淺析通機(jī)尾氣排放的生成機(jī)理和影響因素

劉永根 楊慧明 宮偉 楊威 劉毅

摘要：針對通用小型汽油機(jī)的排放現(xiàn)狀，分析了尾氣排放中CO、HC、NOX的生成機(jī)理和影響因素。并從過量空氣系數(shù)、點(diǎn)火角度、負(fù)荷大小等影響排放的關(guān)鍵因素入手，相應(yīng)地提出了降低尾氣排放的技術(shù)路線，達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。

Abstract： Aiming at the current situation from the emission of non-road small spark-ignition engine， we mainly analyze the formation mechanism and influencing factors CO， HC and NOX in exhaust emission. Starting with the key factors that affecting emission， such as excess air coefficient， ignition Angle， load size ， and put forwards technical routes to reduce exhaust emission， in order that achieve the goal of energy saving and emission reduction.

關(guān)鍵詞：通用小型汽油機(jī);尾氣排放;過量空氣系數(shù);點(diǎn)火角度;負(fù)荷大小

Key words： non-road small spark-ignition engine;exhaust emission;excess air coefficient;ignition angle;load size

中圖分類號：TK417+.126? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0046-02

0? 引言

通用小型汽油機(jī)主要作為園林機(jī)械、發(fā)電機(jī)組、農(nóng)林植保機(jī)械等的配套動(dòng)力，具有輕便耐用的特點(diǎn)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，2020年國內(nèi)通用小型汽油機(jī)年產(chǎn)量已達(dá)到2600多萬臺，占同期全球同類發(fā)動(dòng)機(jī)總產(chǎn)量的40%以上。但尾氣排放已成為大氣的主要污染源之一。歐美發(fā)達(dá)國家不斷實(shí)施日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，美國EPA在1997年最先實(shí)施了通用小型汽油機(jī)的排放法規(guī)，并于2008年首次提出燃油蒸發(fā)試驗(yàn)的要求[1];國內(nèi)也已在2013年實(shí)施非道路機(jī)械排放第2階段標(biāo)準(zhǔn)。本文就通用小型汽油機(jī)尾氣排放中三種主要有害化學(xué)成分CO、HC、NOX的生成機(jī)理進(jìn)行和影響因素作一個(gè)淺短的分析，提出了技術(shù)路線，為減低通用小型汽油機(jī)的排放提供了依據(jù)。

1? 一氧化碳CO的生成機(jī)理與影響因素

1.1 CO生成的原因

CO是烴燃料在空氣不足的情況下進(jìn)行不完全燃燒的產(chǎn)物，理論上當(dāng)過量空氣系數(shù)a=1時(shí)，燃料完全燃燒，其產(chǎn)物為CO2和H2O即：

當(dāng)空氣不足，過量空氣系數(shù)a<1時(shí)，則有部分燃料不能完全燃燒而生成CO，即：

僅從化學(xué)計(jì)量燃燒觀點(diǎn)出發(fā)，缺氧是造成CO排放升高的原因。但事實(shí)上在a≥1情況下（a為過量空氣系數(shù)），仍有少量CO排放發(fā)動(dòng)機(jī)，具體原因?yàn)镃O2和H2O的高溫離解反應(yīng)。CO2中間產(chǎn)物CO以及燃燒室中未被利用的O2高溫條件下存在著如下可逆反應(yīng)：CO2 ？圳 CO+O2，CO2離解為CO和O2 的反應(yīng)為吸熱反應(yīng)[2]。

1.2 影響CO生產(chǎn)的因素

①混合氣濃度（過量空氣系數(shù)）的影響。

當(dāng)過量空氣系數(shù)a<1時(shí)，隨著a減?。ɑ旌蠚庾儩猓?，CO迅速增加，供給略稀的混合氣（a=1.08左右）時(shí)，CO減少，當(dāng)a>1時(shí)，混合氣變稀，燃燒溫度降低，高溫分解減緩，CO的濃度緩慢下降（見圖1）。

②負(fù)荷的影響。

低負(fù)荷時(shí)，為使混合氣能正常燃燒，必須適當(dāng)加濃混合氣，致使CO濃度明顯上升。中等負(fù)荷時(shí)，CO排放濃度并不高，而且?guī)缀醪皇茇?fù)荷變化影響，因?yàn)榇藭r(shí)汽油機(jī)用經(jīng)濟(jì)混合氣工作，燃燒比較充分（見圖2）。

③點(diǎn)火時(shí)間的影響。

點(diǎn)火正時(shí)影響燃燒室的溫度和壓力，決定了燃燒始點(diǎn)和缸內(nèi)燃燒的最高溫度，隨著點(diǎn)火提前角的減小，CO的排放量會(huì)減少，但過分推遲點(diǎn)火時(shí)間會(huì)是CO排放因沒有充分時(shí)間氧化而顯著增加（見圖3）。

2? HC化合物生成機(jī)理和影響因素

2.1 HC化合物生成機(jī)理? HC化合物是各種沒有燃燒和沒有完全燃燒的烴類燃料總稱。汽油機(jī)HC化合物排放有下列幾個(gè)來源：①缸壁激冷效應(yīng)。缸壁激冷效應(yīng)是指當(dāng)火焰?zhèn)鞯礁妆诶鋮s區(qū)附近時(shí)出現(xiàn)的一種燃燒現(xiàn)象。這是由于壁面處溫度壁火眼處低很多的緣故，提高壁溫和壓力?？墒辜だ鋵雍穸葴p薄，這對降低HC排放有益。②不完全燃燒。進(jìn)入氣缸的混合氣可能過濃或過稀，怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)引起高度廢氣稀釋等。在這些工況下，不完全燃燒是不可避免的，由此引起HC排放升高也就可想而知了。③掃氣和漏氣。掃氣是二沖程汽油機(jī)HC化合物排放的重要來源，因?yàn)槎_程中用混合氣對氣缸進(jìn)行掃氣時(shí)，會(huì)使部分混合氣未被燃燒就直接排出。

2.2 影響HC化合物排放的因素? ①過量空氣系數(shù)的影響。HC排放有隨混合氣變稀而下降趨勢，但當(dāng)過量空氣系數(shù)大于1，由于混合氣過分變稀，易發(fā)生火焰不完全傳播以至斷火，使HC排放速度增加（見圖1）。②轉(zhuǎn)速的影響。轉(zhuǎn)速增加，既增加了混合氣擾流混合和渦流擴(kuò)散，又增加了排氣擾流和混合，前者改善;氣缸內(nèi)燃燒過程，后者促進(jìn)了排氣系統(tǒng)氧化反應(yīng)，所以HC排放濃度隨轉(zhuǎn)速的升高而降低。③點(diǎn)火時(shí)間的影響。點(diǎn)火延時(shí)對HC排放濃度降低作用在于混合氣燃燒室面積，使激冷層面積減少，同時(shí)增高了排氣溫度，促進(jìn)了HC在排氣系統(tǒng)的養(yǎng)活（見圖3）。

3? 氮氧化物NOX生成機(jī)理和影響因素

3.1 氮氧化物NOX生成機(jī)理? 在燃燒室內(nèi)出現(xiàn)NOX，是在高溫和有氧條件下的生成物，它來自氮和氧的反應(yīng)，而不是來自燃料。在高溫下：

這些反應(yīng)式鏈鎖反應(yīng)，開始時(shí)氧原子觸發(fā)，而氧原子是在高溫下由氧瘋子分解而來，因此，溫度對此反應(yīng)有較大影響，NOX的生成要素有以下三個(gè)：

①溫度。高溫時(shí)，NOX的平衡濃度高，生成速度也大。在氧氣充足時(shí)，溫度是生成NO的重要因素。

②氧的濃度。在高溫條件下，氧的濃度是生成NOX的重要因素。在氧濃度低時(shí)，即使溫度高，NO的生成也受到抑制。

③反應(yīng)時(shí)間。由于NOX的生成反應(yīng)比燃燒反應(yīng)緩慢，當(dāng)燃燒火焰通過混合氣時(shí)，NOX不可能直接在燃燒區(qū)形成，而是在火焰后，在已燃的氣體中慢慢地生成，所以在高溫下滯留的時(shí)間也是反應(yīng)的重要條件。

3.2 影響NOX生成的因素

①過量空氣系數(shù)和燃燒室溫度的影響。由于燃燒室的最高溫度通常出現(xiàn)在理論過量空氣系數(shù)附近，且此時(shí)也有適量的氧濃度，故NOX排放濃度出現(xiàn)峰值，而在混合氣過稀區(qū)域，氧濃度不足，在過濃區(qū)域，溫度又不高，故NOX隨之下降（見圖1）。

②點(diǎn)火時(shí)間的影響。提前點(diǎn)火會(huì)使最高燃燒溫度上升，且亦增加在高溫時(shí)NOX生成反應(yīng)可利用的時(shí)間，從而提高了NOX的生成濃度（見圖3）。

③負(fù)荷的影響。小負(fù)荷時(shí)，殘余廢氣增加，致使著火落后期變大，火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p慢，進(jìn)而使燃燒時(shí)間加長，使燃燒過程更多地向膨脹沖程延伸，導(dǎo)致NOX濃度下降。大負(fù)荷時(shí)，此時(shí)混合氣較濃，可利用的氧氣較少，對NOX生成有抑制作用[3]（見圖2）。

4? 結(jié)論與展望

①在PN4200E通用小型汽油機(jī)上進(jìn)行臺架外特性和排放試驗(yàn)，驗(yàn)證了過量空氣系數(shù)、點(diǎn)火角度、負(fù)荷大小、轉(zhuǎn)速等是影響通用小型汽油機(jī)排放的關(guān)鍵因素。②采用適當(dāng)偏稀的油汽混合比，減少缸壁面激冷層中的未燃混合氣量，提高點(diǎn)火能量以確保著火性能，優(yōu)化燃燒室以改善燃燒性能等機(jī)內(nèi)進(jìn)化措施可以降低尾氣排放中三種有害污染物的濃度。③在開發(fā)設(shè)計(jì)階段，需充分考慮通用小型汽油機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，并不斷優(yōu)化改進(jìn)，以提高性能和降低排放。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳兆漢.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1990.

[2]劉圣華，周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].四版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

[3]劉勝吉，方寶成，王建.影響四沖程小型通用汽油機(jī)排放因素的試驗(yàn)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2007（3）：115-118.