第2章排放污染物的形成2

1、第第2 2章章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽车排放污染物的生成机理和影响因素第第2 2章章 汽车排放污染物的形成汽车排放污染物的形成 2.1 2.1 一氧化碳一氧化碳COCO2.2 2.2 碳氢化合物碳氢化合物HCHC2.3 2.3 氮氧化物氮氧化物NOxNOx2.4 2.4 微粒微粒PMPM概述：主要内容概述：主要内容介绍了汽车尾气中的主介绍了汽车尾气中的主要污染物要污染物COCO、HCHC、NONOX X和和微粒微粒PMPM的生成机理及其的生成机理及其影响因素。影响因素。第第2 2章章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽车排放污染物的生成机理和影响因素一氧化碳的生成机理一氧化碳的

2、生成机理第第2 2章章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽车排放污染物的生成机理和影响因素2222mnmnC HOmCOH汽车尾气中汽车尾气中COCO的产生是燃烧不充分所致，的产生是燃烧不充分所致，是氧气不足而生成的中间产物。是氧气不足而生成的中间产物。燃气中的氧气量充足时，理论上燃料燃烧燃气中的氧气量充足时，理论上燃料燃烧后不会存在后不会存在COCO。但当氧气量不足时，就会。但当氧气量不足时，就会有部分燃料不能完全燃烧，而生成有部分燃料不能完全燃烧，而生成COCO。汽油机一氧化碳的生成机理汽油机一氧化碳的生成机理第第2 2章章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽车排放污染物的生成机理和影

3、响因素汽油机汽油机COCO排放量排放量xCOxCO与与 及过量空气系数及过量空气系数a a的关系的关系 汽油机一氧化碳的生成机理汽油机一氧化碳的生成机理第第2 2章章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽车排放污染物的生成机理和影响因素a a 1 11时时 ，COCO的排放量都很小。的排放量都很小。a a =1.0 =1.01.11.1时，时，COCO的排放量变化较复杂。的排放量变化较复杂。由上图可以看出由上图可以看出柴油机一氧化碳的生成机理柴油机一氧化碳的生成机理第第2 2章章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽车排放污染物的生成机理和影响因素a a =1.5 =1.53 3，COCO排放

4、量要比汽油机低得多。排放量要比汽油机低得多。a a =1.2 =1.21.31.3，COCO的排放量才大量增加。的排放量才大量增加。柴油机一氧化碳的生成机理柴油机一氧化碳的生成机理第第2 2章章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽车排放污染物的生成机理和影响因素燃料与空气混合不均匀，局部缺氧和低温，燃燃料与空气混合不均匀，局部缺氧和低温，燃烧区停留时间较短，小负荷时尽管烧区停留时间较短，小负荷时尽管a a很大，很大，COCO排放量反而上升。排放量反而上升。影响一氧化碳生成的因素影响一氧化碳生成的因素 第第2 2章章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽车排放污染物的生成机理和影响因素碳氢化合

5、物的生成机理碳氢化合物的生成机理第第2 2章章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽车排放污染物的生成机理和影响因素漏入曲轴箱的窜气中含有大量未漏入曲轴箱的窜气中含有大量未燃燃料燃燃料燃烧过程中未燃烧或燃烧不完全燃烧过程中未燃烧或燃烧不完全的碳氢燃料的碳氢燃料燃油蒸汽燃油蒸汽汽油机未燃汽油机未燃HCHC的生成机理的生成机理第第2 2章章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽车排放污染物的生成机理和影响因素火焰在壁面淬冷火焰在壁面淬冷冷起动、暖机和冷起动、暖机和怠速等工况下，怠速等工况下，壁面温度较低，壁面温度较低，淬熄层较厚，壁淬熄层较厚，壁面火焰淬熄是此面火焰淬熄是此类工况下未燃类工况下未燃

6、HCHC的重要来源。的重要来源。狭隙效应狭隙效应火焰不能进入各火焰不能进入各种狭窄的间隙，种狭窄的间隙，便会产生未燃便会产生未燃HCHC。润滑油膜对燃油蒸润滑油膜对燃油蒸汽的吸附与解吸汽的吸附与解吸进气过程中，润进气过程中，润滑油膜溶解和吸滑油膜溶解和吸收了进入气缸的收了进入气缸的碳氢化合物。碳氢化合物。燃烧过程中，燃烧过程中， HCHC向已燃气解吸。向已燃气解吸。燃烧室内沉积物燃烧室内沉积物的影响的影响沉积物使沉积物使HCHC排放排放增加。增加。体积淬熄体积淬熄燃烧室中压力和燃烧室中压力和温度下降太快，温度下降太快，可能使火焰熄灭。可能使火焰熄灭。碳氢化合物的后碳氢化合物的后期氧化期氧化未燃

7、烧的碳氢化未燃烧的碳氢化合物释放出来，合物释放出来，重新被全部或部重新被全部或部分氧化。分氧化。图2-7 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柴油机未燃柴油机未燃HCHC的生成机理的生成机理第第2 2章章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽车排放污染物的生成机理和影响因素燃料在气缸内停留的燃料在气缸内停留的时间较短，生成时间较短，生成HCHC的的相对时间也短，故其相对时间也短，故其HCHC排放量比汽油机少。排

8、放量比汽油机少。2.2.2 2.2.2 影响碳氢化合物生成的因素影响碳氢化合物生成的因素第第2 2章章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽车排放污染物的生成机理和影响因素混合气质量混合气质量的影响的影响混合气的均匀性混合气的均匀性越差则越差则HCHC排放越排放越多。多。运行条件的运行条件的影响影响汽油机运行条件汽油机运行条件的影响的影响影响碳氢化合物生成的因素影响碳氢化合物生成的因素第第2 2章章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽车排放污染物的生成机理和影响因素运行条件的运行条件的影响影响汽油机运行条件的影响汽油机运行条件的影响负荷增加时，负荷增加时，HCHC排放量绝对值将排放量绝对值将

9、随废气流量变大而几乎呈线性增随废气流量变大而几乎呈线性增加。加。负荷的影响负荷的影响转速较高时，气缸内混合气的扰转速较高时，气缸内混合气的扰流混合、涡流扩散及排气扰流、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混合程度的增大改善了气缸内的燃烧过程，燃烧过程，HCHC排放浓度明显下降。排放浓度明显下降。转速的影响转速的影响点火提前角减小可使点火提前角减小可使HCHC排放下降。排放下降。点火时刻的点火时刻的影响影响壁面温度升高，壁面温度升高，HCHC排放浓度相应排放浓度相应降低。提高冷却介质温度有利于降低。提高冷却介质温度有利于减弱壁面激冷效应，降低减弱壁面激冷效应，降低HCHC排放

10、。排放。壁温的影响壁温的影响燃烧室面容比大，单位容积的激燃烧室面容比大，单位容积的激冷面积也随之增大，未燃烃总量冷面积也随之增大，未燃烃总量必然也增大。降低燃烧室面容比必然也增大。降低燃烧室面容比是降低汽油机是降低汽油机HCHC排放的一项重要排放的一项重要措施。措施。燃烧室面容燃烧室面容比的影响比的影响负荷的影响负荷的影响转速的影响转速的影响点火时刻的点火时刻的影响影响壁温的影响壁温的影响燃烧室面容燃烧室面容比的影响比的影响影响碳氢化合物生成的因素影响碳氢化合物生成的因素第第2 2章章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽车排放污染物的生成机理和影响因素混合气质量混合气质量的影响的影响汽油机运

11、行条件的汽油机运行条件的影响影响柴油机运行条件的柴油机运行条件的影响影响运行条件的运行条件的影响影响影响碳氢化合物生成的因素影响碳氢化合物生成的因素第第2 2章章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽车排放污染物的生成机理和影响因素运行条件的运行条件的影响影响柴油机运行条件的影响柴油机运行条件的影响喷油时刻的喷油时刻的影响影响喷油嘴喷孔喷油嘴喷孔面积的影响面积的影响冷却水进水冷却水进水温度的影响温度的影响进气密度的进气密度的影响影响喷油时刻决定气缸内的温度，喷油时刻决定气缸内的温度，提前角大，温度高，提前角大，温度高，HCHC量下量下降。降。喷头压力喷头压力及及喷量不变时，喷喷量不变时，喷孔面

12、积大，雾化质量变差，孔面积大，雾化质量变差，HCHC排放增加。排放增加。冷却水温降低，缸内温度低，冷却水温降低，缸内温度低，HCHC排放增加。排放增加。空气量降低，空气量减少，燃烧空气量降低，空气量减少，燃烧不全，不全，HCHC排放增加。排放增加。NONOX X的生成机理的生成机理第第2 2章章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽车排放污染物的生成机理和影响因素O O2 2 2O 2OO O N N2 2 NO NO N NN N O O2 2 NO NO O ON N OH NO OH NO H HNONO的平衡摩尔分数的平衡摩尔分数x xNOeNOe与过与过量空气系数量空气系数a a的关

13、系的关系a a 11的稀混合气区，的稀混合气区，x xNOeNOe随温度的升高而迅速随温度的升高而迅速增大。增大。a a 11，x xNOeNOe随随a a 的减的减小而急剧下降。小而急剧下降。NONO的生成机理的生成机理第第2 2章章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽车排放污染物的生成机理和影响因素结论：结论： 在稀混合气区在稀混合气区NONO的生的生成主要是温度起作用；成主要是温度起作用； 在浓混合气区主要是在浓混合气区主要是氧浓度起作用。氧浓度起作用。NONO2 2的生成机理的生成机理第第2 2章章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽油机排气中的汽

14、油机排气中的NONO2 2浓度与浓度与NONO的浓度相的浓度相比可忽略不计，但在柴油机中比可忽略不计，但在柴油机中NONO2 2可占可占到排气中总到排气中总NONOX X的的10%10%30%30%。NO NO HOHO2 2 NO NO2 2 OHOHNONO2 2O NOO NOO O2 2影响影响NONOX X生成的因素生成的因素第第2 2章章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽车排放污染物的生成机理和影响因素影响汽油机影响汽油机NONOX X生成的因生成的因素素过量空气系数和燃烧室过量空气系数和燃烧室温度的影响温度的影响a a 111时，温度起着决定性作用，时，温度起着决定性作用，N

15、ONOX X生成量随温度升高而迅速增大。最生成量随温度升高而迅速增大。最高温度通常出现在高温度通常出现在a a 1.11.1，且有，且有适量的氧浓度，故适量的氧浓度，故NONOX X排放浓度出现排放浓度出现峰值。峰值。a a进一步增大，温度下降的进一步增大，温度下降的作用占优势，作用占优势，NONO生成量减少。生成量减少。残余废气分数的影响残余废气分数的影响废气分数增大，减小了可燃气的发热废气分数增大，减小了可燃气的发热量，增大了混合气的比热容，使最高量，增大了混合气的比热容，使最高燃烧温度下降，燃烧温度下降，NONO排放降低。排放降低。点火时刻的影响点火时刻的影响点火提前角的减小，点火提前角

16、的减小，NONO排放量不断下排放量不断下降。降。喷油提前角减小，燃烧推迟，燃烧温喷油提前角减小，燃烧推迟，燃烧温度较低，生成的度较低，生成的NONOX X较少。较少。影响影响NONOX X生成的因素生成的因素第第2 2章章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽车排放污染物的生成机理和影响因素影响柴油机影响柴油机NONOX X生成的因生成的因素素喷油定时的影响喷油定时的影响放热规律的影响放热规律的影响负荷与转速的影响负荷与转速的影响传统模式传统模式低排放放热模式低排放放热模式NONOX X排放随负荷增大而显著增加。排放随负荷增大而显著增加。转速对转速对NONOX X排放的影响比负荷的影响小。排放

17、的影响比负荷的影响小。图2-12 传统柴油机的典型放热规律（虚线）与低排放柴油机的优化放热规律（实线）1-推迟燃烧始点，降低NOX排放；2-降低初始燃烧温度减少NOX生成；3-维持中期快速燃烧和燃烧温度，降低微粒排放；4-缩短扩散燃烧期，降低燃料消耗率、排气温度和微粒排放微粒的生成机理微粒的生成机理第第2 2章章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽车排放污染物的生成机理和影响因素柴油机微粒的组成与特征柴油机微粒的组成与特征第第2 2章章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽车排放污染物的生成机理和影响因素柴油机排气微粒由很多原生柴油机排气微粒由很多原生微球的聚集体而成，总体结微球的聚集体而成

18、，总体结构为团絮状或链状。构为团絮状或链状。当排气温度超过当排气温度超过500500时，碳质微球的时，碳质微球的聚集体，称为碳烟，也称为烟粒；聚集体，称为碳烟，也称为烟粒；排气温度低于排气温度低于500 500 时，烟粒会吸附和时，烟粒会吸附和凝聚多种有机物，称为有机可溶成份。凝聚多种有机物，称为有机可溶成份。有机可溶成份有机可溶成份SOF 微粒中的微粒中的SOF成分包括各种未燃碳氢化合成分包括各种未燃碳氢化合物、含氧有机物（醛类、酮类、酯类、醚类、物、含氧有机物（醛类、酮类、酯类、醚类、有机酸类等）和多环芳烃（有机酸类等）和多环芳烃（PAH）及其含氧）及其含氧和含氮衍生物等。微粒的凝聚物中还

19、包括少和含氮衍生物等。微粒的凝聚物中还包括少量无机物如量无机物如SO2、NO2和硫酸等，还有少量和硫酸等，还有少量来自燃油和来自润滑油的钙、铁、硅、铬、来自燃油和来自润滑油的钙、铁、硅、铬、锌、磷等元素的化合物。锌、磷等元素的化合物。烟粒的生成机理烟粒的生成机理第第2 2章章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽车排放污染物的生成机理和影响因素（1 1）在高温富油缺氧区，通过裂解和脱氢）在高温富油缺氧区，通过裂解和脱氢过程，经过核化形成先期产物；过程，经过核化形成先期产物；（1 1）表面生长；黏住气相物质后增大。）表面生长；黏住气相物质后增大。烟粒生成阶段：烟粒长大阶段：烟粒长大阶段：（2 2

20、）在低于）在低于1500K1500K的低温区，通过聚合和的低温区，通过聚合和冷凝生成碳烟微粒。冷凝生成碳烟微粒。（2 2）聚集。通过碰撞使烟粒长大）聚集。通过碰撞使烟粒长大烟粒的氧化及有机可溶成份的吸附与凝结烟粒的氧化及有机可溶成份的吸附与凝结第第2 2章章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽车排放污染物的生成机理和影响因素氧化作用需要有一定的温度，至少在氧化作用需要有一定的温度，至少在700700800800。组成组成SOFSOF的重质有机化合物向烟粒聚集物的的重质有机化合物向烟粒聚集物的凝结与吸附。凝结与吸附。烟粒的氧化：烟粒的氧化：有机可溶成份SOFSOF的吸附与凝结：影响微粒生成的因

21、素影响微粒生成的因素第第2 2章章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽车排放污染物的生成机理和影响因素负荷的影响：负荷的影响：（1 1）高速小负荷时，稀薄混合气区较大，）高速小负荷时，稀薄混合气区较大，微粒排放量较高；微粒排放量较高；（2 2）低速大负荷时，容易产生裂解和脱氢，）低速大负荷时，容易产生裂解和脱氢，排放量有所升高。排放量有所升高。影响微粒生成的因素影响微粒生成的因素第第2 2章章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽车排放污染物的生成机理和影响因素（1 1）小负荷时温度低，以未燃油滴为主）小负荷时温度低，以未燃油滴为主的微粒的氧化作用微弱；转速升高时，的微粒的氧化作用微弱；转速

22、升高时，这种氧化作用又受到时间因素的制约；这种氧化作用又受到时间因素的制约；故微粒排放量随转速升高而增加故微粒排放量随转速升高而增加转速的影响：转速的影响：（2 2）大负荷时，转速的升高有利于气流）大负荷时，转速的升高有利于气流运动的加强，使燃烧速度加快。故微粒运动的加强，使燃烧速度加快。故微粒排放量随转速升高而减小排放量随转速升高而减小影响微粒生成的因素影响微粒生成的因素第第2 2章章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽车排放污染物的生成机理和影响因素（1 1）燃油中芳香烃含量及馏程越高，微粒）燃油中芳香烃含量及馏程越高，微粒排放量越大；烷烃含量越高，微粒排放量排放量越大；烷烃含量越高，微

23、粒排放量越少；越少；燃料的影响：燃料的影响：（2 2）柴油机的排烟浓度随十六烷值的提高）柴油机的排烟浓度随十六烷值的提高而增大。而增大。影响微粒生成的因素影响微粒生成的因素第第2 2章章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽车排放污染物的生成机理和影响因素（1 1）喷油定时的影响；提前喷油或非常）喷油定时的影响；提前喷油或非常迟的喷油，可以降低排气烟度。迟的喷油，可以降低排气烟度。喷油参数的影响：喷油参数的影响：（2 2）喷油规律的影响：大部分燃油在前）喷油规律的影响：大部分燃油在前半时间内喷入气缸时，参与预混燃烧的油半时间内喷入气缸时，参与预混燃烧的油量增多，故排烟浓度低而量增多，故排烟浓度低而NONO浓度高；浓度高；（3 3）喷油嘴不正常喷射的影响：滴漏或）喷油嘴不正常喷射的影响：滴漏或二次喷射对碳烟有不利影响；二次喷射对