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：
    （3-1）
式中： Vg-排气容积流量(m3/h)；
ρi-污染物的密度(kg/m3)。


           
                          图 3-1 汽油机CO比排放特性                                                                                       图 3-2 汽油机HC比排放特性                                      
 
                                       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 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NOX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NOX比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、HC、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CO不能得到及时氧化。