《第2章 内燃机排放污染物的生成机理和影响因素课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第2章 内燃机排放污染物的生成机理和影响因素课件.ppt（101页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、,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,2.1 一氧化碳的生成机理,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,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：,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
2、。,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,CO继续氧化成CO2：,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）,空燃比(A/F)：是指可燃混合气中
3、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a：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a=1的可燃混合气即为理论混合气；a 1的为浓混合气；a 1的则为稀混合气。,汽油机CO排放量xCO与空燃比及过量空气系数a的
4、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
5、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,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。,汽油车排放的来源,内燃机排放的总碳氢化合物(THC，total hydrocarbon)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。
6、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，non methane hydrocarbon)这一指标，认为用NMHC描述HC对环境的危害比THC更确切。,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，non methane organic gas)。对汽油机来说，羰基化合物一般只占THC排放物
7、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。,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。,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
8、解吸作用。,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。,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
9、，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，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）,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：,当缸内压
10、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。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
11、燃烧过程。狭隙效应造成的HC排放可占总量5070,4.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
12、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。,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,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
13、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：,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。,6.碳氢化合物的后期氧化,在内燃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
14、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，其主要包括：一是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950。若此时气缸内有氧可供后期氧化，碳氢化合物的氧化将很容易进行。二是排气管内未燃碳氢化合物的氧化：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入排气管，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；（3）停留时间大于50 ms。,2.2.2 柴油机未燃HC的生成机理,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
15、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。,2.2.3 非排气HC的生成机理,曲轴箱窜气：曲轴箱窜气是指在压缩过程和燃烧过程中由活塞与气缸壁之间的间隙窜入曲轴箱的油气混合气和已燃气体，并与曲轴箱内的润滑油蒸气混合后，由通风口排入大气的污染气体
16、。柴油机的窜气中未燃成分较少，而汽油机属于预均质混合气燃烧，因而窜气中含有较浓的未燃HC。,燃油蒸发：从汽油机和其它轻质液体燃料发动机的燃油系统，即从燃油箱、燃油管接头等处蒸发的燃油蒸气，如果进入大气，同样构成HC排放物，称为蒸发排放物。汽油配售、储存和加油系统如无特殊防止蒸发措施，会产生大量蒸发排放物。由于汽油的挥发性远较柴油强，因而一般所说的燃油蒸发污染主要是指汽油车。燃油蒸发也是一种燃料的损失，因而也称为蒸发损失。汽油车蒸发损失主要来源于两种情况：连续停车时因昼夜温差造成的昼间换气损失、行驶期间因温度及行驶工况变化造成的运转损失。,2.3 氮氧化物的生成机理,在内燃机排放的氮氧化物 中占
17、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）NO,高温NO 的生成机理,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
18、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：,NO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 1，xNOe随a 的减小而急剧下降。,结论：,激发NO(prompt NO),激发NO的生成机理是20世纪70年初才被提出,如下所示,CnH2nCH，CH2CH2+N2HCN+NHCH+N2HCN+NHCNCNNONHNNO,首先由碳氢化合物裂解出的CH和CH2等与N2
19、反应，生成HCN（氰化氢）和NH等中间产物，并经过生成CN和N的反应，最后生成NO。上述反应由于其活化能很小，反应速度很快，并不需要很高的温度就可进行。,激发NO(prompt NO),激发NO的生成主要受三个因素的控制（1）燃料中碳氢化合物分解为CH等原子团的多少（2)CH等原子团与N2反应生成氮化物的速率(3)氮化物之间相互转换速率。激发NO主要发生在预混合富燃料混合气中，与停留时间无关，也与温度、燃料类型、混合程度无关。在过浓条件下容易产生prompt NO。prompt NO的发生量随过量空气系数的减小而增大。但就燃烧过程中NO生成总量来看，prompt NO只占很小的比重。,激发NO
20、的生成主要受三个因素的控制:1.燃料中碳氢化合物分解为CH等原子团的多少；2.CH等原子团与N2反应生成氮化物的速率；3.氮化物之间相互转换速率。激发NO主要发生在预混合富燃料混合气中，与停留时间无关，也与温度、燃料类型、混合程度无关。,燃料NO(fuel NO),至于燃料NO的生成机理，如下所示,Fuel N HCN，NH3 NO,燃料中的氮化合物分解后生成HCN（氰化氢)和NH3等中间产物，并逐步生成NO，这一反应过程在小于等于1600条件下就可进行。内燃机的常规燃料中，汽油可看作基本不含氮，而柴油的含氮率仅为0.0020.03(质量分数)，因而现阶段可以不考虑fuel NO。但未来几十年
21、后当汽车发动机的NO排放已降到非常低的水平时，或许Fuel NO的控制也要认真考虑了。,综上所述，NO产生的三个途径中，Fuel O的生成量极小，因而可以忽略不计；激发NO的生成量也较少，且反应过程尚不完全明了，也可暂不考虑。因此可以认为：高温NO是NO生成的主要来源。,2.4 颗粒物的生成机理,2.4.1 汽油机颗粒物的生成机理,点燃式内燃机排气微粒有三个来源：含铅汽油的铅、来自汽油中的硫产生的硫酸盐及碳烟。,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。用含铅0.15g/L的汽油时，排放微粒100150mgkm，其中一半左右是铅。汽油含硫量一般都很低，如果用无铅
22、汽油，点燃式内燃机基本上不排放微粒。,碳烟排放，对均质燃烧汽油机来说属于不正常现象，因为它只出现在可燃混合气非常浓的情况下。对调整良好的汽油机不是主要问题，层燃汽油机调节不当时排放炭烟的可能性较大。,柴油机的微粒物(Particulate Matter，缩写PM)排放量一般要比汽油机大几十倍。柴油机微粒（PM）是由三部分组成的，即（干）炭烟DS、可溶性有机物SOF和硫酸盐 柴油机PM的组成取决于运转工况，尤其是排气温度。,2.4.2 柴油机颗粒物的生成机理,柴油机微粒物的组成,柴油机微粒物的特征,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。,当排气温度超过500，PM基本
23、上是碳质微球的聚集体，称为碳烟，也称为烟粒(Dry Soot，缩写DS)。,当排气温度低于500，烟粒会吸附和凝聚多种有机物，称为有机可溶成分(Soluable Organic Fraction，缩写SOF)。,碳烟是柴油机微粒物的主要组成部分。碳烟产生条件是高温和缺氧。由于柴油机混合气极不均匀，尽管总体是富氧燃烧，但局部的缺氧还是导致了碳烟的形成。SOF又可根据来源不同分为未燃燃料和未燃润滑油成分，两者所占比重随柴油机的不同而异，但一般可认为大致相等。排气微粒通常用溶剂萃取等分析方法分成DS和SOF两部分。近年来，随油气混合过程的改善和柴油高压喷射技术的采用，微粒和炭烟的总排放量有明显下降，
24、但PM2.5以下粒度较小的微粒所占比重增大。,2.炭烟形成的过程,烟粒主要由燃油中含有的碳产生，并受燃油种类、燃油分子中的碳原子数的影响。尽管对燃烧烟粒的生成方面进行了大量的基础研究，关于柴油机燃烧过程中烟粒的生成机理至今仍不很清楚，因为这涉及成分很复杂的燃油，炭烟微粒生成如图所示。,柴油机烟粒的生成和长大过程一般可分两个阶段。,燃油中烃分子在高温（20003500K）富油缺氧区，通过裂解和脱氢过程，经过核化形成先期产物（以碳为主的直径2nm左右的碳烟核心）；,表面生长；指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。,1.烟粒生成阶段：,2.烟粒长大阶段：,
25、在低于1500K的低温区，通过聚合和冷凝生成碳烟微粒。,聚集:,气相的烃和其它物质在这个晶核表面的凝聚，以及晶核相互碰撞发生聚集，使碳烟粒子增大，成为直径2030nm的碳烟基元。最后，碳烟基元经聚集作用堆积成粒度1微米以下的链状或团絮状的聚集物。,图2-6表示碳氢化合物在燃烧器条件下，预混合火焰中生成烟粒的温度和过量空气系数的关系，组成柴油的各种烃类生成烟粒的条件基本上也在这个范围内。由该图可见，烟粒在极浓的混合气中生成，且在16001700K温度范围内，烟粒生成比例达到最大值。(区间内的密度，定性表示烟粒生成比例),图2-7图表示柴油机在燃烧中，生成烟粒和NOx与温度及过量空气系数的关系。由
26、该图可见，过量空气系数0.5的混合气燃烧后必定产生烟粒。图的右上角是各种浓度的混合气在各种温度下燃烧0.5ms后NOx的体积分数。要使柴油机燃烧后烟粒和NOx都很少，过量空气系数应在0.60.9之间。,实际燃烧区内，当过量空气系数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。,图2-8为预混合燃烧过程的混合气状态变化在着火前(滞燃期)，喷入气缸的燃油，先和空气混合，然后才燃烧。这部分燃油的燃烧称为预混合燃烧。柴油机混合气在预混合燃烧中的状态变化见图上的箭头所示。,在预混合燃烧中，由于燃
27、油分布的不均匀，既有碳烟的形成，也有NOx的形成，只有很少部分燃油的过量空气系数在0.60.9之间不产生碳烟和NOx。过多的预混合燃烧会造成柴油机过高的压力升高率和燃烧噪声。,为降低柴油机的排气污染物排放和噪声，应减少预混合燃油，并尽可能将预混合燃油的混合气的过量空气系数控制在0.60.9。这样就要求缩短滞燃期和控制滞燃期内的燃油喷射量。,着火以后喷入气缸的燃油，将扩散到空气或燃气中燃烧，这个阶段的燃烧称为扩散燃烧。燃油和空气及燃气的混合气在扩散燃烧中的状态变化见图上箭头所向。图上的横坐标是燃油和缸内混合气混合后的瞬时过量空气系数，状态变化曲线上的数字表示燃油进入气缸时所直接接触的缸内混合气的
28、过量空气系数。,从图上可以看出，喷入过量空气系数低于4.0的混合气区的燃油都会产生碳烟。在温度低于碳烟形成温度的过浓混合气中将形成不完全燃烧的液态HC。为减少扩散燃烧中的碳烟形成，应避免燃油和高温缺氧的燃气混合。强烈的气流运动以及燃油的高压喷射都有助于燃油和空气的混合。燃油喷射结束后，燃气和空气进一步混合，其状态变化图上的虚线箭头所示。,在燃烧过程中，已经形成的碳烟也同时被氧化。图的右上角为直径0.04mm的碳烟在各种温度和过量空气系数条件下，被完全氧化所需要的时间。该条件与上图表示的大量产生NOx的条件基本相同。加速碳烟氧化的措施，往往同时带来NOx的增加。因此，为了同时降低NOx的排放，控
29、制碳烟排放应着重控制碳烟的形成。而不是碳烟的氧化。,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。,3.烟粒的氧化：,4.有机可溶成份的吸附与凝结,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
30、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。,为了减少由于润滑油造成的PM排放，就要在保证发动机工作可靠性的前提下尽可能降低润滑油消耗。来自燃油的SOF与柴油机的未燃HC排放有关。减少HC排放也使SOF排放量降低。但是，降低柴油机PM排放问题的核心是减少DS的生成。由于DS生成的重要条件是燃料在高温下严重缺氧，所以，改善柴油机的油气混合均匀性，使燃烧室内任一点的过量空气系数均大于0.6，这是降低DS排放的最重要措施。,2.5 影响排放污染物生成的因素,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
31、的排出量有很大的关系.,1.混合气浓度和质量,混合气浓度和质量的优劣主要体现在燃油的雾化蒸发程度、混合气的均匀性、空燃比、缸内残余废气系数的大小等方面。汽油机中的有害排放物CO、HC和NOx随过量空气系数的变化如图2-11所示。,CO的排放浓度随混合气浓度的降低而降低。这是因为空气量的增加，氧气增多，燃料能充分地燃烧，CO排放减少。HC随空燃比的增大而下降，超过理论空燃比后，逐渐达到最低值；但空燃比过稀(过大)时，因燃烧不稳定甚至失火次数增多，导致HC又有所回升。混合气的均匀性影响HC的排放。混合气均匀性越差则HC排放越多。废气相对过多则会使火焰中心的形成与火焰的传播受阻甚至失火，致使HC排放
32、量增加。,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 1.1，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。,点火延迟(点火提前角减小)可使HC排放下降，这是由于点火延迟使混合气燃烧时的激冷壁面面积减小，同时使排气温度增高，促进了HC在排气管内的氧化。但采用推迟点火，靠牺牲燃油经济性来降低HC排放是得不偿失的。,增大点火提前角使较大部分燃料在压缩
33、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。,当n增加时，缸内气体流动增强，燃油的雾化质量及均匀性得到改善，紊流强度增大，燃烧室温度提高。这些都有利于改善燃烧，降低CO及HC的排放。在汽油机怠速时，由于转速低、汽油雾化差、混合气很浓、残余废气系数较大，CO及HC的排放浓度较高。,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，可有效地降低排气中CO浓度。,3.运转参数,转速n的变化对NO排放的影响较复杂，如
34、图2-14所示。图中曲线是某汽油机在点火提前角为 30CA、进气管内压力为0.098MPa 的条件下得到的NO排放随转速n的变化而改变，由图中曲线可以看到，NO排放随转速n的变化而改变，特征的转折点发生在理论空燃比附近。,负荷变化对 CO 和HC的排放量基本上也没有影响，但对 NO的排放量有影响，如图2-15所示。汽油机是采用节气门控制负荷的，负荷增加，进气量就增加，降低了残余废气的稀释作用，火焰传播速度得到了提高，缸内温度提高，排放增加。这一点在混合气较稀时更为明显。混合气过浓时，由于氧气不足，负荷对NOx排放影响不大。,汽油机冷却水及燃烧室壁面温度,燃烧室壁温直接影响激冷层的厚度和HC的排
35、气后反应。提高汽油机冷却水及燃烧室壁面温度，可降低缝隙容积中储存的HC的含量，减少激冷厚度，减少HC排放。同时还可改善燃油的蒸发、混合和雾化，提高燃烧质量。据研究，壁面温度每升高1，HC排放浓度相应降低0.6310-61.0410-6，因此提高冷却介质温度有利于减弱壁面激冷效应，降低HC排放。另外，冷却水及燃烧室壁面温度的提高也使燃烧最高温度增加，从而 NO 排放也增加。,排气背压,当排气管装上催化转化器后，排气背压必然受到影响。试验表明，排气背压增加，排气留在缸内的废气增多，其中的未燃烃会在下一循环中烧掉，因此排气中的HC含量将降低。然而，如果排气背压过大，则留在缸内的废气过多，稀释了混合气
36、，燃烧恶化，排出的HC反而会增加。,积 炭,汽油机运转一段时间之后，会在活塞顶部、燃烧室壁面和进气门、排气门上形成多孔积炭，这些积炭能吸附未燃混合气和燃料蒸气，在排气过程中再释放出来。因此，随着积的增加，HC排放量增加。随积炭的增加，发动机的实际压缩比也随着增加，导致最高燃烧温度升高，NO排放量增加。汽油机在高负荷下运行时，积炭成了表面点火的点火源，除了使 NO 排放增加外，还有可能使机件烧蚀。,燃烧室面容比,燃烧室面容比大，单位容积的激冷面积也随之增大，激冷层中的未燃烃总量必然也增大。因此，降低燃烧室面容比是降低汽油机HC排放的一项重要措施。,一般情况下，冬天气温可达零下20以下，夏天在30
37、以上，而在汽车爬坡时发动机罩内进气温度超过80。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，因此可燃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。因此冬天和夏天发动机排放情况有很大的不同。,进气温度,海拔高度与大气压力变化关系的曲线如图所示。可以认为空气密度与大气压力成正比，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，NOx降低。,大气压力,大气湿度,大气湿度对NOx 排放的影响特别大，因此在排放试验规范中使用湿度修正系数。大气湿度对排放特性的影响可以从下面两个方面考虑：第一，由于大气湿度的变化，使空燃比的变化超过了反馈控制区域；第二，由于大气
38、湿度的增加，燃烧室内气体的热容量增大，使最高燃烧温度降低。空燃比随大气湿度的变化关系为：空燃比=A(1-Hm)/（F）可见随绝对湿度的增大，空燃比减小。大气湿度增大后，水分带走了燃烧放出的热量，使最高燃烧温度降低，NOx的排放降低。,1.过量空气系数,2.5.2 影响柴油机排放污染物生成的因素,柴油机总是在a1（1.53之间）下工作，CO排放量比较低，只有在负荷很大接近冒烟界限时（1.21.3）才急剧增加。,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，容易发生不完全燃烧生成CO，造成a很大（负荷很小时）CO排放反而上升。,过量空气系数对柴油机有害排放物的影响如图
39、。柴油机的HC排放量随过量空气系数增加而增加。过量空气系数增大，则混合气变稀，燃油不能自燃，或火焰不能传播，HC排放增加。在中小负荷时，由于在燃油喷雾边缘区域形成了过稀混合气以及缸内温度过低的原因，造成 HC 排放略有上升，但仍比汽油机低得多。所以，在怠速或小负荷工况时，HC排放高于全负荷工况。缸内缺火会引起大量的HC排放，柴油机冷启动期间会发生缺火，排气冒白烟，它基本上是由微粒状的未燃柴油构成的。,NOx的生成主要受到氧气含量、燃烧温度以及燃烧产物在高温中的停留时间的影响。对柴油机而言，小负荷时，过量空气系数增加，混合气中有较充足的氧，但燃烧室内温度较低，故NOx排放也较低；当过量空气系数
40、时，燃烧室内气体温度升高，但混合气的氧含量降低，这又抑制了NOx的生成。,柴油机中炭烟排放质量浓度随的变化也在图2-19中示出。尽管在炭烟的生成机理中已讨论过，的区域，理论上不应产生炭烟，但由于柴油机混合气浓度分布的极不均匀，局部缺氧使得在，炭烟急剧上升。加强混合可以改善局部缺氧，使冒烟极限向化学当量比价 靠近。,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
41、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,转速和负荷对柴油机CO、HC、NOx的影响,柴油机转速的变化会使与燃烧有关的气体流动、燃油雾化与混合气质量发生变化，而这些变化对 NOx 及 HC 的排放都会产生影响。不过，转速变化对直喷式柴油机NO及 HC排放的影响不明显。图2-20所示为6135型低增压柴油机转速对排放物的影响。,转速变化对CO排放的影响较大。由图2-20可知，CO 排放量在某一转速时最低，而在低速及高速时都较高。柴油机在高速时，充气系数较低，在很短的时间内要组织良好的混合气及
42、燃烧过程较为困难，燃烧不易完善，故 CO 排放量高。而在低速特别是怠速空转时，由于缸内温度低，喷油速率不高，燃料雾化差，燃烧不完善，故 CO 排放量也较高。,在小负荷时，由于喷油量少，缸内气体温度低，氧化作用弱，因此CO排放浓度高。随着负荷增加，气体温度升高，氧化作用增强，可使CO排放减少。当大负荷或全负荷时，由于氧浓度变低和喷油后期的供油量增加，反应时间短，使CO排放又增加。HC排放量随负荷的增加而减少。在怠速和小负荷时，喷油量小，可以假定燃油喷注达不到壁面，且喷注核心燃料浓度也小。这时燃料燃烧而引起的该区局部温度上升是很小的，因而反应速率慢。随着燃油分子向包围该区的空气中扩散，由于其浓度很
43、低，使得燃油氧化反应弱。因此，在怠速和小负荷时，HC 的排放浓度是最高的。随负荷增加，燃烧温度升高，氧化反应随着温度的升高加块，结果使HC的排放量减少了。涡轮增压柴油机缸内温度比非增压机更高些，故随着负荷的增加，HC排放量更低些。,随着负荷增加，空然比减小，Tmax增加，NOx增加,负荷超过一定时，NOx下降，因为相对缺氧导致燃烧恶化,转速对于NOx的影响比负荷的影响小,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比的减少而有所升高。,转速和负荷对柴油机微粒的影响,微粒排放
44、量随负荷有这样的变化趋势，是由于小负荷时燃空比和温度均较低，气缸内稀薄混合气区较大，且处于燃烧界限之外而不能燃烧，造成了冷凝聚合的有利条件，从而有较多微粒(主要成分是未燃燃油成分和部分氧化反应产物)生成；在大负荷时，燃空比和温度均较高，造成了裂解和脱氢的有利条件，使微粒(主要成分是炭烟)排放量又有了升高；在接近全负荷时微粒排放急剧增加(接近冒烟界限)，这时虽然总体过量空气系数尚大于1，但由于燃烧室内可燃混合气不均匀，局部会有过浓，导致烟粒大量生成。,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
45、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。,喷油提前角,喷油提前角对柴油机NOx、炭烟、HC排放的影响较大。推迟喷油使最高燃烧温度和压力下降，燃烧变得柔和，NOx生成量减少。所以，推迟喷油是降低柴油机NOx排放最简单易行且十分有效的办法。可见，喷油推迟2CA就能使NOx排放下降约20，但同时导致油耗上升5左右。与此同时CO、HC排放上升，排气温度和烟度也上升。所以，在利用推迟喷油降低NOx排放时，必须同时优
46、化燃烧过程，以加速燃烧，并使燃烧更完全。,在直喷式柴油机中，当所有其他参数不变时，提前喷油或非常迟的喷油，可以降低排气烟度，如图2-24所示。,提前喷油使排烟下降的原因是：滞燃期随喷油提前角的加大而延长，因此使着火前的喷油量较多，燃烧温度较高，燃烧过程结束较早，从而使排气烟度下降。但喷油提前会使燃烧噪声和柴油机的机械负荷和热负荷加大，还会引起NOx排放量增加。非常迟的喷油使排烟下降的原因是：这种喷油定时发生于最小滞燃期之后，由于扩散火焰大部分发生在膨胀过程中，火焰温度较低，使炭烟的生成速率降低。,喷油压力,提高喷油压力，改善燃油雾化(减小油雾的平均直径)，能促进燃油与空气的混合，改善油气混合的
47、均匀性。当喷油压力从42MPa提高到82MPa时，烟粒(SF)排放可下降一半以上，HC下降1/3左右。,在喷油定时、喷油持续角、循环供油量、涡流比和发动机转速不变的条件下，直喷式柴油机的喷油规律对NO和炭烟排放的影响如图所示。当大部分燃油在前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NO浓度高；反之，当大部分燃油在后半时间喷入气缸时，参与扩散燃烧的油量增多，故排烟浓度高而NO浓度低 在提高初始喷油速率的前提下，如能减小喷油持续角，可使燃烧过程较快结束，以改善炭烟排放。,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
48、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,增 压,增压后进气中氧的含量提高使燃烧室中火焰温度提高，可以降低炭烟排放，但NOx排放量会增加。增压后空气温度可达100150，也使最高燃烧温度相应提高。若对增压空气进行中间冷却而降低缸内充量温度，可以缓和这种趋势。增压柴油机中NOx排放的增加，一般利用推迟喷油的办法来加以补偿。,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。,燃油的十六烷值对烟粒排放也有明显影响。试验表明，柴油机的排烟浓度随十六烷值的提高而增大，其原因可能是由于十六烷值较高的燃油稳定性较差，在燃烧过程中炭的生成速率较高所致。若从柴油的十六烷值对燃烧过程的影响考虑，则由于十六烷值高的燃油具有良好的发火性，其滞燃期短，参与预混合燃烧的燃油较少，大部分燃油以扩散燃烧的方式进行，故排烟浓度较大。然而，以降低十六烷来获得排烟的改善，会带来柴油机工作粗暴等严重后果。,
