论汽车发动机空燃比对环境污染的影响

摘要：本文主要介绍了汽车发动机空燃比及其对环境污染的影响和相应采取的措施。

关键词：空燃比 催化剂 汽车尾气 污染

空燃比A/F（A：air-空气，F：fuel-燃料）表示空气和燃料的混合比，它是发动机运转时的一个重要参数，空燃比A/F＝空气流量率/燃料流量率,从汽油机的燃烧过程可知，燃料放热量的利用程度或指示热效率，取决于混合气的浓度(空燃比)，从而对发动机的性能指标、油耗和尾气排放产生影响。

1.1空燃比与发动机性能的关系

理论空燃比：即将燃料完全燃烧所需要的最少空气量和燃料量之比。燃料的组成成分对理论空燃比的影响不大，汽油的理论空燃比大体约为14.7：1，也就是说，燃烧1g汽油需要14.7g的空气。 一般常说的汽油机混合气过浓或过稀，其标准就是理论空燃比。

不同空燃比时，各种排放物的浓度变化特性是不同的。CO和HC 以理论空燃比为界，随混合气体变浓几乎呈现直线上升，而在稀混合气时，它们几乎为定值。NOx在比理论空燃比稍大的一侧显示最大值。

实际使用时，由于汽车发动机运行工况范围很大，因此对燃料混合气体浓度的配制和各缸的分配提出了十分苛刻的要求，发动机在可能的工况范围内，不仅要求在任一负荷（从空载到满负荷）和任一转速（从最低转速到最高转速）下工作稳定，而且要求适应公况（负荷及转速）的突然变化，空燃比与常见运行工况的关系：

起动工况：发动机在开始起动时的转速很低一般在50―100r/min此时的空气流量很低，在这种情况下，刚开始起动，机体的温度非常低，因此燃油与汽油混合也不均匀，油雾性差使实际进入汽缸的染油极少，所以此时应供给混合气体浓度(A/F) 一般在3―9之间。

怠速工况：怠速工况是指发动机在无负载的情况下以最低稳定转速运行的工况。在怠速工况下工作时，比起动工况已有很大好转，但由于速度很低、节气门开度很小，不仅汽油雾化不良，混合也不均匀，并且汽油进入气缸后被废气冲稀得很厉害，燃烧十分困难,在此工况下应供给混合气体浓度(A/F) 一般在9―12之间。

常用工况：常用工况是指中等负荷，当然也包括小型负荷和大型负荷工况。在常用工况下，随着节气门的逐渐增大，进入气缸的可燃新鲜混合气体的允气量逐渐增多，不仅汽油汽化良好，混合也较均匀，并且汽油进入气缸后的燃烧条件也大为改善。此工况要求发动机工作稳且消耗油量较低，所以此时应供给混合气体浓度(A/F) 一般是在小型负荷工况是为10.5―13.5，中型和大型负荷工况为13.5―16.5。

全负荷工况：当汽车需要克服较大的行驶阻力时，要求发动机提供最大的功率，，要求发动机有较好的动力性能而不是经济性能，所以空燃比应是功率空燃比，所以在此工况此时的气节门全开或接近全开下应供给混合气体浓度(A/F) 一般在12―13.5之间。

加速工况：发动机节气门突然开大，以及转速迅速提高。当节气门突然开大时，气流速度随之增高。若此时汽油供给跟不上，将造成可燃混合气瞬时过稀，不仅转速升不起来,甚至还可能熄火，所以在此工况下应供给混合气体浓度(A/F) 一般在10.5左右。

1.2空燃比控制的历史与发展

1886年德国人C.F. Benz发明了第一辆汽车，为人们的生活和工作、为社会带来了福音。但是，1943年和1954年美国洛杉矶就发生了两次典型的、因汽车尾气污染所造成的光化学烟雾事件。至20世纪70年代，汽车尾气污染物已成为城市大气主要的人工污染源。造成城市大气污染的主要物质有总悬浮颗粒TSP、二氧化硫SO2、氮氧化物NOx、臭氧O3、一氧化碳CO、重金属和有机污染物等。其中，因汽车排放形成的污染物包括CO、NOx、碳氢化合物HC、硫氧化物SOx、铅Pb和细微颗粒物等。这些污染物严重损害了人类的健康、破坏了人类赖以生存的自然环境。

直到20世纪80年代，大多数的汽车发动机都有一个汽化器来测量燃料量与空气量的比（A/F）使之保持在1：15附近。该装置它允许的F/A漂移量为20％。很多国家的废气污染法规制定后，F/A的这种不确定性是不能够接受的，20世纪70年代期间，很多厂家改进了汽化器的设计和制造工艺，使得F/A的漂移量只在3％－5％附近，但是汽化器仍然是开环装置，因为系统没有测量进入发动机的混合气体的F/A并将它反馈给汽化器。

为了满足各国不断严格的新的汽车排放法规的要求，有效的控制汽车污染，各国不断研制和开发了许多相关的技术。其中，在可控的空比燃条件下，在汽车排气尾管安装催化转化器被证明是最有效的控制汽车排放污染的方法。

汽车使用催化转化器是70年代中期开始的，进入80年代后NOX的排放控制法规更加严格，单凭尾气循环已不能满足NOx的控制要求，于是出现了Pt－Rh催化剂，可同时氧化HC和CO以及还原NOx，即所谓的三效催化剂。随着世界范围内三效催化剂的广泛使用，贵金属的价格不断高涨，敦促人们开发其他催化剂来降低Pt和Rh的含量，此外，钯抗铅和抗硫中毒的能力不如铂和铑，并且含钯催化剂要求更窄的空燃比操作窗口。改进催化剂的涂层技术，如Engelhard公司研制的TriMax三金属催化剂，可以在一定程度上部分克服上述缺点，但同时也增加了制备成本。近来，Engelhard公司和Allied-Signal公司又推出了全钯催化剂，此催化剂可耐更高的温度，但它对空燃比的要求更高，故尚未广泛的应用。

国外近30年的汽车尾气控制的经验表明，贵金属催化剂在其所要求的特定条件下，具有很好的净化HC、CO和NOx的三效催化转化的能力，但这需要更窄的空燃比操作窗口。

1.3 提高空燃比控制精度的意义

我国汽车拥有量及需求量增长迅速，但目前我国的排放法规对汽车尾气控制要求相对较宽松，汽车整体性能和路况又相对较差，因此，尽管汽车的总拥有量与发达国相比还较小，但汽车尾气主要污染物在大气污染物中的分担率却与发达国家相当。2001年11月10日，我国正式成为“世界贸易组织成员”，入世后，我国汽车拥有量和需求量将进一步增加，而入世对国内的环境质量要求将更为严格。为控制日趋严重的机动车尾气排放物污染问题，我国政府在1983年颁布实施了第一部全国性汽车排放标准。2001年1月1日，国家技术监督局又颁布实施了四项新的汽车排放国家标准，这些法律法规的颁布与实施，为机动车尾气污染治理提供了强有力的法律依据。另一方面，我国政府也加大了对汽车尾气污染治理产业与科研的投入力度。我国“十五”期间将启动“清洁汽车行动”和“清洁燃料行动”计划；“十五”“863计划”也将“机动车污染控制技术与设备”列为重点资助的专项项目之一。

在我国，汽车发动机空燃比控制技术的研究刚刚起步。蜂窝陶瓷载体的制备工艺以及催化剂的系列化学配方正在不断完善之中。对于冷起动排放问题、催化剂载体的制备工艺、催化剂的储氧能力以及稀薄燃烧催化剂的研究等问题尚未见大量系统的报导。这些无疑都是我国催化剂研究工作者应关注的问题。当然，汽车催化剂的研究是不可能一蹴而就的。汽车尾气的净化效率依赖于发动机的生产技术、燃油的品质以及更窄的空燃比操作窗口等。

随着电子技术集成电路的发展，微电脑技术飞速发展，汽车电子控制电脑也从模拟时代进入到了数字时代。 由于微机的运用，以及微机计算、储存、分析、学习等功能的发展，可进行复杂的逻辑、智能控制计算，对发动机运转速度和进气流量及其它工况的变化能作出敏捷的反应。为了获得最佳空燃比，汽油喷射渐渐成为主要的喷射方式，同时柴油喷射方式也得到了充足的发展。纵观现在的空燃比控制技术，已经集高科技、高精密度于一身，其所控制的废气排放，如CO、HC在用废气仪测量时达到了0.00数量级的水平，几近“零”排放。

为了把污染减少到最小程度（CO、HC和NOx）,必须对汽车尾气进行必要的处理，使汽车尾气的排放符合国家乃至世界标准。 我们期待着在研发和提高汽车的发动机空燃比控制技术后，我国的汽车尾气环境污染问题能够得到彻底改善。