發(fā)動機排放污染物的影響因素

1、發(fā)動機排放污染物的生成機理和影響因素主要內(nèi)容：介紹了汽車尾氣中的主要污染物CO、HC、NOx和微粒的生成機理及其影響因素。1 一氧化碳1 .1汽車尾氣中CO的產(chǎn)生是由于燃油在氣缸中燃燒不充分所致，是氧氣不足而生成的中間產(chǎn)物。影響一氧化碳生成的因素理論上當(dāng)口在14.7以上時，排氣中不存在CO,而只生成CO2。實際上由于燃油和空氣混合不均勻，在排氣中還含有少量CO。即使混合氣混合的很均勻，由于燃燒后的溫度很高，已經(jīng)生成的CO2也會由于一小部分分解成CO和O2,H2O也會部分分解成O2和H2,生成的”也會使CO2還原成CO,所以，排氣中總會有少量CO存在?？梢姡彩怯绊懣杖急鹊囊蛩?，即為影響CO生成

2、的因素。2 .進氣溫度的影響一般情況下，冬天氣溫可達零下20c以下，夏天在30c以上，爬坡時發(fā)動機罩內(nèi)進氣溫度超過80Co隨著環(huán)境溫度的上升，空氣密度變小，而汽油的密度幾乎不變，化油器供給的混合氣的空燃比u隨吸入空氣溫度的上升而變濃，排出的CO將增加。因此，冬天和夏天發(fā)動機排放情況有很大的不同。圖2-3為一定運轉(zhuǎn)條件下，進氣溫度與空燃比的關(guān)系，大致和絕對溫度的方根成反比的理論相一致。進氣溫度/C海拔高度/m怠速轉(zhuǎn)速/(r/min)圖2-3進氣溫度與空燃比的關(guān)系圖2-4海拔高度與大氣壓力的關(guān)系圖2-5怠速轉(zhuǎn)速對CO和HC排放的影響6V.km/hV/(km/h)圖2-6某汽油機等速工況排氣成分實測

3、結(jié)果3 .大氣壓力的影響大氣壓力P隨海拔高度而變化，由經(jīng)驗公式(2-4)5.256P=Po1-0.02257hkPa式中：h一海拔高度，km。當(dāng)海平面Po=iookPa時，可作出海拔高度和大氣壓力變化關(guān)系的曲線，如圖2-4所示。當(dāng)忽略空氣中飽和水蒸氣壓時，空氣密度P可用下式表示:(2-5)273P3:-=1.293kg/m273T760式中：T溫度，C?？梢哉J為空氣密度P和大氣壓力P成正比，從簡單化油器理論可知，空燃比和空氣密度的平方根成正比，所以進氣管壓力降低時，空氣密度下降，則空燃比下降，CO排放量將增大。4 .進氣管真空度的影響當(dāng)汽車急劇減速時，發(fā)動機真空度在68kPa以上時，停留在進氣

4、系統(tǒng)中的燃料，在高真空度下急劇蒸發(fā)而進入燃燒室，造成混和氣瞬時過濃，致使燃燒狀況惡化。CO濃度將顯著增加到怠速時的濃度。5 .怠速轉(zhuǎn)速的影響圖2-5表示了怠速轉(zhuǎn)速和排氣中CO、HC濃度的關(guān)系。怠速轉(zhuǎn)速為600r/min時，CO濃度為1.4%,700r/min時，降為1%左右，這說明提高怠速轉(zhuǎn)速，可有效地降低排氣中CO濃度，但是，怠速過高會加大挺桿響聲，對液力變扭汽車，還可能發(fā)生溜車的危險。如果這些問題得到解決，一般從凈化的觀點，希望怠速轉(zhuǎn)速規(guī)定高一點較好。6 .發(fā)動機工況的影響發(fā)動機負荷一定時，CO的排放量隨轉(zhuǎn)速增加而降低，到一定的車速后，變化不大。圖2-6為某汽油機負荷一定、勻速工況下的CO

5、濃度的變化。當(dāng)車速增加時，CO很快降低，至中速后變化不大，這是由于化油器供給發(fā)動機的空燃比，隨流量增加接近于理論空燃比的結(jié)果。2碳氫化合物車用柴油機中的未燃HC都是在缸內(nèi)的燃燒過程中產(chǎn)生并隨排氣排放。汽油發(fā)動機中未燃HC的生成與排放主要有以下三種途徑。(1)在氣缸內(nèi)的燃燒過程中產(chǎn)生并隨廢氣排出，此部分HC主要是燃燒過程中未燃燒或燃燒不完全的碳氫燃料。(2)從燃燒室通過活塞組與氣缸之間的間隙漏入曲軸箱的竄氣中含有大量未燃燃料，如果排入大氣中也構(gòu)成HC排放物。(3)從汽油機的燃油系統(tǒng)蒸發(fā)的燃油蒸汽。影響碳氫化合物生成的因素未燃HC排放主要是由于缸內(nèi)混合氣過濃、過稀或局部混合不均引起燃燒不完全而導(dǎo)致

6、的，造成燃燒不完全的因素大致有混合氣的質(zhì)量、發(fā)動機的運行條件、燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)及點火與配氣正時等。1 .混合氣質(zhì)量的影響混合氣質(zhì)量的優(yōu)劣主要體現(xiàn)在燃油的霧化蒸發(fā)程度、混合氣的均勻性、空燃比和缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)的大小等方面?；旌蠚獾木鶆蛐栽讲顒tHC排放越多。當(dāng)空燃比略大于理論空燃比時，HC有最小值；混合氣過濃或過稀均會發(fā)生不完全燃燒，廢氣相對過多則會使火焰中心的形成與火焰的傳播受阻甚至出現(xiàn)斷火，致使HC排放量增加。2 .運行條件的影響3 )汽油機運行條件的影響(1)負荷的影響：發(fā)動機試驗結(jié)果表明：當(dāng)空燃比和轉(zhuǎn)速保持不變，并按最大功率調(diào)節(jié)點火時刻時，改變發(fā)動機負荷，對HC的相對排放濃度幾乎沒有影響。但

7、當(dāng)負荷增加時，HC排放量絕對值將隨廢氣流量變大而幾乎呈線性增加。(2)轉(zhuǎn)速的影響：發(fā)動機轉(zhuǎn)速對HC排放濃度的影響則非常明顯。轉(zhuǎn)速較高時，HC排放濃度明顯下降，這是由于氣缸內(nèi)混合氣的擾流混合、渦流擴散及排氣擾流、混合程度的增大改善了氣缸內(nèi)的燃燒過程、促進了激冷層的后氧化，后者則促進了排氣管內(nèi)的氧化反應(yīng)。(3)點火時刻的影響：點火時刻對HC排放濃度的影響體現(xiàn)在點火提前角上。點火延遲(點火提前角減小)可使HC排放下降，這是由于點火延遲使混合氣燃燒時的激冷壁面面積減小，同時使排氣溫度增高，促進了HC在排氣管內(nèi)的氧化。但采用推遲點火，靠犧牲燃油經(jīng)濟性來降低HC排放是得不償失的。因此，點火延遲要適當(dāng)。(4

8、)壁溫的影響：燃燒室的壁溫直接影響了激冷層厚度和HC的排氣后反應(yīng)。據(jù)研究，壁面溫度每升高1C,HC排放濃度相應(yīng)降低0.63M0-61.04M0-6。因此提高冷卻介質(zhì)溫度有利于減弱壁面激冷效應(yīng)，降低HC排放。(5)燃燒室面容比的影響：燃燒室面容比大，單位容積的激冷面積也隨之增大，激冷層中的未燃燒總量必然也增大。因此，降低燃燒室面容比是降低汽油機HC排放的一項重要措施。2)柴油機運行條件的影響(1)噴油時刻的影響：柴油機噴油時刻(噴油提前角)決定了氣缸內(nèi)的溫度。噴油提前角。增大，缸內(nèi)溫度較高，使HC排放量下降。在一臺自然吸氣式直噴柴油機上進行的試驗證實：在13工況下，當(dāng)。偏離最佳值時，缸內(nèi)溫度及反

9、應(yīng)區(qū)的氣體環(huán)境均發(fā)生變化。平均減小1°CA,HC的體積分?jǐn)?shù)平均增加8.97%;。平均增加1°CA,HC平均下降1.97%。(2)噴油嘴噴孔面積的影響：當(dāng)循環(huán)噴油量及噴油壓力不變時，改變噴孔面積不僅改變了噴油時間的長短，并且同時改變了油霧顆粒大小和射程的遠近，即影響油氣混合的質(zhì)量，必將導(dǎo)致HC排放量的變化。有試3結(jié)果證實：在13工況下，以噴孔直徑為0.23mm的四孔噴油嘴的噴孔面積為參考基礎(chǔ)，當(dāng)面積減小1%時，HC的體積分?jǐn)?shù)相應(yīng)減小1.23%;當(dāng)面積增加1%時，HC的體積分?jǐn)?shù)相應(yīng)增大7.71%。這說明噴孔面積加大時，霧化和混合質(zhì)量變差，HC排放量增加幅度較大；反之，燃燒得到改

10、善，但HC排放量降低幅度較小。(3)冷卻水進水溫度的影響：冷卻水溫相對降低，將導(dǎo)致氣缸內(nèi)溫度降低，HC排放量會相對增加。試驗證明：以冷卻水進水溫度75c為比較標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)進水溫度下降到65c時，13工況下的HC體積分?jǐn)?shù)平均增加37.21%。(4)進氣密度的影響：進入柴油機的空氣密度降低，使缸內(nèi)空氣量減少，燃燒不完善，HC排放量一般會增加。試驗證明：進氣壓力在0.09670.0947MPa的變化范圍內(nèi)，空氣密度每下降1%,13工況下HC平均減少0.99%o3氮氧化物車用發(fā)動機排氣中的氮氧化物NOx包含NO和NO2,其中大部分是NO,它們是N2在燃燒高溫下的產(chǎn)物。影響NOx生成的因素1 .影響汽油機N

11、Ox排放的因素1)過量空氣系數(shù)和燃燒室溫度的影響由于必直接影響燃燒時的氣體溫度和可利用的氧濃度，所以對NOx生成的影響是很大的。當(dāng)由小于1時，由于缺氧即使燃燒室內(nèi)溫度很高NOx的生成量仍會隨著內(nèi)的降低而降低，此時氧濃度起著決定性作用；但當(dāng)R大于1時，NOx生成量隨溫度升高而迅速增大，此時溫度起著決定性作用。由于燃燒室的最高溫度通常出現(xiàn)在6=1.1且此時也有適量的氧濃度，故NOx排放濃度出現(xiàn)峰值。如果必進一步增大，溫度下降的作用占優(yōu)勢，則導(dǎo)致NO生成量減少。汽油機中燃燒室內(nèi)的混合氣由空氣、已蒸發(fā)的燃油蒸氣和已燃氣組成，后者是前一工作循環(huán)留下的殘余廢氣，或由廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(EGR)中從排氣管回流到

12、進氣管并進入氣缸的燃燒廢氣。殘余廢氣分?jǐn)?shù)x定義為：缸內(nèi)殘余廢氣質(zhì)量mi與進氣終了氣缸內(nèi)充量質(zhì)量mc之比，即X=mi/mc（2-12）式中：mc=me+mi+mr,me和mr分別為進入氣缸的空氣和燃油質(zhì)量。殘余廢氣分?jǐn)?shù)主要取決于發(fā)動機負荷和轉(zhuǎn)速。減小發(fā)動機負荷即減小節(jié)氣門開度和提高轉(zhuǎn)速，均加大了進氣阻力，使殘余廢氣分?jǐn)?shù)增大。壓縮比較高的發(fā)動機殘余廢氣分?jǐn)?shù)較小。通過廢氣再循環(huán)可大大增加氣缸中的殘余廢氣分?jǐn)?shù)。當(dāng)可燃混合氣中廢氣分?jǐn)?shù)增大時，既減小了可燃氣的發(fā)熱量又增大了混合氣的比熱容，都使最高燃燒溫度下降，從而使NO排放降低。3）點火時刻的影響由于點火時刻對燃燒室內(nèi)溫度和壓力有明顯影響，故其對NO生成

13、的影響也很大。圖2-10表示了三種空燃比下排氣中NO的體積分?jǐn)?shù)隨點火提前角日的變化趨勢。從該圖可以看出：隨著日的減小，NO排放量不斷下降；當(dāng)0值很小時，下降速率趨緩。增大點火提前角使較大部分燃料在壓縮上止點前燃燒，增大了最高燃燒壓力值，從而導(dǎo)致較高的燃燒溫度，并使已燃氣在高溫下停留的時間較長，這兩個因素都將導(dǎo)致NO排放量增大。因此延遲點火和使用比理論混合氣較濃或較稀的混合氣都能使NO排放降低，但同時也會導(dǎo)致發(fā)動機熱效率降低，嚴(yán)重影響發(fā)動機經(jīng)濟性、動力性和運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，因此應(yīng)慎重對待。2 .影響柴油機NOx排放的因素柴油機與汽油機的主要差別之一在于燃油是在燃燒剛要開始前才噴入燃燒室的，燃燒期間燃油

14、分布不均勻，引起已燃氣體中溫度和成分不均勻。上述影響汽油機NOx排放的大部分因素也適用于柴油機。與汽油機一樣，柴油機氣缸內(nèi)達到的最高燃燒溫度也有控制NO生成的作用。在燃燒過程中最先燃燒的混合氣量（緊接著滯燃期的預(yù)混合燃燒）對NO的生成量有很大影響。因為這部分混合氣在隨后的壓縮過程中由于被壓縮，使溫度升到較高值，從而導(dǎo)致NO生成量的增加。然后這些燃氣在膨脹過程中膨脹并與空氣或溫度較低的燃氣混合，凍結(jié)已生成的NO。因此，在燃燒室中存在溫度較低的空氣是壓燃式發(fā)動機的第二個獨特之處。這也就是柴油機中NO成分的凍結(jié)發(fā)生得比汽油機早以及NO的分解傾向較小的原因。1）噴油定時的影響試驗表明，柴油機氣缸內(nèi)NO

15、生成率大約從燃燒開始后CA內(nèi)達到最大值，其數(shù)值大小大致與預(yù)混燃燒期內(nèi)燃燒的混合氣數(shù)量成正比。噴油提前角減小，使燃燒推遲，燃燒溫度-100104050步ATDC圖2-12傳統(tǒng)柴油機的典型放熱規(guī)律（虛線）與低排放柴油機的優(yōu)化放熱規(guī)律（實線）1雎遲燃燒始點，降低NOx排放；2-降低初始燃燒溫度減少NOx生成;3-維持中期快速燃燒和燃燒溫度，降低微粒排放；4-縮短擴散燃燒期，降低燃料消耗率、排氣溫度和微粒排放較低，生成的NOx較少。這種推遲噴油的方法是降低柴油機NOx排放的最簡單易行且有效的方法，但會使燃油消耗率略有提高。圖2-11表示現(xiàn)代車用柴油機的噴油定時在從上止點前CACA范圍內(nèi)變化時，柴油機性

16、能和排放的相對變化趨勢。2）放熱規(guī)律的影響圖2-12表示柴油機燃燒放熱規(guī)律的兩種模式：傳統(tǒng)放熱規(guī)律模式（虛線）和低排放放熱規(guī)律模式（實線）。圖中為為燃料已燃質(zhì)量分?jǐn)?shù)，dMd的放熱率。傳統(tǒng)模式在壓縮上止點前即由于不可控預(yù)混合燃燒而出現(xiàn)一個很高的放熱率尖峰，接著是由于擴散燃燒造成的一個平緩的放熱率峰。前者導(dǎo)致生成大量NO;而后者（緩慢拖拉的燃燒）導(dǎo)致柴油機熱效率惡化，微粒排放增加。低排放放熱模式一般都在上止點后開始放熱，第一峰值較低，使NOx生成較少；中期擴散燃燒盡可能加速，使燃燒過程提前結(jié)束，不僅提高熱效率，也能降低微粒排放。3）負荷與轉(zhuǎn)速的影響柴油機的NOx排放與負荷和轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖2-13所

17、示。NOx排放隨負荷增大而顯著增加，這是因為隨負荷增大可燃混合氣的平均空燃比減小，使燃燒壓力和溫度提高所致。但當(dāng)負荷超過某一限度時，NOx的摩爾分?jǐn)?shù)反而下降，這是因為燃燒室中氧相對缺少而導(dǎo)致燃燒惡化，溫度提高的效果被氧含量的相對減少所抵消，甚至有余。此情形在超負荷運轉(zhuǎn)時更為明顯。柴油機轉(zhuǎn)速對NOx排放的影響比負荷的影響小。對非增壓柴油機，一般最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速下的NOx體積分?jǐn)?shù)大于標(biāo)定轉(zhuǎn)速下的值，其原因主要在于低轉(zhuǎn)速下，NOx生成反應(yīng)占有較多的時間。轉(zhuǎn)般/“N-tn)圖2-13柴油機不同負荷下的NOx排放和對應(yīng)的空燃比（直噴式自然吸氣車用柴油機，6X102m麗118mm,g=16.5）4微粒1、汽油

18、機中的排氣微粒有三種來源：含鉛汽油中的鉛、有機微粒（包括碳煙）、來自汽油中的硫所產(chǎn)生的硫酸鹽。車用汽油機用含鉛量0.15g/L的含鉛汽油運轉(zhuǎn)時，微粒排放量在100150mg/km范圍內(nèi)，其主要成分為鉛化合物，鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)占25%60%,微粒尺寸分布為80%的直徑小于.W叫這種微粒是由排氣中的鉛鹽冷凝生成的。因此，以質(zhì)量計的排放量在發(fā)動機冷起動時較高。目前，由于含鉛汽油的淘汰及貴金屬三效催化劑的應(yīng)用，鉛微粒當(dāng)然也不再排放。硫酸鹽排放主要涉及在排氣系統(tǒng)中有氧化催化劑的車用發(fā)動機。汽油中的硫在燃燒中轉(zhuǎn)化為S02,被排氣系統(tǒng)中催化劑氧化成SO3后，與水結(jié)合生成硫酸霧。因此，汽油機硫酸鹽的排放量直接取決于

19、汽油中的硫含量。碳煙排放只在使用很濃的混合氣時才會遇到，對調(diào)整良好的汽油機不是主要問題。此外當(dāng)發(fā)動機技術(shù)狀態(tài)不良（例如氣缸活塞組嚴(yán)重磨損），導(dǎo)致潤滑油消耗很大時，會產(chǎn)生排氣冒藍煙，這是未燃燒潤滑油微粒構(gòu)成的氣溶膠。此時發(fā)動機性能明顯惡化，需立即檢修。2.影響微粒生成的因素1 .負荷與轉(zhuǎn)速的影響圖2-16為柴油機的微粒排放量與負荷和轉(zhuǎn)速的關(guān)系。由該圖可看出：在高速小負荷時，單位油耗的微粒排放量較高，且隨負荷的增加，微粒排放量降低；而在低速大負荷時，微粒排放量又由于燃空比的增加而有所升高。微粒排放量隨負荷有這樣的變化趨勢，是由于小負荷時燃空比和溫度均較低，氣缸內(nèi)稀薄混合氣區(qū)較大，且處于燃燒界限之外

20、而不能燃燒，造成了冷凝聚合的有利條件，從而有較多微粒（主要成份是未燃燃油成份和部分氧化反應(yīng)產(chǎn)物）生成；在大負荷時，燃空比和溫度均較高，造成了裂解和脫氫的有利條件，使微粒（主要成份是碳煙）排放量又有了升高；在接近全負荷時微粒排放急劇增加（接近冒煙界限），這時雖然總體過量空氣系數(shù)尚大于1,但由于燃燒室內(nèi)可燃混合氣不均勻，局部會有過濃，導(dǎo)致煙粒大量生成。微粒排放量與轉(zhuǎn)速有如此變化關(guān)系，是由于在小負荷時溫度低，以未燃油滴為主的微粒的氧化作用微弱。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時，這種氧化作用又受到時間因素的制約，故微粒排放量隨轉(zhuǎn)速升高而增加；在大負荷時，轉(zhuǎn)速的升高有利于氣流運動的加強，使燃燒速度加快，對碳煙微粒在高溫條件

21、下與空氣混合氧化起了促進作用，故以碳煙為主的微粒排放量隨轉(zhuǎn)速的升高而減小。如僅考慮碳煙排放，對車速適應(yīng)性好的柴油機而言，其峰值濃度往往出現(xiàn)在低速大負荷區(qū)。2 .燃料的影響柴油中的芳香燒含量及柴油的儲程對柴油機的微粒排放有明顯的影響。試驗表明，燃油中芳香煌含量及儲程越高，在相同的試驗條件下，微粒排放量越大；而烷燒含量越高，微粒排放量越少。燃油的十六烷值對煙粒排放也有明顯影響。試驗表明，柴油機的排煙濃度隨十六烷值的提高而增大，其原因可能是由于十六烷值較高的燃油穩(wěn)定性較差，在燃燒過程中碳的生成速率較高所致。若從柴油的十六烷值對燃燒過程的影響考慮，則由于十六燃值高的燃油具有良好的發(fā)火性，其滯燃期短，參

22、與預(yù)混燃燒的燃油較少，大部分燃油是以擴散燃燒的方式進行，故排煙濃度較大。然而，以降低十六烷來獲得排煙的改善，會帶來柴油機工作粗暴等嚴(yán)重后果。3 .噴油參數(shù)的影響1）噴油定時的影響在直噴式柴油機中，當(dāng)所有其它參數(shù)不變時，提前噴油或非常遲的噴油，可以降低排氣煙度，如圖2-17所示。提前噴油使排煙下降的原因是：滯燃期隨噴油提前角的加大而延長，因此使著火前的噴油量較多，燃燒溫度較高，燃燒過程結(jié)束較早，從而使排氣煙度下降。但噴油提前會使燃燒噪音和柴油機機械負荷與熱負荷加大，還會引起NOx排放量增加。噴油規(guī)律噴油定時，BTDC/CA圖2-17噴油定時對煙度的影響圖2-18直噴式柴油機噴油規(guī)律對排放的影響（噴油提前角17。BTDC;n=1250r/min；渦流比3.5;噴油持續(xù)角25。）非常遲的噴油使排煙下降的原因是：這種噴油定時發(fā)生于最小滯燃期之后，由于擴散火焰大部分發(fā)生在膨脹過程中，火焰溫度較低，使碳煙的生成速率降低。2）噴油規(guī)律的影響在噴油定時、噴油持續(xù)角、循環(huán)供油量、渦流比和發(fā)動機轉(zhuǎn)速不變的條件下，直噴式柴油機的噴油規(guī)律對NO和碳煙排放的影響如圖2-18所示。當(dāng)大部分燃油在前半時間內(nèi)噴入氣缸時，參與預(yù)混燃燒的油量增多，故排煙濃度