发动机排放污染物的影响因素

1、发动机排排放污染物的的生成机机理和影影响因素素主要内容容：介绍绍了汽车车尾气中中的主要要污染物物CO、HC、NOX和微粒粒的生成成机理及及其影响响因素。1 一氧氧化碳1.1 汽车尾尾气中CCO的产产生是由由于燃油油在气缸缸中燃烧烧不充分分所致，是是氧气不不足而生生成的中中间产物物。影响一氧氧化碳生生成的因因素理论上当当在14.7以上上时，排排气中不不存在CCO，而而只生成成CO2。实际际上由于于燃油和和空气混混合不均均匀，在在排气中中还含有有少量CCO。即即使混合合气混合合的很均均匀，由由于燃烧烧后的温温度很高高，已经经生成的的CO2也会由由于一小小部分分分解成CCO和O2，H2O也会部部分分

2、解解成O2和H2，生成成的H2也会使使CO2还原成成CO，所所以，排排气中总总会有少少量COO存在。可可见，凡凡是影响响空燃比比的因素素，即为为影响CCO生成成的因素素。1. 进进气温度度的影响响一般情况况下，冬冬天气温温可达零零下200以下，夏夏天在330以上，爬爬坡时发发动机罩罩内进气气温度超超过800。随着着环境温温度的上上升，空空气密度度变小，而而汽油的的密度几几乎不变变，化油油器供给给的混合合气的空空燃比随随吸入空空气温度度的上升升而变浓浓，排出出的COO将增加加。因此此，冬天天和夏天天发动机机排放情情况有很很大的不不同。图图2-33为一定定运转条条件下，进进气温度度与空燃燃比的关关

3、系，大大致和绝绝对温度度的方根根成反比比的理论论相一致致。进气温度度/海拔高高度/mm 怠速转转速/(r/mmin)图2-33 进气气温度与与空燃比比的关系系图2-44 海拔拔高度与与大气压压力的关关系图2-55 怠速速转速对对CO和HC排放放的影响响V/(kkm/hh)图2-66 某汽汽油机等等速工况况排气成成分实测测结果2. 大大气压力力的影响响大气压压力随海海拔高度度而变化化，由经经验公式式 (2-4) 式中：一一海拔高高度，kkm。当海平面面=1000kPPa时，可可作出海海拔高度度和大气气压力变变化关系系的曲线线，如图图2-44所示。当忽略空空气中饱饱和水蒸蒸气压时时，空气气密度可可

4、用下式式表示：（2-55）式中：温度，。可以认为为空气密密度和大大气压力力成正比比，从简简单化油油器理论论可知，空空燃比和和空气密密度的平平方根成成正比，所所以进气气管压力力降低时时，空气气密度下下降，则则空燃比比下降，CO排放量将增大。3. 进进气管真真空度的的影响当汽车急急剧减速速时，发发动机真真空度在在68kkPa以以上时，停停留在进进气系统统中的燃燃料，在在高真空空度下急急剧蒸发发而进入入燃烧室室，造成成混和气气瞬时过过浓，致致使燃烧烧状况恶恶化。CCO浓度度将显著著增加到到怠速时时的浓度度。4. 怠怠速转速速的影响响图2-55表示了了怠速转转速和排排气中CCO、HC浓度度的关系系。怠

5、速速转速为为6000r/mmin时时，COO浓度为为1.44%，7000r/mmin时时，降为为1%左右右，这说说明提高高怠速转转速，可可有效地地降低排排气中CCO浓度度，但是是，怠速速过高会会加大挺挺杆响声声，对液液力变扭扭汽车，还还可能发发生溜车车的危险险。如果果这些问问题得到到解决，一一般从净净化的观观点，希希望怠速速转速规规定高一一点较好好。5. 发发动机工工况的影影响发动机负负荷一定定时，CCO的排排放量随随转速增增加而降降低，到到一定的的车速后后，变化化不大。图图2-66为某汽汽油机负负荷一定定、匀速速工况下下的COO浓度的的变化。当当车速增增加时，CO很快降低，至中速后变化不大，

6、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 碳氢氢化合物物车用柴油油机中的的未燃HHC都是是在缸内内的燃烧烧过程中中产生并并随排气气排放。汽汽油发动动机中未未燃HCC的生成成与排放放主要有有以下三三种途径径。（1）在在气缸内内的燃烧烧过程中中产生并并随废气气排出，此此部分HHC主要要是燃烧烧过程中中未燃烧烧或燃烧烧不完全全的碳氢氢燃料。（2）从从燃烧室室通过活活塞组与与气缸之之间的间间隙漏入入曲轴箱箱的窜气气中含有有大量未未燃燃料料，如果果排入大大气中也也构成HHC排放放物。（3）从从汽油机机的燃油油系统蒸蒸发的燃燃油蒸汽汽。影响碳氢氢化合物物生成的的因素未燃HCC

7、排放主主要是由由于缸内内混合气气过浓、过过稀或局局部混合合不均引引起燃烧烧不完全全而导致致的，造造成燃烧烧不完全全的因素素大致有有混合气气的质量量、发动动机的运运行条件件、燃烧烧室结构构参数及及点火与与配气正正时等。1. 混混合气质质量的影影响混合气质质量的优优劣主要要体现在在燃油的的雾化蒸蒸发程度度、混合合气的均均匀性、空空燃比和和缸内残残余废气气系数的的大小等等方面。混混合气的的均匀性性越差则则HC排放放越多。当当空燃比比略大于于理论空空燃比时时，HCC有最小小值；混混合气过过浓或过过稀均会会发生不不完全燃燃烧，废废气相对对过多则则会使火火焰中心心的形成成与火焰焰的传播播受阻甚甚至出现现断

8、火，致致使HCC排放量量增加。2. 运运行条件件的影响响1）汽油油机运行行条件的的影响（1）负负荷的影影响：发发动机试试验结果果表明：当空燃燃比和转转速保持持不变，并并按最大大功率调调节点火火时刻时时，改变变发动机机负荷，对对HC的相相对排放放浓度几几乎没有有影响。但但当负荷荷增加时时，HCC排放量量绝对值值将随废废气流量量变大而而几乎呈呈线性增增加。（2）转转速的影影响：发发动机转转速对HHC排放放浓度的的影响则则非常明明显。转转速较高高时，HHC排放放浓度明明显下降降，这是是由于气气缸内混混合气的的扰流混混合、涡涡流扩散散及排气气扰流、混混合程度度的增大大改善了了气缸内内的燃烧烧过程、促促

9、进了激激冷层的的后氧化化，后者者则促进进了排气气管内的的氧化反反应。（3）点点火时刻刻的影响响：点火火时刻对对HC排放放浓度的的影响体体现在点点火提前前角上。点点火延迟迟（点火火提前角角减小）可可使HCC排放下下降，这这是由于于点火延延迟使混混合气燃燃烧时的的激冷壁壁面面积积减小，同同时使排排气温度度增高，促促进了HHC在排排气管内内的氧化化。但采采用推迟迟点火，靠靠牺牲燃燃油经济济性来降降低HCC排放是是得不偿偿失的。因因此，点点火延迟迟要适当当。（4）壁壁温的影影响：燃燃烧室的的壁温直直接影响响了激冷冷层厚度度和HCC的排气气后反应应。据研研究，壁壁面温度度每升高高1，HC排放放浓度相相应

10、降低低0.663110-661.004110-66。因此此提高冷冷却介质质温度有有利于减减弱壁面面激冷效效应，降降低HCC排放。（5）燃燃烧室面面容比的的影响：燃烧室室面容比比大，单单位容积积的激冷冷面积也也随之增增大，激激冷层中中的未燃燃烃总量量必然也也增大。因因此，降降低燃烧烧室面容容比是降降低汽油油机HCC排放的的一项重重要措施施。2）柴油油机运行行条件的的影响（1）喷喷油时刻刻的影响响：柴油油机喷油油时刻（喷喷油提前前角）决决定了气气缸内的的温度。喷喷油提前前角增大，缸缸内温度度较高，使使HC排放放量下降降。在一一台自然然吸气式式直喷柴柴油机上上进行的的试验证证实：在在13工况况下，当

11、当 偏离离最佳值值时，缸缸内温度度及反应应区的气气体环境境均发生生变化。平均减小1CA，HC的体积分数平均增加8.97%；平均增加1CA，HC平均下降1.97%。（2）喷喷油嘴喷喷孔面积积的影响响：当循循环喷油油量及喷喷油压力力不变时时，改变变喷孔面面积不仅仅改变了了喷油时时间的长长短，并并且同时时改变了了油雾颗颗粒大小小和射程程的远近近，即影影响油气气混合的的质量，必必将导致致HC排放放量的变变化。有有试验结结果证实实：在113工况况下，以以喷孔直直径为00.233的四四孔喷油油嘴的喷喷孔面积积为参考考基础，当当面积减减小1%时，HCC的体积积分数相相应减小小1.223%；当面积积增加11%

12、时，HCC的体积积分数相相应增大大7.771%。这这说明喷喷孔面积积加大时时，雾化化和混合合质量变变差，HHC排放放量增加加幅度较较大；反反之，燃燃烧得到到改善，但但HC排放放量降低低幅度较较小。（3）冷冷却水进进水温度度的影响响：冷却却水温相相对降低低，将导导致气缸缸内温度度降低，HC排放量会相对增加。试验证明：以冷却水进水温度75为比较标准，当进水温度下降到65时，13工况下的HC体积分数平均增加37.21%。（4）进进气密度度的影响响：进入入柴油机机的空气气密度降降低，使使缸内空空气量减减少，燃燃烧不完完善，HHC排放放量一般般会增加加。试验验证明：进气压压力在00.099670.009

13、477MPaa的变化化范围内内，空气气密度每每下降11%，13工况况下HCC平均减减少0.99%。3 氮氧氧化物3.1车车用发动动机排气气中的氮氮氧化物物NOX包含NOO和NO2，其中中大部分分是NOO，它们们是N2在燃烧烧高温下下的产物物。影响NOOX生成的的因素1. 影影响汽油油机NOOX排放的的因素1）过量量空气系系数和燃燃烧室温温度的影影响由于直接接影响燃燃烧时的的气体温温度和可可利用的的氧浓度度，所以以对NOOX生成的的影响是是很大的的。当小小于1时，由由于缺氧氧即使燃燃烧室内内温度很很高NOOX的生成成量仍会会随着的的降低而而降低，此此时氧浓浓度起着着决定性性作用；但当大大于1时，

14、NOOX生成量量随温度度升高而而迅速增增大，此此时温度度起着决决定性作作用。由由于燃烧烧室的最最高温度度通常出出现在1.11，且此此时也有有适量的的氧浓度度，故NNOX排放浓浓度出现现峰值。如如果进一一步增大大，温度度下降的的作用占占优势，则则导致NNO生成成量减少少。2）残余余废气分分数的影影响图2-10 排气中NO的体积分数随点火提前角的变化汽油机中中燃烧室室内的混混合气由由空气、已已蒸发的的燃油蒸蒸气和已已燃气组组成，后后者是前前一工作作循环留留下的残残余废气气，或由由废气再再循环系系统（EEGR）中中从排气气管回流流到进气气管并进进入气缸缸的燃烧烧废气。残残余废气气分数i定义为为：缸内

15、内残余废废气质量量mi与进气气终了气气缸内充充量质量量mc之比，即即i=mmi/mc (2-12)式中：mmc=memimr，me和mr分别为为进入气气缸的空空气和燃燃油质量量。残余废气气分数主主要取决决于发动动机负荷荷和转速速。减小小发动机机负荷即即减小节节气门开开度和提提高转速速，均加加大了进进气阻力力，使残残余废气气分数增增大。压压缩比较较高的发发动机残残余废气气分数较较小。通过废气气再循环环可大大大增加气气缸中的的残余废废气分数数。当可可燃混合合气中废废气分数数增大时时，既减减小了可可燃气的的发热量量又增大大了混合合气的比比热容，都都使最高高燃烧温温度下降降，从而而使NOO排放降降低。

16、3）点火火时刻的的影响由于点火火时刻对对燃烧室室内温度度和压力力有明显显影响，故故其对NNO生成成的影响响也很大大。图22-100表示了了三种空空燃比下下排气中中NO的体体积分数数随点火火提前角角的变化化趋势。从从该图可可以看出出：随着着的减小小，NOO排放量量不断下下降；当当值很小小时，下下降速率率趋缓。增大点火火提前角角使较大大部分燃燃料在压压缩上止止点前燃燃烧，增增大了最最高燃烧烧压力值值，从而而导致较较高的燃燃烧温度度，并使使已燃气气在高温温下停留留的时间间较长，这这两个因因素都将将导致NNO排放放量增大大。因此此延迟点点火和使使用比理理论混合合气较浓浓或较稀稀的混合合气都能能使NOO

17、排放降降低，但但同时也也会导致致发动机机热效率率降低，严严重影响响发动机机经济性性、动力力性和运运转稳定定性，因因此应慎慎重对待待。2. 影影响柴油油机NOOX排放的的因素柴油机与与汽油机机的主要要差别之之一在于于燃油是是在燃烧烧刚要开开始前才才喷入燃燃烧室的的，燃烧烧期间燃燃油分布布不均匀匀，引起起已燃气气体中温温度和成成分不均均匀。上上述影响响汽油机机NOX 图2-11 车用柴油机燃油消耗率、烟度、气体排放CO、NOx、HC随喷油提前角的变化排放的的大部分分因素也也适用于于柴油机机。与汽油机机一样，柴柴油机气气缸内达达到的最最高燃烧烧温度也也有控制制NO生成成的作用用。在燃燃烧过程程中最先

18、先燃烧的的混合气气量（紧紧接着滞滞燃期的的预混合合燃烧）对对NO的生生成量有有很大影影响。因因为这部部分混合合气在随随后的压压缩过程程中由于于被压缩缩，使温温度升到到较高值值，从而而导致NNO生成成量的增增加。然然后这些些燃气在在膨胀过过程中膨膨胀并与与空气或或温度较较低的燃燃气混合合，冻结结已生成成的NOO。因此此，在燃燃烧室中中存在温温度较低低的空气气是压燃燃式发动动机的第第二个独独特之处处。这也也就是柴柴油机中中NO成分分的冻结结发生得得比汽油油机早以以及NOO的分解解倾向较较小的原原因。1）喷油油定时的的影响试验表明明，柴油油机气缸缸内NOO生成率率大约从从燃烧开开始后220CCA内达

19、达到最大大值，其其数值大大小大致致与预混混燃烧期期内燃烧烧的混合合气数量量成正比比。喷油油提前角角减小，使使燃烧推推迟，燃燃烧温度度较低，生生成的NNOX较少。这这种推迟迟喷油的的方法是是降低柴柴油机NNOX 图2-12 传统柴油机的典型放热规律（虚线）与低排放柴油机的优化放热规律（实线）1-推迟燃烧始点，降低NOX排放；2-降低初始燃烧温度减少NOX生成；3-维持中期快速燃烧和燃烧温度，降低微粒排放；4-缩短扩散燃烧期，降低燃料消耗率、排气温度和微粒排放排放的的最简单单易行且且有效的的方法，但但会使燃燃油消耗耗率略有有提高。图图2-111表示示现代车车用柴油油机的喷喷油定时时在从上上止点前前

20、8CCA4CCA范围围内变化化时，柴柴油机性性能和排排放的相相对变化化趋势。2）放热热规律的的影响图2-112表示示柴油机机燃烧放放热规律律的两种种模式：传统放放热规律律模式（虚虚线）和和低排放放放热规规律模式式（实线线）。图图中c为燃料料已燃质质量分数数，dc/d为放热热率。传传统模式式在压缩缩上止点点前即由由于不可可控预混混合燃烧烧而出现现一个很很高的放放热率尖尖峰，接接着是由由于扩散散燃烧造造成的一一个平缓缓的放热热率峰。前前者导致致生成大大量NOO；而后后者（缓缓慢拖拉拉的燃烧烧）导致致柴油机机热效率率恶化，微微粒排放放增加。低低排放放放热模式式一般都都在上止止点后开开始放热热，第一一

21、峰值较较低，使使NOX生成较较少；中中期扩散散燃烧尽尽可能加加速，使使燃烧过过程提前前结束，不不仅提高高热效率率，也能能降低微微粒排放放。3）负荷荷与转速速的影响响柴油机的的NOX排放与与负荷和和转速的的关系如如图2-13所所示。NNOX排放随随负荷增增大而显显著增加加，这是是因为随随负荷增增大可燃燃混合气气的平均均空燃比比减小，使使燃烧压压力和温温度提高高所致。但但当负荷荷超过某某一限度度时，NNOX的摩尔尔分数反反而下降降，这是是因为燃燃烧室中中氧相对对缺少而而导致燃燃烧恶化化，温度度提高的的效果被被氧含量量的相对对减少所所抵消，甚甚至有余余。此情情形在超超负荷运运转时更更为明显显。柴油机

22、转转速对NNOX排放的的影响比比负荷的的影响小小。对非非增压柴柴油机，一一般最大大转矩转转速下的的NOX体积分分数大于于标定转转速下的的值，其其原因主主要在于于低转速速下，NNOX生成反反应占有有较多的的时间。图2-113 柴柴油机不不同负荷荷下的NNOX排放和和对应的的空燃比比（直喷式式自然吸吸气车用用柴油机机，61022mm1188mm，=166.5）4 微粒粒1、汽油油机中的的排气微微粒有三三种来源源：含铅铅汽油中中的铅、有有机微粒粒（包括括碳烟）、来来自汽油油中的硫硫所产生生的硫酸酸盐。车用汽油油机用含含铅量00.155g/LL的含铅铅汽油运运转时，微微粒排放放量在11001500mg

23、/km范范围内，其其主要成成分为铅铅化合物物，铅质质量分数数占255%60%，微粒粒尺寸分分布为880%的的直径小小于0.2mm，这种种微粒是是由排气气中的铅铅盐冷凝凝生成的的。因此此，以质质量计的的排放量量在发动动机冷起起动时较较高。目目前，由由于含铅铅汽油的的淘汰及及贵金属属三效催催化剂的的应用，铅铅微粒当当然也不不再排放放。硫酸盐排排放主要要涉及在在排气系系统中有有氧化催催化剂的的车用发发动机。汽汽油中的的硫在燃燃烧中转转化为SSO2，被排排气系统统中催化化剂氧化化成SOO3后，与与水结合合生成硫硫酸雾。因因此，汽汽油机硫硫酸盐的的排放量量直接取取决于汽汽油中的的硫含量量。碳烟排放放只在

24、使使用很浓浓的混合合气时才才会遇到到，对调调整良好好的汽油油机不是是主要问问题。此外当发发动机技技术状态态不良（例例如气缸缸活塞组组严重磨磨损），导导致润滑滑油消耗耗很大时时，会产产生排气气冒蓝烟烟，这是是未燃烧烧润滑油油微粒构构成的气气溶胶。此此时发动动机性能能明显恶恶化，需需立即检检修。2.影响响微粒生生成的因因素1. 负负荷与转转速的影影响图2-116为柴柴油机的的微粒排排放量与与负荷和和转速的的关系。由由该图可可看出：在高速速小负荷荷时，单单位油耗耗的微粒粒排放量量较高，且且随负荷荷的增加加，微粒粒排放量量降低；而在低低速大负负荷时，微微粒排放放量又由由于燃空空比的增增加而有有所升高高

25、。微粒排放放量随负负荷有这这样的变变化趋势势，是由由于小负负荷时燃燃空比和和温度均均较低，气气缸内稀稀薄混合合气区较较大，且且处于燃燃烧界限限之外而而不能燃燃烧，造造成了冷冷凝聚合合的有利利条件，从从而有较较多微粒粒（主要要成份是是未燃燃燃油成份份和部分分氧化反反应产物物）生成成；在大大负荷时时，燃空空比和温温度均较较高，造造成了裂裂解和脱脱氢的有有利条件件，使微微粒（主主要成份份是碳烟烟）排放放量又有有了升高高；在接接近全负负荷时微微粒排放放急剧增增加（接接近冒烟烟界限），这这时虽然然总体过过量空气气系数尚尚大于11，但由由于燃烧烧室内可可燃混合合气不均均匀，局局部会有有过浓，导导致烟粒粒大

26、量生生成。微粒排放放量与转转速有如如此变化化关系，是是由于在在小负荷荷时温度度低，以以未燃油油滴为主主的微粒粒的氧化化作用微微弱。当当转速升升高时，这这种氧化化作用又又受到时时间因素素的制约约，故微微粒排放放量随转转速升高高而增加加；在大大负荷时时，转速速的升高高有利于于气流运运动的加加强，使使燃烧速速度加快快，对碳碳烟微粒粒在高温温条件下下与空气气混合氧氧化起了了促进作作用，故故以碳烟烟为主的的微粒排排放量随随转速的的升高而而减小。如如仅考虑虑碳烟排排放，对对车速适适应性好好的柴油油机而言言，其峰峰值浓度度往往出出现在低低速大负负荷区。2. 燃燃料的影影响柴油中的的芳香烃烃含量及及柴油的的馏

27、程对对柴油机机的微粒粒排放有有明显的的影响。试试验表明明，燃油油中芳香香烃含量量及馏程程越高，在在相同的的试验条条件下，微微粒排放放量越大大；而烷烷烃含量量越高，微微粒排放放量越少少。燃油的十十六烷值值对烟粒粒排放也也有明显显影响。试试验表明明，柴油油机的排排烟浓度度随十六六烷值的的提高而而增大，其其原因可可能是由由于十六六烷值较较高的燃燃油稳定定性较差差，在燃燃烧过程程中碳的的生成速速率较高高所致。若若从柴油油的十六六烷值对对燃烧过过程的影影响考虑虑，则由由于十六六烃值高高的燃油油具有良良好的发发火性，其其滞燃期期短，参参与预混混燃烧的的燃油较较少，大大部分燃燃油是以以扩散燃燃烧的方方式进行

28、行，故排排烟浓度度较大。然然而，以以降低十十六烷来来获得排排烟的改改善，会会带来柴柴油机工工作粗暴暴等严重重后果。3. 喷喷油参数数的影响响1）喷油油定时的的影响在直喷式式柴油机机中，当当所有其其它参数数不变时时，提前前喷油或或非常迟迟的喷油油，可以以降低排排气烟度度，如图图2-117所示示。提前喷油油使排烟烟下降的的原因是是：滞燃燃期随喷喷油提前前角的加加大而延延长，因因此使着着火前的的喷油量量较多，燃燃烧温度度较高，燃燃烧过程程结束较较早，从从而使排排气烟度度下降。但但喷油提提前会使使燃烧噪噪音和柴柴油机机机械负荷荷与热负负荷加大大，还会会引起NNOX排放量量增加。喷油定时时，BTTDC/

29、A 图2-117 喷喷油定时时对烟度度的影响响图2-118 直直喷式柴柴油机喷喷油规律律对排放放的影响响（喷油提提前角117BBTDCC；=12250rr/miin；涡涡流比33.5；喷油持持续角225）非常迟的的喷油使使排烟下下降的原原因是：这种喷喷油定时时发生于于最小滞滞燃期之之后，由由于扩散散火焰大大部分发发生在膨膨胀过程程中，火火焰温度度较低，使使碳烟的的生成速速率降低低。2）喷油油规律的的影响在喷油定定时、喷喷油持续续角、循循环供油油量、涡涡流比和和发动机机转速不不变的条条件下，直直喷式柴柴油机的的喷油规规律对NNO和碳碳烟排放放的影响响如图22-188所示。当当大部分分燃油在在前半时时间内喷喷入气缸缸时，参参与预混混