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1、.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 NOX 稳态排放特性图。各种排放均用比排放量( 比排放量指 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 xi(ppm)，而且还取决于其质量排放量 Gi( g/h)，二者之间的关 系为：Gi Vgxi i 10 3 （3-1）式中：3Vg-排气容积流量 (m3/h) ；3 i-污染物的密度 (kg/m 3)。图 3-1 汽油机 CO 比排
2、放特性图 3-3 汽油机 NOx 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 a 控制在 1.0 左右， 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
3、表示了车用汽油机未燃 HC 排放量的变化趋势。 从图中可见 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
4、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 X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 速一定时， NOX 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，由于燃烧温度提高了， NOX 绝对排放量增加，但 NOX 的增加与负荷是不成正比的， 因而 NO X比排放量却是
5、逐渐下降的。 在大负荷时， 由于混合气过浓， 氧气不足， 不利于 NOX 的生成， NOX 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， 随着转速的增加， NOX 的比排放量增大，其绝对排放量显著增加。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、H
6、C、NOX 的稳态排放特性图。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，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 C
7、O 不能得到及时氧化。图 3-5 柴油机 HC 比排放特性图3-4 柴 油 机 CO 比 排 放 特 性图 3- 6 柴油机 NOX 比排放特性从图 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比汽油机要短得多， 从而受一些多相因素影响较小。 还可 以看出，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
8、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 NOX 的高排放区主要出现在小负荷和高速工况。当柴油 机负荷较小时 ，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 NOX 排放较高。高转速工况下 NOX 的高排放量可能与气缸内涡 流强度有直接关系。 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 NOX 大量生成，在高速小负荷工况时尤为突出。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时较高。度线性分