第三节汽油机排气污染物的影响因素分析

一、汽油机的运转工况及其对污染物排放的影响

汽油机的运行条件有瞬态（过渡）运行和稳态运行。本节在分析排气污染物的影响 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，这些都使发动机的燃烧不良：发动机燃烧过程产生高浓度的

C0及 HC，加上排气温度低,三效催化器尚未达到启燃温度，因此排气中的污染物浓度高。

为了保证汽车的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 缸内的燃油量，即供给较浓的混合气,使发动机的燃烧不完全，导致排气中的C0及HC

,

浓 度增大;对电控汽油机而言，由于节气门突然增大，喷人缸内的燃油量突然增多,而此时缸 内温度还较低,因此雾化不良，也会导致排气中的C0及HC增加。

在汽车减速时，发动机节气门开度的突然减小，进气管内的真空度增大,附着在进气 道壁面上的燃油油膜会迅速蒸发，使进人气缸的混合气变浓;对化油器式汽油机而言，由 于从化油器的主量孔中流出燃油的惯性作用,燃油流入进气管的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，较浓的混合气使缸内的燃烧恶化最终导致

,排气 中的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 控制的汽油机而言，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、混合气制备质量的影响

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 感器闭环反馈控制的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的生成量减少，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，使后期燃烧的燃油氧化不完全.CO和HC的生成量增加。

对于采用均质燃烧的汽油机而言,汽油和空气混合制备质量可用可燃混合气中空燃 比分布的均匀性衡量。常见的保证汽油和空气充分混合的措施主要有两个:一是燃油喷 雾方面,如提高燃油的喷雾射程、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的地方，通过砬撞」吏喷雾干的,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的喷雾比较：空气辅助燃料喷射 系统通常在电子燃油喷射系统的喷嘴的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的锥角明显大于普通燃料喷射系统喷雾的锥角：由 于空气辅助燃料喷射系统的燃料和空气在喷嘴喷出前已开始混合，故喷出的燃料微粒更 为微小，燃油和空气的混合更为充分。采用空气辅助喷射系统的喷雾中燃料的粒径可由 普通喷射喷雾中的200jjLm细化到20(xm。喷雾粒径对HC排放的影响如图5-16所示。 可见，当喷射的燃料粒径细化后，排出气体的HC浓度几乎不随喷射时刻变化，并且明

167

(a) (b)

5 - 15空气辅助喷射系统与普通燃料喷射系统的喷雾比较 (a)空气辅助燃料喷射系统的喷雾;(b)普通喷射系统的喷雾

显 降低。?167

对于采用稀薄混合气分层燃烧的汽油机而言，汽油和空气的混合应能保证可燃混合 气可靠点火和快速、完全燃烧。保证可靠点火的措施主要有图5 -17所示的空气引导、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的混合气存在，以便使喷射的燃油 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分层燃烧的汽油机的混合气形成方式 (a)空

气引导；（b)壁面引导；U)喷雾引导。

三、缸内气体流动的影响

现代四气门汽油机缸内气体流动主要有图5-18所示的涡流及滚流两种形式。涡流 的旋转轴心与气缸轴心平行，滚流的旋转轴心与气缸轴心垂直。由于普通汽油机的喷油 时刻较早，因此，气体流动对混合气的形成所起的作用是有限的,但缸内气体流动对汽油 机燃烧过程的影响明显。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。

图5 -19为涡流比与滚流比之和不同时的平均指示压力变动率COV(Pi)(平均指示 压力凡的标准偏差与平均指示压力凡的平均值之比）、有效油耗、HC'CO'NO,的排放随空 燃比的变化情况。缸内涡流比与滚流比之和是一个表示缸内气流运动的典型参数,这个 参数越大表明缸内气体流动越强。随着气体流动的增加，汽油和空气混合更为均匀，燃烧 速率增大,稀燃界限扩大。因而燃烧的循环变动、有效燃料消耗、HC和C0排放随着气流 运动的增加而减少,但NO,的排放处在一个较高水平。

四、汽油机调节参数的影响

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，这些参数的 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是燃烧的中间产物，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的浓混合气,所以在空燃比大于 理论比的稀混空气条件下也有少量的C0排出。试验表明C0的排放量主要受空燃比的 影响,故此处主要讨论汽油机调节参数对HC和N0排放的影响。

1.空燃比的影响

空燃比对HC、N0,的排放浓度及燃料消耗率的影响如图5 - 20所示，图5 - 20中同 时给出了试验转速、转矩，发动机的点火时间为最佳点火提前角（Minimum Advance for theBest Torque,MBT)0HC的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排放减少的原因是由于混合气变稀后,壁面淬熄层中燃料浓