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1、 浙 江 科 技 学 院 本 科 毕 业 论 文 (2010届)题 目 汽车发动机尾气检测与故障诊断的研究学 院 机械与汽车工程学院 专 业 车 辆 工 程 班 级 车辆（专升本）081班 学 号 308015025 学生姓名 余洪志 指导教师 梁晓娟 完成日期 2010年6月4日 汽车发动机尾气检测与故障诊断的研究学生姓名：余洪志 指导老师：梁晓娟浙江科技学院机械与汽车工程学院摘 要众所周知，民用汽车的增长，尤其是私家车的高速膨胀，给人们的日常生活带来了极大的便利，同时也带来了严峻的环境问题，其产生的尾气已经构成公害。科学分析发现，汽车尾气中有水蒸气、02、H2、N2、C02、CO、HC化合
2、物、NOx、S02、微粒物质等，其中把对人体有害和影响自然环境增长的成分称为污染物，有C02、CO、HC化合物、NO x、S02、微粒物质等。据统计，一辆轿车一年排出尾气比自身重量大3倍。 汽车尾气成分与发动机的故障存在着一些必然的联系，通过废气分析仪检测出汽车的尾气成分及含量，和标准值进行比较，从而分析和推断出汽车性能的好坏、确定发动机的故障部位，进而排除故障、恢复其良好的性能、提高汽车的动力性、经济性和减少排放。通过对实车（桑塔娜2000GSI）做模拟故障实验，验证理论，以更好的利用尾气分析来诊断故障。关键词：汽车尾气 排放检测 燃烧分析 故障诊断The research of vehic
3、le emission diagnosis and fault diagnosis Student：Yu Hongzhi Advisor: Niang XiaojuanSchool of Mechanical and Automotive EngineeringZhejiang University of Science and TechnologyAbstractAs we all know that the civilian vehicle growth，Particularly in the fast-growing private cars has brought great conv
4、enience to people s daily life，but also leads to a serious environmental problems arising from its exhaust and it becomes a hazard now. Scientific analysis discovers that vapour O2，H2，N2，CO2，CO，hydrocarbons，NOx，SO2，Particulate matter etc are all included in the automobile exhaust. Those ingredients
5、harmful to human beings and impacting on the natural growth are called pollutants，such as CO2，CO，hydrocarbons, NOx, SO2, particulate matter. According to statistics，one car exhaust emission in a year is larger 3 times than the weight of its own.There were some necessary links between Automobile exha
6、ust components and engine failure. Through the exhaust composition and its content tested by vehicle exhaust gas analyzer, and make the standard value for comparison, so as to analyze and infer the vehicle performance is good or bad, determine the location of engine failure, further troubleshooting
7、to restore their good performance, increase vehicle power, economy and reduce emissions. Through the real vehicle (Santana 2000GSI) failure to do simulation experiments can verify the theory, in order to make better use of exhaust gas analysis to diagnose faults.Keywords: Automotive Exhaust；Emission
8、 Detection；Burning Situation Analysis；Fault Diagnosis .目录摘 要IABSTRACTII目录III第一章 绪论11.1 概述11.2 背景与意义11.3 国内外汽车尾气排放检测系统的发展现状21.3.1 国外汽车尾气排放检测系统的发展现状21.3.2 国内汽车尾气排放检测系统的发展现状31.4 本课题的主要任务51.5 本章小结5第二章 汽车发动机尾气生成机理和影响因素分析62.1 一氧化碳62.1.1 一氧化碳的生成机理62.1.2 影响一氧化碳生成的因素72.2 碳氢化合物92.2.1 碳氢化合物的生成机理92.2.2 影响碳氢化合物生
9、成的因素122.3 氮氧化物132.3.1 氮氧化物的生成机理132.3.2 影响氮氧化物生成的因素162.4 本章小结17第三章 发动机尾气排放分析183.1 空燃比对尾气的影响183.2 尾气成份与点火时间的关系规律213.3 发动机负荷对尾气影响223.4 发动机转速对尾气影响253.5 发动机温度对尾气影响273.6 发动机尾气异常原因分析 273.7 本章小结28第四章 汽车尾气排放实验294.1 汽车尾气分析仪简介 294.2 NHA 501尾气分析仪使用说明294.2 NHA 501尾气分析仪使用说明304.3 实验304.4 本章小结32第五章 实例分析355.1 实例1355
10、.2 实例2365.3 实例3365.4 本章小结37第六章 结论38参考文献39致 谢40第一章 绪论1.1 概述 汽车诞生至今已有120多年的历史。汽车是现代科学技术的产物，它的出现大大方便了人们的日常生活。随着科学技术的不断发展，汽车的结构不断完善，性能也不断提高。特别是随着电子技术在汽车上的广泛应用，汽车的动力性、经济性、安全性和舒适性得到大大改善，其使用性能日益满足了人们的需要。但汽车在为人们造福的同时，也带来了大气污染、噪声和交通安全等一系列问题。汽车本身是一个复杂的系统。汽车在行驶过程中，其技术状况和使用性能将随着行驶里程的增加而逐渐变坏，出现动力性下降、经济性变差、安全可靠性降
11、低等，严重影响汽车经济效益和运输效率的发挥，甚至威胁到生命安全。这就要求预先对故障加以查明和消除。准确对汽车运行状态做出判断，并采取相应的对策，这样可以大大提高汽车的使用可靠性，充分发挥汽车的效能，减少维修费用，获得更大的经济效益。如今汽车结构的复杂化也给维修和检测行业提出了更高的要求。因此为了能快速、准确而方便地诊断汽车运行故障和检测汽车的使用性能，必须大力发展汽车的检测技术。近些年发展起来的汽车检测技术，就是以研究汽车技术状况变化规律为基础，合理制定检测规范、检测参数和检测标准。充分利用现代化检测手段，在汽车不解体的条件下迅速准确地检测汽车各机构、系统、零部件的技术状况和使用性能，查找故障
12、或隐患所在。采取相应的预防措施，以确保车辆在良好的技术状况下运行。从而延长汽车的使用寿命，提高运输能力，降低成本，节约能源，减少对环境的污染，保证车辆安全行驶。所以，发展汽车检测与诊断技术具有重要的意义。1.2 背景与意义随着我国经济的快速发展，机动车保有量在今后相当长的时间内将保持快速增长，随之而来的机动车排放污染物对人类居住环境的污染日趋严重，特别是尾气排放不达标的在用汽车对大气的污染更严重。人们根据汽车排放污染物的特点及危害，相继制定了越来越严格的汽车尾气排放法规。为了改善环境、达到排放限制，如何控制汽车排放污染物，如何根据尾气成分来判断汽车发动机故障已成为世界各国研究的重要课题之一，从
13、而不断涌现出各种检测新技术。汽车技术发展的早期，人们凭借维修人员的经验，通过“眼看”、“耳听”、“手摸”的方法，发现汽车的故障并作有针对性地修理。随着汽车技术的发展，特别是现代微电子技术、计算机技术的进步，汽车检测技术也飞速发展。目前人们已经能依靠各种先进的仪器和设备，对汽车进行整机检测，达到安全、迅速、准确地诊断和评价汽车性能的目的，使汽车检测设备和仪器成为汽车维护与修理，保证汽车使用性能不可缺少的工具。九十年代，随着汽车技术的迅猛发展和维修技术的升级变化，很多汽车厂家要求特约维修站将尾气分析仪作为诊断工具在发动机的故障诊断中应用。尾气诊断仪为诊断维修结果复杂的现代汽车带来了极大的便利，很多
14、维修企业都开始引进尾气分析仪，以适应现代汽车维修的需要。同时，人们对汽车尾气排放造成的环境污染日益重视，按照环保法规要求，汽车必须定期进行尾气检测。经过十几年的发展，尾气分析仪的技术越来越先进，绝大多数产品采用与国际市场同水平的先进检测技术(含进口)，分别适应怠速;双怠速;ASM(简称单加速模拟工况法)和工况法的测试规范。在现代汽车故障诊断中，采用尾气分析仪对其进行尾气分析，成为汽车电控故障诊断的必备手段，尾气排放的数值在各车型之间变化不大，有规律可循，掌握好这些技术，对将来迅速准确地判明汽车发动机故障，会取得事半功倍的效果。1.3 国内外汽车尾气排放检测系统的发展现状1.3.1 国外汽车尾气
15、排放检测系统的发展现状从汽车检测、诊断技术与设备的发展过程来看，国外大致经历了以下4个发展阶段：第一个阶段在上世纪50年代以前，国外开发出以故障诊断和性能调试为主的单项检测技术并生产出单项检测设备。比如60年代初期美国的发动机分析仪、英国的发动机点火试验仪器就已经进入了我国。第二阶段是上世纪60年代，国外汽车检测设备在自动化、精确化和综合化等方面有了新的发展，大量开发出应用电子、光学、理化与机械相结合的光机电、理化机电一体化的检测、诊断设备，并与单板机、单片机或微型计算机相结合，使检测、诊断设备首先走向单机自动化。例如:非接触式车速仪、前照灯检测仪、排气分析仪等。进入70年代以来，随着计算机技
16、术的发展，出现了汽车检测诊断、数据采集处理自动化、检测结果直接打印等功能的汽车性能检测仪器和设备。第三阶段是汽车检测设备智能化，汽车检测线自动化、智能化和网络化阶段。像四轮定位检测系统和电控发动机综合检测仪等。上世纪80年代，集检测工艺、操作、数据采集、打印、存储与显示等功能于一体的系统软件，实现了汽车检测线全自动化。第四阶段是车载自诊断系统及汽车故障诊断专家系统阶段。美国凯迪拉克轿车系列，日本丰田、本田轿车系列等都采用了车载自诊断系统。回顾国外汽车控制的历程可以看出，整个阶段是技术和排放法规相互促进、不断进步的过程。80年代初，美国制定了当时最严格的排放法规，使汽车制造商感到不管如何改进化油
17、器都不可能达到制定的标准，必须别辟新路。目前，测定机动车排放的规程有几大系列，最常用的是美国联邦测试规程（FTP）、联合国欧洲经济委员会（ECE）法规和日本测试法规，其中美国联邦测试规程和ECE测试规程在其他国家也得到了广泛的应用。通常，轻型车和摩托车的测试在底盘测功机上进行，尾气排放采用定容取样系统（CVS）收集，而重型车的测试则是在发动机台架上进行。上述三种测试规程的不同在于它们采用不同的行驶工况（对整车而言）和操作工况（对发动机而言），欧洲和日本的法规由一系列稳定操作状态组成，而美国的法规则引入了瞬态工况，其中包括了速度和负荷的迅速变化，与实际运行工况接近，比其他两种规程更具有代表性。在
18、此基础上，为了加强汽车管理，各工业发达国家相继建立汽车检测站和检测线，使汽车检测制度化。对于汽车排放检测，随着欧洲I、II,III号标准的出台，世界各国也相继逐步加大了对尾气排放标准的限制。在检测方法上，各国也略有不同，从最初的怠速法、双怠速法到工况法，对试验规范的要求也日益严格。1.3.2 国内汽车尾气排放检测系统的发展现状我国汽车检测技术的研究和开发起步较晚。上世纪60年代为了满足汽车维修的需要，当时由交通部主持进行了发动机气缸漏气量检测仪、点火正时灯等检测仪器的研究。70年代，汽车不解体检测技术及设备被列为开发的应用项目。由交通部主持研制了汽车制动试验台、发动机综合检测仪和汽车性能综合检
19、验台等。进入80年代，随着我国汽车工业和交通运输业的迅猛发展，对汽车检测、诊断技术和设备的需求也与日俱增。到了90年代，在国家有关部门的大力支持下，80年代引进了国外汽车安全技术检测设备并进行了改造，配上微型计算机系统，实现了自动化检测，促进了我国汽车安全技术检测水平的普及与提高，缩小了与先进国家的差距，使我国的检测工作向社会化、规范化、科学化和现代化方面迈进，有力地推动了我国公路交通运输业的发展。我国汽车检测技术经历了从无到有、从简到繁的发展,从引进技术、设备到自主研制开发并进一步推广应用；从单一性能检测到汽车安全性能检测,再到汽车综合性能检测。尤其是检测设备的研制开发和生产得到了快速发展,
20、缩小了与发达国家的差距。目前,汽车检测设备中通用的滚筒式试验台、侧滑试验台、轴(轮)重仪、车速表试验台和普通底盘测功机等,国内已自用有余,款型多样,企业竞争较为激烈,但与世界先进水平相比,还有一定的差距。我国汽车检测技术要赶超世界先进水平,应从以下方面研究和发展：（1）应用高新技术,加速汽车检测技术的进步与设备智能化。例如应用光电技术、计算机图像处理技术、高精度传感器、发展显示技术等。在全自动汽车检测线中的排放检测,采用自动取样探头插入装置,利用微压传感器,通过排气管口与四周空间存在的微小压力差而进行跟踪找正汽车排气管口的位置,进一步提高全自动检测线的自动化程度。在制动试验台中,采用高精度的应
21、变计(压力传感器),伺服电动机和减速器推动大型仪表盘的指针动作,同时还可以对检测数据加以记忆,重复显示和打印。应变计输出的信号既可用液晶、发光二极管以数字显示,也可以通过一定的电路,对信号进行零点、温度、滞后及线性误差修正。（2）自主研制开发新的检测设备与仪器，使汽车检测设备向综合化和检测线向浓缩化方向发展，而汽车检测诊断技术向人工智能专家系统发展。随着柴油机在各国汽车中的比例不断增加,近年来已经发现,波许式或类似的滤纸式烟度计灵敏度不高,只能检测采样时间内排气烟度的平均值,烟度中的水分不能太大,不能检测蓝烟、白烟、油雾。因此,国外研制了一种新型透光式烟度计,它可以长时间工作而不像滤纸式烟度计
22、那样4只能间断地取样测量,可以测量柴油车任何时刻的排气烟度,而不会造成由于取样烟气容积误差而引起的误差。它不需要滤纸,当然也就避免了滤纸带来的误差。（3）汽车检测标准化和制度化、汽车检测技术规范化和管理网络化等。比如汽车检测要实现真正的网络化,做到信息资源共享、硬件资源共享和软件资源共享,就应利用信息高速公路将全国的汽车检测站连成一个广域网,使交通管理部门可以及时了解各地区车辆状况。我国在吸收发达国家的成功经验后，制订了一条适合我国国情的汽车排放标准技术路线：对汽油车先实行“怠速法”控制，再实施“强制装置法”，即对曲轴箱排放和燃油蒸发进行控制，最后实行工况法控制。而我国汽车排放测试规程是直接采
23、用国外的方法，轻型汽油车采用的是ECE R15-04的试验规程，新一轮的国标将相应采用欧洲二号法规的测试方法。目前，国外基本上都不再进行汽车的整车大修,只是按检测、诊断设备提供的检测报告,对车辆进行有针对性的调整和维修作业,借以恢复汽车的技术性能、消除隐患,保证汽车的良好使用性能。近年来,我国汽车检测、诊断设备和技术的飞速发展使维修制度逐渐发生了变化。现在,不解体检测的自动诊断技术在检测项目、测试精度、检测速度、检测工艺性、可靠性、可信度、设备的价格等方面,均已达到可以实际应用的水平。“定期检测、视情况维修”已经成为维修体制的基本原则,获得日益广泛的应用。1.4 本课题的主要任务本课题是在当前
24、汽车尾气污染的不断加重和汽车尾气检测标准越来越高的形势下提出的，旨在消除环境干扰影响，提高尾气检测的精确性，便于从事汽修的人员更好的对汽车发动机故障进行排故等。进而，使用户能够根据检测结果评价发动机的技术状况，特别是燃油供给系统和点火系统的技术状况。针对汽车在行驶当中产生的不同故障而造成汽车尾气浓度的不同，主要开展了以下几方面的工作:1、从理论上分析汽车发动机尾气生成机理以及各尾气成分的影响因素，并进一步对发动机尾气排放进行分析。2、以大众桑塔纳2000GSi AJR发动机故障实验台进行设置各种常见的故障，利用NHA 501尾气分析仪进行尾气采集，根据尾气检测结果 ,分析研究发动机各部分故障与
25、尾气成份变化间的关系，从而对理论进行进一步验证。3、通过汽车故障实例来论证汽车尾气测量在发动机的故障诊断中的实际应用。1.5 本章小结本章主要介绍了本次论文研究的背景和意义，简单介绍了国内外尾气排放检测系统的发展现状，以及对本次论文的主要任务进行阐述。第二章 汽车发动机尾气生成机理和影响因素分析汽车行驶过程当中其燃料燃烧过程中产生的CO、HC、NOx等尾气成分的机理比较复杂，但可以为发动机的燃烧分析提供直接的理论依据,本章主要就对CO、HC、NOx这三种尾气的产生机理和影响因素做一个系统的阐述。2.1 一氧化碳2.1.1 一氧化碳的生成机理汽车尾气中CO的产生是由于燃油在气缸中燃烧不充分所致，
26、是氧气不足而生成的中间产物。一般烃燃料的燃烧反应可经以下过程： (2-1)燃气中的氧足够时有 (2-2) (2-3)同时CO还与生成的水蒸气作用，生成氢和二氧化碳。可见，如果燃气中的氧气量充足时，理论上燃料燃烧后不会存在CO。但当氧气量不足时，就会有部分燃料不能完全燃烧，而生成CO。在非分层燃烧的汽油机中，可燃混合气基本上是均匀的，其CO排放量几乎完全取决于可燃混合气的空燃比或过量空气系数。如图2-1所示： a） 空燃比 b) 过量空气系数 图2-1汽油机CO排放量xCO与空燃比及过量空气系数的关系由图2-1可以看出，在浓混合气中（1），CO的排放量都很小，只有在=1.01.1时，CO的排放量
27、才随有较复杂的变化。在膨胀和排气过程中，气缸内压力和温度下降，CO氧化成CO2的过程不能用相应的平衡方程精确计算。受化学反应动力学影响，大约在1100K时，CO浓度冻结。汽油机起动暖机和急加速、急减速时，CO排放比较严重。2.1.2 影响一氧化碳生成的因素理论上当在14.7以上时，排气中不存在CO，而只生成CO2。实际上由于燃油和空气混合不均匀，在排气中还含有少量CO。即使混合气混合的很均匀，由于燃烧后的温度很高，已经生成的CO2也会由于一小部分分解成CO和O2，H 2O也会部分分解成O2和H2，生成的H2也会使CO2还原成CO，所以，排气中总会有少量CO存在。可见，凡是影响空燃比的因素，即为
28、影响CO生成的因素。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，化油器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. 大气压力的影响 大气压力随海拔高度而变化，由经验公式 (2-4) 式中：一海拔高度，km。当忽略空气中饱和水蒸气压时，空气密度可用下式表示： (2-5)式中：温度，。从而可以认为空气密度和大气压力成正比，从简单化油器理论可知，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
29、，则空燃比下降，CO排放量将增大。3. 进气管真空度的影响当汽车急剧减速时，发动机真空度在68kPa以上时，停留在进气系统中的燃料，在高真空度下急剧蒸发而进入燃烧室，造成混和气瞬时过浓，致使燃烧状况恶化。CO浓度将显著增加到怠速时的浓度。4. 怠速转速的影响当怠速转速为600r/min时，CO浓度为1.4%，700r/min时，降为1%左右，这说明提高怠速转速，可有效地降低排气中CO浓度，但是，怠速过高会加大挺杆响声，对液力变扭汽车，还可能发生溜车的危险。如果这些问题得到解决，一般从净化的观点，希望怠速转速规定高一点较好。5. 发动机工况的影响发动机负荷一定时，CO的排放量随转速增加而降低，到
30、一定的车速后，变化不大。当车速增加时，CO很快降低，至中速后变化不大，这是由于化油器供给发动机的空燃比，随流量增加接近于理论空燃比的结果。2.2 碳氢化合物2.2.1 碳氢化合物的生成机理本论文仅仅讨论车用汽油机未燃HC的生成机理。车用发动机的碳氢排放物中有完全未燃烧的燃料，但更多的是燃料的不完全燃烧产物，还有小部分由润滑油不完全燃烧而生成。排气中未燃碳氢物的成份十分复杂，其中有些是原来燃料中不含有的成份，这是部分氧化反应所致。表2-1列出了车用汽油机中未燃碳氢化合物成份的大致比例。表2-1 车用汽油机排气中的未燃碳氢化合物成份占总HC排放量的质量分数%烷烃烯烃炔烃芳香烃未装催化装置33278
31、32装有催化装置5715216车用发动机在正常运转情况下，HC的生成区主要位于气缸壁的四周处，故对整个气缸容积来说是不均匀的，而且对排气过程而言HC的分布也是不均匀的。在发动机一个工作循环内，排气中HC的浓度出现两个峰值，一个出现在排气门刚打开时的先期排气阶段，另一个峰值出现在排气行程结束时。HC的生成主要由火焰在壁面淬冷、狭隙效应、润滑油膜的吸附和解吸、燃烧室内沉积物的影响、体积淬熄及碳氢化合物的后期氧化所致。下面主要针对汽油机分别进行讨论，但除了狭隙效应外，其余的均适用于柴油机。1）火焰在壁面淬冷火焰淬冷的形成方式有两种，即单壁淬冷和双壁淬冷。前者是火焰接近气缸壁时，由于缸壁附近混合气温度
32、较低，使气缸壁面上薄薄的边界层内的温度降低到混合气自燃温度以下，导致火焰熄灭，边界层内的混合气未燃烧或未燃烧完全就直接进入排气而形成未燃HC，此边界层称为淬熄层，发动机正常运转时，其厚度在0.050.4mm之间变动，在小负荷时或温度较低时淬熄层较厚；后者是在活塞顶部和气缸壁所组成的很小的环形间隙中，火焰传不进去，使其中的混合气不能燃烧，在膨胀过程中逸出形成HC排放。在正常运转工况下，淬熄层中的未燃HC在火焰前锋面掠过后，大部分会向燃烧室中心扩散并完成氧化反应，使未燃HC的浓度大大降低。但是在发动机冷起动、暖机和怠速等工况下，因燃烧室壁面温度较低，形成的淬熄层较厚，同时已燃气体温度较低及混合气较
33、浓，使后期氧化作用较弱，因此壁面火焰淬熄是此类工况下未燃HC的重要来源。2）狭隙效应在车用发动机的燃烧室内有如图2-2所示的各种狭窄的间隙，如活塞组与气缸壁之间的间隙、火花塞中心电极与绝缘子根部周围狭窄空间和火花塞螺纹之间的间隙、进排气门与气门座面形成的密封带狭缝、气缸盖垫片处的间隙等，当间隙小到一定程度，火焰不能进入便会产生未燃HC。在压缩过程中，缸内压力上升，未燃混合气挤入各间隙中，这些间隙的容积很小但具有很大的面容比，进入其中的未燃混合气因传热而使温度下降。在燃烧过程中压力继续上升，又有一部分未燃混合气进入各间隙。当火焰到达间隙处时，火焰有可能传入使间隙内的混合气得到全部或部分燃烧（在入
34、口较大时），但也有可能火焰因淬冷而熄灭，使间隙中混合气不能燃烧。随着膨胀过程开始，气缸内压力不断下降。大约从压缩上止点后15CA开始，间隙内气体返回气缸内，这时气缸内温度已下降，氧的浓度也很低，流回气缸的可燃气再氧化的比例不大，一半以上的未燃HC直接排出气缸。狭隙效应产生的HC排放可占其总量的50%70%。图2-2 汽油机燃烧室内未燃HC的可能来源1-润滑油膜的吸附及解吸；2-火花塞附近的狭隙和死区；3-冷激层；4-气门座死区；5-火焰熄灭（如混和气太稀、湍流太强）；6-沉积物的吸附及解吸；7-活塞环和环岸死区；8-气缸盖衬垫缸孔死区3）润滑油膜对燃油蒸汽的吸附与解吸在进气过程中，气缸壁面和活
35、塞顶面上的润滑油膜溶解和吸收了进入气缸的可燃混合气中的碳氢化合物蒸汽，直至达到其环境压力下的饱和状态，这种溶解和吸收过程在压缩和燃烧过程中的较高压力下继续进行。在燃烧过程中，当燃烧室燃气中的HC浓度由于燃烧而下降至很低时，油膜中的HC开始向已燃气解吸，此过程将持续到膨胀和排气过程。一部分解吸的燃油蒸汽与高温的燃烧产物混合并被氧化；其余部分与较低温度的燃气混合，因不能氧化而成为HC排放源。这种类型的HC排放与燃油在润滑油中的溶解度成正比。使用不同的燃料和润滑油，对HC排放的影响不同，使用气体燃料则不会生成这种类型的HC。润滑油温度升高，使燃油在其中的溶解度下降，于是降低了润滑油在HC排放中所占的
36、比例。由润滑油膜吸附和解吸机理产生的未燃HC排放占其总量的25%左右。4）燃烧室内沉积物的影响发动机运转一段时间后，会在燃烧室壁面、活塞顶、进排气门上形成沉积物，从而使HC排放增加。对使用含铅汽油的发动机，HC排放可增加7%20%。沉积物的作用机理可用其对可燃混合气的吸附及解吸作用来解释，当然，由于沉积物的多孔性和固液多相性，其生成机理更为复杂。当沉积物沉积于间隙中，由于间隙容积的减少，可能使由于狭隙效应而生成的HC排放量下降，但同时又由于间隙尺寸减小而可能使HC排放量增加。这种机理所生成的HC占总排放量的10%左右。5）体积淬熄发动机在某些工况下，火焰前锋面到达燃烧室壁面之前，由于燃烧室中压
37、力和温度下降太快，可能使火焰熄灭，称为体积淬熄，这也是产生未燃HC的一个原因。发动机在冷起动和暖机工况下，由于发动机温度较低，混合气不够均匀，导致燃烧变慢或不稳定，火焰易熄灭；发动机在怠速或小负荷工况下，转速低、相对残余废气量大，使滞燃期延长、燃烧恶化，也易引起熄火。更为极端的情况是发动机的某些气缸缺火，使未燃烧的可燃混合气直接排入排气管，造成未燃HC排放急剧增加，故汽油机点火系统的工作可靠性对HC排放是至关重要的。6）碳氢化合物的后期氧化在发动机燃烧过程中未燃烧的碳氢化合物，在以后的膨胀和排气过程中不断从间隙容积、润滑油膜、沉积物和淬熄层中释放出来，重新扩散到高温的燃烧产物中被全部或部分氧化
38、，称为碳氢化合物的后期氧化，包括：（1）气缸内未燃碳氢化合物的后期氧化：在排气门开启前，气缸内的燃烧温度一般超过950C。若此时气缸内有氧可供后期氧化（例如当过量空气系数1时），碳氢化合物的氧化将很容易进行。（2）排气管内未燃碳氢的氧化：排气门开启后，缸内未被氧化的碳氢化合物将随排气一同排放到排气管内，并在排气管内继续氧化。其氧化条件为：管内有足够的氧气；排气温度高于600C；停留时间大于50ms。2.2.2 影响碳氢化合物生成的因素未燃HC排放主要是由于缸内混合气过浓、过稀或局部混合不均引起燃烧不完全而导致的，造成燃烧不完全的因素大致有混合气的质量、发动机的运行条件、燃烧室结构参数及点火与配
39、气正时等。1. 混合气质量的影响混合气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。混合气的均匀性越差则HC排放越多。当空燃比略大于理论空燃比时，HC有最小值；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成与火焰的传播受阻甚至出现断火，致使HC排放量增加。2. 运行条件的影响本论文仅仅讨论汽油机运行条件的影响（1）负荷的影响：发动机试验结果表明：当空燃比和转速保持不变，并按最大功率调节点火时刻时，改变发动机负荷，对HC的相对排放浓度几乎没有影响。但当负荷增加时，HC排放量绝对值将随废气流量变大而几乎呈线性增加。（2）转速的影
40、响：发动机转速对HC排放浓度的影响则非常明显。转速较高时，HC排放浓度明显下降，这是由于气缸内混合气的扰流混合、涡流扩散及排气扰流、混合程度的增大改善了气缸内的燃烧过程、促进了激冷层的后氧化，后者则促进了排气管内的氧化反应。（3）点火时刻的影响：点火时刻对HC排放浓度的影响体现在点火提前角上。点火延迟（点火提前角减小）可使HC排放下降，这是由于点火延迟使混合气燃烧时的激冷壁面面积减小，同时使排气温度增高，促进了HC在排气管内的氧化。但采用推迟点火，靠牺牲燃油经济性来降低HC排放是得不偿失的。因此，点火延迟要适当。（4）壁温的影响：燃烧室的壁温直接影响了激冷层厚度和HC的排气后反应。据研究，壁面
41、温度每升高1，HC排放浓度相应降低。因此提高冷却介质温度有利于减弱壁面激冷效应，降低HC排放。（5）燃烧室面容比的影响：燃烧室面容比大，单位容积的激冷面积也随之增大，激冷层中的未燃烃总量必然也增大。因此，降低燃烧室面容比是降低汽油机HC排放的一项重要措施。2.3 氮氧化物2.3.1 氮氧化物的生成机理车用发动机排气中的氮氧化物（NOx）包含NO和NO2，其中大部分是NO，它们是N2在燃烧高温下的产物。1. NO的生成机理从大气中的N2生成NO的化学机理是扩展的泽尔多维奇（Zeldovitch）机理。在化学计量混合比（=1）附近导致生成NO和使其消失的主要反应式为： O22O （2-6）ON2
42、NO O （2-7）NO2 NO O （2-8）N OH NO H （2-9）反应式(2-9)主要发生在非常浓的混合气中，NO在火焰的前锋面和离开火焰的已燃气中生成。汽油机中的燃烧在高压下进行，并且燃烧过程进行得很快，反应层很薄（约0.1mm）且反应时间很短。早期燃烧产物受到压缩而温度上升，使得已燃气体温度高于刚结束燃烧的火焰带的温度，因此除了混合气很稀的区域外，大部分NO在离开火焰带的已燃气中发生，只有很少部分NO产生在火焰带中。也就是说，燃烧和NO的产生是彼此分离的，应主要考虑已燃气体中NO的生成。NO的生成主要与温度有关。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
43、生成的NO平衡摩尔分数NOe与温度T及过量空气系数的关系。可以知道：在1的稀混合气区，NOe随温度的升高而迅速增大；在一定的温度下，NOe随混合气的加浓而减少。当1以后，由于氧不足，NOe随的减小而急剧下降。因此可以得出以下结论：在稀混合气区NO的生成主要是温度起作用；在浓混合气区主要是氧浓度起作用。绝热温度指混合气燃烧后释放的全部热量减去因自身加热和组成变化所消耗的热量而达到的温度，它是过程中可能达到的最高燃烧温度。一般情况下，绝热火焰温度在稍浓混合气（略小于1）时达到最高值，但由于此时缺氧，故NO排放值不是最高，所以，NOe最大值出现在稍稀的混合气中（稍大于1）中。若混合气过稀，火焰温度大
44、大下降，使NO排放降低。生成NO的过程中，达到NO的平衡摩尔分数需要较长时间。图2-3表示在不同温度下NO生成的总量化学反应式N2 + O2 2NO的进展快慢，用NO摩尔分数的瞬时值NO与其平衡值NOe之比表示。图2-3 温度对总量化学反应N2 + O2 2NO进展快慢的影响（过量空气系数=1.1，压力为10Mpa）从图中可以看出，反应温度越低，则达到平衡摩尔分数所需时间越长，并且NO的生成反应比发动机中的燃烧反应慢。可见温度越高，氧浓度越高，反应时间越长，NO的生成量越多。所以对NO的主要控制方法就是降低最高燃烧温度。发动机在运转中因为燃烧经历时间极短（只有几毫秒），温度的上升和下降都很迅速
45、，故NO的生成不能达到平衡状态，且分解所需的时间也不足，所以在膨胀过程初期反应就冻结，使NO以不平衡状态时的浓度被排出。从燃料燃烧过程看，最初燃烧部分（火花塞附近）产生的NO约占其最大浓度的50%（其中有相当部分后来被分解）；随后燃烧的部分所产生的NO浓度很小且几乎不再分解，因此NO的排放不能按平衡浓度的方法计算，只能由局部的燃烧温度及其持续时间决定。2. NO2的生成机理汽油机排气中的NO2浓度与NO的浓度相比可忽略不计，但在柴油机中NO2可占到排气中总NOx的10%30%。目前对NO2生成机理的研究还不透彻，大致上认为NO在火焰区可以迅速转变成NO2，反应机理如下： NO HO2 NO2 OH （2-10）然后NO2又通过下述反应式转变为NO NO2O NOO2 （2-11）只有在NO2生成后，火焰被冷的空气所激冷，NO2才能保存下来，因此汽油机长期怠速会产生大量NO2。柴油机在小负荷运转时，燃烧室中存在很多低温区域，可以抑制NO2向NO的再转化而
