3汽油机排放污染物机内及机外净化技术
3.1汽油机排放污染物机内净化技术及措施
机内净化是指改善可燃混合气的品质和燃烧状况，抑制有害气体的产生，降低排气中的有害成分。 3.1.1电控燃油喷射系统
（1）简介
目前电控系统主要采用两种控制模式：开环控制和闭环控制。开环控制是根据输入电制单元（ECU）的信息直接按控制特性的预定数值输出执行；闭环控制是ECU输出执行的结果反馈到ECU中重新判别、调整，反复多次后以最佳值输出。越来越多的汽车发动机采用闭环控制。
（2）电控燃油喷射系统的结构
汽油机降低排气污染和提高热效率的一个关键措施是精确控制混合气的空燃比。电控燃油喷射(EFI)系统以电控单元（ECU）为控制中心，利用各种传感器检测发动机的各种状态（运行参数），经计算机按预存的控制程序进行判断和计算，使发动机在各种不同工况下均能获得最佳空燃比的混合气。
典型闭环EFI系统燃油喷射系统的结构如图4-1所示，它以发动机的进气量和发动机的转速作为基本控制参数，再利用其他多种传感器采集到的发动机各种工况的参数进行修正，经控制单元ECU计算处理后，确定出实际所要的燃油喷射量，大大提高了喷油量的控制精度。
图4-1 典型闭环EFI系统燃油喷射系统
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（3）电控燃油喷射系统的工作原理
为了使发动机具有最佳的动力性和经济性，较好的排放性和行驶性，EFI系统应该适应发动机不同工况运行的要求，具有混合气矫正的功能。它通过各种附加传感器，将发动机温度、节气门位置等信息输入ECU，并由此计算得到校正后的喷油量。
（4）喷油控制对排放的影响
现代采用闭环控制的EFI系统的发动机，通过反馈控制，能精确地将过量空气系数控制在1附近，并配合使用三元催化转化装置，使排放污染物大幅度降低。 3.1.2电控点火系统
电控点火系统的控制主要包括点火提前角控制、点火闭合角控制、爆震控制等。 电控点火系统的点火提前角由ECU控制，程序运行时进行了很多修正，包括冷却液温度修正、加减速修正、启动触发信号修正、爆燃修正等，这样就能保证发动机在最佳点火时刻点火，从而使发动机的各种性能保持良好。它通过爆燃传感器，将点火提前角调整到发动机不致产生爆燃的范围。爆燃传感器是闭环控制的电控点火系统中重要的反馈信号来源。无分电器微型计算机控制点火系统组成如图4-3所示。
图4-3 无分电器微型计算机控制点火系统组成
电控点火系统主要通过控制点火提前角和火花的质量对排放产生影响。 3.1.3废气再循环系统
（1）简介
废气再循环（EGR）技术是将发动机排出的废气的一部分再送回进气管，和新鲜混合气混合后再次进入气缸参加燃烧的技术。它利用排气稀释工质，不仅可以降低泵吸和传热损失、提高热效率，还能使燃烧温度降低，减少NOX的排放量。同时，它与三效催化转化器结合能得到更好的排放效果。因而它是控制NOX排放的主要措施。
（2）EGR系统的工作原理
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EGR系统工作原理如图4-4所示，他将发动机排出的一部分废气重新引入发动机进气系统，与新气一起再进入气缸燃烧。
图4-4 EGR系统工作原理
NOX是在高温和富氧条件下N2和O2发生化学反应的产物。燃烧温度和氧浓度越高，持续时间越长，NOX的生成物也越多。废气中氧含量很低，主要由惰性气体N2和CO2构成，一部分废气由EGR阀流入进气道与新气混合，稀释了新气当中的氧浓度，导致燃烧速率降低；同时废气中的主要成分为三原子气体，这会提高新气的比热容，这两种原因都使燃烧温度降低，可以有效抑制NOX的生成。另外，加热这种掺入废气的混合气所需要的热量较大，在燃料燃烧放出的热量不变的情况下，最高燃烧温度可以降低，也会抑制NOX的生成，降低NOX的排放。
（3）EGR系统的控制策略
废气混入的多少用EGR率表示，定义式为
EGR率?EGR气体流量?100%
吸入的空气量?EGR气体流量随着EGR率的增加，燃烧速率下降，燃油经济性恶化，转矩下降。EGR率过大时，燃烧速率太慢，燃烧开始不稳定，失火率增加，HC排放上升；EGR率过小，NOX排放达不到要求，易产生爆燃和发动机过热等。因此，必须对EGR率进行适当控制，使之在各种不同工况下，得到各种性能的最佳折中，实现污染排放物的控制目标。
对EGR系统的控制要求如下：
怠速、小负荷、暖机前期的冷机过程时，NOX排放浓度低，为防止破坏燃烧稳定性，保证正常燃烧，不进行EGR。
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在微加速或低速巡航控制期间，使用小EGR率，既减少NOX的排放量，也可保持较好的发动机驱动性能。
中等负荷时，采用大EGR率，可大大减少NOX的排放量。并且随负荷的增加，EGR率还可适当增加。
大负荷、高速工况，为保证发动机的动力性，通常不进行EGR或减少EGR率。 为了得到EGR的最佳效果，应保证各缸的EGR率一致。
EGR率对NOX排放的影响还受到空燃比和点火提前角等因素的影响，在对EGR率控制时，应同时对点火定时等进行综合控制，才能达到理想的控制效果。
（4）EGR 率对汽油机排放与性能的影响
图4-5 NO化物随EGR率和空燃比的变化趋势
随EGR率的增加，NOX排放量迅速下降，如图4-5所示。由于这是靠降低燃烧速度和燃烧温度得到的，因而会导致全负荷时最大功率下降；中等负荷时的燃油消耗率增大，HC排放上升；小负荷特别是怠速时燃烧不稳定甚至失火。为此，一般在汽油机大负荷、起动及暖机、怠速和小负荷时不使用EGR，而其他工况时的EGR率一般不超过20%，由此可降低NOX排放量50%～70%。
为了精确地控制EGR率，最好采用电子控制EGR阀系统。为了增强降低NOX的效果，可采用中冷EGR。为了消除EGR对动力性和经济性的影响，往往同时采用一些快速燃烧和稳定燃烧的措施，通过采用进气涡流和双火花塞点火，使用EGR时的燃油消耗率不仅没有恶化反而有所改善。
（5）内部EGR
与外部回流EGR相对应，通过配气相位重叠角实现不充分排气以增大滞留于缸内
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的废气量，这种方法被称为内部EGR。废气量取决于重叠角的大小，这样发动机不需要进行大的改进。但内部EGR率的控制比较困难，而且对新鲜混合气的加热作用较强，除影响进气充量外，还会造成压缩终点温度和燃烧温度的提高，导致降低NOX排放的效果变小。这种方法适用于高比功率发动机，因为此机型有较好的充气性，气门重叠角也较大，因此，NOX的排放量会相对较低。但是，过大的重叠角仍然会使发动机燃烧不稳定、失火和HC排放量增加。 3.1.4稀薄燃烧
稀薄燃烧就是发动机空燃比相对理论空燃比比14.7︰1更大，在稀薄燃烧发动机中，其空燃比要大于18.
稀薄燃烧的最大特点，就是燃烧效率高、经济、环保，同时还可以提升发动机的功率输出。因为在稀薄燃烧的条件下，由于混合气点火比理论空燃比条件下困难，爆燃也就更不容易发生，因此可以采用更高的压缩比设计，提高热能转换效率，再加上汽油能在过量的空气里充分燃烧，混合气较稀时绝热指数K反而增大。从理论上讲，混合气越稀，K值越大，热效率也越大。随着空燃比的增加，由于采用稀的混合气使燃烧温度降低，NOX的排放量明显降低，同时燃烧产物中的氧成分有利于HC和CO的氧化，因此，HC和CO的排放也减少，同时还可避免不稳定燃烧甚至失火。
然而，随着空燃比增加到一定程度，由于燃烧速度的降低，可能会使燃烧不完全，HC的排放会迅速增加，而在分层稀薄燃烧到均质理论空燃比燃烧过程中，空燃比连续变化。因此，三效催化转化器不能够净化排放气体中的NOX。所以要实现稀薄燃烧，避免上面所说的不利后果，主要的方式就是通过提高火焰传播速度，提高燃烧速度并通过控制排气温度发挥三效催化转化器的效能，最终实现合理的稀薄燃烧。
由此采取的关键措施主要有： 提高压缩比； 分层燃烧技术；
高能点火和宽间隙火花塞； 可变涡流控制系统；
采用高精度空燃比控制系统及缸内喷注方式； 增大EGR阀的废气再循环量。
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