第二章 汽車排放污染物的生成機理

1、汽車環(huán)境與保護汽車環(huán)境與保護第二章第二章汽車排放污染物的生成機理和影響因素汽車排放污染物的生成機理和影響因素汽油機和柴油機的燃燒特點對比汽油機和柴油機的燃燒特點對比汽油車排放污染物的生成機理及其影響汽油車排放污染物的生成機理及其影響柴油車排放污染物的生成機理及其影響柴油車排放污染物的生成機理及其影響一一、汽油機和柴油機的燃燒特點不同汽油機和柴油機的燃燒特點不同污染生成機理也不同。污染生成機理也不同。汽油機使用汽油機使用C C4 4-C-C1111的碳氫的碳氫化合物作燃料，需要燃油化合物作燃料，需要燃油和空氣在外部形成比較均和空氣在外部形成比較均勻的的混合氣進入汽缸后，勻的的混合氣進入汽缸后，用

2、火花塞點燃，燃燒方式用火花塞點燃，燃燒方式為為預(yù)混合燃燒預(yù)混合燃燒。柴油機使用柴油機使用C C1212-C-C2323的碳氫的碳氫化合物作燃料，不易揮發(fā)，化合物作燃料，不易揮發(fā)，著火溫度低，容易自燃，著火溫度低，容易自燃，柴油機靠壓縮提高缸內(nèi)混柴油機靠壓縮提高缸內(nèi)混合氣的溫度使其自燃；燃合氣的溫度使其自燃；燃燒方式為燒方式為擴散燃燒擴散燃燒。（課本（課本P10P10頁頁) )汽車排放污染的主要起因與燃料汽車排放污染的主要起因與燃料的燃燒過程密切相關(guān)的燃燒過程密切相關(guān)目前汽車常用的燃料汽油和柴油均屬于石油制品，是目前汽車常用的燃料汽油和柴油均屬于石油制品，是由碳（由碳（C C）和氫（）和氫（H

3、H）組成的烴化合物。）組成的烴化合物。二、發(fā)動機排放污染物的生成機理二、發(fā)動機排放污染物的生成機理汽油機燃燒必須具備汽油機燃燒必須具備兩個條件：兩個條件：一是空氣和燃料和混一是空氣和燃料和混合氣成分（空燃比）合氣成分（空燃比）應(yīng)處在可燃界限內(nèi)應(yīng)處在可燃界限內(nèi)（一般在（一般在10-1910-19之間）之間）二是火花塞應(yīng)具備有二是火花塞應(yīng)具備有足夠的點火能量（最足夠的點火能量（最小點火能量小點火能量40-120MJ40-120MJ）才能可靠地點燃混合才能可靠地點燃混合氣。氣。1 1、一氧化碳的生成機理、一氧化碳的生成機理2222mnmnC HOmCOH汽車尾氣中汽車尾氣中COCO的產(chǎn)生是燃燒不充分

4、所致，的產(chǎn)生是燃燒不充分所致，是氧氣不足而生成的中間產(chǎn)物。是氧氣不足而生成的中間產(chǎn)物。燃氣中的氧氣量充足時，理論上燃料燃燒后不燃氣中的氧氣量充足時，理論上燃料燃燒后不會存在會存在COCO。但當氧氣量不足時，就會有部分燃。但當氧氣量不足時，就會有部分燃料不能完全燃燒，而生成料不能完全燃燒，而生成COCO。COCO的產(chǎn)生是燃燒不充分所致，是氧氣不足而生成的的產(chǎn)生是燃燒不充分所致，是氧氣不足而生成的中間產(chǎn)物。下列原因產(chǎn)生部分中間產(chǎn)物。下列原因產(chǎn)生部分COCO（1 1）燃料不完全燃燒。）燃料不完全燃燒。（2 2）混合氣混合不均勻。）混合氣混合不均勻。（3 3） COCO2 2和和H H2 2O O在高

5、溫時裂解。在高溫時裂解。汽油機汽油機COCO排放量排放量xCOxCO與與 及過量空氣系數(shù)及過量空氣系數(shù)a a的關(guān)系的關(guān)系 過量空氣系數(shù)過量空氣系數(shù)燃燒燃燒1kg1kg燃油實際提供的空氣量與理論上所需要的燃油實際提供的空氣量與理論上所需要的空氣量之比，稱之為過量空氣系數(shù)：空氣量之比，稱之為過量空氣系數(shù)：燃油理論上所需空氣量燃燒燃油實際提供的空氣量燃燒過量空氣系數(shù)kgkg11 =1 =1；標準混合氣。標準混合氣。 1 1 1；稀混合氣，稀混合氣，=1.031.1=1.031.1；功率混合氣。功率混合氣。=0.40.5=0.40.5；燃燒下限；燃燒下限；=1.31.4=1.31.4；燃燒上限。燃燒上

6、限?？刂瓶刂艭OCO排放量大小的主要因素是排放量大小的主要因素是可燃混合氣的過量空氣系數(shù)可燃混合氣的過量空氣系數(shù)a a a a 1 11時時 ，COCO的排放量較小。的排放量較小。a a =1.0 =1.01.11.1時，時，COCO的排放的排放量變化較復(fù)雜。量變化較復(fù)雜。柴油機一氧化碳的生成機理柴油機一氧化碳的生成機理燃料與空氣混合不均勻，局部缺氧和低溫，燃燒區(qū)燃料與空氣混合不均勻，局部缺氧和低溫，燃燒區(qū)停留時間較短，小負荷時盡管停留時間較短，小負荷時盡管a a很大，很大，COCO排放量反排放量反而上升。而上升。柴油機一氧化碳的生成機理柴油機一氧化碳的生成機理a a =1.5 =1.53 3

7、，COCO排放量要比汽排放量要比汽油機低得多。油機低得多。a a =1.2 =1.21.31.3，COCO的排放量才大的排放量才大量增加。量增加。影響一氧化碳生成的因素影響一氧化碳生成的因素 空燃比空燃比可燃混合氣中空氣質(zhì)量與燃油質(zhì)量可燃混合氣中空氣質(zhì)量與燃油質(zhì)量之比為空燃比，空燃比之比為空燃比，空燃比A/F(AA/F(A：air-air-空氣，空氣，F(xiàn) F：fuel-fuel-燃料燃料) )表示空表示空氣和燃料的混合比。一般用每克燃氣和燃料的混合比。一般用每克燃料燃燒時所消耗的空氣的克數(shù)來表料燃燒時所消耗的空氣的克數(shù)來表示。示。各種燃料的理論空燃比是不相同的：各種燃料的理論空燃比是不相同的：

8、汽油為汽油為14.714.7，柴油為，柴油為14.314.3。 空燃比大于理論值的混合氣叫做稀空燃比大于理論值的混合氣叫做稀混合氣，氣多油少，燃燒完全，油混合氣，氣多油少，燃燒完全，油耗低，污染小，但功率較小?？杖己牡?，污染小，但功率較小?？杖急刃∮诶碚撝档幕旌蠚饨凶鰸饣旌媳刃∮诶碚撝档幕旌蠚饨凶鰸饣旌蠚猓瑲馍儆投?，功率較大，但燃燒氣，氣少油多，功率較大，但燃燒不完全，油耗高，污染大。不完全，油耗高，污染大。 2 2、碳氫化合物、碳氫化合物HCHC的生成機理的生成機理未燃HC生成與排放的途徑 漏入曲軸箱的竄氣中含有大量未燃燃料燃燒過程中未燃燒或燃燒不完全的碳氫燃料燃油蒸汽（1 1）汽油機未燃）

9、汽油機未燃HCHC的生成機理的生成機理碳氫化合物的生成機理火焰在壁面淬冷火焰在壁面淬冷冷起動、暖機和冷起動、暖機和怠速等工況下，怠速等工況下，壁面溫度較低，壁面溫度較低，淬熄層較厚，壁淬熄層較厚，壁面火焰淬熄是此面火焰淬熄是此類工況下未燃類工況下未燃HCHC的重要來源。的重要來源。狹隙效應(yīng)狹隙效應(yīng)火焰不能進入各火焰不能進入各種狹窄的間隙，種狹窄的間隙，便會產(chǎn)生未燃便會產(chǎn)生未燃HCHC。潤滑油膜對燃油蒸潤滑油膜對燃油蒸汽的吸附與解吸汽的吸附與解吸進氣過程中，潤進氣過程中，潤滑油膜溶解和吸滑油膜溶解和吸收了進入氣缸的收了進入氣缸的碳氫化合物。碳氫化合物。燃燒過程中， HC向已燃氣解吸。燃燒室內(nèi)沉積

10、物燃燒室內(nèi)沉積物的影響的影響沉積物使沉積物使HCHC排放排放增加。增加。體積淬熄體積淬熄燃燒室中壓力和燃燒室中壓力和溫度下降太快，溫度下降太快，可能使火焰熄滅?？赡苁够鹧嫦?。碳氫化合物的后碳氫化合物的后期氧化期氧化未燃燒的碳氫化未燃燒的碳氫化合物釋放出來，合物釋放出來，重新被全部或部重新被全部或部分氧化。分氧化。（2 2）柴油機未燃）柴油機未燃HCHC的生成機理的生成機理燃料在氣缸燃料在氣缸內(nèi)停留的時內(nèi)停留的時間較短，生間較短，生成成HCHC的相對的相對時間也短，時間也短，故故柴油機柴油機HCHC排放量比汽排放量比汽油機少。油機少。（3) 3) 影響碳氫化合物生成的因素影響碳氫化合物生成的因

11、素影響碳氫化合物生成的因素混合氣質(zhì)量混合氣質(zhì)量的影響的影響混合氣的均勻性越混合氣的均勻性越差則差則HC排放越多。排放越多。運行條件的運行條件的影響影響汽油機運行條件的汽油機運行條件的影響影響影響碳氫化合物生成的因素之一：影響碳氫化合物生成的因素之一：運行條件的運行條件的影響影響汽油機運行條件的影響汽油機運行條件的影響負荷增加時，HC排放量絕對值將隨廢氣流量變大而幾乎呈線性增加。負荷的影響轉(zhuǎn)速較高時，氣缸內(nèi)混合氣的擾流混合、渦流擴散及排氣擾流、混合程度的增大改善了氣缸內(nèi)的燃燒過程，HC排放濃度明顯下降。轉(zhuǎn)速的影響點火提前角減小可使HC排放下降。點火時刻的影響壁面溫度升高，HC排放濃度相應(yīng)降低。提

12、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。壁溫的影響燃燒室面容比大，單位容積的激燃燒室面容比大，單位容積的激冷面積也隨之增大，未燃烴總量冷面積也隨之增大，未燃烴總量必然也增大。降低燃燒室面容比必然也增大。降低燃燒室面容比是降低汽油機是降低汽油機HC排放的一項重排放的一項重要措施。要措施。燃燒室面容燃燒室面容比的影響比的影響負荷的影響負荷的影響轉(zhuǎn)速的影響轉(zhuǎn)速的影響點火時刻的點火時刻的影響影響壁溫的影響壁溫的影響燃燒室面容燃燒室面容比的影響比的影響影響碳氫化合物生成的因素之二：影響碳氫化合物生成的因素之二：運行條件的運行條件的影響影響柴油機運行條件的影響柴油機運行條件的影響噴油時刻的噴油

13、時刻的影響影響噴油嘴噴孔噴油嘴噴孔面積的影響面積的影響冷卻水進水冷卻水進水溫度的影響溫度的影響進氣密度的進氣密度的影響影響3 3、氮氧化物的生成機理、氮氧化物的生成機理在內(nèi)燃機排放的氮氧化物中占大多數(shù)的是在內(nèi)燃機排放的氮氧化物中占大多數(shù)的是NONO。導(dǎo)致生成導(dǎo)致生成NONO和使其消失的主要反應(yīng)為：和使其消失的主要反應(yīng)為：O O2 2 2O 2OO O N N2 2 NO NO N NN N O O2 2 NO NO O ON N OH NO OH NO H HNONOX X的生成機理的生成機理NONO的平衡摩爾分數(shù)的平衡摩爾分數(shù)x xNOeNOe與與過量空氣系數(shù)過量空氣系數(shù)a a的關(guān)系的關(guān)系a

14、 a 11的稀混合氣區(qū)，的稀混合氣區(qū)，x xNOeNOe隨隨溫度的升高而迅速增大。溫度的升高而迅速增大。a a 11，x xNOeNOe隨隨a a 的減小而的減小而急劇下降。急劇下降。結(jié)論：結(jié)論：在稀混合氣區(qū)在稀混合氣區(qū)NONO的生的生成主要是溫度起作用；成主要是溫度起作用；在濃混合氣區(qū)主要是在濃混合氣區(qū)主要是氧濃度起作用。氧濃度起作用。汽油機排氣中的汽油機排氣中的NONO2 2濃度與濃度與NONO的濃度相的濃度相比可忽略不計，但在柴油機中比可忽略不計，但在柴油機中NONO2 2可占可占到排氣中總到排氣中總NONOX X的的10%10%30%30%。NO HO2 NO2 OHNO2O NOO2

15、影響汽油機影響汽油機NONOX X生成的生成的因素因素過量空氣系數(shù)和燃燒室溫度的影響a 1時，溫度起著決定性作用，時，溫度起著決定性作用，NOX生成量隨溫度升高而迅速增大。生成量隨溫度升高而迅速增大。最高溫度通常出現(xiàn)在最高溫度通常出現(xiàn)在a 1.1，且，且有適量的氧濃度，故有適量的氧濃度，故NOX排放濃度排放濃度出現(xiàn)峰值。出現(xiàn)峰值。a進一步增大，溫度下進一步增大，溫度下降的作用占優(yōu)勢，降的作用占優(yōu)勢，NO生成量減少。生成量減少。殘余廢氣分數(shù)的影響廢氣分數(shù)增大，減小了可燃氣的發(fā)熱廢氣分數(shù)增大，減小了可燃氣的發(fā)熱量，增大了混合氣的比熱容，使最高量，增大了混合氣的比熱容，使最高燃燒溫度下降，燃燒溫度下

16、降，NO排放降低。排放降低。點火時刻的影響點火時刻的影響點火提前角的減小，點火提前角的減小，NO排放量不斷下排放量不斷下降。降。噴油提前角減小，燃燒推遲，燃燒溫度較低，生成的NOX較少。影響影響NONOX X生成的因素生成的因素影響柴油機NOX生成的因素噴油定時的影響放熱規(guī)律的影響負荷與轉(zhuǎn)速的影響傳統(tǒng)模式低排放放熱模式NOX排放隨負荷增大而顯著增加。轉(zhuǎn)速對NOX排放的影響比負荷的影響小。4 4、微粒的生成機理、微粒的生成機理柴油機微粒的組成與特征柴油機微粒的組成與特征柴油機排氣微粒由很多原生柴油機排氣微粒由很多原生微球的聚集體而成，總體結(jié)微球的聚集體而成，總體結(jié)構(gòu)為團絮狀或鏈狀。構(gòu)為團絮狀或鏈

17、狀。當排氣溫度超過當排氣溫度超過500500時，碳質(zhì)微球的時，碳質(zhì)微球的聚集體，稱為碳煙，也稱為煙粒；聚集體，稱為碳煙，也稱為煙粒；排氣溫度低于排氣溫度低于500 500 時，煙粒會吸附和時，煙粒會吸附和凝聚多種有機物，稱為有機可溶成份。凝聚多種有機物，稱為有機可溶成份。煙粒的生成機理煙粒的生成機理（1 1）在高溫富油缺氧區(qū)，通過裂解和脫氫）在高溫富油缺氧區(qū)，通過裂解和脫氫過程，經(jīng)過核化形成先期產(chǎn)物；過程，經(jīng)過核化形成先期產(chǎn)物；（1 1）表面生長；）表面生長；煙粒生成階段：煙粒生成階段：煙粒長大階段：煙粒長大階段：（2 2）在低于）在低于1500K1500K的低溫區(qū)，通過聚合和的低溫區(qū)，通過聚

18、合和冷凝生成碳煙微粒。冷凝生成碳煙微粒。（2 2）聚集。）聚集。煙粒的氧化及有機可溶成份的吸附與凝結(jié)煙粒的氧化及有機可溶成份的吸附與凝結(jié)氧化作用需要有一定的溫度，至少在氧化作用需要有一定的溫度，至少在700700800800。組成組成SOFSOF的重質(zhì)有機化合物向煙粒聚集物的的重質(zhì)有機化合物向煙粒聚集物的凝結(jié)與吸附。凝結(jié)與吸附。煙粒的氧化：煙粒的氧化：有機可溶成份的吸附與凝結(jié)：二、影響汽油機排放污染物排放的因素二、影響汽油機排放污染物排放的因素1 1、混合氣濃度和質(zhì)量的影響、混合氣濃度和質(zhì)量的影響2 2、點火提前角、點火提前角3 3、汽油機運轉(zhuǎn)參數(shù)、汽油機運轉(zhuǎn)參數(shù)（轉(zhuǎn)速、負荷、溫度、積炭）（轉(zhuǎn)

19、速、負荷、溫度、積炭）4 4、汽油機結(jié)構(gòu)參數(shù)、汽油機結(jié)構(gòu)參數(shù)5 5、燃料性質(zhì)、燃料性質(zhì)6 6、環(huán)境的影響、環(huán)境的影響點火提前角點火提前角汽油汽油發(fā)動機發(fā)動機從點火時刻從點火時刻起到起到活塞活塞到達壓縮上止到達壓縮上止點這段時間內(nèi)點這段時間內(nèi)曲軸曲軸轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)過的角度稱為點火提前角。的角度稱為點火提前角。 混合氣從點燃、燃燒到混合氣從點燃、燃燒到燒完有一個時間過程，燒完有一個時間過程，最佳點火提前角的作用最佳點火提前角的作用就是在各種不同工況下就是在各種不同工況下使氣體膨脹趨勢最大段使氣體膨脹趨勢最大段處于處于活塞活塞做功下降行程。做功下降行程。這樣效率最高，振動最這樣效率最高，振動最小，溫升最低。

20、小，溫升最低。影響點火提前角最大的影響點火提前角最大的因素是轉(zhuǎn)速，隨著轉(zhuǎn)速因素是轉(zhuǎn)速，隨著轉(zhuǎn)速的上升，轉(zhuǎn)過同樣角度的上升，轉(zhuǎn)過同樣角度的時間變短。的時間變短。最佳點火角受的影響因素：最佳點火角受的影響因素：1 1、發(fā)動機壓縮比、發(fā)動機壓縮比、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速、氣溫、缸溫、負荷等。氣溫、缸溫、負荷等。2 2、汽油辛烷值，也就是汽油標號，其標號越高表示汽、汽油辛烷值，也就是汽油標號，其標號越高表示汽油的抗爆震能力越強，相應(yīng)允許更大的點火提前角。油的抗爆震能力越強，相應(yīng)允許更大的點火提前角。3 3、燃氣混合比，過濃過稀的混合氣，燃燒速度都比較、燃氣混合比，過濃過稀的混合氣，燃燒速度都比較慢，需增加點火提前角

21、，而燃氣混合比主要看節(jié)氣門慢，需增加點火提前角，而燃氣混合比主要看節(jié)氣門開度、海拔高度等。開度、海拔高度等。理論上最小點火提前角為理論上最小點火提前角為0 0度，但為了防止在做功行程度，但為了防止在做功行程才點燃混合氣才點燃混合氣( (這樣會造成動力的損失這樣會造成動力的損失) )，往往將點火，往往將點火提前角設(shè)為提前角設(shè)為5 5度以上，這也是啟動轉(zhuǎn)速所需要的角度。度以上，這也是啟動轉(zhuǎn)速所需要的角度。最大點火提前角也不能太大，一般不能超過最大點火提前角也不能太大，一般不能超過6060度，否度，否則振動和溫升問題將凸顯。則振動和溫升問題將凸顯。汽車的汽車的發(fā)動機發(fā)動機上都加裝了上都加裝了爆震爆震

22、傳感器，當傳感器，當檢測到發(fā)生檢測到發(fā)生爆震爆震時，時，發(fā)動機發(fā)動機電腦會控制點電腦會控制點火系統(tǒng)減小點火提前角。要完成相對復(fù)雜、火系統(tǒng)減小點火提前角。要完成相對復(fù)雜、精確的調(diào)制，靠傳統(tǒng)的機械式點火器是難精確的調(diào)制，靠傳統(tǒng)的機械式點火器是難以勝任的。只有微機點火器，才能高速、以勝任的。只有微機點火器，才能高速、精確、穩(wěn)定地實現(xiàn)最佳點火提前角。精確、穩(wěn)定地實現(xiàn)最佳點火提前角。點火過早，會造成點火過早，會造成爆震爆震，活塞活塞上行受阻，上行受阻，效率降低，熱負荷、機械負荷、噪聲和振效率降低，熱負荷、機械負荷、噪聲和振動加劇。點火過晚，氣體做功困難，油耗動加劇。點火過晚，氣體做功困難，油耗大，效率低

23、，排氣聲大。不論點火過早或大，效率低，排氣聲大。不論點火過早或過晚，都會影響過晚，都會影響發(fā)動機發(fā)動機的工作效率。的工作效率。三三、柴油車排放污染物的影響因素柴油車排放污染物的影響因素1 1、柴油機的運轉(zhuǎn)參數(shù)（轉(zhuǎn)速、負荷、進氣渦流）、柴油機的運轉(zhuǎn)參數(shù)（轉(zhuǎn)速、負荷、進氣渦流）2 2、外界環(huán)境（空氣的溫度、濕度及壓力）、外界環(huán)境（空氣的溫度、濕度及壓力）3 3、供油系統(tǒng)：噴油提前角、供油系統(tǒng)：噴油提前角 噴油速率和噴油壓力。噴油速率和噴油壓力。4 4、柴油十六烷的數(shù)值。（課本、柴油十六烷的數(shù)值。（課本3535頁）頁）5 5、EGREGR（廢棄再循環(huán)）（廢棄再循環(huán)）6 6、增壓。、增壓。噴油提前角（課本噴油提前角（課本33頁）頁）噴油器開始噴油時，活塞距噴油器開始噴油時，活塞距離壓縮達上止點的曲軸轉(zhuǎn)角，離壓縮達上止點的曲軸轉(zhuǎn)角，稱為噴油