尾氣排放分析廢氣分析

尾氣排放分析廢氣分析

在汽車維修方面工作了30多年，現(xiàn)為北大汽車交通工程部兼職教授、山東省德州汽車摩托車學(xué)院院長(zhǎng)、北京市汽車維修專業(yè)學(xué)校名譽(yù)主任。2.4.11.尾氣排放分析廢氣分析不僅是檢查排放污染物治理效果的唯一途徑,而且還是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況及性能判定的重要手段。它是在發(fā)動(dòng)機(jī)不同工作狀況下,通過檢測(cè)廢氣中不同成分氣體的含量來判斷發(fā)動(dòng)機(jī)各系統(tǒng)故障的方法,其目的是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。其主要分析內(nèi)容有混合汽空燃比、點(diǎn)火正時(shí)及催化器轉(zhuǎn)化效率等,主要分析的參數(shù)有一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?HC)、二氧化碳(CO2)和氧(O2)以及空燃比(A/F)或相對(duì)空燃比(λ)。廢氣分析項(xiàng)目見表25。2.4.11.1.廢氣成分的基本變化規(guī)律廢氣中主要有害排放物成分為一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔颒C)和氮氧化合物(NOX)。無害排放物成分為二氧化碳(CO2)和水(H2O),這五種氣體與混合汽的空燃比、發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火正時(shí)、進(jìn)氣壓力(負(fù)荷)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化有著密切聯(lián)系,了解它們之間的變化關(guān)系對(duì)廢氣分析是非常重要的。(1)空燃比的影響空燃比即空氣和燃油的比例,以(理論空燃比)14.7∶1為中心在16∶1~12.5∶1的范圍內(nèi)變動(dòng)。16∶1是略稀的經(jīng)濟(jì)空燃比,12.5∶1是略濃的最大功率空燃比。①空燃比(A/F)與一氧化碳(CO)當(dāng)空燃比小于14.7∶1時(shí)(混合汽變濃),由于空氣量不足引起不完全燃燒,一氧化碳的排放量增大,如圖176所示。②空燃比(A/F)與碳?xì)浠衔?HC)碳?xì)浠衔锱c空燃比的直接關(guān)系較小。碳?xì)浠衔锷傻闹饕蚴?在燃燒室壁溫度較低的冷卻面附近,形成猝冷區(qū),達(dá)不到燃燒溫度,火焰消失;電火花微弱,根本未能點(diǎn)燃混合汽導(dǎo)致所謂缺火現(xiàn)象;在進(jìn)排氣門重疊時(shí)漏氣等。因此當(dāng)空燃比在16.2∶1以內(nèi)時(shí),混合汽越濃,HC的排放量就越多。而當(dāng)混合汽空燃比超過16.2∶1時(shí),由于燃料成分過少,用通常的燃燒方式已不能正常著火,產(chǎn)生失火,使未燃HC大量排出,如圖177所示。③空燃比(A/F)與氮氧化合物(NOX)NOX是可燃混合汽空氣中的N2和O2在燃燒室內(nèi)通過高溫高壓的火焰時(shí)化合而成的。因此在混合汽空燃比為15.5∶1附近燃燒效率最高時(shí),NOX生成量達(dá)到最大,混合汽空燃比高于或低于此值,NOX的生成量減小。發(fā)動(dòng)機(jī)越接近完全燃燒,NOX的生成量越多。相反,在發(fā)動(dòng)機(jī)接近不完全燃燒,CO生成量增多時(shí),NOX減少,如圖178所示。④空燃比(A/F)與二氧化碳(CO2)二氧化碳(CO2點(diǎn))是燃燒的必然產(chǎn)物,CO2點(diǎn)值的大小取決于影響燃燒效率的因素,這里當(dāng)然包括空燃比的大小,空燃比越接近理論空燃比14.7∶1,燃燒越完全,CO2的值也就越高,最大值在13.5%~14.8%之間,如圖179所示。⑤空燃比(A/F)與氧(O2)氧(O2)是一個(gè)很好的空燃比指示物,如果混合汽濃時(shí),O2的值就低,如果混合汽稀時(shí),O2的值就高,如圖180所示?？杖急扰c一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化物、二氧化碳和氧的關(guān)系圖,如圖181所示。(2)點(diǎn)火正時(shí)的影響①點(diǎn)火提前角與CO點(diǎn)火提前角對(duì)CO的排放沒有太大影響,如過分推遲點(diǎn)火,會(huì)使CO沒有時(shí)間完全氧化,而引起CO排放量增加,但適度推遲點(diǎn)火可減小CO排放。實(shí)際上推遲點(diǎn)火時(shí)間,為了維持輸出功率不變,需要開大節(jié)氣門,這時(shí)CO排放明顯增加。點(diǎn)火提前角對(duì)CO排放濃度的影響如圖182所示。②點(diǎn)火提前角與HC點(diǎn)火推遲時(shí)HC排放降低,主要是因?yàn)樵龈吡伺艢鉁囟?促進(jìn)了CO和HC的氧化,也由于燃燒時(shí)降低了汽缸的面容比,燃燒室內(nèi)的激冷面積減小了,使排出的HC減少。采用推遲點(diǎn)火來降低HC,是以犧牲燃油的經(jīng)濟(jì)性為代價(jià)的,所以得不償失,如圖183所示。③點(diǎn)火提前角與NOX在任何負(fù)荷和轉(zhuǎn)速下,加大點(diǎn)火提前角,均使NOX排放增加。這是因?yàn)辄c(diǎn)火時(shí)間提前時(shí),燃燒溫度升高的緣故,因此從降低NOX排放的角度出發(fā),可以采用減小點(diǎn)火提前角、降低循環(huán)最高溫度、使用比理論空燃比更濃或更稀的混合汽的辦法,其效果見圖184。然而,降低最高溫度伴隨著發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的下降。減小點(diǎn)火提前角和使用較濃或較稀的混合汽,若選擇調(diào)整不當(dāng),會(huì)嚴(yán)重降低發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。(3)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的影響發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷可以用與節(jié)氣門開度相關(guān)的進(jìn)氣管壓力來表示,進(jìn)氣管壓力越大,發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷也就越大。①發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷與CO對(duì)CO來說,空燃比不變,功率輸出的大小對(duì)CO排放沒有影響,CO的排放量隨功率的輸出及空氣的消耗量的增加而增大。發(fā)動(dòng)機(jī)在小負(fù)荷及大負(fù)荷工作時(shí),所供給的混合汽均較濃,在兩種情況下CO排放均比較高。例如,最大功率時(shí),節(jié)氣門全開,供給較濃的混合汽,因此CO的排放較高,如圖185所示。②發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷與HC當(dāng)空燃比和轉(zhuǎn)速保持不變并按最大功率調(diào)節(jié)點(diǎn)火提前角時(shí),改變負(fù)荷對(duì)HC的排放影響不大。這是因?yàn)橛绊慔C排放的因素有的使HC降低,有的使它增加,結(jié)果作用恰恰相互抵消。當(dāng)進(jìn)氣管壓力在30.5~81.0kPa范圍內(nèi)時(shí),因供給的混合汽較稀,所以HC排放降至很低,當(dāng)進(jìn)氣管壓力超過81.0kPa時(shí),接近全負(fù)荷混合汽加濃。此時(shí)HC排放量理應(yīng)上升,但由于全負(fù)荷時(shí)排氣溫度相應(yīng)增大,這時(shí)排氣后反應(yīng)對(duì)HC排放的消除作用加強(qiáng)了,從而限制了HC的排放。小負(fù)荷時(shí)進(jìn)氣管壓力低,由于汽缸壁激冷作用的增強(qiáng),混合汽又比較濃,若進(jìn)氣管壓力低于20kPa時(shí),還可能發(fā)生火焰?zhèn)鞑ゲ煌耆?結(jié)果使HC排放明顯增高。例如,在汽車突然關(guān)閉節(jié)氣門時(shí),進(jìn)氣管內(nèi)液體燃料的瞬時(shí)蒸發(fā),造成高進(jìn)氣真空下混合汽的額外加濃,也會(huì)出現(xiàn)這種情況(見圖186)。③發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷與NOX發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷小時(shí),可使NOX排放濃度下降。負(fù)荷減小,進(jìn)氣壓力降低,發(fā)動(dòng)機(jī)溫度降低,殘余廢氣增加,導(dǎo)致著火落后期變大及火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p慢,這兩個(gè)因素均使燃燒時(shí)間加長(zhǎng)。若此時(shí)點(diǎn)火時(shí)刻不變,則燃燒過程將更多地向膨脹行程延伸,這樣就會(huì)使循環(huán)最高溫度降低,進(jìn)而使排氣中NOX濃度下降,見圖187。(4)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響①轉(zhuǎn)速與CO發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速、減速和低速小負(fù)荷時(shí)混合汽偏濃,發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)的氣體壓力與溫度不高,混合汽的燃燒速度減慢,引起不完全燃燒產(chǎn)生CO。轉(zhuǎn)速的變化對(duì)CO的排放濃度沒有多少影響,這是由于在排氣系統(tǒng)中CO的氧化,在正常的排氣溫度下并不受混合汽的限制,而是取決于化學(xué)反應(yīng)速度。提高怠速轉(zhuǎn)速,對(duì)降低怠速時(shí)的CO有好處,這是由于隨著怠速轉(zhuǎn)速的提高,進(jìn)氣節(jié)流將減小,進(jìn)入的空氣量將增加。于是殘余氣體的稀釋程度有所減小,使燃燒改善,如圖188所示。②轉(zhuǎn)速與HC轉(zhuǎn)速升高時(shí),HC的排放明顯降低(圖189)。原因是轉(zhuǎn)速升高,增加了汽缸中的擾流混合與渦流擴(kuò)散,又增加了排氣的擾流和混合,前者改善了汽缸內(nèi)的燃燒,增進(jìn)了激冷層的后氧化反應(yīng)。但高速時(shí)為克服較高的發(fā)動(dòng)機(jī)阻力,需要加大排氣容積流量,使排氣系統(tǒng)中停留的時(shí)間有所縮短。因此,HC排放量的降低將小于按濃度改變預(yù)計(jì)的結(jié)果。同時(shí)適當(dāng)提高怠速轉(zhuǎn)速,對(duì)降低CO成分也有好處,詳見圖188。③轉(zhuǎn)速與NOX對(duì)于不同空燃比的混合汽,轉(zhuǎn)速對(duì)NOX生成速度有不同的影響,如圖190所示。對(duì)于燃燒較慢的稀混合汽,在轉(zhuǎn)速提高時(shí)由于著火落后期不太受轉(zhuǎn)速的影響,在點(diǎn)火時(shí)間不變的情況下,燃燒的大部分將在膨脹過程壓力與溫度不太高處進(jìn)行,使NOX的生成速度減小。對(duì)于燃燒較慢的濃混合汽提高轉(zhuǎn)速時(shí),由于加強(qiáng)了氣體在汽缸中的擾動(dòng),加大了火焰?zhèn)鞑ニ俣?同時(shí)也減小了熱損失,使得NOX的生成速度有所增大。(5)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的影響①低溫發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)時(shí),燃油霧化不良,再加上吸入的混合汽和冷的進(jìn)氣管及其缸壁接觸時(shí),一部分汽油發(fā)生凝結(jié),成為液態(tài)和粒狀。正是由于考慮到這種情況,冷態(tài)供給的是濃混合汽,結(jié)果由于空氣量不足,使CO量增加。此時(shí)由于燃燒溫度降低,NOX減少而未燃HC增加。②高溫冷卻水溫達(dá)到80~90℃時(shí),燃料汽化良好,發(fā)動(dòng)機(jī)在燃料經(jīng)濟(jì)性較好的狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。但是,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過高時(shí)由于引起過熱、爆燃、早燃等故障,使燃燒溫度異常上升,NOX的生成量增多。③加速發(fā)動(dòng)機(jī)加速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)輸出較大的功率,將會(huì)產(chǎn)生大量的NOX,而且由于在短時(shí)間內(nèi)