淺析通機尾氣排放的生成機理和影響因素

劉永根 楊慧明 宮偉 楊威 劉毅

摘要：針對通用小型汽油機的排放現狀，分析了尾氣排放中CO、HC、NOX的生成機理和影響因素。并從過量空氣系數、點火角度、負荷大小等影響排放的關鍵因素入手，相應地提出了降低尾氣排放的技術路線，達到節能減排的目標。

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.

關鍵詞：通用小型汽油機;尾氣排放;過量空氣系數;點火角度;負荷大小

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

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

0? 引言

通用小型汽油機主要作為園林機械、發電機組、農林植保機械等的配套動力，具有輕便耐用的特點。經過幾十年的發展，2020年國內通用小型汽油機年產量已達到2600多萬臺，占同期全球同類發動機總產量的40%以上。但尾氣排放已成為大氣的主要污染源之一。歐美發達國家不斷實施日益嚴格的排放法規，美國EPA在1997年最先實施了通用小型汽油機的排放法規，并于2008年首次提出燃油蒸發試驗的要求[1];國內也已在2013年實施非道路機械排放第2階段標準。本文就通用小型汽油機尾氣排放中三種主要有害化學成分CO、HC、NOX的生成機理進行和影響因素作一個淺短的分析，提出了技術路線，為減低通用小型汽油機的排放提供了依據。

1? 一氧化碳CO的生成機理與影響因素

1.1 CO生成的原因

CO是烴燃料在空氣不足的情況下進行不完全燃燒的產物，理論上當過量空氣系數a=1時，燃料完全燃燒，其產物為CO2和H2O即：

當空氣不足，過量空氣系數a<1時，則有部分燃料不能完全燃燒而生成CO，即：

僅從化學計量燃燒觀點出發，缺氧是造成CO排放升高的原因。但事實上在a≥1情況下（a為過量空氣系數），仍有少量CO排放發動機，具體原因為CO2和H2O的高溫離解反應。CO2中間產物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：CO2 ？圳 CO+O2，CO2離解為CO和O2 的反應為吸熱反應[2]。

1.2 影響CO生產的因素

①混合氣濃度（過量空氣系數）的影響。

當過量空氣系數a<1時，隨著a減小（混合氣變濃），CO迅速增加，供給略稀的混合氣（a=1.08左右）時，CO減少，當a>1時，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負荷的影響。

低負荷時，為使混合氣能正常燃燒，必須適當加濃混合氣，致使CO濃度明顯上升。中等負荷時，CO排放濃度并不高，而且幾乎不受負荷變化影響，因為此時汽油機用經濟混合氣工作，燃燒比較充分（見圖2）。

③點火時間的影響。

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

2? HC化合物生成機理和影響因素

2.1 HC化合物生成機理? 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HC化合物排放有下列幾個來源：①缸壁激冷效應。缸壁激冷效應是指當火焰傳到缸壁冷卻區附近時出現的一種燃燒現象。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。可使激冷層厚度減薄，這對降低HC排放有益。②不完全燃燒。進入氣缸的混合氣可能過濃或過稀，怠速運轉時會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HC化合物排放的重要來源，因為二沖程中用混合氣對氣缸進行掃氣時，會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過量空氣系數的影響。HC排放有隨混合氣變稀而下降趨勢，但當過量空氣系數大于1，由于混合氣過分變稀，易發生火焰不完全傳播以至斷火，使HC排放速度增加（見圖1）。②轉速的影響。轉速增加，既增加了混合氣擾流混合和渦流擴散，又增加了排氣擾流和混合，前者改善;氣缸內燃燒過程，后者促進了排氣系統氧化反應，所以HC排放濃度隨轉速的升高而降低。③點火時間的影響。點火延時對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，同時增高了排氣溫度，促進了HC在排氣系統的養活（見圖3）。

3? 氮氧化物NOX生成機理和影響因素

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

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

①溫度。高溫時，NOX的平衡濃度高，生成速度也大。在氧氣充足時，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，即使溫度高，NO的生成也受到抑制。

③反應時間。由于NOX的生成反應比燃燒反應緩慢，當燃燒火焰通過混合氣時，NOX不可能直接在燃燒區形成，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間也是反應的重要條件。

3.2 影響NOX生成的因素

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

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

③負荷的影響。小負荷時，殘余廢氣增加，致使著火落后期變大，火焰傳播速度減慢，進而使燃燒時間加長，使燃燒過程更多地向膨脹沖程延伸，導致NOX濃度下降。大負荷時，此時混合氣較濃，可利用的氧氣較少，對NOX生成有抑制作用[3]（見圖2）。

4? 結論與展望

①在PN4200E通用小型汽油機上進行臺架外特性和排放試驗，驗證了過量空氣系數、點火角度、負荷大小、轉速等是影響通用小型汽油機排放的關鍵因素。②采用適當偏稀的油汽混合比，減少缸壁面激冷層中的未燃混合氣量，提高點火能量以確保著火性能，優化燃燒室以改善燃燒性能等機內進化措施可以降低尾氣排放中三種有害污染物的濃度。③在開發設計階段，需充分考慮通用小型汽油機的結構參數和運行參數，并不斷優化改進，以提高性能和降低排放。

參考文獻：

[1]吳兆漢.內燃機設計[M].北京：北京理工大學出版社，1990.

[2]劉圣華，周龍保.內燃機學[M].四版.北京：機械工業出版社，2017.

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