發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物的生成機(jī)理和影響因素

1、第2章 發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物的生成機(jī)理和影響因素本章主要內(nèi)容：介紹了汽車(chē)尾氣中的主要污染物co、hc、nox和微粒的生成機(jī)理及其影響因素。2.1 一氧化碳2.1.1 一氧化碳的生成機(jī)理汽車(chē)尾氣中co的產(chǎn)生是由于燃油在氣缸中燃燒不充分所致，是氧氣不足而生成的中間產(chǎn)物。一般烴燃料的燃燒反應(yīng)可經(jīng)以下過(guò)程： (2-1)燃?xì)庵械难踝銐驎r(shí)有 (2-2) (2-3)同時(shí)co還與生成的水蒸氣作用，生成氫和二氧化碳。可見(jiàn)，如果燃?xì)庵械难鯕饬砍渥銜r(shí)，理論上燃料燃燒后不會(huì)存在co。但當(dāng)氧氣量不足時(shí)，就會(huì)有部分燃料不能完全燃燒，而生成co。在非分層燃燒的汽油機(jī)中，可燃混合氣基本上是均勻的，其co排放量幾乎完全取決于可燃混

2、合氣的空燃比或過(guò)量空氣系數(shù)。圖2-1所示為11種h/c比值不同的燃料在汽油機(jī)中燃燒后，排氣中co的摩爾分?jǐn)?shù)xco與或的關(guān)系。 空燃比 過(guò)量空氣系數(shù) a） b) 圖2-1汽油機(jī)co排放量xco與空燃比及過(guò)量空氣系數(shù)的關(guān)系由圖2-1可以看出，在濃混合氣中（<1），co的排放量隨的減小而增加，這是因缺氧引起不完全燃燒所致。在稀混合氣中（>1），co的排放量都很小，只有在=1.01.1時(shí)，co的排放量才隨有較復(fù)雜的變化。在膨脹和排氣過(guò)程中，氣缸內(nèi)壓力和溫度下降，co氧化成co2的過(guò)程不能用相應(yīng)的平衡方程精確計(jì)算。受化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)影響，大約在1100k時(shí)，co濃度凍結(jié)。汽油機(jī)起動(dòng)暖機(jī)和急加速

3、、急減速時(shí)，co排放比較嚴(yán)重。在柴油機(jī)的大部分運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，其過(guò)量空氣系數(shù)都在1.53之間，故其co排放量要比汽油機(jī)低得多，只有在大負(fù)荷接近冒煙界限（=1.21.3）時(shí)，co的排放量才大量增加。由于柴油機(jī)燃料與空氣混合不均勻，其燃燒空間總有局部缺氧和低溫的地方，以及反應(yīng)物在燃燒區(qū)停留時(shí)間較短，不足以徹底完成燃燒過(guò)程而生成co排放，這就可以解釋圖2-2在小負(fù)荷時(shí)盡管很大，co排放量反而上升。類(lèi)似的情況也發(fā)生在柴油機(jī)起動(dòng)后的暖機(jī)階段和怠速工況中。過(guò)量空氣系數(shù)圖2-2典型的車(chē)用直噴式柴油機(jī)排放污染物量與過(guò)量空氣系數(shù)的關(guān)系2.1.2 影響一氧化碳生成的因素理論上當(dāng)在14.7以上時(shí)，排氣中不存在co，而只

4、生成co2。實(shí)際上由于燃油和空氣混合不均勻，在排氣中還含有少量co。即使混合氣混合的很均勻，由于燃燒后的溫度很高，已經(jīng)生成的co2也會(huì)由于一小部分分解成co和o2，h2o也會(huì)部分分解成o2和h2，生成的h2也會(huì)使co2還原成co，所以，排氣中總會(huì)有少量co存在?？梢?jiàn)，凡是影響空燃比的因素，即為影響co生成的因素。1. 進(jìn)氣溫度的影響一般情況下，冬天氣溫可達(dá)零下20以下，夏天在30以上，爬坡時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)進(jìn)氣溫度超過(guò)80。隨著環(huán)境溫度的上升，空氣密度變小，而汽油的密度幾乎不變，化油器供給的混合氣的空燃比隨吸入空氣溫度的上升而變濃，排出的co將增加。因此，冬天和夏天發(fā)動(dòng)機(jī)排放情況有很大的不同。圖2-

5、3為一定運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，進(jìn)氣溫度與空燃比的關(guān)系，大致和絕對(duì)溫度的方根成反比的理論相一致。 進(jìn)氣溫度/ 海拔高度/m 怠速轉(zhuǎn)速/(r/min) 圖2-3 進(jìn)氣溫度與空燃比的關(guān)系 圖2-4 海拔高度與大氣壓力的關(guān)系 圖2-5 怠速轉(zhuǎn)速對(duì)co和hc排放的影響 v/(km/h)圖2-6 某汽油機(jī)等速工況排氣成分實(shí)測(cè)結(jié)果2. 大氣壓力的影響  大氣壓力隨海拔高度而變化，由經(jīng)驗(yàn)公式 (2-4) 式中：一海拔高度，km。當(dāng)海平面=100kpa時(shí)，可作出海拔高度和大氣壓力變化關(guān)系的曲線，如圖2-4所示。當(dāng)忽略空氣中飽和水蒸氣壓時(shí)，空氣密度可用下式表示： （2-5）式中：溫度，?？梢哉J(rèn)為空氣密度和大氣壓力

6、成正比，從簡(jiǎn)單化油器理論可知，空燃比和空氣密度的平方根成正比，所以進(jìn)氣管壓力降低時(shí)，空氣密度下降，則空燃比下降，co排放量將增大。3. 進(jìn)氣管真空度的影響當(dāng)汽車(chē)急劇減速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)真空度在68kpa以上時(shí)，停留在進(jìn)氣系統(tǒng)中的燃料，在高真空度下急劇蒸發(fā)而進(jìn)入燃燒室，造成混和氣瞬時(shí)過(guò)濃，致使燃燒狀況惡化。co濃度將顯著增加到怠速時(shí)的濃度。4. 怠速轉(zhuǎn)速的影響 圖2-5表示了怠速轉(zhuǎn)速和排氣中co、hc濃度的關(guān)系。怠速轉(zhuǎn)速為600r/min時(shí)，co濃度為1.4%，700r/min時(shí)，降為1%左右，這說(shuō)明提高怠速轉(zhuǎn)速，可有效地降低排氣中co濃度，但是，怠速過(guò)高會(huì)加大挺桿響聲，對(duì)液力變扭汽車(chē)，還可能發(fā)生溜車(chē)

7、的危險(xiǎn)。如果這些問(wèn)題得到解決，一般從凈化的觀點(diǎn)，希望怠速轉(zhuǎn)速規(guī)定高一點(diǎn)較好。5. 發(fā)動(dòng)機(jī)工況的影響發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷一定時(shí)，co的排放量隨轉(zhuǎn)速增加而降低，到一定的車(chē)速后，變化不大。圖2-6為某汽油機(jī)負(fù)荷一定、勻速工況下的co濃度的變化。當(dāng)車(chē)速增加時(shí)，co很快降低，至中速后變化不大，這是由于化油器供給發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比，隨流量增加接近于理論空燃比的結(jié)果。2.2 碳?xì)浠衔镘?chē)用柴油機(jī)中的未燃hc都是在缸內(nèi)的燃燒過(guò)程中產(chǎn)生并隨排氣排放。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中未燃hc的生成與排放主要有以下三種途徑。（1）在氣缸內(nèi)的燃燒過(guò)程中產(chǎn)生并隨廢氣排出，此部分hc主要是燃燒過(guò)程中未燃燒或燃燒不完全的碳?xì)淙剂?。?）從燃燒室通過(guò)活塞組與

8、氣缸之間的間隙漏入曲軸箱的竄氣中含有大量未燃燃料，如果排入大氣中也構(gòu)成hc排放物。（3）從汽油機(jī)的燃油系統(tǒng)蒸發(fā)的燃油蒸汽。2.2.1 碳?xì)浠衔锏纳蓹C(jī)理1. 車(chē)用汽油機(jī)未燃hc的生成機(jī)理車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)的碳?xì)渑欧盼镏杏型耆慈紵娜剂希嗟氖侨剂系牟煌耆紵a(chǎn)物，還有小部分由潤(rùn)滑油不完全燃燒而生成。排氣中未燃碳?xì)湮锏某煞菔謴?fù)雜，其中有些是原來(lái)燃料中不含有的成份，這是部分氧化反應(yīng)所致。表2-1列出了車(chē)用汽油機(jī)中未燃碳?xì)浠衔锍煞莸拇笾卤壤?。?chē)用汽油機(jī)排氣中的未燃碳?xì)浠衔锍煞?表2-1占總hc排放量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%烷烴烯烴炔烴芳香烴未裝催化裝置3327832裝有催化裝置5715216車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)在

9、正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，hc的生成區(qū)主要位于氣缸壁的四周處，故對(duì)整個(gè)氣缸容積來(lái)說(shuō)是不均勻的，而且對(duì)排氣過(guò)程而言hc的分布也是不均勻的。在發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)，排氣中hc的濃度出現(xiàn)兩個(gè)峰值，一個(gè)出現(xiàn)在排氣門(mén)剛打開(kāi)時(shí)的先期排氣階段，另一個(gè)峰值出現(xiàn)在排氣行程結(jié)束時(shí)。hc的生成主要由火焰在壁面淬冷、狹隙效應(yīng)、潤(rùn)滑油膜的吸附和解吸、燃燒室內(nèi)沉積物的影響、體積淬熄及碳?xì)浠衔锏暮笃谘趸?。下面主要針?duì)汽油機(jī)分別進(jìn)行討論，但除了狹隙效應(yīng)外，其余的均適用于柴油機(jī)。1）火焰在壁面淬冷火焰淬冷的形成方式有兩種，即單壁淬冷和雙壁淬冷。前者是火焰接近氣缸壁時(shí)，由于缸壁附近混合氣溫度較低，使氣缸壁面上薄薄的邊界層內(nèi)的溫度降低

10、到混合氣自燃溫度以下，導(dǎo)致火焰熄滅，邊界層內(nèi)的混合氣未燃燒或未燃燒完全就直接進(jìn)入排氣而形成未燃hc，此邊界層稱(chēng)為淬熄層，發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其厚度在0.050.4mm之間變動(dòng)，在小負(fù)荷時(shí)或溫度較低時(shí)淬熄層較厚；后者是在活塞頂部和氣缸壁所組成的很小的環(huán)形間隙中，火焰?zhèn)鞑贿M(jìn)去，使其中的混合氣不能燃燒，在膨脹過(guò)程中逸出形成hc排放。在正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，淬熄層中的未燃hc在火焰前鋒面掠過(guò)后，大部分會(huì)向燃燒室中心擴(kuò)散并完成氧化反應(yīng)，使未燃hc的濃度大大降低。但是在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)、暖機(jī)和怠速等工況下，因燃燒室壁面溫度較低，形成的淬熄層較厚，同時(shí)已燃?xì)怏w溫度較低及混合氣較濃，使后期氧化作用較弱，因此壁面火焰淬熄是

11、此類(lèi)工況下未燃hc的重要來(lái)源。2）狹隙效應(yīng)在車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室內(nèi)有如圖2-7所示的各種狹窄的間隙，如活塞組與氣缸壁之間的間隙、火花塞中心電極與絕緣子根部周?chē)M窄空間和火花塞螺紋之間的間隙、進(jìn)排氣門(mén)與氣門(mén)座面形成的密封帶狹縫、氣缸蓋墊片處的間隙等，當(dāng)間隙小到一定程度，火焰不能進(jìn)入便會(huì)產(chǎn)生未燃hc。在壓縮過(guò)程中，缸內(nèi)壓力上升，未燃混合氣擠入各間隙中，這些間隙的容積很小但具有很大的面容比，進(jìn)入其中的未燃混合氣因傳熱而使溫度下降。在燃燒過(guò)程中壓力繼續(xù)上升，又有一部分未燃混合氣進(jìn)入各間隙。當(dāng)火焰到達(dá)間隙處時(shí)，火焰有可能傳入使間隙內(nèi)的混合氣得到全部或部分燃燒（在入口較大時(shí)），但也有可能火焰因淬冷而熄滅，使

12、間隙中混合氣不能燃燒。隨著膨脹過(guò)程開(kāi)始，氣缸內(nèi)壓力不斷下降。大約從壓縮上止點(diǎn)后15ºca開(kāi)始，間隙內(nèi)氣體返回氣缸內(nèi)，這時(shí)氣缸內(nèi)溫度已下降，氧的濃度也很低，流回氣缸的可燃?xì)庠傺趸谋壤淮?，一半以上的未燃hc直接排出氣缸。狹隙效應(yīng)產(chǎn)生的hc排放可占其總量的50%70%。圖2-7 汽油機(jī)燃燒室內(nèi)未燃hc的可能來(lái)源1-潤(rùn)滑油膜的吸附及解吸；2-火花塞附近的狹隙和死區(qū)；3-冷激層；4-氣門(mén)座死區(qū)；5-火焰熄滅（如混和氣太稀、湍流太強(qiáng)）；6-沉積物的吸附及解吸；7-活塞環(huán)和環(huán)岸死區(qū)；8-氣缸蓋襯墊缸孔死區(qū)3）潤(rùn)滑油膜對(duì)燃油蒸汽的吸附與解吸在進(jìn)氣過(guò)程中，氣缸壁面和活塞頂面上的潤(rùn)滑油膜溶解和吸收了

13、進(jìn)入氣缸的可燃混合氣中的碳?xì)浠衔镎羝?，直至達(dá)到其環(huán)境壓力下的飽和狀態(tài)，這種溶解和吸收過(guò)程在壓縮和燃燒過(guò)程中的較高壓力下繼續(xù)進(jìn)行。在燃燒過(guò)程中，當(dāng)燃燒室燃?xì)庵械膆c濃度由于燃燒而下降至很低時(shí)，油膜中的hc開(kāi)始向已燃?xì)饨馕?，此過(guò)程將持續(xù)到膨脹和排氣過(guò)程。一部分解吸的燃油蒸汽與高溫的燃燒產(chǎn)物混合并被氧化；其余部分與較低溫度的燃?xì)饣旌希虿荒苎趸蔀閔c排放源。這種類(lèi)型的hc排放與燃油在潤(rùn)滑油中的溶解度成正比。使用不同的燃料和潤(rùn)滑油，對(duì)hc排放的影響不同，使用氣體燃料則不會(huì)生成這種類(lèi)型的hc。潤(rùn)滑油溫度升高，使燃油在其中的溶解度下降，于是降低了潤(rùn)滑油在hc排放中所占的比例。由潤(rùn)滑油膜吸附和解吸機(jī)理

14、產(chǎn)生的未燃hc排放占其總量的25%左右。4）燃燒室內(nèi)沉積物的影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，會(huì)在燃燒室壁面、活塞頂、進(jìn)排氣門(mén)上形成沉積物，從而使hc排放增加。對(duì)使用含鉛汽油的發(fā)動(dòng)機(jī)，hc排放可增加7%20%。沉積物的作用機(jī)理可用其對(duì)可燃混合氣的吸附及解吸作用來(lái)解釋?zhuān)?dāng)然，由于沉積物的多孔性和固液多相性，其生成機(jī)理更為復(fù)雜。當(dāng)沉積物沉積于間隙中，由于間隙容積的減少，可能使由于狹隙效應(yīng)而生成的hc排放量下降，但同時(shí)又由于間隙尺寸減小而可能使hc排放量增加。這種機(jī)理所生成的hc占總排放量的10%左右。5）體積淬熄發(fā)動(dòng)機(jī)在某些工況下，火焰前鋒面到達(dá)燃燒室壁面之前，由于燃燒室中壓力和溫度下降太快，可能使火焰熄

15、滅，稱(chēng)為體積淬熄，這也是產(chǎn)生未燃hc的一個(gè)原因。發(fā)動(dòng)機(jī)在冷起動(dòng)和暖機(jī)工況下，由于發(fā)動(dòng)機(jī)溫度較低，混合氣不夠均勻，導(dǎo)致燃燒變慢或不穩(wěn)定，火焰易熄滅；發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速或小負(fù)荷工況下，轉(zhuǎn)速低、相對(duì)殘余廢氣量大，使滯燃期延長(zhǎng)、燃燒惡化，也易引起熄火。更為極端的情況是發(fā)動(dòng)機(jī)的某些氣缸缺火，使未燃燒的可燃混合氣直接排入排氣管，造成未燃hc排放急劇增加，故汽油機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的工作可靠性對(duì)hc排放是至關(guān)重要的。6）碳?xì)浠衔锏暮笃谘趸诎l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中未燃燒的碳?xì)浠衔?，在以后的膨脹和排氣過(guò)程中不斷從間隙容積、潤(rùn)滑油膜、沉積物和淬熄層中釋放出來(lái)，重新擴(kuò)散到高溫的燃燒產(chǎn)物中被全部或部分氧化，稱(chēng)為碳?xì)浠衔锏暮笃谘趸?，?/p>

16、括：（1）氣缸內(nèi)未燃碳?xì)浠衔锏暮笃谘趸涸谂艢忾T(mén)開(kāi)啟前，氣缸內(nèi)的燃燒溫度一般超過(guò)950ºc。若此時(shí)氣缸內(nèi)有氧可供后期氧化（例如當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)>1時(shí)），碳?xì)浠衔锏难趸瘜⒑苋菀走M(jìn)行。（2）排氣管內(nèi)未燃碳?xì)涞难趸号艢忾T(mén)開(kāi)啟后，缸內(nèi)未被氧化的碳?xì)浠衔飳㈦S排氣一同排放到排氣管內(nèi)，并在排氣管內(nèi)繼續(xù)氧化。其氧化條件為：管內(nèi)有足夠的氧氣；排氣溫度高于600°c；停留時(shí)間大于50ms。2. 車(chē)用柴油機(jī)未燃hc的生成機(jī)理汽油機(jī)未燃hc的生成機(jī)理也適用于柴油機(jī)，但由于兩者的燃燒方式和所用燃料的不同，故柴油機(jī)的碳?xì)渑欧盼镉衅渥陨淼奶攸c(diǎn)，柴油中的碳?xì)浠衔锉绕椭械奶細(xì)浠衔锓悬c(diǎn)要高、

17、分子量大，柴油機(jī)的燃燒方式使油束中燃油的熱解作用難以避免，故柴油機(jī)排氣中未燃或部分氧化的hc成份比汽油機(jī)的復(fù)雜。柴油機(jī)的燃料以高壓噴入燃燒室后，直接在缸內(nèi)形成可燃混合氣并很快燃燒，燃料在氣缸內(nèi)停留的時(shí)間較短，生成hc的相對(duì)時(shí)間也短，故其hc排放量比汽油機(jī)少。2.2.2 影響碳?xì)浠衔锷傻囊蛩匚慈糷c排放主要是由于缸內(nèi)混合氣過(guò)濃、過(guò)稀或局部混合不均引起燃燒不完全而導(dǎo)致的，造成燃燒不完全的因素大致有混合氣的質(zhì)量、發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行條件、燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)及點(diǎn)火與配氣正時(shí)等。1. 混合氣質(zhì)量的影響混合氣質(zhì)量的優(yōu)劣主要體現(xiàn)在燃油的霧化蒸發(fā)程度、混合氣的均勻性、空燃比和缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)的大小等方面?；旌蠚獾木鶆?/p>

18、性越差則hc排放越多。當(dāng)空燃比略大于理論空燃比時(shí)，hc有最小值；混合氣過(guò)濃或過(guò)稀均會(huì)發(fā)生不完全燃燒，廢氣相對(duì)過(guò)多則會(huì)使火焰中心的形成與火焰的傳播受阻甚至出現(xiàn)斷火，致使hc排放量增加。2. 運(yùn)行條件的影響1）汽油機(jī)運(yùn)行條件的影響（1）負(fù)荷的影響：發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)空燃比和轉(zhuǎn)速保持不變，并按最大功率調(diào)節(jié)點(diǎn)火時(shí)刻時(shí)，改變發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，對(duì)hc的相對(duì)排放濃度幾乎沒(méi)有影響。但當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，hc排放量絕對(duì)值將隨廢氣流量變大而幾乎呈線性增加。（2）轉(zhuǎn)速的影響：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)hc排放濃度的影響則非常明顯。轉(zhuǎn)速較高時(shí)，hc排放濃度明顯下降，這是由于氣缸內(nèi)混合氣的擾流混合、渦流擴(kuò)散及排氣擾流、混合程度的增大改善了氣

19、缸內(nèi)的燃燒過(guò)程、促進(jìn)了激冷層的后氧化，后者則促進(jìn)了排氣管內(nèi)的氧化反應(yīng)。（3）點(diǎn)火時(shí)刻的影響：點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)hc排放濃度的影響體現(xiàn)在點(diǎn)火提前角上。點(diǎn)火延遲（點(diǎn)火提前角減?。┛墒筯c排放下降，這是由于點(diǎn)火延遲使混合氣燃燒時(shí)的激冷壁面面積減小，同時(shí)使排氣溫度增高，促進(jìn)了hc在排氣管內(nèi)的氧化。但采用推遲點(diǎn)火，靠犧牲燃油經(jīng)濟(jì)性來(lái)降低hc排放是得不償失的。因此，點(diǎn)火延遲要適當(dāng)。（4）壁溫的影響：燃燒室的壁溫直接影響了激冷層厚度和hc的排氣后反應(yīng)。據(jù)研究，壁面溫度每升高1，hc排放濃度相應(yīng)降低0.63×10-61.04×10-6。因此提高冷卻介質(zhì)溫度有利于減弱壁面激冷效應(yīng)，降低hc排放。（5

20、）燃燒室面容比的影響：燃燒室面容比大，單位容積的激冷面積也隨之增大，激冷層中的未燃烴總量必然也增大。因此，降低燃燒室面容比是降低汽油機(jī)hc排放的一項(xiàng)重要措施。2）柴油機(jī)運(yùn)行條件的影響（1）噴油時(shí)刻的影響：柴油機(jī)噴油時(shí)刻（噴油提前角）決定了氣缸內(nèi)的溫度。噴油提前角增大，缸內(nèi)溫度較高，使hc排放量下降 。在一臺(tái)自然吸氣式直噴柴油機(jī)上進(jìn)行的試驗(yàn)證實(shí)：在13工況下，當(dāng) 偏離最佳值時(shí)，缸內(nèi)溫度及反應(yīng)區(qū)的氣體環(huán)境均發(fā)生變化。平均減小1°ca，hc的體積分?jǐn)?shù)平均增加8.97%；平均增加1°ca，hc平均下降1.97%。（2）噴油嘴噴孔面積的影響： 當(dāng)循環(huán)噴油量及噴油壓力不變時(shí)，改變噴孔面

21、積不僅改變了噴油時(shí)間的長(zhǎng)短，并且同時(shí)改變了油霧顆粒大小和射程的遠(yuǎn)近，即影響油氣混合的質(zhì)量，必將導(dǎo)致hc排放量的變化。有試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)：在13工況下，以噴孔直徑為0.23的四孔噴油嘴的噴孔面積為參考基礎(chǔ)，當(dāng)面積減小1%時(shí)，hc的體積分?jǐn)?shù)相應(yīng)減小1.23%；當(dāng)面積增加1%時(shí)，hc的體積分?jǐn)?shù)相應(yīng)增大7.71%。這說(shuō)明噴孔面積加大時(shí)，霧化和混合質(zhì)量變差，hc排放量增加幅度較大；反之，燃燒得到改善，但hc排放量降低幅度較小。（3）冷卻水進(jìn)水溫度的影響：冷卻水溫相對(duì)降低，將導(dǎo)致氣缸內(nèi)溫度降低，hc排放量會(huì)相對(duì)增加。試驗(yàn)證明：以冷卻水進(jìn)水溫度75為比較標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)進(jìn)水溫度下降到65時(shí)，13工況下的hc體積分?jǐn)?shù)平均

22、增加37.21%。（4）進(jìn)氣密度的影響：進(jìn)入柴油機(jī)的空氣密度降低，使缸內(nèi)空氣量減少，燃燒不完善，hc排放量一般會(huì)增加。試驗(yàn)證明：進(jìn)氣壓力在0.09670.0947mpa的變化范圍內(nèi)，空氣密度每下降1%，13工況下hc平均減少0.99%。2.3 氮氧化物2.3.1 氮氧化物的生成機(jī)理車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的氮氧化物nox包含no和no2，其中大部分是no，它們是n2在燃燒高溫下的產(chǎn)物。1. no的生成機(jī)理從大氣中的n2生成no的化學(xué)機(jī)理是擴(kuò)展的澤爾多維奇（zeldovitch）機(jī)理。在化學(xué)計(jì)量混合比（=1）附近導(dǎo)致生成no和使其消失的主要反應(yīng)式為： o2 2o （2-6）o n2 no o （2-7）

23、n o2 no o （2-8）n oh no h （2-9）反應(yīng)式(2-9)主要發(fā)生在非常濃的混合氣中，no在火焰的前鋒面和離開(kāi)火焰的已燃?xì)庵猩?。汽油機(jī)中的燃燒在高壓下進(jìn)行，并且燃燒過(guò)程進(jìn)行得很快，反應(yīng)層很?。s0.1mm）且反應(yīng)時(shí)間很短。早期燃燒產(chǎn)物受到壓縮而溫度上升，使得已燃?xì)怏w溫度高于剛結(jié)束燃燒的火焰帶的溫度，因此除了混合氣很稀的區(qū)域外，大部分no在離開(kāi)火焰帶的已燃?xì)庵邪l(fā)生，只有很少部分no產(chǎn)生在火焰帶中。也就是說(shuō)，燃燒和no的產(chǎn)生是彼此分離的，應(yīng)主要考慮已燃?xì)怏w中no的生成。no的生成主要與溫度有關(guān)。圖2-8表示正辛烷與空氣的均勻混合氣在4mpa壓力下等壓燃燒時(shí)，計(jì)算得到的燃燒生成的

24、no平衡摩爾分?jǐn)?shù)與溫度t及過(guò)量空氣系數(shù)的關(guān)系。從圖2-8中可以看出：在 >1的稀混合氣區(qū)，noe隨溫度的升高而迅速增大；在一定的溫度下，noe隨混合氣的加濃而減少。當(dāng)<1以后，由于氧不足，noe隨的減小而急劇下降。因此可以得出以下結(jié)論：在稀混合氣區(qū)no的生成主要是溫度起作用；在濃混合氣區(qū)主要是氧濃度起作用。圖2-8中的虛線表示對(duì)應(yīng)絕熱火焰溫度下的no平衡摩爾分?jǐn)?shù)。絕熱溫度指混合氣燃燒后釋放的全部熱量減去因自身加熱和組成變化所消耗的熱量而達(dá)到的溫度，它是過(guò)程中可能達(dá)到的最高燃燒溫度。一般情況下，絕熱火焰溫度在稍濃混合氣（略小于1）時(shí)達(dá)到最高值，但由于此時(shí)缺氧，故no排放值不是最高，所

25、以，noe最大值出現(xiàn)在稍稀的混合氣中（稍大于1）中。若混合氣過(guò)稀，火焰溫度大大下降，使no排放降低。圖2-9 溫度對(duì)總量化學(xué)反應(yīng)n2 + o2 2no進(jìn)展快慢的影響（過(guò)量空氣系數(shù)=1.1，壓力為10mpa）生成no的過(guò)程中，達(dá)到no的平衡摩爾分?jǐn)?shù)需要較長(zhǎng)時(shí)間。圖2-9表示在不同溫度下no生成的總量化學(xué)反應(yīng)式n2 + o2 2no的進(jìn)展快慢，用no摩爾分?jǐn)?shù)的瞬時(shí)值no與其平衡值noe之比表示。從圖中可以看出，反應(yīng)溫度越低，則達(dá)到平衡摩爾分?jǐn)?shù)所需時(shí)間越長(zhǎng)，并且no的生成反應(yīng)比發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒反應(yīng)慢?？梢?jiàn)溫度越高，氧濃度越高，反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，no的生成量越多。所以對(duì)no的主要控制方法就是降低最高燃燒溫度

26、。發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中因?yàn)槿紵?jīng)歷時(shí)間極短（只有幾毫秒），溫度的上升和下降都很迅速，故no的生成不能達(dá)到平衡狀態(tài)，且分解所需的時(shí)間也不足，所以在膨脹過(guò)程初期反應(yīng)就凍結(jié)，使no以不平衡狀態(tài)時(shí)的濃度被排出。從燃料燃燒過(guò)程看，最初燃燒部分（火花塞附近）產(chǎn)生的no約占其最大濃度的50%（其中有相當(dāng)部分后來(lái)被分解）；隨后燃燒的部分所產(chǎn)生的no濃度很小且?guī)缀醪辉俜纸猓虼薾o的排放不能按平衡濃度的方法計(jì)算，只能由局部的燃燒溫度及其持續(xù)時(shí)間決定。2. no2的生成機(jī)理汽油機(jī)排氣中的no2濃度與no的濃度相比可忽略不計(jì)，但在柴油機(jī)中no2可占到排氣中總nox的10%30%。目前對(duì)no2生成機(jī)理的研究還不透徹，大致上

27、認(rèn)為no在火焰區(qū)可以迅速轉(zhuǎn)變成no2，反應(yīng)機(jī)理如下： no ho2 no2 oh （2-10）然后no2又通過(guò)下述反應(yīng)式轉(zhuǎn)變?yōu)閚o no2o noo2 （2-11）只有在no2生成后，火焰被冷的空氣所激冷，no2才能保存下來(lái)，因此汽油機(jī)長(zhǎng)期怠速會(huì)產(chǎn)生大量no2。柴油機(jī)在小負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，燃燒室中存在很多低溫區(qū)域，可以抑制no2向no的再轉(zhuǎn)化而使no2的濃度增大。no2也會(huì)在低速下在排氣管中生成，因?yàn)榇藭r(shí)排氣在有氧條件下停留較長(zhǎng)時(shí)間。2.3.2 影響nox生成的因素1. 影響汽油機(jī)nox排放的因素1）過(guò)量空氣系數(shù)和燃燒室溫度的影響由于直接影響燃燒時(shí)的氣體溫度和可利用的氧濃度，所以對(duì)nox生成的影響是

28、很大的。當(dāng)小于1時(shí)，由于缺氧即使燃燒室內(nèi)溫度很高nox的生成量仍會(huì)隨著的降低而降低，此時(shí)氧濃度起著決定性作用；但當(dāng)大于1時(shí)，nox生成量隨溫度升高而迅速增大，此時(shí)溫度起著決定性作用。由于燃燒室的最高溫度通常出現(xiàn)在1.1，且此時(shí)也有適量的氧濃度，故nox排放濃度出現(xiàn)峰值。如果進(jìn)一步增大，溫度下降的作用占優(yōu)勢(shì)，則導(dǎo)致no生成量減少。2）殘余廢氣分?jǐn)?shù)的影響圖2-10 排氣中no的體積分?jǐn)?shù)隨點(diǎn)火提前角的變化汽油機(jī)中燃燒室內(nèi)的混合氣由空氣、已蒸發(fā)的燃油蒸氣和已燃?xì)饨M成，后者是前一工作循環(huán)留下的殘余廢氣，或由廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（egr）中從排氣管回流到進(jìn)氣管并進(jìn)入氣缸的燃燒廢氣。殘余廢氣分?jǐn)?shù)i定義為：缸內(nèi)殘余

29、廢氣質(zhì)量mi與進(jìn)氣終了氣缸內(nèi)充量質(zhì)量mc之比，即 i=mi/mc (2-12)式中：mc=memimr，me和mr分別為進(jìn)入氣缸的空氣和燃油質(zhì)量。殘余廢氣分?jǐn)?shù)主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速。減小發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷即減小節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和提高轉(zhuǎn)速，均加大了進(jìn)氣阻力，使殘余廢氣分?jǐn)?shù)增大。壓縮比較高的發(fā)動(dòng)機(jī)殘余廢氣分?jǐn)?shù)較小。通過(guò)廢氣再循環(huán)可大大增加氣缸中的殘余廢氣分?jǐn)?shù)。當(dāng)可燃混合氣中廢氣分?jǐn)?shù)增大時(shí)，既減小了可燃?xì)獾陌l(fā)熱量又增大了混合氣的比熱容，都使最高燃燒溫度下降，從而使no排放降低。3）點(diǎn)火時(shí)刻的影響由于點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)燃燒室內(nèi)溫度和壓力有明顯影響，故其對(duì)no生成的影響也很大。圖2-10表示了三種空燃比下排氣中no的體積

30、分?jǐn)?shù)隨點(diǎn)火提前角的變化趨勢(shì)。從該圖可以看出：隨著的減小，no排放量不斷下降；當(dāng)值很小時(shí)，下降速率趨緩。增大點(diǎn)火提前角使較大部分燃料在壓縮上止點(diǎn)前燃燒，增大了最高燃燒壓力值，從而導(dǎo)致較高的燃燒溫度，并使已燃?xì)庠诟邷叵峦Ａ舻臅r(shí)間較長(zhǎng)，這兩個(gè)因素都將導(dǎo)致no排放量增大。因此延遲點(diǎn)火和使用比理論混合氣較濃或較稀的混合氣都能使no排放降低，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率降低，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，因此應(yīng)慎重對(duì)待。2. 影響柴油機(jī)nox排放的因素柴油機(jī)與汽油機(jī)的主要差別之一在于燃油是在燃燒剛要開(kāi)始前才噴入燃燒室的，燃燒期間燃油分布不均勻，引起已燃?xì)怏w中溫度和成分不均勻。上述影響汽油機(jī)nox

31、 圖2-11 車(chē)用柴油機(jī)燃油消耗率、煙度、氣體排放co、nox、hc隨噴油提前角的變化排放的大部分因素也適用于柴油機(jī)。與汽油機(jī)一樣，柴油機(jī)氣缸內(nèi)達(dá)到的最高燃燒溫度也有控制no生成的作用。在燃燒過(guò)程中最先燃燒的混合氣量（緊接著滯燃期的預(yù)混合燃燒）對(duì)no的生成量有很大影響 。因?yàn)檫@部分混合氣在隨后的壓縮過(guò)程中由于被壓縮，使溫度升到較高值，從而導(dǎo)致no生成量的增加。然后這些燃?xì)庠谂蛎涍^(guò)程中膨脹并與空氣或溫度較低的燃?xì)饣旌?，凍結(jié)已生成的no。因此，在燃燒室中存在溫度較低的空氣是壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的第二個(gè)獨(dú)特之處。這也就是柴油機(jī)中no成分的凍結(jié)發(fā)生得比汽油機(jī)早以及no的分解傾向較小的原因。1）噴油定時(shí)的影響

32、試驗(yàn)表明，柴油機(jī)氣缸內(nèi)no生成率大約從燃燒開(kāi)始后20ca內(nèi)達(dá)到最大值，其數(shù)值大小大致與預(yù)混燃燒期內(nèi)燃燒的混合氣數(shù)量成正比。噴油提前角減小，使燃燒推遲，燃燒溫度較低，生成的nox較少。這種推遲噴油的方法是降低柴油機(jī)nox 圖2-12 傳統(tǒng)柴油機(jī)的典型放熱規(guī)律（虛線）與低排放柴油機(jī)的優(yōu)化放熱規(guī)律（實(shí)線）1-推遲燃燒始點(diǎn)，降低nox排放；2-降低初始燃燒溫度減少nox生成；3-維持中期快速燃燒和燃燒溫度，降低微粒排放；4-縮短擴(kuò)散燃燒期，降低燃料消耗率、排氣溫度和微粒排放排放的最簡(jiǎn)單易行且有效的方法，但會(huì)使燃油消耗率略有提高。圖2-11表示現(xiàn)代車(chē)用柴油機(jī)的噴油定時(shí)在從上止點(diǎn)前8ca4ca范圍內(nèi)變化時(shí)

33、，柴油機(jī)性能和排放的相對(duì)變化趨勢(shì)。2）放熱規(guī)律的影響圖2-12表示柴油機(jī)燃燒放熱規(guī)律的兩種模式：傳統(tǒng)放熱規(guī)律模式（虛線）和低排放放熱規(guī)律模式（實(shí)線）。圖中c為燃料已燃質(zhì)量分?jǐn)?shù)，dc/d為放熱率。傳統(tǒng)模式在壓縮上止點(diǎn)前即由于不可控預(yù)混合燃燒而出現(xiàn)一個(gè)很高的放熱率尖峰，接著是由于擴(kuò)散燃燒造成的一個(gè)平緩的放熱率峰。前者導(dǎo)致生成大量no；而后者（緩慢拖拉的燃燒）導(dǎo)致柴油機(jī)熱效率惡化，微粒排放增加。低排放放熱模式一般都在上止點(diǎn)后開(kāi)始放熱，第一峰值較低，使nox生成較少；中期擴(kuò)散燃燒盡可能加速，使燃燒過(guò)程提前結(jié)束，不僅提高熱效率，也能降低微粒排放。3）負(fù)荷與轉(zhuǎn)速的影響柴油機(jī)的nox排放與負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的關(guān)系如

34、圖2-13所示。nox排放隨負(fù)荷增大而顯著增加，這是因?yàn)殡S負(fù)荷增大可燃混合氣的平均空燃比減小，使燃燒壓力和溫度提高所致。但當(dāng)負(fù)荷超過(guò)某一限度時(shí)，nox的摩爾分?jǐn)?shù)反而下降，這是因?yàn)槿紵抑醒跸鄬?duì)缺少而導(dǎo)致燃燒惡化，溫度提高的效果被氧含量的相對(duì)減少所抵消，甚至有余。此情形在超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)更為明顯。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)nox排放的影響比負(fù)荷的影響小。對(duì)非增壓柴油機(jī)，一般最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速下的nox體積分?jǐn)?shù)大于標(biāo)定轉(zhuǎn)速下的值，其原因主要在于低轉(zhuǎn)速下，nox生成反應(yīng)占有較多的時(shí)間。圖2-13 柴油機(jī)不同負(fù)荷下的nox排放和對(duì)應(yīng)的空燃比（直噴式自然吸氣車(chē)用柴油機(jī)，6×102mm×118mm，=16.5

35、）2.4 微粒2.4.1 微粒的生成機(jī)理1. 汽油機(jī)微粒的生成機(jī)理汽油機(jī)中的排氣微粒有三種來(lái)源：含鉛汽油中的鉛、有機(jī)微粒（包括碳煙）、來(lái)自汽油中的硫所產(chǎn)生的硫酸鹽。車(chē)用汽油機(jī)用含鉛量0.15g/l的含鉛汽油運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，微粒排放量在100150mg/km范圍內(nèi)，其主要成分為鉛化合物，鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)占25%60%，微粒尺寸分布為80%的直徑小于0.2m，這種微粒是由排氣中的鉛鹽冷凝生成的。因此，以質(zhì)量計(jì)的排放量在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)較高。目前，由于含鉛汽油的淘汰及貴金屬三效催化劑的應(yīng)用，鉛微粒當(dāng)然也不再排放。硫酸鹽排放主要涉及在排氣系統(tǒng)中有氧化催化劑的車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)。汽油中的硫在燃燒中轉(zhuǎn)化為so2，被排氣系統(tǒng)中催化

36、劑氧化成so3后，與水結(jié)合生成硫酸霧。因此，汽油機(jī)硫酸鹽的排放量直接取決于汽油中的硫含量。碳煙排放只在使用很濃的混合氣時(shí)才會(huì)遇到，對(duì)調(diào)整良好的汽油機(jī)不是主要問(wèn)題。此外當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)狀態(tài)不良（例如氣缸活塞組嚴(yán)重磨損），導(dǎo)致潤(rùn)滑油消耗很大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生排氣冒藍(lán)煙，這是未燃燒潤(rùn)滑油微粒構(gòu)成的氣溶膠。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能明顯惡化，需立即檢修。2. 柴油機(jī)微粒的生成機(jī)理1）排氣微粒的組成與特征柴油機(jī)排氣微粒由很多原生微球的聚集體而成，總體結(jié)構(gòu)為團(tuán)絮狀或鏈狀。柴油機(jī)排氣微粒的組成取決于柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況，尤其是排氣溫度。當(dāng)排氣溫度超過(guò)500c時(shí)，排氣微粒基本上是很多碳質(zhì)微球的聚集體，稱(chēng)為碳煙，也稱(chēng)為煙粒（ds）；當(dāng)排氣

37、溫度低于500c時(shí)（柴油機(jī)的絕大部分工況），煙粒會(huì)吸附和凝聚多種有機(jī)物，稱(chēng)為有機(jī)可溶成份（sof）。這些有機(jī)物在一定溫度下可以揮發(fā)，而且絕大部分能溶解于一定的有機(jī)溶劑中，它在微粒中的含量變化范圍很廣，可從10%90%，其含量決定于燃油性質(zhì)、發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型及運(yùn)轉(zhuǎn)工況。如果沿柴油機(jī)的排氣管道測(cè)試取樣，可發(fā)現(xiàn)微粒粒度不斷增大，且由于排氣中的有機(jī)化合物不斷吸附冷凝在微粒上，使排氣中sof含量增加。柴油機(jī)微粒排放包括我們平日所說(shuō)的白煙、藍(lán)煙、黑煙。其中白煙、藍(lán)煙中有較高的h/c比，其主要成份為未燃的燃料微粒，藍(lán)煙中還有竄入燃燒室的潤(rùn)滑油成份。白煙微粒直徑在1.3m左右，通常在冷起動(dòng)和怠速工況時(shí)發(fā)生，改善起動(dòng)

38、性能后則減少，暖機(jī)后則消失。藍(lán)煙微粒直徑較小，在0.4m左右，通常在柴油機(jī)未完全預(yù)熱或低溫、小負(fù)荷時(shí)發(fā)生，在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后消失。白煙與藍(lán)煙并無(wú)本質(zhì)區(qū)別，只是由于微粒大小不同，使光照顯色有異。黑煙也就是碳煙通常在大負(fù)荷時(shí)發(fā)生，具有較低的h/c值，煙中含有比重大、顆粒細(xì)微的碳粒子，其最小單元為片晶。片晶按一定方向隨機(jī)排列聚結(jié)成碳晶粒子，其粒徑大多在（50500）×10-4m之間。在柴油機(jī)排氣中碳晶粒子以球狀凝結(jié)物形式出現(xiàn)，其直徑由單粒的大約0.01m到聚合物的1030m。微粒中的sof成分包括各種未燃碳?xì)浠衔铩⒑跤袡C(jī)物（醛類(lèi)、酮類(lèi)、酯類(lèi)、醚類(lèi)、有機(jī)酸類(lèi)等）和多環(huán)芳烴（pah）及其含

39、氧和含氮衍生物等。微粒的凝聚物中還包括少量無(wú)機(jī)物如so2、no2和硫酸等，還有少量來(lái)自燃油和來(lái)自潤(rùn)滑油的鈣、鐵、硅、鉻、鋅、磷等元素的化合物。排氣微粒通常用溶液萃取等分析方法分成ds和sof兩部分。一般來(lái)說(shuō)，sof占pt質(zhì)量的15%30%。發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷越小，sof所占比例越大，這與溫度的影響一致。由放射性示蹤研究表明，碳煙中基本不含潤(rùn)滑油成分，后者全部進(jìn)入sof，在不同機(jī)型和不同工況下占sof質(zhì)量的15%80%。燃油產(chǎn)生的物質(zhì)有80%進(jìn)入ds，20%進(jìn)入sof。2）煙粒的生成機(jī)理柴油機(jī)排放的煙粒主要由燃油中的碳生成，并受燃油種類(lèi)、燃油分子中的碳原子數(shù)及氫原子比的影響。雖然對(duì)微粒的生成機(jī)理已進(jìn)行了

40、大量的基礎(chǔ)研究，但至今仍不很成熟。一般認(rèn)為，柴油機(jī)碳煙也是不完全燃燒產(chǎn)物，是燃料在高溫缺氧條件下經(jīng)過(guò)裂解脫氫以后的產(chǎn)物。從高溫裂解的觀點(diǎn)出發(fā)，可以說(shuō)碳煙微粒是在擴(kuò)散火焰中燃油較濃的燃燒區(qū)形成的。柴油機(jī)煙粒的生成和長(zhǎng)大過(guò)程一般可分為兩個(gè)階段：（1）煙粒生成階段：這是一個(gè)誘導(dǎo)期，期間燃料分子經(jīng)過(guò)其氧化中間產(chǎn)物或熱解產(chǎn)物萌生凝聚相。在這些產(chǎn)物中有各種不飽和的烴類(lèi)，特別是乙炔及其較高階的同系物cnh2n-2和pah，這類(lèi)分子已被認(rèn)為是火焰中形成碳煙粒子最可能的先兆物。這類(lèi)粒子的生成有兩種途徑：其一，在高溫（20003500k）富油缺氧區(qū)（如在擾流擴(kuò)散火焰出現(xiàn)的噴注心部），已形成氣相的燃油分子通過(guò)裂解和

41、脫氫過(guò)程，經(jīng)過(guò)核化形成先期產(chǎn)物。其二，在低于1500k的低溫區(qū)（如燃燒室壁等非火焰區(qū)），則通過(guò)聚合和冷凝過(guò)程，緩慢產(chǎn)生較大分子量的物質(zhì)，最后也生成碳煙微粒。（2）煙粒長(zhǎng)大階段：包括表面生長(zhǎng)和聚集兩種形式。表面生長(zhǎng)指煙粒表面粘住來(lái)自氣相的物質(zhì)使其質(zhì)量增大，同時(shí)還發(fā)生脫氫反應(yīng)，但不會(huì)改變煙粒數(shù)量。而聚集過(guò)程指通過(guò)碰撞使煙粒長(zhǎng)大，煙粒數(shù)量減少，生成鏈狀或團(tuán)絮狀的聚集物。在柴油機(jī)中，煙粒聚集過(guò)程常與煙粒在空氣中的氧化過(guò)程同時(shí)發(fā)生，即在燃燒早期生成的碳煙微粒，在溫度高于碳反應(yīng)溫度（約1000c）的富氧區(qū)和擾流火焰出現(xiàn)的地方，在燃燒后期可能和氧混合而完全燃燒。煙粒排放量取決于煙粒生成反應(yīng)和氧化反應(yīng)之間的平

42、衡情況。對(duì)于煙粒的開(kāi)始生成，可燃混合氣的碳氧原子比是重要的影響因素。其當(dāng)量反應(yīng)式為（c、h、o分別表示c、h、o的原子數(shù)）： 圖2-14 碳?xì)淙剂先紵龝r(shí)煙粒生成的溫度t與過(guò)量空氣系數(shù)的關(guān)系(區(qū)間內(nèi)的密度，定性表示煙粒生成比例) cchh + 0.5oo2 oco + 0.5hh2 + (c-o)cs (2-13)式中，當(dāng)c>o，即c/o>1時(shí)碳煙cs>0，此時(shí)開(kāi)始生成煙粒。圖2-14表示碳?xì)浠衔镌谌紵鳁l件下，預(yù)混合火焰中生成煙粒的溫度和過(guò)量空氣系數(shù)的關(guān)系，組成柴油的各種烴類(lèi)生成煙粒的條件基本上也在這個(gè)范圍內(nèi)。由該圖可見(jiàn)，煙粒在極濃的混合氣中生成，且在16001700k溫度

43、范圍內(nèi)，煙粒生成比例達(dá)到最大值。圖2-15則表示柴油機(jī)在燃燒中，生成煙粒和nox的溫度與過(guò)量空氣系數(shù)的關(guān)系，及柴油機(jī)壓縮上止點(diǎn)附近各種的混合氣在燃燒前后的溫度。由該圖可見(jiàn)，<0.5的混合氣燃燒后必定產(chǎn)生煙粒。要使柴油機(jī)燃燒后煙粒和nox都很少，應(yīng)在0.60.9之間。實(shí)際燃燒區(qū)內(nèi)當(dāng)>0.9時(shí)，nox生成量增加；當(dāng)<0.6時(shí)則煙粒生成量增加。柴油機(jī)混合氣在預(yù)混合燃燒中的各種典型狀態(tài)的變化如圖2-15a）上各箭頭所示。在預(yù)混合燃燒中，由于燃油在空氣中分布不均勻，既生成煙粒，也生成nox，只有很少部分燃油形成=0.60.9的混合氣。所以，為降低柴油機(jī)排放，應(yīng)縮短滯燃期和控制滯燃期內(nèi)噴

44、油量，使盡可能多的混合氣的控制在0.60.9之間。柴油機(jī)擴(kuò)散燃燒中混合氣的狀態(tài)變化如圖2-15 b）中各箭頭所示。變化路線上的數(shù)字表示燃油進(jìn)入燃燒室時(shí)所直接接觸的缸內(nèi)混合氣的值。從圖上可以看出，噴入<4的混合氣區(qū)內(nèi)的燃油都會(huì)生成煙粒。在溫度彽于煙粒生成溫度的過(guò)濃混合氣中，將生成不完全燃燒的液態(tài)hc。在擴(kuò)散燃燒階段，為減少生成的煙粒，應(yīng)避免燃油與高溫缺氧的燃?xì)饣旌?。?qiáng)烈的氣流運(yùn)動(dòng)和細(xì)微的燃油霧化，都有助于燃油與空氣的混合均勻性、增大燃燒區(qū)的實(shí)際過(guò)量空氣系數(shù)。噴油結(jié)束后，燃?xì)馀c空氣進(jìn)一步混合，其狀態(tài)變化趨勢(shì)如圖2-16 b）上虛線箭頭所示。 過(guò)量空氣系數(shù) 過(guò)量空氣系數(shù)a）預(yù)混合燃燒 b）擴(kuò)散

45、燃燒圖2-15 柴油機(jī)燃燒過(guò)程中生成煙粒和nox的溫度與過(guò)量空氣系數(shù)的關(guān)系以及典型燃料單元在燃燒過(guò)程中的狀態(tài)變化（3）煙粒的氧化在煙粒的整個(gè)生成過(guò)程中，不論是先兆物、晶核還是聚集物，都可能發(fā)生氧化。用專(zhuān)門(mén)的測(cè)試方法可測(cè)得，柴油機(jī)氣缸內(nèi)的煙粒峰值濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于排放濃度，說(shuō)明燃燒過(guò)程所生成的煙粒大部分已在排氣過(guò)程開(kāi)始前被氧化掉。在火焰中出現(xiàn)的多種化學(xué)物質(zhì)，如o2、o、oh、co2、ho2等，可能參與煙粒的多相燃燒反應(yīng)。在氧是重要氧化劑的稀混合氣火焰中，由于大聚集物的破碎，煙粒的數(shù)目會(huì)增加；在oh基是主要氧化劑的濃混合氣火焰中，oh基以很高的反應(yīng)活性起作用，而不會(huì)使聚集物破碎。由于煙粒的氧化為其表面的

46、多相反應(yīng)，故聚集作用對(duì)氧化不利。氧化作用需要有一定的溫度，至少在700800，故只能在燃燒過(guò)程和膨脹過(guò)程進(jìn)行。在柴油機(jī)氣缸內(nèi)高壓條件下，煙粒的氧化速度很高。從開(kāi)始氧化的3ms內(nèi)，就可以氧化掉已生成碳煙總質(zhì)量的90%以上。隨后的氧化，則取決于碳煙與空氣的混合速率，并隨著膨脹過(guò)程逐漸緩慢下來(lái)。煙粒的多相氧化產(chǎn)物主要是co，而不是co2。故排放的煙粒通常只占在燃燒室中出現(xiàn)的數(shù)量的很小比例（<10%）。（4）sof的吸附與凝結(jié)柴油機(jī)排氣微粒生成過(guò)程的最后階段，是組成sof的重質(zhì)有機(jī)化合物向煙粒聚集物的凝結(jié)與吸附，這個(gè)階段主要發(fā)生在燃?xì)鈴陌l(fā)動(dòng)機(jī)排出并被空氣稀釋之時(shí)，通過(guò)吸附與凝結(jié)使煙粒表面覆蓋so

47、f。 吸附是未燃的碳?xì)浠衔锘蛭赐耆紵挠袡C(jī)物分子通過(guò)化學(xué)鍵力或物理（范德華）力粘附在碳煙粒子表面上。這個(gè)過(guò)程取決于煙粒具有的可吸附物質(zhì)的總表面以及驅(qū)動(dòng)吸附過(guò)程的吸附質(zhì)的分壓力。當(dāng)排氣的稀釋比增大、溫度下降時(shí)，煙粒表面活性吸附點(diǎn)的增加起主要作用，使sof增加。但當(dāng)溫度下降過(guò)多時(shí)，吸附質(zhì)分壓力減小，sof下降。 凝結(jié)發(fā)生在煙粒周?chē)臍怏w有機(jī)物的蒸氣壓力超過(guò)其飽和蒸氣壓時(shí)。增大稀釋比會(huì)減小氣體有機(jī)物的濃度，因而降低其蒸氣壓。此外，降低溫度也會(huì)使飽和蒸氣壓降低。最容易凝結(jié)的是排氣中的低揮發(fā)性的有機(jī)物，其來(lái)源為未燃燃油中的重餾份、已經(jīng)熱解但未燃燒的不完全燃燒有機(jī)物及竄入燃燒室的潤(rùn)滑油微粒。若柴油機(jī)排

48、氣中未解hc濃度高，則冷凝作用強(qiáng)烈。圖2-16 負(fù)荷與轉(zhuǎn)速對(duì)微粒排放的影響2.4.2 影響微粒生成的因素1. 負(fù)荷與轉(zhuǎn)速的影響圖2-16為柴油機(jī)的微粒排放量與負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的關(guān)系。由該圖可看出：在高速小負(fù)荷時(shí)，單位油耗的微粒排放量較高，且隨負(fù)荷的增加，微粒排放量降低；而在低速大負(fù)荷時(shí)，微粒排放量又由于燃空比的增加而有所升高。微粒排放量隨負(fù)荷有這樣的變化趨勢(shì)，是由于小負(fù)荷時(shí)燃空比和溫度均較低，氣缸內(nèi)稀薄混合氣區(qū)較大，且處于燃燒界限之外而不能燃燒，造成了冷凝聚合的有利條件，從而有較多微粒（主要成份是未燃燃油成份和部分氧化反應(yīng)產(chǎn)物）生成；在大負(fù)荷時(shí)，燃空比和溫度均較高，造成了裂解和脫氫的有利條件，使微粒（主要成份是碳煙）排放量又有了升高；在接近全負(fù)荷時(shí)微粒排放急劇增加（接近冒煙界限），這時(shí)雖然總體過(guò)量空氣系數(shù)尚大于1，但由于燃燒室內(nèi)可燃混合氣不均勻，局部會(huì)有過(guò)濃，導(dǎo)致煙粒大量生成。 微粒排放量與轉(zhuǎn)速有如此變化關(guān)系，是由于在小負(fù)荷時(shí)溫度低，以未燃油滴為主的微粒的氧化作用微弱。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，這種氧化作用又受到時(shí)間因素的制約，故微粒排放量隨轉(zhuǎn)速升高而增加；在