1、第二章第二章 燃烧过程中污染物的生成机理燃烧过程中污染物的生成机理2.1 2.1 氮氧化物的生成氮氧化物的生成2.2 CO2.2 CO的生成机理的生成机理2.3 HC2.3 HC的生成机理的生成机理2.4 2.4 颗粒物的生成机理颗粒物的生成机理2.5 2.5 硫化物的生成机理硫化物的生成机理2.6 2.6 光化学烟雾的生成机理光化学烟雾的生成机理概述：主要内容了解汽车尾气中的主要污 染物CO、HC、NOx和 微粒的生成机理；掌握其生成的影响因素。2.1 氮氧化物的生成一氧化氮二氧化氮 车用发动机排气中的氮氧化物NOx包含NO和NO2，其中大部分是NO，它们在N2在燃烧高温下的产物。NO的生成
2、机理O2 2OO N2 NO NN O2 NO ON OH NO HNO的平衡摩尔分数xNOe与过量空气系数a的关系NO的生成主要与温度和过量空气系数有关。a a 11的稀混合区，的稀混合区，x xNOeNOe随温随温度的升高而迅速增大。度的升高而迅速增大。a a 11的浓混合区，的浓混合区，x xNOeNOe随随a a 的减小而急剧下降。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。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，由于柴油机在低负荷及低转速时使生成NO2的被冷流体淬冷的区域很大，故在柴油机中NO2可占到排
3、气中总NOX的10%30%。NO HO2 NO2 OHNO2O NOO2NO在火焰区可以迅速转变成NO2。NO2 只有在NO2生成后，火焰被冷的空气所激冷，NO2才能保存下来，因此，汽油机长期怠速会产生大量NO2。柴油机在小负荷运转时，燃烧室存在许多低温区域，使NO2浓度增大。当量比为0.85时，为何是稀混合气？影响影响NONOX X生成的因素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a 1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a 1.1，且有适量的氧浓度，故NOX排放浓度出现峰值。a进一步增大，温度下降的作用占优势，NO生成量减少
4、。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。影响影响NONOX X生成的因素生成的因素影响柴油机NOX生成的因素喷油定时的影响负荷与转速的影响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。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
5、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。2.2 CO的生成机理 CO是燃烧过程中的中间产物，是最早被发现有害污染物之一。一氧化碳的生成机理一氧化碳的生成机理2222mnmnC HOmCOH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。图2-7 甲烷与氧气混合气火焰中CO的摩尔分数分布汽油机一氧化碳的生成机理汽油机一氧化碳的生成机理汽油机汽油机COCO排放量排放量xCOxCO与与 及过量
6、空气系数及过量空气系数a a的关的关系系 汽油机一氧化碳的生成机理汽油机一氧化碳的生成机理a a 1 11时时 ，COCO的排放量都很小。的排放量都很小。a a=1.0=1.01.11.1时，时，COCO的排放量变化较复杂。的排放量变化较复杂。由上图可以看出由上图可以看出柴油机一氧化碳的生成机理柴油机一氧化碳的生成机理a a=1.5=1.53 3，COCO排放量要比汽油机低得多。排放量要比汽油机低得多。大负荷（大负荷（a a=1.2=1.21.31.3）COCO的排放量才大量增加。的排放量才大量增加。柴油机一氧化碳的生成机理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，燃料与
7、空气混合不均匀，局部缺氧和低温，燃烧区停留时间较短，小负荷时尽管燃烧区停留时间较短，小负荷时尽管a a很大，很大，COCO排放量反而上升。排放量反而上升。影响一氧化碳生成的因素影响一氧化碳生成的因素 理论上当AF=14.7以上时，排气中不存在CO，只有CO22.3 HC的生成机理 汽车的未然碳氢指由汽车排放的没有燃烧或部分的碳氢化合物的总称，通常用HC表示。2.3.1 点燃式内燃机(汽油机)汽车HC来源漏入曲轴箱的窜气中含有大量未燃燃料（曲轴箱泄漏）燃烧过程中未燃烧或燃烧不完全的碳氢燃料（排气系统）燃油蒸汽（燃油供给系统）点燃式内燃机（柴油机）汽车HC来源 压燃式内燃机(柴油机)的未然HC都是
8、在缸内燃烧过程中产生的，即排气系统和曲轴箱泄漏。区别2.3.2 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。2.3.3 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
9、.3.4 汽油车燃油蒸发和泄漏的HC排放 由汽车发动机曲轴箱排出的气体混合物其组成大约为85的未燃燃料空气混合气和15的废气（由燃烧室泄漏的燃烧产物），泄漏量随着发动机的磨损而增加。在没有控制的汽车上从曲轴箱通风管排人大气的泄漏气体大约为汽车HC化合物排放量的25。燃油蒸发污染物控制装置：把由燃油系统的各个通风口泄漏的燃油蒸汽先用碳罐吸收起来，等到发动机工作时在释放出来使其进入气缸内燃烧。发动机工作电磁阀打开2.3.5 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运行条件的影响汽油机运行条件的影响负荷增加时
10、，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2.3.5 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
11、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2.3.5 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2.3.5 影响碳氢化合物生成的因素燃烧室面容比燃烧室面容比FV面容比（面容比（F/V）值小）值小,则结构紧凑。则结构紧凑。F/V燃烧室表面积与其容积之比。燃烧室表面积与其容积之比。优点：优点：1）火焰传播距离小，不易爆燃，可提高压缩比。）火焰传播距离小，不易爆燃，可提高压缩比。2）相对散热损失小，热效率高。）相对散热损失小，热效率高。3)熄火面积小，熄火面积小，HC排量小。排量小。2、燃烧室面容比、燃烧室面
12、容比FV2.4 颗粒物的生成机理 颗粒物（PM）也称为微粒物，形成于内燃机燃烧过程，主要成分为碳元素，燃烧过程中的PM是排气中碳烟形成的原因。2.4.1 汽油机微粒的生成机理 GB 17930-1999车用无铅汽油 硫与排气系统中氧化催化剂SO2SO3+HO2H2SO42.4.2 柴油机微粒的组成与特征柴油机排气微粒由很多原生柴油机排气微粒由很多原生微球的聚集体而成，总体结微球的聚集体而成，总体结构为团絮状或链状。构为团絮状或链状。当排气温度超过当排气温度超过500500时，碳质微球的时，碳质微球的聚集体，称为碳烟，也称为烟粒；聚集体，称为碳烟，也称为烟粒；排气温度低于排气温度低于500 50
13、0 时，烟粒会吸附和时，烟粒会吸附和凝聚多种有机物，称为有机可溶成份。凝聚多种有机物，称为有机可溶成份。排气温度的影响2.4.3 烟粒的生成机理（1 1）在高温富油缺氧区，通过裂解和脱氢）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；过程，经过核化形成先期产物；（1 1）表面生长；）表面生长；烟粒生成阶段：烟粒长大阶段：烟粒长大阶段：（2 2）在低于）在低于1500K1500K的低温区，通过聚合和的低温区，通过聚合和冷凝生成碳烟微粒。冷凝生成碳烟微粒。（2 2）聚集。）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，至少在氧化作用需要有一定的温度，至少在700
14、700800800。组成组成SOFSOF的重质有机化合物向烟粒聚集物的的重质有机化合物向烟粒聚集物的凝结与吸附。凝结与吸附。烟粒的氧化：烟粒的氧化：有机可溶成份的吸附与凝结：（1 1）燃油中芳香烃含量及馏程越高，微粒排放量）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；越大；烷烃含量越高，微粒排放量越少；燃料的影响：燃料的影响：（2 2）柴油机的排烟浓度随十六烷值的提高而增大。）柴油机的排烟浓度随十六烷值的提高而增大。2.4.4 影响微粒生成的因素（1）喷油定时的影响；提前喷油或非常迟的喷油，可以降低排气烟度。喷油参数的影响：喷油参数的影响：（2）喷油规律的影响：大
15、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。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空气涡流的影响：其它因素的影响其它因素的影响：2.5 硫化物的生成机理2.6 光化学烟雾的生成机理 光化学烟雾指的是一系列对环境和健康有害的化学品。它们称之为光化学烟雾是因为它们由最初的污染物质光解而产生的。光化学烟雾是一种淡蓝色烟雾，属于大气中二次污染物。光化学烟雾 排入大气的NOx和HC受太阳紫外线作用产生的一种具有刺激性的浅蓝色烟雾。危害：（1）对眼睛的刺激作用。（2）对植物和有机物等的损害。（3）对呼吸系统的影响。（4）头痛、咳嗽等症状。课后作业2n（1）简述酸雨形成过程。n（2）简答汽油机汽车HC主要来源及生成途径。n（3）简答不同空燃比下CO的生成情况。
