汽车排放污染物的形成及生成机理

第2章汽车排放污染物的生成机理和影响因素2.1一氧化碳2.2碳氢化合物2.3氮氧化物2.4微粒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。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。汽油机一氧化碳的生成机理汽油机CO排放量xCO与及过量空气系数Φa的关系汽油机一氧化碳的生成机理Φa1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的排放量都很小。Φa=1.0～1.1时，CO的排放量变化较复杂。由上图可以看出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（大负荷），CO的排放量才大量增加。柴油机一氧化碳的生成机理燃料与空气混合不均匀，总有局部缺氧和低温的地方，反应物在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。影响一氧化碳生成的因素碳氢化合物的生成机理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汽油机未燃HC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。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混合气质量的影响汽油机运行条件的影响柴油机运行条件的影响运行条件的影响影响碳氢化合物生成的因素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NOX的生成机理O2→2OO＋N2→NO＋ON＋O2→NO＋ON＋OH→NO＋HNO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。NO的生成机理结论：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。NO2的生成机理汽油机排气中的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NOX生成的因素影响汽油机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。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：影响微粒生成的因素负荷的影响：（1）高速小负荷时，稀薄混合气区较大，微粒排放量较高；（2）低速大负荷时，容易产生裂解和脱氢，排放量有所升高。影响微粒生成的因素（1）小负荷时温度低，以未燃油滴为主的微粒的氧化作用微弱；转速的影响：（2）转速升高时，这种氧化作用又受到时间因素的制约；（3）大负荷时，转速的升高有利于气流运动的加强，使燃烧速度加快。影响微粒生成的因素（1）燃油中芳香烃含量及馏程越高，微粒排放量越大；烷烃含量越高，微粒排放量越少；燃料的影响：（2）柴油机的排烟浓度随十六烷值的提高而增大。影响微粒生成的因素（1）喷油定时的影响；喷油参数的影响：（2）喷油规律的影响：大部分燃油在前半时间内喷入气缸时，参与预混燃烧的油量增多，故排烟浓度低而NO浓度高；（3）喷油嘴不正常喷射的影响：滴漏或二次喷射对碳烟有不利影响；（4）喷油压力的影响：提高喷油压力，减少烟粒的生成。影响微粒生成的因素适当增加空气涡流，有利于改善混合气品质，减少碳烟排放量；高温缺氧是造成碳烟生成量增加的重要原因空气涡流的影响：其它因素的影响：习题•2.1简述CO的生成机理。•2.2简述在不同空燃比下CO的生成情况。•2.3简述影响CO生成的因素。•2.4简述HC的生成机理及主要的生成方式。•2.5简述影响HC生成的因素。•2.6简述NO与NO2的生成机理并写出表达式。•2.7简述影响汽油机NOX排放的因素。•2.8简述影响柴油机NOX排放的因素。•2.9描述微粒组成及其生成机理。•2.10简述及影响微粒生成的因素。