[摘要]文章介绍了汽油机排放的形成、危害及其控制所采用的主要技术措施，指出电子控制燃油喷射和三元催化转换器的联合使用是目前最有效的使用方案。OBD—II技术从保证发动机工作状况的角度保证了排放的正常水平。代用燃料发动机、混合动力装置、稀薄燃烧发动机是目前的研究热点，为将来汽油机排放问题的解决提供了新的可能途径。

[关键词]汽油机；排放；排放控制

1．前言

目前，世界石油消耗量的50％由汽车消耗，整个运输部门30％的二氧化碳排放来自于汽车。同时。汽车已成为最大的污染源，大气污染物中43％来自于汽车，在大中城市，则有70％的空气污染来自于汽车。近7亿多辆的汽车保有量中，汽油发动机车辆的数目远大于柴油机车辆，而单台汽油机的排放问题也严重于单台柴油机。如何有效的控制和降低汽油机的排放已成为决定汽车业走向的重大课题。本文将就汽油机的排放问题及其控制技术进行探讨。

2．汽油机的排放物

汽油机的燃料是汽油。汽油是一种含有少量的硫和铅的成分复杂的碳氢化合物。所以汽车的排放问题是不可避免的。汽油机的废气中含有72％的N2、17％的CO₂、9．36％的O₂和水，1．64％的有害成分。在有害成分中，CO占85％、HC占5％、NO_x占8％、硫铅的化合物及其他的颗粒占2％。汽车的各种燃烧产物不同程度上对环境、对人体健康均会构成一定的影响。

2．1水和CO₂水和CO₂都是正常燃烧的产物，为自然界原有物质，但是作为一种温室气体，其对于温室效应的影响正越来越受到关注，控制的排放也有助于能源的使用效率的提高。

2．2 CO CO为烃燃烧的中间产物，也是不完全燃烧的产物，在汽油机的工作中，CO的产生是必然的。一氧化碳对人体和环境都有害。一氧化碳与血红蛋白的结合能力为氧气的300倍，一氧化碳可降低人体血液对于氧的输送能力，当一氧化碳体积分数超过0．3％时，可在30分钟内使人毙命。一氧化碳也能促使一氧化氮向二氧化氮的转化，使形成光化学烟雾的趋势加强。

2．3 HC碳氢化合物的来源一般认为有三个途径，由于未燃和不完全燃烧使汽油部分分解氧化形成的碳氢化合物占55％～65％，曲轴箱串气排放的占20％～25％，燃油蒸发排放的占15％～20％。碳氢化合物是成分复杂的有机化合物，少量成分具有致癌作用。一定浓度比例的HC和氮氧化物混合，在强阳光照射下会生成毒性很大的光化学烟雾，对人体和环境均有很大的危害。

2．4 NO_x发动机内高温高压及富氧的条件有利于NO_x的生成，其中以NO(约95％)、NO₂(约5％)为主。NO_x本身有一定的毒性，同时也是生成光化学烟雾的先导，排放过多还可能生成酸雨。控制的最重要因素是空燃比、EGR率及点火正时。

2．5颗粒。一般认为，汽油机排放物中含有微量的颗粒，主要为极少量的铅的化合物，硫酸盐和工作不良时生成的碳烟，颗粒对环境的影响作用是微乎其微的。

3．排放的控制及降低排放的技术研究

汽车尾气排放及其对大气的污染问题是上个世纪50年代在美国首先被提出来的，日益严重的大气污染问题使得各国相继制定了愈来愈严格的排放法规。美国现行排放法规规定的CO、HC和的排放限值比未控制前分别下降了96％、98％和90％，日本下降了95％、96％和92％，欧洲下降了85％和78％(碳氢和氮氧化物)。这些法规客观上也推动了汽油机的排放控制技术的迅速发展。

3．1电控燃油喷射系统及发动机管理系统。世界各国先后以技术先进的电控燃油喷射(EFT)系统取代传统的化油器供油系统，我国目前已禁止化油器轿车上市。相比于化油器汽油机，电喷系统可以使发动机功率上升5％～10％，油耗降低5％～15％，当然，最重要的原因还是由于排放控制方面。EFI的显著优点在于对燃油量的精确控制和保证高质混合气的形成和分配，从而使燃烧过程有利进行。燃油量的精确控制也是三元催化转换器高效工作的前提。电控燃油喷射系统1957年在美国的BENDIX公司诞生，随着电子技术特别是大规模集成电路的不断发展，喷油位置、喷油正时均得到进一步的优化改进，喷油系统已由单点喷射发展为多点喷射，由各缸同时喷射发展为顺序喷射，更适合发动机工作。而单一的电控燃油喷射系统已发展为可对发动机喷油量、喷油正时、点火时刻、点火能量、空燃比、EGR及一些辅助项目的综合控制的发动机管理系统EMS。电控系统的优化可实现瞬态配制混合气，使个工况下汽油机的排放特性、动力性、燃油经济性达到最佳折中。目前的动力传动一体化的研究也有助于发动机功率的更高效利用。

3．2低排放点火系统。点火系统是汽油机的重要组成部分，点火正时特性、点火能量特性对燃烧过程均有重要影响，进而影响到发动机的排放特性。推迟点火是最简单易行最普遍应用的排放控制方法，可以使HC和NO_x的排放明显降低，但对动力性和油耗有影响。点火正时应考虑以上因数综合进行优化。通过仿真计算获得初步数据，再通过点火标定试验制定点火提前角最优控制MAP图，点火能量的保证是通过一次电流的闭合时间来实现的。当电瓶电压过低时可自动延长闭合时间，发动机转速提高时可自动延长闭合角。火花塞的工作可靠也是点火可靠的保证因数。

3．3燃烧、进气系统的优化。进气和燃烧系统的优化对于排放的控制也大有裨益。紧凑的燃烧室散热损失小，燃烧快速充分，从而可降低HC、CO排放。采取减少活塞、活塞环与气缸壁之间的缝隙的措施，也可减少HC的排放。配以优化的EGR率、点火提前角，也可得到动力性、油耗的最佳折衷。国外汽油机已向多气门方向发展，4气门、5气门技术正在取代传统的2气门、3气门技术。多气门的结构改善了发动机的换气特性，提高了充气效率，减少了泵气损失，也方便将火花塞布置于中央位置。大众集团的3进2排技术还使进排气系统能够形成增压的效果，降低了油耗，显著提高动力性能并降低了HC、CO的排放。另外，为使发动机在所有转速范围内都能获得最高的充量系数，进气管长度随转速变化的技术也在研究当中。奥迪公司已将进气管二级变化的技术应用到发动机当中。可变气门配气相位和气门升程电子控制系统(VTEC)已开发成功并得到应用，它可依据发动机转速和负荷自动改变气门配气相位和气门升程，从而改变配气量，这一系统在提高发动机性能的基础上可降低油耗和NO_x的排放。

3．4三元催化转换器(TWC)。安装三元催化转换器是目前排放控制中最为有效的方法。三元

催化转换器不仅能促使CO、HC的氧化反应，而且能促使NO_x的还原反应，从而使三种有害成分均得到净化。实验证明，采用空燃比闭环控制和三元催化转换器可使HC和CO的排放减少90％～95％，NO_x减少80％以上。三元催化转换器的核心是催化剂载体和涂在上面的催化活性物质。载体多为蜂窝状多孔堇青石陶瓷，蜂窝状金属载体业有少量份额，而早期日本的氧化铝多孔颗粒载体已经淘汰。催化活性物质为铂Pt、钯Pb、铑Rh等贵金属，催化剂中叶会添加一些稀土元素以进一步改善催化效果。三元催化转换器高效工作的先决条件是空燃比必须精确控制在理论空燃比附近一个很小的窗口范围。目前，EMS对空燃比实行闭环控制有力地保证了这一条件。催化剂的正常工作温度是350℃，有的EMS辅以附加的TWC加热装置使得发动机工作后TWC很快达到这一工作温度。另外，缺火及倒拖均要断油，不然会有大量未燃汽油进入TWC燃烧，造成热老化。燃油中的一些杂质和添加剂也容易引起催化剂工作效率的下降，P、M_n、S、S_i、P_b等元素均会引起催化剂中毒，这在使用各种催化剂时要十分注意的。

3．5废气再循环系统(EGR)。EGR的目的在于降低汽油机的排放水平。由于废气中氧含量低，废气比热容大，在发动机进气中引入适当比例的废气可降低燃烧的最高温度，从而抑制了NO_x的生成。然而，废气的引入同时也降低了燃烧的速度和温度，造成发动机最大功率的下降、油耗的上升和燃烧不稳定等现象。EGR技术的关键在于引入废气量的控制。EGR率随负荷的增加而增加，但接近全负荷时为了保证足够的动力性能则不允许进行EGR。暖机、怠速、小负荷运行时也不进行EGR。为实现EGR的最佳效果，还要保证废气在各缸的均匀分配。

3．6曲轴箱强制通风系统(PCV)。曲轴箱强制通风系统已成为汽油机必须采用的系统。由活塞、活塞环、气缸构成的气体密封系统实质是个迷宫密封系统，发动机的串气是不可避免的。串气量相当于汽缸总排气量的0．5％～1．0％。串气中含有大量未燃、不完全燃烧的HC和少量的CO等有害物，把曲轴箱排放物吸入进气管，在汽缸中烧掉是很有必要的。另外，PCV系统在发动机回火时还可以起到保护的作用。

3．7燃油蒸发排放控制系统。油箱中的燃油一方面受到外界热源的热辐射，在多点喷射的场合也受到从喷油嘴带回大量热量的回油的加热，造成温度上升而产生较多的燃油蒸气，如不加以控制，产生的HC的量可超过HC的总排放的20％。这部分的排放控制由蒸发排放电子控制系统完成，系统由炭罐、炭罐清洗阀和相关的管路构成。炭罐收集燃油蒸气，清洗气流将排放物经清洗阀导入进气歧管。清洗气流的量要根据工况进行控制。这套系统较好地解决了蒸发排放的问题。

4．随车故障诊断系统OBD－Ⅱ

随车故障诊断系统(OBD－Ⅱ)已成为近年来排放控制的发展重点。研究表明，汽车的排放与故障是密切相关的，70％的汽车排放来自于20％工作不良的发动机，所以，保证发动机处于良好的工作状态对于排放的控制是十分重要的。随车故障诊断系统最初是为了使得复杂的EMS的诊断维修简单化，而今，第二代随车故障自诊断系统则明显把重点转向到排放的控制上面。OBD—II连续的监测与排放有关的元器件和系统，当有重要故障出现或进入三元催化转换器前的排放水平超过FTP限值的1．5倍时通过故障指示灯告诉驾驶员，并把故障代码和当时发动机的工作数据以凝固贞的形式储存起来，还要启动后备数据库修正发动机的工作，以便能保证跛行回家。OBD－II执行如下9项监测功能：催化转换器效率监测、缺火监测、燃油系统监测、氧传感器监测、EGR系统监测、综合部件监测、蒸发排放控制系统监测、二次空气喷射系统监测和氯氟碳化物监测。可以看出，前8种监测均与发动机的工作直接有关。在汽车的使用中对影响排放的各个因素进行监测，对于保证汽车的排放在使用中符合要求是十分必要的。

5．混合动力系统

混合动力系统的研究为排放的解决提供了一个新的思路。实验表明，汽油机存在某一热效率高而排放很低的工况，而单一工况运转也便于排放后处理系统的优化和高效转化。根据这一结果，国外已经研究出多种混合动力车辆，使汽油机仅在较理想的工况下为车辆提供动力，其他工况则由其他动力系统提供。这样可以降低汽油的消耗和CO的排放。混合动力系统的技术关键在于如何确定系统工作模式和控制策略，即在什么条件下进入何种工作模式，此模式下发动机如何优化控制。

6．结语

汽油机排放的产生因素是多方面的，而且可能互相矛盾，此消彼涨。设计排放控制方案必须综合考虑排放的影响因素，同时还要兼而考虑发动机的动力性和经济性，针对具体情况，采取相应的综合控制措施。目前较为成熟有效的方案是采用闭环控制燃油喷射的发动机管理系统结合三元催化转换器，对HC、CO的控制均有理想的效果。对进气、燃烧过程作进一步改善的结构优化研究也在进行当中。汽油机排放控制的研究任重道远。

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[责任编辑：龚謇]