汽油機(jī)排氣污染物的影響因素分析

1、第三節(jié)汽油機(jī)排氣污染物的影響因素分析 一、汽油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況及其對(duì)污染物排放的影響 汽油機(jī)的運(yùn)行條件有瞬態(tài)（過渡）運(yùn)行和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。本節(jié)在分析排氣污染物的影響 因素時(shí)，若無特別說明，則均指穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件。瞬態(tài)運(yùn)行工況主要有啟動(dòng)、加速、減速 等。發(fā)動(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)時(shí)由于轉(zhuǎn)速及溫度低，空氣流速低,汽油霧化差，各缸分配均勻性差， 還有 混合氣通常較濃等，這些都使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒不良：發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程產(chǎn)生高濃度的 CO及HC，加上排氣溫度低 三效催化器尚未達(dá)到啟燃溫度，因此排氣中的污染物濃度高。 為了保證汽車的良好加速性 化油器式汽油機(jī)在加速工況時(shí)，通常由加速泵增加進(jìn)人 缸內(nèi)的燃油量，即供給較濃的混合氣，使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃

2、燒不完全，導(dǎo)致排氣中的 CO及HC 濃度增大；對(duì)電控汽油機(jī)而言，由于節(jié)氣門突然增大，噴人缸內(nèi)的燃油量突然增多，而此 時(shí)缸 內(nèi)溫度還較低，因此霧化不良，也會(huì)導(dǎo)致排氣中的CO及HC增加。 在汽車減速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度的突然減小，進(jìn)氣管內(nèi)的真空度增大，附著在進(jìn) 氣道壁面上的燃油油膜會(huì)迅速蒸發(fā)，使進(jìn)人氣缸的混合氣變濃；對(duì)化油器式汽油機(jī)而言， 由于從化油器的主量孔中流出燃油的慣性作用，燃油流入進(jìn)氣管的停止時(shí)間滯后于節(jié)氣 門 關(guān)閉時(shí)間，這將使進(jìn)氣管中混合氣變濃，較濃的混合氣使缸內(nèi)的燃燒惡化，最終導(dǎo)致 排氣 中的CO及HC濃度增大，燃油經(jīng)濟(jì)性變差。 汽車等速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況，對(duì)采用三效催化器

3、和氧傳感器閉環(huán)反 饋控制的汽油機(jī)而言，工作在理論空燃比附近，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒狀態(tài)良好，三效催化器轉(zhuǎn)化效 率 最高，因而，這種工況下污染物排放少。 二、混合氣制備質(zhì)量的影響 缸內(nèi)汽油和空氣混合氣制備質(zhì)量對(duì)汽油機(jī)燃燒有重要影響。采用三效催化器和氧傳 感器閉環(huán)反饋控制的汽油機(jī)通常工作在理論空燃比，如果汽油和空氣均勻混合， 則所有混 合氣可快速燃燒,CO和HC的生成量減少，NO生成增加3如果出現(xiàn)局部過濃或過稀，則 由火焰?zhèn)鞑ニ俣葧?huì)變慢，使后期燃燒的燃油氧化不完全.CO和HC的生成量增加。 對(duì)于采用均質(zhì)燃燒的汽油機(jī)而言，汽油和空氣混合制備質(zhì)量可用可燃混合氣中空燃 比分布的均勻性衡量。常見的保證汽油和空氣充分混

4、合的措施主要有兩個(gè)：一是燃油噴 霧方面，如提高燃油的噴霧射程、增大噴霧錐角和減小噴霧粒徑等；二是提高缸內(nèi)氣體流 動(dòng)速度，高速氣流可以將燃油帶到遠(yuǎn)離噴霧的地方，通過砬撞吏噴霧干的，a滴粒徑更為 細(xì) 小，其結(jié)果是汽油和空氣混合得更為均勻。 圖5 -15為空氣輔助噴射系統(tǒng)和普通燃料噴射系統(tǒng)的噴霧比較：空氣輔助燃料噴射 系統(tǒng)通常在電子燃油噴射系統(tǒng)的噴嘴的前端安裝高壓空氣導(dǎo)入孔，使燃料和空氣混合后 噴出?？梢?，空氣輔助噴射系統(tǒng)噴霧的錐角明顯大于普通燃料噴射系統(tǒng)噴霧的錐角：由于 空氣輔助燃料噴射系統(tǒng)的燃料和空氣在噴嘴噴出前已開始混合，故噴出的燃料微粒更為 微小，燃油和空氣的混合更為充分。采用空氣輔助噴射系

5、統(tǒng)的噴霧中燃料的粒徑可由普 通噴射噴霧中的200jjLm細(xì)化到20（xm。噴霧粒徑對(duì)HC排放的影響如圖5-16所示?？?見，當(dāng)噴射的燃料粒徑細(xì)化后，排出氣體的H C濃度幾乎不隨噴射時(shí)刻變化，并且明 167 顯降低 對(duì)于采用稀薄混合氣分層燃燒的汽油機(jī)而言， 汽油和空氣的混合應(yīng)能保證可燃混合 氣可靠點(diǎn)火和快速、完全燃燒。保證可靠點(diǎn)火的措施主要有圖 5-17所示的空氣引導(dǎo)、 壁面引導(dǎo)和噴霧引導(dǎo)等方法：這三種方法分別依靠空氣流動(dòng)、壁面形狀和噴油器噴霧 范圍保障點(diǎn)火時(shí)刻火花塞附近有易于點(diǎn)火和火焰快速傳播的混合氣存在，以便使噴射 的燃油完全燃燒，污染物生成數(shù)量減少。快速、完全燃燒主要依靠提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?

6、圖5-17分層燃燒的汽油機(jī)的混合氣形成方式（a）空 氣引導(dǎo)；（b）壁面引導(dǎo)；U）噴霧引導(dǎo)。 圖 5 -19 比之和不同時(shí) 變 動(dòng) 率 示壓力凡的 指示壓力凡的 有效油耗、 放隨空燃比 內(nèi)渦流比和滾 表示缸內(nèi)氣流 這個(gè)參數(shù)越 、缸內(nèi)氣體流動(dòng)的影響 現(xiàn)代四氣門汽油機(jī)缸內(nèi)氣體流動(dòng)主要有圖5-18所示的渦流及滾流兩種形式。渦流 的旋轉(zhuǎn)軸心和氣缸軸心平行，滾流的旋轉(zhuǎn)軸心和氣缸軸心垂直。由于普通汽油機(jī)的噴油 時(shí)刻較早，因此，氣體流動(dòng)對(duì)混合氣的形成所起的作用是有限的，但缸內(nèi)氣體流動(dòng)對(duì)汽 油機(jī)燃燒過程的影響明顯。燃燒過程中缸內(nèi)氣體流動(dòng)速度越高，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇?，燃?過程越短。因此，隨氣體流動(dòng)速度增大燃燒變得

7、更為完全 ，污染物生成量減少。 為渦流比和滾流 的平均指示壓力 COV（Pi）（平均指 標(biāo)準(zhǔn)偏差和平均 平均值之比）、 HCCONO ,的排 的變化情況。缸 流比之和是一個(gè) 運(yùn)動(dòng)的典型參數(shù) 大表明缸內(nèi)氣體 流動(dòng)越強(qiáng)。隨著氣體流動(dòng)的增加，汽油和空氣混合更為均勻，燃燒速率增大，稀燃界限 擴(kuò)大。因而燃燒的循環(huán)變動(dòng)、有效燃料消耗、HC和C0排放隨著氣流 運(yùn)動(dòng)的增加而減 少,但NO,的排放處在一個(gè)較高水平。 進(jìn)T道埸甘 H沾 N 四、 汽油機(jī) 調(diào)節(jié)參 數(shù)的影 -1 n -22T磐申工瘧逕 圈5-19不冏満淹與漬施比時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)性空懺比K3ft 不同進(jìn)氣沮的翼矍耳“蹴比L “）蘇同進(jìn)甩逋時(shí) r門軍冋進(jìn)Pifi

8、時(shí)的鄴曲荷耗霍比的變化；不同密UB時(shí)的HG排族威空魅比的密匕 （甘不W1童*111対曲COlt敘空（Bit的曼10不同遙7曲耐的旳IMtMSiB比的慢ft* 汽 油機(jī)調(diào) 節(jié)參數(shù) 主要有 空燃比、 點(diǎn)火提 前角、 負(fù)荷、 轉(zhuǎn)速和 冷卻液 溫度等, 這些參 數(shù)的特 點(diǎn)是在 汽油機(jī) 工作過 程中可 以進(jìn)行 調(diào)整。 由第二 章可 知,co是燃燒的中間產(chǎn)物，主要生成于濃混合氣工況。由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)存在著局部的 濃混合氣，所以在空燃比大于理論比的稀混空氣條件下也有少量的C0排出。試驗(yàn)表明 C0 的排放量主要受空燃比的影響,故此處主要討論汽油機(jī)調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)HC和NO排放的影響。 1. 空燃比的影響 空燃比對(duì)

9、HC、NO,的排放濃度及燃料消耗率的影響如圖5 - 20所示，圖5 - 20中同 時(shí)給出了試驗(yàn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火時(shí)間為最佳點(diǎn)火提前角（Minimum Advance for the Best Torque,MBT） 0 HC的濃度隨空燃比增加而減少，當(dāng)空燃比大于18時(shí)，HC隨空燃比 增大而增 加，這主要是由于混合氣變稀后，部分燃燒及失火致使 HC排放增加。在空燃比 小于18時(shí)， 隨A/F增大，HC排放減少的原因是由于混合氣變稀后，壁面淬熄層中燃料濃 度減少和在排氣行程及排氣道中氧濃度的增大使 HC進(jìn)一步氧化所致。 ? NO,的排放在空燃比16附近最大，比這個(gè) 值小或 大的空燃比都使 NO

10、,排放濃度降低。在 稀混合氣一 側(cè)NO-降低的原因是由于最高燃燒溫度降低。在濃混合氣一側(cè)降低的原因是由于氧濃 度的降低。可見，在稀的一側(cè)對(duì)HC、NO-及 燃料消耗率都是有利的。但是混合氣太稀 將使燃燒的穩(wěn)定性變差，導(dǎo)致HC增加及有效耗油率 上升，但對(duì)于稀燃汽油機(jī)，由于采 用了快速燃燒 及分層燃燒等技術(shù)，因而，即使混合氣平均空燃比大于18,其HC排放也 不會(huì)增加。 2點(diǎn)火時(shí)間的影響 點(diǎn)火時(shí)間對(duì)HC、NO的影響如圖5 -21所示?？杖急纫欢〞r(shí)，隨著點(diǎn)火時(shí)間推遲 HC及 NO,的排放減少。HC減少的主要原因是點(diǎn)火時(shí)間延遲后，排氣溫度上升，使HC在排氣行 程及排氣道中的氧化加強(qiáng)。 NO,降低的原因主要

11、是由于點(diǎn)火延遲后，最高燃燒溫度直線 下降。 1 a j I b) 圖 KI點(diǎn)火時(shí)間對(duì)的影響血； 速的變 氣效率、點(diǎn) 合氣形成、 氣體流動(dòng)、 及排氣在 的時(shí)間等 對(duì)排放的 這些變化 一般當(dāng)n增 流動(dòng)增強(qiáng)， 量及均勻 湍流強(qiáng)度 3. 汽油機(jī)轉(zhuǎn)速 汽油機(jī)轉(zhuǎn) 化，將引起充 火提前角、混 空燃比、缸內(nèi) 汽油機(jī)溫度以 排氣管中停留 的變化。轉(zhuǎn)速 影響，應(yīng)當(dāng)是 的綜合影響。 加時(shí),缸內(nèi)氣體 燃油的霧化質(zhì) 性得到改善， 增大，燃燒室溫度提高。這些都有利于改善燃燒，降低CO及HC的 排放。 n的變化對(duì)NO排放的影響較復(fù)雜,ri增加，燃燒產(chǎn)物在高溫下停留時(shí)間縮短，NO生 成減少；另外，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著 n的增大而

12、提高，使燃燒溫度及壓力提高，NO生成增 加。n的變化對(duì)NO排放的影響的一個(gè)測(cè)量結(jié)果如圖5 -22所示，試驗(yàn)在壓縮比為 6. 7的 汽油機(jī)上進(jìn)行，點(diǎn)火提前角上止點(diǎn)前 30進(jìn)氣管內(nèi)壓力為 O.WSMPa。NO排放隨n的變化 在理論空燃比附近發(fā)生突變。在用稀混合氣工作時(shí) NO生成量主要取決于燃燒產(chǎn)物在 高 溫下的停留時(shí)間長短，由于低轉(zhuǎn)速下燃燒產(chǎn)物在高溫下的停留時(shí)間長，因而NO生成量 隨著轉(zhuǎn)速降低而增加。在用濃混合氣工作時(shí).NO生成量主要取決于燃燒溫度及壓力提 高 的幅度，低轉(zhuǎn)速下火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊停罡呷紵郎囟鹊?，因而NO生成量隨著轉(zhuǎn)速增加而增 加。 4. 負(fù)荷 如果維持混合氣空燃比及轉(zhuǎn)速不變，點(diǎn)火提前

13、角調(diào)整到最佳點(diǎn)，則負(fù)荷增加對(duì)HC 排放基本上沒有影響。因?yàn)?，?fù)荷增加雖使缸內(nèi)壓力及溫度升高，淬熄層變薄,HC在膨 脹及排氣沖程的氧化加速，但壓力升高使縫隙容積中的未燃烴的儲(chǔ)存量增加，而進(jìn)氣 流量增力口，使排氣在排氣管高溫段停留的時(shí)間縮短.從而抵消了前者對(duì) HC排放的有利 影響。 負(fù)荷變化對(duì)C0和HC的排放濃度影響較小.但對(duì)NO的排放濃度有影響。負(fù)荷增 加, 時(shí)度荷氣稀 進(jìn)氣歧管壓力增加，缸內(nèi)溫度提高，0排玟濃度也增加，在使用稀混合氣時(shí)更為明顯， 如圖5-23所示。汽油機(jī)是采用節(jié)氣門來控制負(fù)荷的，因此，隨著負(fù)荷的加大，進(jìn)氣量 就 增加，這降低了殘余廢氣的稀釋作用，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊玫搅颂岣遖因此，通

14、常在點(diǎn)火定 裝置上設(shè)有真空點(diǎn)火提前裝置，以便在負(fù)荷減小時(shí).能提前點(diǎn)火，彌補(bǔ)由于火焰?zhèn)鞑ニ?減慢對(duì)熱效率造成的不利影響3顯然，如果不用真空點(diǎn)火提前裝置，即點(diǎn)火提前不隨負(fù) 變化而變化，則負(fù)荷減小會(huì)使后燃變得嚴(yán)重.從而使NO排放濃度減少。由于在濃混合 條件下氧氣不足，故NO生成受負(fù)荷增加而引起的溫度上升的影響不大隨著混合氣變 6000 檢)0 34XK.， 0 J X 3W0 r r 夕 zonti 100( 12 空燃tt 10 I I 七I 4050WK7080 90 竝代岐苗圧力kPi 圖$-22轉(zhuǎn)速“的變化苛螢0排放的附響 j- 5 23負(fù)荷農(nóng)化時(shí)、門，排枕的誓響 負(fù)荷的影響增大，如圖5 -

15、23所示，空燃比為16時(shí)的影響非常明顯： 5. 冷卻液溫度 提高汽油機(jī)冷卻水及燃燒室壁面溫度，可降低縫隙容積中儲(chǔ)存的HC的濃度，減少 淬熄層的厚度，改善縫隙容積逸出的HC及淬熄層擴(kuò)散出來的燃油的氧化條件，而且可 改善燃油的蒸發(fā)、分配，提高排氣溫度，這些都能使HC排放物減少。圖5 -24所示的是 HC排玫濃度隨冷卻水溫增加而減少的情況，和化分別表示過量空氣系數(shù)和點(diǎn)火提前 角（上止點(diǎn)前的曲軸轉(zhuǎn)角），隨著混合氣變稀，冷卻水溫對(duì)HC排放的影響變小。不過， 冷卻水溫及燃燒室壁溫的提高，也使燃燒最高溫度增加，從而NO排放也增加。 五、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響 燒在發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)中，和排放關(guān)系比較大的有工乍容

16、積、行程缸徑比（S/D）、燃 室形狀、壓縮 結(jié)構(gòu)尺寸、配 排氣系統(tǒng)等。 影響遵循：一 時(shí)燃燒室內(nèi)的 積之比S/K越 塞的間隙的混 HC的排出量 燒室壁面散失 殘留氣體減 放增大。 Q 04060 SO I0Q 冷卻水溫/C 他眾2OOI50100 圖524徐卻水溫時(shí)HI排放的影晌 比、活塞頂 氣定時(shí)以及 這些參數(shù)的 是在上止點(diǎn) 表面積和容 大，進(jìn)入活 合氣越多， 增大；二是燃 的熱量減少, 少,N0的排 1. 工作容積的影響 在燃燒室形狀相似時(shí)，工作容積增大時(shí),S/V變小,HC的排放減少；火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x增 加，NO的排放增多。 2. 壓縮比e的影響 S增大后，S/V增加,HC的排放變大。NO的排

17、放受 兩方面 影響:一方面，壓縮比升高后，燃燒溫度上升導(dǎo)致NO增多； 另一方面,S/F增加使NO減少。壓縮比對(duì)HC及NO,排放的 影響如圖5-25所示，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速/I、平均有 效壓力A和空燃 比a各有3個(gè)。試驗(yàn)結(jié)果看不出 NO的排放隨壓縮比有明 顯的變化趨勢(shì)。 3. 燃燒室形狀的影響 工作容積和壓縮比保持一定時(shí)，變化燃燒室形狀時(shí)，HC的排 出童和S/V成正比，即S/V增大，HC的排出量 也增加。 NO的排放和HC正好相反，有和S/F成反比的 傾向這是因 為隨著S/F的增大，熱損失變大,燃燒氣體的最高溫度降低。 但是對(duì)于NC的排放濃度，即使S/V相同，由于點(diǎn)火位置等 的差異，燃燒速度及燃燒溫度也受

18、到很大的影響，故不能 認(rèn)為NO的排放是S/F的函數(shù)。 圖5 -26表示了不同燃燒室形狀時(shí)的 HC及NO排放測(cè) 試結(jié) 果。試驗(yàn)用燃燒室共10種，HC及NOt的測(cè)試條件 如圖5 -26 所示,MBT表示點(diǎn)火提前角為最佳值。 4. 氣門定時(shí)的影響 氣門定時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī) NO及HC排放的影響如圖5 -27所示。圖中/,表示平均指示壓 力, 圖（a）、（b）中橫坐標(biāo)數(shù)值前的“ +”分別表示上止點(diǎn)前和后。NO受殘留氣體變化的影 Q n -1 SOOj mm, - 200l;P* 。min” 兔 4O0kPa O R-2$OOr儀”生向 強(qiáng)eUN-左 E韁比 壓縮比對(duì)Hl及 排放的影響|? 響，即受氣門重疊的影

19、響，隨進(jìn)氣門早開、排氣門遲閉，NO的排放減少，這是因 為殘留氣體的增加使 排氣門關(guān)閉過遲，則進(jìn) 燒溫度下降，NO的排 門開啟角過早時(shí)，正在 排出，NO,過早凍結(jié)， 增多。 -一 0 ri 二.wfYM-.主雲(yún)瓷 燃燒溫度下降。 氣量減少，燃 放減少。排氣 燃燒的HC會(huì) 因而HC和NO, 進(jìn)吒門開宦命鷹） 護(hù)（門煩寫度e）樁吒第段需（） ffl527氣:門宦時(shí)苛笈動(dòng)機(jī)0及HC排敢的靈響2 5. 活塞頂環(huán)隙容積的影響 進(jìn)人活塞和缸壁構(gòu)成的小間隙（活塞頂環(huán)隙）的混合氣，在燃燒時(shí)，火焰很難到達(dá)因 而影響HC的排放量。圖5 -28為其影響的一個(gè)試驗(yàn)結(jié)果，圖中j表示活塞頂環(huán)隙的寬度 J表示活塞頂環(huán)隙的深度，試驗(yàn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、空燃比及點(diǎn)火時(shí)間（最佳點(diǎn)火時(shí) 間MBT）如圖所示?？梢?，隨著活塞頂環(huán)隙容積的增大，進(jìn)人頂環(huán)隙的混合氣增多,HC的 排出量增大。 6. 火花塞的位置 火花塞在燃燒室的位置不同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒放熱速率不同，故火花塞的位置對(duì)排 放 有重要影響。若火花塞距燃燒室的縫隙遠(yuǎn)，則發(fā)動(dòng)機(jī)排放中的 HC增大;反之亦然?；?花