第二章-汽车排放污染物的生成机理

汽车环境与保护第二章汽车排放污染物的生成机理和影响因素汽油机和柴油机的燃烧特点对比汽油车排放污染物的生成机理及其影响柴油车排放污染物的生成机理及其影响一、汽油机和柴油机的燃烧特点不同污染生成机理也不同。汽油机使用C4-C11的碳氢化合物作燃料，需要燃油和空气在外部形成比较均匀的的混合气进入汽缸后，用火花塞点燃，燃烧方式为预混合燃烧。柴油机使用C12-C23的碳氢化合物作燃料，不易挥发，着火温度低，容易自燃，柴油机靠压缩提高缸内混合气的温度使其自燃；燃烧方式为扩散燃烧。（课本P10页)汽车排放污染的主要起因与燃料的燃烧过程密切相关目前汽车常用的燃料汽油和柴油均属于石油制品，是由碳（C）和氢（H）组成的烃化合物。二、发动机排放污染物的生成机理汽油机燃烧必须具备两个条件：一是空气和燃料和混合气成分（空燃比）应处在可燃界限内（一般在10-19之间）二是火花塞应具备有足够的点火能量（最小点火能量40-120MJ）才能可靠地点燃混合气。1、一氧化碳的生成机理2222mnmnCHOmCOH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。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。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。下列原因产生部分CO（1）燃料不完全燃烧。（2）混合气混合不均匀。（3）CO2和H2O在高温时裂解。汽油机CO排放量xCO与及过量空气系数Φa的关系过量空气系数燃烧1kg燃油实际提供的空气量与理论上所需要的空气量之比，称之为过量空气系数：燃油理论上所需空气量燃烧燃油实际提供的空气量燃烧过量空气系数kgkg11α=1；标准混合气。α1；浓混合气，α=0.8~0.9；经济混合气。α1；稀混合气，α=1.03~1.1；功率混合气。α=0.4~0.5；燃烧下限；α=1.3~1.4；燃烧上限。控制CO排放量大小的主要因素是可燃混合气的过量空气系数ΦaΦa1时，因缺氧引起不完全燃烧，CO的排放量随Φa的减小而增加。Φa1时，CO的排放量较小。Φa=1.0～1.1时，CO的排放量变化较复杂。柴油机一氧化碳的生成机理燃料与空气混合不均匀，局部缺氧和低温，燃烧区停留时间较短，小负荷时尽管Φa很大，CO排放量反而上升。柴油机一氧化碳的生成机理Φa=1.5～3，CO排放量要比汽油机低得多。Φa=1.2～1.3，CO的排放量才大量增加。影响一氧化碳生成的因素空燃比可燃混合气中空气质量与燃油质量之比为空燃比，空燃比A/F(A：air-空气，F：fuel-燃料)表示空气和燃料的混合比。一般用每克燃料燃烧时所消耗的空气的克数来表示。各种燃料的理论空燃比是不相同的：汽油为14.7，柴油为14.3。空燃比大于理论值的混合气叫做稀混合气，气多油少，燃烧完全，油耗低，污染小，但功率较小。空燃比小于理论值的混合气叫做浓混合气，气少油多，功率较大，但燃烧不完全，油耗高，污染大。2、碳氢化合物HC的生成机理未燃HC生成与排放的途径漏入曲轴箱的窜气中含有大量未燃燃料燃烧过程中未燃烧或燃烧不完全的碳氢燃料燃油蒸汽（1）汽油机未燃HC的生成机理碳氢化合物的生成机理火焰在壁面淬冷冷起动、暖机和怠速等工况下，壁面温度较低，淬熄层较厚，壁面火焰淬熄是此类工况下未燃HC的重要来源。狭隙效应火焰不能进入各种狭窄的间隙，便会产生未燃HC。润滑油膜对燃油蒸汽的吸附与解吸进气过程中，润滑油膜溶解和吸收了进入气缸的碳氢化合物。燃烧过程中，HC向已燃气解吸。燃烧室内沉积物的影响沉积物使HC排放增加。体积淬熄燃烧室中压力和温度下降太快，可能使火焰熄灭。碳氢化合物的后期氧化未燃烧的碳氢化合物释放出来，重新被全部或部分氧化。（2）柴油机未燃HC的生成机理燃料在气缸内停留的时间较短，生成HC的相对时间也短，故柴油机HC排放量比汽油机少。（3)影响碳氢化合物生成的因素影响碳氢化合物生成的因素混合气质量的影响混合气的均匀性越差则HC排放越多。运行条件的影响汽油机运行条件的影响影响碳氢化合物生成的因素之一：运行条件的影响汽油机运行条件的影响负荷增加时，HC排放量绝对值将随废气流量变大而几乎呈线性增加。负荷的影响转速较高时，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，HC排放浓度明显下降。转速的影响点火提前角减小可使HC排放下降。点火时刻的影响壁面温度升高，HC排放浓度相应降低。提高冷却介质温度有利于减弱壁面激冷效应，降低HC排放。壁温的影响燃烧室面容比大，单位容积的激冷面积也随之增大，未燃烃总量必然也增大。降低燃烧室面容比是降低汽油机HC排放的一项重要措施。燃烧室面容比的影响负荷的影响转速的影响点火时刻的影响壁温的影响燃烧室面容比的影响影响碳氢化合物生成的因素之二：运行条件的影响柴油机运行条件的影响喷油时刻的影响喷油嘴喷孔面积的影响冷却水进水温度的影响进气密度的影响3、氮氧化物的生成机理在内燃机排放的氮氧化物中占大多数的是NO。导致生成NO和使其消失的主要反应为：O2→2OO＋N2→NO＋NN＋O2→NO＋ON＋OH→NO＋HNOX的生成机理NO的平衡摩尔分数xNOe与过量空气系数Φa的关系Φa1的稀混合气区，xNOe随温度的升高而迅速增大。Φa1，xNOe随Φa的减小而急剧下降。结论：在稀混合气区NO的生成主要是温度起作用；在浓混合气区主要是氧浓度起作用。汽油机排气中的NO2浓度与NO的浓度相比可忽略不计，但在柴油机中NO2可占到排气中总NOX的10%～30%。NO＋HO2→NO2＋OHNO2＋O→NO＋O2影响汽油机NOX生成的因素过量空气系数和燃烧室温度的影响Φa1时，由于缺氧即使燃烧室内温度很高NOX的生成量仍会随着的降低而降低，此时氧浓度起着决定性作用。Φa1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Φa≈1.1，且有适量的氧浓度，故NOX排放浓度出现峰值。Φa进一步增大，温度下降的作用占优势，NO生成量减少。残余废气分数的影响废气分数增大，减小了可燃气的发热量，增大了混合气的比热容，使最高燃烧温度下降，NO排放降低。点火时刻的影响点火提前角的减小，NO排放量不断下降。喷油提前角减小，燃烧推迟，燃烧温度较低，生成的NOX较少。影响NOX生成的因素影响柴油机NOX生成的因素喷油定时的影响放热规律的影响负荷与转速的影响传统模式低排放放热模式NOX排放随负荷增大而显著增加。转速对NOX排放的影响比负荷的影响小。4、微粒的生成机理柴油机微粒的组成与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℃时，碳质微球的聚集体，称为碳烟，也称为烟粒；排气温度低于500℃时，烟粒会吸附和凝聚多种有机物，称为有机可溶成份。烟粒的生成机理（1）在高温富油缺氧区，通过裂解和脱氢过程，经过核化形成先期产物；（1）表面生长；烟粒生成阶段：烟粒长大阶段：（2）在低于1500K的低温区，通过聚合和冷凝生成碳烟微粒。（2）聚集。烟粒的氧化及有机可溶成份的吸附与凝结氧化作用需要有一定的温度，至少在700～800℃。组成SOF的重质有机化合物向烟粒聚集物的凝结与吸附。烟粒的氧化：有机可溶成份的吸附与凝结：二、影响汽油机排放污染物排放的因素1、混合气浓度和质量的影响2、点火提前角3、汽油机运转参数（转速、负荷、温度、积炭）4、汽油机结构参数5、燃料性质6、环境的影响点火提前角汽油发动机从点火时刻起到活塞到达压缩上止点这段时间内曲轴转过的角度称为点火提前角。混合气从点燃、燃烧到烧完有一个时间过程，最佳点火提前角的作用就是在各种不同工况下使气体膨胀趋势最大段处于活塞做功下降行程。这样效率最高，振动最小，温升最低。影响点火提前角最大的因素是转速，随着转速的上升，转过同样角度的时间变短。最佳点火角受的影响因素：1、发动机压缩比、转速、气温、缸温、负荷等。2、汽油辛烷值，也就是汽油标号，其标号越高表示汽油的抗爆震能力越强，相应允许更大的点火提前角。3、燃气混合比，过浓过稀的混合气，燃烧速度都比较慢，需增加点火提前角，而燃气混合比主要看节气门开度、海拔高度等。理论上最小点火提前角为0度，但为了防止在做功行程才点燃混合气(这样会造成动力的损失)，往往将点火提前角设为5度以上，这也是启动转速所需要的角度。最大点火提前角也不能太大，一般不能超过60度，否则振动和温升问题将凸显。汽车的发动机上都加装了爆震传感器，当检测到发生爆震时，发动机电脑会控制点火系统减小点火提前角。要完成相对复杂、精确的调制，靠传统的机械式点火器是难以胜任的。只有微机点火器，才能高速、精确、稳定地实现最佳点火提前角。点火过早，会造成爆震，活塞上行受阻，效率降低，热负荷、机械负荷、噪声和振动加剧。点火过晚，气体做功困难，油耗大，效率低，排气声大。不论点火过早或过晚，都会影响发动机的工作效率。三、柴油车排放污染物的影响因素1、柴油机的运转参数（转速、负荷、进气涡流）2、外界环境（空气的温度、湿度及压力）3、供油系统：喷油提前角喷油速率和喷油压力。4、柴油十六烷的数值。（课本35页）5、EGR（废弃再循环）6、增压。喷油提前角（课本33页）喷油器开始喷油时，活塞距离压缩达上止点的曲轴转角，称为喷油提前角喷油提前角过大，燃烧开始得过早，气缸压力升高率过大，柴油机噪声增大，工作粗暴；反之若喷油提前角过小，燃烧滞后并延伸到膨胀过程中进行，柴油机燃烧效率下降，未燃碳氢化合物（HC）与烟度增加40喷油压力对柴油机烟度排放的影响废气再循环(EGR)系统废气再循环(EGR)系统用于降低废气中的氧化氮(NOX)的排出量。当发动机在负荷下运转时EGR阀开启，使少量的废气进入进气歧管，与可燃混合气一起进入燃烧室。怠速时EGR阀关闭，几乎没有废气再循环至发动机。汽车废气是一种不可燃气体(不含燃料和氧化剂)，在燃烧室内不参与燃烧。它通过吸收燃烧产生的部分热量来降低燃烧温度和压力，以减少氧化氮的生成量。进入燃烧室的废气量随着发动机转速和负荷的增加而增加作业:1、简述汽油机CO的生成机理。2、简述汽油机HC的生成机理及主要的生成方式。3、影响汽油机排放污染物排放的因素有哪些？