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第 2 章 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 2.1 一氧化碳 2.1.1 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: 22nmH2nmCOO2mHC (2－1) 燃气中的氧足够时有 O2HO2H222 (2-2） 222COO2CO (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a。

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a的关系 空燃比 过量空气系数a  a） b) 图 2-1 汽油机 CO 排放量ｘＣＯ与空燃比及过量空气系数a的关系 由图２－1 可以看出，在浓混合气中(a<1),ＣO 的排放量随a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(a>1),ＣO 的排放量都很小，只有在a=1．0~１.１时，CO 的排放量才随a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，其过量空气系数a都在 1.5~3 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（a=１．2～1.3）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a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a 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a的关系 2.1.2 影响一氧化碳生成的因素 理论上当在 14．7 以上时，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P随海拔高度而变化,由经验公式 5.25601 0.02257 kPaPPh （２－4） 式中：h一海拔高度，km。

当海平面0P=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: 32731.293 kg/m273760PT (2-5) 式中：T－温度,℃ 可以认为空气密度和大气压力P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,CO浓度为 1.4%，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很快降低，至中速后变化不大,这是由于化油器供给发动机的空燃比，随流量增加接近于理论空燃比的结果 2.2 碳氢化合物 车用柴油机中的未燃 HC 都是在缸内的燃烧过程中产生并随排气排放 汽油发动机中未燃 HC 的生成与排放主要有以下三种途径 (1)在气缸内的燃烧过程中产生并随废气排出，此部分 HＣ主要是燃烧过程中未燃烧或燃烧不完全的碳氢燃料 (2）从燃烧室通过活塞组与气缸之间的间隙漏入曲轴箱的窜气中含有大量未燃燃料,如果排入大气中也构成 HC 排放物 （3)从汽油机的燃油系统蒸发的燃油蒸汽 2．2.1 碳氢化合物的生成机理 １. 车用汽油机未燃 HC 的生成机理 车用发动机的碳氢排放物中有完全未燃烧的燃料，但更多的是燃料的不完全燃烧产物,还有小部分由润滑油不完全燃烧而生成 排气中未燃碳氢物的成份十分复杂， 其中有些是原来燃料中不含有的成份,这是部分氧化反应所致表 2-1 列出了车用汽油机中未燃碳氢化合物成份的大致比例 车用汽油机排气中的未燃碳氢化合物成份 表 2-1 占总ＨＣ排放量的质量分数/% 烷烃 烯烃 炔烃 芳香烃 未装催化装置 ３３ ２7 8 ３２  车用发动机在正常运转情况下，HＣ的生成区主要位于气缸壁的四周处，故对整个气缸容积来说是不均匀的，而且对排气过程而言ＨC 的分布也是不均匀的。

在发动机一个工作循环内，排气中ＨC 的浓度出现两个峰值,一个出现在排气门刚打开时的先期排气阶段,另一个峰值出现在排气行程结束时ＨC 的生成主要由火焰在壁面淬冷、狭隙效应、润滑油膜的吸附和解吸、燃烧室内沉积物的影响、体积淬熄及碳氢化合物的后期氧化所致下面主要针对汽油机分别进行讨论,但除了狭隙效应外,其余的均适用于柴油机 1）火焰在壁面淬冷 火焰淬冷的形成方式有两种，即单壁淬冷和双壁淬冷前者是火焰接近气缸壁时,由于缸壁附近混合气温度较低，使气缸壁面上薄薄的边界层内的温度降低到混合气自燃温度以下，导致火焰熄灭,边界层内的混合气未燃烧或未燃烧完全就直接进入排气而形成未燃 HC，此边界层称为淬熄层，发动机正常运转时,其厚度在 0.05～0.４mm 之间变动，在小负荷时或温度较低时淬熄层较厚；后者是在活塞顶部和气缸壁所组成的很小的环形间隙中,火焰传不进去，使其中的混合气不能燃烧,在膨胀过程中逸出形成ＨC 排放 在正常运转工况下，淬熄层中的未燃 HC 在火焰前锋面掠过后，大部分会向燃烧室中心扩散并完成氧化反应,使未燃 HC 的浓度大大降低但是在发动机冷起动、暖机和怠速等工况下，因燃烧室壁面温度较低,形成的淬熄层较厚，同时已燃气体温度较低及混合气较浓，使后期氧化作用较弱,因此壁面火焰淬熄是此类工况下未燃 HC 的重要来源。

2）狭隙效应 在车用发动机的燃烧室内有如图２-7 所示的各种狭窄的间隙，如活塞组与气缸壁之间的间隙、 火花塞中心电极与绝缘子根部周围狭窄空间和火花塞螺纹之间的间隙、 进排气门与气门座面形成的密封带狭缝、气缸盖垫片处的间隙等,当间隙小到一定程度,火焰不能进入便会产生未燃 HＣ 在压缩过程中，缸内压力上升，未燃混合气挤入各间隙中，这些间隙的容积很小但具有很大的面容比，进入其中的未燃混合气因传热而使温度下降在燃烧过程中压力继续上升,又有一部分未燃混合气进入各间隙当火焰到达间隙处时,火焰有可能传入使间隙内的混合气得到全部或部分燃烧（在入口较大时） ，但也有可能火焰因淬冷而熄灭,使间隙中混合气不能燃烧随着膨胀过程开始,气缸内压力不断下降大约从压缩上止点后 1５ºCA 开始，间隙内气体返回气缸内，这时气缸内温度已下降,氧的浓度也很低,流回气缸的可燃气再氧化的比例不大，一半以上的未燃 HC 直接排出气缸狭隙效应产生的 HC 排放可占其总量的 50%～70％ 装有催化装置 ５7 15 2 １6 。