汽油机缸内直喷 [现代缸内直喷式汽油机(七)]

　　(接上期) 　　2.5.2.分层燃烧直喷式汽油机的排气后处理 　　缸内直喷式汽油机分层燃烧运行时具有很大的节油潜力，是降低燃油耗最有效的措施，同时还具有良好的瞬态特性和全负荷性能，但是要充分挖掘其节油潜力，在很大程度上受到废气排放的制约。
　　
　　迄今为止，汽油机的颗粒排放与柴油机相比可忽略不计，但是随着汽油直接喷射的应用，这一情况要重新加以认识。原则上，直喷式汽油机特别是在分层燃烧时，在极其不均匀的混合汽中会有局部过浓的区域，可能生成颗粒。但是，现代批量生产的汽车在转鼓试验台上进行的颗粒排放测量结果(图51)表明，直喷式汽油机的颗粒质量排放虽然明显高于进气道喷射汽油机，但还是远远低于现代柴油机的限值。就颗粒质量排放而言，现代批量生产的直喷式汽油机已经能够满足未来更为严格的排放标准限值，如美国超低排放汽车(ULEV)标准的限值(0.01g/mile)。
　　缸内直喷式汽油机由于混合汽形成时间较短，特别是采用壁面引导时燃油会碰壁，从而使HC排放显著增加(见上期图46)。在分层稀燃运行时氧过剩的情况下，为HC和CO的氧化净化创造了有利的条件，但正如上所述，与柴油机的排放相似。富氧废气后处理的最大挑战在于NOx的还原净化反应因缺乏还原剂(CO、HC或H2)而无法进行，因此分层稀燃直喷式汽油机的排气净化问题最重要的关键是减少NOx排放量。图52表示缸内分层稀燃直喷式汽油机达到欧4排放标准所要求的NOx转化净化率必须大于95％，才能达到与进气道喷射汽油机那样的NOx排放水平。其NOx的净化任务可分别由机内净化降低NOx的原始排放和机外排气后处理来分担。由于直喷式汽油机在分层稀燃时空气富余，为采用高EGR率降低NOx原始排放创造了有利条件，因而就可使原始排气中的N0x含量降低约50～70％。但为了达到废气排放标准还必须附加一个NOx后处理装置。分层稀燃直喷式汽油机可选用的NOx后处理装置有两种：即NOx连续催化转化器(如三菱公司)和NOx吸附催化转化器。但是，从图53所示出的这两种催化转化器所能达到的NOx转化净化率的对比可以清楚地看出。只有最新型的NOx吸附催化转化器才能达到上述所要求的NOx转化净化率水平。
　　
　　图54示出了NOx吸附催化转化器的基本工作原理。其载体用碱土金属(例如钡、钾等)作为活性吸附存储材料，而用贵金属铂(Pt)和铑(Rh)作为活性催化剂。在稀混合汽状态下，废气中的NO在贵金属铂(Pt)的催化作用下被氧化成NO2，这样所有的NOx都以NO2的形式出现，并与碱土金属化合成硝酸盐的形式被可逆性地吸附到NOx存储材料上，而排气中的HC和CO被直接氧化净化成H2O和CO2排出。在存储材料吸附的NOx达到极限量以前，应采取一定的方式将吸附器中吸附的NOx还原。以腾空吸附器中的吸附容积。供下一个吸附周期之用。此时，电控系统会使汽油机短暂地进入浓混合汽状态运转，使排气中产生足够的还原剂(HC、CO和H2等)，并在贵金属铑(Rh)的催化作用下与从硝酸盐中析出的NO2反应还原成N2，这个过程称之为NOx吸附催化转化器的再生过程。通常，分层稀燃直喷式汽油机NOx吸附催化转化器的再生过程的时间间隔约为每运转1min需要再生2s，如图55所示。这种不连续的周期性运行模式对发动机电控，系统提出了更高的要求。图56为分层稀燃直喷式汽油机电控系统控制N0x吸附催化转化器再生过程的实例。从图中可以看出，在整个再生过程中，司机踩油门的位置并没有变化，发动机的负荷状态也没有变化，但是受电控系统控制的电子节气门，在进入再生过程时加大了关闭程度。使过量空气系数从1.6降低到0.7左右，点火定时也相应地从上止点前45°减小到30°，而这一切都是在司机毫无察觉的情况下非常平顺地完成的，由此对分层稀燃直喷式汽油机电控系统的匹配要求之高可见一斑。
　　图57示出了分层稀燃直喷式汽油机废气后处理系统布置的示意图。通常，为了改善冷启动期间HC的转化净化，在NOx吸附催化转化器之前应用一个氧化催化转化器，称之为前置催化转化器，并为改善其起燃性能。与发动机排气管直接紧密耦联，这样NOx吸附催化转化器就能布置在汽车地板下，避免过热，从而能提高其承担NOx吸附存储和催化还原的活性材料的耐久性。位于前置催化器后面的温度传感器用于测量废气和催化器的温度，而位于在NOx吸附催化转化器之后的NOx传感器用于监控催化器和调节废气净化。借助于NOx传感器就能够直接监测NOx的吸附存储过程，当NOx的吸附存储量达到饱和状态时才按需要开始进行NOx的再生，使得在每个稀薄一加浓循环中，NOx的再生总是与原始排放的波动和催化器的吸附催化活性老化程度相匹配，既提高了NOx的催化转化效率，又能减少再生频率降低燃油耗。
　　
　　NOx吸附催化转化器在批量生产中的应用，不仅要注意在新状态下的催化转化率，还要考虑其长期运行的性能稳定性。后者主要取决于催化剂的高温稳定性及其对燃油中硫的容忍度。通常，NOx吸附催化转化器的正常工作温度在250～450℃之间。如果废气温度高于750％，运行较短的时间后就会对NOx的吸附存储和催化还原的活性能力造成严重的损害。图53中示出了某种NOx吸附催化转化器在承受高温(750～850％)排气冲刷一段时间后NOx转化率的下降情况。除了耐高温之外，NOx吸附催化转化器的耐久性很大程度上取决于其抗硫能力。由于硫具有与氮相似的化学性质，因此燃油中含有的硫会与碱土金属化合成硫酸盐的形式被吸附到NOx存储材料上，占据其活性位置，并逐渐把它们堵 塞。虽然存储在NOx吸附催化转化器中的硫，在温度超过650℃且混合汽较浓即排气中无氧的情况下，会在很大程度上被去除而随排气流出(称之为脱硫作用)，但这要求发动机大负荷运行以提高排气温度，例如在高速公路上行驶往往能自动达到，但是从图58所示出的，在大多数情况下，特别是市内行驶条件下，还是需要通过发动机的电控系统采取附加的加热措施，例如控制点火定时、控制过量空气系数、控制配气定时以及控制喷油时刻和数量等来大大提高排气温度。但是，采取这些加热措施后，免不了会在短期内使燃油耗增加。只有当燃油的含硫量低于10ppm(称之为无硫燃油)时，NOx吸附催化转化器的硫化很缓慢，才可以不用专门的脱硫对策。但是。能普遍供应这种无硫燃油的国家和地区(如挪威、日本等)并不广泛，这就是目前κ=1的均质燃烧直喷式汽油机应用较多的主要原因。
　　
　　图59示出了某种分层稀燃直喷式汽油机采用的对NOx吸附催化转化器最有利的排气系统布置方案。发动机排气管按汽缸点火相位均匀地分成两组做成Y形，发动机的排气分成两支流入前置催化转化器，然后再合并成一支。前置催化转化器靠近发动机布置，而NOx吸附催化转化器则布置在汽车地板下面。前置催化转化器前有一个常规的氧传感器，其后为温度传感器。靠近发动机布置的前置催化转化器在发动机冷启动后通过两次喷油能很快起燃，然后发动机在化学计量比混合汽下运行。只有在NOx吸附催化转化器起燃后才开始以稀混合汽运行。前置催化转化器的尺寸要足以确保发动机以化学计量比混合汽运行，直到中高负荷都能充分净化发动机的排放物。这种Y形布置的排气系统除了具有良好的全负荷性能外，对于NOx吸附催化转化器还有可能实现有利的加热对策。当发动机用化学计量比混合汽运行时，可把两组汽缸轮流地分别微调到略稀和略浓的混合汽，而总管内仍保持为化学计量比。用这种方法可以在NOx吸附催化转化器中产生较多的热量，以便更快速有效地将其加热。与常规的加热方法相反，它不加热NOx吸附催化转化器前的整个排气系统，而是对需要热量的NOx吸附催化转化器直接加热。同时。半数汽缸轮流微调空燃比的方法，在脱硫时可以产生必要的高温，而且在特定的运行状态下可用来防止NOx吸附催化转化器的冷却。(未完待续)