汽油机排气污染物的影响因素分析.docx

第三节汽油机排气污染物的影响因素分析一、汽油机的运转工况及其对污染物排放的影响汽油机的运行条件有瞬态（过渡）运行和稳态运行。本节在分析排气污染物的影响 因素时，若无特别说明，则均指稳态运行条件。瞬态运行工况主要有启动、加速、减速等。 发动机低温启动时由于转速及温度低,空气流速低,汽油雾化差，各缸分配均匀性差，还有 混合气通常较浓等，这些都使发动机的燃烧不良：发动机燃烧过程产生高浓度的C0及 HC，加上排气温度低,三效催化器尚未达到启燃温度，因此排气中的污染物浓度高。为了保证汽车的良好加速性,化油器式汽油机在加速工况时，通常由加速泵增加进人 缸内的燃油量，即供给较浓的混合气,使发动机的燃烧不完全，导致排气中的C0及HC浓 度增大;对电控汽油机而言，由于节气门突然增大，喷人缸内的燃油量突然增多,而此时缸 内温度还较低,因此雾化不良，也会导致排气中的C0及HC增加。在汽车减速时，发动机节气门开度的突然减小，进气管内的真空度增大,附着在进气 道壁面上的燃油油膜会迅速蒸发，使进人气缸的混合气变浓;对化油器式汽油机而言，由 于从化油器的主量孔中流出燃油的惯性作用,燃油流入进气管的停止时间滞后于节气门 关闭时间，这将使进气管中混合气变浓，较浓的混合气使缸内的燃烧恶化,最终导致排气 中的C0及HC浓度增大，燃油经济性变差。汽车等速行驶时，发动机处于稳态运行工况，对采用三效催化器和氧传感器闭环反馈 控制的汽油机而言，工作在理论空燃比附近,发动机燃烧状态良好,三效催化器转化效率 最高，因而，这种工况下污染物排放少。二、混合气制备质量的影响缸内汽油和空气混合气制备质量对汽油机燃烧有重要影响。采用三效催化器和氧传 感器闭环反馈控制的汽油机通常工作在理论空燃比,如果汽油和空气均匀混合，则所有混 合气可快速燃烧,CO和HC的生成量减少，NO生成增加3如果出现局部过浓或过稀，则 由火焰传播速度会变慢，使后期燃烧的燃油氧化不完全.CO和HC的生成量增加。对于采用均质燃烧的汽油机而言,汽油和空气混合制备质量可用可燃混合气中空燃 比分布的均匀性衡量。常见的保证汽油和空气充分混合的措施主要有两个:一是燃油喷 雾方面,如提高燃油的喷雾射程、增大喷雾锥角和减小喷雾粒径等;二是提高缸内气体流 动速度,高速气流可以将燃油带到远离喷雾的地方，通过砬撞吏喷雾干的,a滴粒径更为细 小,其结果是汽油和空气混合得更为均匀。图5 - 15为空气辅助喷射系统与普通燃料喷射系统的喷雾比较：空气辅助燃料喷射 系统通常在电子燃油喷射系统的喷嘴的前端安装高压空气导入孔，使燃料和空气混合后 喷出。可见,空气辅助喷射系统喷雾的锥角明显大于普通燃料喷射系统喷雾的锥角：由 于空气辅助燃料喷射系统的燃料和空气在喷嘴喷出前已开始混合，故喷出的燃料微粒更 为微小，燃油和空气的混合更为充分。采用空气辅助喷射系统的喷雾中燃料的粒径可由 普通喷射喷雾中的200jjLm细化到20(xm。喷雾粒径对HC排放的影响如图5-16所示。 可见，当喷射的燃料粒径细化后，排出气体的HC浓度几乎不随喷射时刻变化，并且明显 降低。(a) (b)5 - 15空气辅助喷射系统与普通燃料喷射系统的喷雾比较 (a)空气辅助燃料喷射系统的喷雾;(b)普通喷射系统的喷雾167对于采用稀薄混合气分层燃烧的汽油机而言，汽油和空气的混合应能保证可燃混合 气可靠点火和快速、完全燃烧。保证可靠点火的措施主要有图5 -17所示的空气引导、壁 面引导和喷雾引导等方法：这三种方法分别依靠空气流动、壁面形状和喷油器喷雾范围 保障点火时刻火花塞附近有易于点火和火焰快速传播的混合气存在，以便使喷射的燃油 完全燃烧，污染物生成数量减少。快速、完全燃烧主要依靠提高火焰传播速度实现。图5-17分层燃烧的汽油机的混合气形成方式 (a)空气引导；（b)壁面引导；U)喷雾引导。三、缸内气体流动的影响现代四气门汽油机缸内气体流动主要有图5-18所示的涡流及滚流两种形式。涡流 的旋转轴心与气缸轴心平行，滚流的旋转轴心与气缸轴心垂直。由于普通汽油机的喷油 时刻较早，因此，气体流动对混合气的形成所起的作用是有限的,但缸内气体流动对汽油 机燃烧过程的影响明显。燃烧过程中缸内气体流动速度越高,火焰传播速度越快,燃烧过 程越短。因此，随气体流动速度增大燃烧变得更为完全,污染物生成量减少。(b)图5 -19为涡流比与滚流比之和不同时的平均指示压力变动率COV(Pi)(平均指示 压力凡的标准偏差与平均指示压力凡的平均值之比）、有效油耗、HCCONO,的排放随空 燃比的变化情况。缸内涡流比与滚流比之和是一个表示缸内气流运动的典型参数,这个 参数越大表明缸内气体流动越强。随着气体流动的增加，汽油和空气混合更为均匀，燃烧 速率增大,稀燃界限扩大。因而燃烧的循环变动、有效燃料消耗、HC和C0排放随着气流 运动的增加而减少,但NO,的排放处在一个较高水平。四、汽油机调节参数的影响汽油机调节参数主要有空燃比、点火提前角、负荷、转速和冷却液温度等，这些参数的 特点是在汽油机工作过程中可以进行调整。由第二章可知,co是燃烧的中间产物，主要 生成于浓混合气工况。由于发动机燃烧室内存在着局部的浓混合气,所以在空燃比大于 理论比的稀混空气条件下也有少量的C0排出。试验表明C0的排放量主要受空燃比的 影响,故此处主要讨论汽油机调节参数对HC和N0排放的影响。1.空燃比的影响空燃比对HC、N0,的排放浓度及燃料消耗率的影响如图5 - 20所示，图5 - 20中同时给出了试验转速、转矩，发动机的点火时间为最佳点火提前角（Minimum Advance for the Best Torque,MBT)0 HC的浓度随空燃比增加而减少，当空燃比大于18时，HC随空燃比 增大而增加，这主要是由于混合气变稀后,部分燃烧及失火致使HC排放增加。在空燃比 小于18时，随A/F增大，HC排放减少的原因是由于混合气变稀后,壁面淬熄层中燃料浓度减少和在排气行程及排气道中氧浓度的增大 使HC进一步氧化所致。 NO,的排放在空燃比16附近最大，比这个 值小或大的空燃比都使NO,排放浓度降低。在 稀混合气一侧N0-降低的原因是由于最高燃烧 温度降低。在浓混合气一侧降低的原因是由于 氧浓度的降低。可见，在稀的一侧对HC、NO-及 燃料消耗率都是有利的。但是混合气太稀将使 燃烧的稳定性变差,导致HC增加及有效耗油率 上升，但对于稀燃汽油机，由于采用了快速燃烧 及分层燃烧等技术，因而，即使混合气平均空燃 比大于18,其HC排放也不会增加。2.点火时间的影响点火时间对HC、NO的影响如图5 -21所示。空燃比一定时,随着点火时间推迟HC 及NO,的排放减少。HC减少的主要原因是点火时间延迟后，排气温度上升,使HC在排 气行程及排气道中的氧化加强。NO,降低的原因主要是由于点火延迟后，最高燃烧温度 直线下降。3.汽油机转速汽油机转速的变化，将引起充气效率、点火提前角、混合气形成、空燃比、缸内气体 流动、汽油机温度以及排气在排气管中停留的时间等的变化。转速对排放的影响，应当是 这些变化的综合影响。一般当n增加时,缸内气体流动增强，燃油的雾化质量及均匀性得 到改善，湍流强度增大，燃烧室温度提高。这些都有利于改善燃烧，降低C0及HC的 排放。n的变化对NO排放的影响较复杂,ri增加，燃烧产物在高温下停留时间缩短，NO生成减少;另外，火焰传播速度随着n的增大而提高，使燃烧温度及压力提高，NO生成增加。n的变化对NO排放的影响的一个测量结果如图5 -22所示，试验在压缩比为6. 7的汽油机上进行,点火提前角上止点前30,进气管内压力为O.WSMPa。NO排放随n的变 化在理论空燃比附近发生突变。在用稀混合气工作时NO生成量主要取决于燃烧产物在 高温下的停留时间长短，由于低转速下燃烧产物在高温下的停留时间长，因而NO生成量 随着转速降低而增加。在用浓混合气工作时.NO生成量主要取决于燃烧温度及压力提 高的幅度，低转速下火焰传播速度低,最高燃烧温度低，因而NO生成量随着转速增加而 增加。4. 负荷如果维持混合气空燃比及转速不变，点火提前角调整到最佳点，则负荷增加对HC排 放基本上没有影响。因为，负荷增加虽使缸内压力及温度升高,淬熄层变薄,HC在膨胀 及排气冲程的氧化加速，但压力升高使缝隙容积中的未燃烃的储存量增加，而进气流量增 加，使排气在排气管高温段停留的时间缩短.从而抵消了前者对HC排放的有利影响。负荷变化对C0和HC的排放浓度影响较小.但对NO的排放浓度有影响。负荷增 加，进气歧管压力增加,缸内温度提高，0排玟浓度也增加，在使用稀混合气时更为明 显，如图5-23所示。汽油机是采用节气门来控制负荷的，因此，随着负荷的加大,进气量 就增加，这降低了残余废气的稀释作用,火焰传播速度得到了提高a因此,通常在点火定 时装置上设有真空点火提前装置，以便在负荷减小时.能提前点火，弥补由于火焰传播速 度减慢对热效率造成的不利影响3显然,如果不用真空点火提前装置，即点火提前不随负 荷变化而变化，则负荷减小会使后燃变得严重.从而使NO排放浓度减少。由于在浓混合 气条件下氧气不足,故NO生成受负荷增加而引起的温度上升的影响不大.随着混合气变 稀，负荷的影响增大,如图5 -23所示，空燃比为16时的影响非常明显：5.冷却液温度提高汽油机冷却水及燃烧室壁面温度，可降低缝隙容积中储存的HC的浓度，减少淬 熄层的厚度，改善缝隙容积逸出的HC及淬熄层扩散出来的燃油的氧化条件，而且可改善 燃油的蒸发、分配,提高排气温度，这些都能使HC排放物减少。图5 -24所示的是HC排 玫浓度随冷却水温增加而减少的情况，和化分别表示过量空气系数和点火提前角（上 止点前的曲轴转角），随着混合气变稀,冷却水温对HC排放的影响变小。不过，冷却水温 及燃烧室壁温的提高，也使燃烧最高温度增加，从而NO排放也增加。五、发动机结构参数的影响在发动机的结构参数中，与排放关系比较大的有工作容积、行程缸径比（S/D)、燃烧室形状、压缩比、活塞顶结构尺寸、配气定时以及排气系统等。这些参数的影响遵循:一是 在上止点时燃烧室内的表面积与容积之比S/K越大，进入活塞的间隙的混合气越多，HC 的排出量增大;二是燃烧室壁面散失的热量减少,残留气体减少,NO的排放增大。1. 工作容积的影响在燃烧室形状相似时，工作容积增大时,S/V变小,HC的排放减少;火焰传播距离增 加，NO的排放增多。2. 压缩比e的影响s增大后，S/V增加,HC的排放变大。NO的排放受 两方面影响:一方面,压缩比升高后，燃烧温度上升导致 NO增多;另一方面,S/F增加使NO减少。压缩比对HC 及NO,排放的影响如图5 -25所示,试验转速/I、平均有 效压力A和空燃比a各有3个。试验结果看不出NO的 排放随压缩比有明显的变化趋势。3. 燃烧室形状的影响工作容积和压缩比保持一定时,变化燃烧室形状时，HC的排出童与S/V成正比，即S/V增大，HC的排出量 也增加。NO的排放与HC正好相反,有与S/F成反比的 倾向,这是因为随着S/F的增大，热损失变大,燃烧气体 的最高温度降低。但是对于N(的排放浓度，即使S/V 相同，由于点火位置等的差异,燃烧速度及燃烧温度也受 到很大的影响，故不能认为NO的排放是S/F的函数。图5 -26表示了不同燃烧室形状时的HC及NO排放测 试结果。试验用燃烧室共10种，HC及N0t的测试条件 如图5 -26所示,MBT表示点火提前角为最佳值。4. 气门定时的影响气门定时对发动机NO及HC排放的影响如图5 -27所示。图中/,表示平均指示压 力，图（a)、（b)中横坐标数值前的“和“+”分别表示上止点前和后。NO受残留气体变化的影响，即受气门重叠的影响，随进气门早开、排气门迟闭，NO的排放减少，这是因 为残留气体的增加使燃烧温度下降。排气门关闭过迟,则进气量减少，燃烧温度下降，NO 的排放减少。排气门开启角过早时，正在燃烧的HC会排出，NO,过早冻结，因而HC和 NO,增多。 i运UJ.35. 活塞顶环隙容积的影响进人活塞和缸壁构成的小间隙（活塞顶环隙）的混合气，在燃烧时,火焰很难到达因 而影响HC的排放量。图5 -28为其影响的一个试验结果，图中j表示活塞顶环隙的宽度J表示活塞顶环隙的深度,试验时发动机的转速、转矩、空燃比及点火时间（最佳点火 时间MBT)如图所示。可见,随着活塞顶环隙容积的增大，进人顶环隙的混合气增多,HC 的排出量增大。6. 火花塞的位置火花塞在燃烧室的位置不同时，发动机的燃烧放热速率不同，故火花塞的位置对排放 有重要影响。若火花塞距燃烧室的缝隙远,则发动机排放中的HC增大;反之亦然。火花 塞的位置对HC排放的影响还与燃烧室的结构形状有关，一般来说，对非紧凑型燃烧室的 影响比紧凑型的大。如在圆盘形燃烧室上，由于火花塞位置的不同可使发动机HC的排 放差别高达81% ;而半球形燃烧室上,火花塞位置的改变仅能使发动机HC的排放产生 35%的差别。火花塞位置与燃烧室形状共同决定了质量燃烧率，在燃烧过程前期燃烧质 量的增加,会使NO的排放增加，但对改善油耗有利。六、大气条件的影响发动机吸人其气缸的大气的状态（湿度、气压、温度）也影响其排放特性。1. 大气湿度湿度对NO的影响特别大，因此在排放试验规范中使用湿度修正系数。大气湿度对 排放特性的影响可以从两个方面考虑:第一，由于湿度的变化，使空燃比的变化超过了反 馈