发动机排放污染物的生成机理

发动机排放污染物的生成机理主要内容：介绍了汽车尾气中的主要污染物CO、HC、NOX和微粒的生成机理。1、一氧化碳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，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：22nmH2nmCOO2mHC(2-1)燃气中的氧足够时有O2HO2H222(2-2)222COO2CO(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a。图2-1所示为11种H/C比值不同的燃料在汽油机中燃烧后，排气中CO的摩尔分数xCO与或a的关系。空燃比过量空气系数aa）b)图2-1汽油机CO排放量xCO与空燃比及过量空气系数a的关系由图2-1可以看出，在浓混合气中（a1），CO的排放量随a的减小而增加，这是因缺氧引起不完全燃烧所致。在稀混合气中（a1），CO的排放量都很小，只有在a=1.0～1.1时，CO的排放量才随a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。在柴油机的大部分运转工况下，其过量空气系数a都在1.5～3之间，故其CO排放量要比汽油机低得多，只有在大负荷接近冒烟界限（a=1.2～1.3）时，CO的排放量才大量增加。由于柴油机燃料与空气混合不均匀，其燃烧空间总有局部缺氧和低温的地方，以及反应物在燃烧区停留时间较短，不足以彻底完成燃烧过程而生成CO排放，这就可以解释图2-2在小负荷时尽管a很大，CO排放量反而上升。类似的情况也发生在柴油机起动后的暖机阶段和怠速工况中。过量空气系数a图2-2典型的车用直喷式柴油机排放污染物量与过量空气系数a的关系2、碳氢化合物车用柴油机中的未燃HC都是在缸内的燃烧过程中产生并随排气排放。汽油发动机中未燃HC的生成与排放主要有以下三种途径。（1）在气缸内的燃烧过程中产生并随废气排出，此部分HC主要是燃烧过程中未燃烧或燃烧不完全的碳氢燃料。（2）从燃烧室通过活塞组与气缸之间的间隙漏入曲轴箱的窜气中含有大量未燃燃料，如果排入大气中也构成HC排放物。（3）从汽油机的燃油系统蒸发的燃油蒸汽。2.1碳氢化合物的生成机理1.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。车用汽油机排气中的未燃碳氢化合物成份表2-1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0.05～0.4mm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2-7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15ºCA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%。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3327832装有催化装置5715216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，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950ºC。若此时气缸内有氧可供后期氧化（例如当过量空气系数a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：①管内有足够的氧气；②排气温度高于600°C；③停留时间大于50ms。2.车用柴油机未燃HC的生成机理汽油机未燃HC的生成机理也适用于柴油机，但由于两者的燃烧方式和所用燃料的不同，故柴油机的碳氢排放物有其自身的特点，柴油中的碳氢化合物比汽油中的碳氢化合物沸点要高、分子量大，柴油机的燃烧方式使油束中燃油的热解作用难以避免，故柴油机排气中未燃或部分氧化的HC成份比汽油机的复杂。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，生成HC的相对时间也短，故其HC排放量比汽油机少。3氮氧化物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（a=1）附近导致生成NO和使其消失的主要反应式为：O2→2O（2-6）O＋N2→NO＋O（2-7）N＋O2→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。图2-8表示正辛烷与空气的均匀混合气在4MPa压力下等压燃烧时，计算得到的燃烧生成的NO平衡摩尔分数NOex与温度T及过量空气系数a的关系。从图2-8中可以看出：在a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a1以后，由于氧不足，NOe随a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。图2-8中的虚线表示对应绝热火焰温度下的NO平衡摩尔分数。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（a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（a稍大于1）中。若混合气过稀，火焰温度大大下降，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2-9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。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，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