GDI(汽油机缸内直喷技术)排放特性及后处理

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1、GDI排放特性及后处理1前言随着经济的发展及人民生活水平的不断提高,汽车保有量越来越大。汽车在带给人类巨大便利的同时也带给人类严重的环境污染，为此世界各国纷纷制定愈来愈严格的排放法规，以减少汽车废气排放污染。为满足排放法规的要求，人们对发动机排放控制技术的研究也在不断的深入。2汽油机有害排放物的成分及其危害汽油机排放物的成分非常复杂,除了N2、O2、CO2、H2和水蒸气等无害外，其余均为有害成分，主要是从排气管排出的废气和其它部位漏出的燃料蒸汽以及从曲轴箱窜出的气体，主要包括不完全燃烧生成的CO，未燃烧的燃

2、料HC，高温燃烧时生成的NOx等。（1）CO是城市大气中的主要污染物，而汽车排出的CO占整个大气中的90%以上，CO易与血红蛋白结合，致使人体缺氧，引起头痛、头晕、呕吐等症状，严重时可使人窒息死亡；（2）NOx、HC化合物在阳光中紫外线照射作用下发生一系列的链式化学反应，NOx是光化学烟雾产生的主要元凶，使人眼红、头痛、手足抽搐，还会使植物枯死并使橡胶破裂。空气污染的危害广泛而深远，已严重威胁着人类的生存与发展。3传统内燃机有害成份的生成机理3.1CO生成机理CO是一种不完全燃烧的产物，是汽油机排气中有害成

3、分浓度最大的物质，其生成主要受混合气浓度的影响，在过量空气系数Φa＜的浓混合气工况时，由于缺氧使燃烧中的碳不能完全氧化成CO2，CO作为中间产物生成。在Φa＞1的稀混合气工况时，理论上不应有CO产生，但实际燃烧过程中，由于混合不均匀部分区域的Φa＜1条件成立，由局部燃烧不完全而产生CO或者已成为燃烧产物的CO2和H2O在高温时吸热，产生热离解分解反应，由此生成CO。3.2HC生成机理-6-HC排放物的生成除了曲轴箱通风口漏出和油箱蒸发外，主要是不完全燃烧、壁面淬熄等原因：（1）不完全燃烧：发动机运转时，若混

4、合气过浓或过稀，或着废气被严重稀释，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。（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，使活化分子的能力被吸收，链式反应中断，在壁面形成0.05～0.4mm的未燃或不完全燃烧的火焰淬熄层，产生大量未燃的HC。（3）狭缝效应：狭缝主要指活塞、活塞环和气缸壁之间的间隙，火花塞螺纹间隙，进排气门与气缸盖气门座面相配的密封

5、带间隙等。汽油机工作时总会有一些燃油隐藏在这些缝隙中，因火焰无法传入其中而不能燃烧，成为未燃烧HC的一个来源。（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油蒸气，在膨胀和排气过程中这些吸附的燃油蒸气会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。3.3NOx生成机理氮氧化合物的形成和其它废气不同，它不是来自燃料，而是空气中的氧和氮在燃烧室高温高压作用下反应生成的，NOx主

6、要以NO的形式出现，高温下，氧分子分解成氧原子，处于分子状态的氮与氧原子碰撞生成NO。汽油机尾气中的NO主要取决于温度和混合气浓度。在供给稀混合气时，NO随温度增加而迅速增多，在一定温度时，NO随混合气加浓而降低，即高温富氧易产生氮氧化合物。另外NO还与滞留时间有关，高温持续时间越长，NO生成时间越长，NO就越多。4GDI发动机的HC排放机理相比较一氧化碳和碳氢化合物的排放，点燃式发动机的HC排放机理是最复杂的。我们认为总的HC排放量主要发生在两个连续的阶段。首先是HC的来源：采取几个不同的措施防止一小部分

7、燃油窜入正在正常燃烧的汽缸，其次，未能完全燃烧的HC通过排气门进入排气管，它们在排气冲程都被排出汽缸。因此必然会在排气管中出现HC。-6-4.1GDI发动机HC的形成机理与传统的PFI发动机一样，不完整的火焰传播，墙壁淬火，缸壁裂缝和湿润等也是GDI发动机HC的主要来源。然而，GDI发动机特殊的燃烧系统与PFI发动机在燃烧系统方面有很大的不同。因此在HC形成方面存在一些不同。特别是汽缸壁的湿度方面。发动机启动时在进气行程注入燃料的过程中，发动机的活塞顶面和汽缸壁是湿润的。原因是因为发动机启动时发动机的活塞和

8、气缸套的温度很低，注入的大量燃料粘附在活塞顶以及气缸套表面，无法及时蒸发。而在膨胀做功行程过程中粘附在活塞顶及气缸套表面的燃油才开始蒸发，因此造成HC排放的增加。当发动机暖机结束后，对PFI发动机而言，因为流入发动机汽缸的气体经过加热，所以因为燃油造成的发动机活塞及气缸套表面湿润地方的液体会很快蒸发为气体，因此不会增加HC的排放量。但是对于GDI发动机，其空气混合物形成的时间极短，粘附在发动机气缸套上的燃油依然不