发动机的排放特性

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1、第 3 章 发动机的排放特性本章主要内容：介绍了汽油机和柴油机的稳态和瞬态排放特性。叙述了汽油机和柴油机 稳态条件下转速和负荷对各排放污染物浓度的影响及其起动、加减速等瞬态工况下的各排放 污染物浓度变化的趋势，并分析了其产生的原因。发动机排放污染物的浓度是随发动机的工况(负荷与转速)变化的，各种排气污染物(CO、HC等)的排放量随发动机运转工况参数如转速n、平均有效压力pme等的变化规律，称为发 动机的排放特性。在环保法规日益严格的今天，对发动机的排放要求越来越高，掌握了发动 机的排放特性，对于我们按照低排放要求正确使用发动机有着重要的指导意义。根据发动机 的排放特性，可以找出其运转时排放最严

2、重的工况区，从而为低排放改造指出方向，以适应 环保法规的要求。3.1 发动机的稳态排放特性3.1.1 汽油机的稳态排放特性图3-1、图3-2和图3-3分别为一台比较有代表性的排量为2L的4气门现代车用进气道电子喷射汽油机的CO、HC和NO稳态排放特性图。各种排放均用比排放量(比排放量指X 每千瓦小时所排放出的污染物的质量)表示。实际上，发动机有害排放物对大气污染的程 度，不仅取决于其排放浓度x.(ppm),而且还取决于其质量排放量G. (g/h),二者之间的关 ii系为：G = V x p x 10-3(3-1)i g i i式中：V -排气容积流量(m3/h)；gP厂污染物的密度(kg/m3

3、)。i图3-1汽油机CO比排放特性对于量调节的汽油机来说，其排气容积流量既与转速有关，也与负荷有关。因此，其污 染物排放量的变化规律是不同于污染物浓度的。由图3-1可见，为了满足三效催化转化器高效率工作的要求，现代车用汽油机在常用的部分负荷区将过量空气系数 控制在1.0左右， a所以co的排放较低，而在负荷很小时，为了保证燃烧的稳定，混合气被适当的加浓，从而 导致了 CO的排放略有上升。当工作负荷接近全负荷时，为了使发动机能发出较大的功率和 转矩，混合气被显著加浓，从图中可以看到，CO的比排放量开始急剧升高，而绝对排放浓 度和质量则上升更快。图3-2表示了车用汽油机未燃HC排放量的变化趋势。从

4、图中可见HC的变化趋势和CO 比较相似，中等负荷时比排放量较小，大负荷和小负荷时相对增加。但有两个不同之处：一 是HC在全负荷时其排放没有像CO那样显著增加，只是稍有增加，基本和中等负荷时保持同 一水平；二是小负荷时HC比排放量随负荷的减小增加的程度更加明显。CO和HC生成机理 不同可以解释造成这种两种情况的原因。在大负荷时采用过浓的混合气来提供更大的功率和 转矩，这时氧气相对较少，燃料不可能完全氧化，从而生成大量的CO，而HC的排放主要来 自淬熄等多相因素，每循环绝对排放量的变化是不大的，当汽油机转速一定时，随着负荷增加，空燃比增大，混合气变稀，排气中HC比排放量下降。若进一步加大负荷，混合

5、气变浓，特 别是全负荷时排气中严重缺氧，未燃的HC无法完全氧化，其比排放量又会增加。在低速小 负荷时，缸内温度低，对未燃HC的氧化不利，缸壁的激冷作用变强，因此HC比排放量同样 会增加。汽油机NO排放如图3-3所示，其排放规律与CO、HC的排放规律有很大区别。当转速X一定时，NO的比排放量随负荷增大而不断减小，而实际上在中等负荷区，随着负荷的增大,X由于燃烧温度提高了，NO绝对排放量增加，但NO的增加与负荷是不成正比的，因而NO比XXX排放量却是逐渐下降的。在大负荷时，由于混合气过浓，氧气不足，不利于NO的生成，NOXX绝对排放量下降，比排放量下降更快。从图中还可以看出，当负荷一定时，随着转速

6、的增加， NO 的比排放量增大，其绝对排放量显著增加。X由于影响汽油机排放的因素甚多，因此各种汽油机排放特性有很大差异。尽管如此，其 有害排放物的排放量随负荷及转速的变化而变化的趋势则是一致的，为了使车用汽油机排放 的有害污染物较少，应尽量使其在中等负荷下运行。3.1.2 柴油机的稳态排放特性图3-4、图3-5和图3-6分别是一台具有代表性的2.8L排量的现代涡轮增压中冷直接 喷射式车用柴油机的 CO、HC、NO 的稳态排放特性图。X从图3-4可见，涡轮增压直喷柴油机在整个工况范围CO的排放都很少，在大多数工况 下，CO比排放量都比较小，这是由于涡轮增压直喷柴油机的空燃比非常大，不易生成CO，

7、 在中速、中负荷工况下，柴油机的CO排放量最少。柴油机CO的高排放量也出现在小负荷工 况区，原因是由于柴油机循环供油量较少，燃烧室内存在较多过稀混合气区，使火焰传播困 难，燃烧室内气流运动弱，混合气形成不均匀，CO难以有效燃烧形成CO2。另外，在大负荷 工况下柴油机CO的排放也不容忽视。在大负荷工况下，柴油机每循环供油量较多，燃烧室 内存在过多的过浓混合气区，氧气的缺乏使CO不能得到及时氧化。图3- 6柴油机NOxt匕排放特性从图3-5可见，柴油机未燃HC排放比汽油机少得多，这是因为柴油机喷油压燃的工作 特性使燃油停留在燃烧室中的时间匕汽油机要短得多，从而受一些多相因素影响较小。还可 以看出，

8、柴油机的HC比排放量基本上是随负荷的上升而下降，但绝对排放量基本不变。其 未燃HC排放主要来自柴油喷注外缘混合过度造成的过稀混合气区域，当负荷较小或低速时， 柴油机循环供油量较少，一方面，燃烧室内存在较多的稀混合气区，使部分燃料不能得以及 时燃烧；另一方面，燃烧室温度相对较低，加大了火焰激冷淬熄的可能性，结果使柴油机低 速或者小负荷运转时HC排放较高。从图3-6中可以看出，柴油机NO的高排放区主要出现在小负荷和高速工况。当柴油机X 负荷较小时，燃烧始点时的燃烧室内温度较低，滞燃期增长，混合时间加长，增大了氧气与 高温燃气接触的机会，使NO排放较高。高转速工况下NO的高排放量可能与气缸内涡流强X

9、X 度有直接关系。在高转速下，气缸内存在较强的涡流水平，使高温燃气与氧分子接触的机会 加大，燃烧速度加快，温度比较高，使NO大量生成，在高速小负荷工况时尤为突出。X图3-7、图3-8和图3-9分别为该柴油机排气不透光度线性分度N、PT质量浓度和比排 放特性。从图可以看出，当转速不变时，不透光度线性分度N基本上是随着负荷增大而增大的，这主要和过量空气系数的下降有关，当负荷不变时, 柴油机的不透光度线性分度N先降后升，在某一转速时达到最小值。PT排放浓度由低速小 负荷向高速大负荷增加，在接近最大功率时明显增加；PT比排放量在小负荷和高速大负荷3-9 PT比排放量3.2 发动机的瞬态排放特性发动机的

10、转矩和角速度随时间迅速变化的工况，称为发动机的瞬态工况。汽车的冷态及 热态起动、加速、行驶时负载突然增加的工况，都是典型的瞬态工况，在这种工况下，其转 速和负荷不断的变化，发动机各部件的温度以及工作循环参数也在不断的变化，此时发动机 的排放与稳态工况有很大的不同。3.2.1 汽油机的瞬态排放特性1. 起动工况图3-10和图3-11分别表示了某型汽油机常温起动和热起动时CO、HC和N0X随时间的变化，在常温起动时汽油机的转速、进气系统和气缸温度较低，空气流动速度也低，汽油很 难完全蒸发，较多的汽油沉积在进气系统和气缸壁面上，形成油膜，导致汽油雾化差，混合 气质量欠佳，燃油壁流现象严重，各缸混合气

11、分配不均匀。在低温下，汽油的饱和蒸气压力 下降，难以形成在着火界限可燃的混合气。为了顺利起动，须向汽油机提供很浓的混合气 浓混合气、低的压缩温度和壁面温度等，都使得燃烧不完全，CO和HC的排放浓度增加。另一方面，起动时混合气过浓及气体温度低、氧气的缺乏使 得 NOX 排放浓度低，但呈上升趋势，这可能是由于机体温度升高造成的。汽油机热起动时由X于其较常温起动时进气量少，混合气浓CO的峰值高，HC排放低，同时热起动时发动机缸内 混合气温度高于常温起动，NO在热起动后大约29s内高于常温起动。X2. 加减速工况 汽油机加速工况，一般指迅速开起节气门增加转矩到最大值，使转速急剧提高。化油器式汽油机加速

12、时，节气门突然开大，化油器和进气管内会发生短期的混合气变稀现象，为改 进汽油机的加速性能，在化油器中设有加速泵。加速泵可在短时间内供给额外的燃油，使化 油器提供过浓的混合气，以使汽油机在加速时功率和转速迅速增加，混合气过稀会使HC增 加，而混合气过浓，又会因燃烧不完全而使CO和HC都增加。此外，燃烧温度提高，NO排X 放量也会增加。汽油喷射发动机由于不需特别的加浓混合气，其排放与相应的各稳定工况相 似。车用汽油机的减速工况指的是节气门迅速关闭，发动机由汽车倒拖，在较高转速下空转。 对于化油器式汽油机而言，当汽车减速时，节气门开度突然减小，进气管内产生较大的真空 度，壁面上的燃油蒸发加速。另外，

13、从量孔中流出的燃油，由于惯性来不及降低流速，仍大 量进入进气管，形成过浓的混合气，这样，HC和CO浓度都会增加，燃油经济性变差。对于 汽油喷射发动机而言，在减速时不再供油，进气系统中液态油膜少，因此排放的 HC 和 CO 很少。3. 怠速工况 汽油机怠速运转的特点是转速低，节气门开度小，供油量少，但混合气浓度较高，雾化不良。节气门开度小，使剩余废气相对较多，有的汽油机残余废气系数可达 0.35-0.8，而 且各缸差别较大。这种情况造成燃烧缓慢，燃烧不完全，甚至因点不着火而出现间断着火现 象。一般来说，在怠速时CO和HC排放浓度高而NO排放浓度则较低。适当提高汽油机怠速X 转速，使进气节流度减小

14、，新鲜充量增加，剩余废气量相对减少，对改善燃烧、降低CO及 HC 的排放有利。汽油机起动后，其构成燃烧室的主要零件以及润滑系、冷却系是不能立即达到正常工作 温度的，需要一个暖机的过程，暖机过程属于怠速运转，这时采用浓混合气来弥补汽油在进 气道和气缸壁面上的冷凝，保证燃烧的稳定，因此，CO及HC排放浓度高，但燃烧温度不高， 所以 NO 排放浓度不高。X3.2.2 柴油机的瞬态排放特性 试验表明，柴油机在瞬态工况下一些排放物浓度比稳定工况的高，有的竟高5 倍以上。 有些净化措施（如柴油掺水），对降低稳定工况时的排放物有利，但对瞬态工况却不利。在柴 油机工作过程中，瞬态工况是难以避免的，如地下工程机

15、械用柴油机，常处于瞬态工况下工 作，而对这些柴油机的排放要求又较高。涡流燃烧室柴油机和直喷小缸径柴油机的起动都较 难，起动时其污染物排放量都有所增加。1. 起动工况 多缸柴油机的起动过程有其自身的特点首先，在起动时缸内压缩温度很低，喷入缸内 的燃油的雾化、气化很差，很难发展为扩散燃烧，这种极不完善的燃烧使排放物量增加，柴 油机起动过程包括若干加速阶段及转速“踌躇”阶段。在第一次加速的初期，每缸每个循环 的燃烧压力都在增加，压力产生的转矩使柴油机转速增加，然而由于起动阶段内压缩温度低， 燃烧雾化质量差，这种转速的增加，使以曲轴转角表示的滞燃期相对更长，在压缩上止点后 更大的曲轴转角位置时才着火，

16、导致柴油机转速不会增加或稍有降低，即所谓的“踌躇”阶段。随着缸内温度提高，燃油雾化改善，滞燃期缩短，“踌躇”现象消除， 起动才得以完成。在缸内的初始条件较差时，必须供应较多的油，但这时燃烧并不稳定，也 很不完善，因此CO、HC及微粒等有害物排放量比稳态的高。2. 加减速等瞬态工况在加速开始阶段由于喷油泵供油量猛增，使油泵驱动轴系产生扭转变形，燃油喷射时间 推迟，供油速率也与稳态的稍有不同。加速初期喷入缸内的燃油增加，而缸内气体温度升高 缓慢，因此燃油汽化不能迅速得到足够的热量，滞燃期变长。以后燃烧室壁温度及缸内气体 温度上升，滞燃期才逐步趋向于稳态工况时的值，但由于柴油机转速增加，以曲轴转角表示 的滞燃期仍略有增加。尽管开始加速时滞燃期增加，但由于混合气