第二章汽車排放污染物的生成機(jī)理

汽車環(huán)境與保護(hù)第二章

汽車排放污染物的生成機(jī)理和影響因素

汽油機(jī)和柴油機(jī)的燃燒特點(diǎn)對比汽油車排放污染物的生成機(jī)理及其影響柴油車排放污染物的生成機(jī)理及其影響一、汽油機(jī)和柴油機(jī)的燃燒特點(diǎn)不同

污染生成機(jī)理也不同。汽油機(jī)使用C4-C11的碳?xì)浠衔镒魅剂?，需要燃油和空氣在外部形成比較均勻的的混合氣進(jìn)入汽缸后，用火花塞點(diǎn)燃，燃燒方式為預(yù)混合燃燒。柴油機(jī)使用C12-C23的碳?xì)浠衔镒魅剂?，不易揮發(fā)，著火溫度低，容易自燃，柴油機(jī)靠壓縮提高缸內(nèi)混合氣的溫度使其自燃；燃燒方式為擴(kuò)散燃燒。（課本P10頁)汽車排放污染的主要起因與燃料的燃燒過程密切相關(guān)目前汽車常用的燃料汽油和柴油均屬于石油制品，是由碳（C）和氫（H）組成的烴化合物。二、發(fā)動機(jī)排放污染物的生成機(jī)理汽油機(jī)燃燒必須具備兩個(gè)條件：一是空氣和燃料和混合氣成分（空燃比）應(yīng)處在可燃界限內(nèi)（一般在10-19之間）二是火花塞應(yīng)具備有足夠的點(diǎn)火能量（最小點(diǎn)火能量40-120MJ）才能可靠地點(diǎn)燃混合氣。1、一氧化碳的生成機(jī)理汽車尾氣中CO的產(chǎn)生是燃燒不充分所致，是氧氣不足而生成的中間產(chǎn)物。燃?xì)庵械难鯕饬砍渥銜r(shí)，理論上燃料燃燒后不會存在CO。但當(dāng)氧氣量不足時(shí)，就會有部分燃料不能完全燃燒，而生成CO。CO的產(chǎn)生是燃燒不充分所致，是氧氣不足而生成的中間產(chǎn)物。下列原因產(chǎn)生部分CO（1）燃料不完全燃燒。（2）混合氣混合不均勻。（3）CO2和H2O在高溫時(shí)裂解。汽油機(jī)CO排放量xCO與

及過量空氣系數(shù)Φa的關(guān)系過量空氣系數(shù)燃燒1kg燃油實(shí)際提供的空氣量與理論上所需要的空氣量之比，稱之為過量空氣系數(shù)：α=1；標(biāo)準(zhǔn)混合氣。α<1；濃混合氣，α=0.8~0.9；經(jīng)濟(jì)混合氣。α>1；稀混合氣，α=1.03~1.1；功率混合氣。α=0.4~0.5；燃燒下限；α=1.3~1.4；燃燒上限?？刂艭O排放量大小的主要因素是可燃混合氣的過量空氣系數(shù)Φa

Φa<1時(shí)，因缺氧引起不完全燃燒，CO的排放量隨Φa的減小而增加。Φa>1時(shí)，CO的排放量較小。Φa=1.0～1.1時(shí)，CO的排放量變化較復(fù)雜。柴油機(jī)一氧化碳的生成機(jī)理燃料與空氣混合不均勻，局部缺氧和低溫，燃燒區(qū)停留時(shí)間較短，小負(fù)荷時(shí)盡管Φa很大，CO排放量反而上升。柴油機(jī)一氧化碳的生成機(jī)理Φa=1.5～3，CO排放量要比汽油機(jī)低得多。Φa=1.2～1.3，CO的排放量才大量增加。影響一氧化碳生成的因素

空燃比可燃混合氣中空氣質(zhì)量與燃油質(zhì)量之比為空燃比，空燃比A/F(A：air-空氣，F(xiàn)：fuel-燃料)表示空氣和燃料的混合比。一般用每克燃料燃燒時(shí)所消耗的空氣的克數(shù)來表示。各種燃料的理論空燃比是不相同的：汽油為14.7，柴油為14.3?？杖急却笥诶碚撝档幕旌蠚饨凶鱿』旌蠚?，氣多油少，燃燒完全，油耗低，污染小，但功率較小?？杖急刃∮诶碚撝档幕旌蠚饨凶鰸饣旌蠚猓瑲馍儆投?，功率較大，但燃燒不完全，油耗高，污染大。2、碳?xì)浠衔颒C的生成機(jī)理未燃HC生成與排放的途徑漏入曲軸箱的竄氣中含有大量未燃燃料燃燒過程中未燃燒或燃燒不完全的碳?xì)淙剂先加驼羝?）汽油機(jī)未燃HC的生成機(jī)理碳?xì)浠衔锏纳蓹C(jī)理火焰在壁面淬冷冷起動、暖機(jī)和怠速等工況下，壁面溫度較低，淬熄層較厚，壁面火焰淬熄是此類工況下未燃HC的重要來源。狹隙效應(yīng)火焰不能進(jìn)入各種狹窄的間隙，便會產(chǎn)生未燃HC。潤滑油膜對燃油蒸汽的吸附與解吸進(jìn)氣過程中，潤滑油膜溶解和吸收了進(jìn)入氣缸的碳?xì)浠衔?。燃燒過程中，HC向已燃?xì)饨馕?。燃燒室?nèi)沉積物的影響沉積物使HC排放增加。體積淬熄燃燒室中壓力和溫度下降太快，可能使火焰熄滅。碳?xì)浠衔锏暮笃谘趸慈紵奶細(xì)浠衔镝尫懦鰜恚匦卤蝗炕虿糠盅趸?。?）柴油機(jī)未燃HC的生成機(jī)理燃料在氣缸內(nèi)停留的時(shí)間較短，生成HC的相對時(shí)間也短，故柴油機(jī)HC排放量比汽油機(jī)少。（3)影響碳?xì)浠衔锷傻囊蛩赜绊懱細(xì)浠衔锷傻囊蛩鼗旌蠚赓|(zhì)量的影響混合氣的均勻性越差則HC排放越多。運(yùn)行條件的影響汽油機(jī)運(yùn)行條件的影響影響碳?xì)浠衔锷傻囊蛩刂唬哼\(yùn)行條件的影響汽油機(jī)運(yùn)行條件的影響負(fù)荷增加時(shí)，HC排放量絕對值將隨廢氣流量變大而幾乎呈線性增加。負(fù)荷的影響轉(zhuǎn)速較高時(shí)，氣缸內(nèi)混合氣的擾流混合、渦流擴(kuò)散及排氣擾流、混合程度的增大改善了氣缸內(nèi)的燃燒過程，HC排放濃度明顯下降。轉(zhuǎn)速的影響點(diǎn)火提前角減小可使HC排放下降。點(diǎn)火時(shí)刻的影響壁面溫度升高，HC排放濃度相應(yīng)降低。提高冷卻介質(zhì)溫度有利于減弱壁面激冷效應(yīng)，降低HC排放。壁溫的影響燃燒室面容比大，單位容積的激冷面積也隨之增大，未燃烴總量必然也增大。降低燃燒室面容比是降低汽油機(jī)HC排放的一項(xiàng)重要措施。燃燒室面容比的影響負(fù)荷的影響轉(zhuǎn)速的影響點(diǎn)火時(shí)刻的影響壁溫的影響燃燒室面容比的影響影響碳?xì)浠衔锷傻囊蛩刂哼\(yùn)行條件的影響柴油機(jī)運(yùn)行條件的影響噴油時(shí)刻的影響噴油嘴噴孔面積的影響冷卻水進(jìn)水溫度的影響進(jìn)氣密度的影響3、氮氧化物的生成機(jī)理在內(nèi)燃機(jī)排放的氮氧化物中占大多數(shù)的是NO。導(dǎo)致生成NO和使其消失的主要反應(yīng)為：O2→2OO＋N2→NO＋NN＋O2→NO＋ON＋OH→NO＋HNOX的生成機(jī)理NO的平衡摩爾分?jǐn)?shù)xNOe與過量空氣系數(shù)Φa的關(guān)系Φa>1的稀混合氣區(qū)，xNOe隨溫度的升高而迅速增大。Φa<1，xNOe隨Φa的減小而急劇下降。結(jié)論：在稀混合氣區(qū)NO的生成主要是溫度起作用；在濃混合氣區(qū)主要是氧濃度起作用。汽油機(jī)排氣中的NO2濃度與NO的濃度相比可忽略不計(jì)，但在柴油機(jī)中NO2可占到排氣中總NOX的10%～30%。NO＋HO2→NO2

＋OHNO2＋O→NO＋O2影響汽油機(jī)NOX生成的因素過量空氣系數(shù)和燃燒室溫度的影響Φa<1時(shí)，由于缺氧即使燃燒室內(nèi)溫度很高NOX的生成量仍會隨著的降低而降低，此時(shí)氧濃度起著決定性作用。Φa>1時(shí)，溫度起著決定性作用，NOX生成量隨溫度升高而迅速增大。最高溫度通常出現(xiàn)在Φa≈1.1，且有適量的氧濃度，故NOX排放濃度出現(xiàn)峰值。Φa進(jìn)一步增大，溫度下降的作用占優(yōu)勢，NO生成量減少。殘余廢氣分?jǐn)?shù)的影響廢氣分?jǐn)?shù)增大，減小了可燃?xì)獾陌l(fā)熱量，增大了混合氣的比熱容，使最高燃燒溫度下降，NO排放降低。點(diǎn)火時(shí)刻的影響點(diǎn)火提前角的減小，NO排放量不斷下降。噴油提前角減小，燃燒推遲，燃燒溫度較低，生成的NOX較少。影響NOX生成的因素影響柴油機(jī)NOX生成的因素噴油定時(shí)的影響放熱規(guī)律的影響負(fù)荷與轉(zhuǎn)速的影響傳統(tǒng)模式低排放放熱模式NOX排放隨負(fù)荷增大而顯著增加。轉(zhuǎn)速對NOX排放的影響比負(fù)荷的影響小。4、微粒的生成機(jī)理汽油機(jī)微粒的來源含鉛汽油中的鉛有機(jī)微粒汽油中的硫所產(chǎn)生的硫酸鹽柴油機(jī)微粒的組成與特征柴油機(jī)排氣微粒由很多原生微球的聚集體而成，總體結(jié)構(gòu)為團(tuán)絮狀或鏈狀。當(dāng)排氣溫度超過500℃時(shí)，碳質(zhì)微球的聚集體，稱為碳煙，也稱為煙粒；排氣溫度低于500℃時(shí)，煙粒會吸附和凝聚多種有機(jī)物，稱為有機(jī)可溶成份。煙粒的生成機(jī)理（1）在高溫富油缺氧區(qū)，通過裂解和脫氫過程，經(jīng)過核化形成先期產(chǎn)物；（1）表面生長；煙粒生成階段：煙粒長大階段：（2）在低于1500K的低溫區(qū)，通過聚合和冷凝生成碳煙微粒。（2）聚集。煙粒的氧化及有機(jī)可溶成份的吸附與凝結(jié)氧化作用需要有一定的溫度，至少在700～800℃。組成SOF的重質(zhì)有機(jī)化合物向煙粒聚集物的凝結(jié)與吸附。煙粒的氧化：有機(jī)可溶成份的吸附與凝結(jié)：二、影響汽油機(jī)排放污染物排放的因素1、混合氣濃度和質(zhì)量的影響2、點(diǎn)火提前角3、汽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)（轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、溫度、積炭）4、汽油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)5、燃料性質(zhì)6、環(huán)境的影響點(diǎn)火提前角汽油發(fā)動機(jī)從點(diǎn)火時(shí)刻起到活塞到達(dá)壓縮上止點(diǎn)這段時(shí)間內(nèi)曲軸轉(zhuǎn)過的角度稱為點(diǎn)火提前角。

混合氣從點(diǎn)燃、燃燒到燒完有一個(gè)時(shí)間過程，最佳點(diǎn)火提前角的作用就是在各種不同工況下使氣體膨脹趨勢最大段處于活塞做功下降行程。這樣效率最高，振動最小，溫升最低。影響點(diǎn)火提前角最大的因素是轉(zhuǎn)速，隨著轉(zhuǎn)速的上升，轉(zhuǎn)過同樣角度的時(shí)間變短。最佳點(diǎn)火角受的影響因素：1、發(fā)動機(jī)壓縮比、轉(zhuǎn)速、氣溫、缸溫、負(fù)荷等。2、汽油辛烷值，也就是汽油標(biāo)號，其標(biāo)號越高表示汽油的抗爆震能力越強(qiáng)，相應(yīng)允許更大的點(diǎn)火提前角。3、燃?xì)饣旌媳?，過濃過稀的混合氣，燃燒速度都比較慢，需增加點(diǎn)火提前角，而燃?xì)饣旌媳戎饕垂?jié)氣門開度、海拔高度等。理論上最小點(diǎn)火提前角為0度，但為了防止在做功行程才點(diǎn)燃混合氣(這樣會造成動力的損失)，往往將點(diǎn)火提前角設(shè)為5度以上，這也是啟動轉(zhuǎn)速所需要的角度。最大點(diǎn)火提前角也不能太大，一般不能超過60度，否則振動和溫升問題將凸顯。汽車的發(fā)動機(jī)上都加裝了爆震傳感器，當(dāng)檢測到發(fā)生爆震時(shí)，發(fā)動機(jī)電腦會控制點(diǎn)火系統(tǒng)減小點(diǎn)火提前角。要完成相對復(fù)雜、精確的調(diào)制，靠傳統(tǒng)的機(jī)械式點(diǎn)火器是難以勝任的。只有微機(jī)點(diǎn)火器，才能高速、精確、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)最佳點(diǎn)火提前角。點(diǎn)火過早，會造成爆震，活塞上行受阻，效率降低，熱負(fù)荷、機(jī)械負(fù)荷、噪聲和振動加劇。點(diǎn)火過晚，氣體做功困難，油耗大，效率低，排氣聲大。不論點(diǎn)火過早或過晚，都會影響發(fā)動機(jī)的工作效率。三、柴油車排放污染物的影響因素1、柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)（轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、進(jìn)氣渦流）2、外界環(huán)境（空氣的溫度、濕度及壓力）3、供油系統(tǒng)：噴油提前角噴油速率和噴油壓力。4、柴油十六烷的數(shù)值。（課本35頁）5、EGR（廢棄再循環(huán)）6、增壓。噴油提前角（課本33頁）噴油器開始噴油時(shí)，活塞距離壓縮達(dá)上止點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角，稱為噴油提前角噴油提前角過大，燃燒開始得過早，氣缸壓力升高率過大，柴油機(jī)噪聲增大，工作粗暴；反之若噴油提前角過小，燃燒滯后并延伸到膨脹過程中進(jìn)行，柴油機(jī)燃燒效率下降，未燃碳?xì)浠衔铮℉C）與煙度增加40噴油壓力對柴油機(jī)煙度排放的影響廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)用于降低廢氣中的氧化氮(NOX)的排出量。當(dāng)發(fā)動機(jī)在負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)