排放難以解決 談為何取消分層燃燒技術(shù)

分層燃燒技術(shù)

缸內(nèi)直噴技術(shù)最早是三菱在1996年量產(chǎn)的，但正是奧迪的FSI讓中國人開始認(rèn)可并逐漸推廣。可以說，節(jié)油是缸內(nèi)直噴技術(shù)最初的研發(fā)意圖，而分層燃燒恰恰是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效手段，也是缸內(nèi)直噴技術(shù)的本質(zhì)和特點(diǎn)，但分層燃燒技術(shù)并不完善，尤其是面對如今嚴(yán)格的排放法規(guī)，它不得不面對被埋在雪中的局面。

直噴汽油機(jī)采用與柴油機(jī)相似的供油技術(shù)。高壓油泵以100巴以上的壓力向位于氣缸內(nèi)的噴油器供油，然后由計(jì)算機(jī)控制噴油器直接將燃油噴入氣缸。從表面上看，缸內(nèi)直噴和普通歧管噴射最大的區(qū)別在于燃油噴射進(jìn)缸的方式，但這種看似簡單的改變卻能更準(zhǔn)確、更直接地控制燃油噴射時(shí)間、噴射角度和混合氣形成。

根據(jù)直噴汽油機(jī)的原理和特點(diǎn)，理論上可以實(shí)現(xiàn)分層燃燒和均質(zhì)燃燒兩種不同的燃燒方式。

首先需要引入一個(gè)空燃料比的概念，空燃料比，即空氣體與燃料的質(zhì)量比，其理想比例為14.7:1，即一公斤汽油需要完全消耗掉14.7公斤空氣體。我們將實(shí)際空燃油比與理論空燃油比的比值定義為λ，λ=1，即實(shí)際空燃油比與理論空燃油比一致，此時(shí)汽油燃燒最完全。當(dāng)λ >: 1時(shí)，表示空氣體比較大，此時(shí)混合氣偏稀；λ& lt；1、表示燃油相對較多，此時(shí)混合氣較濃。一般來說，汽油機(jī)混合氣的濃度接近理論的空燃油比。要理解這個(gè)概念，有必要了解以下內(nèi)容。

“第一次噴射應(yīng)該首先充分混合”和“第二次噴射應(yīng)該形成具有豐富混合物的區(qū)域”

缸內(nèi)分層燃燒技術(shù)形成的混合氣濃度不均勻。混合物在靠近火花塞的內(nèi)層空較厚，在遠(yuǎn)離火花塞的外層空較薄。這樣，混合氣體形成從內(nèi)到外、從富到貧的狀態(tài)。只有這樣才能認(rèn)為是下一次分層燃燒的準(zhǔn)備。那么這種不均勻的混合氣體是如何形成的呢？

為了實(shí)現(xiàn)這種狀態(tài)的空氣燃料混合，缸內(nèi)直噴技術(shù)是必不可少的。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣沖程活塞下降時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算機(jī)會(huì)控制噴油器先噴射少量燃油，從而在氣缸內(nèi)形成稀混合氣。此時(shí)，空燃油比λ >: 1 .另一方面，在壓縮沖程中，當(dāng)活塞上升時(shí)，將進(jìn)行第二次燃料噴射，并且利用活塞頂部的特殊結(jié)構(gòu)或燃料噴射器的噴射角度，可以用更少的燃油達(dá)到同樣的燃燒效果，使發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗更低。同時(shí)，在分層燃燒狀態(tài)下，只有靠近火花塞的區(qū)域燃燒，最外層極薄的空燃混合氣相當(dāng)于一個(gè)隔熱棉，可以最大限度地減少通過氣缸壁傳導(dǎo)損失的熱量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的整體熱效率。

兩種不同燃燒方式的對比條件噴油時(shí)間空燃比分層燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)小負(fù)荷、低轉(zhuǎn)速情況下進(jìn)氣和壓縮行程分別進(jìn)行噴射或者只在壓縮行程進(jìn)行噴射λ=1.6~3均質(zhì)燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)大負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速情況下進(jìn)氣行程λ=1

但是分層燃燒模式并不適合發(fā)動(dòng)機(jī)的任何工況，分層燃燒只能在平緩的行駛模式下實(shí)現(xiàn)，需要?jiǎng)恿π阅軙r(shí)，需要切換到均質(zhì)燃燒模式。在該模式下，在進(jìn)氣沖程中僅執(zhí)行一次燃料噴射，從而在點(diǎn)火之前，在氣缸中形成的空氣燃料混合物的濃度是均勻的，并且空燃燒比λ≈1。此外，分層燃燒技術(shù)存在目前難以全面解決的NOx排放問題，這也是該技術(shù)在歐洲被逐步淘汰的根本原因。

氮氧化物排放問題

說到分層燃燒技術(shù)的排放，我們不得不說說缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境。由于缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓燃料是以霧化的形式直接噴入氣缸的，它能有效地吸熱冷卻吸入的空氣體，在設(shè)計(jì)之初就能降低發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的傾向，適當(dāng)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，所以缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室始終處于高溫高壓的工作環(huán)境中。

在分層燃燒中，由于是稀薄燃燒模式，即混合氣在富氧條件下燃燒，此時(shí)混合氣中所含的氮氧會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，燃燒溫度越高，氮氧越容易發(fā)生反應(yīng)，排出的氮氧化物就越多。

這個(gè)時(shí)候，有人會(huì)想，三元催化轉(zhuǎn)化器不能把氮氧化物轉(zhuǎn)化成無毒無害的氣體嗎？先來看看傳統(tǒng)三元催化轉(zhuǎn)化器的工作原理和特點(diǎn)。之所以稱之為三元催化轉(zhuǎn)化器，是因?yàn)槠浠钚猿煞挚梢酝瑫r(shí)凈化HC、CO和氮氧化物，生成無害的二氧化碳、氮?dú)夂退浅Ｖ匾氖牵挥挟?dāng)混合氣的空燃料比接近理論的空燃料比并達(dá)到正常工作溫度時(shí)。

對于分層燃燒模式，傳統(tǒng)三元催化轉(zhuǎn)化器將氮氧化物轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾乃俣冗h(yuǎn)遠(yuǎn)落后于燃燒產(chǎn)生氮氧化物的速度。為了解決這個(gè)問題，工程師們開發(fā)了一種氮氧化物儲存催化轉(zhuǎn)化器，用于暫時(shí)儲存氮氧化物，然后在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為氮?dú)狻?/P>

這種氮氧化物儲存轉(zhuǎn)化器通常布置在傳統(tǒng)三元催化轉(zhuǎn)化器的后面。該轉(zhuǎn)化器內(nèi)部有一層金屬涂層，可以有效地將大量殘留的氮氧化物轉(zhuǎn)化為氮?dú)狻５沁@種NOx儲存轉(zhuǎn)化器有一個(gè)天敵，那就是汽油中的硫會(huì)產(chǎn)生更多的硫化物，導(dǎo)致油耗增加，同時(shí)會(huì)大大降低其轉(zhuǎn)化效率，增加排放。

從上圖可以看出，分層燃燒技術(shù)的實(shí)現(xiàn)離不開低硫汽油，這就需要各國對煉油設(shè)備進(jìn)行改造，提高燃料質(zhì)量，這也是我國公眾取消分層燃燒技術(shù)的原因之一。同時(shí)，增加的NOx催化轉(zhuǎn)化器也會(huì)影響空車之間的布局，會(huì)導(dǎo)致車輛成本的增加。

除了增加氮氧化物儲存轉(zhuǎn)換器，還有一個(gè)系統(tǒng)可以減少氮氧化物的產(chǎn)生。這是廢氣再循環(huán)技術(shù)。簡單來說，這個(gè)系統(tǒng)就是將燃燒后排出的一部分廢氣引入進(jìn)氣系統(tǒng)，使其能夠與新鮮空氣混合物一起參與燃燒，從而達(dá)到減少氮氧化物排放的目的。

如前所述，在高溫富氧條件下燃燒時(shí)，很容易產(chǎn)生氮氧化物，因此適當(dāng)降低燃燒室溫度是減少氮氧化物的好方法。有人可能會(huì)說，將高溫廢氣引入燃燒室不會(huì)提高燃燒室的溫度？事實(shí)上，廢氣在被引入燃燒室之前會(huì)被冷卻，進(jìn)入燃燒室的廢氣占據(jù)了一部分混合氣體的空，最終會(huì)導(dǎo)致參與燃燒的混合氣體較少，從而產(chǎn)生的熱量相對較少，最終達(dá)到降低燃燒室溫度的目的。然而，這種方法仍然不能大大減少分層燃燒后氮氧化物的產(chǎn)生。

全文摘要:

分層燃燒技術(shù)雖然可以降低油耗，但要解決NOx排放問題并不容易，尤其是面對如今嚴(yán)格的排放法規(guī)，如果沒有更好的方法，我們只會(huì)面臨“下課”。當(dāng)然，沒有分層燃燒技術(shù)的缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)還是有很多優(yōu)點(diǎn)的。比如可以適應(yīng)高壓縮比的發(fā)動(dòng)機(jī)，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，更準(zhǔn)確直接地控制燃油噴射，讓每一滴燃油都能物盡其用。