第十一章 車輛排放污染物的生成機理和影響因素

車輛節(jié)能與排放講授內容：第十一章排放污染物的生成機理和影響因素主講人：鄧曉亭

講師Email：xiaotingdeng@電話十一章排放污染物的生成機理和影響因素第一節(jié)排放標準的評價指標第二節(jié)一氧化碳CO第三節(jié)碳氫化合物第四節(jié)氮氧化物第五節(jié)微粒第一節(jié)排放標準的評價指標1、排放污染物計量單位

（1）氣態(tài)排放物的濃度單位。排放物的濃度：在一定的排氣容積中，排放污染物所占容積（或質量）的比例，稱為排放物的濃度。氣態(tài)排放物的濃度常用PPm（10-6）和百分數（％）表示，在高濃度時用（％），而在低濃度時用PPm。在標準狀態(tài)（壓力為0.1MPa、溫度為20℃）下，1PPm＝0.0001％＝10-6。

（2）微粒排放物的濃度單位。微粒濃度一般以mg/m3、mg/L、μg/m3、mg/kW·h、mg/km、g/kg、mg/kg等為單位來表示。1、排放污染物計量單位（3）排放煙度計量單位。排放煙度：一般采用波許煙度單位（BSU或RB）或哈特里奇煙度單位（HSU）來計量。

（4）排放物的質量單位。排放量計量單位常用g/km、g/h、g/次等來表示，其中“次”是按某一規(guī)定的試驗程序進行的一次試驗。這些單位常用來對汽車發(fā)動機運行時的排放性能進行監(jiān)測。比排放量計量單位用g/kW·h表示，通常用來對重型車用發(fā)動機和工程機械用柴油機的排放進行計量。第一節(jié)排放標準的評價指標第一節(jié)排放標準的評價指標2、排放指標汽車發(fā)動機排放性能常用下列指標進行評定。（1）排放物濃度C：規(guī)定的排放污染物的限制濃度，稱為排放物的允許濃度。各國對作業(yè)場所大氣中排放污染物的允許濃度都作了規(guī)定。（2）濃度指數K：

排氣中有害排放物濃度C與該成分允許濃度的比值，稱為濃度指數（或稀釋倍數）K。2、排放指標（3）質量排放量G：單位時間內排放出的污染物的質量，即質量排放量G來衡量（常用單位g/h）。按某排放標準規(guī)定的辦法進行一次測試的排放量，稱為循環(huán)工況排放質量或工況質量排放量（常用單位g/test）.安裝內燃機的車輛按規(guī)定的工況組合（稱為測試循環(huán)）行駛后折算到單位里程的排放量，可稱為行程質量排放量（常用單位g/km）.式中：C——排氣中排放物的濃度，g/m3Qr——內燃機排出的廢氣流量，m3/h第一節(jié)排放標準的評價指標2、排放指標（4）比排放量g：發(fā)動機發(fā)出1kW·h功排出的污染物的質量稱為比排放量，單位（g/kWh）。比排放量，可以客觀地評價不同種類、不同大小內燃機的排放性能。（5）排放指數gT：燃燒1kg燃料所排放出的污染物的質量稱為該污染物的排放指數。理論上是無量綱量，實踐中為了便于數據處理，用g/kg的單位。式中：B——每小時燃料消耗量，kg/h。排放指標gT是從排放方面評價燃燒過程完善程度的指標。

第一節(jié)排放標準的評價指標上述排放指標各自的適應范圍。在按最少的有害排放物排放條件選擇發(fā)動機時，可采用比排放量；在評定廢氣凈化措施的效果時，可采用有害排放物濃度或質量排放量。第一節(jié)排放標準的評價指標第一節(jié)排放標準的評價指標3、排放法規(guī)

我國重型柴油車排放標準法規(guī)開始實施年份測試循環(huán)CO值（g/kW·h）HC值（g/kW·h）NOX值（g/kW·h）PM值（g/kW·h）煙度值(m-1)國Ⅰ2000年ECER40.36/0.61①－國Ⅱ2003年ECER494.01.17.00.15/0.25②－國Ⅲ2007年ESC/ELR2.10.665.00.10/0.13②0.8ETC5.452.385.00.16/0.21②－國Ⅳ2010年ESC/ELR1.50.463.50.020.5ETC4.01.653.50.03－國Ⅴ2012年ESC/ELR1.50.462.00.020.5ETC4.01.652.00.03－EEV－ESC/ELR0.020.15ETC3.01.052.00.02－日益嚴格我國輕型車排放標準第一節(jié)排放標準的評價指標2010年我國汽車主要污染物排放情況污染物名稱排放量（萬噸）CO4018.8HC482.2NOX583.3PM59.0總計5143.3比例第一節(jié)排放標準的評價指標第二節(jié)一氧化碳CO一、化學反應機理（生成機理）CO是碳氫燃料在燃燒過程中生成的重要中間產物。一般認為，生成步驟如下（R代表烴基）：RCO通過熱分解生成CO或如下方式：最終生成情況視氧氣濃度而定CO繼續(xù)氧化成CO2：若能組織良好的燃燒過程，即具備充足的氧氣、充分的混合，足夠高的溫度和較長的滯留時間，中間產物CO最終會燃燒完畢，生成CO2或H2O。一、化學反應機理（控制因素）

第二節(jié)一氧化碳CO燃料的氧化速率取決于：1、可用的氧濃度2、反應氣的溫度3、化學反應占有的時間（決定于發(fā)動機的轉速）第二節(jié)一氧化碳CO一、化學反應機理（控制因素）

汽油機CO的生成機理控制CO排放量的主要考慮因素是可燃混合氣的過量空氣系數。Φa<1時，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，CO的排放量都很小。Φa=1.0～1.1時，CO的排放量變化較復雜。汽油機部分負荷(常用工況)：a接近l，CO排放量不高。但多缸機如各缸a不同，有的氣缸a＜1，CO排放量增加。全負荷、冷起動時：混合氣是濃的，a可小到0.8甚至更低，CO排放量很大。加速時：如果加濃過多，或者減速時不斷油，即在瞬態(tài)運轉工況下供油量控制不精確，會導致CO排放量劇增。怠速時：加濃過多會排放大量CO。不同工況的CO排放：第二節(jié)一氧化碳CO汽油機CO的生成機理Φa=1.5～3，CO排放量要比汽油機低得多。Φa=1.2～1.3（冒煙界限），CO的排放量才大量增加。第二節(jié)一氧化碳CO柴油機CO的生成機理燃料與空氣混合不均勻，局部缺氧和低溫，燃燒區(qū)停留時間較短，小負荷時盡管Φa很大，CO排放量反而上升。第二節(jié)一氧化碳CO二、影響CO生成的因素

1、負荷的影響CO濃度隨發(fā)動機負荷的增加先降低后增加。有一個最佳負荷區(qū)高負荷CO濃度增加原因：局部缺氧加劇，不能充分燃燒。低負荷CO濃度增加原因：溫度越低，混合氣隨負荷的降低而變稀。第二節(jié)一氧化碳CO二、影響CO生成的因素

2、進氣溫度的影響隨著環(huán)境溫度的上升，空氣密度變小，而汽油的密度幾乎不變，化油器供給的混合氣的空燃比隨吸入空氣溫度的上升而變濃，排出的CO將增加。第二節(jié)一氧化碳CO二、影響CO生成的因素

3、大氣壓力的影響空氣密度和大氣壓力成正比，從簡單化油器理論可知，空燃比和空氣密度的平方根成正比，所以進氣管壓力降低時，空氣密度下降，則空燃比下降，CO排放量將增大。第二節(jié)一氧化碳CO二、影響CO生成的因素

4、怠速轉速的影響怠速轉速為600r/min時，CO濃度為1.4%，700r/min時，降為1%左右，這說明提高怠速轉速，可有效地降低排氣中CO濃度。第二節(jié)一氧化碳CO二、影響CO生成的因素

5、噴油提前角的影響隨著θ的縮小(即延遲噴油)，CO濃度增加。θ縮小后，滯燃期也縮短，滯燃期內的噴油量減少，而著火后的噴油量增多。使參加預混合燃燒的燃料量減少，而參加擴散燃燒的燃油量增加。轉速越高，這種升高的曲線陡度越大，即對θ縮小的敏感度越大。轉速越高，用于混合氣形成和燃燒以及CO轉變?yōu)镃O2的反應時間越短。第二節(jié)一氧化碳CO二、影響CO生成的因素

6、渦流比的影響燃燒室內增加渦流比，能使CO濃度降低。燃燒室內的渦流比增加后，氣流運動促進了混合氣的形成，提高了混合氣的均勻性，減少了燃燒的異相性。燃燒室內局部地區(qū)混合氣過濃或過稀的現象減少。渦流能加速燃燒，使缸內的最高燃燒壓力和溫度提高。這些都有利于CO濃度的降低。第二節(jié)一氧化碳CO二、影響CO生成的因素

7、氣缸直徑的影響在中小功率高速非增壓柴油機中，氣缸直徑D越小，則其CO排放濃度越大。D的減小使面容比增加，燃燒室冷卻面積相應加大，混合氣和燃燒著的火焰淬冷的幾率增加。沿燃燒室壁的低溫區(qū)增加。缸徑的縮小，發(fā)動機設計轉速有所增加，使混合氣形成時間和燃燒時間以及用于CO轉化成CO2的反應時間均縮短。第二節(jié)一氧化碳CO二、影響CO生成的因素

8、燃油品質的影響燃油的芳烴含率越高，十六烷值越低，則CO排放濃度越高，且在相當大的負荷范圍和噴油提前角范圍內都很高。原因：十六烷值越低，滯燃期越長，噴油提前角一定時，著火越晚。芳烴率高，含碳量高，著火和燃燒較難，燃燒持續(xù)期拖長，使得CO濃度增加。一、未燃碳氫化合物的排放渠道：

汽油機未燃HC的生成與排放有三個渠道：

1)HC的排氣排放物：在燃燒過程中生成并隨排氣排出。組織氣缸掃氣時，部分混合氣直接進入排氣。

2)曲軸箱排放物：通過活塞與氣缸之間的各間隙漏入曲軸箱的竄氣，如果排入大氣也構成HC排放物。

3)蒸發(fā)排放物：從汽油箱、化油器等處蒸發(fā)的汽油蒸氣，如果排入大氣同樣構成HC排放物。柴油機排出的未燃HC全由燃燒過程產生。第三節(jié)碳氫化合物二、汽油機生成未燃CH的機理汽油機排氣污染物與a的關系理論上，油氣的均勻混合氣在a

等于1或大于1的條件下不應產生未燃HC。實際發(fā)動機中，無論a多大，未燃HC都有相當的數值（a＝1.1－1.2時最?。?，并隨a的減小迅速增加。當混合氣過?。╝大于1.2時），由于燃燒惡化，甚至有些循環(huán)缺火會使HC排放急劇增加.第三節(jié)碳氫化合物1、壁面火焰淬熄冷激效應的定義：發(fā)動機的燃燒室表面受冷卻介質的冷卻，溫度比火焰低得多。壁面對火焰的迅速冷卻稱為冷激效應。淬熄層的定義：冷激效應使火焰中產生的活性自由基復合，燃燒反應鏈中斷，使反應變緩或停止。結果火焰不能傳播到燃燒室壁表面，在表面留下一薄層未燃燒或不完全燃燒的可燃混合氣，稱為淬熄層。發(fā)動機正常運轉時，淬熄層厚度為0.05-0.4mm，未燃HC在火焰前鋒面掠過后大部分會擴散到已燃氣體中，大部分在氣缸內被氧化，極少一部分成為未燃HC排放。冷起動、暖機和怠速工況時，壁溫較低，淬熄層較厚，已燃氣體溫度較低及混合氣較濃使后期氧化作用減弱，HC排放增加（在此類工況下，壁面火焰淬熄是造成未燃HC的重要來源）。第三節(jié)碳氫化合物由活塞頂部與缸壁之間，及一、二活塞環(huán)背后組成的縫隙，這部分占總的縫隙的80％。氣缸蓋墊結合面處火花塞螺栓處和中心電極絕緣子根部周圍狹窄空間。進排氣門頭部周圍燃燒室中存在的狹窄縫隙：2、狹隙效應第三節(jié)碳氫化合物當缸內壓力升高（壓縮、燃燒過程）時，會將一部分未燃可燃混合氣擠進縫隙中去，由于縫隙很窄，面容比大，混合氣流入縫隙中很快被壁面冷卻；當火焰前鋒面到達各縫隙，火焰或者鉆入縫隙全部燒掉混合氣，或者燒掉一部分，或者在入口處淬熄。一般情況下火焰無法使縫隙中存在的燃油（也包括潤滑油）全部燃燒完全。若發(fā)生淬熄，部分已燃氣體也會被擠入縫隙；2、狹隙效應第三節(jié)碳氫化合物當壓力降低（膨脹、排氣過程）時，若縫隙中的壓力高于氣缸內壓力時（大約上止點后15－20°CA），陷入縫隙中的氣體流回氣缸。但此時氣缸內溫度已經下降，氧的濃度很低，流回缸內的大部分可燃氣都不能被氧化。以未燃HC的形式排出氣缸。研究表明，約有5%－10%新鮮混合氣由于縫隙效應會躲過火焰?zhèn)鞑サ娜紵^程。狹隙效應造成的HC排放可占總量50％－70％。2、狹隙效應第三節(jié)碳氫化合物進氣過程，氣缸壁面和活塞頂面上覆蓋的潤滑油膜被碳氫化合物蒸氣（來自環(huán)境壓力的燃油）飽和；壓縮和燃燒過程的較高壓力下這種溶解吸收過程繼續(xù)進行；燃燒的作用燃燒室中HC的濃度幾乎降到零時，油膜中的HC開始向已燃氣進行解吸過程，一直繼續(xù)到膨脹和排氣過程；解吸的燃油蒸汽若遇到高溫的燃燒產物則被氧化，若遇到溫度較低的燃氣則不能被氧化而成為HC排放源；冷起動較多的未燃HC排放量的原因：潤滑油溫度降低使燃油在其中的溶解度上升，提高了潤滑油在HC排放中的分擔率。適當設計活塞環(huán)以降低潤滑油消耗，有助于降低HC排放量；這種機理產生的未燃HC排放，占總量的25％左右。3、潤滑油膜的吸附和解吸第三節(jié)碳氫化合物沉積物的定義：發(fā)動機運行一段時間后，會在燃燒室壁面、活塞頂、進排氣門上形成沉積物（燃燒含金屬添加劑的汽油形成的金屬氧化物或混合氣過濃形成的含碳沉積物）；發(fā)動機活塞積碳清洗后的活塞4、燃燒室中沉積物的影響第三節(jié)碳氫化合物一、燃燒室積碳形成局部熱點而導致爆震，損失動力；二、氣門積碳導致關閉不嚴，損失氣缸壓力，使燃油不能充分燃燒；三、對于電噴發(fā)動機來講，除噴油嘴積碳造成霧化不良外，影響更多的是各種傳感器。(使控制紊亂，各部分配合失調，導致整體性能下降，動力降低，油耗增加，嚴重時損壞發(fā)動機)。積碳和沉積物對燃料及燃燒系統的危害：4、燃燒室中沉積物的影響第三節(jié)碳氫化合物沉積物的作用機理1：可能與潤滑油膜對可燃混合氣的HC起的吸附和解吸作用類似；沉積物的作用機理2：沉積物具有多孔結構和固液多相性質，在縫隙中若有沉積物可減少可燃混合氣的擠入量，降低HC排放；但是同時減小了縫隙的尺寸促進了淬熄，又可能會增加HC的排放量。研究表明，這種機理產生的未燃HC排放，占HC總排放量的10％左右。4、燃燒室中沉積物的影響第三節(jié)碳氫化合物體積淬熄：發(fā)動機在某些工況下，火焰前鋒面到達燃燒室壁面之前，由于燃燒室中壓力和溫度下降太快，可能使火焰熄滅，稱為體積淬熄。在冷起動和暖機工況下，因發(fā)動機溫度較低致使燃油霧化、蒸發(fā)和混合氣形成變差,導致燃燒變慢或不穩(wěn)定，火焰易熄滅；在怠速或小負荷工況下，轉速低、相對殘余廢氣量大，使滯燃期延長、燃燒惡化，也易引起熄火。發(fā)動機的某些氣缸缺火，使未燃燒的可燃混合氣直接排入排氣管，造成未燃HC排放急劇增加。汽油機點火系統的工作可靠性對HC排放是至關重要的。

5、體積淬熄第三節(jié)碳氫化合物碳氫化合物的后期氧化：在燃燒過程中，未燃燒的碳氫化合物，在以后的膨脹和排氣過程中不斷從間隙容積、潤滑油膜、沉積物和淬熄層中釋放出來，重新擴散到高溫的燃燒產物中被全部或部分氧化。錯過燃燒過程（主燃期）的HC，會重新擴散到高溫已燃氣體中被氧化，或部分被氧化。所以排放的HC是未燃的燃油及其部分氧化產物的混合物，前者大約要占總量的40％左右。HC也在排氣管路中被氧化，占離開氣缸HC的百分之幾到40％。6、碳氫化合物的后期氧化第三節(jié)碳氫化合物HC排放降低得最多的工況：發(fā)動機產生最高排氣溫度（a＝1的混合氣，高轉速，遲點火，大負荷等）和最長停留時間（低轉速）的運轉工況。促進HC后期氧化的途徑：1）推遲點火提高排氣時已燃氣的溫度；2）降低排氣歧管處的熱損失。6、碳氫化合物的后期氧化第三節(jié)碳氫化合物柴油機是噴油壓燃，燃油停留在燃燒室中的時間比汽油機短得多，冷激效應、狹隙效應、潤滑油膜的吸附和解吸、沉積物吸附作用時間很短，因此所起的作用很小，導致HC排放較低?；旌蠚馓』蛱珴猓荒茏匀蓟蚧鹧娌荒軅鞑ピ斐蒆C排放。

1）滯燃期內，可能因為油氣混合太快使混合氣過稀。2）在噴油后期的高溫燃氣中，可能因為油氣混合不充分使混合氣過濃，或者由于燃燒淬熄產生不完全燃燒產物隨排氣排出，但這時較重的HC多被碳煙微粒吸附。柴油機未燃HC的排放主要來自柴油噴注的外緣混合過度造成的過稀混合氣地區(qū)。三、柴油機生成未燃CH的機理第三節(jié)碳氫化合物1、過稀混合氣的排放著火發(fā)生在a略大于1的地區(qū)（在渦流的作用下）；靠近噴注外緣的混合氣已經超過了可燃稀限，只能是緩慢氧化反應的部位，且氧化不能完全。在這個地區(qū)出現的是未燃燒的燃油及其分解產物和部分氧化產物，一部分最后匯入排氣中。源自這些過稀區(qū)的未燃HC的數量，取決于在滯燃期間噴入的燃油量、在此期間燃油與空氣的混合速率以及燃饒室中占主導的自燃條件。三、柴油機生成未燃CH的機理第三節(jié)碳氫化合物2、過濃混合氣的排放原因一：噴油期結束時，噴油嘴的壓力室容積內充滿柴油，在燃燒后期和膨脹初期被加熱部分汽化，以液態(tài)或氣態(tài)低速穿過噴嘴孔進入氣缸，緩慢與空氣混合，錯過了主要燃燒期。根據有關試驗結果，殘留油腔容積中的柴油約有1/5以未燃HC的形式排出（較重的HC留在噴嘴中，有些燃油發(fā)生氧化反應）。原因二：噴入燃燒室的燃油過多。三、柴油機生成未燃CH的機理第三節(jié)碳氫化合物火焰在壁面上淬熄是柴油機HC排放的一個來源，它取決于柴油噴注與燃燒室壁面的碰撞情況。對于小型高速柴油機，燃燒室尺寸小，而噴油嘴的噴孔又不能太小（影響噴油量），燃油噴注碰壁一般不可避免。但在匹配良好的情況下引起的HC排放不很嚴重。采用油膜蒸發(fā)混合的柴油機，在很多工況HC排放很大（僅在特定工況性能較好），基本被淘汰。柴油機在冷起動時會發(fā)生缺火，大量未燃HC以微粒狀排出，排氣冒“白煙”。三、柴油機生成未燃CH的機理第三節(jié)碳氫化合物3、火焰淬熄和缺火四、影響碳氫化合物生成的因素混合氣質量的影響混合氣的均勻性越差則HC排放越多。運行條件的影響汽油機運行條件的影響第三節(jié)碳氫化合物運行條件的影響汽油機運行條件的影響負荷增加時，HC排放量絕對值將隨廢氣流量變大而幾乎呈線性增加。負荷的影響轉速較高時，氣缸內混合氣的擾流混合、渦流擴散及排氣擾流、混合程度的增大改善了氣缸內的燃燒過程，HC排放濃度明顯下降。轉速的影響點火提前角減小可使HC排放下降。點火時刻的影響壁面溫度升高，HC排放濃度相應降低。提高冷卻介質溫度有利于減弱壁面激冷效應，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HC排放的一項重要措施。燃燒室面容比的影響負荷的影響轉速的影響點火時刻的影響壁溫的影響燃燒室面容比的影響四、影響碳氫化合物生成的因素第三節(jié)碳氫化合物混合氣質量的影響汽油機運行條件的影響柴油機運行條件的影響運行條件的影響四、影響碳氫化合物生成的因素第三節(jié)碳氫化合物運行條件的影響柴油機運行條件的影響噴油時刻的影響噴油嘴噴孔面積的影響冷卻水進水溫度的影響進氣密度的影響負荷的影響轉速的影響噴嘴壓力室容積的影響四、影響碳氫化合物生成的因素第三節(jié)碳氫化合物冷卻水溫相對降低，將導致氣缸內溫度降低，HC排放量會相對增加。進入柴油機的空氣密度降低，使缸內空氣量減少，燃燒不完善，HC排放量一般會增加。一、氮氧化物的生成機理靠大氣中氮生成NO的化學機理是擴展的Zeldovitch機理，也稱為“熱NO”。在a＝1附近，有關NO主要反應（生成和消失）為最后一個反應主要發(fā)生在非常濃的混合氣中。1、NO的生成機理：第四節(jié)氮氧化物發(fā)動機排出的NOx主要是NO和NO2。大部分是NO，NO的主要來源是參與燃燒的空氣中的氮(N2)。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。第四節(jié)氮氧化物反應溫度越低，則達到平衡摩爾分數所需時間越長，并且NO的生成反應比發(fā)動機中的燃燒反應慢。溫度越高，氧濃度越高，反應時間越長，NO的生成量越多。NO生成量的控制方法：降低最高燃燒溫度。第四節(jié)氮氧化物最初燃燒部分（火花塞附近）產生的NO約占其最大濃度的50%（其中有相當部分后來被分解）；隨后燃燒的部分所產生的NO濃度很小且?guī)缀醪辉俜纸猓虼薔O的排放不能按平衡濃度的方法計算，只能由局部的燃燒溫度及其持續(xù)時間決定。汽油機排氣中的NO2濃度與NO的濃度相比可忽略不計，但在柴油機中NO2可占到排氣中總NOX的10%～30%。NO＋

HO2→NO2

＋

OHNO2＋O→NO＋O2二、二氧化氮的生成機理第四節(jié)氮氧化物只有在NO2生成后，火焰被冷的空氣所激冷，NO2才能保存下來。汽油機長期怠速會產生大量NO2。柴油機在小負荷運轉時，燃燒室中存在很多低溫區(qū)域，可以抑制NO2向NO的再轉化而使NO2的濃度增大。

NO2也會在低速下在排氣管中生成，因為此時排氣在有氧條件下停留較長時間。影響汽油機NOX生成的因素過量空氣系數和燃燒室溫度的影響Φa<1時，由于缺氧即使燃燒室內溫度很高NOX的生成量仍會隨著的降低而降低，此時氧濃度起著決定性作用。Φa>1時，溫度起著決定性作用，NOX生成量隨溫度升高而迅速增大。最高溫度通常出現在Φa≈1.1，且有適量的氧濃度，故NOX排放濃度出現峰值。Φa進一步增大，溫度下降的作用占優(yōu)勢，NO生成量減少。殘余廢氣分數的影響廢氣分數增大，減小了可燃氣的發(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。點火時刻的影響點火提前角的減小，NO排放量不斷下降。第四節(jié)氮氧化物三、影響氮氧化物生成的因素噴油提前角減小，燃燒推遲，燃燒溫度較低，生成的NOX較少。影響柴油機NOX生成的因素噴油定時的影響放熱規(guī)律的影響負荷與轉速的影響傳統模式低排放放熱模式NOX排放隨負荷增大而顯著增加。轉速對NOX排放的影響比負荷的影響小。第四節(jié)氮氧化物三、影響氮氧化物生成的因素第五節(jié)微粒微粒（顆粒）是在取樣狀態(tài)下排氣中除水分以外的所有分散(固、液態(tài))物質的總稱。顆粒包括排氣中一切有邊界的物質，而不管其性質、組成、大小和形狀。顆粒包括下列物質：①固態(tài)的碳基顆粒。②液態(tài)的碳氫顆粒，氧化中間產物一一酮、醛、酯，酚、有機酸、未燃碳氫以及經重排或再化合的分子量較大的碳氫。它們大部分吸附在固態(tài)碳基顆粒上，一部分獨立存在。③無機物，如SOx、NO2，H2SO4，硫酸鹽和各種痕量金屬等。它們主要附聚在碳基顆粒表面。第五節(jié)微粒冷啟動時，在排氣管內會凝聚產生以未燃燃料及機油為主的液相顆粒。液體顆粒直徑較大時，表現為白煙，而直徑較小時，表現為藍煙。白煙和藍煙主要成分是未燃碳氫(含燃油和潤滑油)，水蒸氣以及不完全燃燒中間產物(如含氧碳氫)。除水外，都屬于顆粒范疇。一、微粒的生成機理第五節(jié)微粒1、汽油機微粒的生成機理由于貴金屬三效催化劑的使用，目前含鉛汽油已經被淘汰，含鉛微粒已經不再排放。汽油含硫量一般都很低，如果用無鉛汽油，點燃式內燃機基本上不排放微粒。除非可燃混合氣非常濃，正常情況下點燃式內燃機沒有碳煙排放(均質燃燒)。若發(fā)動機發(fā)生技術狀況問題，導致潤滑油消耗較多時排氣會冒藍煙（未燃燒潤滑油微粒構成的氣溶膠）。白煙是高沸點的未燃烴和水蒸氣混合而成的液態(tài)顆粒，主要是在冷啟動時產生。第五節(jié)微粒1、汽油機微粒的生成機理2、柴油機微粒的生成機理

1）排氣微粒的組成與特征柴油機排氣微粒由很多原生微球的聚集體而成，總體結構為團絮狀或鏈狀。這些微球體是燃燒產生的碳粒直徑在15－40nm。微粒的表觀密度在0.25－1.0kg/L，說明其結構很疏松。第五節(jié)微粒排氣溫度超過500℃時，碳質微球的聚集體，稱為碳煙，也稱為煙粒（DS）；排氣溫度低于500℃時，煙粒會吸附和凝聚多種有機物，稱為有機可溶成份（SOF）。如果沿柴油機的排氣管道測試取樣，可發(fā)現微粒粒度不斷增大，且由于排氣中的有機化合物不斷吸附冷凝在微粒上，使排氣中SOF含量增加。第五節(jié)微粒1）排氣微粒的組成與特征第五節(jié)微粒白煙微粒：直徑在1.3μm左右，通常在冷起動和怠速工況時發(fā)生，改善起動性能后則減少，暖機后則消失。藍煙微粒：直徑較小，在0.4μm左右，通常在柴油機未完全預熱或低溫、小負荷時發(fā)生，在發(fā)動機正常運轉后消失。黑煙（碳煙）：通常在大負荷時發(fā)生，具有較低的H/C值，煙中含有比重大、顆粒細微的碳粒子，其最小單元為片晶。片晶按一定方向隨機排列聚結成碳晶粒子，其粒徑大多在（50～500）×10-4μm之間。在柴油機排氣中碳晶粒子以球狀凝結物形式出現，其直徑由單粒的大約0.01μm到聚合物的10～30μm。1）排氣微粒的組成與特征第五節(jié)微粒1）排氣微粒的組成與特征第五節(jié)微粒SOF成分：各種未燃碳氫化合物、含氧有機物（醛類、酮類、酯類、醚類、有機酸類等）和多環(huán)芳烴（PAH）及其含氧和含氮衍生物等。微粒的凝聚物中還包括少量無機物如SO2、NO2和硫酸等，還有少量來自燃油和來自潤滑油的鈣、鐵、硅、鉻、鋅、磷等元素的化合物。排氣微粒通常用溶液萃取等分析方法分成DS和SOF兩部分。SOF占PT質量的15%～30%。發(fā)動機負荷越小，SOF所占比例越大，這與溫度的影響一致。由放射性示蹤研究表明，碳煙中基本不含潤滑油成分，后者全部進入SOF，在不同機型和不同工況下占SOF質量的15%～80%。燃油產生的物質有80%進入DS，20%進入SOF。1）排氣微粒的組成與特征第五節(jié)微粒1）排氣微粒的組成與特征碳煙生成的條件是高溫和缺氧。燃油中烴分子在高溫缺氧的條件下發(fā)生部分氧化和熱裂解，生成各種不飽和烴類，如乙烯、乙炔及其較高的同系物和多環(huán)芳香烴。它們不斷脫氫、聚合成以碳為主的直徑2nm左右的碳煙核心。氣相的烴和其他物質在這個碳煙核心表面的凝聚，以及碳煙核心互相碰撞發(fā)生凝聚，使碳煙核心增大，成為直徑20~30nm的碳煙基元。最后，碳煙基元經過聚集作用堆積成直徑1um以下的球團狀或鏈狀的聚集物。2）煙粒的生成機理第五節(jié)微粒2）煙粒的生成機理（1）在高溫富油缺氧區(qū)，通過裂解和脫氫過程，經過核化形成先期產物；（1）表面生長——煙粒表面粘住來自氣相的物質使其質量增大，同時還發(fā)生脫氫反應，但不會改變煙粒數量。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——通過碰撞使煙粒長大，煙粒數量減少，生成鏈狀或團絮狀的聚集物。第五節(jié)微粒煙粒排放取決于煙粒生成反應與氧化反應之間的平衡。第五節(jié)微粒生成煙粒的總量反應式式中：c、h、o分別表示C、H、O的原子數；當c>o，即c/o>1時，碳煙Cs>0，此時開始生成煙粒。組成柴油的各種烴類生成煙粒的條件基本都在此范圍內。碳煙生成數量隨a降低而增加。且在極濃的混合氣中生成，在1600~1700K溫度之間達到最大值。壓力對碳煙生成條件影響很小，但碳煙生成數量隨壓力提高而增加。第五節(jié)微粒a<0.5，燃燒以后必定產生碳煙。要同時碳煙和NOx，a應在0.6~0.9之間a大于0.9時，NOx

，a小于0.6時，碳煙第五節(jié)微粒在預混合燃燒中，由于燃油在空氣中分布不均勻，既生成煙粒，也生成NOX，只有很少部分燃油形成a

=0.6～0.9的混合氣。所以，為降低柴油機排放，應縮短滯燃期和控制滯燃期內噴油量，使盡可能多的混合氣的控制在a

0.6～0.9之間。第五節(jié)微粒噴入a小于4的混合氣區(qū)的燃油都會生成煙粒（溫度低于煙粒生成溫度的過濃混合氣中，會生成不完全燃燒的液態(tài)HC）。在擴散燃燒階段，為減少生成的煙粒，應避免燃油與高溫缺氧的燃氣混合。強烈的氣流運動和細微的燃油霧化，都有助于燃油與空氣的混合均勻性、增大燃燒區(qū)的實際過量空氣系數。噴油結束后，燃氣與空氣進一步混合，其狀態(tài)變化趨勢如圖上虛線箭頭所示。燃燒過程(主要是擴散燃燒期)中生成的碳煙是可燃的。其中很大一部分在燃燒的后續(xù)過程中會被燒掉(氧化)。研究發(fā)現，碳煙的生成主要是在燃燒的初期和中期，而碳煙的氧化主要是在燃燒的中期和后期，溫度至少在700-800℃。第五節(jié)微粒3）煙粒的氧化碳煙濃度先是上升到一最大值，然后濃度下降，表明碳煙的氧化反應加快，碳煙濃度急劇降低。柴油機排出缸外的碳煙生成速率是碳煙生成速率與氧化速率之差。碳煙的氧化過程會一直延續(xù)到排氣管進行。第五節(jié)微粒3）煙粒的氧化碳煙的氧化速率主要和溫度有密切關系，同時還和剩余氧，以及在高溫下的逗留時間有關。第五節(jié)微粒4）SOF的吸附與凝結定義：組成SOF的重質有機化合物向煙粒聚集物的吸附和凝結。發(fā)生的時間：柴油機排氣微粒生成過程的最后階段。發(fā)生的地點：主要發(fā)生在氣缸內的燃氣從發(fā)動機排出并被空氣稀釋之時。影響因素：稀釋過程的稀釋比，通過稀釋過程的吸附和凝結使煙粒覆蓋SOF。第五節(jié)微粒4）SOF的吸附與凝結吸附：未燃的碳氫化合物或未完全燃燒的有機物分子，通過化學鍵力或物理(范德華)力粘附到碳煙粒子表面上。決定因素：取決于煙粒具有的可吸附氣相物質的總表面以及驅動吸附過程的吸附質的分壓力。凝結：凝結發(fā)生在煙粒周圍的氣體有機物的蒸氣壓力超過飽和蒸氣壓時。成分來源