车用汽油机HC生成机理及排放控制技术

螁前言

莆车用汽油发动机是大气的主要污染源之一，由于其燃烧方式与柴油机不一样，造成较大的未燃

HC排放。随着环境污染的日益严重，人们对发动机的排放提出了严格的法规，促使对未燃HC的生成机理与排放进行更加深入的研究。本文在比较和归纳前人研究成果的基础上，论述了车用汽油

机HC有害排放物的生成机理和降低排放的措施。

羆1 汽油机HC的生成机理

袄(1)不完全燃烧(氧化)。发动机运转时，若混合气过浓或过稀，或者废气被严重稀释，或者点火系

统发生故障，则火花塞可能不跳火，或者跳火后不能使混合气着火，或者着火后又在传播过程中熄

灭，致使混合气中部分燃料，甚至全部燃料以未燃HC形式排出，使HC排放明显升高。

芈(2)壁面淬熄效应。壁面淬熄效应是指温度较低的燃烧室壁面对火焰的迅速冷却(也称激冷)，使活化分子的能力被吸收，链式反应中断，在壁面形成0.1～0.2mm的不燃烧或不完全燃烧的火焰淬熄

层，产生大量未燃的HC。

莈(3)狭缝效应。狭缝主要指活塞头部、活塞环和气缸壁之间的狭小缝隙，火花塞中心电极的空隙，

火花塞的螺纹、喷油器周围的间隙等处。汽油机工作时总有一些液态油滴或燃油蒸气隐藏在这些缝

隙中，因火焰无法传人其中而不能燃烧，于是成为未燃烧HC的一个来源。

肄(4)壁面油膜和积炭吸附。在进气和压缩过程中，气缸壁面上的润滑油膜，以及沉积在活塞顶部、

燃烧室壁面和进气门、排气门上的多孔性积炭，会吸附未燃混合气和燃料蒸气，在膨胀和排气过程

中这些吸附的燃料蒸气柱随之进入气态的燃烧产物中。这样HC的少部分被氧化，大部分则随已燃

气体排出气缸。

芃2 影响HC生成的因素

羈2.1 空燃比的影响

膅空燃比对HC排放浓度的影响甚大。通常HC排放浓度和数量有随混合气变稀而下降的趋势，但

是，当混合气空燃比大于17：1时，混合气过分稀薄，易发生火焰不完全传播以至断火，使HC排放量迅速增加。因此，凡影响空燃比和排气后反应的因素，如大气压力、进气温度、排气温度、排

气中的含氧量等，也必然影响HC的排放。

芃2.2 点火提前角的影响

蚂点火提前角推迟，后燃严重。一方面，降低了混合气燃烧时的燃烧室面积，激冷壁面面积减小；

另一方面，导致排气温度上升，促进HC在排气系统中的氧化。这些都使最终排出的HC减少。

螈2.3 转速的影响

芇发动机转速对HC排放浓度的影响非常明显。转速较高时，增大了混合气的扰流混合和涡流扩

散，同时也增加了排气的扰流和混合，使HC排放浓度明显下降。转速较低时，汽油雾化差、混合

气很浓、残余废气系数大，HC排放浓度较高。

薅2.4 负荷的影响

膂发动机试验结果表明，当空燃比和转速保持不变，并按最大功率调节点火时间时，改变负荷对

HC排放浓度几乎没有影响，但在负荷增加时，HC排放量会因废气流量变大而几乎呈线性增长。

葿2.5 冷却水及燃烧室壁面温度的影响

莈提高汽油机冷却水及燃烧室壁面温度，可降低狭缝容积中储存的HC含量，减少淬熄层的厚度，改善狭缝容积逸出的HC及淬熄层扩散出来的燃油的氧化条件，而且可改善燃油的蒸发、分配，提

高排气温度，使HC排放物减少。

蚃2.6 排气背压的影响

薁当排气管上装上催化转化器或消声器后，排气背压增加，留在缸内的废气增多，未燃的烃会在下

一循环中被烧掉，排气中的HC含量将降低，然而，如果背压过大，则留在缸内的废气过多，稀释

了混合气，燃烧恶化，排出的HC会增加。

艿2.7 燃烧室壁面沉积物的影响

肅沉积在活塞顶部、燃烧室壁面和进气门、排气门上的多孔性积炭，会吸附未燃混合气和燃料蒸

气，在排气过程中再释放出来。因此，燃烧室壁面沉积物的增加，使HC的排放量增加。

肆2.8 燃烧室面容比及相关结构因素的影响

羀燃烧室面容比通常是指活塞位于上止点时燃烧室的表面积和余隙容积之比，它既与燃烧室的主要

结构参数有关，又是衡量燃烧室激冷效应强弱的一个重要因素。燃烧室面容比大，单位容积的激冷

面积亦随之增大，则壁面激冷层中所包含的未燃烃总量也随之增加。

罿2.9 燃料性质的影响

膇汽油的辛烷值、挥发性也会影响HC的排放量。辛烷值太低或挥发性太差都会使HC的排放量增加。

膄3 汽油机控制HC排放的主要净化措施

蚄3.1 机内净化

螀3.1.1 燃烧系统的改进

芈燃烧室面容比越小，结构越紧凑，传热损失就越小，混合气越均匀，燃烧过程完成得就越稳定且

快，HC排放就越低。因此，圆盘形、浴盆形、楔形燃烧室越来越多地被半球形、帐篷形、屋顶形

等紧凑型燃烧室所代替。现代汽油机大多采用火花塞布置在燃烧室中央，以缩短火焰传播距离，加

速燃烧过程。提高发动机的压缩比，从而提高缸内混合气温度，可以促进混合气的形成和燃烧，达

到减少HC排放的目的。

芃3.1.2 推迟点火提前角

肃适当推迟点火提前角会降低HC的排放量。但会引起有效压力的下降和燃油消耗率的上升。因

此，靠这种方法降低HC的排放有一定限度。

蒀3.1.3 汽油缸内直接喷射(GDI)

肅进气管低压电控燃油喷射系统发动机在冷启动时，进气管内的气流速度低，燃油蒸发不良会导致

形成油膜，进入缸内会直接附着在进气门底面、缸套壁面等处，再加上混合气过浓，燃烧不完全，

形成大量的未燃HC排出机外。采用GDI的发动机改善了油气的混合机理，冷启动时不再需要过量

供油，HC的排量大为降低。GDI发动机完全避免了在进气门等表面形成油膜，燃油计量准确，属

于稀燃。

蚅3.1.4 高能点火与两次、多次点火技术

薃高能点火对HC排放的作用有两方面，一是增大了初始火核半径，有助于提高燃烧速度和减少循

环变动；二是降低混合气较稀时的熄火概率，使发动机可用稍稀的混合气，从而减少HC的排放。采用两次、多次点火技术可以改善启动、怠速工况下HC的排放。

膁3.2 机外净化

肇3.2.1 热反应净化器与两次空气供给装置

螃热反应净化器尽量安装在靠近排气总管出口处的排气管路中，两次空气和排气中的未燃混合气混

合后，利用排气本身的余热保持高温，并给予一定的反应时间，使HC和CO再燃烧。影响热反应

净化的一个重要因素是排气中O2的浓度，当热反应器内有足够的O2时，HC和CO的净化效果较好。要提高O2的浓度，可以通过两次空气供给装置向排气中喷人适量的两次空气，喷射量由排气

管中的HC和CO含量决定。

羂3.2.2 HC吸附器与三效催化转化器

羁在发动机排气尾管中安装HC吸附器。通过吸附器中的活性碳或氟石以吸附冷启动和怠速时排出

的HC。三效催化转化器是利用催化剂促进发动机排气中HC、CO和NOx发生反应生成无害的物质。国内广泛使用的是价格低廉的稀土催化剂。发动机暖机工作一段时间后，吸附介质温度升高，

如果达到HC的脱附温度，吸附器将释放吸附的HC。与此同时，三效催化转化器的温度也会上

升，如果在吸附器释放HC之前，使三效催化转化器达到起燃温度，则可以使冷启动阶段的HC排放大幅降低。此外还可以将吸附器解吸出来的HC引入进气系统，两次进入燃烧室燃烧，同样也可

达到降低冷启动时排放的目的。采用吸附方法降低HC排放是一种被动方法，它只能将HC短暂存留，HC的转化还必须依靠三效催化转化器来实现，而且在催化转化器未达到起燃温度之前，HC 就有可能被释放。

膈3.2.3 曲轴箱强制通风系统

膆汽油机工作时产生的HC排放，约25%来自曲轴箱窜气。曲轴箱强制通风系统的作用原理是新鲜

空气从单独的小滤清器吸人曲轴箱，在曲轴箱内与窜气混合后回流至进气歧管，再与混合气一起进

入气缸，使窜气中的HC得以燃烧。目前几乎所有的汽车发动机都已装了该系统。

莁3.2.4 燃油蒸发控制系统

蚁燃油蒸发是指由化油器浮子室、油箱和燃油系统管接头处蒸发并排向大气的燃油蒸气。其中HC 排放的20%来自燃油系统。燃油蒸发控制装置是把燃油蒸气中的HC用活性碳收集起来，然后再用

回流空气使其脱附并将其送回发动机燃烧处理。它可以在不影响发动机功率的情况下，减少HC的排放，并相应提高燃油经济性。

羆4 结论

芄本文介绍的各种减少HC排放的措施，都不同程度地存在一定的局限性。在减少HC排放的同时有可能导致柴油机动力性和经济性下降，对其它排放物，诸如微粒、NOx、CO等可能会增加。今

后的研究重点应放在：

螁(1)致力于汽油机性能研究和改进燃烧过程；