汽车排放公害：使用因素的影响

1.发动机运转工况

发动机运转工况一般指负荷、速度工况及热工况，即发动机怠速和在各种转速下的小负荷、中负荷和满负荷工作状况。

（1）负荷的影响 发动机负荷不同，所要求的空气与燃料的混合比不同。因此，负荷对排放公害的影响实质上是对混合气浓度的影响。图13-1为有害气体排放浓度与空燃比的关系。

1）混合气过浓，即空燃比小于理想空燃比（14.8）时，因空气量不足使燃料不能完全燃烧，随空燃比下降，CO和HC浓度增加；但因混合气中氧的浓度低，NO_X的浓度降低。

2）混合气过稀，即空燃比大于理想空燃比时，随空燃比增大，火焰传播中断现象越严重，因此HC浓度增加。由于稀混合气的燃烧温度低，抑制了NO_X的生成，因此NO_X的浓度下降。此时排气中所含有的少量CO主要由CO₂分解形成，浓度小且变化不大。

图13-1 CO、HC、NO_X的排放浓度与空燃比的关系

3）当混合气的空燃比接近理论空燃比时，特别是使用比理论空燃比大10%左右的稀混合气，因为燃烧过程有充足的氧，对降低CO和HC的排放有利。但此时NO_X的排放量最大。

在不同负荷下，发动机所使用的可燃混合气浓度不同。发动机以某一转速旋转时，过量空气系数随负荷变化的关系见图13-2。

图13-2 过量空气系数与负荷的关系

1—汽油机 2—柴油机

汽油机怠速时，由于转速低，进气系统内空气流速低，汽油雾化不良，混合气及其在各缸内的分配也不均匀；同时缸内压力、温度低，汽油气化不良。为避免缺火，在怠速工况下，发动机燃用浓混合气，从而使所排废气中的CO和HC浓度大大增加。柴油机怠速时，虽喷入燃烧室内的燃料较其他工况少，但因此时喷入的燃料分布不均匀，局部过浓，致使怠速时CO的生成量增大，但与汽油机相比少得多。汽油机在小负荷工况下（节气门开度25%以下），进入气缸的可燃混合气较少，缸内残余废气比例相对较大，不利于燃烧。因此发动机在小负荷工况下必须燃用较浓混合气，使排出的废气中的CO、HC浓度较大。汽油机在中等负荷（节气门开度25%～80%）工况下，混合气浓度逐步变稀，接近理论空燃比时，燃烧效率最高，CO、HC减少而NO_X增多；而燃用较稀的经济混合气时，废气中的CO和HC的浓度均较小。在大负荷（节气门开度80%以上）工况下，发动机燃用较浓的混合气，废气中的CO和HC浓度增大，而NO_X浓度有所减小。柴油机在大负荷条件下工作时，如汽车加速、爬坡或超载时，CO和HC的排放量增加不多，但生成的NO_X明显增大并产生大量黑烟。

柴油机的负荷调节由喷油量来控制。怠速和低负荷时，虽喷入燃烧室内的燃料较其他工况少，混合气很稀，但因喷入的燃料分布不均匀，在局部过浓区域产生较多CO，同时因局部过稀区域的混合气不能点火，因此HC排放量相对较高。随负荷增大则喷油量增加，燃烧状况改善，HC和CO排放量逐渐降低。在接近全负荷时因混合气浓，燃烧不完全，CO的排放量增多；而在满负荷条件下工作时，柴油机的CO和HC排放量增加不多，但生成的NO_X明显增大，并产生大量炭烟。柴油机的炭烟排放量比汽油机大得多。这是因为虽然供给的空气总量充足（α＞1），但混合气形成时间短，易产生混合不均情况。缸内某些有过量空气的区域，局部温度高，使NO_X大量生成；而在局部混合气过浓的区域，会因氧气不足使烃分子发生分裂而形成炭烟。因此，车用柴油机的主要排气污染物是炭烟和NO_X。

（2）发动机转速 发动机转速不直接对燃烧产物中的有害成分产生影响，而是通过对进气过程、混合气形成及燃烧过程的作用，影响有害气体的形成及浓度。

若混合气浓度不变，汽油发动机转速提高时，由于加强了燃烧室内的紊流，改善了混合和燃烧，使排气中的HC、CO含量下降。当转速达到最高转速的65%～75%时，废气中NO_X达到最大值，见图13-3。

图13-3 汽油机曲轴转速对排气有害成分影响

柴油发动机转速提高时，废气中CO、HC和NO_X浓度均有所下降；在最高转速时，由于燃烧时间短，缸内燃烧条件恶化，发动机工作强度大，使HC和NO_X浓度有所上升，同时炭烟排放量增大。

（3）发动机的热状况 发动机热状况影响着混合气形成及燃烧过程，因而对有害气体的形成及浓度有很大影响。工作温度低时（如暖车过程），HC和CO排放浓度最高。因为此时燃油雾化不良，燃烧不充分，缸壁激冷作用的缘故。发动机工作温度提高时，缸壁温度也高，缸壁的激冷作用减弱，在缸内氧化反应的条件得到改善，排出的HC浓度下降（图13-4），特别是使用浓混合气时更为显著。NO_X排放量与燃烧的最高温度有关，缸壁温度升高时，NO_X的排放量也增加。供油系统过热时，发动机会产生气阻现象，此时由于混合气过稀而熄火，废气中HC的浓度增大。

图13-4 HC排放量与冷却液温度的关系

（4）发动机工况的稳定性 在使用过程中，发动机的负荷和转速是随时间不断变化的。汽车在市内运行时，怠速和中等转速一般占总工作时间的35%；加速占22%；匀速占29%；减速占14%。

汽油机在怠速、减速和低转速工况下，由于混合气较浓且不均匀，废气中不完全燃烧的物质较多，HC和CO排放浓度大；而柴油机由于混合气中的空气充足，HC的浓度很小，CO含量甚微。

在加速和高转速时NO浓度明显增大。发动机在加速运行时，由于要求发出较大功率，必须将气缸内燃气的温度提高。由于在短时间内供应了过量的燃料，混合气过浓，因此既会产生大量的NO_X，又会引起一部分燃料不完全燃烧，导致CO和HC排放量增大。

发动机不同工况对排气有害成分的影响见图13-5。

2.点火系统技术状况(www.xing528.com)

增大点火提前角，气缸内工作循环压力和温度提高，废气中NO_X的浓度随之增大；反之，NO_X浓度降低。

点火滞后时，因补燃增多，排气系统温度升高，废气中的HC浓度有所减小；若点火过迟，因燃烧速度慢，HC浓度又有所提高。但点火滞后会引起发动机功率下降，油耗增加。

图13-5 排气有害成分浓度与汽车运行工况的关系

点火时刻对CO和HC排放浓度的影响见图13-6。

点火系统技术状况不良，点火能量不足时，由于燃烧缺火现象而使HC的浓度增大。

3.配气相位

发动机配气相位是否正确，对废气中有害气体的浓度有较大影响。

进气门早开，会使残余在气缸中的废气量增多，新鲜混合气被废气稀释，降低燃烧温度，从而NO_X排放量减少。进气门早开还会使废气流入进气管，从而减少HC排放量，但开得过早反而会增加HC排放量。

图13-6 点火时刻对CO和HC排放量的影响

排气门早关，由于废气排放不完全，NO_X排放量减少。排气门早关对HC的影响较难观察，首先因含HC多的废气被保留在缸内而减少了HC排放，而后将因混合气变稀使燃烧情况恶化；若排气门关闭较晚时，没有排出的废气被回吸，使HC的排出量略有增大。

4.汽车技术状况的变化

随着行驶里程增大，汽车技术状况逐渐变坏，经济性、动力性及可靠性下降，同时排气污染也随之增大。HC和CO排放浓度与行驶里程的关系见图13-7。

图13-7 HC和CO排放浓度与行驶里程的关系

由于技术状况变化引起排气污染增大的原因如下：

①供油系统的故障。

②汽油机点火系的故障。

③气缸内有积炭等。

④气门间隙失常。

供油系统调整不当或使用中发生了变化，对发动机排放特性有重要影响。随着怠速转速提高，混合气变稀，排气中的CO、HC浓度随之下降。柴油机供油系的循环供油量、供油压力和喷油提前角是影响排气污染的重要因素。随着喷油提前角的减小，循环的最高温度值降低，废气中的NO浓度下降，HC浓度增加，而CO浓度基本不变。供油系的空气滤清器堵塞会引起混合气过浓，使废气中的CO、HC成分增加。

汽油机点火提前角增大时，循环压力和温度提高，废气中的NO_X浓度明显增大。反之，NO_X浓度减少。点火提前角对CO的影响很小，而对HC的影响相应较大。当点火迟时，由于气缸及排气系统温度高，废气中的HC减少；若点火过迟，因燃烧速度慢，HC的浓度又有提高。

积炭是燃料和润滑油不完全燃烧的产物，多发生在燃烧室内的气缸盖、气缸壁、活塞顶部及气门等部位。在使用过程中，发动机零件上形成的积炭同样会使排放污染严重。积炭严重时，会使活塞环卡住而失去密封作用，增加了曲轴箱窜气量。火花塞积炭、气门积炭或烧蚀会使发动机某缸工作不正常，排气中的HC浓度明显增大。

使用过程中，发动机气门间隙的变化，使发动机的配气相位偏离标准值，影响了发动机的工作过程，从而导致排放量的增大。