文档介绍：发动机排放污染物的生成机理和影响因素
本章主要内容:介绍了汽车尾气中的主要污染物CO、HC、NOX和微粒的生成机理及其影响因素。
一氧化碳
一氧化碳的生成机理
汽车尾气中CO的产生是由于燃油在气缸中燃烧不充分所致,是氧气不足而生成的中间产物。
一般烃燃料的燃烧反应可经以下过程:
(2-1)
燃气中的氧足够时有
(2-2)
(2-3)
同时CO还与生成的水蒸气作用,生成氢和二氧化碳。
可见,如果燃气中的氧气量充足时,理论上燃料燃烧后不会存在CO。但当氧气量不足时,就会有部分燃料不能完全燃烧,而生成CO。
在非分层燃烧的汽油机中,可燃混合气基本上是均匀的,其CO排放量几乎完全取决于可燃混合气的空燃比或过量空气系数。图2-1所示为11种H/C比值不同的燃料在汽油机中燃烧后,排气中CO的摩尔分数xCO与或的关系。
空燃比过量空气系数
a) b)
图2-1汽油机CO排放量xCO与空燃比及过量空气系数的关系
由图2-1可以看出,在浓混合气中(<1),CO的排放量随的减小而增加,这是因缺氧引起不完全燃烧所致。在稀混合气中(>1),CO的排放量都很小,只有在=~,CO的排放量才随有较复杂的变化。
在膨胀和排气过程中,气缸内压力和温度下降,CO氧化成CO2的过程不能用相应的平衡方程精确计算。受化学反应动力学影响,大约在1100K时,CO浓度冻结。汽油机起动暖机和急加速、急减速时,CO排放比较严重。
在柴油机的大部分运转工况下,~3之间,故其CO排放量要比汽油机低得多,只有在大负荷接近冒烟界限(=~)时,CO的排放量才大量增加。由于柴油机燃料与空气混合不均匀,其燃烧空间总有局部缺氧和低温的地方,以及反应物在燃烧区停留时间较短,不足以彻底完成燃烧过程而生成CO排放,这就可以解释图2-2在小负荷时尽管很大,CO排放量反而上升。类似的情况也发生在柴油机起动后的暖机阶段和怠速工况中。
过量空气系数
图2-2典型的车用直喷式柴油机排放污染物量与过量空气系数的关系
影响一氧化碳生成的因素
,排气中不存在CO,而只生成CO2。实际上由于燃油和空气混合不均匀,在排气中还含有少量CO。即使混合气混合的很均匀,由于燃烧后的温度很高,已经生成的CO2也会由于一小部分分解成CO和O2,H2O也会部分分解成O2和H2,生成的H2也会使CO2还原成CO,所以,排气中总会有少量CO存在。可见,凡是影响空燃比的因素,即为影响CO生成的因素。
1. 进气温度的影响
一般情况下,冬天气温可达零下20℃以下,夏天在30℃以上,爬坡时发动机罩内进气温度超过80℃。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,化油器供给的混合气的空燃比随吸入空气温度的上升而变浓,排出的CO将增加。因此,冬天和夏天发动机排放情况有很大的不同。图2-3为一定运转条件下,进气温度与空燃比的关系,大致和绝对温度的方根成反比的理论相一致。

进气温度/℃海拔高度/m 怠速转速/(r/min)
图2-3 进气温度与空燃比的关系图2-4 海拔高度与大气压力的关系图2-5 怠速转速对CO和HC排放的影响
V/(km/h)
图2-6 某汽油机等速工况排气成分实测结果
2. 大气压力的影响
 大气压力随海拔高度而变化,由经验公式
(2-4)
式中:一海拔高度,km。
当海平面=100kPa时,可作出海拔高度和大气压力变化关系的曲线,如图2-4所示。
当忽略空气中饱和水蒸气压时,空气密度可用下式表示:
(2-5)
式中:-温度,℃。
可以认为空气密度和大气压力成正比,从简单化油器理论可知,空燃比和空气密度的平方根成正比,所以进气管压力降低时,空气密度下降,则空燃比下降,CO排放量将增大。
3. 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,造成混和气瞬时过浓,致使燃烧状况恶化。CO浓度将显著增加到怠速时的浓度。
4. 怠速转速的影响
图2-5表示了怠速转速和排气中CO、HC浓度的关系。怠速转速为600r/min时,%,700r/min时,降为1%左右,这说明提高怠速转速,可有效地降低排气中CO浓度,但是,怠速过高会加大挺杆响声,对液力变扭汽车,还可能发生溜车的危险。如果这些问题得到解决,一般从净化的观点,希望怠速转速规定高一点较好。
5. 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。图2-6为某汽油机负荷一定、匀速工况下的CO浓度的变化。当车速增加时,CO