第2章内燃机排放污染物的生成机理和影响因素

汽车排放与控制技术太原理工大学车辆工程系1太原理工大学机械工程学院车辆工程系第2章内燃机排放污染物的生成机理和影响因素2.1一氧化碳的生成机理2.2碳氢化合物的生成机理2.3氮氧化物的生成机理2.4微粒的生成机理2.5影响排放污染物生成的因素汽车排放与控制技术太原理工大学车辆工程系2太原理工大学机械工程学院车辆工程系2.1一氧化碳的生成机理2222mnmnCHOmCOH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。形成原因汽油机—主要是由可燃混合气过浓造成的。柴油机—主要是由燃烧室内部缺氧或温度过低造成的汽车排放与控制技术太原理工大学车辆工程系3太原理工大学机械工程学院车辆工程系一般烃燃料的燃烧反应可经以下过程：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。OH2OH222222CO2OCO2汽车排放与控制技术太原理工大学车辆工程系4太原理工大学机械工程学院车辆工程系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CORCORCHORORRH2......2COHOOHORCOHCOOHCO2CO继续氧化成CO2：RCORCO汽车排放与控制技术太原理工大学车辆工程系5太原理工大学机械工程学院车辆工程系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）汽车排放与控制技术太原理工大学车辆工程系6太原理工大学机械工程学院车辆工程系空燃比(A/F)：是指可燃混合气中空气与燃料的质量比。理论上，1kg汽油完全燃烧需要空气14.7kg。故对于汽油机而言，空燃比为14.7的可燃混合气可成为理论混合气。若可燃混合气的空燃比小于14.7，则意味着其中汽油含量有余（亦即空气量不足），可称之为浓混合气。同理，空燃比大于14.7的可燃混合气则可称为稀混合气，应当指出，对于不同的燃料，其理论空燃比数值是不同的。过量空气系数Φa：燃烧1kg燃料所实际供给的空气质量／完全燃烧1kg燃料所需的理论空气质量。由此定义表达式可知：无论使用何种燃料，凡过量空气系数Φa=1的可燃混合气即为理论混合气；Φa＜1的为浓混合气；Φa＞1的则为稀混合气。汽车排放与控制技术太原理工大学车辆工程系7太原理工大学机械工程学院车辆工程系汽油机CO排放量xCO与空燃比α及过量空气系数Φa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。汽车排放与控制技术太原理工大学车辆工程系8太原理工大学机械工程学院车辆工程系Φa1时，因缺氧引起不完全燃烧，CO体积分数co随a的减小不断增加。Φa1时，CO体积分数co很小。Φa=1.0～1.1时，co随a略微变化。由上图可以看出汽车排放与控制技术太原理工大学车辆工程系9太原理工大学机械工程学院车辆工程系汽油机部分负荷(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。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。汽车排放与控制技术太原理工大学车辆工程系10太原理工大学机械工程学院车辆工程系2.2碳氢化合物的生成机理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。柴油机排出的未燃HC全由燃烧过程产生。汽车排放与控制技术太原理工大学车辆工程系11太原理工大学机械工程学院车辆工程系汽油车排放的来源汽车排放与控制技术太原理工大学车辆工程系12太原理工大学机械工程学院车辆工程系内燃机排放的总碳氢化合物(THC，totalhydrocarbon)包括种类繁多的化合物，它们在大气对流层的光化学反应中有不同的活性，对人类健康的危害程度也不同。THC中含有很大一部分甲烷(CH4)，甲烷是化学反应很不活跃的气体，对臭氧的生成影响很小，用催化剂净化的难度却很大，所以在美国的排放标准中有一个无甲烷碳氢化合物(NMHC，nonmethanehydrocarbon)这一指标，认为用NMHC描述HC对环境的危害比THC更确切。汽车排放与控制技术太原理工大学车辆工程系13太原理工大学机械工程学院车辆工程系在无甲烷碳氢化合物之外，还有含氧有机化合物，如醇类、醛类、酮类、酚类、酯类以及其它衍生物（尤其是当内燃机使用含氧代用燃料时，这些排放物较多），它们往往更加具有活性，把无甲烷碳氢化合物加上羰酰类通称为无甲烷有机气体(NMOG，nonmethaneorganicgas)。对汽油机来说，羰基化合物一般只占THC排放物的百分之几，而在柴油机中，醛类就可能占THC的10％左右，而且醛类中甲醛约占20％，使柴油机排气比汽油机更具刺激性。汽车排放与控制技术太原理工大学车辆工程系14太原理工大学机械工程学院车辆工程系但同时甲烷也是导致温室效应的气体，其致热势是CO2的32倍，因此，对HC排放的限制中是否要考虑甲烷排放的问题，国际上并不统一，美国采用无甲烷碳氢化合物NMHC作为HC排放的评价指标，而包括中国、日本和欧洲各国在内的大部分国家，都将总碳氢化合物THC作为HC排放的评价指标。名称定义适用范围总碳氢化合物（THC）所有碳氢化合物成分的总量中国、日本和欧洲等大多数国家无甲烷碳氢化合物（NMHC）除去甲烷的碳氢化合物成分美国联邦及其它适应国无甲烷有机气体（NMOG）无甲烷碳氢化合物加羰酰类美国加州LEV法规汽车排放与控制技术太原理工大学车辆工程系15太原理工大学机械工程学院车辆工程系2.2.1汽油机未燃HC的生成机理汽油机燃烧室中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。汽车排放与控制技术太原理工大学车辆工程系16太原理工大学机械工程学院车辆工程系1.不完全燃烧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。汽车排放与控制技术太原理工大学车辆工程系17太原理工大学机械工程学院车辆工程系2.壁面淬熄效应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。汽车排放与控制技术太原理工大学车辆工程系18太原理工大学机械工程学院车辆工程系发动机正常运转时，冷激效应造成的淬熄层厚度为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）汽车排放与控制技术太原理工大学车辆工程系19太原理工大学机械工程学院车辆工程系3.狭隙效应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：汽车排放与控制技术太原理工大学车辆工程系20太原理工大学机械工程学院车辆工程系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；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％汽车排放与控制技术太原理工大学车辆工程系21太原理工大学机械工程学院车辆工程系4.润滑油膜的吸附和解吸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态。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；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；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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。汽车排放与控制技术太原理工大学车辆工程系22太原理工大学机械工程学院车辆工程系5.燃烧室中沉积物的影响：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汽车排放与控制技术太原理工大学车辆工程系23太原理工大学机械工程学院车辆工程系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，严重时损坏发动机)。积碳和沉积物对燃料及燃烧系统的危害：汽车排放与控制技术太原理工大学车辆工程系24太原理工大学机械工程学院车辆工程系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，