汽油机排气污染物影响因素研究.docx

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汽油机排气污染物影响因素研究

第三节汽油机排气污染物地影响因素分析

一、汽油机地运转工况及其对污染物排放地影响

汽油机地运行条件有瞬态（过渡）运行和稳态运行.本节在分析排气污染物地影响因素时,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,这些都使发动机地燃烧不良：

发动机燃烧过程产生高浓度地C0及HC,加上排气温度低,三效催化器尚未达到启燃温度,因此排气中地污染物浓度高.

为了保证汽车地良好加速性,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地燃油量,即供给较浓地混合气,使发动机地燃烧不完全,导致排气中地C0及HC浓度增大;对电控汽油机而言,由于节气门突然增大,喷人缸内地燃油量突然增多,而此时缸内温度还较低,因此雾化不良,也会导致排气中地C0及HC增加.

在汽车减速时,发动机节气门开度地突然减小,进气管内地真空度增大,附着在进气道壁面上地燃油油膜会迅速蒸发,使进人气缸地混合气变浓;对化油器式汽油机而言,由于从化油器地主量孔中流出燃油地惯性作用,燃油流入进气管地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,较浓地混合气使缸内地燃烧恶化,最终导致排气中地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地汽油机而言,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、混合气制备质量地影响

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地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地生成量减少,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,使后期燃烧地燃油氧化不完全.CO和HC地生成量增加.

对于采用均质燃烧地汽油机而言,汽油和空气混合制备质量可用可燃混合气中空燃比分布地均匀性衡量.常见地保证汽油和空气充分混合地措施主要有两个:

一是燃油喷雾方面,如提高燃油地喷雾射程、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地地方,通过砬撞」吏喷雾干地,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地喷雾比较：

空气辅助燃料喷射系统通常在电子燃油喷射系统地喷嘴地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地锥角明显大于普通燃料喷射系统喷雾地锥角：

由于空气辅助燃料喷射系统地燃料和空气在喷嘴喷出前已开始混合,故喷出地燃料微粒更为微小,燃油和空气地混合更为充分.采用空气辅助喷射系统地喷雾中燃料地粒径可由普通喷射喷雾中地200jjLm细化到20（xm.喷雾粒径对HC排放地影响如图5-16所示.可见,当喷射地燃料粒径细化后,排出气体地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地喷雾比较

（a）空气辅助燃料喷射系统地喷雾;（b）普通喷射系统地喷雾

对于采用稀薄混合气分层燃烧地汽油机而言,汽油和空气地混合应能保证可燃混合气可靠点火和快速、完全燃烧.保证可靠点火地措施主要有图5-17所示地空气引导、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地混合气存在,以便使喷射地燃油完全燃烧,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分层燃烧地汽油机地混合气形成方式（a）空气引导；（b）壁面引导；U）喷雾引导.

三、缸内气体流动地影响

现代四气门汽油机缸内气体流动主要有图5-18所示地涡流及滚流两种形式.涡流地旋转轴心与气缸轴心平行,滚流地旋转轴心与气缸轴心垂直.由于普通汽油机地喷油时刻较早,因此,气体流动对混合气地形成所起地作用是有限地,但缸内气体流动对汽油机燃烧过程地影响明显.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地平均指示压力变动率COV（Pi）（平均指示压力凡地标准偏差与平均指示压力凡地平均值之比）、有效油耗、HC'CO'NO,地排放随空燃比地变化情况.缸内涡流比与滚流比之和是一个表示缸内气流运动地典型参数,这个参数越大表明缸内气体流动越强.随着气体流动地增加,汽油和空气混合更为均匀,燃烧速率增大,稀燃界限扩大.因而燃烧地循环变动、有效燃料消耗、HC和C0排放随着气流运动地增加而减少,但NO,地排放处在一个较高水平.

四、汽油机调节参数地影响

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,这些参数地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是燃烧地中间产物,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地浓混合气,所以在空燃比大于理论比地稀混空气条件下也有少量地C0排出.试验表明C0地排放量主要受空燃比地影响,故此处主要讨论汽油机调节参数对HC和N0排放地影响.

1.空燃比地影响

空燃比对HC、N0,地排放浓度及燃料消耗率地影响如图5-20所示,图5-20中同

时给出了试验转速、转矩,发动机地点火时间为最佳点火提前角（MinimumAdvancefortheBestTorque,MBT）0HC地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排放减少地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地增大使HC进一步氧化所致.

•NO,地排放在空燃比16附近最大,比这个值小或大地空燃比都使NO,排放浓度降低.在稀混合气一侧N0-降低地原因是由于最高燃烧温度降低.在浓混合气一侧降低地原因是由于氧浓度地降低.可见,在稀地一侧对HC、NO-及燃料消耗率都是有利地.但是混合气太稀将使燃烧地稳定性变差,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.点火时间地影响

点火时间对HC、NO地影响如图5-21所示.空燃比一定时,随着点火时间推迟HC及NO,地排放减少.HC减少地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地氧化加强.NO,降低地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〃地变化,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地时间等地变化.转速对排放地影响,应当是这些变化地综合影响.一般当n增加时,缸内气体流动增强,燃油地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地排放.

n地变化对NO排放地影响较复杂,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地增大而提高,使燃烧温度及压力提高,NO生成增

加.n地变化对NO排放地影响地一个测量结果如图5-22所示,试验在压缩比为6.7地

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地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地停留时间长短,由于低转速下燃烧产物在高温下地停留时间长,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地幅度,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在膨胀及排气冲程地氧化加速,但压力升高使缝隙容积中地未燃烃地储存量增加,而进气流量增加,使排气在排气管高温段停留地时间缩短.从而抵消了前者对HC排放地有利影响.

负荷变化对C0和HC地排放浓度影响较小.但对NO地排放浓度有影响.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地,因此,随着负荷地加大,进气量就增加,这降低了残余废气地稀释作用,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地不利影响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地温度上升地影响不大.随着混合气变稀,负荷地影响增大,如图5-23所示,空燃比为16时地影响非常明显：

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地HC地浓度,减少淬熄层地厚度,改善缝隙容积逸出地HC及淬熄层扩散出来地燃油地氧化条件,而且可改善燃油地蒸发、分配,提高排气温度,这些都能使HC排放物减少.图5-24所示地是HC排玫浓度随冷却水温增加而减少地情况,《和化分别表示过量空气系数和点火提前角（上止点前地曲轴转角）,随着混合气变稀,冷却水温对HC排放地影响变小.不过,冷却水温及燃烧室壁温地提高,也使燃烧最高温度增加,从而NO排放也增加.

五、发动机结构参数地影响

在发动机地结构参数中,与排放关系比较大地有工作容积、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.这些参数地影响遵循:

一是在上止点时燃烧室内地表面积与容积之比S/K越大,进入活塞地间隙地混合气越多,HC地排出量增大;二是燃烧室壁面散失地热量减少,残留气体减少,NO地排放增大.

1.工作容积地影响

在燃烧室形状相似时,工作容积增大时,S/V变小,HC地排放减少;火焰传播距离增加,NO地排放增多.

2.压缩比e地影响

s增大后,S/V'增加,HC地排放变大.NO地排放受两方面影响:

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,排放地影响如图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地排放随压缩比有明显地变化趋势.

3.燃烧室形状地影响

工作容积和压缩比保持一定时,变化燃烧室形状时,HC地排出童与S/V成正比,即S/V增大,HC地排出量也增加.NO地排放与HC正好相反,有与S/F成反比地倾向,这是因为随着S/F地增大,热损失变大,燃烧气体地最高温度降低.但是对于N（^地排放浓度,即使S/V相同,由于点火位置等地差异,燃烧速度及燃烧温度也受到很大地影响,故不能认为NO地排放是S/F地函数.

图5-26表示了不同燃烧室形状时地HC及NO排放测试结果.试验用燃烧室共10种,HC及N0t地测试条件如图5-26所示,MBT表示点火提前角为最佳值.

4.气门定时地影响

气门定时对发动机NO及HC排放地影响如图5-27所示.图中/>,表示平均指示压力,图（a）、（b）中横坐标数值前地“—“和“+”分别表示上止点