（一）听觉刺激声波作用于人的听觉器官-耳朵形成听觉刺激。声压超过一定的阈限会使人耳产生痛觉。咽鼓管靠近鼓室的一端始终是开着的，而靠近咽部的一端平时关闭，只有在张嘴、咀嚼、吞咽时才打开，让空气从咽鼓管进入鼓室，保持中耳与外界气压的平衡，从而保证鼓膜在声波的刺激下产生正常的振动。最后由毛细胞转换成神经冲动，经听觉神经传到大脑听觉中枢。......
2023-07-02
污染物产生的影响因素分析
【摘要】：污染物质产生的影响因素，汽油机有空燃比、点火时刻、发动机转速、负荷，柴油机有空气过量系数、喷油时刻、喷射特性、燃烧室结构等。空燃比 图11-6所示为汽油机随空燃比（A/F）的污染物质的排放特性。实际的分层进气运行为稀薄混合气运行状态，以此可以想到HC产生，HC产生量与混合气的形成过程有很大的影响。
污染物质产生的影响因素，汽油机有空燃比、点火时刻、发动机转速、负荷，柴油机有空气过量系数（或当量比）、喷油时刻、喷射特性、燃烧室结构（混合气形成）等。其中，共同的最大影响因素为空气过量系数和点火时刻（喷油时刻）。
1.汽油机
目前使用的进气端口喷射式汽油机使用三元催化器净化污染物质，并大部分在空气过量系数λ=1的理论混合比状态下运行。但是，直喷式汽油机根据运行条件在均质模式或分层模式下运行。在均质模式下运行时，类似于在进气系统中进行喷射的系统，在进气过程中喷射λ=1的燃料量。均质模式在需要大输出转矩或高速时运行。在分层模式下运行时，在压缩过程末期喷射燃料，仅在燃烧室中央云团样形成的混合气为λ=1的均质混合气，此外的领域仅为空气。分层模式总体上在燃烧室内形成λ>1的稀薄混合气状态，分布为非均质状态。
（1）空燃比 图11-6所示为汽油机随空燃比（A/F）的污染物质（CO、HC、NOx）的排放特性。污染物质的排放量以理论空燃比（A/F）S=14.7：1（λ=1）为基准，随稀薄混合气还是浓混合气具有很大的差别。
图11-6 汽油机的污染物质排放特性
①浓混合比时。空气越不足或燃料越多，即空燃比越小（空气过量系数λ越小），因不完全燃烧，CO、HC的产生量越多，但NOx的产生量会减少。
②稀薄混合比时。混合气越是稀薄，CO的排放量就会越少。在理论上，CO在λ>1的稀薄空燃比条件下不应排放，但如果空气和燃料的混合不均匀，或CO2在高温状态下被热分解，就会微量产生。在稀薄混合比条件下，空燃比对CO排放量的影响很小。
HC的排放量在空燃比（A/F）直到17：1的附近逐步减少，但在其以上的稀薄混合气状态下因失火导致急增。HC产生量最小的空燃比范围为A/F（=16.2：1～17.6：1）（λ=1.1～1.2）。汽油机的稀薄燃烧界限依赖于火花塞周围的空燃比和燃烧室内空气的流动状态。因此，为了在燃烧室内形成均匀混合气，发动机在进气系统中增设产生湍流的装置。
直喷式汽油机的分层模式运行是进行λ>1的稀薄燃烧，因燃烧温度低于λ=1时的均质模式运行，因此NOx的排放量低。NOx的排放量最大的空燃比为比理论空燃比（λ=1）略微稀薄的空燃比附近（λ=1.05～1.1）。这是因为此部分为燃烧效率最大并燃烧温度最高所致。如果比此空燃比浓或稀薄，因燃烧温度降低，NOx的产生量减小。实际的分层进气运行为稀薄混合气运行状态，以此可以想到HC产生，HC产生量与混合气的形成过程有很大的影响。因此，直喷式汽油机尽可能避免因粘附在燃烧室和活塞上的未燃烧燃料产生HC。
（2）点火持续时间 汽油机的点火持续时间和点火能量给燃烧特性和污染物质的排放特性带来很大的影响。点火能量为放电电压×电流×火花持续时间。如果点火能量大，通过良好的电火花和稳定的火焰传播，可以扩大稀薄空燃比燃烧界限，给发动机的燃烧变化和污染物质的降低方面会带来肯定的效果。
点火持续时间给污染物质排放特性带来的影响方面，对于CO的排放量如图11-7所示。CO的排放量如前所述与λ有线性关系，在λ>1的稀薄混合气领域几乎不排放。因此，点火时间α2除了λ<0.9以下的浓混合气状态外，对于CO的排放特性没有任何影响。
HC的产生与CO的产生机理相同，在不完全燃烧的状态下产生，如图11-8所示。在λ<1的领域随λ的减小（或混合气越浓），HC的排放量增加。最低排放量对应的λ为1.1～1.2。在λ<1.1～1.2的范围内，混合气越稀排放量越多。在λ<1的浓混合比领域内，点火时间越早，即点火角越提前，HC的排放量就会越多。HC排放量的增加，会导致燃烧温度降低，在做功和排气过程中HC的2次反应也会带来负面影响。当点火时刻延迟时，因混合气良好燃烧，在排气过程后期燃烧室内也保持高温状态，以发生良好的氧化反应，因此HC的产生量会降低。
与此相反，在λ>1.1～1.2的范围，即在稀薄混合比状态运行时，因火焰传播速度较低，如果此时点火时刻过迟，会持续燃烧到排气门打开时刻，未燃混合气会被排放，因而HC的排放量会增加。发动机的点火时刻越延迟，就会越早到达稀薄燃烧界限空燃比。
图11-7 CO的排放特性
图11-8 HC的排放特性
点火时刻和NOx的排放量之间的关系如图11-9所示。测试条件为η=2000r颗粒物质（PM）、进气真空度为32kPa。NOx的排放量在λ的所有范围内，点火时刻越提前就会越大。当点火时刻提前时，燃烧室内的燃烧温度就会增大，因此会增加NOx的产生量，当点火时刻延迟时，因会进行良好的燃烧，气缸内的燃烧温度就会降低，从而减小NOx的产生量。
图11-9 点火持续时间的NOx排放特性
（3）发动机转速 发动机转速越快，不仅驱动水泵等辅助装置所需的动力损失越大，摩擦损失也会增加，因此会减小单位燃料（能量）输出功率（或燃料效率）。发动机在很高的转速下，因充气效率降低，反而会降低输出功率。因此，相同的输出功率比起在高速状态获得，在低速状态获得更有利于燃料效率。这给有害气体排放量也带来影响。
汽油机中CO和HC的排放量随发动机转速的增加而增大。这是因为不能充分满足形成均质混合气和良好燃烧所需的时间。但是，NOx的排放量随发动机转速的增加而减小。这是因为产生NOx的反应时间短，尤其是随发动机转速的增加，燃烧室内残留气体量增加，气缸内的燃烧温度降低。
（4）发动机负荷 发动机的负荷（或输出转矩）对CO、HC、NOx排放特性的影响各有不同。燃烧室内温度随转矩的增大而增加。因此，在其他要素相同的条件下，输出转矩越小，CO、HC的排放量就会越大。尤其是，气缸壁面的冷却带越大，HC的产生量就会越多，就会减小输出转矩。与此相反，在高负荷条件下，因燃烧气体的温度高，在做功过程促进CO和HC的2次反应，从而减小CO和HC的排放量。
发动机进气门和排气门的重叠量越大，HC的排放量就越大。这是因为在高负荷或高增压运行条件下，气门重叠期间部分混合气会直接通过排气门排放。
NOx的生成与CO和HC的生成相反，燃烧室的温度越高，NOx的生成量就会越大。但是，NOx的排放量不随转矩的增加而成比例增加。
（5）燃烧室表面积与工作容积之比 这是发动机的设计因素，与HC的排放量有关。汽油机会存在火焰不能到达的部分，如气缸壁冷却面附近领域、活塞与气缸壁之间的间隙容积、火花塞间隙等部分。隐藏在这些部分的混合气，虽然在做功过程中部分会被燃烧，但尤其是气缸壁面附近的压缩混合气如图11-10所示在排气过程初期减压排气时被排放，并在排气过程末期活塞上升时以未燃烧气体状态直接被排放。因此，如图11-11所示，燃烧室表面积与工作容积之比（A/V）越大，HC的排放量越大。因此，在降低HC的排放量方面，减小燃烧室表面积或间隙容积较为有效。
图11-10 汽油机HC的产生模式
图11-11 燃烧室的A/V与HC的排放量
（6）燃烧室内位置 根据燃烧室内位置的不同，污染物质的浓度也不同。HC在火焰不能到达的部位生成量大，与此相反，NOx在温度高的部位生成量大。图11-12所示为燃烧室内随局部位置（或温度差异）的NO生成浓度。
图11-12 汽油机的燃烧室内燃烧温度与氮氧化物的排放浓度
NO的生成量通常在相对于温度的生成反应速度与分解反应速度相同的浓度平衡状态下达到最低。但是，往复式发动机因进行间歇燃烧，并且发动机的燃烧时间非常短，因此不能达到NO浓度平衡状态。即在燃烧室内浓度降低之前开始做功过程，因气缸内温度急剧下降，导致化学反应停止，此现象称为“冻结”。最近汽油机的NO的排放浓度约为2000p颗粒物质（PM）。然后通过三元催化器净化，降低到40～50p颗粒物质（PM）范围内。
2.柴油机
柴油机基本上在λ>1的稀薄混合气状态燃烧，因此利用较低的燃料消耗率be，获得较高的输出功率，但PM和NOx的排放量较大。这是因为油雾中心部位处于浓混合气λ<1状态，会生成较多的颗粒物质，并且NOx在λ=1附近与燃料喷射量成正比排放。
（1）空气过量系数 柴油机的进气量始终一定，通过燃料的喷射量调整负荷，所有的运行范围在空气过量系数λ>1的稀薄混合气状态运行。因此，在本质上HC和CO的排放量就少，HC、CO、NOx和炭烟的浓度随λ的增加而增大。直喷式柴油机的空燃比与排放废气之间的关系如图11-13所示。
（2）喷射时刻 柴油机的喷射时刻在高负荷、高速运行条件下为了获得低燃料消耗率和高输出动力而提前，发动机处于冷态时也提前，但在高负荷、中速运行条件下为了降低NOx的排放量，需要延迟。
柴油机NOx的排放量与喷射时刻之间的关系如图11-14所示。把燃料喷射时刻延迟到上止点（TDC）附近，可以大幅度减小NOx的排放量，但会增加烟雾的排放量，并且会恶化燃料消耗率，此外还导致最高燃烧压力的下降和降低输出动力等。因此喷射时刻的延迟会有限制。
图11-13 柴油机的排放废气
图11-14 燃料喷射时刻的影响
尤其是，如果过度延迟喷射时刻，会在上止点后着火，这会增大预混合燃烧量，从而增大热产生量，反而会增加NOx的产生量。因此，柴油机的喷射时刻是上止点前5℃A较为适用。
（3）喷射压力 最近柴油机通过高压泵的大型化和喷油器喷嘴直径的小型化，燃料喷射压力可以达到200MPa的高压。高压喷射通过燃料油雾的细微化和促进与空气的混合，可以缩短燃烧时间、降低PM的生成量，同时也能改善燃料消耗率等，但也带来很多缺陷，如因燃烧温度增加，导致NOx生成量增大，因预混合燃烧量增加，导致运行噪声增大等。
因此，喷射压力（或燃料共轨压力）是与喷射时刻和废气再循环（EGR）率一起需要精密调整到最佳状态的变量。对于这些变量的解析，采取通过燃料消耗率、炭烟和NOx的排放量图表化，找出这些变量之间实际的最佳协调点的方法。
（4）喷射率 污染物质的产生，不仅与喷射时刻、喷射压力有关，还与预喷射、后喷射等主喷射期间的喷射率有很大的关联。
着火延迟期间，较低的燃料喷射率会有效地降低NOx的排放量和燃烧噪声。因此，预喷射在发动机的高负荷运行条件下，不仅降低燃料消耗率，还会降低NOx的排放量和燃烧噪声。但是，预喷射通常会略微增大炭烟的排放量。另外，雾化良好的后喷射会有效减小炭烟的排放量。
（5）混合气的形成 燃烧室内涡流强度与空气利用效率有密切的关系。涡流强度大，虽然会增加NOx的产生量，但可以降低炭烟排放量，改善燃料消耗率。但是，如果涡流强度过强，虽能降低NOx的产生量，但会增加燃料消耗量和炭烟排放量，因此有必要决定适当的涡流强度。
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