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：
CmHn?(2-1)
燃气中的氧足够时有
2H2?O2?2H2O
(2-2)
2CO?O2?2CO2
(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。
mnO2?mCO?H2 22
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
P?P0?1?0.02257h?式中：h一海拔高度，km。
5.256 kPa (2-4)
当海平面P0=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：
??1.293273P kg/m3 （2-5）
?273?T?760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
烷烃 占总HC排放量的质量分数/% 烯烃 炔烃 芳香烃