发动机排放污染物的影响因素

发动机排放污染物的生成机理和影响因素

主要内容：介绍了汽车尾气中的主要污染物CO、HC、NO X和微粒的生成机理及其影响因素。

1 一氧化碳

1.1 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。

影响一氧化碳生成的因素

理论上当α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α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

()

5.256010.02257 kPa P P h =- (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ρ可用下式表示：

()32731.293 kg/m 273760

P T ρ=+ （2-5） 式中：T －温度，℃。

可以认为空气密度ρ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 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。

影响碳氢化合物生成的因素

未燃HC排放主要是由于缸内混合气过浓、过稀或局部混合不均引起燃烧不完全而导致的，造成燃烧不完全的因素大致有混合气的质量、发动机的运行条件、燃烧室结构参数及点火与配气正时等。

1. 混合气质量的影响

混合气质量的优劣主要体现在燃油的雾化蒸发程度、混合气的均匀性、空燃比和缸内残余废气系数的大小等方面。混合气的均匀性越差则HC排放越多。当空燃比略大于理论空燃比时，HC有最小值；混合气过浓或过稀均会发生不完全燃烧，废气相对过多则会使火焰中心的形成与火焰的传播受阻甚至出现断火，致使HC排放量增加。

2. 运行条件的影响

1）汽油机运行条件的影响

（1）负荷的影响：发动机试验结果表明：当空燃比和转速保持不变，并按最大功率调节点火时刻时，改变发动机负荷，对HC的相对排放浓度几乎没有影响。但当负荷增加时，HC排放量绝对值将随废气流量变大而几乎呈线性增加。

（2）转速的影响：发动机转速对HC排放浓度的影响则非常明显。转速较高时，HC排放浓度明显下降，这是由于气缸内混合气的扰流混合、涡流扩散及排气扰流、混合程度的增大改善了气缸内的燃烧过程、促进了激冷层的后氧化，后者则促进了排气管内的氧化反应。

（3）点火时刻的影响：点火时刻对HC排放浓度的影响体现在点火提前角上。点火延迟（点火提前角减小）可使HC排放下降，这是由于点火延迟使混合气燃烧时的激冷壁面面积减小，同时使排气温度增高，促进了HC在排气管内的氧化。但采用推迟点火，靠牺牲燃油经济性来降低HC排放是得不偿失的。因此，点火延迟要适当。

（4）壁温的影响：燃烧室的壁温直接影响了激冷层厚度和HC的排气后反应。据研究，壁面温度每升高1℃，HC排放浓度相应降低0.63×10-6～1.04×10-6。因此提高冷却介质温度有利于减弱壁面激冷效应，降低HC排放。

（5）燃烧室面容比的影响：燃烧室面容比大，单位容积的激冷面积也随之增大，激冷层中的未燃烃总量必然也增大。因此，降低燃烧室面容比是降低汽油机HC排放的一项重要措施。

2）柴油机运行条件的影响

（1）喷油时刻的影响：柴油机喷油时刻（喷油提前角）决定了气缸内的温度。喷油提前角θ增大，缸内温度较高，使HC排放量下降。在一台自然吸气式直喷柴油机上进行的试验证实：在13工况下，当θ 偏离最佳值时，缸内温度及反应区的气体环境均发生变化。θ平均减小1°CA，HC的体积分数平均增加8.97%；θ平均增加1°CA，HC平均下降1.97%。

（2）喷油嘴喷孔面积的影响：当循环喷油量及喷油压力不变时，改变喷孔面积不仅改变了喷油时间的长短，并且同时改变了油雾颗粒大小和射程的远近，即影响油气混合的质量，必将导致HC排放量的变化。有试验结果证实：在13工况下，以喷孔直径为0.23㎜的四孔

喷油嘴的喷孔面积为参考基础，当面积减小1%时，HC 的体积分数相应减小1.23%；当面积

增加1%时，HC 的体积分数相应增大7.71%。这说明喷孔面积加大时，雾化和混合质量变差，HC 排放量增加幅度较大；反之，燃烧得到改善，但HC 排放量降低幅度较小。

（3）冷却水进水温度的影响：冷却水温相对降低，将导致气缸内温度降低，HC 排放量

会相对增加。试验证明：以冷却水进水温度75℃为比较标准，当进水温度下降到65℃时，13工况下的HC 体积分数平均增加37.21%。

（4）进气密度的影响：进入柴油机的空气密度降低，使缸内空气量减少，燃烧不完善，

HC 排放量一般会增加。试验证明：进气压力在0.0967～0.0947MPa 的变化范围内，空气密

度每下降1%，13工况下HC 平均减少0.99%。

3 氮氧化物

3.1车用发动机排气中的氮氧化物NO X 包含NO 和NO 2，其中大部分是NO ，它们是N 2在

燃烧高温下的产物。

影响NO X 生成的因素

1. 影响汽油机NO X 排放的因素

1）过量空气系数和燃烧室温度的影响

由于a φ直接影响燃烧时的气体温度和可利用的氧浓度，所以对NO X 生成的影响是很大

的。当a φ小于1时，由于缺氧即使燃烧室内温度很高NO X 的生成量仍会随着a φ的降低而降

低，此时氧浓度起着决定性作用；但当a φ大于1时，NO X 生成量随温度升高而迅速增大，此时温度起着决定性作用。由于燃烧室的最高温度通常出现在a φ≈1.1，且此时也有适量的氧浓度，故NO X 排放浓度出现峰值。如果a φ进一步增大，温度下降的作用占优势，则导致NO

生成量减少。

2）残余废气分数的影响

汽油机中燃烧室内的混合气由空气、已蒸发的燃油蒸气和已燃气组成，后者是前一工作

循环留下的残余废气，或由废气再循环系统（EGR ）中从排气管回流到进气管并进入气缸的燃烧废气。残余废气分数χi 定义为：缸内残余废气质量m i 与进气终了气缸内充量质量m c

之比，即

图2-10 排气中NO 的体积分数随点火提前角的变化

χi =m i /m c (2-12)

式中：m c =m e ＋m i ＋m r ，m e 和m r 分别为进入气缸的空气和燃油质量。

残余废气分数主要取决于发动机负荷和转速。减小发动机负荷即减小节气门开度和提高

转速，均加大了进气阻力，使残余废气分数增大。压缩比较高的发动机残余废气分数较小。 通过废气再循环可大大增加气缸中的残余废气分数。当可燃混合气中废气分数增大时，既减小了可燃气的发热量又增大了混合气的比热容，都使最高燃烧温度下降，从而使NO 排放降低。

3）点火时刻的影响

由于点火时刻对燃烧室内温度和压力有明显影响，故其对NO 生成的影响也很大。图2-10

表示了三种空燃比下排气中NO 的体积分数随点火提前角θ的变化趋势。从该图可以看出：随着θ的减小，NO 排放量不断下降；当θ值很小时，下降速率趋缓。

增大点火提前角使较大部分燃料在压缩上止点前燃烧，增大了最高燃烧压力值，从而导

致较高的燃烧温度，并使已燃气在高温下停留的时间较长，这两个因素都将导致NO 排放量增大。因此延迟点火和使用比理论混合气较浓或较稀的混合气都能使NO 排放降低，但同时也会导致发动机热效率降低，严重影响发动机经济性、动力性和运转稳定性，因此应慎重对待。

2. 影响柴油机NO X 排放的因素

柴油机与汽油机的主要差别之一在于燃油是在燃烧刚要开始前才喷入燃烧室的，燃烧期

间燃油分布不均匀，引起已燃气体中温度和成分不均匀。上述影响汽油机NO X 排放的大部分因素也适用于柴油机。

与汽油机一样，柴油机气缸内达到的最高燃烧温度也有控制NO 生成的作用。在燃烧过

程中最先燃烧的混合气量（紧接着滞燃期的预混合燃烧）对NO 的生成量有很大影响 。因为这部分混合气在随后的压缩过程中由于被压缩，使温度升到较高值，从而导致NO 生成量的增加。然后这些燃气在膨胀过程中膨胀并与空气或温度较低的燃气混合，冻结已生成的NO 。

图2-11 车用柴油机燃油消耗率e b 、烟度F S 、气体排放 CO 、NOx 、HC 随喷油提前角inj θ的变化

因此，在燃烧室中存在温度较低的空气是压燃式发动机的第二个独特之处。这也就是柴油机中NO成分的冻结发生得比汽油机早以及NO的分解倾向较小的原因。

1）喷油定时的影响

试验表明，柴油机气缸内NO生成率大约从燃烧开始后20?CA内达到最大值，其数值大小大致与预混燃烧期内燃烧的混合气数量成正比。喷油提前角减小，使燃烧推迟，燃烧温度

图2-12 传统柴油机的典型放热规律（虚线）

与低排放柴油机的优化放热规律（实线）

1-推迟燃烧始点，降低NO X排放；

2-降低初始燃烧温度减少NO X生成；

3-维持中期快速燃烧和燃烧温度，

降低微粒排放；

4-缩短扩散燃烧期，降低燃料消耗率、

排气温度和微粒排放

较低，生成的NO X较少。这种推迟喷油的方法是降低柴油机NO X排放的最简单易行且有效的方法，但会使燃油消耗率略有提高。图2-11表示现代车用柴油机的喷油定时在从上止点前8?CA～4?CA范围内变化时，柴油机性能和排放的相对变化趋势。

2）放热规律的影响

图2-12表示柴油机燃烧放热规律的两种模式：传统放热规律模式（虚线）和低排放放热规律模式（实线）。图中χc为燃料已燃质量分数，dχc/dθ为放热率。传统模式在压缩上止点前即由于不可控预混合燃烧而出现一个很高的放热率尖峰，接着是由于扩散燃烧造成的一个平缓的放热率峰。前者导致生成大量NO；而后者（缓慢拖拉的燃烧）导致柴油机热效率恶化，微粒排放增加。低排放放热模式一般都在上止点后开始放热，第一峰值较低，使NO X生成较少；中期扩散燃烧尽可能加速，使燃烧过程提前结束，不仅提高热效率，也能降低微粒排放。

3）负荷与转速的影响

柴油机的NO X排放与负荷和转速的关系如图2-13所示。NO X排放随负荷增大而显著增加，这是因为随负荷增大可燃混合气的平均空燃比减小，使燃烧压力和温度提高所致。但当负荷超过某一限度时，NO X的摩尔分数反而下降，这是因为燃烧室中氧相对缺少而导致燃烧恶化，温度提高的效果被氧含量的相对减少所抵消，甚至有余。此情形在超负荷运转时更为明显。

柴油机转速对NO X排放的影响比负荷的影响小。对非增压柴油机，一般最大转矩转速下的NO X体积分数大于标定转速下的值，其原因主要在于低转速下，NO X生成反应占有较多的时间。

图2-13 柴油机不同负荷下的NO X排放和对应的空燃比

（直喷式自然吸气车用柴油机，6×102mm×118mm，c =16.5）

4 微粒

1、汽油机中的排气微粒有三种来源：含铅汽油中的铅、有机微粒（包括碳烟）、来自汽油中的硫所产生的硫酸盐。

车用汽油机用含铅量0.15g/L的含铅汽油运转时，微粒排放量在100～150mg/km范围内，其主要成分为铅化合物，铅质量分数占25%～60%，微粒尺寸分布为80%的直径小于0.2μm，这种微粒是由排气中的铅盐冷凝生成的。因此，以质量计的排放量在发动机冷起动时较高。目前，由于含铅汽油的淘汰及贵金属三效催化剂的应用，铅微粒当然也不再排放。

硫酸盐排放主要涉及在排气系统中有氧化催化剂的车用发动机。汽油中的硫在燃烧中转化为SO2，被排气系统中催化剂氧化成SO3后，与水结合生成硫酸雾。因此，汽油机硫酸盐的排放量直接取决于汽油中的硫含量。

碳烟排放只在使用很浓的混合气时才会遇到，对调整良好的汽油机不是主要问题。

此外当发动机技术状态不良（例如气缸活塞组严重磨损），导致润滑油消耗很大时，会产生排气冒蓝烟，这是未燃烧润滑油微粒构成的气溶胶。此时发动机性能明显恶化，需立即检修。

2.影响微粒生成的因素

1. 负荷与转速的影响

图2-16为柴油机的微粒排放量与负荷和转速的关系。由该图可看出：在高速小负荷时，单位油耗的微粒排放量较高，且随负荷的增加，微粒排放量降低；而在低速大负荷时，微粒排放量又由于燃空比的增加而有所升高。

微粒排放量随负荷有这样的变化趋势，是由于小负荷时燃空比和温度均较低，气缸内稀薄混合气区较大，且处于燃烧界限之外而不能燃烧，造成了冷凝聚合的有利条件，从而有较多微粒（主要成份是未燃燃油成份和部分氧化反应产物）生成；在大负荷时，燃空比和温度均较高，造成了裂解和脱氢的有利条件，使微粒（主要成份是碳烟）排放量又有了升高；在接近全负荷时微粒排放急剧增加（接近冒烟界限），这时虽然总体过量空气系数尚大于1，但由于燃烧室内可燃混合气不均匀，局部会有过浓，导致烟粒大量生成。

微粒排放量与转速有如此变化关系，是由于在小负荷时温度低，以未燃油滴为主的微粒的氧化作用微弱。当转速升高时，这种氧化作用又受到时间因素的制约，故微粒排放量随转速升高而增加；在大负荷时，转速的升高有利于气流运动的加强，使燃烧速度加快，对碳烟微粒在高温条件下与空气混合氧化起了促进作用，故以碳烟为主的微粒排放量随转速的升高而减小。如仅考虑碳烟排放，对车速适应性好的柴油机而言，其峰值浓度往往出现在低速大

负荷区。

2. 燃料的影响

柴油中的芳香烃含量及柴油的馏程对柴油机的微粒排放有明显的影响。试验表明，燃油中芳香烃含量及馏程越高，在相同的试验条件下，微粒排放量越大；而烷烃含量越高，微粒排放量越少。

燃油的十六烷值对烟粒排放也有明显影响。试验表明，柴油机的排烟浓度随十六烷值的提高而增大，其原因可能是由于十六烷值较高的燃油稳定性较差，在燃烧过程中碳的生成速率较高所致。若从柴油的十六烷值对燃烧过程的影响考虑，则由于十六烃值高的燃油具有良好的发火性，其滞燃期短，参与预混燃烧的燃油较少，大部分燃油是以扩散燃烧的方式进行，故排烟浓度较大。然而，以降低十六烷来获得排烟的改善，会带来柴油机工作粗暴等严重后果。

3. 喷油参数的影响

1）喷油定时的影响

在直喷式柴油机中，当所有其它参数不变时，提前喷油或非常迟的喷油，可以降低排气烟度，如图2-17所示。

提前喷油使排烟下降的原因是：滞燃期随喷油提前角的加大而延长，因此使着火前的喷油量较多，燃烧温度较高，燃烧过程结束较早，从而使排气烟度下降。但喷油提前会使燃烧噪音和柴油机机械负荷与热负荷加大，还会引起NO X排放量增加。

喷油定时，BTDC/℃A

图2-17 喷油定时对烟度的影响

图2-18 直喷式柴油机喷油规律对排放的影响

（喷油提前角17°BTDC；n=1250r/min；涡流比3.5；喷油持续角25°）

非常迟的喷油使排烟下降的原因是：这种喷油定时发生于最小滞燃期之后，由于扩散火焰大部分发生在膨胀过程中，火焰温度较低，使碳烟的生成速率降低。

2）喷油规律的影响

在喷油定时、喷油持续角、循环供油量、涡流比和发动机转速不变的条件下，直喷式柴

油机的喷油规律对NO 和碳烟排放的影响如图2-18所示。当大部分燃油在前半时间内喷入气缸时，参与预混燃烧的油量增多，故排烟浓度低而NO 浓度高；反之，当大部分燃油在后半时间喷入气缸时，参与扩散燃烧的油量增多，故排烟浓度高而NO 浓度低。

在提高初始喷油速率的前提下，如能减小喷油持续角，可使燃烧过程较快结束，以改善碳烟排放。

3） 喷油嘴不正常喷射的影响

当喷油嘴由于针阀密封面漏油或针阀落座缓慢而造成滴漏，或针阀落座后再次升起而产生二次喷射时，燃油雾化和混合变差，对碳烟、未燃烃、CO 的排放及发动机运转均有不利影响。 4） 喷油压力的影响

提高喷油压力，改善燃油雾化（减小油雾

的平均直径），能促进燃油与空气的混合，改

善油气混合的均匀性，从而减少烟粒的生成。

试验证明，不论柴油机转速高低、负荷大小，

烟粒排放均随最大喷油压力的提高而降低。应

注意，在较高的转速和较大负荷（较大循环供

油量）下，同样的喷油装置有较高的喷油压力。

采用较高的喷油压力还可使柴油机具有较高

的EGR 耐力。如前所述，增大EGR 率可降低NO X

排放，但也往往导致烟粒和HC 排放上升。从图2-19可看出，当喷油压力p inj 从42MPa 提高到82MPa 时，烟粒（S F ）排放可下降一半以上，HC 下降1/3左右。 4. 空气涡流的影响

适当增加空气涡流，可使油滴蒸发加快，空气卷入量增多，有利于改善混合气品质，以减少碳烟排放量。但是，对减少碳烟排放有利的涡流，不一定有利于减少其它微粒和有害物的排放。例如，当喷油率较低时，增大空气涡流会吹散较多的燃油，形成较宽的过稀不着火区，使未燃烃排放量增加。

5. 其它因素的影响

由于高温缺氧是造成碳烟生成量增加的重要原因，所以，凡能提高充气效率以增大进气量的措施，都可以减少碳烟排放。适当提高燃烧室内的空气温度和壁温，可以改善燃料着火条件，减少微粒排放。

图2-19 柴油机在不同喷油压力下通过EGR

得出的烟度F S 和HC 排放与NO X 排放的关系

p inj /MPa