浅析通机尾气排放的生成机理和影响因素

刘永根 杨慧明 宫伟 杨威 刘毅

摘要：针对通用小型汽油机的排放现状，分析了尾气排放中CO、HC、NOX的生成机理和影响因素。并从过量空气系数、点火角度、负荷大小等影响排放的关键因素入手，相应地提出了降低尾气排放的技术路线，达到节能减排的目标。

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.

关键词：通用小型汽油机;尾气排放;过量空气系数;点火角度;负荷大小

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

中图分类号：TK417+.126                                文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）10-0046-02

0  引言

通用小型汽油机主要作为园林机械、发电机组、农林植保机械等的配套动力，具有轻便耐用的特点。经过几十年的发展，2020年国内通用小型汽油机年产量已达到2600多萬台，占同期全球同类发动机总产量的40%以上。但尾气排放已成为大气的主要污染源之一。欧美发达国家不断实施日益严格的排放法规，美国EPA在1997年最先实施了通用小型汽油机的排放法规，并于2008年首次提出燃油蒸发试验的要求[1];国内也已在2013年实施非道路机械排放第2阶段标准。本文就通用小型汽油机尾气排放中三种主要有害化学成分CO、HC、NOX的生成机理进行和影响因素作一个浅短的分析，提出了技术路线，为减低通用小型汽油机的排放提供了依据。

1  一氧化碳CO的生成机理与影响因素

1.1 CO生成的原因

CO是烃燃料在空气不足的情况下进行不完全燃烧的产物，理论上当过量空气系数a=1时，燃料完全燃烧，其产物为CO2和H2O即：

当空气不足，过量空气系数a<1时，则有部分燃料不能完全燃烧而生成CO，即：

仅从化学计量燃烧观点出发，缺氧是造成CO排放升高的原因。但事实上在a≥1情况下（a为过量空气系数），仍有少量CO排放发动机，具体原因为CO2和H2O的高温离解反应。CO2中间产物CO以及燃烧室中未被利用的O2高温条件下存在着如下可逆反应：CO2 ？圳 CO+O2，CO2离解为CO和O2 的反应为吸热反应[2]。

1.2 影响CO生产的因素

①混合气浓度（过量空气系数）的影响。

当过量空气系数a<1时，随着a减小（混合气变浓），CO迅速增加，供给略稀的混合气（a=1.08左右）时，CO减少，当a>1时，混合气变稀，燃烧温度降低，高温分解减缓，CO的浓度缓慢下降（见图1）。

②负荷的影响。

低负荷时，为使混合气能正常燃烧，必须适当加浓混合气，致使CO浓度明显上升。中等负荷时，CO排放浓度并不高，而且几乎不受负荷变化影响，因为此时汽油机用经济混合气工作，燃烧比较充分（见图2）。

③点火时间的影响。

点火正时影响燃烧室的温度和压力，决定了燃烧始点和缸内燃烧的最高温度，随着点火提前角的减小，CO的排放量会减少，但过分推迟点火时间会是CO排放因没有充分时间氧化而显著增加（见图3）。

2  HC化合物生成机理和影响因素

2.1 HC化合物生成机理  HC化合物是各种没有燃烧和没有完全燃烧的烃类燃料总称。汽油机HC化合物排放有下列几个来源：①缸壁激冷效应。缸壁激冷效应是指当火焰传到缸壁冷却区附近时出现的一种燃烧现象。这是由于壁面处温度壁火眼处低很多的缘故，提高壁温和压力。可使激冷层厚度减薄，这对降低HC排放有益。②不完全燃烧。进入气缸的混合气可能过浓或过稀，怠速运转时会引起高度废气稀释等。在这些工况下，不完全燃烧是不可避免的，由此引起HC排放升高也就可想而知了。③扫气和漏气。扫气是二冲程汽油机HC化合物排放的重要来源，因为二冲程中用混合气对气缸进行扫气时，会使部分混合气未被燃烧就直接排出。

2.2 影响HC化合物排放的因素  ①过量空气系数的影响。HC排放有随混合气变稀而下降趋势，但当过量空气系数大于1，由于混合气过分变稀，易发生火焰不完全传播以至断火，使HC排放速度增加（见图1）。②转速的影响。转速增加，既增加了混合气扰流混合和涡流扩散，又增加了排气扰流和混合，前者改善;气缸内燃烧过程，后者促进了排气系统氧化反应，所以HC排放浓度随转速的升高而降低。③点火时间的影响。点火延时对HC排放浓度降低作用在于混合气燃烧室面积，使激冷层面积减少，同时增高了排气温度，促进了HC在排气系统的养活（见图3）。

3  氮氧化物NOX生成机理和影响因素

3.1 氮氧化物NOX生成机理  在燃烧室内出现NOX，是在高温和有氧条件下的生成物，它来自氮和氧的反应，而不是来自燃料。在高温下：

这些反应式链锁反应，开始时氧原子触发，而氧原子是在高温下由氧疯子分解而来，因此，温度对此反应有较大影响，NOX的生成要素有以下三个：

①温度。高温时，NOX的平衡浓度高，生成速度也大。在氧气充足时，温度是生成NO的重要因素。

②氧的浓度。在高温条件下，氧的浓度是生成NOX的重要因素。在氧浓度低时，即使温度高，NO的生成也受到抑制。

③反应时间。由于NOX的生成反应比燃烧反应缓慢，当燃烧火焰通过混合气时，NOX不可能直接在燃烧区形成，而是在火焰后，在已燃的气体中慢慢地生成，所以在高温下滞留的时间也是反应的重要条件。

3.2 影响NOX生成的因素

①过量空气系数和燃烧室温度的影响。由于燃烧室的最高温度通常出现在理论过量空气系数附近，且此时也有适量的氧浓度，故NOX排放浓度出现峰值，而在混合气过稀区域，氧浓度不足，在过浓区域，温度又不高，故NOX随之下降（见图1）。

②点火时间的影响。提前点火会使最高燃烧温度上升，且亦增加在高温时NOX生成反应可利用的时间，从而提高了NOX的生成浓度（见图3）。

③负荷的影响。小负荷时，残余废气增加，致使着火落后期变大，火焰传播速度减慢，进而使燃烧时间加长，使燃烧过程更多地向膨胀冲程延伸，导致NOX浓度下降。大负荷时，此时混合气较浓，可利用的氧气较少，对NOX生成有抑制作用[3]（见图2）。

4  结论与展望

①在PN4200E通用小型汽油机上进行台架外特性和排放试验，验证了过量空气系数、点火角度、负荷大小、转速等是影响通用小型汽油机排放的关键因素。②采用适当偏稀的油汽混合比，减少缸壁面激冷层中的未燃混合气量，提高点火能量以确保着火性能，优化燃烧室以改善燃烧性能等機内进化措施可以降低尾气排放中三种有害污染物的浓度。③在开发设计阶段，需充分考虑通用小型汽油机的结构参数和运行参数，并不断优化改进，以提高性能和降低排放。

参考文献：

[1]吴兆汉.内燃机设计[M].北京：北京理工大学出版社，1990.

[2]刘圣华，周龙保.内燃机学[M].四版.北京：机械工业出版社，2017.

[3]刘胜吉，方宝成，王建.影响四冲程小型通用汽油机排放因素的试验分析[J].农机化研究，2007（3）：115-118.