第2章-汽车排放污染物的生成机理和影响因素

第2章汽车排放污染物的生成机理和影响因素2.0概述2.1一氧化碳（CO）生成机理及其影响因素2.2碳氢化合物（HC）生成机理及其影响因素2.3氮氧化物（NOX）生成机理及其影响因素2.4微粒（PT）生成机理及其影响因素CO、HC、NOX（NO、N2O、NO2等）CO2、CH4PMSOX、醇类、醛类(RCHO)﹑3,4－苯并芘其他未知污染物，e.g.odor,etal.2.0概述一、汽车排气中的污染物POLLUTANTS光化学烟雾photochemicalsmog空气能见度visibility酸雨acidrain地表水酸化wateracidification……二、内燃机排放的二次污染SecondaryPollution三、汽油车排放的来源（目前标准限制的有害排放物）四、评定标准：排放物体积分数(％和ppm)和质量浓度(mg/m3)质量排放量（g/h或g/㎏）比排放量（g/kw.h）g/km，g/test2.1一氧化碳(CO)2.1.1CO的生成机理CO是碳氢化合物燃料在燃烧过程中生成的主要中间产物，是由于燃料在汽缸中燃烧不充分、氧气不足所致。一般烃燃料的燃烧反应：CmHn+(m/2)O2mCO+(n/2)H2O2充足时有：2H2+O22H2O2CO+O22CO2CO+H2OH2+CO2O2不足时CO结论：CO排放量几乎完全取决于可燃混合气的空燃比α或过量空气系数φa。燃料不完全燃烧：C+OCO[+O]CO[中间产物]产生的原因是缺氧：当反应着的气体①突然缺乏氧化剂,②温度过低,③反应时间过短达不到化学平衡状态时，CO就以中间产物的形式生成了。Φa1（浓），CO排放量随Φa的减小而增加；Φa1（稀），CO排放量都很小；Φa=1.0~1.1，CO排放量变化复杂。汽油机各工况的CO排放怠速缸内残余废气很多，混合不充分，需加浓混合气，导致CO排放严重。这是常规的均匀混合气点燃式内燃机总的CO排放量大的一个主要原因。常用工况（即部分负荷）混合气的过量空气系数φa略大于1，CO排放不多。但在多缸发动机中，各缸之间空燃比的变动也导致CO排放量的增加。全负荷发动机全负荷运转时的功率输出，往往把可燃混合气加浓到Φa=0.8~0.9，导致CO排放增大。冷起动燃料和空气的温度均很低，汽油蒸发率很小，雾化不良，发动机要求供给很浓的混合气，以保证混合气中有足够的汽油蒸气，导致CO排放增加。暖机温度较低、燃油雾化较差，也需要较浓的混合气，而且随着温度增加而逐渐减小，直至达到正常工作温度时发动机进入怠速工况，也导致CO排放增加。急加速节气门开度突然加大，进气管压力随之增加，大量的汽油颗粒被沉积在进气管壁面上，进入缸内的实际混合气则被瞬时稀释，使发动机转速下降。这时应加浓混合气，以获得良好的加速性，导致CO排放增加。急减速进气管真空度急剧增高，促使附着在进气管壁面上的汽油蒸发气化，并在空气量不足的情况下进入气缸内，造成混合气过浓，严重时甚至熄火，导致CO排放增加。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。柴油机CO排放量xCO与过量空气系数Φa的关系由图可以看出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。小负荷时尽管Φa很大，CO排放量反而上升。柴油机CO排放分析柴油机的大部分运转工况下，其过量空气系数Φa都是在1.5~3之间，其CO排放量要比汽油机低很多，只有在接近冒烟界限（Φa=1.2~1.3）时，CO排放量急剧增加。柴油机CO排放增加的原因：（1）燃料与空气混合不均匀，局部缺氧，存在低温区；（2）反应物在燃烧区停留的时间不足于完全燃烧。柴油机CO排放特点1.柴油机的CO排放总体比较低。2.燃烧接近或超过冒烟极限后，由于燃烧过程局部混合气过浓，缺氧造成CO排放迅速增加。3.柴油机小负荷时，稀混合气区体积增加，燃气温度降低，CO排放略微增加。影响一氧化碳生成的因素影响一氧化碳生成因素进气温度进气温度上升，空燃比α变浓，排出的CO将增加。大气压力进气管压力降低，空气密度下降，空燃比下降，CO排放量增大。发动机工况高真空度下，混和气瞬时过浓，CO浓度将显著增加。怠速转速提高怠速转速，空气流量增加，CO浓度降低进气管真空度发动机负荷一定，CO排放量随转速增加（空气流量增加）而降低。1、进气温度的影响随着环境温度的上升，空气密度变小，而汽油密度基本不变，所供给的混合气随进气温度的上升而变浓，CO排放增加。冬天和夏天发动机排放情况有所区别。当忽略空气中饱和水蒸气压时，空气密度ρ可表示为：ρ=kg/m3式中：p——大气压力，kPa；T——温度，℃结论：进气管压力降低时，空气密度下降，则空燃比下降，导致CO排放量增大。273p(273+T)7601.2932、大气压力的影响3、进气管真空度的影响当汽车急减速时，发动机真空度在68kPa以上，停留在进气系统中的燃料，在高真空度下急剧蒸发而进入燃烧室，造成混合气瞬时过浓，燃烧状况恶化，CO浓度增加。4、怠速转速的影响说明提高怠速转速可有效降低排气中CO浓度。从图中可以看出：怠速转速为600r/min，CO浓度为1.4%，700r/min时，浓度降为1%左右。2.2碳氢化合物（HC）压燃式内燃机中，未燃HC都是在缸内的燃烧过程中产生，并随排气排放。点燃式内燃机中，未燃HC的生成与排放有如下三个渠道：1)HC的排气排放物：在气缸内的工作过程中生成并随排气排出，主要是在燃烧过程中未燃烧或未完全燃烧的HC燃料。2)曲轴箱排放物：从燃烧室通过活塞组与气缸之间的间隙漏入曲轴箱的窜气，含有大量未燃烧燃料。曲轴箱窜气如果排入大气也构成HC排放物。3)蒸发排放物：从汽油机和其他轻质液体燃料点燃式发动机的燃油系统，如燃油箱、化油器等处蒸发的燃油蒸气，如果排入大气同样构成HC排放物。汽车HC污染物产生来源曲轴箱HC的20%排气管所有的CO、NOX、Pb和HC的60%油箱和化油器蒸发HC的15%汽油机HC排放的来源HCSources1)排气—55～65%（机内排放）2)曲轴箱—20～25%3)燃油箱、化油器、燃油管接头蒸发—15～20%1.HC排放的来源2.2.1HC的生成机理在内燃机排放的未燃总碳氢化合物(用THC表示)中有完全未燃烧的燃料，但更多的是燃料的不完全燃烧产物。THC包括种类繁多的碳氢化合物，它们在大气对流层的光化学反应中有不同的活性，对人类健康的危害程度也不同。HC的生成机理壁面火焰淬熄狭隙效应（只适用于汽油机）润滑油膜的吸附与解吸燃烧室中沉积物的影响体积淬熄HC的后期氧化（1）车用汽油机未燃HC的生成机理发动机的燃烧室表面受冷却介质的冷却，温度比火焰低得多。壁面对火焰的迅速冷却(称为冷激效应)使反应变缓或停止。火焰不能一直传播到燃烧室壁表面，而在表面上留下一薄层未燃烧或不完全燃烧的可燃混合气，称为淬熄层。发动机正常运转时，冷激效应造成的火焰淬熄层厚度在0.05～0.4mm间变动，在小负荷时或温度较低时淬熄层较厚。1)壁面火焰淬熄不同工况下HC排放在正常运转工况下，淬熄层中的未燃HC在火焰前锋面掠过后，大部分会扩散到已燃气体主流中，在气缸内已基本被氧化，只有极少一部分成为未燃HC排放。在冷起动、暖机和怠速等工况下，因燃烧室壁面温度较低，形成淬熄层较厚，同时已燃气体温度较低及较浓的混合气使后期氧化作用较弱，因此壁面火焰淬熄是此类工况下未燃HC的重要来源。2)狭隙效应活塞、活塞环与气缸壁之间的间隙火花塞中心电极绝缘子根部周围狭窄空间和火花塞螺纹之间的间隙进排气门与气缸盖气门座面相配的密封带狭缝气缸盖衬垫的气缸孔边缘内的死区燃烧室内缝隙的组成活塞顶还岸缝隙中烃的排除过程当火焰前锋面到达各缝隙所在地时，火焰或者钻入缝隙把里面的混合气全部或部分烧燃烧，或者火焰在缝隙的入口处被淬熄。当缝隙中的压力高于气缸的压力时(大约在上止点后15～20°CA)，陷入缝隙中的气体逐渐流回气缸。但这时气缸内的温度已下降，氧的浓度较低，流回缸内的可燃气再氧化的比例不大，有一半以上原封不动地排出气缸。狭隙效应产生的HC排放可占其总量的50~70%。淬熄的可能性取决于缝隙入口的几何形状和尺寸、未燃混合气的组成及其热力状态。注意：在各缝隙中，位于活塞、活塞环与气缸壁之间的缝隙是最主要的。它占燃烧室容积的1%~2%，由于缝隙中藏匿的气体压力高于压缩终点的压力，且其温度低于压缩终点的温度，所以密度大，以气体质量计，可以藏匿高达5%的气缸充量。改进措施：把第一活塞环提高到与活塞顶齐平，可使HC排放下降50%以上，但有粘结危险。3)润滑油膜的吸附与解吸定义：在进气行程期间，覆盖在气缸壁面和活塞顶面上的润滑油膜溶解和吸收了来自燃油的HC蒸气，直到达到其环境压力下的饱和状态，这个过程在压缩和燃烧过程期间较高压力下继续进行。当燃烧室燃气中HC浓度由于燃烧几乎降到零时，油膜中的HC开始向已燃气解吸，并持续到膨胀和排气过程。解吸的燃油与高温燃气混合，被氧化与低温燃气混合，不氧化，成为HC排放源（注：这种HC排放与燃油在润滑油中的溶解度成正比）不同的燃料和润滑油，对HC排放的影响不同；使用气体燃料不会生成此类HC。Why?!因为气体燃料是不溶于润滑油的！燃油在润滑油中的溶解度与润滑油温度成反比请思考：为什么发动机在冷起动时可观测到较多的未燃HC排放量？研究表明，润滑油膜吸附和解吸机理产生的未燃HC排放，占总量的25%左右。原因：润滑油温度降低使燃油在其中的溶解度增加，从而增加了润滑油在HC排放中的分担率。4)燃烧室中沉积物的影响发动机运行一段时间后，会在燃烧室壁面、活塞顶、进排气门上形成沉积物。对使用含铅汽油的发动机，HC排放可增加7%~20%。沉积物的作用机理可用其对可燃混合气的吸附和解吸作用来解释，但沉积物的多孔结构和固液多相性质，其生成机理较复杂。当沉积物沉积于间隙中，由于间隙容积的减少，可能使HC排放量下降，也可能使HC排放量增加。为什么呢？！由于间隙容积的减小，可减少可燃混合气的挤入量（狭隙效应），使HC排放量下降，同时由于减小了缝隙的尺寸，火焰传不进而促进了淬熄，又导致HC排放量的增加。5)体积淬熄定义：发动机在某些运转工况下，在火焰前锋面到达燃烧室壁面前，由于燃烧室中压力和温度下降，可能使火焰熄灭。各工况下的体积淬熄发动机冷起动和暖机工况下，由于发动机温度低，混合气不均匀，导致燃烧变慢或不稳定，火焰易熄灭。发动机在怠速或小负荷工况下，转速低，相对残余废气量大，燃烧恶化，也易熄火。在加、减速等瞬态工况下也可能发生火焰的大体积淬熄。汽缸缺火，造成未燃HC的急剧增加，故汽油机点火系统的可靠性至关重要。（可安装两个火花塞）6）HC的后期氧化定义：在发动机燃烧过程中未燃的HC，在以后的膨胀和排气过程中不断从淬熄层、缝隙区、润滑油膜和沉积物中释放出来，重新扩散到高温的已燃气主流中被全部或部分氧化。HC后期氧化包括：（1）汽缸内未燃HC的后期氧化在排气门开启前，缸内温度较高，在有氧情况下，可进行未燃HC氧化；（2）排气管中未燃HC的氧化排气门开启后，未燃HC在排气管中氧化。氧化条件：管内有足够的氧气、排气温度高于600度、停留时间大于50ms。1.未燃HC排放的来源1）完全由缸内燃烧过程产生。2）没有曲轴箱排放物和蒸发排放物。柴油中的HC比汽油中的HC沸点要高、分子量大，当柴油被喷嘴雾化时已经发生了某种程度的热解作用，使得柴油机排气中未燃或部分氧化的HC成分复杂。柴油机是将燃油以高压喷入燃烧室中，直接形成可燃混合气并很快燃烧,燃油停留在燃烧室中的时间比汽油机短的多，因而，受生成未燃HC的种种机理作用的时间也短,其HC排放量比汽油机少。（2）车用柴油机未燃HC的生成机理2.生成机理和影响因素1）混合气不均匀。2）喷油器嘴部的压力室容积。3）冷起动。4）气缸壁温度影响HC排放，因为壁面激冷使HC排放增加