現(xiàn)代汽車排放與控制技術(shù)課件：汽車排放污染物的生成機(jī)理和影響因素 -

汽車排放與控制汽車排放污染物的生成機(jī)理和影響因素

學(xué)習(xí)目標(biāo)

理解汽車排放物與柴油車排放物有何異同，理解汽車排放物的生成機(jī)理及其影響知識(shí)要點(diǎn)

汽油車排放污染物的生成機(jī)理汽油車排放污染物的影響因素柴油車排放污染物的生成機(jī)理柴油車排放污染物的影響因素引例

某市環(huán)保局機(jī)動(dòng)車尾氣排放管理處對(duì)機(jī)動(dòng)車尾氣的進(jìn)行24小時(shí)測(cè)試。結(jié)果表明尾氣濃度最高時(shí)間是上下班時(shí)間，地點(diǎn)是在高架入口和十字路口處。考慮到車輛起動(dòng)時(shí)尾氣排放量大，交警部門在十字路口把左轉(zhuǎn)車輛的兩次起動(dòng)改成一次起動(dòng)。而以往是左轉(zhuǎn)車在紅綠燈提示進(jìn)入左轉(zhuǎn)等候區(qū)需起動(dòng)一次，然后綠燈時(shí)再起動(dòng)一次。試分析，汽車尾氣排放為什么在上下班時(shí)間，在路口的地方排放濃度大？從發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況的角度分析，為什么兩次起動(dòng)改為一次起動(dòng)能降低排放？

汽車排放對(duì)大氣污染嚴(yán)重，其主要原因是與燃料的燃燒過程密切相關(guān)。目前汽車常用的燃料是汽油和柴油，屬于石油制品，是多種烴的混合物，其主要化學(xué)成分為碳（C）和氫（H），具體的組成成分與原油產(chǎn)地還有關(guān)系。汽車排放除了和燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)中與空氣的混合過程，燃燒過程及燃燒結(jié)束后在排氣過程中的物理變化和化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。此外，還和燃油的蒸發(fā)等因素有關(guān)。汽油為C4—C11的碳?xì)淙剂?，易揮發(fā)，化學(xué)穩(wěn)定性好，著火溫度高，不易自燃，是依靠點(diǎn)火使其燃燒。因此，汽油機(jī)需要燃油和空氣在外部形成比較均勻的混合氣進(jìn)入氣缸后，用火花塞點(diǎn)燃，形成火焰中心，化學(xué)反應(yīng)加速，開始進(jìn)行火焰?zhèn)鞑ァＫ云淙紵绞綖轭A(yù)混合燃燒。

柴油機(jī)為C12~C23的碳?xì)浠衔?，不易揮發(fā)，著火溫度低，化學(xué)穩(wěn)定性差，但易自燃。因此，柴油機(jī)靠壓縮提高缸內(nèi)混合氣的溫度，使其自燃。由于柴油機(jī)是在極短的時(shí)間內(nèi)靠高壓將柴油噴入氣缸，經(jīng)過噴霧、蒸發(fā)，混合過程形成非均質(zhì)的可燃混合氣，當(dāng)壓縮達(dá)到自然溫度就會(huì)有多處著火而燃燒，燃燒時(shí)，仍有燃料正在進(jìn)行噴射、霧化、蒸發(fā)和混合，因此其燃燒方式為擴(kuò)散燃燒。由表2-1可見：汽油機(jī)污染物主要是CO，HC和NOx。柴油機(jī)污染物主要是微粒和NOx。2.1汽油車排放污染物的形成機(jī)理及其影響因素

汽油中一般烷族烴約占45%-60%，芳香族烴約占30%-35%，烯族烴約占5%~10%。其組成元素，按質(zhì)量百分比，碳（C）元素約占85.5%，氫（H）元素約占14.5%。傳統(tǒng)的汽油機(jī)壓縮比在7~10之間，燃燒過程是依靠火花塞點(diǎn)燃汽油與空氣的混合氣。汽油機(jī)燃燒必需具備兩個(gè)條件。一是空氣和燃料的混合氣成分（空燃比）應(yīng)處在可燃界限內(nèi)（一般在10-19之間）；二是火花塞應(yīng)具有足夠的點(diǎn)火能量（最小點(diǎn)火能量40-120mJ）才能可靠地點(diǎn)燃混合氣。汽油的理論空燃比為14.7，一般最經(jīng)濟(jì)混合氣的空燃比在15.4~16.2，最大功率空燃比為12.5-14。汽油機(jī)排放污染物與過量空氣系數(shù)φa的變化關(guān)系見圖2-1。

圖2-1汽油機(jī)排放污染物與過量空氣系數(shù)φa的變化關(guān)系較濃的混合氣（φa<1）由于燃燒不完全，排放的CO與HC濃度較高，在λ=1附近，CO與HC排放濃度下降，在φa=1.1~1.25范圍內(nèi)HC最少。NOx在稍稀處排放濃度最高。過稀或過濃混合氣工作時(shí)NOx都急劇下降。過分稀時(shí)還會(huì)出現(xiàn)失火，導(dǎo)致HC排放增加。2.1.1汽油機(jī)排放污染物的形成機(jī)理1CO的生成機(jī)理

CO的生成主要是和混合氣的混合質(zhì)量及其濃度有關(guān)。燃料燃燒時(shí)不可能全部生成CO2，會(huì)由于下列原因產(chǎn)生部分CO。1．燃料不完全燃燒2．混合氣混合不均勻3．CO2和H2O在高溫時(shí)裂解CO是碳?xì)浠衔锶剂显谌紵^程中生成的主要中間產(chǎn)物?？刂艭O排放量的主要因素是可燃混合氣的過量空氣系數(shù)φa。當(dāng)空氣不足即φa<1時(shí)，燃料燃燒時(shí)生成大量CO。在傳統(tǒng)的汽油機(jī)中（化油器式），可燃混合氣基本上是均勻的。在這種情況下，其CO排放量幾乎完全取決于混合氣的空燃比α?；蜻^量空氣系數(shù)φa。圖2-2點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)CO排放量xco與空燃比α及過量空氣系數(shù)φa的關(guān)系

圖2-1a表示Xco與α的關(guān)系。對(duì)于不同燃料，由于H/C比不同而互不重合。但如把空燃比α換成過量空氣系數(shù)φa，則不同燃料的關(guān)系相當(dāng)精確地落在一條線上(圖2-lb)。由此圖可見，在濃混合氣中(φa<1)，Xco隨φa的減小不斷增加，這是因?yàn)槿毖跻鸩煌耆紵隆Ｗ鳛橐环N粗略的估計(jì)，可以認(rèn)為φa每減小0.1，Xco增加0.03。在稀混合氣中(φa>1)，Xco都很小，只有在φa＝1.0～1.1時(shí)，Xco才隨φa有較復(fù)雜的變化。

汽油機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，缸內(nèi)殘余廢氣很多，混合也不充分，為了保證可燃混合氣穩(wěn)定燃燒，需要加濃混合氣，因而排放大量CO。這是化油器式汽油機(jī)總的CO排放量大的一個(gè)主要原因，因?yàn)檐囉脙?nèi)燃機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)所占時(shí)間比例很大。為了提高汽油機(jī)全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的功率輸出，往往把可燃混合氣加濃到φa＝0.8～0.9，導(dǎo)致CO排放量很大。全負(fù)荷不加濃或少加濃混合氣，應(yīng)認(rèn)為是降低CO排放的實(shí)用措施之一，但要以犧牲動(dòng)力性為代價(jià)。發(fā)動(dòng)機(jī)加速時(shí)，為了保證加速圓滑，也要在短時(shí)間內(nèi)加濃混合氣，導(dǎo)致出現(xiàn)CO排放高峰；發(fā)動(dòng)機(jī)急減速時(shí)不斷油，除了導(dǎo)致HC排放大增外，也使CO排放增加。2HC的生成機(jī)理

汽油機(jī)未燃HC都是在缸內(nèi)的燃燒過程中產(chǎn)生，并隨排氣排放。其未燃HC的生成與排放有如下三個(gè)渠道。

1)在氣缸內(nèi)的工作過程中生成并隨排氣排出，稱為HC的排氣排放物。主要是在燃燒過程中未燃燒或未完全燃燒的HC燃料。對(duì)于增壓的四沖程汽油機(jī)，一般采用較大的氣門重疊角。當(dāng)進(jìn)排氣門重疊開啟時(shí)，掃氣作用雖然有助于降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷，但也使HC排放增加。

2)從燃燒室通過活塞組與氣缸之間的間隙漏入曲軸箱的竄氣，含有大量未燃燒料。曲軸箱竄氣如果排入大氣也構(gòu)成HC排放物，稱為曲軸箱排放物。

3)從汽油機(jī)和其他輕質(zhì)液體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油系統(tǒng)，如燃油箱、化油器等處蒸發(fā)的燃油蒸氣，如果排入大氣同樣構(gòu)成HC排放物，稱為蒸發(fā)排放物。汽車汽油配售、儲(chǔ)存和加油系統(tǒng)如無特殊防蒸發(fā)排放措施，會(huì)產(chǎn)生大量蒸發(fā)排放物。汽油機(jī)未燃HC的生成機(jī)理主要如下：1）．壁面火焰淬熄2）．狹隙效應(yīng)3）．潤滑油膜的吸附和解吸4）．燃燒室中沉積物的影響5）．體積淬熄6）．碳?xì)浠衔锏暮笃谘趸?氮氧化物生成機(jī)理1）生成一氧化氮的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)在內(nèi)燃機(jī)排放的氮氧化物中占?jí)旱苟鄶?shù)的是NO。在化學(xué)計(jì)量混合比(φa=1)附近，導(dǎo)致生成NO和使其消失的主要反應(yīng)式為：O2→2OO＋N2→NO＋ON＋O2→NO＋ON＋OH→NO＋HNO既在火焰前鋒面中生成，也在離開火焰的已燃?xì)庵猩?。在?nèi)燃機(jī)中，燃燒是在高壓下發(fā)生的，火焰中的反應(yīng)帶很薄(≈0.1mm)，很短命。此外，燃燒期間氣缸內(nèi)壓力不斷提高，結(jié)果使已燃?xì)怏w溫度提高到比剛結(jié)束燃燒的火焰帶中達(dá)到的更高的溫度。這就是為什么除了混合氣很稀的地區(qū)外，只有很小一部分NO產(chǎn)生于火焰之中，而大部分NO則在離開火焰帶的已燃?xì)庵猩伞?/p>

NO既在火焰前鋒面中生成，也在離開火焰的已燃?xì)庵猩?。在?nèi)燃機(jī)中，燃燒是在高壓下發(fā)生的，火焰中的反應(yīng)帶很薄(≈0.1mm)，很短命。此外，燃燒期間氣缸內(nèi)壓力不斷提高，結(jié)果使已燃?xì)怏w溫度提高到比剛結(jié)束燃燒的火焰帶中達(dá)到的更高的溫度。這就是為什么除了混合氣很稀的地區(qū)外，只有很小一部分NO產(chǎn)生于火焰之中，而大部分NO則在離開火焰帶的已燃?xì)庵猩伞O的生成主要與溫度有關(guān)，圖2-4表示正辛烷與空氣的均勻混合氣在4MPa壓力下等壓燃燒時(shí)，計(jì)算得到的燃燒生成的NO平衡摩爾分?jǐn)?shù)XNOe與溫度T及過量空氣系數(shù)φa的關(guān)系(實(shí)線)。在φa>1的稀混合氣區(qū)內(nèi)，XNOe隨溫度的提高而迅速增大。在一定的溫度下，XNOe隨混合氣的加濃而減小。特別是可燃混合氣加濃到φa<l以后，由于氧不足，XNOe隨φa的減小而急劇下降。NO的生成量在稀混合氣區(qū)內(nèi)主要是溫度起支配作用，而在濃混合氣區(qū)內(nèi)主要是氧濃度起決定作用。

圖2-4NO平衡摩爾分?jǐn)?shù)XNOe與溫度T及過量空氣系數(shù)φa的關(guān)系

2）NO2的生成化學(xué)平衡計(jì)算表明，在一般火焰溫度下，燃?xì)庵械腘O2濃度與NO濃度相比可忽略不計(jì)，這由汽油機(jī)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)。不過在柴油機(jī)中，NO2可占排氣中總NOx的10％～30％。排氣中存留NO2的一個(gè)可能的機(jī)理，是在火焰中生成的NO可以通過下述反應(yīng)式迅速轉(zhuǎn)變?yōu)镹O2，即:

NO+HO2→NO2+OH然后NO2又通過下述反應(yīng)式重新轉(zhuǎn)變?yōu)镹O:

NO2+O→NO+O2除非在火焰中生成的NO2通過與較冷的氣體相混合而被“凍結(jié)”；因此，汽油機(jī)長期怠速會(huì)產(chǎn)生大量NO2。這也發(fā)生在小負(fù)荷的柴油機(jī)中，這時(shí)燃燒室中存在很多低溫區(qū)域，可以抑制NO2向NO的再轉(zhuǎn)變。2.1.2影響汽油機(jī)污染物排放的因素

1、混合氣濃度和質(zhì)量的影響混合氣濃度和質(zhì)量的優(yōu)劣主要體現(xiàn)在燃油的霧化蒸發(fā)程度、混合氣的均勻性、空燃比和缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)的大小等方面。CO的排放濃度隨混合氣濃度的降低而降低。這是因?yàn)殡S著空氣量的增加，氧氣增多，燃料能充分地燃燒，CO排放減少?；旌蠚獾木鶆蛐杂绊慔C的排放?；旌蠚饩鶆蛐栽讲顒tHC排放越多?；旌蠚膺^濃或過稀均會(huì)發(fā)生不完全燃燒，廢氣相對(duì)過多則會(huì)使火焰中心的形成與火焰的傳播受阻甚至出現(xiàn)斷火，致使HC排放量增加。

由于混合氣的濃度和質(zhì)量直接影響燃燒時(shí)的氣體溫度和可利用的氧濃度，所以對(duì)NOX生成的影響是很大的。NOx的排放是φa≈1.1時(shí)達(dá)到最高值，無論混合氣變稀或變濃，NOx排放均降低。這是因?yàn)楫?dāng)混合氣偏濃時(shí)，由于缺氧即使燃燒室內(nèi)溫度很高，NOX的生成量會(huì)隨著混合氣濃度的升高而降低，此時(shí)氧濃度起著決定性作用；但當(dāng)混合氣偏稀時(shí)，NOX生成量隨溫度升高而迅速增大，此時(shí)溫度起著決定性作用。由于燃燒室的最高溫度通常出現(xiàn)在φa≈1.1，且此時(shí)也有適量的氧濃度，故NOX排放濃度達(dá)到最大。2、點(diǎn)火提前角點(diǎn)火提前角對(duì)汽油機(jī)HC和NOx排放的影響如圖2-7所示。空燃比一定時(shí)，隨點(diǎn)火提前角的推遲，NOx和HC同時(shí)減低，燃油消耗卻明顯變化。這是因?yàn)殡S點(diǎn)火提前角相對(duì)于最佳點(diǎn)火提前角（MBT）的推遲，后燃加重，熱效率變差。但點(diǎn)火提前角推遲會(huì)導(dǎo)致排氣溫度上升，使得在排氣行程以及排氣管中HC氧化反應(yīng)加速，使最終排出的HC減少。NOx排放減低的原因主要是由于隨點(diǎn)火提前角的推遲，上止點(diǎn)后燃燒的燃料增多，燃燒的最高溫度下降造成的。圖中φ為當(dāng)量比，指理論空燃比與實(shí)際空燃比的比值，φ越小標(biāo)明混合氣越稀。點(diǎn)火提前角對(duì)CO排放濃度影響很小，除非點(diǎn)火提前角過分推遲，使CO沒有充分的時(shí)間完全氧化而引起CO排放量增加。

圖2-7點(diǎn)火提前角對(duì)HC和NOx排放的影響3、汽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)1）汽油機(jī)轉(zhuǎn)速

在汽油機(jī)怠速時(shí)，由于轉(zhuǎn)速低、汽油霧化差、混合氣很濃、殘余廢氣系數(shù)較大，CO及HC的排放濃度較高。從排放控制的角度看，希望發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速規(guī)定得高一些。轉(zhuǎn)速n的變化對(duì)NO排放的影響較復(fù)雜，如圖2-8所示。在燃用稀混合氣、點(diǎn)火時(shí)問不變的條件下，從點(diǎn)火到火焰核心形成的點(diǎn)火延遲時(shí)問受轉(zhuǎn)速影響較小，火焰?zhèn)鞑サ钠鹗冀莿t隨轉(zhuǎn)速的增加而推遲。雖然隨著轉(zhuǎn)速增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫灿刑岣撸岣叩姆炔蝗缛加脻饣旌蠚獾拇?。因此有部分燃料在膨脹行程壓力及溫度均較低的情況下燃燒，NO生成量減少。在燃用較濃的混合氣時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S轉(zhuǎn)速的提高而提高，散熱損失減少，缸內(nèi)氣體溫度升高，NO生成量增加。由圖中曲線可以看到，NO排放隨轉(zhuǎn)速n的變化而改變，特征的轉(zhuǎn)折點(diǎn)發(fā)生在理論空燃比附近。

圖2-8轉(zhuǎn)速n的變化對(duì)NO排放的影響2）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排放基本沒有影響。因?yàn)樨?fù)荷增加雖使缸內(nèi)壓力及溫度升高，激冷層變薄，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烴的儲(chǔ)存量增加，從而抵消了前者對(duì)HC排放的有利影響。在上述條件下，負(fù)荷變化對(duì)CO的排放量基本上也沒有影響，但對(duì)NO的排放量有影響，如圖2-9所示。汽油機(jī)是采用節(jié)氣門控制負(fù)荷的，負(fù)荷增加，進(jìn)氣量就增加，降低了殘余廢氣的稀釋作用，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊玫搅颂岣?，缸?nèi)溫度提高，NO，排放增加。這一點(diǎn)在混合氣較稀時(shí)更為明顯。混合氣過濃時(shí)，由于氧氣不足，負(fù)荷對(duì)NO。排放影響不大。圖2-9負(fù)荷變化對(duì)NO排放的影響（轉(zhuǎn)速2000r/min，點(diǎn)火提前角30°）3）汽油機(jī)冷卻水及燃燒室壁面溫度提高汽油機(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的含量，減少淬熄層厚度，減少HC排放。同時(shí)還可改善燃油的蒸發(fā)、混合和霧化，提高燃燒質(zhì)量，降低排放。另外，冷卻水及燃燒室壁面溫度的提高，也使燃燒最高溫度增加，從而NO排放也增加。4）積碳汽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間之后，會(huì)在活塞頂部、燃燒室壁面和進(jìn)氣門、排氣門上形成多孔性積炭，這些積碳能吸附未燃混合氣和燃料蒸氣，在排氣過程中再釋放出來。因此，隨著積碳的增加，HC排放量增加。圖2-10表明，隨著汽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增加，積碳增多，排氣的HC含量增加。圖中曲線1和2分別表示節(jié)氣門全開、過量空氣系數(shù)φ＝0.89、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n＝l200r/min時(shí)，排氣中HC和CO的變化；曲線3和4分別表示節(jié)氣門部分開啟、過量空氣系數(shù)φa＝1.01、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n＝2000r/min時(shí)排氣的HO和CO的變化。從圖中可以看出，汽油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間及沉積物的厚度對(duì)HC排放影響大，而對(duì)CO排放幾乎沒有什么影響。點(diǎn)5表示清除沉積物后HC的數(shù)值，可以看出，清除沉積物后，HC排放大大降低。圖2-10汽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間對(duì)HC和CO排放的影響4、汽油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

1）氣缸工作容積與行程缸徑比的影響汽油機(jī)的氣缸工作容積與行程缸徑比對(duì)排氣污染物的排放和油耗有很大的影響。圖2-11和圖2-12分別為汽油機(jī)的工作容積與行程缸徑比對(duì)HC排放和NO排放的影響。圖上的HC排放量是相對(duì)值。汽油機(jī)的氣缸工作容積越大，則氣缸面容比F/V變小，氣缸相對(duì)散熱面積較小，因此HC的排放和油耗越低，汽油機(jī)行程缸徑比的影響更大，汽油機(jī)的行程越長，HC的排放和油耗越低。根據(jù)放熱規(guī)律的對(duì)比分析，長行程汽油機(jī)的燃燒速度快，點(diǎn)火定時(shí)可以相對(duì)后移。長行程汽油機(jī)的最高放熱率大、燃燒溫度高。這些因素都有利于降低汽油機(jī)的HC排放和燃油消耗。長行程汽油機(jī)的這些優(yōu)點(diǎn)在低負(fù)荷時(shí)更加明顯。但是，長行程和大汽缸的汽油機(jī)的NOx排放量也大。

圖2-11行程缸徑比及工作容積對(duì)HC排放的影響

圖2-12行程缸徑比及工作容積對(duì)NO排放的影響

2）壓縮比ε的影響壓縮比增大，F(xiàn)/V增大，進(jìn)入活塞頂環(huán)隙的混合氣增多，HC的排放量增加。NOx排放受兩方面的影響，一是壓縮比升高后，發(fā)動(dòng)機(jī)殘余廢氣分?jǐn)?shù)變少，且燃燒溫度上升導(dǎo)致NOx增多，另一方面是熱效率提高和F/V增大使NOx減少。壓縮比對(duì)HC及NOx，排放的影響如圖2-13所示。

圖2-13壓縮比對(duì)HC及NOx、排放的影響

3）.燃燒室形狀的影響當(dāng)工作容積和壓縮比保持一定，變化燃燒室形狀時(shí)，HC的排出量與面容比F/V成正比，即F/V增大，HC的排出量也增加。NOx的排放與HC正好相反，有與面容比F/V成反比的傾向，這是因?yàn)殡SF/V的增大，熱損失變大，燃燒氣體的最高溫度降低。但對(duì)于NOx的排放含量，即使F/V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NOx的排放是F/V的函數(shù)。圖2-14表示了不同燃燒室形狀時(shí)的NO和HC排放，圖中SQ/C表示擠流間隙的大小。

圖2-14燃燒室形狀對(duì)HC及NOx排放的影響

4）氣門定時(shí)的影響氣門定時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)HC和NOx排放的影響如圖2-15所示。NOx受殘留氣體變化的影響，即受氣門重疊的影響，隨進(jìn)氣門早開、排氣門遲閉，缸內(nèi)殘余廢氣增加使燃燒溫度下降，NOx排放減少。排氣門早開導(dǎo)致正在燃燒的HC排出，從而使HC排放增多。

圖2-15氣門定時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)HC及NOx排放的影響

5）活塞頂環(huán)隙容積的影響進(jìn)入活塞和缸壁構(gòu)成的小間隙（活塞頂環(huán)隙）的混合氣，由于壁面淬熄效應(yīng)和狹縫效應(yīng)的影響，很難燃燒掉，從而影響HC的排放量。圖2-16表示了其影響的試驗(yàn)結(jié)果，圖中d表示活塞頂環(huán)隙的寬度，l表示活塞頂環(huán)隙的深度，可見隨著活塞頂環(huán)隙容積的增大，進(jìn)入環(huán)隙的混合氣增多，HC的排放量增加。6.環(huán)境的影響1）進(jìn)氣溫度的影響一般情況下，冬天氣溫可達(dá)零下20℃以下，夏天在30℃以上，爬坡時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)進(jìn)氣溫度超過80℃。隨著環(huán)境溫度的上升，空氣密度變小，而汽油的密度幾乎不變，汽車供給的混合氣的空燃比隨吸入空氣溫度的上升而變濃，排出的CO將增加。因此，冬天和夏天發(fā)動(dòng)機(jī)排放情況有很大的不同。2）大氣壓力的影響可以認(rèn)為空氣密度和進(jìn)氣壓力成正比，空燃比和空氣密度的平方根成正比，所以進(jìn)氣管壓力降低時(shí)，空氣密度下降，則空燃比下降，CO排放量將增大，NOx降低。3）大氣濕度的影響大氣濕度對(duì)NOx排放的影響特別大，因此在排放試驗(yàn)規(guī)范中使用濕度修正系數(shù)。大氣濕度對(duì)排放特性的影響可以從下面兩個(gè)方面考慮：第一，由于大氣濕度的變化，使空燃比的變化超過了反饋控制區(qū)域；第二，由于大氣濕度的增加，燃燒室內(nèi)氣體的熱容量增大，使最高燃燒溫度降低。空燃比隨大氣濕度的變化關(guān)系為：空燃比＝A（1一Hm）/（ρF）（3-21）式中：A——發(fā)動(dòng)機(jī)吸入的空氣量；

ρ——空氣的密度；

F——燃料消耗量；

Hm——絕對(duì)濕度?？梢婋S絕對(duì)濕度日。增大，空燃比減小。大氣濕度增大后，還使水分帶走了燃燒放出的熱量，最高燃燒溫度降低，NOx的排放降低。不只是水，只要是與燃燒無關(guān)的成分引人燃燒室，NOx的排放都將下降，圖2-18表明了隨著熱容量的增大，NOx排放降低。圖2-18NOx排放隨熱容量的變化2.2柴油車排放污染物形成機(jī)理及其影響因素2.2.1柴油機(jī)排放污染物的形成機(jī)理柴油機(jī)污染物與空燃比的變化關(guān)系如圖2-19所示。盡管柴油機(jī)混合氣不均勻，會(huì)有局部過濃區(qū)，但由于過量空氣系數(shù)較大，氧氣較充分，能對(duì)形成的CO在缸內(nèi)進(jìn)行氧化，因而CO一般較少。只是在接近冒煙界限時(shí)急劇增加，HC也較少，當(dāng)φa增加時(shí)，HC濃度將隨之上升。在φa稍大于1的區(qū)域，雖然總體是富氧燃燒，但由于混合不均勻，存在著局部高溫氧區(qū)域，因而會(huì)產(chǎn)生大量碳煙。隨著φa增大，碳煙濃度將快速下降。

圖2-19典型的車用直噴式柴油機(jī)污染物排放量與平均過量空氣系φa的關(guān)系1CO的排放形成機(jī)理和汽油機(jī)一樣，CO的生成主要是和混合氣的混合質(zhì)量及其濃度有關(guān)。柴油機(jī)總的來說是在稀混合氣下運(yùn)轉(zhuǎn)，其平均過量空氣系數(shù)φa大多數(shù)工況下在1.5～3之間，CO排放量要比汽油機(jī)低得多，只有在負(fù)荷很大接近冒煙界限(φa=1.2～1.3)時(shí)才急劇增加(圖2-19)。但是，柴油機(jī)的特征是燃料與空氣混合不均勻，燃燒空間中總有局部缺氧的地方，有溫度低的地方，以及反應(yīng)物在燃燒區(qū)停留時(shí)間不足以徹底完成燃燒過程產(chǎn)生最終產(chǎn)物CO2，造成CO排放。這可以解釋圖2-19上φa很大(即負(fù)荷很小)時(shí)CO排放反而上升的原因，尤其是在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)更明顯。2HC的排放生成機(jī)理汽油機(jī)HC的生成機(jī)理也適用于柴油機(jī)，但也有區(qū)別。柴油機(jī)一般把燃油高壓噴入燃燒室中，直接在缸內(nèi)形成可燃混合氣并很快燃燒。燃油停留在燃燒室中的時(shí)間比汽油機(jī)短得多，因而受到上面已經(jīng)描述過的生成未燃HC的種種機(jī)理作用的時(shí)間也短，所以柴油機(jī)未燃HC排放較少。柴油機(jī)的HC排放量隨過量空氣系數(shù)增加而增加(見圖2-19)。過量空氣系數(shù)增大，則混合氣變稀，燃油不能自燃，或火焰不能傳播，HC排放增加。所以，在怠速或小負(fù)荷工況時(shí)，HC排量高于全負(fù)荷工況。缸內(nèi)缺火會(huì)引起很大量的HC排放，柴油機(jī)冷啟動(dòng)期間會(huì)發(fā)生缺火，排氣冒白煙，它基本上是由微粒狀的未燃柴油構(gòu)成。3微粒生成機(jī)理

1）．排氣微粒的理化特性柴油機(jī)排氣微粒的組成取決于柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況，尤其是排氣溫度。①當(dāng)排氣溫度超過500℃時(shí)，排氣微?；旧鲜呛芏嗵假|(zhì)微球的聚集體(含有少量氫和其他元素)，稱為碳煙(Soot，DrySoot縮寫DS)。②當(dāng)排氣溫度低于500℃時(shí)(柴油機(jī)絕大多數(shù)工況都是這樣)，煙粒會(huì)吸附和凝聚多種有機(jī)物，稱為有機(jī)可溶成分(SolubleOrganicFraction，縮寫SOF)。沿著柴油機(jī)的排氣管道和測(cè)試取樣系統(tǒng)，可觀測(cè)到微粒粒度不斷增大，且由于存在于氣相中的有機(jī)化合物逐漸冷凝在微粒上，使其SOF含量增加。

微粒的組成如圖2.20所示，排氣微粒通常用溶劑萃取法等分析方法分成DS和SOF兩部分。一般來說，SOF占PM質(zhì)量的15％～30％，但觀測(cè)到的總變化范圍要大得多(10％～90％)。發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷越小，SOF比例就越大，這與溫度狀態(tài)的影響一致。DS的H/C原子比在0.1～0.2之間，而SOF為1.2～1.6。在不同柴油機(jī)工況下，SOF的平均相對(duì)分子質(zhì)量為360～400，這正好落在柴油(200)與潤滑油(440~490)之間。由放射性示蹤研究表明，碳煙中基本不含潤滑油成分，后者全部進(jìn)入SOF，在不同機(jī)型和不同工況下占SOF質(zhì)量的15％～80％。燃油產(chǎn)生的物質(zhì)有80％進(jìn)入DS，20％進(jìn)入SOF。微粒中的SOF含有對(duì)健康和環(huán)境有害的成分，包括各種未燃碳?xì)浠衔?、含氧有機(jī)物(醛類、酮類、酯類、醚類、有機(jī)酸類等)和多環(huán)芳烴(PolynuclearAromaticHydrocarbon，縮寫PAH)及其含氧和含氮衍生物等。

圖2-20微粒的組成

微粒的凝聚物中還包括少量無機(jī)物，如SO2、NO2和硫酸鹽等。微粒中還有少量來自燃油和潤滑油的鈣、鐵、硅、鉻、鋅、磷等的化合物。

2）．煙粒的生成機(jī)理柴油機(jī)排放的煙粒主要由燃油中含有的碳產(chǎn)生，并受燃油種類、燃油分子中的碳原子數(shù)及其氫碳原子比的影響。盡管對(duì)燃燒煙粒的生成方面進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究，關(guān)于柴油機(jī)燃燒過程中煙粒的生成機(jī)理至今仍不很清楚，因?yàn)檫@涉及成分很復(fù)雜的燃油，在三維空間的強(qiáng)湍流混合氣中高溫高壓下發(fā)生的不可再現(xiàn)的過程。

圖2-21碳煙微粒生成圖柴油機(jī)煙粒的生成和長大過程一般可分兩個(gè)階段：(1)煙粒生成階段這是一個(gè)誘導(dǎo)期，期間燃料分子經(jīng)過其氧化中間產(chǎn)物或熱解產(chǎn)物萌生凝聚相。在這些產(chǎn)物中有各種不飽和的烴類，特別是乙炔及其較高階的同系物CnH2n-2和PAH。這兩類分子已被認(rèn)為是火焰中形成碳煙粒子最可能的前兆物。這些氣相物質(zhì)的凝聚反應(yīng)導(dǎo)致出現(xiàn)最早可辨認(rèn)的碳煙粒子(常稱為晶核)。這種最早期的粒子粒度非常小(d<2nm)，即使生成數(shù)量眾多，也只能在其生成區(qū)，即火焰的最活性區(qū)占微乎其微的權(quán)重。(2)煙粒長大階段這包括表面生長和聚集兩個(gè)方面。表面生長指用煙粒表面粘住來自氣相的物質(zhì)，然后合并在一起。

3）煙粒的氧化燃燒過程(主要是擴(kuò)散燃燒期)中生成的碳煙顆粒是可燃的。它其中很大一部分在燃燒的后續(xù)過程中會(huì)被燒掉(氧化)。碳煙在缸內(nèi)燃燒時(shí)呈黃色火焰。碳煙的氧化速率主要和溫度有密切關(guān)系，同時(shí)還和剩余氧，以及在高溫下的逗留時(shí)間有關(guān)。

圖2-22碳煙的變化過程4NOx的生成機(jī)理前面汽油機(jī)是從化學(xué)反應(yīng)角度探討了NOx的生成機(jī)理，因此其分析方法和過程及其結(jié)論對(duì)于柴油機(jī)也適用。和汽油機(jī)一樣，生成NO的因素有以下三點(diǎn)：（1）高溫；隨著高溫的形成，NO平衡濃度也提高，而且生成速度也加快了。特別是有氧存在時(shí)的溫度是重要的。（2）富氧：在氧氣不足的情況下，即使溫度高，NO也被抑制了。（3）持續(xù)燃燒：因?yàn)镹o的生成反應(yīng)速度比燃燒反應(yīng)慢，所以即使再高溫下，如果停留時(shí)間短的話，NO的生成量也可以被抑制。當(dāng)A/F稍大于理論空燃比附近時(shí)，燃燒室溫度最高，并且還有過剩的O2，所以生成的NO濃度最大。當(dāng)A/F小于理論混合比時(shí)，由于缺氧，NO的生成量雖AF減小而下降。相反當(dāng)AF大于理論混合比時(shí)，因燃燒室溫度降低，所以NO生成量很快下降。2.2.2影響柴油機(jī)排放的因素1）負(fù)荷

在小負(fù)荷時(shí)，由于噴油量少，缸內(nèi)氣體溫度低，氧化作用弱，因此CO排放濃度高。隨著負(fù)荷增加，氣體溫度升高，氧化作用增強(qiáng)，可使CO排放減少。當(dāng)大負(fù)荷或全負(fù)荷時(shí)，由于氧濃度變低和噴油后期的供油量增加，反應(yīng)時(shí)間短，使CO排放又增加。HC排放量隨負(fù)荷的增加而減少。在怠速和小負(fù)荷時(shí)，噴油量小，可以假定燃油噴注達(dá)不到壁面，且噴注核心燃料濃度也小。這時(shí)燃料燃燒而引起的該區(qū)局部溫度上升是很小的，因而反應(yīng)速率慢。隨著燃油分子向包固該區(qū)的空氣中擴(kuò)散，由于其濃度很低，使得燃油氧化反應(yīng)弱。因此，在怠速和小負(fù)荷時(shí)，HC的排放濃度是最高的。隨負(fù)荷增加，燃燒溫度升高，氧化反應(yīng)隨著溫度的升高加塊，結(jié)果使HC的排放量減少了。渦輪增壓柴油機(jī)缸內(nèi)溫度比非增壓機(jī)更高些，故隨著負(fù)荷的增加，HC排放量更低些。NOx的排放隨負(fù)荷的增加先增加后降低。即小負(fù)荷時(shí)，混合氣中有較充足的氧，但燃燒室內(nèi)溫度較低，故NOx排放也較低；隨負(fù)荷的增加，燃燒溫度升高，NOx排放增加；當(dāng)負(fù)荷進(jìn)一步增加時(shí)，燃燒室內(nèi)氣體溫度雖然升高，但混合氣的氧含量降低，這又抑制了NOx的生成，NOx排放降低。2）轉(zhuǎn)速柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，會(huì)使與燃燒有關(guān)的氣體流動(dòng)、燃油霧化與混合氣質(zhì)量發(fā)生變化，而這些變化對(duì)NOx及HC的排放都會(huì)產(chǎn)生影響。不過，轉(zhuǎn)速變化對(duì)直噴式柴油機(jī)NO及HC排放的影響不很明顯。圖2-23所示的為6135型低增壓柴油機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)排放物的影響。試驗(yàn)是在平均有效壓力為0.75MPa、噴油提前角比正常的推遲10°CA下進(jìn)行的，可見，轉(zhuǎn)速變化時(shí)，NOx及HC變化不大。轉(zhuǎn)速變化對(duì)CO排放的影響較大。由圖2-23可知，CO排放量在某一轉(zhuǎn)速時(shí)最低，而在低速及高速時(shí)都較高。柴油機(jī)在高速時(shí)，充氣系數(shù)較低，在很短的時(shí)間內(nèi)要組織良好的混合氣及燃燒過程較為困難，燃燒不易完善，故CO排放量高。而在低速特別是怠速空轉(zhuǎn)時(shí)，由于缸內(nèi)溫度低，噴油速率不高，燃料霧化差，燃燒不完善，故CO排放量也較高。

圖2-236135型低增壓柴油機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)排放物的影響3）進(jìn)氣渦流

適當(dāng)增加燃燒室內(nèi)空氣渦流的強(qiáng)度，可改善燃油與空氣的混合，促進(jìn)混合氣的形成，提高混合氣的均勻性，減少不完全燃燒，同時(shí)燃燒室內(nèi)局部區(qū)域混合氣過濃或過稀的現(xiàn)象減少。另外，渦流能加速燃燒，使汽缸內(nèi)最高燃燒壓力和溫度提高，這些有利于未燃烴的氧化。但空氣渦流過強(qiáng)，則相鄰兩噴注之間形成互相重疊和干擾，使混合氣過濃或過稀的現(xiàn)象更加嚴(yán)重，反而使HC排放增加，如圖2-24所示。另外，隨著缸內(nèi)空氣渦流的加速，燃燒的加快，NOx排放也可能增加。

圖2-24渦流強(qiáng)度對(duì)HC濃度和油耗率的影響2.外界環(huán)境

外界環(huán)境用進(jìn)氣的溫度、壓力和濕度表示。進(jìn)氣溫度的升高，將引起柴油機(jī)壓縮溫度及局部反應(yīng)溫度升高，這有利于NOx的生成。直接或間接噴射柴油機(jī)的NOx排放、平均有效壓力如圖4-14所圖中虛線表示預(yù)燃室柴油機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果，實(shí)線表示直噴式柴油機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果。由圖可見，隨進(jìn)氣溫度的增加，NOx排放增大。由于冬夏季的氣溫可相差幾十度，因此，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)狀態(tài)不變時(shí)，夏季的NOx排放比冬季大。柴油機(jī)在中等負(fù)荷時(shí)，進(jìn)氣溫度的升高，可縮短滯燃期，提高燃燒溫度，促進(jìn)HC的氧化，同時(shí)減少淬熄現(xiàn)象，于是HC排放量減少。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)，空燃比為55和25的兩工況時(shí)的滯燃期、HC排放的試驗(yàn)結(jié)果如圖2-25所示，可見在空燃比為55的稀混合氣條件下，進(jìn)氣溫度對(duì)HC排放的影響非常明顯。圖2-25進(jìn)氣溫度對(duì)NOx排放的影響圖2-26進(jìn)氣溫度對(duì)HC排放的影響

在進(jìn)氣溫度及供油量不變的情況下，提高進(jìn)氣壓力，相當(dāng)于增加空燃比，由此降低了燃?xì)鉁囟?，抑制了NOx的生成。進(jìn)氣濕度的增加使進(jìn)入氣缸的水增加，由于水在燃燒反應(yīng)中吸熱，因而燃燒溫度降低，NO生成量減少。圖2-26所示的為進(jìn)氣濕度對(duì)NO排放物的影響。圖4-16進(jìn)氣濕度對(duì)NO排放物的影響3供油系統(tǒng)

1）噴油提前角噴油提前角對(duì)柴油機(jī)NOx、碳煙和HC排放的影響較大。減小噴油提前角，可以使燃燒推遲，燃燒溫度降低，NOx排放較少。提前噴油和推遲噴油也會(huì)使碳煙下降。這是因?yàn)椋喝绻麌娪吞崆敖沁^大，則燃油在較低的溫度和壓力下噴入氣缸，結(jié)果使滯燃期延長，使著火前的噴油量較多，燃燒溫度高，燃燒過程結(jié)束的時(shí)間也早，從而增加了NOx排放量，減少了碳煙的排放量。如果噴油提前角推遲到最小滯燃期后，由于擴(kuò)散火焰部分發(fā)生在膨脹過程中，火焰溫度低，使碳煙的生成速率降低。圖2-27表示一項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果。由此圖可見，噴油提前角推遲20oCA，就使NOx排放下降約20％，同時(shí)使油耗上升5％左右?，F(xiàn)代柴油機(jī)為了降低NOx排放，實(shí)際噴油提前角已減小到0～50oCA范圍，而傳統(tǒng)的車用柴油機(jī)則在10～200oCA