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現(xiàn)這一目標的有效手段，也是缸內(nèi)直噴技術(shù)的本質(zhì)和特點，但分層燃燒技術(shù)并不完善，尤其是面對如今嚴格的排放法規(guī)，它不得不面對被埋在雪中的局面。

直噴汽油機采用與柴油機相似的供油技術(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，然后由計算機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)別在于燃油噴射進缸的方式，但這種看似簡單的改變卻能更準確、更直接地控制燃油噴射時間、噴射角度和混合氣形成。

根據(jù)直噴汽油機的原理和特點，理論上可以實現(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。我們將實際空燃油比與理論空燃油比的比值定義為λ，λ=1，即實際空燃油比與理論空燃油比一致，此時汽油燃燒最完全。當λ >: 1時，表示空氣體比較大，此時混合氣偏稀；λ& lt；1、表示燃油相對較多，此時混合氣較濃。一般來說，汽油機混合氣的濃度接近理論的空燃油比。要理解這個概念，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)。只有這樣才能認為是下一次分層燃燒的準備。那么這種不均勻的混合氣體是如何形成的呢？

為了實現(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。當發(fā)動機進氣沖程活塞下降時，發(fā)動機計算機會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，空燃油比λ >: 1 .另一方面，在壓縮沖程中，當活塞上升時，將進行第二次燃料噴射，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到同樣的燃燒效果，使發(fā)動機的油耗更低。同時，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于一個隔熱棉，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)動機的整體熱效率。

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

但是分層燃燒模式并不適合發(fā)動機的任何工況，分層燃燒只能在平緩的行駛模式下實現(xiàn)，需要動力性能時，需要切換到均質(zhì)燃燒模式。在該模式下，在進氣沖程中僅執(zhí)行一次燃料噴射，從而在點火之前，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)動機的工作環(huán)境。由于缸內(nèi)直噴發(fā)動機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)計之初就能降低發(fā)動機爆震的傾向，適當提高發(fā)動機的壓縮比，所以缸內(nèi)直噴發(fā)動機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，此時混合氣中所含的氮氧會發(fā)生化學反應(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。

這個時候，有人會想，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。之所以稱之為三元催化轉(zhuǎn)化器，是因為其活性成分可以同時凈化HC、CO和氮氧化物，生成無害的二氧化碳、氮氣和水，但非常重要的是，只有當混合氣的空燃料比接近理論的空燃料比并達到正常工作溫度時。

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)化為氮氣的速度遠遠落后于燃燒產(chǎn)生氮氧化物的速度。為了解決這個問題，工程師們開發(fā)了一種氮氧化物儲存催化轉(zhuǎn)化器，用于暫時儲存氮氧化物，然后在適當?shù)臅r候?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為氮氣。

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)化為氮氣。但是這種NOx儲存轉(zhuǎn)化器有一個天敵，那就是汽油中的硫會產(chǎn)生更多的硫化物，導(dǎo)致油耗增加，同時會大大降低其轉(zhuǎn)化效率，增加排放。

從上圖可以看出，分層燃燒技術(shù)的實現(xiàn)離不開低硫汽油，這就需要各國對煉油設(shè)備進行改造，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，增加的NOx催化轉(zhuǎn)化器也會影響空車之間的布局，會導(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，這個系統(tǒng)就是將燃燒后排出的一部分廢氣引入進氣系統(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，很容易產(chǎn)生氮氧化物，因此適當降低燃燒室溫度是減少氮氧化物的好方法。有人可能會說，將高溫廢氣引入燃燒室不會提高燃燒室的溫度？事實上，廢氣在被引入燃燒室之前會被冷卻，進入燃燒室的廢氣占據(jù)了一部分混合氣體的空，最終會導(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，尤其是面對如今嚴格的排放法規(guī)，如果沒有更好的方法，我們只會面臨“下課”。當然，沒有分層燃燒技術(shù)的缸內(nèi)直噴發(fā)動機還是有很多優(yōu)點的。比如可以適應(yīng)高壓縮比的發(fā)動機，從而提高發(fā)動機的工作效率，更準確直接地控制燃油噴射，讓每一滴燃油都能物盡其用。