影响汽车排放污染物的因素

影响汽车排放污染物的因素涉及汽车发动机的结构因素和使用因素等多方面。

1.结构因素

在结构方面,汽车污染物的排放量主要取决于汽车类型和汽车的技术水平。汽车发动机采用液化石油气和天然气作为燃料,产生的污染较小;采用电子控制的汽油喷射系统、排放控制系统、电子点火系统的发动机产生的排放污染小;装用柴油发动机的汽车其污染物排放量比装用汽油发动机的汽车污染物小。

2.使用因素

在使用方面,除了发动机本身的技术状况会直接影响汽车污染物的排放量外,其他影响汽油发动机和柴油发动机污染物排放量的使用因素各不相同。

(1)汽油机排放污染物的主要影响因素。

1)混合气浓度。

混合气浓度常用空燃比或过量空气系数来表示。空燃比是指可燃混合气中空气质量与燃油质量的比值,表示空气和燃料的混合比。从理论上说,每克燃料完全燃烧所需的最少的空气克数,叫作理论空燃比。汽油机的理论空燃比为14.7。过量空气系数是指燃烧1kg汽油实际供给的空气质量与理论上燃烧1kg汽油所需的空气质量之比。如空燃比大于14.7或过量空气系数大于1,则称混合气较稀或混合气过稀;反之,则称较浓或混合气过浓。空燃比对汽油机排放污染物中CO、HC、NOX的影响如图6-1所示。从图6-1中可以看出,CO的排放量随着空燃比的增加在逐渐下降;HC的排放量两头高中间低;NOX的排放量却是两头低中间高。

图6-1 空燃比对汽油机排放污染物中CO、HC、NOX的影响

对于CO的排放,很明显随着空燃比的增加而降低,主要原因是空燃比越大,空气量越充足,燃料的燃烧越充分,CO的排放量就会相应降低。当实际空燃比大于理论空燃比时, CO的排放仍保持一定的浓度,这主要是由于燃烧室内混合气的空燃比分布不均、高温分解等造成的。当空燃比进一步增加时,混合气变稀,使得燃料燃烧之后的温度降低,减少了高温分解,因此CO的排放浓度得到进一步下降。就CO而言,其排放量主要受空燃比的影响,受其他因素的影响不大。一切影响空燃比的因素都将影响CO的排放。

对于HC的排放,空燃比对HC的影响与CO有类似的倾向,即随着空燃比的增加,混合气由浓变稀的过程中,HC的排放量是一直下降的。当空燃比大于17时,由于混合气过稀,传统的均质燃烧方式已不能保证正常燃烧,极易发生火焰不完全传播以致断火,进而使得未燃HC排放量迅速增加。

对于NOX的排放,当空燃比在16左右时,为稀混合气,由于燃烧之后的温度较高,混合气中氧的含量充分,故此时NOX的生成量达到最大。当空燃比低于此值时,随着混合气越来越浓,混合气燃烧后的温度和氧的浓度较低,NOX生成量减少。当空燃比高于此值时,随着混合气越来越稀,虽然氧的浓度增加,但是火焰传播速度减慢,混合气燃气之后的温度较低,所以NOX的生成量相对减少。

2)发动机温度。

当发动机的工作温度较低时,燃油供给系统供给的燃油雾化不良,进入气缸的混合气遇到温度低的气缸壁产生冷凝,所以此时提供浓混合气,由于空气量不足,使得CO的生成量增加,但此时混合气燃烧的温度较低,使得NOX的生成量减少而未燃的HC生成量增多。当发动机温度过高时,由于发动机过热,易产生爆燃或早燃等非正常燃烧现象,故此时使得混合气燃烧之后的温度异常升高,从而导致NOX的生成量增加。

3)发动机负荷。

发动机的负荷一般根据不同工况、车辆装载质量决定。

汽油发动机在怠速和小负荷工况运行时,燃油供给系统提供的混合气较浓,而此时气缸内的混合气燃烧速度慢,燃烧室温度低,易引起不完全燃烧,使CO的排放量增加、NOX的排放量减少;由于此时燃烧室的温度较低,燃烧室壁面激冷现象严重,激冷面上的燃油不可能燃烧,形成HC排出,使HC的排放量增加。由此可见,汽油机怠速工况下的排放污染物较多。

汽油发动机在中等负荷工况运行时,燃油供给系统提供的经济混合气易于燃烧,燃烧室的温度较高,所以此时CO、HC的排放量较少,NOX的排放量较多。

汽油发动机在大负荷工况下运行时,燃油供给系统提供的是浓混合气,氧含量较少,故使得CO的排放量增大;由于排气温度高,排气后的反应对HC排放的消除作用加强,导致HC的排放量变化不大;由于混合气燃烧之后温度升高较大,故使得NOX的排放量增大。

4)发动机转速。

发动机转速对污染物的排放影响是多方面、多角度的,因为汽油机转速的变化将引起充气系数、点火提前角、空燃比、发动机温度以及排气在排气管中停留的时间等的变化,而这些因素都会引起排放污染物的不同变化。

当发动机转速升高时,缸内气体流动性增强,混合气紊流扰动强度增大,燃油的雾化质量及均匀性得到改善,火焰传播速度加快,燃料燃烧比较完善,燃烧室温度升高快,这些都有利于改善燃烧,降低CO及HC的排放。

汽油发动机在怠速运转时,由于发动机转速较低,燃油的雾化效果差,混合气较浓,残余废气系数较大,使得CO和HC的排放量较大。发动机怠速转速与CO、HC的关系如图6-2所示。由图可以看出:适当提高怠速转速可以使CO和HC的排放量有所下降。主要原因是随着怠速转速的提高,进气节流度将减小,进入气缸的新鲜空气量有所增加,使得混合气的燃烧效果得到改善,进而使CO和HC的排放量降低。

图6-2 发动机怠速转速与CO、HC的关系

发动机转速对NOX的排放量也会产生影响。当发动机混合气为浓混合气时,火焰传播速度随转速的提高而加快,散热损失减少,缸内气体温度升高,使NOX的排放量增大。当发动机混合物为稀混合气时,火焰传播速度随转速的提高而变化不大,由于燃烧过程相对的曲轴转角增大,燃烧峰值温度反而下降,故使NOX的排放量减少。

5)点火提前角。

点火提前角的大小,由节气门开度、发动机转速和汽油质量等决定。

如果减小点火提前角,即在活塞接近上止点时点火,可以使排气时间延长、排气温度增高,而此时点火气缸内容积相对较小,促进CO和HC的氧化与激冷面积较小,使HC排放量减少,对CO排量影响不大;如果点火过迟,会使CO来不及完全氧化,从而使CO排放量增加,但适度推迟点火可减小CO排放。

点火提前角的减小,使得混合气燃烧的最高温度降低,会NOX排放量减少。

点火提前角的减小,使补燃增加,延长了混合气的燃烧时间,在做功行程后期,未燃的HC会继续燃烧,使HC排放量降低。但如果点火过迟,因燃烧速度慢,故HC排放浓度将有所提高。

如果增大点火提前角,使点火提前,则气缸壁的激冷面积较大,混合气燃烧之后温度上升大,都会导致HC、NOX的排放量迅速上升,对CO排放量的影响不大。

6)火花质量、火花塞间隙及分电器触点。

火花质量决定点燃混合气的能力。当点燃稀薄混合气时,火花越弱,出现失火的现象越多,而失火将会造成大量的HC生成。现代发动机普遍采用高能点火系统,将点火初级电流从3A提高到5A,增加了点火强度,延长了火花持续时间,从而改善了混合气燃烧质量,使HC排放量降低。

使用经验表明,火花塞电极之间间隙大于最佳值,则HC排放量将增加12%～14%,对于四缸发动机,若一个火花塞不工作,则HC排放量将增加0.5～1倍。

分电器触点间隙过大或过小,对最佳点火提前角有明显影响,若间隙变化0.1mm将使点火提前角偏离6°,则HC排放量可增加3%。

7)工况。

①冷启动工况。

汽油发动机在进行冷启动时,由于进气系统和气缸温度都很低,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,同时由于发动机转速很低,气体流速很低,燃油蒸汽与空气混合也不均匀,为了使气缸点火时能在火花塞附近形成一定浓度可点燃的混合气,电控燃油喷射系统中的ECU会控制喷油器延长喷油时间,以提供较浓的混合气,即额外加大供油量。形成油膜的汽油有些在燃烧结束后才从壁面上蒸发,没有来得及完全燃烧就被排出气缸,造成冷启动时HC的排放量大大增多。较浓的混合气导致CO的排放量也较高。由于温度较低以及过浓的混合气,冷启动时NOX的排放量很低。

②暖机工况。

汽油发动机启动以后,气缸燃烧室的主要零件以及润滑系、冷却系不能立即达到正常的工作温度,需要一个暖机过程。这时仍需要供给过量空气系数小于1的浓混合气,以弥补汽油在进气道和燃烧室壁面上的冷凝,保证燃烧的稳定,此时CO和HC的排放量仍然很大。在使用电控燃油喷射系统的汽油机中,一般是随着冷却液温度的提高而自动减小喷油量,逐渐向发动机正常工况过渡。在缸内直接喷射的汽油机中,由于喷油压力高,且直接向气缸内的纯净空气喷油,所以冷凝和壁面油膜等多个问题基本被消除,暖机极为迅速。这是缸内直喷汽油机的主要优点之一。

暖机工况中,NOX的排放量仍然不大,因为暖机属于怠速运转,燃烧温度不高。

③加速工况。

加速就是发动机在部分负荷状态下迅速增加负荷,从而提高发动机转速,使得汽车车速加快。汽油机加速运转时,通常供给较浓的混合气,造成较高的CO和HC排放。

④减速工况。

减速就是节气门迅速关闭,离合器不分离,发动机由汽车倒拖,在较高转速下空转。由于发动机进气管中突然的高真空度状态,使壁面上的液态油膜急剧蒸发,形成瞬时过浓混合气,致使燃烧状态恶化而导致较高的CO和HC排放。

(2)柴油机排放污染物的主要影响因素。

柴油发动机混合气的形成是在燃烧室内进行的,新鲜空气通过进气道进入气缸,柴油高压喷入燃烧室,压缩着火后进行边喷边燃烧的扩散燃烧方式。这种工作方式决定了柴油与空气的混合是不均匀的,不可避免地存在局部缺氧或局部富氧情况。燃烧室内混合气在高温缺氧时,易炭化形成炭烟;高温富氧时,易形成NOX,而CO和HC则不容易形成,因此,柴油发动机的主要排放污染物是炭烟和NOX,而CO和HC的排放量较少。此外,柴油燃烧后会生成一些有臭味的有机气体,因此,柴油机排放中还有臭味。

1)过量空气系数。

柴油发动机的混合气始终处于比较稀的状态下,过量空气系数较大,虽然混合气不均匀,会有局部过浓区,但是由于氧气比较充分,能对生成的CO在缸内进行氧化,因而CO的生产量一般较少,只是在接近冒烟界限时急剧增加;HC的生成量也较少,过量空气系数增加时,将随之上升。在过量空气系数稍大于1的区域,虽然总体是富氧燃烧,但由于混合气不均匀,当局部高温缺氧时,就会急剧产生大量炭烟;随着过量空气系数增加,炭烟排放将迅速下降。柴油NOX排放量随混合气变稀、温度下降而减少。

2)喷油提前角与喷油压力。

提前喷油,燃油在较低的温度和压力下喷入气缸,使着火延迟期延长,因此着火前喷入气缸的燃油量较多,燃油与空气混合得更充分,燃烧程度增大,有利于抑制炭烟生成。而且由于燃烧初期放热率升高,燃烧最高温度高,使燃烧过程结束较早,有利于已经生成的炭烟和颗粒物在缸内局部温度下降到炭反应温度之前的氧化反应。

喷油提前会使NOX排放增加。喷油推迟,可降低NOX排放。但是喷油过迟,炭烟排放会增加,对CO和HC的排放也有不利影响。

喷油压力提高,使得燃油喷雾颗粒进一步细化,贯穿力加大,喷雾锥角加大,再加上紊流的增强,直接促进了燃油与空气的混合,颗粒物排放降低。

3)负荷。

柴油机负荷的变化就是混合气浓度的变化。柴油机炭烟的排放量在中、低负荷时较低,而大负荷时急剧增长。因为负荷增加时,喷入气缸内的燃油量增加,燃烧温度也随之提高,使得炭烟的生成量急剧上升。由于高温富氧是生成NOX的有利条件,使得NOX的排放量随着负荷的增大、燃烧温度的升高而增大。

4)燃料。

柴油燃料的十六烷值高,则着火延迟期缩短,燃烧过程更加柔和,缸内温度和压力下降,从而减少NOX的排放。实验表明:十六烷值从40提高到50时,NOX排放量可降低11%。十六烷值过高,燃油稳定性差,在燃烧过程中易于裂解,也会使喷入气缸中的燃油来不及与空气充分混合就着火燃烧,有较大的冒烟倾向,引起炭烟的排放增加。

5)转速。

对于柴油机而言,转速改变时,HC和NOX的排放量变化不大;CO的生成量由于高速运转时充气量和燃烧时间短而上升;低转速时,缸内的温度和喷油压力较低也会使CO排放量上升。炭烟的生成量随着转速的提高而增加,这是因为转速提高时,充气量下降,不易于混合气的形成且燃料燃烧不及时,使未燃烧的燃油和局部混合气的浓度增加,导致炭烟生成量增加。

6)冷启动和加、减速工况。

柴油机冷启动时,缸内的温度很低,燃油的雾化条件很差,一部分燃油会附着于燃烧室的壁面,使得混合气燃烧不完全,燃烧效果差。因此,炭烟、CO和HC的排放必然会增多。

柴油机的加速过程就是加大供油量的过程,由于加速迅猛,供油量迅速增大,过快增大的供油量往往会造成过高的使炭烟、CO和HC的排放。柴油机的减速过程就是减小供油量,使炭烟、CO和HC的排放量下降。