术指标
项目
GB17930
烯烃，%（v/v）
≤35.0
芳烃，%（v/v）
≤40.0
苯，%（v/v）
≤2.5
硫，ppm
≤800
铅，g/L
≤0.005

目前，我国汽油品质普遍存在硫和烯烃含量高、芳烃含量相对较低，蒸汽压偏高，含氧化物低，辛烷值分布差的问题。其中汽油中硫成份将会引起三元催化剂和氧传感器中毒，导致催化转化装置失效。为了不断满足汽车低污染技术的发展，要求车用汽油朝着低硫甚至无硫、低烯烃的方向发展。在提高汽油品质方面，国内大致采用两条途径：一是改进工艺，优化配方；二是添加燃料清净剂。
催化裂化是我国重油深度加工的主要手段，而催化裂化汽油是烯烃和硫的主要来源。为降低催化裂化汽油硫含量，一般采用催化裂化原料加氢预处理和催化裂化汽油选择性脱硫两种方法。
汽油清净剂一方面能改善燃料的燃烧过程，提高燃烧效率，减少燃料的损耗并降低尾气中有害物质含量；另一方面能抑制并清除发动机内生成的沉积物，使发动机始终处于较佳的工作状态，保证发动机长期以低油耗、低排放状态工作。美国早在1995年就要求出售的汽油中必须添加清净剂，我国汽油清净剂的研究虽然起步较晚，但也取得了一定的成果并已商业化，例如“飞天”、“邦洁”和“艾木”等品牌已得到广泛的认可。
3 机内净化技术
降低汽车排放的途径有很多，但首先应从有害排放产生的源头着手，不断改进发动机设计，改善发动机的燃烧条件，提高燃烧效率，从而达到控制发动机有害排放量。
3.1 电子控制技术
汽油发动机是汽车的主要动力装置，而电子控制系统以其低排放、低油耗和高效率等优点广泛应用在汽油发动机上，逐渐地取代了化油器式汽油发动机。
发动机电子控制系统由传感器、电子控制单元ECU和执行器组成。电子控制单元ECU根据进气绝对压力和发动机转速确定基本喷油持续时间和点火正时，然后根据相关传感器检测的信号修正基本喷油持续时间和点火正时，由此得到发动机在对应工况下运行的最佳喷油时间和点火正时，使可燃混合气充分燃烧，从而减少尾气中有害物质的排放。
发动机电子控制系统，不仅具有燃油喷射控制、点火控制和怠速控制主要功能，而且具有起动控制、燃油泵控制、燃油蒸发EVAP控制、废气再循环控制等辅助功能。
3.2 可变气门正时和升程
气门正时直接或间接地影响着发动机的尾气排放。本田ACCORD装备的F23A3和F20B1发动机上就采用了电子控制的可变气门正时和升程（即VTEC）技术，有效地减少了发动机低转速范围的排放污染物，特别是HC的排放量。

排气
进气
气门升程

气门升程
排气
进气

低速运转时
高速运转时

图1 VTEC工作原理

VTEC工作原理：在低转速区，主摇臂和辅助摇臂发挥作用，分别由主凸轮和辅助凸轮驱动，与此相对应，主进气门和辅助进气门以不同的升程和正时开启，其中辅助进气门开启的升程很小，在燃烧室中形成进气涡流，防止进气口处的燃料积聚；在高转速区，中间摇臂发挥作用，由中间凸轮驱动，与此对应，主进气门和辅助进气门以相同的、较高的升程开启，实现高功率输出。主摇臂、辅助摇臂和中间摇臂之间的切换控制，是ECU通过电磁阀对VTEC的控制油路进行控制，进而控制摇臂中间的活塞动作而实现的。如图2所示，油压驱动正时活塞、同步活塞，将三个摇臂连接起来，中间凸轮因升程最高而起作用，使两个进气门根据中间凸轮的作用而开启。
主凸轮
中间凸轮
辅助凸轮
主摇臂
辅助摇臂
中间摇臂
正时活塞
同步活塞A
同步活塞B
主摇臂
辅助摇臂
中间摇臂
中间凸轮

图2 高速运转时VTEC中间凸轮驱动示意图

3.3 可变进气管长度
充气效率直接关系到发动机的燃烧效率和未完全燃烧气体的比例，适当地选择进气管长度，充分利用进气波动，可以优化进气系统工作状况。近年来，出现了一种可变进气管的结构设计，进气管采用树脂材料，管路内设有旋转控制阀，通过控制阀门的开闭来改变进气路径，从而改变有效进气歧管长度，以适应不同工况对进气管长度设计的要求。
4 机外净化技术
4.1 催化转化器和氧传感器闭环控制
三元催化转化器是一种非常有效地净化尾气有害排放的装置，可以同时将尾气中的HC、CO和NOX转化为CO2、H2O和N2。三元催化转化器的转化效率与空燃比之间存在一定的关系，当发动机在理想空燃比附近运转时，转化器的转化效率最高。所以，采用三元催化转化器的车辆，都采用氧传感器信息反馈电子控制系统，以保证发动机在理想空燃比附近工作。
催化剂是直接影响催化转化效率的主要因素，通常使用的催化剂有贵金属铂、钯和铑，一般来说，催化剂含量越高，转化率就越高。催化反应面积是影响转化率的另一个重要因素，为了增大有效反应面积，催化剂都涂装在蜂窝状的载体上，随着加工工艺水平的不断提高，蜂窝载体的孔密度也不断在提高，通常可达到62目/cm2～93目/ cm2。
4.2 排气歧管后置
催化转化器对反应气体温度有一定要求，如果温度过低，未达到催化剂的催化温度，催化反应就无法进行。发动机在冷机起动或低温条件运转时，由于排气温度较低，催化剂发挥作用都存在一定的滞后期，这将会影响到整车排放水平。从欧Ⅲ排放标准开始，增加了整车低温排放试验的规定，如何缩短催化反应的滞后期，将会直接影响到测试结果。
通过将排气歧管的位置设计到发动机的后部（即进气歧管迎风），使流入催化转化器的废气温度提高，催化剂能够很快达到工作温度，使废气处理效果得到改善。
4.3 催化转化器加热装置
为了加快催化器起燃速度，可以采用电加热装置，这种装置的缺点是能量消耗大，并需要采用在线诊断技术。HC吸附器电加热装置，是另外一种有效降低冷起动排放的方法。在冷机起动时，由HC吸附器作为过渡，先吸附大约60%的HC，通过电加热约30秒后达到起燃温度，利用导入的二次空气进行氧化，温度的升高可以加热后面的催化器。
4.5 斜置催化转化器
为了有效发挥催化剂的催化作用，需要反应气体与催化剂充分接触。在空间允许的前提下，通过将催化转化器由通常的水平安装改为倾斜安装，废气可以均匀地流过催化剂，使催化剂吸附效果得到改善，催化剂的催化作用得到充分发挥。
4.6 废气再循环（EGR）系统
废气再循环就是将废气引入发动机燃烧室中再燃烧，以降低废气中NOX的排放。由于引入燃烧室中废气量的多少，将会影响发动机的性能，所以采用EGR系统，一定要与电子控制系统相配合。通常情况下，ECU根据传感器测得的发动机的冷却水温、节气门开度、转速和空气温度等参数，改变通往EGR阀的电流来调节EGR阀的升程，控制废气再循环量，同时兼顾发动机的运转性能和排放水平。
5 总结
（1）汽车尾气排放净化是一项综合课题，不仅要求研发机构不断改进发动机设计，提高控制系统精确性，研制有效的废气净化装置，而且要求石油化工领域不断提高燃油品质，以满足新型发动机和净化装置的要求。
（2）为了减少汽车尾气有害排放，首先应该采取机内净化措施，即通过改进发动机设计，采用电子控制、可变气门正时和升程、可变进气管等先进技术，优化燃烧条件，减少未完全燃烧混合气的生成。
（3）对于发动机工作已产生的有害气体，通过加装三元催化转化器和氧传感器，将有害气体HC、CO和NOX转化为CO2、H2O和N2。为了进一步提高转化效率，可以通过优化布置转化器安装位置，采用排气歧管后置、安装加热器等措施。
（4）在采用EGR系统减少NOX排量时，一定要与电子控制系统相结合，合理控制再循环到发动机燃烧室中的废气量。
参考文献
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