1、汽车排放与控制汽车排放污染物的生成机理和影响因素 学习目标 理解汽车排放物与柴油车排放物有何异同，理解汽车排 放物的生成机理及其影响 知识要点 汽油车排放污染物的生成机理 汽油车排放污染物的影响因素 柴油车排放污染物的生成机理 柴油车排放污染物的影响因素 引例某市环保局机动车尾气排放管理处对机动车尾气的进行24小时测试。结果表明尾气浓度最高时间是上下班时间，地点是在高架入口和十字路口处。考虑到车辆起动时尾气排放量大，交警部门在十字路口把左转车辆的两次起动改成一次起动。而以往是左转车在红绿灯提示进入左转等候区需起动一次，然后绿灯时再起动一次。试分析，汽车尾气排放为什么在上下班时间，在路口的地方排
2、放浓度大？从发动机运转工况的角度分析，为什么两次起动改为一次起动能降低排放？汽车排放对大气污染严重，其主要原因是与燃料的燃烧过程密切相关。目前汽车常用的燃料是汽油和柴油，属于石油制品，是多种烃的混合物，其主要化学成分为碳（C）和氢（H），具体的组成成分与原油产地还有关系。汽车排放除了和燃料在发动机中与空气的混合过程，燃烧过程及燃烧结束后在排气过程中的物理变化和化学反应有关。此外，还和燃油的蒸发等因素有关。汽油为C4C11的碳氢燃料，易挥发，化学稳定性好，着火温度高，不易自燃，是依靠点火使其燃烧。因此，汽油机需要燃油和空气在外部形成比较均匀的混合气进入气缸后，用火花塞点燃，形成火焰中心，化学反应
3、加速，开始进行火焰传播。所以其燃烧方式为预混合燃烧。柴油机为C12C23的碳氢化合物，不易挥发，着火温度低，化学稳定性差，但易自燃。因此，柴油机靠压缩提高缸内混合气的温度，使其自燃。由于柴油机是在极短的时间内靠高压将柴油喷入气缸，经过喷雾、蒸发，混合过程形成非均质的可燃混合气，当压缩达到自然温度就会有多处着火而燃烧，燃烧时，仍有燃料正在进行喷射、雾化、蒸发和混合，因此其燃烧方式为扩散燃烧。由表2-1可见：汽油机污染物主要是CO，HC和NOx。柴油机污染物主要是微粒和NOx。2.1 汽油车排放污染物的形成机理及其影响因素 汽油中一般烷族烃约占45%-60%，芳香族烃约占30%-35%，烯族烃约占
4、5%10%。其组成元素，按质量百分比，碳（C）元素约占85.5%，氢（H）元素约占14.5%。传统的汽油机压缩比在710之间，燃烧过程是依靠火花塞点燃汽油与空气的混合气。汽油机燃烧必需具备两个条件。一是空气和燃料的混合气成分（空燃比）应处在可燃界限内（一般在10-19之间）；二是火花塞应具有足够的点火能量（最小点火能量40-120mJ）才能可靠地点燃混合气。汽油的理论空燃比为14.7，一般最经济混合气的空燃比在15.416.2，最大功率空燃比为12.5-14。汽油机排放污染物与过量空气系数a的变化关系见图2-1。图2-1 汽油机排放污染物与过量空气系数a的变化关系 较浓的混合气（a1）由于燃烧
5、不完全，排放的CO与HC浓度较高，在=1附近，CO与HC排放浓度下降，在a=1.11.25范围内HC最少。NOx在稍稀处排放浓度最高。过稀或过浓混合气工作时NOx都急剧下降。过分稀时还会出现失火，导致HC排放增加。2.1.1汽油机排放污染物的形成机理1 CO的生成机理CO的生成主要是和混合气的混合质量及其浓度有关。燃料燃烧时不可能全部生成CO2，会由于下列原因产生部分CO。1燃料不完全燃烧 2混合气混合不均匀 3CO2和H2O在高温时裂解 CO是碳氢化合物燃料在燃烧过程中生成的主要中间产物。控制CO排放量的主要因素是可燃混合气的过量空气系数a。当空气不足即a1时，燃料燃烧时生成大量CO。在传统
6、的汽油机中（化油器式），可燃混合气基本上是均匀的。在这种情况下，其CO排放量几乎完全取决于混合气的空燃比。或过量空气系数a。图2-2 点燃式内燃机CO排放量xco与空燃比及过 量空气系数a的关系 图2-1a表示Xco与的关系。对于不同燃料，由于H/C比不同而互不重合。但如把空燃比换成过量空气系数a，则不同燃料的关系相当精确地落在一条线上(图2-lb)。由此图可见，在浓混合气中(a1)，Xco都很小，只有在a1.01.1时，Xco才随a有较复杂的变化。汽油机怠速运转时，缸内残余废气很多，混合也不充分，为了保证可燃混合气稳定燃烧，需要加浓混合气，因而排放大量CO。这是化油器式汽油机总的CO排放量大
7、的一个主要原因，因为车用内燃机怠速运转所占时间比例很大。为了提高汽油机全负荷运转时的功率输出，往往把可燃混合气加浓到a0.80.9，导致CO排放量很大。全负荷不加浓或少加浓混合气，应认为是降低CO排放的实用措施之一，但要以牺牲动力性为代价。发动机加速时，为了保证加速圆滑，也要在短时间内加浓混合气，导致出现CO排放高峰；发动机急减速时不断油，除了导致HC排放大增外，也使CO排放增加。2 HC的生成机理汽油机未燃HC都是在缸内的燃烧过程中产生，并随排气排放。其未燃HC的生成与排放有如下三个渠道。1)在气缸内的工作过程中生成并随排气排出，称为HC的排气排放物。主要是在燃烧过程中未燃烧或未完全燃烧的H
8、C燃料。对于增压的四冲程汽油机，一般采用较大的气门重叠角。当进排气门重叠开启时，扫气作用虽然有助于降低发动机热负荷，但也使HC排放增加。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，含有大量未燃烧料。曲轴箱窜气如果排入大气也构成HC排放物，称为曲轴箱排放物。3)从汽油机和其他轻质液体燃料点燃式发动机的燃油系统，如燃油箱、化油器等处蒸发的燃油蒸气，如果排入大气同样构成HC排放物，称为蒸发排放物。汽车汽油配售、储存和加油系统如无特殊防蒸发排放措施，会产生大量蒸发排放物。汽油机未燃HC的生成机理主要如下：1）壁面火焰淬熄2）狭隙效应3）润滑油膜的吸附和解吸4）燃烧室中沉积物的影响5）体积淬
9、熄6）碳氢化合物的后期氧化3 氮氧化物生成机理 1）生成一氧化氮的化学反应动力学在内燃机排放的氮氧化物中占压倒多数的是NO。在化学计量混合比(a=1)附近，导致生成NO和使其消失的主要反应式为：O2 2O O N2 NO O N O2 NO O N OH NO H NO既在火焰前锋面中生成，也在离开火焰的已燃气中生成。在内燃机中，燃烧是在高压下发生的，火焰中的反应带很薄(0.1mm)，很短命。此外，燃烧期间气缸内压力不断提高，结果使已燃气体温度提高到比刚结束燃烧的火焰带中达到的更高的温度。这就是为什么除了混合气很稀的地区外，只有很小一部分NO产生于火焰之中，而大部分NO则在离开火焰带的已燃气中
10、生成。NO既在火焰前锋面中生成，也在离开火焰的已燃气中生成。在内燃机中，燃烧是在高压下发生的，火焰中的反应带很薄(0.1mm)，很短命。此外，燃烧期间气缸内压力不断提高，结果使已燃气体温度提高到比刚结束燃烧的火焰带中达到的更高的温度。这就是为什么除了混合气很稀的地区外，只有很小一部分NO产生于火焰之中，而大部分NO则在离开火焰带的已燃气中生成。NO的生成主要与温度有关，图2-4表示正辛烷与空气的均匀混合气在4MPa压力下等压燃烧时，计算得到的燃烧生成的NO平衡摩尔分数XNOe与温度T及过量空气系数a的关系(实线)。在a 1的稀混合气区内，XNOe随温度的提高而迅速增大。在一定的温度下，XNOe
11、随混合气的加浓而减小。特别是可燃混合气加浓到al以后，由于氧不足，XNOe随a的减小而急剧下降。NO的生成量在稀混合气区内主要是温度起支配作用，而在浓混合气区内主要是氧浓度起决定作用。图2-4 NO平衡摩尔分数XNOe与温度T及过量 空气系数a的关系2）NO2的生成化学平衡计算表明，在一般火焰温度下，燃气中的NO2浓度与NO浓度相比可忽略不计，这由汽油机中的试验数据证实。不过在柴油机中，NO2可占排气中总NOx的1030。排气中存留NO2的一个可能的机理，是在火焰中生成的NO可以通过下述反应式迅速转变为NO2，即:NO+HO2NO2+OH 然后NO2又通过下述反应式重新转变为NO:NO2+ON
12、O+O2除非在火焰中生成的NO2通过与较冷的气体相混合而被“冻结”；因此，汽油机长期怠速会产生大量NO2。这也发生在小负荷的柴油机中，这时燃烧室中存在很多低温区域，可以抑制NO2向NO的再转变。2.1.2影响汽油机污染物排放的因素 1、混合气浓度和质量的影响混合气浓度和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。CO的排放浓度随混合气浓度的降低而降低。这是因为随着空气量的增加，氧气增多，燃料能充分地燃烧，CO排放减少。混合气的均匀性影响HC的排放。混合气均匀性越差则HC排放越多。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
13、成与火焰的传播受阻甚至出现断火，致使HC排放量增加。由于混合气的浓度和质量直接影响燃烧时的气体温度和可利用的氧浓度，所以对NOX生成的影响是很大的。NOx的排放是a1.1时达到最高值，无论混合气变稀或变浓，NOx排放均降低。这是因为当混合气偏浓时，由于缺氧即使燃烧室内温度很高，NOX的生成量会随着混合气浓度的升高而降低，此时氧浓度起着决定性作用；但当混合气偏稀时，NOX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a1.1，且此时也有适量的氧浓度，故NOX排放浓度达到最大。2、点火提前角 点火提前角对汽油机HC和NOx排放的影响如图2-7所示。空燃比一定时，
14、随点火提前角的推迟，NOx和HC同时减低，燃油消耗却明显变化。这是因为随点火提前角相对于最佳点火提前角（MBT）的推迟，后燃加重，热效率变差。但点火提前角推迟会导致排气温度上升，使得在排气行程以及排气管中HC氧化反应加速，使最终排出的HC减少。NOx排放减低的原因主要是由于随点火提前角的推迟，上止点后燃烧的燃料增多，燃烧的最高温度下降造成的。图中为当量比，指理论空燃比与实际空燃比的比值，越小标明混合气越稀。点火提前角对CO排放浓度影响很小，除非点火提前角过分推迟，使CO没有充分的时间完全氧化而引起CO排放量增加。图2-7 点火提前角对HC和NOx排放的影响3、汽油机运转参数 1）汽油机转速在汽
15、油机怠速时，由于转速低、汽油雾化差、混合气很浓、残余废气系数较大，CO及HC的排放浓度较高。从排放控制的角度看，希望发动机的怠速转速规定得高一些。转速n的变化对NO排放的影响较复杂，如图2-8所示。在燃用稀混合气、点火时问不变的条件下，从点火到火焰核心形成的点火延迟时问受转速影响较小，火焰传播的起始角则随转速的增加而推迟。虽然随着转速增加，火焰传播速度也有提高，但提高的幅度不如燃用浓混合气的大。因此有部分燃料在膨胀行程压力及温度均较低的情况下燃烧，NO生成量减少。在燃用较浓的混合气时，火焰传播速度随转速的提高而提高，散热损失减少，缸内气体温度升高，NO生成量增加。由图中曲线可以看到，NO排放随
16、转速n的变化而改变，特征的转折点发生在理论空燃比附近。图2-8 转速n的变化对NO排放的影响 2）负荷如果维持混合气空燃比及转速不变，点火提前角调整到最佳点，则负荷增加对HC排放基本没有影响。因为负荷增加虽使缸内压力及温度升高，激冷层变薄，HC在膨胀及排气冲程的氧化加速，但压力升高使缝隙容积中的未燃烃的储存量增加，从而抵消了前者对HC排放的有利影响。在上述条件下，负荷变化对CO的排放量基本上也没有影响，但对NO的排放量有影响，如图2-9所示。汽油机是采用节气门控制负荷的，负荷增加，进气量就增加，降低了残余废气的稀释作用，火焰传播速度得到了提高，缸内温度提高，NO，排放增加。这一点在混合气较稀时
17、更为明显。混合气过浓时，由于氧气不足，负荷对NO。排放影响不大。图2-9 负荷变化对NO排放的影响（转速 2000r/min，点火提前角30）3）汽油机冷却水及燃烧室壁面温度提高汽油机冷却水及燃烧室壁面温度，可降低缝隙容积中储存的HC的含量，减少淬熄层厚度，减少HC排放。同时还可改善燃油的蒸发、混合和雾化，提高燃烧质量，降低排放。另外，冷却水及燃烧室壁面温度的提高，也使燃烧最高温度增加，从而NO排放也增加。4）积碳 汽油机运转一段时间之后，会在活塞顶部、燃烧室壁面和进气门、排气门上形成多孔性积炭，这些积碳能吸附未燃混合气和燃料蒸气，在排气过程中再释放出来。因此，随着积碳的增加，HC排放量增加。
18、图2-10表明，随着汽油机运转时间的增加，积碳增多，排气的HC含量增加。图中曲线1和2分别表示节气门全开、过量空气系数0.89、发动机转速nl 200r/min时，排气中HC和CO的变化；曲线3和4分别表示节气门部分开启、过量空气系数a1.01、发动机转速n2 000r/min时排气的HO和CO的变化。从图中可以看出，汽油机的运转时间及沉积物的厚度对HC排放影响大，而对CO排放几乎没有什么影响。点5表示清除沉积物后HC的数值，可以看出，清除沉积物后，HC排放大大降低。图2-10 汽油机运转时间对HC和CO排放的影响 4、汽油机结构参数1）气缸工作容积与行程缸径比的影响汽油机的气缸工作容积与行程
19、缸径比对排气污染物的排放和油耗有很大的影响。图2-11和图2-12分别为汽油机的工作容积与行程缸径比对HC排放和NO排放的影响。图上的HC排放量是相对值。汽油机的气缸工作容积越大，则气缸面容比F/V变小，气缸相对散热面积较小，因此HC的排放和油耗越低，汽油机行程缸径比的影响更大，汽油机的行程越长，HC的排放和油耗越低。根据放热规律的对比分析，长行程汽油机的燃烧速度快，点火定时可以相对后移。长行程汽油机的最高放热率大、燃烧温度高。这些因素都有利于降低汽油机的HC排放和燃油消耗。长行程汽油机的这些优点在低负荷时更加明显。但是，长行程和大汽缸的汽油机的NOx排放量也大。图2-11 行程缸径比及工作容
20、积对HC排放的影响图2-12 行程缸径比及工作容积对NO排放的影响2）压缩比的影响 压缩比增大，F/V增大，进入活塞顶环隙的混合气增多，HC的排放量增加。NOx排放受两方面的影响，一是压缩比升高后，发动机残余废气分数变少，且燃烧温度上升导致NOx增多，另一方面是热效率提高和F/V增大使NOx减少。压缩比对HC及NOx，排放的影响如图2-13所示。图2-13 压缩比对HC及NOx、排放的影响3）.燃烧室形状的影响当工作容积和压缩比保持一定，变化燃烧室形状时，HC的排出量与面容比F/V成正比，即F/V增大，HC的排出量也增加。NOx的排放与HC正好相反，有与面容比F/V成反比的倾向，这是因为随F/
21、V的增大，热损失变大，燃烧气体的最高温度降低。但对于NOx的排放含量，即使F/V相同，由于点火位置等的差异，燃烧速度及燃烧温度也受到很大的影响，故不能认为NOx的排放是F/V的函数。图2-14表示了不同燃烧室形状时的NO和HC排放，图中SQ/C表示挤流间隙的大小。图2-14 燃烧室形状对HC及NOx排放的影响4）气门定时的影响气门定时对发动机HC和NOx排放的影响如图2-15所示。NOx受残留气体变化的影响，即受气门重叠的影响，随进气门早开、排气门迟闭，缸内残余废气增加使燃烧温度下降，NOx排放减少。排气门早开导致正在燃烧的HC排出，从而使HC排放增多。图2-15 气门定时对发动机HC及NOx
22、排放的影响5）活塞顶环隙容积的影响进入活塞和缸壁构成的小间隙（活塞顶环隙）的混合气，由于壁面淬熄效应和狭缝效应的影响，很难燃烧掉，从而影响HC的排放量。图2-16表示了其影响的试验结果，图中d表示活塞顶环隙的宽度，l表示活塞顶环隙的深度，可见随着活塞顶环隙容积的增大，进入环隙的混合气增多，HC的排放量增加。6.环境的影响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，汽车供给的混合气的空燃比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。2
23、）大气压力的影响 可以认为空气密度和进气压力成正比，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，NOx降低。3）大气湿度的影响大气湿度对NOx排放的影响特别大，因此在排放试验规范中使用湿度修正系数。大气湿度对排放特性的影响可以从下面两个方面考虑：第一，由于大气湿度的变化，使空燃比的变化超过了反馈控制区域；第二，由于大气湿度的增加，燃烧室内气体的热容量增大，使最高燃烧温度降低。空燃比随大气湿度的变化关系为：空燃比A（1一Hm）/（F）（3-21）式中：A发动机吸入的空气量；空气的密度；F燃料消耗量；Hm绝对湿度。可见随绝对湿度日。增大，空燃
24、比减小。大气湿度增大后，还使水分带走了燃烧放出的热量，最高燃烧温度降低，NOx的排放降低。不只是水，只要是与燃烧无关的成分引人燃烧室，NOx的排放都将下降，图2-18表明了随着热容量的增大，NOx排放降低。图2-18 NOx排放随热容量的变化2.2柴油车排放污染物形成机理及其影响因素 2.2.1柴油机排放污染物的形成机理柴油机污染物与空燃比的变化关系如图2-19所示。尽管柴油机混合气不均匀，会有局部过浓区，但由于过量空气系数较大，氧气较充分，能对形成的CO在缸内进行氧化，因而CO一般较少。只是在接近冒烟界限时急剧增加，HC也较少，当a增加时，HC浓度将随之上升。在a稍大于1的区域，虽然总体是富
25、氧燃烧，但由于混合不均匀，存在着局部高温氧区域，因而会产生大量碳烟。随着a增大，碳烟浓度将快速下降。图2-19 典型的车用直喷式柴油机污染物排放量与平均过量空气系a的关系 1 CO的排放形成机理和汽油机一样，CO的生成主要是和混合气的混合质量及其浓度有关。柴油机总的来说是在稀混合气下运转，其平均过量空气系数a大多数工况下在1.53之间，CO排放量要比汽油机低得多，只有在负荷很大接近冒烟界限(a=1.21.3)时才急剧增加(图2-19)。但是，柴油机的特征是燃料与空气混合不均匀，燃烧空间中总有局部缺氧的地方，有温度低的地方，以及反应物在燃烧区停留时间不足以彻底完成燃烧过程产生最终产物CO2，造成
26、CO排放。这可以解释图2-19上a很大(即负荷很小)时CO排放反而上升的原因，尤其是在高速运转时更明显。2 HC的排放生成机理汽油机HC的生成机理也适用于柴油机，但也有区别。柴油机一般把燃油高压喷入燃烧室中，直接在缸内形成可燃混合气并很快燃烧。燃油停留在燃烧室中的时间比汽油机短得多，因而受到上面已经描述过的生成未燃HC的种种机理作用的时间也短，所以柴油机未燃HC排放较少。柴油机的HC排放量随过量空气系数增加而增加(见图2-19)。过量空气系数增大，则混合气变稀，燃油不能自燃，或火焰不能传播，HC排放增加。所以，在怠速或小负荷工况时，HC排量高于全负荷工况。缸内缺火会引起很大量的HC排放，柴油机
27、冷启动期间会发生缺火，排气冒白烟，它基本上是由微粒状的未燃柴油构成。3微粒生成机理 1）排气微粒的理化特性 柴油机排气微粒的组成取决于柴油机的运转工况，尤其是排气温度。当排气温度超过500时，排气微粒基本上是很多碳质微球的聚集体(含有少量氢和其他元素)，称为碳烟(Soot，Dry Soot缩写DS)。当排气温度低于500时(柴油机绝大多数工况都是这样)，烟粒会吸附和凝聚多种有机物，称为有机可溶成分(Soluble Organic Fraction，缩写SOF)。沿着柴油机的排气管道和测试取样系统，可观测到微粒粒度不断增大，且由于存在于气相中的有机化合物逐渐冷凝在微粒上，使其SOF含量增加。微粒
28、的组成如图2.20所示，排气微粒通常用溶剂萃取法等分析方法分成DS和SOF两部分。一般来说，SOF占PM质量的1530，但观测到的总变化范围要大得多(1090)。发动机负荷越小，SOF比例就越大，这与温度状态的影响一致。DS的H/C原子比在0.10.2之间，而SOF为1.21.6。在不同柴油机工况下，SOF的平均相对分子质量为360400，这正好落在柴油(200)与润滑油(440490)之间。由放射性示踪研究表明，碳烟中基本不含润滑油成分，后者全部进入SOF，在不同机型和不同工况下占SOF质量的1580。燃油产生的物质有80进入DS，20进入SOF。微粒中的SOF含有对健康和环境有害的成分，包
29、括各种未燃碳氢化合物、含氧有机物(醛类、酮类、酯类、醚类、有机酸类等)和多环芳烃(Polynuclear Aromatic Hydrocarbon，缩写PAH)及其含氧和含氮衍生物等。图2-20 微粒的组成微粒的凝聚物中还包括少量无机物，如SO2、NO2和硫酸盐等。微粒中还有少量来自燃油和润滑油的钙、铁、硅、铬、锌、磷等的化合物。2）烟粒的生成机理 柴油机排放的烟粒主要由燃油中含有的碳产生，并受燃油种类、燃油分子中的碳原子数及其氢碳原子比的影响。尽管对燃烧烟粒的生成方面进行了大量的基础研究，关于柴油机燃烧过程中烟粒的生成机理至今仍不很清楚，因为这涉及成分很复杂的燃油，在三维空间的强湍流混合气中
30、高温高压下发生的不可再现的过程。图2-21 碳烟微粒生成图柴油机烟粒的生成和长大过程一般可分两个阶段：(1)烟粒生成阶段 这是一个诱导期，期间燃料分子经过其氧化中间产物或热解产物萌生凝聚相。在这些产物中有各种不饱和的烃类，特别是乙炔及其较高阶的同系物CnH2n-2和PAH。这两类分子已被认为是火焰中形成碳烟粒子最可能的前兆物。这些气相物质的凝聚反应导致出现最早可辨认的碳烟粒子(常称为晶核)。这种最早期的粒子粒度非常小(d80803003001 500镍镉镍镉4545658080100707020002000镍金属氢化物镍金属氢化物606070150-200150-200707010001000
31、镍铁镍铁101060808015060605005002000镍锌镍锌5555851701702607070500500锌溴锌溴70708050-10050-10075753003001 000钠硫钠硫100-140100-1401301301808585800-1 500800-1 500钠氯化镍钠氯化镍909013060601308080800800锂亚硫酸铁锂亚硫酸铁60601201401402008080不详不详锂锂/碳碳8080100不详不详8080不详不详锌空气锌空气210210很高很高4040不详不详 各种电动汽车用电池的存储能力比较 燃料电池分类：(1)碱电解液燃料电池；(2)
32、导电薄膜燃料电池；(3)磷酸电解液燃料电池；(4)碱金属碳酸盐溶液燃料电池；(5)固体氧化物燃料电池。燃料电池汽车的组成燃料电池汽车主要由燃料箱、燃料电池发动机、蓄电池和电动机等部件组成。氢/氧燃料电池的产物只有水，属于零排放或接近零排放汽车。燃料电池的效率随输出功率变化的特性比内燃机更适合于汽车的实际运行。燃料电池的优点：（1）节能、转换效率高、不需要石油燃料（2）排放达到零污染（3）车辆性能接近内燃机汽车 （4）结构简单、运行平稳 燃料电池目前存在的问题：（1）燃料种类单一（2）要求高质量的密封（3）比功率还要进一步提高（4）造价太高（5）需要配备辅助电池系统汽车排放与控制车用汽油机排放控
33、制技术 学习目标 通过分析汽油机的燃烧过程，理解汽油机排放控制的主要措施。低污染车用汽油机技术主要包括：曲轴箱强制通风、燃油蒸发控制、电控燃油喷射技术、点火控制、燃烧系统的优化设计、新型燃烧系统、进气系统的改进、和废气再循环技术。知识要点 汽油机的燃烧和影响因素 曲轴箱强制通风和燃油蒸发控制装置的结构和工作原理 电控汽油喷射技术、点火控制、进气系统的改进 稀薄燃烧、分层燃烧、HCCI、燃烧室的优化 废气再循环的结构与原理 5.1.1 汽油机的燃烧过程 汽油机的燃烧是预混合燃烧。也就是说在燃烧过程中，混合过程在燃烧反应之前或者是火焰到达之前汽油与空气已经从分混合。预混合燃烧速率取决于化学反应速率
34、。图5-1 汽油机的火焰传播简图 按汽油的化学当量要求，空燃比A/F约等于14.8时的混合气为理论混合气，此时的空燃比为理论空燃比。当空燃比A/F约为13时，火焰传播速度最快，这时汽油机功率也最大。当空燃比A/F13.514时，火焰温度最高。汽油机燃烧过程有以下特点：（1）火焰沿燃烧室不断传播，相继投入燃烧的各层混合气是在不同压力和温度下点燃的，后一层比前一层混合气有更高的密度。因此在燃烧室内，各处燃烧速率不同。（2）各部分混合气在投入燃烧前的状态不同，燃烧后的压缩也不同，因此燃烧结束时，气缸内压力均匀，但温度分布不均匀。（3）由于火焰传播燃烧所引起的压缩-膨胀作用，会引起气流运动，这使得火焰
35、传播速度产生先加速后减速的倾向。5.1.2 影响汽油机燃烧的因素 根据汽油的燃烧分析，说明汽油机的设计和运行参数、燃料的制备、分配及成分等因素都与排气中污染物的排出量有很大的关系，如图3-3所示。图5-3 影响汽油机有害排放物的因素5.1.3 汽油机排放控制的主要技术措施 排气控制系统基本构成如图5-4所示图5-4 排气控制系统基本构成示意图 低污染汽油车技术措施如表所示原理原理方法方法曲轴箱排放控制曲轴箱排放控制曲轴箱压力小于大气压力曲轴箱压力小于大气压力曲轴箱强制通风曲轴箱强制通风燃油蒸发排放控制燃油蒸发排放控制活性炭吸附原理活性炭吸附原理电控燃油蒸发控制装置电控燃油蒸发控制装置机内净化控
36、制机内净化控制改善进气系统改善进气系统多气门、可变进气系统、进气增压多气门、可变进气系统、进气增压改善点火改善点火点火定时、点火能量点火定时、点火能量改善燃烧改善燃烧稀薄燃烧、分层燃烧、稀薄燃烧、分层燃烧、GDI、HCCI等新型燃烧方式、改进燃烧室、提高等新型燃烧方式、改进燃烧室、提高压缩比、改善缸内流动压缩比、改善缸内流动精确控制空燃比精确控制空燃比电控燃油喷射电控燃油喷射 降低燃烧温度降低燃烧温度EGREGR5.2曲轴箱排放控制 因为由活塞、活塞环、气缸构成的气体密封系统，实质上是一个往复运动的移动式迷宫密封系统，存在着漏气通道，不能保证绝对的密封，所以在内燃机工作循环的压缩过程、燃烧过程
37、和膨胀过程，可燃的混合气会或多或少通过活塞组与气缸之间的间隙漏入曲轴箱空间内，称为曲轴箱窜气。一般在技术状态正常的情况下，窜气量相当于发动机总排气量的0.51.0。如果这些窜入的混合气不被排除，还会稀释曲轴箱内的机油，使机油变质造成发动机机件过早磨损。气缸的窜气会使发动机曲轴箱内产生压力。为防止曲轴箱压力过高，早期内燃机一般都通过机油加油口处使曲轴箱与大气相通，进行“呼吸”，这就是开式曲轴箱通风系统。如图所示。图5-5 开式曲轴箱通风装置简图 a)连接管 b)可变量孔 c)PCV阀1-新鲜空气入口；2-进气歧管连接管；3-窜缸气体；4-流动控制阀 为了防止曲轴箱排放物的危害，世界各国的车用汽油
38、机从20世纪60年代起先后采用曲轴箱强制通风装置或称闭式曲轴箱通风装置(Positive Crankcase Ventilation，缩写PCV)，如图所示。它比开式曲轴箱通风装置多一个空气滤清器连接管2。新鲜空气由空气滤清器进入曲轴箱，与窜气混合后，经PCV阀进入进气管，与空气或油气混合气一起被吸入气缸燃烧掉。图5-6闭式曲轴箱强制通风系统5.3燃油蒸发控制汽油是一种易挥发的物体，在常温下燃油箱经常充满蒸气，若不加以控制或回收，则当发动机停机时，汽油蒸气将挥发到大气中，造成对环境的污染。汽油的蒸发排放有4个来源:1运转蒸发 2热烤蒸发 3昼夜蒸发 4加油蒸发 典型的电控燃油蒸发系统如图5-8
39、所示。油箱的燃油蒸气通过单向阀进入活性炭罐上部，空气从活性炭罐下部进入清洗活性炭，在活性炭罐右上方有一个定量排放孔和受进气管真空度控制的真空控制阀，真空控制阀上部真空室的真空度由电磁阀控制。图5-8 汽油蒸发控制系统5.4 电控燃油喷射系统5.4.1 典型电控燃油喷射系统的结构和工作原理汽油机降低排气污染和提高热效率的关键问题之一是精确控制空燃比。现代汽油机为实现良好的经济性能和排放性能，都采用了电控喷油系统及其他系统的电子控制。1电控燃油喷射系统的结构 典型闭环电子控制燃油喷射系统L-Jetronic电控燃油喷射系统的结构组成，如图5-11所示。图中电子控制单元(ECU)6是整个系统的中心，
40、它根据进气管、转速、温度等信号，进行运算、处理及分析判断后，向执行器发出指令控制喷油器的喷射时间和喷射量，以保证发动机工作所要求的空燃比。图5-11 电子控制燃油喷射系统 1-输油泵；2-燃油滤清器；3-油箱；4分油管(油轨)；5-油压调节器；6-电子控制单元(ECU)；7-电磁喷油器；8-冷起动电磁喷油器；9-怠速转速调节螺钉；10-节气门控制器；11-节气门；12-进气流量感应板；13-控制继电器组；14氧传感器；15-水温传感器；16-温度时间继电器；17-分电器；18-冷起动空气补偿器；19-怠速混合气调节螺钉；20-蓄电池；21-起动开关5.2.2 喷油量的控制1 最佳空燃比控制所谓
41、最佳空燃比是指为了满足发动机各种工况的要求，同时为了获得较好的经济性和排放特性而确定的空燃比。主要是以下三种工况：图5-12 起动和暖机时的混合气1-暖机期间基本空燃比；2-起动发动机时的空燃比(1)起动工况 (2)部分负荷和怠速工况(3)全负荷工况 2 断油控制 (1)超速断油控制 (2)减速断油控制3 反馈控制4 喷油控制对排放的影响 （1）氧传感器及三效催化转化器闭环控制（2）冷起动及暖机阶段排放控制5.5 点火控制 5.5.1点火提前角的控制 点火提前角对发动机的动力性、经济性、排放特性和噪声有重要影响，推迟点火提前角一直是最简单易行也是最普遍应用的排放控制技术。图5-16 点火提前角
42、对发动机性能的影响 图5-16给出了点火提前角对平均有效压力Pme、燃油消耗率ge、最高燃烧压力Pmax，和排气温度te的影响。点火提前角为上止点前3540(CA)时，Pme和ge最佳，这是以动力性，经济性为目标时最常用的点火提前角。点火提前角的优化控制主要体现在以下三个工况：(1)起动工况(2)怠速工况(3)正常行驶工况 5.5.2 加大点火能量 采用高能点火系统，使点火系初级电流由34A提高到57A，可加强火花强度及加长火花持续时间，加强了燃烧，可降低HC的排放。尤其在稀薄燃烧时，配合高能点火可促进火焰核心的形成，提高着火性。为了满足高速时完全充分燃烧及降低排污，一盘采用晶体点火装置。触电
43、式晶体管点火系统，采用大功率晶体管作开关，使白金触点通过微小电流（为原电流的10%20%），而达到控制初级绕组中通过较大电流，因此可提高触电寿命和点火能力。5.6 燃烧系统的优化设计 紧凑的燃烧室形状 改善缸内气流运优化压缩比 减少不参与燃烧的缝隙容积5.7 新型燃烧系统5.7.1 稀薄燃烧 1 稀薄燃烧概述 稀薄燃烧是指汽油机燃用空燃比大于18：1或更稀的混合气。从理论上讲，当可燃混合气的空燃比大于理论上空燃比时，就不会有燃料不能完全燃烧而产生CO，所以采用稀薄燃烧后，CO的含量可以得到有效控制；另外，HC的排放量也会随着空燃比的增大而减少，这是由于混合气较稀薄，燃烧效率提高，且氧气充裕，能
44、在排气行程和排气道中进一步对HC进行氧化。但当空燃比超过18时，HC的排放量就因为熄火和部分燃烧而大大增加，所以进行恰当的稀薄燃烧才可改善HC的排放；此外，在稀薄区域运转时最高燃烧温度会下降，也有利于NOx排放量的降低。图5-21为汽油机排放污染物与空燃比的关系。图5-21 汽油机排放物与空燃比的关系实现稀薄燃烧的具体措施一般包括下列几个方面：(1)应用可变涡流控制系统.(2)采用结构紧凑的燃烧室，提高燃烧速率，减小热损失，并采用尽可能高的压缩比。(3)采用电控顺序喷射系统，扩展稀燃失火极限。(4)应用高精度空燃比控制系统，把NOx排放降到足够低的水平。(5)应用分层燃烧技术，在火花塞周围形成
45、较浓混合气，使着火稳定。(6)采用废气再循环，使排气中的NOx进一步降低。2 缸内直喷系统（GDI）1994年三菱公司宣布汽油机缸内直喷(GDI)技术开发成功，并于1996年批量生产上市销售，这一成果实际上实现了内燃机工作者半个世纪的追求，缸内直接喷射技术已成为车用汽油机一个十分重要的发展方向，随着电子控制技术的进步，各国都加大了对汽油机缸内直接喷射技术的研究。缸内直接喷射技术是将喷油器安装在燃烧室内，汽油直接喷入燃烧室，空气则通过进气门进入燃烧室与汽油混合成混合气被点燃作功，这种形式与直喷式柴油机相似，因此有人认为缸内喷射式汽油机是将柴油机的形式移植到汽油机上的一种创举。由于汽油机缸内直接喷
46、射技术是用510MPa的高压将汽油直接喷入气缸，油滴蒸发需要从空气中吸热，造成混合气温度下降，减少了爆燃倾向；此外，缸内直喷技术还可以提高压缩比，从而使压缩混合气密度上升；另外，该结构没有节气门，减少了泵气损失，充量系数比进气道喷射汽油机要高2%3%，因此可以通过充量的分层实现稀薄燃烧。稀薄燃烧的空燃比可达40，NOx可降低60%以上，若采用30%EGR，NOx可降低90%；分层稀燃怠速时残余废气少，可使怠速转速下降，从而使怠速油耗下降40%。缸内直接喷射发动机的优点是：(1)发动机的经济性获得突破性的改进。(2)瞬态工况得到改善，可降低对加速加浓的要求。(3)能快速起动(一般12个循环即可起
47、动)；对起动加浓要求降低。(4)实现早喷射和迟喷射。GDI汽油机存在的问题主要体现在下列几个方面：(1)中小负荷工况未燃HC排放较多。(2)喷油器放在气缸内，容易结垢污染。(3)高能点火的火花塞寿命问题：由于燃料和火花塞碰撞而产生点火污染，需要高能点火。(4)NOx和PM排放问题(5)实现早喷和迟喷之间的平滑过渡，发动机负荷的“无级”变化较难。4.7.3 均质充量压缩燃烧（HCCI）均质充量压缩燃烧(HCCI：homogeneous charge compression ignition)是内燃机燃烧的一个研究热点，它最有希望以预混合燃烧和扩散燃烧两种燃烧方式的组合在轿车发动机上应用，从而获得
48、高功率输出和低的排放，以及部分负荷和怠速获得更高的经济性和好的排放性。HCCI燃烧是缸内多点同时着火燃烧的方式。它在缸内形成均匀的稀混合气，当压力升高时，几乎是全部混合气同时达到着火条件，形成多点的燃烧核心，同时压缩着火。由于是稀燃，气缸内燃烧温度并不高，由于是多点，也没有火焰传播，因此NOx生成很少，避免在排气后处理中应用DENOx，LeanNOx等催化转化装置，以实现在富氧条件下NOx的还原，这就是开发HCCI燃烧方式的基本指导思想和出发点。1 HCCI特点 1)采用均质混合气。空气和燃油在HCCI发动机的进气系统中预混合，形成均质的空气/燃油混合气，然后吸入气缸进行压缩。也有燃油直接喷入
49、气缸、在气缸内与空气进行预混合的。2)采用压缩点燃。在压缩冲程中，混合气温度升高，达到自燃温度而自燃；也就是说，不需要任何点火系统。3)采用比火花点燃式发动机高得多的压缩比，且允许压缩比在一个广阔的范围内变动。4)为了使均质混合气能够通过压缩而点燃，必要时需对吸入空气进行加热。5)由于压缩点燃的缘故，可以采用相当稀薄的混合气，因此可以按照变质调节的方式，直接通过调节喷油量来调节扭矩，不需要节气门。6)既然均质混合气是自燃的，所以燃烧大体上是整个气缸内同时开始的。可以采用过量空气或者残余废气达到高度稀释的混合气。7)HCCI发动机采用的燃油辛烷值允许在一个广阔的范围内变动。可以采用汽油、天然气、
50、二甲醚等辛烷值较高的燃油作为主要燃料，也可以采用多种燃料混合燃烧。还可以将对高辛烷值燃料和低辛烷值燃料配比的调整，用作在HCCI燃烧中控制燃烧起点和负荷范围的方法。下图表示了传统发动机燃烧方式和HCCI燃烧方式的区别。图a是传统发动机的工作模式下，燃油从进油管进入气缸，火花塞点火将油气混合物点燃。整个油气混合物的燃烧过程是在整个发动机缸内完成的。图b是应用了HCCI技术的发动机，油气混合物通过喷油嘴进入发动机气缸,并由缸内高压产生的高温点燃,而不需火花塞。油气混合物拥有更低的燃点，并且可以同时在整个发动机内燃烧。（a）传统燃烧（b）HCCI燃烧图5-34 传统燃烧和HCCI燃烧5.8 进气系统
