文獻綜述-缸內(nèi)直噴汽油機排放特性及影響因素

文獻綜述缸內(nèi)直噴汽油機排放特性及影響因素摘要：缸內(nèi)直噴汽油機具有良好的燃油經(jīng)濟性，也存在顆粒物排放增加的問題。國Ⅴ排放標準也引入PM排放控制指標。通過分析汽油有害排放物生成機理，研究了缸內(nèi)直噴汽油機有害排放物的影響因素及控制技術(shù)。關(guān)鍵詞：缸內(nèi)直噴汽油機排放法規(guī)排放物影響因素1引言汽油缸內(nèi)直噴（gasolinedirectinjection,GDI）技術(shù)使得汽油機擁有良好的燃油經(jīng)濟性，冷啟動時HC排放低等優(yōu)點，汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)不斷普及，但是燃油直接進入氣缸，反而使得油氣混合不均勻和燃油碰壁的現(xiàn)象產(chǎn)生使得微粒物的排放相對于非直噴汽油機明顯增加，在各國的排放法規(guī)里都相應的出臺了對于顆粒物排放的技術(shù)要求。因此對于缸內(nèi)直噴汽油機研究非常有必要，掌握缸內(nèi)直噴汽油機的排放特性和影響因素，更加有利于進一步提高該汽油機的性能，降低排放物的量。2我國的排放控制法規(guī)有關(guān)數(shù)據(jù)表明，2012年全國的機動車排放污染物為46.121Mt,其中汽油車的CO和HC的排放量最高，超過總排放量的七成。為了控制機動車的污染物排放，我國于2013年7月1日開始全面實行國Ⅳ排放標準，并且，在2018年1月1日起實施國Ⅴ排放標準[1]。表1列出了M1類汽油常溫排放限值的變化，可見增加。表1M類汽油車常溫排放限值的變化[2]階段實施日期CO/（g?km-1）HC/（g?km-1）NMHC/（g?km-1）NOx/（g?km-1）PM/（g?km-1）PN/（個?km-1）國Ⅳ2011-07-011.00.100.08國Ⅴ2018-01-011.00.100.0680.060.00453汽油機排放生成機理3.1微粒物生成機理直噴汽油機由于將汽油直接噴入缸內(nèi)，油氣的混合時間短，混合氣不均勻，再加上有燃油碰壁的現(xiàn)象，使得顆粒物的排放增加。汽油機碳煙顆粒物主要是不完全燃燒的產(chǎn)物，是燃料在高溫缺氧的條件下經(jīng)過脫氫裂解產(chǎn)生的[3]。3.2NOx生成機理目前被廣泛采用的是采爾多維奇（Zeldovich）反應機理，空氣中的O2分子，在燃燒區(qū)高溫的作用下，裂解成O原子，在O原子的誘發(fā)下產(chǎn)生生成NO的鏈反應[4]。3.3HC生成機理引起HC的生成有很多影響因素，混合氣過濃或過稀、燃燒室溫度偏低、點火系統(tǒng)不正常等會引起混合氣中的一部分燃料以未燃烴排出?；蛘呤抢浔诨鹧娲阆ㄟ@一燃燒現(xiàn)象，在內(nèi)燃機的缸壁上附著一層很薄的淬熄層，當火焰?zhèn)鞑サ骄o靠燃燒室壁面的薄層時，由于溫度過低無法進行完全燃燒，燃料在此生成未燃的碳氫化合物[4]。3.4CO生成機理CO是烴類燃料在空氣不足的情況下的燃燒中間產(chǎn)物。生成的反應過程可概括為RH→R→RO2→RCHO→RCO→CO[4]4缸內(nèi)直噴汽油機有害排放的影響因素對于汽油機排放物的控制有各種影響因素，為了達到排放法規(guī)的標準，需要對排放物進行技術(shù)凈化處理。從凈化的方式來看，分機前處理、機內(nèi)凈化和機后處理。不同的處理方式有不同的效果和影響，如在改善燃燒過程來降低CO、HC和顆粒物的排放量，但NOx的排放量卻隨之升高。如果為了減少NOx的排放量，通常是采用延遲噴油定時來降低燃燒溫度，減少NOx，卻帶來燃油經(jīng)濟性的問題。故對于汽油機排放物的處理是一個綜合性考慮的問題，需要進行大量的研究。4.1顆粒物影響因素汽油機的排放污染物主要是一氧化碳，氮氧化物及碳氫化合物，隨著汽油直噴（GDI）技術(shù)的普及，燃油由于直接噴入缸內(nèi)，引起油氣混合不均勻，燃油碰壁等現(xiàn)象，導致GDI汽油機的顆粒物排放增加，現(xiàn)代汽油機的顆粒物排放也得到重視，國Ⅴ排放法規(guī)也引入了PM這一指標。因此現(xiàn)階段對于缸內(nèi)直噴汽油機排放研究大多數(shù)是顆粒物的研究。清華大學的帥石金等人對于缸內(nèi)直噴汽油機的顆粒物排放特性做了試驗研究[5]，對于GDI汽油機將燃油噴人缸內(nèi)，引起混合氣不均勻及燃油碰壁現(xiàn)象使得顆粒物排放增加的情況。通過分析負荷和三效催化器（TWC），過量空氣數(shù)，點火角分析直噴汽油機顆粒物排放的情況。對于GDI汽油機的顆粒物排放的粒徑分布，在怠速工況下出現(xiàn)核狀微粒單峰分布，微粒物的濃度為3.6×108(l/cm3)；在負荷特性下，在小負荷工況下出現(xiàn)最高峰值，其濃度先減少后增加；在中小轉(zhuǎn)速時以核態(tài)微粒物為主，并隨轉(zhuǎn)速的增加濃度減??；隨著空燃比的增加，其濃度先增加后減小，聚集態(tài)的微粒在逐漸減少[6]。而對于增壓直噴汽油機，在啟動的時候顆粒物排放特別是聚集態(tài)顆粒物有特別高的濃度，而其隨著負荷和轉(zhuǎn)速變化，各個工況下的濃度情況各不相同，隨著轉(zhuǎn)速的升高，核態(tài)顆粒物濃度逐漸減少，聚集態(tài)顆粒物先減少后增漲；隨著負荷的增加，核態(tài)顆粒物濃度逐漸減少，聚集態(tài)顆粒物先減少后增漲，并且峰值的徑粒往大徑方向偏移[3]?？杖急葘τ谥眹娖蜋C的微粒排放也有比較大的影響，對微粒的粒徑濃度分布曲線形狀有影響，隨著空燃比的增加，微粒粒徑數(shù)量濃度分布曲線從核模態(tài)和聚集模態(tài)雙峰分布逐漸變成核模態(tài)和初始顆粒的雙峰分布一直到核模態(tài)單峰分布；核模態(tài)微粒的數(shù)量濃度曲線出現(xiàn)先增后減，聚集模態(tài)微粒數(shù)量濃度是一直在減?。幌”∪紵欣跍p少微粒的數(shù)量。在發(fā)動機啟動后的前幾秒中，顆粒排放比較高，聚集態(tài)顆粒比較多，冷機怠速工況下聚集態(tài)排放也高，隨著發(fā)動機的暖機過程的進行，聚集態(tài)顆粒排放逐漸減少。在熱怠速的工況下以核態(tài)微粒物為主，聚集態(tài)微粒很少。隨著過空氣量系數(shù)λ的減少，不利于排放物的后期氧化，因此促進了碳煙和HC的生成。在低負荷時的顆粒物對于過空氣量系數(shù)λ的變化比較敏感，混合氣的過濃或過稀都將導致聚集態(tài)的顆粒物排放增加[7-8]。4.2NOx影響因素天津大學的余小紅研究了汽油機在稀薄燃燒時的NOx的生成并做了數(shù)值模擬工作[9]。汽油機的稀薄燃燒雖然可以有效的降低燃料的消耗并且大大降低HC和CO的排放，但是增加了NOx的排放，通過模擬試驗，嘗試了增大空燃比，減小點火提前角，EGR及濃稀混合等方式來控制NOx的排放量，都等到了比較好的控制結(jié)果，對未來技術(shù)發(fā)展有一定影響。4.3燃油添加劑對有害排放物的影響從汽油這一燃料角度來講，可以通過改善汽油品質(zhì)和添加汽油添加劑來改善汽油的排放特性。比如將一種棕櫚油提取物作為汽油的添加劑，通過實驗得到的數(shù)據(jù)分析，對比得出該添加劑對于93#高清潔汽油和乙醇汽油都能改善其燃燒的完善程度，提高了熱效率和經(jīng)濟性。對于93#高清潔汽油來說出了HC的排放稍微提高外，其他都有所下降，特別是CO2的排放量；對于乙醇汽油來說NOX和原來保持同一水平，HC和CO2基本保持不變，除了高濃度的添加劑外，CO在小功率時有所上升而中大功率時有所下降[10]。甲基環(huán)戊二烯三羥基錳(MMT)是一種高效清潔的汽油抗爆劑，天津大學的姚春德等通過實驗研究了其對于GDI、FPI汽油機微粒排放的影響，實驗得出添加MMT后兩種發(fā)動機的微粒排放量都有所增加，在各個負荷下GDI汽油機的微粒數(shù)量濃度比FPI汽油機的高，在超細微粒排放方面高出了1~3的數(shù)量級[11]。摻氫汽油機能夠獲得更好的效率和更低的排放。摻氫汽油機的冷啟動時的缸內(nèi)壓力明顯升高，有利于汽油機的冷啟動并且有效的減少了冷啟動時的HC和CO的排放；在怠速及部分負荷下，停缸可以進一步提高該情況下的熱效率及HC和CO的排放，并且停缸可以使得汽油機獲得最佳的怠速經(jīng)濟性。由于摻入氫氣后缸內(nèi)的燃料燃燒溫度上升，所以會使得NOx的排放提高，但其他的HC、CO及顆粒物等都更利于控制和減少排放[12]。5缸內(nèi)直噴汽油機排放控制技術(shù)5.1廢氣再循環(huán)在現(xiàn)在廢氣再循環(huán)（EGR）作為降低NOx的主要技術(shù)途徑，在缸內(nèi)直噴汽油機上，EGR可以提高一定的動力性，提高經(jīng)濟性，能大量抑制NOx的生成，在某些時刻能達到91.3%的降低率。但是使用EGR可能使得HC的排放量有小幅度的增加，從實驗中得到的數(shù)據(jù)是在各工況下平均增長了15.7%。EGR相對于汽油機的CO排放幾乎不造成影響[13-14]。5.2可變氣門正時現(xiàn)代發(fā)動機采用的可變氣門正時技術(shù)（VVT）對于排放也有影響。在標定的VVT點處的NOx和HC排放都有了很大的改善，在小負荷時期相對較高，但再中高負荷階段改善的效果尤其明顯。分析認為，隨著VVT的開度增大，氣門的重疊角范圍增加，加強了汽油機內(nèi)部的EGR，降低了缸內(nèi)的燃燒溫度和氧氣的濃度，使得NOx的排放量相應的減少。但VVT對于CO的排放影響較小，在不同負荷下的兩種相同配氣相位的CO排放量基本相同[15]。5.3點火定時天津大學的潘鎖柱等研究了定時點火對于缸內(nèi)直噴汽油機的燃燒和顆粒物排放情況。分析了在點火定時不斷推遲時，火焰發(fā)展期漸漸縮短，快速燃燒器不斷增大；推遲點火定時缸內(nèi)的壓力和瞬時放熱率峰值都逐漸降低，缸內(nèi)的最高燃燒溫度逐漸向后移，膨脹行程的平均溫度逐漸升高；隨著點火定時的不斷延遲，核態(tài)和聚集態(tài)顆粒物峰值密度都在降低，顆粒物的總濃度在減少，聚集態(tài)顆粒物峰值粒徑減小，但是核態(tài)顆粒物峰值粒徑受到的影響較小[16]。GDI汽油機噴油定時的不斷推遲瞬時放熱率和缸內(nèi)平均溫度峰值都是先增后減，火焰的發(fā)展期和快速燃燒期先縮后增。聚集態(tài)微粒峰值數(shù)量濃度先降后增，聚集態(tài)顆粒物峰值粒徑漸漸減少，但核態(tài)微粒粒徑幾乎不變，微粒的總濃度與聚集態(tài)微粒數(shù)量濃度都出現(xiàn)了先降后升的現(xiàn)象[17]。6結(jié)語缸內(nèi)直噴發(fā)動由于產(chǎn)生的新的排放問題是顆粒物排放增多，故研究比較集中于對于顆粒物，過空氣量系數(shù)的增加及點火時刻的推遲都有助于顆粒物的減少；從空燃比來說，過濃過稀的混合氣濃度都會使得顆粒物濃度增加，稀薄燃燒有助于減少顆粒物；燃料的不同添加劑，其對于排放物的影響各有不同。不同的發(fā)動機控制技術(shù)對于各種排放物的影響各不相同。廢氣再循環(huán)技術(shù)可有效的降低缸內(nèi)直噴汽油機的NOx和HC的生成，但對CO影響不大；可變氣門正時技術(shù)也降低NOx，對CO影響不大。點火定時的不斷推遲對于顆粒物的排放呈現(xiàn)先降后升的影響。參考文獻：[1]楊友文，胡云昊，張子慶，孟銘.新油耗與排放法規(guī)下汽油發(fā)動機技術(shù)對燃油的要求，石油煉制與化工，2015.06[2]GB18352.3-2005.輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）[S].2005[3]張建業(yè).增壓直噴汽油機燃燒及顆粒物排放特性研究：[學位論文].天津：天津大學，2013.[4]劉永長.內(nèi)燃機原理.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