第2章車用汽油機排放污染物的生成

1、第2章車用汽油機排放污染物的生成2.1 燃料燃燒過程概述燃料燃燒過程概述 燃料燃料燃燒化學反應燃燒化學反應 一、完全燃燒的化學反應 燃料中可燃成分C、H、S、CO、CnHm。燃料完全燃燒，這時的化學反應： 二、燃燒所需的空氣量 對汽油、柴油視只含C、H、O(其他成分極少)，以gC、gH、go分別代表每kg燃油中C、H、O的質量成分(%)。 gc + gH + go = 1 如1kg燃油含氧gokg則每kg燃油完全燃燒需理論氧氣量： 由： 空氣中的氧：以容積計，O2占21% N2占79% 以質量成分計，O2占23.2% N2占76.8%1kg燃油完全燃燒需理論空氣量L0 標態(tài)下以體積表示的理論空

2、氣量（Nm3/kg燃油） 汽油的平均質量成分：gC=0.855;gH=0.145;go=0柴油的平均質量成分gC=0.855;gH=0.145;go=0.004將 平 均 質 量 成 分 代 入 得 ： 汽 油 L0= 1 4 . 8 k g / k g ， 柴 油L0=14.5kg/kg當空燃比A/F14.8時，不完全燃燒生成氣態(tài)化合物：2.1.2 汽油機燃燒過程汽油機燃燒過程圖圖2-1 汽油機分段燃燒過程汽油機分段燃燒過程 等壓燃燒；分段燃燒模型，長方形燃燒室虛構為4個等質量部分，黑點代表氣體單元。假設火花塞左側點火，火焰以縱橫平面波推進。第1區(qū)全部氣體等容條件下點燃，第1單元的氣體膨脹壓

3、縮其它單元至壓力平衡。第2單元混合氣引燃后膨脹，壓縮第1、3、4單元到壓力平衡。這一過程直至全部單元引燃為止。汽油機燃燒過程有以下3個特點： 1）各層混合氣是在不同壓力和溫度下點燃的。在未燃區(qū)，離火花塞最遠的單元前受壓最大，燃燒前溫度也最高。 著火前混合氣溫度比火花塞附近著火前的溫度要高200度。 2）每一個已燃單元的燃燒氣要受到正在燃燒的燃燒氣層的壓縮，因此在燃燒室中發(fā)生溫度分層現(xiàn)象。 3）由于火焰?zhèn)鞑ト紵且幌盗械牡葔喝紵?，氣缸內壓力越來越高，未燃氣體受已燃氣體膨脹作用的壓力，其密度也越來越大。 爆燃壓力一致，溫度不均 圖2-2已燃氣體的質量與體積的關系2.1.3 汽油機的排氣成分汽油機的

4、排氣成分1.大氣成分N2和剩余的O2 2.完全燃料產(chǎn)物CO2和H2O3.不完全燃燒產(chǎn)物CO、H24.未燃烴及燃燒分解生成物HC5.燃燒中間產(chǎn)物醛類6.氮氧化合物NOx7.顆粒物氧化鉛、碳化物、金屬化合物等。 圖圖2-3 歐洲標準測試循環(huán)中不加三元催化器汽油機排氣的組成歐洲標準測試循環(huán)中不加三元催化器汽油機排氣的組成 思考：粗略估算思考：粗略估算1kg1kg汽油在完全燃燒和不完全燃燒情況下排放的污染物？汽油在完全燃燒和不完全燃燒情況下排放的污染物？2.2 汽油機污染物生成機理汽油機污染物生成機理 2.2.1 CO的生成機理的生成機理2.2.2 HC的生成機理的生成機理2.2.3 NOx的生成機理

5、的生成機理2.2.1 CO的生成機理的生成機理1燃料不完全燃燒 當過量空氣系數(shù)a1時，空氣量不足，烴類燃料不能完全燃燒，生成CO，即： 這時，大部分CO來自壁面附面層。2高溫離解反應當a1時，仍有CO生成.這是因為CO是中間產(chǎn)物，進一步生成CO2的反應很慢，由于燃燒時間極短，來不及完全氧化。3濃度凍結 在膨脹和排氣過程中，Co的主要氧化反應為：由于反應動力學的抑制，其氧化復合的速度很慢，即CO的濃度處于“凍結”狀態(tài)，大約在1100K時。圖圖2-4 異辛烷燃燒膨脹時異辛烷燃燒膨脹時CO濃度濃度受動力所限的濃度；受動力所限的濃度；平衡濃度平衡濃度 4混合氣不均 由于各缸混合不一定均勻一致，燃燒室各

6、處的混合也不均勻，使燃燒室某處的混合氣濃，造成局部缺氧；排氣中未燃HC的不完全氧化也會有少量的CO產(chǎn)生。 一、汽油機中碳氫排放的3種主要途徑：（1）曲軸箱竄入氣體（20-25） （2）燃油系統(tǒng)蒸發(fā)的燃油蒸汽（15-20）（3）燃燒排放（65%-55%)2.2.2 HC的生成機理的生成機理燃料供給系統(tǒng) 二、燃燒排放HC的生成機理 1、多種原因造成的不完全燃燒2、火焰在壁面淬熄3、狹隙效應4、潤滑油膜與燃燒室內沉積物對燃油蒸汽的吸附與解吸1、多種原因造成的不完全燃燒 碳氫燃料的氧化根據(jù)其溫度、壓力、混合比、燃料種類及分子結構的不同有著不同特點，其燃燒實質是各類烴的一系列氧化過程。 混合氣濃度過濃或

7、過稀都可能燃燒不完全或失火。 怠速、高負荷工況 加速和減速工況單壁淬熄當火焰接近氣缸壁、缸蓋下表面、氣門下表面、活塞上表面時，低溫壁面300以下對火焰迅速冷卻，由于邊界層混合氣溫度較低，導致火焰熄滅而產(chǎn)生HC，此邊界層為淬熄熄層， ，小負荷時較厚。雙壁淬熄在活塞頂部和氣缸壁之間的環(huán)形間隙中，火焰?zhèn)鞑贿M去而產(chǎn)生HC。壁面淬熄是冷起動、暖機及怠速工況時HC存在的重要來源。2、火焰在壁面淬熄（激冷Quenching ）（占排放總量38）圖圖2-5 燃燒室內縫隙的組成燃燒室內縫隙的組成3、狹隙效應圖圖2-6 V6發(fā)動機單缸狹隙容積數(shù)據(jù) 部分由壁面淬熄和狹隙效應產(chǎn)生的HC,在排氣過程中被氧化，這個過程需

8、要高溫600以上和足夠的氧氣，以及停留時間大于50ms。 因此，HC濃度在過量空氣系數(shù)1.11.25時最小。在進氣和壓縮過程中，潤滑油膜和燃燒室內沉積物會吸附未燃混合氣和燃料蒸氣，而在膨脹和排氣過程中，由于燃燒燃油濃度降低，油膜和沉積物釋放燃料蒸氣，由于釋放較遲，這部分燃料蒸氣只有少數(shù)被氧化，多數(shù)則隨已燃氣體排出。4、潤滑油膜與燃燒室內沉積物對燃油蒸汽的吸附與解吸（占排放總量35-50） 發(fā)動機一個工作循環(huán)內排氣中碳氫的兩個峰值： 排氣門剛打開 排氣行程結束原因：氣體離開氣缸夾帶了氣缸頂部間隙內的混合氣以及淬熄層等的氣體活塞運動產(chǎn)生的渦流使氣缸壁面的HC和溶于潤滑油薄膜層中的HC排出曲軸轉角H

9、C濃度HC質量流量質量流量排氣門處濃度5、氣缸中HC的排放過程圖圖2-72.2.3 NOx的生成機理的生成機理表2-1 NO生成機理 NO生成有三種途徑（方式）：生成途徑高溫NO激發(fā)NO燃料NO反應過程 （O22O）N2+ON+NO（1）N+O2O+NO（2）N+OHH+NO（3）CnH2nCH，CH2CH2+N2HCN+NHCH+N2HCN+NHCNCNNONHNNO燃料NHCN，NH3NO反應溫度（）16001600NO的主要來源是參與燃燒的空氣中的N2被氧化而成，當燃燒溫度下降時，高溫NO的生成反應會停止，即被“凍結”。在1600高溫下，O2離解成O需的能量較少，反應先從O開始。 O2

10、2O（1）式N2+ON+NO中左邊的O除一小部分由（2）式N+O2O+NO右邊生成的O提供外，大部依靠高溫O2離解生成O，（2）式左邊的N主要靠（1）式右邊生成的N供給，（1）式和（2）式是強烈的吸熱反應，只有在1600時才能進行，（3）式N+OHH+NO主要發(fā)生在非常濃的混合氣中。 1高溫NO（Thermal NO,澤爾多維奇機理） 雅可夫澤爾多維奇 雅可夫澤爾多維奇，猶太人，沒上過大學，20歲的時候自學到了博士學位。 是前蘇聯(lián)著名的理論天體物理學家，是最早提出活動星系核的能量來自超大質量黑洞的人之一。1964年，澤爾多維奇提出銀河系X射線源是雙星系統(tǒng)中的中子星或者黑洞的吸積過程產(chǎn)生的。同年

11、他還提出了宇宙微波背景輻射的存在。1972年，他與拉希德蘇尼亞耶夫預言了星系團對背景輻射的影響，這一現(xiàn)象被命名為蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效應 。并且已經(jīng)在某些星系團中觀測到，可以用于檢測宇宙中的物質分布、確定哈勃常數(shù)的數(shù)值、星系團中熱等離子體的質量等等。 NO的瞬時生成速率 燃燒過程中，氮的濃度基本不變，由此可知：NO的生成與溫度（T）有關，也與氧（O）濃度有關，還與滯留時間（t）有關。 氧濃度支配氧濃度支配圖圖2-8 NO平衡濃度（正辛烷平衡濃度（正辛烷C8H18+空氣，空氣，4MPa大大氣壓力）氣壓力）圖圖2-9 NO生成量與滯留時間的關系生成量與滯留時間的關系 高溫NO反應機理，產(chǎn)生NO的

12、三要素是：溫度、氧濃度和滯留時間。 溫度：在氧氣充足時，溫度是生成NO的重要因素，高溫時，NO平衡濃度高，生成速度大，低溫即使氧充足但其分解慢，NO生成濃度低。 氧濃度，在高溫條件下，氧濃度是生成NO的重要因素，氧濃度低，即使溫度高，NO生成也受到抑制。 滯留時間，因NO生成反應比燃燒反應慢，所以即使高溫富氧，如停留時間短，NO生成受抑制。 激發(fā)NO機理70年代初被提出，由于燃料產(chǎn)生的原子團CH、CH2、C與氮氣發(fā)生反應所產(chǎn)生。2激發(fā)NO（Prompt NO） 如表2-1， CnH2nCH，CH2 CH2+N2HCN+NH CH+N2HCN+N C+N2 CN+N CN+O2NO+CO HCN

13、+OH CN+H2O NHNNO N+O NO N+OH NO首先HC裂解出CH、CH2與N2反應，生成HCN和NH等中間產(chǎn)物，并經(jīng)過生成CN和N的反應，最后生成NO，這與高溫NO產(chǎn)生以高溫為前提不同，激發(fā)NO生成是由一系列活化能不高的反應組成，因此不需很高溫度就能進行。在較濃條件下產(chǎn)生。激發(fā)NO反應機理，產(chǎn)生NO的三要素是：燃料中碳氫化合物分解為CH等原子團的多少CH等原子團與N2反應生成氰化物HCN的速率，見圖2-10氮化物之間的相互轉化速率 圖圖2-10反應區(qū)附近反應區(qū)附近NO與與HCN的含量變化的含量變化 3燃料NO（Fuel NO） 含氮燃料中的氮化合物分解后生成HCN和NH3等中間

14、產(chǎn)物，并逐步生成NO，這一反應過程在1600K條件下就可進行。 綜上所述，NO產(chǎn)生的三個途徑中，燃料NO生成量極小，因而可以忽略不計；激發(fā)NO生成量也較少，且反應過程尚不完全明了，也可暫不考慮。因此可以認為：高溫NO是NO生成的主要來源。圖圖2-11 NO、HC、CO的生成過程簡圖的生成過程簡圖 2.3 影響汽油機排氣污染物生成的因素影響汽油機排氣污染物生成的因素圖圖2-12 影響汽油機有害排放物的因素影響汽油機有害排放物的因素2.3.1 空燃比的影響空燃比的影響圖圖2-13 汽油機空燃比對有害排放物生成的影響汽油機空燃比對有害排放物生成的影響 空燃比對空燃比對CO的影響的影響:隨著空燃比的增

15、加，隨著空燃比的增加，CO排放的濃度逐漸排放的濃度逐漸下降，這是因為空氣量增加，燃料能充分燃燒。下降，這是因為空氣量增加，燃料能充分燃燒。當空燃比大于理論空燃比后，當空燃比大于理論空燃比后，CO能保持一定的濃度，主要是由能保持一定的濃度，主要是由于混合氣空燃比分布不均、高溫分解及反應凍結而成。空燃比于混合氣空燃比分布不均、高溫分解及反應凍結而成?？杖急冗M一步增加，混合氣變稀，使燃燒溫度降低，減少了高溫分解，進一步增加，混合氣變稀，使燃燒溫度降低，減少了高溫分解，因此，因此，CO的濃度進一步下降?？杖急仁怯绊懙臐舛冗M一步下降?？杖急仁怯绊慍O排放的主要因排放的主要因素，一切影響空燃比的因素都影響

16、素，一切影響空燃比的因素都影響CO的排放。的排放?？杖急葘杖急葘C的影響的影響:與與CO有類似的傾向，但在過稀混合比的情況有類似的傾向，但在過稀混合比的情況下，因為火焰?zhèn)鞑ゲ怀浞趾蛿嗷?，下，因為火焰?zhèn)鞑ゲ怀浞趾蛿嗷?，HC排放濃度有所增加。與油耗排放濃度有所增加。與油耗有相同的趨勢。有相同的趨勢?？杖急葘杖急葘Ox的影響的影響:當空燃比為當空燃比為16左右時，燃燒溫度高，燃氣中氧左右時，燃燒溫度高，燃氣中氧含量充分，此時含量充分，此時NOx排放出現(xiàn)峰值。排放出現(xiàn)峰值。比這濃的混合氣，由于燃燒后的溫度和氧的濃度較低，比這濃的混合氣，由于燃燒后的溫度和氧的濃度較低， NOx濃度濃度下降；下降

17、；比這稀的混合氣，由于火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p慢，燃氣溫度較低，也使比這稀的混合氣，由于火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p慢，燃氣溫度較低，也使NOx濃度下降。濃度下降。2.3.2 點火提前角的影響點火提前角的影響 點火提前角對CO排放影響很小，除非過分推遲使CO沒有充分的時間完全氧化而引起CO排放量增加。對NOx和HC排放影響大。 空燃比a一定，點火推遲（減小，相對于最佳點火提前角），使HC與NOx的排放均減小，點火提前（增大），HC及NOx排放也均增大。 燃料消耗惡化。? a）點火提前角對）點火提前角對HC排放的影響排放的影響 b）點火提前角對）點火提前角對NOx排放的影響排放的影響 圖圖2-14 點火提前角對點火提前

18、角對HC和和NOx排放的影響排放的影響2.3.3 運轉狀態(tài)的影響運轉狀態(tài)的影響 1.穩(wěn)定運轉狀態(tài) 穩(wěn)定運轉狀態(tài)是指發(fā)動機的零部件、冷卻水及潤滑油的溫度趨于平衡，發(fā)動機在恒定的轉速和負荷下運轉。 （1）轉速n的影響汽油機轉速的變化，將引起充氣系數(shù)、點火提前角、混合氣形成、空燃比、缸內氣體流動、汽油機溫度以及排氣在排氣管中的停留時間等的變化，轉速對排放的影響是這些變化的綜合影響。怠速時隨怠速提高、節(jié)氣門開度增大，節(jié)流減小，燃燒轉好，HC、CO濃度下降。 隨著n的提高，使混合氣混合較好，改善燃燒，CO及HC排放降低。圖圖2-15 怠速轉速對排放的影響怠速轉速對排放的影響 使用稀混合氣時，在點火提前角

19、一定，隨著n的提高，從點火到火焰核心形成的點火延遲時間受轉速的影響較小，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫灿刑岣撸岣叻炔蝗缛加脻饣旌蠚獾拇螅虼?，部分燃料在膨脹沖程壓力和溫度較低的情況下燃燒， NOx生成量減小。圖圖2-16 n的變化對的變化對NOx排放的影響排放的影響曲線在壓縮比6.7的汽油機上，在點火提前角為30的條件下得到的。 使用濃混合氣時，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S轉速的提高而提高，散熱損失減少，氣體溫度升高，NOx生成增加。 （2）負荷的影響 當空燃比和轉速保持不變，負荷增加對HC、CO的排放基本上也沒有影響。因為負荷增加雖使缸內的壓力和溫度升高，激冷層變薄，HC在膨脹及排氣行程的氧化加速，但壓力升高，使隙

20、縫容積中未燃烴的儲存量增加，相互抵消。但是，由于負荷增加時進入氣缸的充量增多，則燃燒后排出的廢氣量隨之增大，故單位時間的CO和HC質量排放量將隨負荷的增加而升高。 轉速轉速2000r/min 點火提前角點火提前角30 圖圖2-17 負荷變化對負荷變化對NOx排放的影響排放的影響負荷增加，進氣量就增加，降低了殘余廢氣的稀釋作用，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊玫搅颂岣?，缸內溫度提高，NOx排放增加。這一點在混合氣較稀時更為明顯?；旌蠚膺^濃時，由于氧氣不足，負荷對NOx排放影響不大。 負荷通過改變混合氣成分對有害排放產(chǎn)生的影響。 在怠速小負荷時，使CO、HC排放增多。隨負荷的增加，燃燒溫度升高，燃燒室冷熄區(qū)減薄，H

21、C排放減少；又由于隨負荷的增加，混合氣由濃變稀，CO的排放也逐漸降低。 在中等負荷（節(jié)氣門開度25%-80%），混合氣是稀混合氣，排氣中的CO減少，HC含量較低；由于燃燒室溫度升高NOx增多。 在滿負荷混合氣是濃混合氣， （節(jié)氣門開度80%-100%），燃燒氣體的壓力、溫度高，NOx生成多，由于排氣溫度也升高，使HC在排氣中繼續(xù)燃燒，HC排放減少；因是濃混合氣，使CO排放增大。（3）發(fā)動機熱狀況的影響 提高冷卻液及燃燒室壁面溫度，可改善燃油的蒸發(fā)和霧化，降低淬熄效應和縫隙效應，增加縫隙逸出和淬熄層擴散出燃油的氧化，提高排氣溫度，減少HC排放。但冷卻液及燃燒室壁面溫度提高，使燃燒最高溫度升高，導

22、致NOx排放升高。 （4）排氣背壓的影響 排氣背壓增加，留在缸內的廢氣增多，其中的未燃烴會在下一循環(huán)中燒掉，因此排氣中的HC含量將降低。然而，如果排氣背壓過大，則留在缸內的廢氣過多，稀釋了混合氣，燃燒惡化，排出的HC反而會增加。 （5）燃燒室壁面沉積物的影響 燃燒室沉積物能吸附未燃混合氣和燃料蒸氣，在排氣過程中釋放出來，因此，燃燒室沉積物增加，將使HC排放增加。 隨沉積物的增加，發(fā)動機的實際壓縮比也隨著增加，導致最高燃燒溫度升高，NOx排放量增加。更嚴重的是，在高負荷運轉時，沉積物可能成為熱面點火的點火源， NOx排放量增加。判斷：缸蓋及活塞頂表面加工質量差，粗糙度大，HC的排放增加還是減少？

23、2非穩(wěn)定運轉狀態(tài) （1）冷起動及暖機過程的影響 低溫起動時，CO排放高，HC排放大，NOx排放很低。 暖機過程中，這時CO和HC排放仍很高，NOx排放逐漸增大。 （2）加速時的影響 加速時要求發(fā)動機輸出較大功率，需提高燃燒溫度， NOx排放增加。混合氣濃，HC和CO增加。 圖圖2-18 汽油機排氣中汽油機排氣中CO摩爾分數(shù)在加速時的變化摩爾分數(shù)在加速時的變化 （3）減速時的影響 圖圖2-19 不同型式汽油機減速時的不同型式汽油機減速時的HC和和CO排放特性對比排放特性對比 突然減速，節(jié)氣門急速關閉，突然減速，節(jié)氣門急速關閉，吸入過量燃料，進氣量也減少，吸入過量燃料，進氣量也減少，混合氣濃；同時

24、缸內壓力降低，混合氣濃；同時缸內壓力降低，燃燒溫度下降，燃燒溫度下降，COCO和和HCHC增加，增加，NOxNOx減少。減少。 2.3.4 汽油機結構參數(shù)的影響汽油機結構參數(shù)的影響 對汽油機排放影響較大的結構參數(shù)有氣缸工作容積、行程缸徑比(S/D)、燃燒室形狀、壓縮比、活塞頂結構尺寸、配氣定時以及排氣系統(tǒng)等。 這些參數(shù)的影響遵循下列兩點：第一點是在上止點時燃燒室的面容比F/V越大、火焰的傳播距離長，容易爆燃；而且燃燒室壁面的冷激效應增加，因此HC的排出量增大；第二點是若使由燃燒室壁面散失的熱量減少、殘留氣體減少，則NOx的排放量增大。 1.氣缸工作容積的影響 （1）氣缸的工作容積增大，面容比F

25、/V 變小，HC排放低， NOx的排放量增大。 （1）增大，氣缸內燃燒溫度上升，使NOx反應速度增加，NOx排放增加。 （2）增大后，進入燃燒室縫隙及積炭中的混合氣及潤滑油膜增多，HC排放增加。 （3）增大，使膨脹比增大，膨脹后期的排氣溫度下降，HC氧化速率下降，更多的燃料以未燃HC的形式排出。 2壓縮比的影響 3燃燒室形狀的影響F/V越大、火焰的傳播距離長，容易爆燃；而且燃燒室壁面的冷激效應增加，因此HC的排出量增大；NOx的排放量與之相反。圖圖2-20 幾種燃燒室的幾種燃燒室的F/V與與HC排放排放4氣門定時的影響進氣門早開、排氣門 遲閉排氣門早開圖圖2-21 氣門定時對發(fā)動機氣門定時對發(fā)

26、動機HC和和NOx排放的影響排放的影響5活塞頂環(huán)隙容積的影響 圖圖2-22 活塞頂環(huán)隙容積對活塞頂環(huán)隙容積對HC排放的影響排放的影響6排氣系統(tǒng)的影響 排氣系統(tǒng)對HC的排放有影響。因為HC在排氣系統(tǒng)中可以進一步被氧化，溫度越高，HC被氧化的越多；排氣在排氣系統(tǒng)高溫段停留的時間越長，HC被氧化的也就越多。 1-火花塞在燃燒室側面；火花塞在燃燒室側面；2-火花塞在燃燒室中心火花塞在燃燒室中心1-二氣門發(fā)動機；二氣門發(fā)動機；2-四氣門發(fā)動機四氣門發(fā)動機 7、火花塞位置的影響圖圖2-23 火花塞位置對油火花塞位置對油耗和耗和HC排放物影響排放物影響圖圖2-24 四氣門和二氣門發(fā)動機四氣門和二氣門發(fā)動機對油耗和對油耗和HC排放物影響排放物影響 8、氣門數(shù)的影響2.3.5 增壓對排放的影響增壓對排放的影響1汽油機增壓可使可燃混合物的壓力升高， NOx 增多，若使降低，燃燒的最高溫度下降，NOx反有所下降。2增壓后使HC的排放減少。 3增壓后CO排放有所減少。 2.3.6 渦流對排放的影響渦流對排放的影響 燃燒室內渦流是影響HC和NOx排放的重要因素。配合使用稀混合氣，降低有害排放。2.3.7 汽