汽车排放与噪声控制（第3版）课件：车用汽油机排放污染物的生成机理及影响因素

汽车排放与噪声控制（第3版）

车用汽油机排放污染物的生成机理及影响因素第一节汽油机燃烧过程概况第二节汽油机污染物的生成机理第三节影响汽油机排气污染物生成的因素第一节

汽油机燃烧过程概况

汽油机是利用火花塞放电产生的电火花来点燃混合气的。火花塞放电前，汽缸内燃料和空气的混合物已经形成，电火花提供的活化能，经过链反应，活性核心大大增加，于是在火花塞附近产生急剧的氧化反应并形成火焰核心。第一节

汽油机燃烧过程概况

汽油机燃烧室中的火焰传播燃烧是一系列的等压燃烧，在封闭的燃烧室中火焰传播的情况相当复杂。图3-1为汽油机的火焰传播示意图

图3-2

燃烧室中的分段燃烧模型第一节

汽油机燃烧过程概况

汽油机燃烧过程有以下特点:(１)各层混合气是在不同压力和温度下点燃的，在未燃区，离火花塞最远的单元前受压最大，燃烧前温度也最高。因此爆燃总是产生在最后燃烧部分。

(２)每一个已燃单元的燃烧气要受到正在燃烧的燃烧气层的压缩，因此在燃烧室中发生温度分层现象。(３)由于火焰传播燃烧是一系列的等压燃烧，汽缸内压力越来越高，未燃气体受已燃气体膨胀作用的压力，其密度也越来越大。图3-3

已燃气体的质量与体积的关系第二节

汽油机污染物的生成机理

汽油机排放污染物的排放途径可分为曲轴箱窜气、燃料蒸发泄漏和燃烧排气3部分。曲轴箱窜气主要是指在压缩或燃烧过程中汽缸中的混合气或燃气从活塞环间隙泄露到曲轴箱，并由曲轴箱通风口排入大气的气体，其主要成分是未燃碳氢化合物HC，泄漏量随着发动机的磨损而增加。1.概述第二节

汽油机污染物的生成机理

2.有害排放物的生成机理

第二节

汽油机污染物的生成机理进气温度的影响

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,供给的混合气的空燃比A/F随吸入空气温度的上升而变浓,排出的CO将增加

2.有害排放物的生成机理图3-6

进气温度与空燃比的关系图3-5排气中CO、HC、NOｘ与A/F的关系第二节

汽油机污染物的生成机理大气压力的影响

大气压力P随海拔高度而变化,由经验公式

式中:ｈ———海拔高度km当海平面P0=100kPa时,可绘出海拔高度和大气压力变化关系的曲线,如图3-7所示2.有害排放物的生成机理图3-7

进气温度与空燃比的关系第二节

汽油机污染物的生成机理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，造成混合气瞬时过浓，致使燃烧状况恶化，CO浓度将显著增加到怠速时的浓度。怠速转速的影响

图3-8表示了怠速转速和排气中ＣＯ、ＨＣ浓度的关系2.有害排放物的生成机理图3-8

怠速转速对CO和HC排放的影响第二节

汽油机污染物的生成机理发动机工况的影响

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2.有害排放物的生成机理图3-9

某汽油机等速工况排气成分实测结果第二节

汽油机污染物的生成机理HC的生成机理2.有害排放物的生成机理汽车排放的HC，其成分极为复杂，估计有100

~200种成分，包括芳香烃、烯烃、烷烃和醛类。除排气中的未燃烃外，还包括燃油供给系统的蒸发排放以及燃烧室等泄漏排放出的HC。第二节

汽油机污染物的生成机理2.有害排放物的生成机理不完全燃烧(氧化)01壁面淬熄效应02体积淬熄03狭缝效应04壁面油膜和积炭吸附05冷起动06碳氢化合物的后期氧化07HC的生成机理第二节

汽油机污染物的生成机理2.有害排放物的生成机理NOX的生成机理

汽油机燃烧过程中生成的氮氧化物主要是NO,另有少量的NO2,统称为NOX,燃烧过程中生成的NO,除了可与含Ｎ原子中间产物反应还原为Ｎ２外还可与各种含氮化合物生成NO2,燃烧生成NO2的反应过程非常复杂。

燃烧过程中产生的NO经排气管排至大气中，在大气条件下缓慢地与Ｏ２反应，最终生成NO2，因而在讨论NOX的生成机理时，一般只讨论NO的生成机理。第二节

汽油机污染物的生成机理2.有害排放物的生成机理NOX的生成机理ＮＯ浓度和过量空气系数ϕａ、停留时间的关系高温NOＯ＋Ｎ２＝ＮＯ＋ＮＮ＋Ｏ２＝ＮＯ＋ＯＮ＋ＯＨ＝Ｈ＋ＮＯ图3-13是用扩展的泽氏反应机理对甲烷和空气混合物的计量结果图3-13

NO浓度和过量空气系数ϕａ、停留时间的关系第二节

汽油机污染物的生成机理2.有害排放物的生成机理NOX的生成机理ＮＯ浓度和过量空气系数ϕａ、停留时间的关系激发NO激发NO的生成主要受三个因素的控制:燃料中碳氢化合物分解为ＣＨ等原子团的多少ＣＨ等原子团与Ｎ２反应生成氰化物的速率氮化物之间相互转换速率图3-15

反应区附近ＮＯ和ＨＣＮ的含量变化第二节

汽油机污染物的生成机理2.有害排放物的生成机理NOX的生成机理ＮＯ浓度和过量空气系数ϕａ、停留时间的关系燃料NO

燃料中的氮化合物分解后生成HCN和NH3等中间产物,并逐步生成ＮＯ,这一反应过程在≤1600℃条件下就可进行第三节

影响汽油机排气污染物生成的因素ＮＯ浓度和过量空气系数ϕａ、停留时间的关系图3-16影响汽油机有害排放物的因素第三节

影响汽油机排气污染物生成的因素ＮＯ浓度和过量空气系数ϕａ、停留时间的关系图3-17ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ排放率及油耗与空燃比的关系1.空燃比

第三节

影响汽油机排气污染物生成的因素图3-18点火提前角对ＨＣ和ＮＯｘ排放的影响2.点火提前角第三节

影响汽油机排气污染物生成的因素3.汽油机运转状态汽油机转速n的变化,将引起充气系数、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.转速燃烧室表面沉积物负荷排气背压冷却液温度及燃烧室壁面温度负荷变化对CO的排放量基本上也没有影响,但对ＮＯ的排放量有影响ＨＣ排放随冷却液温度增加而减少，冷却液及燃烧室壁面温度的提高，也使燃烧最高温度增加，从而ＮＯ排放也增加。燃烧室壁面沉积物的增加,将使ＨＣ排放量增加排气背压增加，留在缸内的废气增多，其中的未燃烃会在下一循环中烧掉，因此排气中的HC含量将降低稳定运转状态第三节

影响汽油机排气污染物生成的因素非稳定运转状态3.汽油机运转状态冷启动：HC的大量排放NOX的排放量很低加速：造成较高CO和HC排放图3-27不同形式汽油机减速时的ＨＣ和ＣＯ排放特性减速图3-26汽油机排气中ＣＯ摩尔分数在加速时的变化第三节

影响汽油机排气污染物生成的因素汽油机的汽缸工作容积与行程缸径比对排气污染物的排放和油耗有很大的影响图3-28行程缸径比及工作容积对ＨＣ排放的影响汽缸工作容积与行程缸径比的影响4.汽油机结构参数汽油机的汽缸工作容积与行程缸径比对排气污染物的排放和油耗有很大的影响.图3-29行程缸径比及工作容积对ＮＯ排放的影响第三节

影响汽油机排气污染物生成的因素汽油机的汽缸工作容积与行程缸径比对排气污染物的排放和油耗有很大的影响压缩比ε的影响4.汽油机结构参数压缩比ε增大后，Ｆ/Ｖ增大，进入活塞顶环隙的混合气增多，ＨＣ的排放量增加，ＮＯｘ排放受两方面的影响，一是压缩比升高后，燃烧温度上升导致ＮＯｘ增多，另一方面是热效率提高和Ｆ/Ｖ增大使ＮＯｘ减少图3-30压缩比对ＨＣ及ＮＯｘ排放的影响第三节

影响汽油机排气污染物生成的因素汽油机的汽缸工作容积与行程缸径比对排气污染物的排放和油耗有很大的影响燃烧室形状的影响4.汽油机结构参数工作容积和压缩比保持一定，变化燃烧室形状时，HC的排出量与面容比F/V成正比，即F/V增大,HC的排出量也增加。NOｘ的排放与HC正好相反,有与面容比F/V成反比的倾向,这是因为随F/V的增大,热损失变大,燃烧气体的最高温度降低.图3-31燃烧室形状对HC及NOｘ排放的影响第三节

影响汽油机排气污染物生成的因素汽油机的汽缸工作容积与行程缸径比对排气污染物的排放和油耗有很大的影响气门定时的影响4.汽油机结构参数图3-32气门定时对发动机ＨＣ和ＮＯｘ排放的影响第三节

影响汽油机排气污染物生成的因素活塞顶环隙容积的影响进入活塞和缸壁构成的小间隙(活塞顶环隙)的混合气,由于壁面淬熄效应和狭缝效应的影响,很难燃烧掉,从而影响ＨＣ的排放量.排气系统的影响排气系统对ＨＣ的排放有影响.火花塞位置的影响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.4.汽油机结构参数图3-33活塞顶环隙容积对ＨＣ排放的影响第三节

影响汽油机排气污染物生成的因素5.燃料性质辛烷值汽油辛烷值的大小影响汽油机的油耗,较低的辛烷值导致油耗增加,因此排放量也随之增大。挥发性汽油的挥发性太低，则混合气的生成不良，起动困难，暖机性能不好，影响燃烧和排放，挥发性太高，则蒸发排放增加，炭罐容易过载，