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1、第2章 发动机排放污染物的生成机理和影响因素本章主要内容：介绍了汽车尾气中的主要污染物CO、HC、NOX和微粒的生成机理及其影响因素。2.1 一氧化碳2.1.1 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： (2-1)燃气中的氧足够时有 (2-2) (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
2、合气的空燃比或过量空气系数。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与或的关系。 空燃比 过量空气系数 a） b) 图2-1汽油机CO排放量xCO与空燃比及过量空气系数的关系由图2-1可以看出，在浓混合气中（1），CO的排放量都很小，只有在=1.01.1时，CO的排放量才随有较复杂的变化。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，其过量空气系数都在1.53之间，故其
3、CO排放量要比汽油机低得多，只有在大负荷接近冒烟界限（=1.21.3）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的关系2.1.2 影响一氧化碳生成的因素理论上当在14.7以上时，排气中不存在CO，而只生成CO2。实际上由于燃油和空气混合不均匀，在排气中还含有少量CO。即使混合气混合的很均匀，由
4、于燃烧后的温度很高，已经生成的CO2也会由于一小部分分解成CO和O2，H2O也会部分分解成O2和H2，生成的H2也会使CO2还原成CO，所以，排气中总会有少量CO存在。可见，凡是影响空燃比的因素，即为影响CO生成的因素。1. 进气温度的影响一般情况下，冬天气温可达零下20以下，夏天在30以上，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，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。因此，冬天和夏天发动机排放情况有很大的不同。图2-3为一定运转条件下，进气温度与空燃比的关系，大致和绝对温度的方根成反比的理论相一致。 进气温度
5、/ 海拔高度/m 怠速转速/(r/min) 图2-3 进气温度与空燃比的关系 图2-4 海拔高度与大气压力的关系 图2-5 怠速转速对CO和HC排放的影响 V/(km/h)图2-6 某汽油机等速工况排气成分实测结果2. 大气压力的影响 大气压力随海拔高度而变化，由经验公式 (2-4) 式中：一海拔高度，km。当海平面=100kPa时，可作出海拔高度和大气压力变化关系的曲线，如图2-4所示。当忽略空气中饱和水蒸气压时，空气密度可用下式表示： （2-5）式中：温度，。可以认为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
6、下降，CO排放量将增大。3. 进气管真空度的影响当汽车急剧减速时，发动机真空度在68kPa以上时，停留在进气系统中的燃料，在高真空度下急剧蒸发而进入燃烧室，造成混和气瞬时过浓，致使燃烧状况恶化。CO浓度将显著增加到怠速时的浓度。4. 怠速转速的影响 图2-5表示了怠速转速和排气中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，但是，怠速过高会加大挺杆响声，对液力变扭汽车，还可能发生溜车的危险。如果这些问题得到解决，一般从净化的观点，希望怠速转速规定高一点较好。5. 发动机工况的影响发动机负
7、荷一定时，CO的排放量随转速增加而降低，到一定的车速后，变化不大。图2-6为某汽油机负荷一定、匀速工况下的CO浓度的变化。当车速增加时，CO很快降低，至中速后变化不大，这是由于化油器供给发动机的空燃比，随流量增加接近于理论空燃比的结果。2.2 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
8、蒸发的燃油蒸汽。2.2.1 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
9、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
10、层称为淬熄层，发动机正常运转时，其厚度在0.050.4mm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
11、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15CA开始，间隙内气体返回
12、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%。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
13、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
14、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
15、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950C。若此时气缸内有氧可供后期氧
16、化（例如当过量空气系数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：管内有足够的氧气；排气温度高于600C；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
17、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。2.2.2 影响碳氢化合物生成的因素未燃HC排放主要是由于缸内混合气过浓、过稀或局部混合不均引起燃烧不完全而导致的，造成燃烧不完全的因素大致有混合气的质量、发动机的运行条件、燃烧室结构参数及点火与配气正时等。1. 混合气质量的影响混合气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、空燃比和缸内残余废气系数的大小等方面。混合气的均匀性越差则HC排放越多。当空燃比略大于理论空燃比时，HC有最小值；混合气过浓或过稀均会发生不完全燃烧，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
18、至出现断火，致使HC排放量增加。2. 运行条件的影响1）汽油机运行条件的影响（1）负荷的影响：发动机试验结果表明：当空燃比和转速保持不变，并按最大功率调节点火时刻时，改变发动机负荷，对HC的相对排放浓度几乎没有影响。但当负荷增加时，HC排放量绝对值将随废气流量变大而几乎呈线性增加。（2）转速的影响：发动机转速对HC排放浓度的影响则非常明显。转速较高时，HC排放浓度明显下降，这是由于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、促进了激冷层的后氧化，后者则促进了排气管内的氧化反应。（3）点火时刻的影响：点火时刻对HC排放浓度的影响体现在点火提前角上。点火延迟（
19、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。因此，点火延迟要适当。（4）壁温的影响：燃烧室的壁温直接影响了激冷层厚度和HC的排气后反应。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。（5）燃烧室面容比的影响：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。2）柴油机运行条
20、件的影响（1）喷油时刻的影响：柴油机喷油时刻（喷油提前角）决定了气缸内的温度。喷油提前角增大，缸内温度较高，使HC排放量下降 。在一台自然吸气式直喷柴油机上进行的试验证实：在13工况下，当 偏离最佳值时，缸内温度及反应区的气体环境均发生变化。平均减小1CA，HC的体积分数平均增加8.97%；平均增加1CA，HC平均下降1.97%。（2）喷油嘴喷孔面积的影响： 当循环喷油量及喷油压力不变时，改变喷孔面积不仅改变了喷油时间的长短，并且同时改变了油雾颗粒大小和射程的远近，即影响油气混合的质量，必将导致HC排放量的变化。有试验结果证实：在13工况下，以喷孔直径为0.23的四孔喷油嘴的喷孔面积为参考基础
21、，当面积减小1%时，HC的体积分数相应减小1.23%；当面积增加1%时，HC的体积分数相应增大7.71%。这说明喷孔面积加大时，雾化和混合质量变差，HC排放量增加幅度较大；反之，燃烧得到改善，但HC排放量降低幅度较小。（3）冷却水进水温度的影响：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。试验证明：以冷却水进水温度75为比较标准，当进水温度下降到65时，13工况下的HC体积分数平均增加37.21%。（4）进气密度的影响：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。试验证明：进气压力在0.09670.0947MPa的变化范围内，空气密度每下降1
22、%，13工况下HC平均减少0.99%。2.3 氮氧化物2.3.1 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（=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
23、，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平衡摩尔分数与温度T及过量空气系数的关系。从图2-8中可以看出：在 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o，即c/o1时碳烟Cs0，此时开
24、始生成烟粒。图2-14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。图2-15则表示柴油机在燃烧中，生成烟粒和NOX的温度与过量空气系数的关系，及柴油机压缩上止点附近各种的混合气在燃烧前后的温度。由该图可见，0.9时，NOX生成量增加；当0.6时则烟粒生成量增加。柴油机混合气在预混合燃烧中的各种典型状态的变化如图2-15a）上各箭头所示。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
25、部分燃油形成=0.60.9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0.60.9之间。柴油机扩散燃烧中混合气的状态变化如图2-15 b）中各箭头所示。变化路线上的数字表示燃油进入燃烧室时所直接接触的缸内混合气的值。从图上可以看出，喷入4的混合气区内的燃油都会生成烟粒。在温度彽于烟粒生成温度的过浓混合气中，将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2-16 b）上虚线箭头所示。 过量空气系数 过量空气系数a）预混合燃烧 b）扩散燃烧图2-15 柴油机燃烧过程中生成烟粒和NOX的温度与过量空气系数的关系以及典型燃料单元在燃烧过程中的状态变化（3）烟粒的氧化在烟粒的整个生成过程中，不论是先兆物、晶核还是聚集物，都可能发生氧化。用专门的测试方法可测得，柴油机气缸内的烟粒峰值浓度远远大于排放浓度，说明燃烧过程所生成的烟粒大部分已在排气过程开始前被氧化掉。在火焰中出现的多种化学物质，
