第十一章 车辆排放污染物的生成机理和影响因素

车辆节能与排放讲授内容：第十一章排放污染物的生成机理和影响因素主讲人：邓晓亭

讲师Email：xiaotingdeng@电话十一章排放污染物的生成机理和影响因素第一节排放标准的评价指标第二节一氧化碳CO第三节碳氢化合物第四节氮氧化物第五节微粒第一节排放标准的评价指标1、排放污染物计量单位

（1）气态排放物的浓度单位。排放物的浓度：在一定的排气容积中，排放污染物所占容积（或质量）的比例，称为排放物的浓度。气态排放物的浓度常用PPm（10-6）和百分数（％）表示，在高浓度时用（％），而在低浓度时用PPm。在标准状态（压力为0.1MPa、温度为20℃）下，1PPm＝0.0001％＝10-6。

（2）微粒排放物的浓度单位。微粒浓度一般以mg/m3、mg/L、μg/m3、mg/kW·h、mg/km、g/kg、mg/kg等为单位来表示。1、排放污染物计量单位（3）排放烟度计量单位。排放烟度：一般采用波许烟度单位（BSU或RB）或哈特里奇烟度单位（HSU）来计量。

（4）排放物的质量单位。排放量计量单位常用g/km、g/h、g/次等来表示，其中“次”是按某一规定的试验程序进行的一次试验。这些单位常用来对汽车发动机运行时的排放性能进行监测。比排放量计量单位用g/kW·h表示，通常用来对重型车用发动机和工程机械用柴油机的排放进行计量。第一节排放标准的评价指标第一节排放标准的评价指标2、排放指标汽车发动机排放性能常用下列指标进行评定。（1）排放物浓度C：规定的排放污染物的限制浓度，称为排放物的允许浓度。各国对作业场所大气中排放污染物的允许浓度都作了规定。（2）浓度指数K：

排气中有害排放物浓度C与该成分允许浓度的比值，称为浓度指数（或稀释倍数）K。2、排放指标（3）质量排放量G：单位时间内排放出的污染物的质量，即质量排放量G来衡量（常用单位g/h）。按某排放标准规定的办法进行一次测试的排放量，称为循环工况排放质量或工况质量排放量（常用单位g/test）.安装内燃机的车辆按规定的工况组合（称为测试循环）行驶后折算到单位里程的排放量，可称为行程质量排放量（常用单位g/km）.式中：C——排气中排放物的浓度，g/m3Qr——内燃机排出的废气流量，m3/h第一节排放标准的评价指标2、排放指标（4）比排放量g：发动机发出1kW·h功排出的污染物的质量称为比排放量，单位（g/kWh）。比排放量，可以客观地评价不同种类、不同大小内燃机的排放性能。（5）排放指数gT：燃烧1kg燃料所排放出的污染物的质量称为该污染物的排放指数。理论上是无量纲量，实践中为了便于数据处理，用g/kg的单位。式中：B——每小时燃料消耗量，kg/h。排放指标gT是从排放方面评价燃烧过程完善程度的指标。

第一节排放标准的评价指标上述排放指标各自的适应范围。在按最少的有害排放物排放条件选择发动机时，可采用比排放量；在评定废气净化措施的效果时，可采用有害排放物浓度或质量排放量。第一节排放标准的评价指标第一节排放标准的评价指标3、排放法规

我国重型柴油车排放标准法规开始实施年份测试循环CO值（g/kW·h）HC值（g/kW·h）NOX值（g/kW·h）PM值（g/kW·h）烟度值(m-1)国Ⅰ2000年ECER40.36/0.61①－国Ⅱ2003年ECER494.01.17.00.15/0.25②－国Ⅲ2007年ESC/ELR2.10.665.00.10/0.13②0.8ETC5.452.385.00.16/0.21②－国Ⅳ2010年ESC/ELR1.50.463.50.020.5ETC4.01.653.50.03－国Ⅴ2012年ESC/ELR1.50.462.00.020.5ETC4.01.652.00.03－EEV－ESC/ELR0.020.15ETC3.01.052.00.02－日益严格我国轻型车排放标准第一节排放标准的评价指标2010年我国汽车主要污染物排放情况污染物名称排放量（万吨）CO4018.8HC482.2NOX583.3PM59.0总计5143.3比例第一节排放标准的评价指标第二节一氧化碳CO一、化学反应机理（生成机理）CO是碳氢燃料在燃烧过程中生成的重要中间产物。一般认为，生成步骤如下（R代表烃基）：RCO通过热分解生成CO或如下方式：最终生成情况视氧气浓度而定CO继续氧化成CO2：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。一、化学反应机理（控制因素）

第二节一氧化碳CO燃料的氧化速率取决于：1、可用的氧浓度2、反应气的温度3、化学反应占有的时间（决定于发动机的转速）第二节一氧化碳CO一、化学反应机理（控制因素）

汽油机CO的生成机理控制CO排放量的主要考虑因素是可燃混合气的过量空气系数。Φa<1时，因缺氧引起不完全燃烧，CO的排放量随Φa的减小而增加。Φa>1时，CO的排放量都很小。Φa=1.0～1.1时，CO的排放量变化较复杂。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a＜1，CO排放量增加。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。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。不同工况的CO排放：第二节一氧化碳CO汽油机CO的生成机理Φa=1.5～3，CO排放量要比汽油机低得多。Φa=1.2～1.3（冒烟界限），CO的排放量才大量增加。第二节一氧化碳CO柴油机CO的生成机理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Φa很大，CO排放量反而上升。第二节一氧化碳CO二、影响CO生成的因素

1、负荷的影响CO浓度随发动机负荷的增加先降低后增加。有一个最佳负荷区高负荷CO浓度增加原因：局部缺氧加剧，不能充分燃烧。低负荷CO浓度增加原因：温度越低，混合气随负荷的降低而变稀。第二节一氧化碳CO二、影响CO生成的因素

2、进气温度的影响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。第二节一氧化碳CO二、影响CO生成的因素

3、大气压力的影响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，则空燃比下降，CO排放量将增大。第二节一氧化碳CO二、影响CO生成的因素

4、怠速转速的影响怠速转速为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。第二节一氧化碳CO二、影响CO生成的因素

5、喷油提前角的影响随着θ的缩小(即延迟喷油)，CO浓度增加。θ缩小后，滞燃期也缩短，滞燃期内的喷油量减少，而着火后的喷油量增多。使参加预混合燃烧的燃料量减少，而参加扩散燃烧的燃油量增加。转速越高，这种升高的曲线陡度越大，即对θ缩小的敏感度越大。转速越高，用于混合气形成和燃烧以及CO转变为CO2的反应时间越短。第二节一氧化碳CO二、影响CO生成的因素

6、涡流比的影响燃烧室内增加涡流比，能使CO浓度降低。燃烧室内的涡流比增加后，气流运动促进了混合气的形成，提高了混合气的均匀性，减少了燃烧的异相性。燃烧室内局部地区混合气过浓或过稀的现象减少。涡流能加速燃烧，使缸内的最高燃烧压力和温度提高。这些都有利于CO浓度的降低。第二节一氧化碳CO二、影响CO生成的因素

7、气缸直径的影响在中小功率高速非增压柴油机中，气缸直径D越小，则其CO排放浓度越大。D的减小使面容比增加，燃烧室冷却面积相应加大，混合气和燃烧着的火焰淬冷的几率增加。沿燃烧室壁的低温区增加。缸径的缩小，发动机设计转速有所增加，使混合气形成时间和燃烧时间以及用于CO转化成CO2的反应时间均缩短。第二节一氧化碳CO二、影响CO生成的因素

8、燃油品质的影响燃油的芳烃含率越高，十六烷值越低，则CO排放浓度越高，且在相当大的负荷范围和喷油提前角范围内都很高。原因：十六烷值越低，滞燃期越长，喷油提前角一定时，着火越晚。芳烃率高，含碳量高，着火和燃烧较难，燃烧持续期拖长，使得CO浓度增加。一、未燃碳氢化合物的排放渠道：

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、化油器等处蒸发的汽油蒸气，如果排入大气同样构成HC排放物。柴油机排出的未燃HC全由燃烧过程产生。第三节碳氢化合物二、汽油机生成未燃CH的机理汽油机排气污染物与a的关系理论上，油气的均匀混合气在a

等于1或大于1的条件下不应产生未燃HC。实际发动机中，无论a多大，未燃HC都有相当的数值（a＝1.1－1.2时最小），并随a的减小迅速增加。当混合气过稀（a大于1.2时），由于燃烧恶化，甚至有些循环缺火会使HC排放急剧增加.第三节碳氢化合物1、壁面火焰淬熄冷激效应的定义：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。壁面对火焰的迅速冷却称为冷激效应。淬熄层的定义：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，在表面留下一薄层未燃烧或不完全燃烧的可燃混合气，称为淬熄层。发动机正常运转时，淬熄层厚度为0.05-0.4mm，未燃HC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化，极少一部分成为未燃HC排放。冷起动、暖机和怠速工况时，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化作用减弱，HC排放增加（在此类工况下，壁面火焰淬熄是造成未燃HC的重要来源）。第三节碳氢化合物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％。气缸盖垫结合面处火花塞螺栓处和中心电极绝缘子根部周围狭窄空间。进排气门头部周围燃烧室中存在的狭窄缝隙：2、狭隙效应第三节碳氢化合物当缸内压力升高（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；当火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；2、狭隙效应第三节碳氢化合物当压力降低（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15－20°CA），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。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50％－70％。2、狭隙效应第三节碳氢化合物进气过程，气缸壁面和活塞顶面上覆盖的润滑油膜被碳氢化合物蒸气（来自环境压力的燃油）饱和；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；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；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；冷起动较多的未燃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。适当设计活塞环以降低润滑油消耗，有助于降低HC排放量；这种机理产生的未燃HC排放，占总量的25％左右。3、润滑油膜的吸附和解吸第三节碳氢化合物沉积物的定义：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4、燃烧室中沉积物的影响第三节碳氢化合物一、燃烧室积碳形成局部热点而导致爆震，损失动力；二、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；三、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。(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，严重时损坏发动机)。积碳和沉积物对燃料及燃烧系统的危害：4、燃烧室中沉积物的影响第三节碳氢化合物沉积物的作用机理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；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。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。4、燃烧室中沉积物的影响第三节碳氢化合物体积淬熄：发动机在某些工况下，火焰前锋面到达燃烧室壁面之前，由于燃烧室中压力和温度下降太快，可能使火焰熄灭，称为体积淬熄。在冷起动和暖机工况下，因发动机温度较低致使燃油雾化、蒸发和混合气形成变差,导致燃烧变慢或不稳定，火焰易熄灭；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。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。汽油机点火系统的工作可靠性对HC排放是至关重要的。

5、体积淬熄第三节碳氢化合物碳氢化合物的后期氧化：在燃烧过程中，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。错过燃烧过程（主燃期）的HC，会重新扩散到高温已燃气体中被氧化，或部分被氧化。所以排放的HC是未燃的燃油及其部分氧化产物的混合物，前者大约要占总量的40％左右。HC也在排气管路中被氧化，占离开气缸HC的百分之几到40％。6、碳氢化合物的后期氧化第三节碳氢化合物HC排放降低得最多的工况：发动机产生最高排气温度（a＝1的混合气，高转速，迟点火，大负荷等）和最长停留时间（低转速）的运转工况。促进HC后期氧化的途径：1）推迟点火提高排气时已燃气的温度；2）降低排气歧管处的热损失。6、碳氢化合物的后期氧化第三节碳氢化合物柴油机是喷油压燃，燃油停留在燃烧室中的时间比汽油机短得多，冷激效应、狭隙效应、润滑油膜的吸附和解吸、沉积物吸附作用时间很短，因此所起的作用很小，导致HC排放较低。混合气太稀或太浓，不能自燃或火焰不能传播造成HC排放。

1）滞燃期内，可能因为油气混合太快使混合气过稀。2）在喷油后期的高温燃气中，可能因为油气混合不充分使混合气过浓，或者由于燃烧淬熄产生不完全燃烧产物随排气排出，但这时较重的HC多被碳烟微粒吸附。柴油机未燃HC的排放主要来自柴油喷注的外缘混合过度造成的过稀混合气地区。三、柴油机生成未燃CH的机理第三节碳氢化合物1、过稀混合气的排放着火发生在a略大于1的地区（在涡流的作用下）；靠近喷注外缘的混合气已经超过了可燃稀限，只能是缓慢氧化反应的部位，且氧化不能完全。在这个地区出现的是未燃烧的燃油及其分解产物和部分氧化产物，一部分最后汇入排气中。源自这些过稀区的未燃HC的数量，取决于在滞燃期间喷入的燃油量、在此期间燃油与空气的混合速率以及燃饶室中占主导的自燃条件。三、柴油机生成未燃CH的机理第三节碳氢化合物2、过浓混合气的排放原因一：喷油期结束时，喷油嘴的压力室容积内充满柴油，在燃烧后期和膨胀初期被加热部分汽化，以液态或气态低速穿过喷嘴孔进入气缸，缓慢与空气混合，错过了主要燃烧期。根据有关试验结果，残留油腔容积中的柴油约有1/5以未燃HC的形式排出（较重的HC留在喷嘴中，有些燃油发生氧化反应）。原因二：喷入燃烧室的燃油过多。三、柴油机生成未燃CH的机理第三节碳氢化合物火焰在壁面上淬熄是柴油机HC排放的一个来源，它取决于柴油喷注与燃烧室壁面的碰撞情况。对于小型高速柴油机，燃烧室尺寸小，而喷油嘴的喷孔又不能太小（影响喷油量），燃油喷注碰壁一般不可避免。但在匹配良好的情况下引起的HC排放不很严重。采用油膜蒸发混合的柴油机，在很多工况HC排放很大（仅在特定工况性能较好），基本被淘汰。柴油机在冷起动时会发生缺火，大量未燃HC以微粒状排出，排气冒“白烟”。三、柴油机生成未燃CH的机理第三节碳氢化合物3、火焰淬熄和缺火四、影响碳氢化合物生成的因素混合气质量的影响混合气的均匀性越差则HC排放越多。运行条件的影响汽油机运行条件的影响第三节碳氢化合物运行条件的影响汽油机运行条件的影响负荷增加时，HC排放量绝对值将随废气流量变大而几乎呈线性增加。负荷的影响转速较高时，气缸内混合气的扰流混合、涡流扩散及排气扰流、混合程度的增大改善了气缸内的燃烧过程，HC排放浓度明显下降。转速的影响点火提前角减小可使HC排放下降。点火时刻的影响壁面温度升高，HC排放浓度相应降低。提高冷却介质温度有利于减弱壁面激冷效应，降低HC排放。壁温的影响燃烧室面容比大，单位容积的激冷面积也随之增大，未燃烃总量必然也增大。降低燃烧室面容比是降低汽油机HC排放的一项重要措施。燃烧室面容比的影响负荷的影响转速的影响点火时刻的影响壁温的影响燃烧室面容比的影响四、影响碳氢化合物生成的因素第三节碳氢化合物混合气质量的影响汽油机运行条件的影响柴油机运行条件的影响运行条件的影响四、影响碳氢化合物生成的因素第三节碳氢化合物运行条件的影响柴油机运行条件的影响喷油时刻的影响喷油嘴喷孔面积的影响冷却水进水温度的影响进气密度的影响负荷的影响转速的影响喷嘴压力室容积的影响四、影响碳氢化合物生成的因素第三节碳氢化合物冷却水温相对降低，将导致气缸内温度降低，HC排放量会相对增加。进入柴油机的空气密度降低，使缸内空气量减少，燃烧不完善，HC排放量一般会增加。一、氮氧化物的生成机理靠大气中氮生成NO的化学机理是扩展的Zeldovitch机理，也称为“热NO”。在a＝1附近，有关NO主要反应（生成和消失）为最后一个反应主要发生在非常浓的混合气中。1、NO的生成机理：第四节氮氧化物发动机排出的NOx主要是NO和NO2。大部分是NO，NO的主要来源是参与燃烧的空气中的氮(N2)。Φa>1的稀混合气区，xNOe随温度的升高而迅速增大。Φa<1，xNOe随Φa的减小而急剧下降。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。第四节氮氧化物反应温度越低，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。温度越高，氧浓度越高，反应时间越长，NO的生成量越多。NO生成量的控制方法：降低最高燃烧温度。第四节氮氧化物最初燃烧部分（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。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%。NO＋

HO2→NO2

＋

OHNO2＋O→NO＋O2二、二氧化氮的生成机理第四节氮氧化物只有在NO2生成后，火焰被冷的空气所激冷，NO2才能保存下来。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的再转化而使NO2的浓度增大。

NO2也会在低速下在排气管中生成，因为此时排气在有氧条件下停留较长时间。影响汽油机NOX生成的因素过量空气系数和燃烧室温度的影响Φa<1时，由于缺氧即使燃烧室内温度很高NOX的生成量仍会随着的降低而降低，此时氧浓度起着决定性作用。Φa>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Φa≈1.1，且有适量的氧浓度，故NOX排放浓度出现峰值。Φa进一步增大，温度下降的作用占优势，NO生成量减少。残余废气分数的影响废气分数增大，减小了可燃气的发热量，增大了混合气的比热容，使最高燃烧温度下降，NO排放降低。点火时刻的影响点火提前角的减小，NO排放量不断下降。第四节氮氧化物三、影响氮氧化物生成的因素喷油提前角减小，燃烧推迟，燃烧温度较低，生成的NOX较少。影响柴油机NOX生成的因素喷油定时的影响放热规律的影响负荷与转速的影响传统模式低排放放热模式NOX排放随负荷增大而显著增加。转速对NOX排放的影响比负荷的影响小。第四节氮氧化物三、影响氮氧化物生成的因素第五节微粒微粒（颗粒）是在取样状态下排气中除水分以外的所有分散(固、液态)物质的总称。颗粒包括排气中一切有边界的物质，而不管其性质、组成、大小和形状。颗粒包括下列物质：①固态的碳基颗粒。②液态的碳氢颗粒，氧化中间产物一一酮、醛、酯，酚、有机酸、未燃碳氢以及经重排或再化合的分子量较大的碳氢。它们大部分吸附在固态碳基颗粒上，一部分独立存在。③无机物，如SOx、NO2，H2SO4，硫酸盐和各种痕量金属等。它们主要附聚在碳基颗粒表面。第五节微粒冷启动时，在排气管内会凝聚产生以未燃燃料及机油为主的液相颗粒。液体颗粒直径较大时，表现为白烟，而直径较小时，表现为蓝烟。白烟和蓝烟主要成分是未燃碳氢(含燃油和润滑油)，水蒸气以及不完全燃烧中间产物(如含氧碳氢)。除水外，都属于颗粒范畴。一、微粒的生成机理第五节微粒1、汽油机微粒的生成机理由于贵金属三效催化剂的使用，目前含铅汽油已经被淘汰，含铅微粒已经不再排放。汽油含硫量一般都很低，如果用无铅汽油，点燃式内燃机基本上不排放微粒。除非可燃混合气非常浓，正常情况下点燃式内燃机没有碳烟排放(均质燃烧)。若发动机发生技术状况问题，导致润滑油消耗较多时排气会冒蓝烟（未燃烧润滑油微粒构成的气溶胶）。白烟是高沸点的未燃烃和水蒸气混合而成的液态颗粒，主要是在冷启动时产生。第五节微粒1、汽油机微粒的生成机理2、柴油机微粒的生成机理

1）排气微粒的组成与特征柴油机排气微粒由很多原生微球的聚集体而成，总体结构为团絮状或链状。这些微球体是燃烧产生的碳粒直径在15－40nm。微粒的表观密度在0.25－1.0kg/L，说明其结构很疏松。第五节微粒排气温度超过500℃时，碳质微球的聚集体，称为碳烟，也称为烟粒（DS）；排气温度低于500℃时，烟粒会吸附和凝聚多种有机物，称为有机可溶成份（SOF）。如果沿柴油机的排气管道测试取样，可发现微粒粒度不断增大，且由于排气中的有机化合物不断吸附冷凝在微粒上，使排气中SOF含量增加。第五节微粒1）排气微粒的组成与特征第五节微粒白烟微粒：直径在1.3μm左右，通常在冷起动和怠速工况时发生，改善起动性能后则减少，暖机后则消失。蓝烟微粒：直径较小，在0.4μm左右，通常在柴油机未完全预热或低温、小负荷时发生，在发动机正常运转后消失。黑烟（碳烟）：通常在大负荷时发生，具有较低的H/C值，烟中含有比重大、颗粒细微的碳粒子，其最小单元为片晶。片晶按一定方向随机排列聚结成碳晶粒子，其粒径大多在（50～500）×10-4μm之间。在柴油机排气中碳晶粒子以球状凝结物形式出现，其直径由单粒的大约0.01μm到聚合物的10～30μm。1）排气微粒的组成与特征第五节微粒1）排气微粒的组成与特征第五节微粒SOF成分：各种未燃碳氢化合物、含氧有机物（醛类、酮类、酯类、醚类、有机酸类等）和多环芳烃（PAH）及其含氧和含氮衍生物等。微粒的凝聚物中还包括少量无机物如SO2、NO2和硫酸等，还有少量来自燃油和来自润滑油的钙、铁、硅、铬、锌、磷等元素的化合物。排气微粒通常用溶液萃取等分析方法分成DS和SOF两部分。SOF占PT质量的15%～30%。发动机负荷越小，SOF所占比例越大，这与温度的影响一致。由放射性示踪研究表明，碳烟中基本不含润滑油成分，后者全部进入SOF，在不同机型和不同工况下占SOF质量的15%～80%。燃油产生的物质有80%进入DS，20%进入SOF。1）排气微粒的组成与特征第五节微粒1）排气微粒的组成与特征碳烟生成的条件是高温和缺氧。燃油中烃分子在高温缺氧的条件下发生部分氧化和热裂解，生成各种不饱和烃类，如乙烯、乙炔及其较高的同系物和多环芳香烃。它们不断脱氢、聚合成以碳为主的直径2nm左右的碳烟核心。气相的烃和其他物质在这个碳烟核心表面的凝聚，以及碳烟核心互相碰撞发生凝聚，使碳烟核心增大，成为直径20~30nm的碳烟基元。最后，碳烟基元经过聚集作用堆积成直径1um以下的球团状或链状的聚集物。2）烟粒的生成机理第五节微粒2）烟粒的生成机理（1）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；（1）表面生长——烟粒表面粘住来自气相的物质使其质量增大，同时还发生脱氢反应，但不会改变烟粒数量。烟粒生成阶段：烟粒长大阶段：（2）在低于1500K的低温区，通过聚合和冷凝生成碳烟微粒。（2）聚集——通过碰撞使烟粒长大，烟粒数量减少，生成链状或团絮状的聚集物。第五节微粒烟粒排放取决于烟粒生成反应与氧化反应之间的平衡。第五节微粒生成烟粒的总量反应式式中：c、h、o分别表示C、H、O的原子数；当c>o，即c/o>1时，碳烟Cs>0，此时开始生成烟粒。组成柴油的各种烃类生成烟粒的条件基本都在此范围内。碳烟生成数量随a降低而增加。且在极浓的混合气中生成，在1600~1700K温度之间达到最大值。压力对碳烟生成条件影响很小，但碳烟生成数量随压力提高而增加。第五节微粒a<0.5，燃烧以后必定产生碳烟。要同时碳烟和NOx，a应在0.6~0.9之间a大于0.9时，NOx

，a小于0.6时，碳烟第五节微粒在预混合燃烧中，由于燃油在空气中分布不均匀，既生成烟粒，也生成NOX，只有很少部分燃油形成a

=0.6～0.9的混合气。所以，为降低柴油机排放，应缩短滞燃期和控制滞燃期内喷油量，使尽可能多的混合气的控制在a

0.6～0.9之间。第五节微粒喷入a小于4的混合气区的燃油都会生成烟粒（温度低于烟粒生成温度的过浓混合气中，会生成不完全燃烧的液态HC）。在扩散燃烧阶段，为减少生成的烟粒，应避免燃油与高温缺氧的燃气混合。强烈的气流运动和细微的燃油雾化，都有助于燃油与空气的混合均匀性、增大燃烧区的实际过量空气系数。喷油结束后，燃气与空气进一步混合，其状态变化趋势如图上虚线箭头所示。燃烧过程(主要是扩散燃烧期)中生成的碳烟是可燃的。其中很大一部分在燃烧的后续过程中会被烧掉(氧化)。研究发现，碳烟的生成主要是在燃烧的初期和中期，而碳烟的氧化主要是在燃烧的中期和后期，温度至少在700-800℃。第五节微粒3）烟粒的氧化碳烟浓度先是上升到一最大值，然后浓度下降，表明碳烟的氧化反应加快，碳烟浓度急剧降低。柴油机排出缸外的碳烟生成速率是碳烟生成速率与氧化速率之差。碳烟的氧化过程会一直延续到排气管进行。第五节微粒3）烟粒的氧化碳烟的氧化速率主要和温度有密切关系，同时还和剩余氧，以及在高温下的逗留时间有关。第五节微粒4）SOF的吸附与凝结定义：组成SOF的重质有机化合物向烟粒聚集物的吸附和凝结。发生的时间：柴油机排气微粒生成过程的最后阶段。发生的地点：主要发生在气缸内的燃气从发动机排出并被空气稀释之时。影响因素：稀释过程的稀释比，通过稀释过程的吸附和凝结使烟粒覆盖SOF。第五节微粒4）SOF的吸附与凝结吸附：未燃的碳氢化合物或未完全燃烧的有机物分子，通过化学键力或物理(范德华)力粘附到碳烟粒子表面上。决定因素：取决于烟粒具有的可吸附气相物质的总表面以及驱动吸附过程的吸附质的分压力。凝结：凝结发生在烟粒周围的气体有机物的蒸气压力超过饱和蒸气压时。成分来源