汽油機(jī)排氣污染物影響因素分析

1、文檔從互聯(lián)網(wǎng)中收集，已重新修正排版，word格式支持編輯，如有幫助歡迎下載支持。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(guò)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(wú)特別說(shuō)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(guò)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(chē)的良好加速性化油器式汽油機(jī)在加速工況時(shí)，通常

2、由加速泵增加進(jìn)人 缸內(nèi)的燃油呈，即供給較濃的混合氣，使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒不完全，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(mén)突然增大，噴人缸內(nèi)的燃油呈突然增多.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(chē)減速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)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(mén)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(chē)等

3、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(guò)濃或過(guò)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的生成呈增加。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

4、的均勻性衡呈。常見(jiàn)的保證汽油和空氣充分混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(guò)竝撞吏噴霧干的,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)與普通燃料噴射系統(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。可見(jiàn)，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岀前已開(kāi)始混合，故噴岀的燃料微粒更為 微

5、小，燃油和空氣的混合更為充分。采用空氣輔助噴射系統(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 - 1 6所示?？梢?jiàn), 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，并且明顯降低。lword格式支持編輯，如有幫助歡迎下載支持。515空氣輔助噴射系統(tǒng)號(hào)瞽通燃料噴射系統(tǒng)的噴霧比較 (a)空氣輔助燃料噴射系統(tǒng)的噴霧;(b)普通噴射系統(tǒng)的噴霧2word格式支持編輯，如有幫助歡迎下載支持。II的渦流及的旋轉(zhuǎn)軸因此，氣圖519為 之和不同時(shí)的 動(dòng)率 COV（Pi） 凡的標(biāo)準(zhǔn)偏差 凡的平均值之 HC9CTNO.的 的變化情況。 流

6、比之和是一 運(yùn)動(dòng)的典型參 大表明缸內(nèi)氣圖18汽油機(jī)如內(nèi)禪洗和滾渡3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 J7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?？焖?、完全燃燒主要依靠提高火焰?zhèn)鞑ニ俣葘?shí)現(xiàn)。三、缸內(nèi)氣體流動(dòng)的影響現(xiàn)代四氣門(mén)汽油機(jī)缸內(nèi)氣體流動(dòng)主要有圖5-18所示 滾流兩種形式。渦流的旋轉(zhuǎn)軸心與氣缸軸心平行，滾流 心與氣缸軸心垂直。由于普通汽油

7、機(jī)的噴油時(shí)刻較早，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(guò)程的影響圖5/7分層燃燒的汽油機(jī)的混合氣形成方式（可空氣引導(dǎo)；（b）壁面引導(dǎo)；U）噴寥引導(dǎo).明顯。燃燒過(guò)程中缸內(nèi)氣體流動(dòng)速度越高，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇?，燃燒過(guò)程越短。因此，隨 氣體流動(dòng)速度增大燃燒變得更為完全,污染物生成量減少。渦流比與滾流比 平均指示壓力變 （平均指示壓力 與平均指示壓力 比）、有效油耗' 排放隨空燃比 缸內(nèi)渦流比與滾 個(gè)表示缸內(nèi)氣流 數(shù).這個(gè)參數(shù)越 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CO排放隨著氣

8、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。7四、汽油機(jī)調(diào)節(jié)參數(shù)的影響汽油機(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(guò)程中可以進(jìn)行調(diào)整。由第二章可知,8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呈的co排岀。試驗(yàn)表明co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. 空燃比的影響饕速：600r/m】n 牠矩：SON-m圖5-20空燃比對(duì)HC.NO,的形響上ON空燃比對(duì)HC、NO,的排放濃度

9、及燃料消耗率的影響如圖5-20所示，圖5-20中同 時(shí)給岀了試驗(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 Tor que,MBT)o 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,排放濃度降低。在稀混合氣一 側(cè)N0-降低的

10、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?？梢?jiàn)， 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。空燃比一定時(shí)，隨著點(diǎn)火時(shí)間推遲HC及N O,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,降低的原因主要是由于點(diǎn)火延遲后，最高燃燒溫度直線下 降。3汽油機(jī)轉(zhuǎn)速

11、汽油機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，將引起充氣效率、點(diǎn)火提前角、混合氣形成' 空燃比、缸內(nèi) 氣體流動(dòng)、汽油機(jī)溫度以及排氣在排氣管中停留的時(shí)間等的變化。轉(zhuǎn)速對(duì)排放的影響， 應(yīng)當(dāng)是這些變化的綜合影響匚一般當(dāng)增加時(shí),缸內(nèi)氣體流動(dòng)增強(qiáng)，燃油的霧化質(zhì)呈及均 勻性得到改善，湍流強(qiáng)度增大，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。°的變化對(duì)NO排放的影響較復(fù)雜,i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的增大而提高，使燃燒溫度及壓力提高，NO生成增力口。門(mén)的變化對(duì)NO排放的影響的一個(gè)測(cè)量結(jié)果如圖522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

12、上止點(diǎn)前30。謎氣管內(nèi)壓力為O.WSMPao NO排放隨.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生成呈主要取決于燃燒產(chǎn)物在高溫下的停留時(shí)間長(zhǎng)短，由于低轉(zhuǎn)速下燃燒產(chǎn)物在髙溫下的停留時(shí)間長(zhǎng)，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?，最高燃燒溫度低，因而NO生成呈隨著轉(zhuǎn)速增加而増加。4. 負(fù)荷如果維持混合氣空燃比及轉(zhuǎn)速不變，點(diǎn)火提前角調(diào)整到最佳點(diǎn)，則負(fù)荷增加對(duì)HC 排放基本上沒(méi)有影響。因?yàn)椋?fù)荷增加雖使缸內(nèi)壓力及溫度升髙，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姪的儲(chǔ)存

13、呈增加，而進(jìn)氣流呈 增加，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)CO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)荷增力口， 進(jìn)氣歧管壓力增加，缸內(nèi)溫度提高，0排玫濃度也增加，在使用稀混合氣時(shí)更為明顯， 如圖523所示。汽油機(jī)是采用節(jié)氣門(mén)來(lái)控制負(fù)荷的，因此，隨著負(fù)荷的加大進(jìn)氣呈就 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常在點(diǎn)火定 時(shí) 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)鞑ニ俣?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)荷 變化而變化，則負(fù)荷減小會(huì)使后燃

14、變得嚴(yán)重.從而使NO排放濃度減少。由于在濃混合氣 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稀, 負(fù)荷的影響增大如圖5-23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，改善縫隙容積逸岀的HC及淬熄層擴(kuò)散出來(lái)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(guò)呈空氣系數(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(guò)，冷卻

15、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)的影響在發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)中，與排放關(guān)系比較大的有工作容積、行程缸徑比（S/D）、燃 燒a w-1500r min.200kPa o 2000r min./400kPa O w2500r6OOkPo圖5-25壓縮比對(duì)HC及 NO*排放的影響raAV08ws*ttonGa.AVO 8y««ft0=室形狀、壓縮比、活塞頂結(jié)構(gòu)尺寸、配氣定時(shí)以及排氣系統(tǒng)等。這些參數(shù)的影響道循： 一是在上止點(diǎn)時(shí)燃燒室內(nèi)的表面積與容積之比S/K越大，進(jìn)入活塞的間隙的混合氣越多, HC的排出量增大;二是燃燒室壁面散失的熱

16、呈減少，殘留氣體減少,NO的排放增大。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/A變小,HC的排放減少;火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x增加， NO的排放增多。2. 壓縮比啲影響s增大后，S/V，增加,HC的排放變大。NO的排放受兩方面影 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 岀童與S/V成正比，即S/V增大，HC的排

17、出呈也增加。NO 的排放與HC正好相反，有與S/F成反比的傾向，這是因?yàn)殡S 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)于叫人的排放濃度，即使S/A相同，由于點(diǎn)火位置等的 差異，燃燒速度及燃燒溫度也受到很大的影響，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，日（3及"0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(mén)定時(shí)的影響氣門(mén)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“一“和"+”

18、分別表示上止點(diǎn)前和后。NO受殘留氣體變化的影 響，即受氣門(mén)重疊的影響，隨進(jìn)氣門(mén)早開(kāi)、排氣門(mén)遲閉，NO的排放減少，這是因?yàn)闅埩魵怏w的增加使燃燒溫度下降。排氣門(mén)關(guān)閉過(guò)遲，則進(jìn)氣量減少，燃燒溫度下降，N O的排放減少。排氣門(mén)開(kāi)啟角過(guò)早時(shí)，正在燃燒的HC會(huì)排岀，NO,過(guò)早凍結(jié)，因而HC和 NO,增多。進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟角度/C ）排化門(mén)關(guān)閉角度/ （(a )排氣門(mén)開(kāi)啟角度/ C > （下止點(diǎn)和圖527氣門(mén)定時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)NO及HC排放的影響®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的排放呈。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)隙的寬度丿 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?jiàn)，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 出呈增大。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，故火花瘞的位置對(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?；?