内燃机排放污染物的生成机理和影响因素

1、会计学1内燃机排放污染物的生成机理和影响因内燃机排放污染物的生成机理和影响因素素2222mnmnC HOmCOH汽车尾气中CO的产生是燃烧不充分所致，是氧气不足而生成的中间产物。形成原因形成原因汽油机汽油机主要是由可燃混合气过浓造成的。主要是由可燃混合气过浓造成的。柴油机柴油机主要是由燃烧室内部缺氧或温度过低造成的主要是由燃烧室内部缺氧或温度过低造成的 燃气中的氧足够时有： 22nmH2nmCOO2mHC 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。OH2OH222222

2、CO2OCO2 CO化学反应机理（生成机理）： 1.认为，CO生成步骤如下（R代表烃基）： RCO通过热分解或氧化生成CO：2.CO是碳氢化合物燃料在燃烧过程中生成的主要中间产物，最终生成情况视氧气浓度而定CORCORCHORORRH2.2COHOOHORCOHCOOHCO2CO继续氧化成CO2：RCORCO CO是不完全燃烧的产物之一。若能组织良好的燃烧过程，即具备充足的氧气、充分的混合，足够高的温度和较长的滞留时间，中间产物CO最终会燃烧完毕，生成CO2或H2O。 因此控制CO的排放不是企图抑制它的形成，而是努力使之完全燃烧化学反应机理（控制因素）： 燃料的氧化速率取决于：1、可用的氧浓度

3、2、反应的温度3、化学反应占有的时间（决定于发动机的转速）汽油机CO排放量xCO与空燃比及过量空气系数a的关系 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。a 1时 ， CO体积分数co 很小。a =1.01.1时，co随a略微变化。由上图可以看出汽油机部分负荷(常用工况)： a接近l，CO排放量不高。但多缸机如各缸a不同，有的气缸a1，CO排放量增加。不同工况的CO排放：加速时：如果加浓过多，或者减速时不断油，即在瞬态运转工况下供油量控制不精确，会导致CO排放量剧增怠速时：加浓过多会排放大量CO注意：点燃式内燃机排气中的CO水

4、平低于燃烧室中的最大值：部分CO在排气和膨胀工程中发生再次燃烧被消耗导致。全负荷、冷起动时：混合气是浓的，a可小到0.8甚至更低，CO排放量很大。2.2 碳氢化合物的生成机理 v汽油机未燃HC的生成与排放有三个渠道： 1) HC的排气排放物：在燃烧过程中生成并随排气排出。组织气缸扫气时，部分混合气直接进入排气。 2) 曲轴箱排放物：通过活塞与气缸之间的各间隙漏入曲轴箱的窜气，如果排入大气也构成HC排放物。 3)蒸发排放物：从汽油箱等处蒸发的汽油蒸气，如果排入大气同样构成HC排放物。v 柴油机排出的未燃HC全由燃烧过程产生。名称名称定义定义适用范围适用范围总碳氢化合物（总碳氢化合物（THC）所有

5、碳氢化合物所有碳氢化合物成分的总量成分的总量中国、日本和欧洲等大多数国中国、日本和欧洲等大多数国家家无甲烷碳氢化合物（无甲烷碳氢化合物（NMHC）除去甲烷的碳氢除去甲烷的碳氢化合物成分化合物成分美国联邦及其它适应国美国联邦及其它适应国无甲烷有机气体（无甲烷有机气体（NMOG）无甲烷碳氢化合无甲烷碳氢化合物加羰酰类物加羰酰类美国加州美国加州LEV法规法规汽油机燃烧室中HC的生成主要有以下几条途径：。1、多种原因造成的不完全燃烧；2、燃烧室壁面的淬熄效应；3、燃烧过程中的狭隙效应；4、四是燃烧室壁面润滑油膜和多孔性积碳的吸附和解吸作用。 在以预均匀混合气进行燃烧的汽油机中，HC与CO一样，也是一种

6、不完全燃烧（氧化）的产物。大量试验表明，碳氢燃料的氧化根据其温度、压力、混合比、燃料种类及分子结构的不同而有着不同的特点。各种烃燃料的燃烧实质是烃的一系列氧化反应，这一系列的氧化反应有随着温度而拓宽的一个浓限和稀限，混合气过浓或过稀以及温度过低将可能导致燃烧不完全或失火。 v冷激效应的定义冷激效应的定义：发动机的燃烧室表面受冷却介：发动机的燃烧室表面受冷却介质的冷却，温度比火焰低得多。壁面对火焰的迅质的冷却，温度比火焰低得多。壁面对火焰的迅速冷却称为冷激效应。速冷却称为冷激效应。v淬熄层的定义淬熄层的定义：冷激效应使火焰中产生的活性自：冷激效应使火焰中产生的活性自由基复合，燃烧反应链中断，使反

7、应变缓或停止由基复合，燃烧反应链中断，使反应变缓或停止。结果火焰不能传播到燃烧室壁表面，在表面留。结果火焰不能传播到燃烧室壁表面，在表面留下一薄层未燃烧或不完全燃烧的可燃混合气，称下一薄层未燃烧或不完全燃烧的可燃混合气，称为淬熄层。为淬熄层。v发动机正常运转时发动机正常运转时，冷激效应造成的淬熄层厚度冷激效应造成的淬熄层厚度为为0.05-0.4mm，未燃，未燃HC在火焰前锋面掠过后大在火焰前锋面掠过后大部分会扩散到已燃气体中，大部分在气缸内被氧部分会扩散到已燃气体中，大部分在气缸内被氧化，化，极少一部分成为未燃极少一部分成为未燃HC排放。排放。v冷起动、暖机和怠速工况时冷起动、暖机和怠速工况时

8、，壁温较低，淬熄层壁温较低，淬熄层较厚，已燃气体温度较低及混合气较浓使后期氧较厚，已燃气体温度较低及混合气较浓使后期氧化作用减弱，化作用减弱，HC排放增加（排放增加（在此类工况下，壁面在此类工况下，壁面火焰淬熄是造成未燃火焰淬熄是造成未燃HC的重要来源的重要来源）v 由活塞顶部与缸壁之间，及一、二活塞环背后组成的缝隙，这部分占总的缝隙的80。v 气缸盖垫结合面处v 火花塞螺栓处和中心电极绝缘子根部周围狭窄空间。v 进排气门头部周围燃烧室中存在的狭窄缝隙：v 当缸内压力升高（压缩、燃烧过程）时，会将一部分未燃可燃混合气挤进缝隙中去，由于缝隙很窄，面容比大，混合气流入缝隙中很快被壁面冷却；v 当火

9、焰前锋面到达各缝隙，火焰或者钻入缝隙全部烧掉混合气，或者烧掉一部分，或者在入口处淬熄。一般情况下火焰无法使缝隙中存在的燃油（也包括润滑油）全部燃烧完全。若发生淬熄，部分已燃气体也会被挤入缝隙；v 当压力降低（膨胀、排气过程）时，若缝隙中的压力高于气缸内压力时（大约上止点后1520CA），陷入缝隙中的气体流回气缸。但此时气缸内温度已经下降，氧的浓度很低，流回缸内的大部分可燃气都不能被氧化。以未燃HC的形式排出气缸。v 研究表明，约有5%10%新鲜混合气由于缝隙效应会躲过火焰传播的燃烧过程。狭隙效应造成的HC排放可占总量50704.润滑油膜的吸附和解吸v 在进气过程，在气缸壁面和活塞顶面上覆盖的润

10、滑油膜会溶解和吸收进入气缸的可燃混合气中的碳氢化合物蒸气，直至达到其环境压力下的饱和状态。 v 在压缩和燃烧过程的较高压力下这种溶解吸收过程继续进行；v 由于燃烧的作用燃烧室中HC的浓度几乎降到零时，油膜中的HC开始向已燃气进行解吸过程，一直继续到膨胀和排气过程；v 解吸的燃油蒸汽若遇到高温的燃烧产物则被氧化，若遇到温度较低的燃气则不能被氧化而成为HC排放源；v 冷起动观测到较多的未燃HC排放量的原因：润滑油温度降低使燃油在其中的溶解度上升，提高了润滑油在HC排放中的分担率v 适当设计活塞环以降低润滑油消耗，有助于降低HC排放量；v 这种机理产生的未燃HC排放，占总量的25左右。5. 燃烧室中

11、沉积物的影响：v 沉积物的定义：发动机运行一段时间后，会在燃烧室壁面、活塞顶、进排气门上形成沉积物（燃烧含金属添加剂的汽油形成的金属氧化物或混合气过浓形成的含碳沉积物）；发动机活塞积碳 清洗后的活塞 1. 燃烧室积碳形成局部热点而导致爆震，损失动力；2. 气门积碳导致关闭不严，损失气缸压力，使燃油不能充分燃烧；3. 对于电喷发动机来讲，除喷油嘴积碳造成雾化不良外，影响更多的是各种传感器。电喷发动机依赖电脑精确控制空燃比和点火时间，使发动机工作在最佳状态，而电脑的精确控制则依赖感测发动机各种状态的传感器的工作质量。(使控制紊乱，各部分配合失调，导致整体性能下降，动力降低，油耗增加，严重时损坏发动

12、机)。积碳和沉积物对燃料及燃烧系统的危害：v 沉积物的作用机理1：可能与润滑油膜对可燃混合气的HC起的吸附和解吸作用类似；v 沉积物的作用机理2：沉积物具有多孔结构和固液多相性质，在缝隙中若有沉积物可减少可燃混合气的挤入量，降低HC排放；但是同时减小了缝隙的尺寸促进了淬熄，又可能会增加HC的排放量；v 研究表明，这种机理产生的未燃HC排放，占HC总排放量的10左右。 柴油机在接近压缩终了时才喷射燃油，燃油空气混合物分布不均匀，柴油机的燃料以高压喷入燃烧室后，直接在缸内形成可燃混合气并很快燃烧，燃料在气缸内停留的时间较短，因此，缝隙容积内和气缸壁附近多为新鲜空气。换言之，缝隙容积和激冷层对柴油机

13、未燃碳氢排放的影响相对汽油机来说小得多。这是柴油机未燃碳氢排放浓度一般比汽油机低得多的主要原因。 燃料在空气中不能燃烧或不能完全燃烧，主要是因为：温度或压力过低；混合气浓度过浓或过稀；超出了富燃极限或稀燃极限。这些原因包括局部温度和瞬时温度过低；局部浓度和瞬时浓度过浓和过稀等，所有这些原因都是HC的成因。 2.3 氮氧化物的生成机理 在内燃机排放的氮氧化物 中占压倒多数的是NO。NO的主要来源是供给发动机用作助燃剂的空气中的N2。 燃烧过程中NO的生成有三种方式，根据产生机理的不同分别称为:1.热力型（Thermal）NO，也称热NO或高温NO2.激发（Prompt）NO3.燃料（Fuel）N

14、O高温NO的产生：可以认为，氮的氧化反应发生在燃料燃烧反应所形成的环境中，其主导反应过程是：O2 2OO N2 NO NN O2 NO ON OH NO H（1）高温。一般认为当燃烧温度高于2600K时就会开始大量生成NOx。特别是有氧存在时的温度是重要的。 （2）富氧。 NOx的生成离不开高浓度的氧环境。在氧气不足的情况下，即使温度高，NO也被抑制了。 （3）缸内滞留时间。即已燃气体在缸内的停留时间越长NOx的生成越多，反之则越少。因为NO生成反应速度比燃烧反应慢，所以即使在高温下，如果停留时间短的话，NO的生成量也可以被抑制。 高温NO的生成主要有三个条件：0100200300400500

15、6007008001600165017001750180018501900温度( 摄氏 度)NO浓度( p pm)系列1NO的平衡摩尔分数xNOe与过量空气系数a的关系a 1的稀混合气区，xNOe随温度的升高而迅速增大。a 0.9时，NOx生成量增加；当过量空气系数0.6时，则烟粒生成量增加。这就是柴油机排气中，碳烟和NOx排放规律不同，而又互相矛盾的变化趋势（剪刀差）的原因。 在碳烟DS的整个生成过程中,从核的萌发到成长、集聚这一系列生成过程，都伴随着碳烟的氧化。因此，排气管排出的碳烟浓度是碳烟生成和氧化相竞争的结果。但烟粒的氧化要求的最低温度为700800，故只能在燃烧过程和膨胀过程进行。

16、3.烟粒的氧化：组成有机可溶成份（SOF）的重质有机化合物向烟粒聚集物的凝结与吸附。 柴油机PM生成过程的最后阶段，是组成SOF的重质有机化合物在燃气从发动机排出并被空气稀释时，通过吸附和凝结使DS表面覆盖SOF 。若柴油机排气中未燃HC含量高，则冷凝作用就强烈。当然最容易凝结的是未燃燃油中的重馏分、已经热解但未在燃烧过程中消耗的不完全燃烧有机物以及窜入燃烧室中的润滑油。 2.5.1 影响汽油机排放污染物生成的因素 汽油机的设计和运行参数、燃料的制备、分配及成分等因素都与排气中污染物的排出量有很大的关系. a 1时，温度起着决定性作用，NOX生成量随温度升高而迅速增大。最高温度通常出现在a 1

17、.1，且有适量的氧浓度，故NOX排放浓度出现峰值。a进一步增大，温度下降的作用占优势，NO生成量减少。2. 点火提前角 点火提前角对汽油机 HC 和 NOx排放的影响如图2-12所示。空燃比一定时，随点火角的推迟， NOx 和 HC 同时减低，燃油消耗却明显变化。 增大点火提前角使较大部分燃料在压缩上止点前燃烧，增大了最高燃烧压力值，从而导致较高的燃烧温度，并使已燃气在高温下停留的时间较长，这两个因素都将导致NO排放量增大。 图2-13表示了怠速转速与排气中CO、HC浓度的关系。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

18、中CO浓度。 2.5.2 影响柴油机排放污染物生成的因素 柴油机柴油机总是在总是在 a a11（1.531.53之间）下工作，之间）下工作，COCO排放量比较低，只有在负排放量比较低，只有在负荷很大接近冒烟界限时（荷很大接近冒烟界限时（1.21.31.21.3）才急剧增加。）才急剧增加。柴油机油气混合不均匀，燃烧室中局部缺氧，柴油机油气混合不均匀，燃烧室中局部缺氧，温度低，反应物在燃烧区停留时间较少，容易温度低，反应物在燃烧区停留时间较少，容易发生不完全燃烧生成发生不完全燃烧生成CO，造成，造成 a很大很大（负荷很（负荷很小时）小时）CO排放反而上升。排放反而上升。2a5 . 1a6 . 0a

19、2a 适当增加燃烧室内空气涡流的强度，可使油滴蒸发加快，空气卷入量增多，可改善燃油与空气的混合，提高混合气的均匀性，改善混合气品质，以减少炭烟排放量。另外，涡流能加速燃烧，使气缸内最高燃烧压力和温度提高，这些有利于未燃烃的氧化，提高燃油经济性，降低CO排放。但空气涡流过强，则相邻喷注之间形成互相重叠和干扰，使混合气过浓或过稀的现象更加严重，反而使HC排放增加。另外，随着缸内空气涡流的加速，燃烧的加快，NOx排放也可能增加。 进气涡流 图2-21 柴油机不同负荷下的NOx排放和对应的空燃比负荷的影响：高速小负荷时，微粒排放量较高；且随负荷的增加，微粒排放量减小 低速大负荷时，微粒排放量又由于空燃

20、比的减少而有所升高。转速和负荷对柴油机微粒的影响 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，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。 转速的影响： 在大负荷时，转速的升高有利于气流运动的加强，使燃烧速度加快，对炭烟微粒在高温条件下与空气混合氧化起了促进作用，故以炭烟为主的微粒排放量随转速的升高而减小。如仅考虑炭烟排放，对车速适应性好的柴油机而言，其峰值浓度往往出现在低速大负荷区。 喷油规律图2-27 传统柴油机的传统放热规律(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

21、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，微粒排放量越少；燃料的影响：柴油机的排烟浓度随十六烷值的提高而增大。汽油机CO排放量xCO与空燃比及过量空气系数a的关系 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。2.2 碳氢化合物的生成机理 v汽油机未燃HC的生成与排放有三个渠道： 1) HC的排气排放物：在燃烧过程中生成并随排气排出。组织气缸扫气时，部分混合气直接进入排气。 2) 曲轴箱排放物：通过活塞与气缸之间的各间隙漏入曲

22、轴箱的窜气，如果排入大气也构成HC排放物。 3)蒸发排放物：从汽油箱等处蒸发的汽油蒸气，如果排入大气同样构成HC排放物。v 柴油机排出的未燃HC全由燃烧过程产生。名称名称定义定义适用范围适用范围总碳氢化合物（总碳氢化合物（THC）所有碳氢化合物所有碳氢化合物成分的总量成分的总量中国、日本和欧洲等大多数国中国、日本和欧洲等大多数国家家无甲烷碳氢化合物（无甲烷碳氢化合物（NMHC）除去甲烷的碳氢除去甲烷的碳氢化合物成分化合物成分美国联邦及其它适应国美国联邦及其它适应国无甲烷有机气体（无甲烷有机气体（NMOG）无甲烷碳氢化合无甲烷碳氢化合物加羰酰类物加羰酰类美国加州美国加州LEV法规法规4.润滑油膜的吸附和解吸v 在进气过程，在气缸壁面和活塞顶面上覆盖的润滑油膜会溶解和吸收进入气缸的可燃混合气中的碳氢化合物蒸气，直至达到其环境压力下的饱和状