发动机排放污染物的影响因素

发动机排放污染物的生成机理和影响因素

主要内容：介绍了汽车尾气中的主要污染物CO、HC、NO X和微粒的生成机理及其影响因素。

1 一氧化碳

1.1 汽车尾气中CO的产生是由于燃油在气缸中燃烧不充分所致，是氧气不足而生成的

中间产物。

影响一氧化碳生成的因素

理论上当α在14.7以上时，排气中不存在CO，而只生成CO2。实际上由于燃油和空气混合不均匀，在排气中还含有少量CO。即使混合气混合的很均匀，由于燃烧后的温度很高，已经生成的CO2也会由于一小部分分解成CO和O2，H2O也会部分分解成O2和H2，生成的H2也会使CO2还原成CO，所以，排气中总会有少量CO存在。可见，凡是影响空燃比的因素，即为影响CO生成的因素。

1. 进气温度的影响

一般情况下，冬天气温可达零下20℃以下，夏天在30℃以上，爬坡时发动机罩内进气温度超过80℃。随着环境温度的上升，空气密度变小，而汽油的密度几乎不变，化油器供给的混合气的空燃比α随吸入空气温度的上升而变浓，排出的CO将增加。因此，冬天和夏天发动机排放情况有很大的不同。图2-3为一定运转条件下，进气温度与空燃比的关系，大致和绝对温度的方根成反比的理论相一致。

进气温度/℃海拔高度/m 怠

速转速/(r/min)

图2-3 进气温度与空燃比的关系图2-4 海拔高度与大气压力的关系图2-5 怠速转速对CO和HC排放的影响

V/(km/h)

图2-6 某汽油机等速工况排气成分实测结果

2. 大气压力的影响

大气压力P 随海拔高度而变化，由经验公式

()

5.256010.02257 kPa P P h =- (2-4)

式中：h 一海拔高度，km 。 当海平面0P =100kPa 时，可作出海拔高度和大气压力变化关系的曲线，如图2-4所示。

当忽略空气中饱和水蒸气压时，空气密度ρ可用下式表示：

()32731.293 kg/m 273760

P T ρ=+ （2-5） 式中：T －温度，℃。

可以认为空气密度ρ和大气压力P 成正比，从简单化油器理论可知，空燃比和空气密

度的平方根成正比，所以进气管压力降低时，空气密度下降，则空燃比下降，CO 排放量将增大。

3. 进气管真空度的影响

当汽车急剧减速时，发动机真空度在68kPa 以上时，停留在进气系统中的燃料，在高真

空度下急剧蒸发而进入燃烧室，造成混和气瞬时过浓，致使燃烧状况恶化。CO 浓度将显著增加到怠速时的浓度。

4. 怠速转速的影响

图2-5表示了怠速转速和排气中CO 、HC 浓度的关系。怠速转速为600r/min 时，CO 浓

度为1.4%，700r/min 时，降为1%左右，这说明提高怠速转速，可有效地降低排气中CO 浓度，但是，怠速过高会加大挺杆响声，对液力变扭汽车，还可能发生溜车的危险。如果这些问题得到解决，一般从净化的观点，希望怠速转速规定高一点较好。

5. 发动机工况的影响

发动机负荷一定时，CO 的排放量随转速增加而降低，到一定的车速后，变化不大。图

2-6为某汽油机负荷一定、匀速工况下的CO 浓度的变化。当车速增加时，CO 很快降低，至中速后变化不大，这是由于化油器供给发动机的空燃比，随流量增加接近于理论空燃比的结果。

2 碳氢化合物

车用柴油机中的未燃HC都是在缸内的燃烧过程中产生并随排气排放。汽油发动机中未燃HC的生成与排放主要有以下三种途径。

（1）在气缸内的燃烧过程中产生并随废气排出，此部分HC主要是燃烧过程中未燃烧或燃烧不完全的碳氢燃料。

（2）从燃烧室通过活塞组与气缸之间的间隙漏入曲轴箱的窜气中含有大量未燃燃料，如果排入大气中也构成HC排放物。

（3）从汽油机的燃油系统蒸发的燃油蒸汽。

影响碳氢化合物生成的因素

未燃HC排放主要是由于缸内混合气过浓、过稀或局部混合不均引起燃烧不完全而导致的，造成燃烧不完全的因素大致有混合气的质量、发动机的运行条件、燃烧室结构参数及点火与配气正时等。

1. 混合气质量的影响

混合气质量的优劣主要体现在燃油的雾化蒸发程度、混合气的均匀性、空燃比和缸内残余废气系数的大小等方面。混合气的均匀性越差则HC排放越多。当空燃比略大于理论空燃比时，HC有最小值；混合气过浓或过稀均会发生不完全燃烧，废气相对过多则会使火焰中心的形成与火焰的传播受阻甚至出现断火，致使HC排放量增加。

2. 运行条件的影响

1）汽油机运行条件的影响

（1）负荷的影响：发动机试验结果表明：当空燃比和转速保持不变，并按最大功率调节点火时刻时，改变发动机负荷，对HC的相对排放浓度几乎没有影响。但当负荷增加时，HC排放量绝对值将随废气流量变大而几乎呈线性增加。

（2）转速的影响：发动机转速对HC排放浓度的影响则非常明显。转速较高时，HC排放浓度明显下降，这是由于气缸内混合气的扰流混合、涡流扩散及排气扰流、混合程度的增大改善了气缸内的燃烧过程、促进了激冷层的后氧化，后者则促进了排气管内的氧化反应。

（3）点火时刻的影响：点火时刻对HC排放浓度的影响体现在点火提前角上。点火延迟（点火提前角减小）可使HC排放下降，这是由于点火延迟使混合气燃烧时的激冷壁面面积减小，同时使排气温度增高，促进了HC在排气管内的氧化。但采用推迟点火，靠牺牲燃油经济性来降低HC排放是得不偿失的。因此，点火延迟要适当。

（4）壁温的影响：燃烧室的壁温直接影响了激冷层厚度和HC的排气后反应。据研究，壁面温度每升高1℃，HC排放浓度相应降低0.63×10-6～1.04×10-6。因此提高冷却介质温度有利于减弱壁面激冷效应，降低HC排放。

（5）燃烧室面容比的影响：燃烧室面容比大，单位容积的激冷面积也随之增大，激冷层中的未燃烃总量必然也增大。因此，降低燃烧室面容比是降低汽油机HC排放的一项重要措施。

2）柴油机运行条件的影响

（1）喷油时刻的影响：柴油机喷油时刻（喷油提前角）决定了气缸内的温度。喷油提前角θ增大，缸内温度较高，使HC排放量下降。在一台自然吸气式直喷柴油机上进行的试验证实：在13工况下，当θ 偏离最佳值时，缸内温度及反应区的气体环境均发生变化。θ平均减小1°CA，HC的体积分数平均增加8.97%；θ平均增加1°CA，HC平均下降1.97%。

（2）喷油嘴喷孔面积的影响：当循环喷油量及喷油压力不变时，改变喷孔面积不仅改变了喷油时间的长短，并且同时改变了油雾颗粒大小和射程的远近，即影响油气混合的质量，必将导致HC排放量的变化。有试验结果证实：在13工况下，以喷孔直径为0.23㎜的四孔