第十一章 車輛排放污染物的生成機(jī)理和影響因素

車輛節(jié)能與排放講授內(nèi)容：第十一章排放污染物的生成機(jī)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(jī)理和影響因素第一節(jié)排放標(biāo)準(zhǔn)的評價(jià)指標(biāo)第二節(jié)一氧化碳CO第三節(jié)碳?xì)浠衔锏谒墓?jié)氮氧化物第五節(jié)微粒第一節(jié)排放標(biāo)準(zhǔn)的評價(jià)指標(biāo)1、排放污染物計(jì)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(zhì)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?jǐn)?shù)（％）表示，在高濃度時(shí)用（％），而在低濃度時(shí)用PPm。在標(biāo)準(zhǔn)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(jì)量單位（3）排放煙度計(jì)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(jì)量。

（4）排放物的質(zhì)量單位。排放量計(jì)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(yàn)程序進(jìn)行的一次試驗(yàn)。這些單位常用來對汽車發(fā)動機(jī)運(yùn)行時(shí)的排放性能進(jìn)行監(jiān)測。比排放量計(jì)量單位用g/kW·h表示，通常用來對重型車用發(fā)動機(jī)和工程機(jī)械用柴油機(jī)的排放進(jìn)行計(jì)量。第一節(jié)排放標(biāo)準(zhǔn)的評價(jià)指標(biāo)第一節(jié)排放標(biāo)準(zhǔn)的評價(jià)指標(biāo)2、排放指標(biāo)汽車發(fā)動機(jī)排放性能常用下列指標(biāo)進(jìn)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(shù)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(shù)（或稀釋倍數(shù)）K。2、排放指標(biāo)（3）質(zhì)量排放量G：單位時(shí)間內(nèi)排放出的污染物的質(zhì)量，即質(zhì)量排放量G來衡量（常用單位g/h）。按某排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的辦法進(jìn)行一次測試的排放量，稱為循環(huán)工況排放質(zhì)量或工況質(zhì)量排放量（常用單位g/test）.安裝內(nèi)燃機(jī)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(zhì)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(nèi)燃機(jī)排出的廢氣流量，m3/h第一節(jié)排放標(biāo)準(zhǔn)的評價(jià)指標(biāo)2、排放指標(biāo)（4）比排放量g：發(fā)動機(jī)發(fā)出1kW·h功排出的污染物的質(zhì)量稱為比排放量，單位（g/kWh）。比排放量，可以客觀地評價(jià)不同種類、不同大小內(nèi)燃機(jī)的排放性能。（5）排放指數(shù)gT：燃燒1kg燃料所排放出的污染物的質(zhì)量稱為該污染物的排放指數(shù)。理論上是無量綱量，實(shí)踐中為了便于數(shù)據(jù)處理，用g/kg的單位。式中：B——每小時(shí)燃料消耗量，kg/h。排放指標(biāo)gT是從排放方面評價(jià)燃燒過程完善程度的指標(biāo)。

第一節(jié)排放標(biāo)準(zhǔn)的評價(jià)指標(biāo)上述排放指標(biāo)各自的適應(yīng)范圍。在按最少的有害排放物排放條件選擇發(fā)動機(jī)時(shí)，可采用比排放量；在評定廢氣凈化措施的效果時(shí)，可采用有害排放物濃度或質(zhì)量排放量。第一節(jié)排放標(biāo)準(zhǔn)的評價(jià)指標(biāo)第一節(jié)排放標(biāo)準(zhǔn)的評價(jià)指標(biāo)3、排放法規(guī)

我國重型柴油車排放標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)開始實(shí)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(yán)格我國輕型車排放標(biāo)準(zhǔn)第一節(jié)排放標(biāo)準(zhǔn)的評價(jià)指標(biāo)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(jì)5143.3比例第一節(jié)排放標(biāo)準(zhǔn)的評價(jià)指標(biāo)第二節(jié)一氧化碳CO一、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理（生成機(jī)理）CO是碳?xì)淙剂显谌紵^程中生成的重要中間產(chǎn)物。一般認(rèn)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(shí)間，中間產(chǎn)物CO最終會燃燒完畢，生成CO2或H2O。一、化學(xué)反應(yīng)機(jī)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(yīng)氣的溫度3、化學(xué)反應(yīng)占有的時(shí)間（決定于發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速）第二節(jié)一氧化碳CO一、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理（控制因素）

汽油機(jī)CO的生成機(jī)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(shù)。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的排放量都很小。Φa=1.0～1.1時(shí)，CO的排放量變化較復(fù)雜。汽油機(jī)部分負(fù)荷(常用工況)：a接近l，CO排放量不高。但多缸機(jī)如各缸a不同，有的氣缸a＜1，CO排放量增加。全負(fù)荷、冷起動時(shí)：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(shí)：如果加濃過多，或者減速時(shí)不斷油，即在瞬態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)工況下供油量控制不精確，會導(dǎo)致CO排放量劇增。怠速時(shí)：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(jī)CO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（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(jī)CO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。第二節(jié)一氧化碳CO二、影響CO生成的因素

1、負(fù)荷的影響CO濃度隨發(fā)動機(jī)負(fù)荷的增加先降低后增加。有一個(gè)最佳負(fù)荷區(qū)高負(fù)荷CO濃度增加原因：局部缺氧加劇，不能充分燃燒。低負(fù)荷CO濃度增加原因：溫度越低，混合氣隨負(fù)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(jìn)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(jìn)氣管壓力降低時(shí)，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(zhuǎn)速的影響怠速轉(zhuǎn)速為600r/min時(shí)，CO濃度為1.4%，700r/min時(shí)，降為1%左右，這說明提高怠速轉(zhuǎn)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(nèi)的噴油量減少，而著火后的噴油量增多。使參加預(yù)混合燃燒的燃料量減少，而參加擴(kuò)散燃燒的燃油量增加。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速越高，用于混合氣形成和燃燒以及CO轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2的反應(yīng)時(shí)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(nèi)增加渦流比，能使CO濃度降低。燃燒室內(nèi)的渦流比增加后，氣流運(yùn)動促進(jìn)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(nèi)局部地區(qū)混合氣過濃或過稀的現(xiàn)象減少。渦流能加速燃燒，使缸內(nèi)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(jī)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(yīng)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(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速有所增加，使混合氣形成時(shí)間和燃燒時(shí)間以及用于CO轉(zhuǎn)化成CO2的反應(yīng)時(shí)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(zhì)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(dāng)大的負(fù)荷范圍和噴油提前角范圍內(nèi)都很高。原因：十六烷值越低，滯燃期越長，噴油提前角一定時(shí)，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?xì)浠衔锏呐欧徘溃?/p>

汽油機(jī)未燃HC的生成與排放有三個(gè)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(shí)，部分混合氣直接進(jìn)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(gòu)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(gòu)成HC排放物。柴油機(jī)排出的未燃HC全由燃燒過程產(chǎn)生。第三節(jié)碳?xì)浠衔锒?、汽油機(jī)生成未燃CH的機(jī)理汽油機(jī)排氣污染物與a的關(guān)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(yīng)產(chǎn)生未燃HC。實(shí)際發(fā)動機(jī)中，無論a多大，未燃HC都有相當(dāng)?shù)臄?shù)值（a＝1.1－1.2時(shí)最?。?，并隨a的減小迅速增加。當(dāng)混合氣過?。╝大于1.2時(shí)），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?xì)浠衔?、壁面火焰淬熄冷激效應(yīng)的定義：發(fā)動機(jī)的燃燒室表面受冷卻介質(zhì)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(yīng)。淬熄層的定義：冷激效應(yīng)使火焰中產(chǎn)生的活性自由基復(fù)合，燃燒反應(yīng)鏈中斷，使反應(yīng)變緩或停止。結(jié)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(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(kuò)散到已燃?xì)怏w中，大部分在氣缸內(nèi)被氧化，極少一部分成為未燃HC排放。冷起動、暖機(jī)和怠速工況時(shí)，壁溫較低，淬熄層較厚，已燃?xì)怏w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?xì)浠衔镉苫钊敳颗c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(jié)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(jìn)排氣門頭部周圍燃燒室中存在的狹窄縫隙：2、狹隙效應(yīng)第三節(jié)碳?xì)浠衔锂?dāng)缸內(nèi)壓力升高（壓縮、燃燒過程）時(shí)，會將一部分未燃可燃混合氣擠進(jìn)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(dāng)火焰前鋒面到達(dá)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?xì)怏w也會被擠入縫隙；2、狹隙效應(yīng)第三節(jié)碳?xì)浠衔锂?dāng)壓力降低（膨脹、排氣過程）時(shí)，若縫隙中的壓力高于氣缸內(nèi)壓力時(shí)（大約上止點(diǎn)后15－20°CA），陷入縫隙中的氣體流回氣缸。但此時(shí)氣缸內(nèi)溫度已經(jīng)下降，氧的濃度很低，流回缸內(nèi)的大部分可燃?xì)舛疾荒鼙谎趸?。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(yīng)會躲過火焰?zhèn)鞑サ娜紵^程。狹隙效應(yīng)造成的HC排放可占總量50％－70％。2、狹隙效應(yīng)第三節(jié)碳?xì)浠衔镞M(jìn)氣過程，氣缸壁面和活塞頂面上覆蓋的潤滑油膜被碳?xì)浠衔镎魵猓▉碜原h(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(jìn)行；燃燒的作用燃燒室中HC的濃度幾乎降到零時(shí)，油膜中的HC開始向已燃?xì)膺M(jìn)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(chǎn)物則被氧化，若遇到溫度較低的燃?xì)鈩t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(dān)率。適當(dāng)設(shè)計(jì)活塞環(huán)以降低潤滑油消耗，有助于降低HC排放量；這種機(jī)理產(chǎn)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?xì)浠衔锍练e物的定義：發(fā)動機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，會在燃燒室壁面、活塞頂、進(jìn)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(jī)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?xì)浠衔镆?、燃燒室積碳形成局部熱點(diǎn)而導(dǎo)致爆震，損失動力；二、氣門積碳導(dǎo)致關(guān)閉不嚴(yán)，損失氣缸壓力，使燃油不能充分燃燒；三、對于電噴發(fā)動機(jī)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(diào)，導(dǎo)致整體性能下降，動力降低，油耗增加，嚴(yán)重時(shí)損壞發(fā)動機(jī))。積碳和沉積物對燃料及燃燒系統(tǒng)的危害：4、燃燒室中沉積物的影響第三節(jié)碳?xì)浠衔锍练e物的作用機(jī)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(jī)理2：沉積物具有多孔結(jié)構(gòu)和固液多相性質(zhì)，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(shí)減小了縫隙的尺寸促進(jìn)了淬熄，又可能會增加HC的排放量。研究表明，這種機(jī)理產(chǎn)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?xì)浠衔矬w積淬熄：發(fā)動機(jī)在某些工況下，火焰前鋒面到達(dá)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(jī)工況下，因發(fā)動機(jī)溫度較低致使燃油霧化、蒸發(fā)和混合氣形成變差,導(dǎo)致燃燒變慢或不穩(wěn)定，火焰易熄滅；在怠速或小負(fù)荷工況下，轉(zhuǎn)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(jī)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(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的工作可靠性對HC排放是至關(guān)重要的。

5、體積淬熄第三節(jié)碳?xì)浠衔锾細(xì)浠衔锏暮笃谘趸涸谌紵^程中，未燃燒的碳?xì)浠衔?，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(kuò)散到高溫的燃燒產(chǎn)物中被全部或部分氧化。錯(cuò)過燃燒過程（主燃期）的HC，會重新擴(kuò)散到高溫已燃?xì)怏w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(chǎn)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?xì)浠衔锏暮笃谘趸谌?jié)碳?xì)浠衔颒C排放降低得最多的工況：發(fā)動機(jī)產(chǎn)生最高排氣溫度（a＝1的混合氣，高轉(zhuǎn)速，遲點(diǎn)火，大負(fù)荷等）和最長停留時(shí)間（低轉(zhuǎn)速）的運(yùn)轉(zhuǎn)工況。促進(jìn)HC后期氧化的途徑：1）推遲點(diǎn)火提高排氣時(shí)已燃?xì)獾臏囟龋?）降低排氣歧管處的熱損失。6、碳?xì)浠衔锏暮笃谘趸谌?jié)碳?xì)浠衔锊裼蜋C(jī)是噴油壓燃，燃油停留在燃燒室中的時(shí)間比汽油機(jī)短得多，冷激效應(yīng)、狹隙效應(yīng)、潤滑油膜的吸附和解吸、沉積物吸附作用時(shí)間很短，因此所起的作用很小，導(dǎo)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(nèi)，可能因?yàn)橛蜌饣旌咸焓够旌蠚膺^稀。2）在噴油后期的高溫燃?xì)庵?，可能因?yàn)橛蜌饣旌喜怀浞质够旌蠚膺^濃，或者由于燃燒淬熄產(chǎn)生不完全燃燒產(chǎn)物隨排氣排出，但這時(shí)較重的HC多被碳煙微粒吸附。柴油機(jī)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(jī)生成未燃CH的機(jī)理第三節(jié)碳?xì)浠衔?、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(jīng)超過了可燃稀限，只能是緩慢氧化反應(yīng)的部位，且氧化不能完全。在這個(gè)地區(qū)出現(xiàn)的是未燃燒的燃油及其分解產(chǎn)物和部分氧化產(chǎn)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(shù)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(dǎo)的自燃條件。三、柴油機(jī)生成未燃CH的機(jī)理第三節(jié)碳?xì)浠衔?、過濃混合氣的排放原因一：噴油期結(jié)束時(shí)，噴油嘴的壓力室容積內(nèi)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(jìn)入氣缸，緩慢與空氣混合，錯(cuò)過了主要燃燒期。根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)結(jié)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(yīng)）。原因二：噴入燃燒室的燃油過多。三、柴油機(jī)生成未燃CH的機(jī)理第三節(jié)碳?xì)浠衔锘鹧嬖诒诿嫔洗阆ㄊ遣裼蜋C(jī)HC排放的一個(gè)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(jī)，燃燒室尺寸小，而噴油嘴的噴孔又不能太?。ㄓ绊憞娪土浚?，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(yán)重。采用油膜蒸發(fā)混合的柴油機(jī)，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(jī)在冷起動時(shí)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(jī)生成未燃CH的機(jī)理第三節(jié)碳?xì)浠衔?、火焰淬熄和缺火四、影響碳?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)行條件的影響第三節(jié)碳?xì)浠衔镞\(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四、影響碳?xì)浠衔锷傻囊蛩氐谌?jié)碳?xì)浠衔锘旌蠚赓|(zhì)量的影響汽油機(jī)運(yùn)行條件的影響柴油機(jī)運(yùn)行條件的影響運(yùn)行條件的影響四、影響碳?xì)浠衔锷傻囊蛩氐谌?jié)碳?xì)浠衔镞\(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)氣密度的影響負(fù)荷的影響轉(zhuǎn)速的影響噴嘴壓力室容積的影響四、影響碳?xì)浠衔锷傻囊蛩氐谌?jié)碳?xì)浠衔锢鋮s水溫相對降低，將導(dǎo)致氣缸內(nèi)溫度降低，HC排放量會相對增加。進(jìn)入柴油機(jī)的空氣密度降低，使缸內(nèi)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(jī)理靠大氣中氮生成NO的化學(xué)機(jī)理是擴(kuò)展的Zeldovitch機(jī)理，也稱為“熱NO”。在a＝1附近，有關(guān)NO主要反應(yīng)（生成和消失）為最后一個(gè)反應(yīng)主要發(fā)生在非常濃的混合氣中。1、NO的生成機(jī)理：第四節(jié)氮氧化物發(fā)動機(jī)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(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。第四節(jié)氮氧化物反應(yīng)溫度越低，則達(dá)到平衡摩爾分?jǐn)?shù)所需時(shí)間越長，并且NO的生成反應(yīng)比發(fā)動機(jī)中的燃燒反應(yīng)慢。溫度越高，氧濃度越高，反應(yīng)時(shí)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(chǎn)生的NO約占其最大濃度的50%（其中有相當(dāng)部分后來被分解）；隨后燃燒的部分所產(chǎn)生的NO濃度很小且?guī)缀醪辉俜纸?，因此NO的排放不能按平衡濃度的方法計(jì)算，只能由局部的燃燒溫度及其持續(xù)時(shí)間決定。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＋O2二、二氧化氮的生成機(jī)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(jī)長期怠速會產(chǎn)生大量NO2。柴油機(jī)在小負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，燃燒室中存在很多低溫區(qū)域，可以抑制NO2向NO的再轉(zhuǎn)化而使NO2的濃度增大。

NO2也會在低速下在排氣管中生成，因?yàn)榇藭r(shí)排氣在有氧條件下停留較長時(shí)間。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。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(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。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(zhì)的總稱。顆粒包括排氣中一切有邊界的物質(zhì)，而不管其性質(zhì)、組成、大小和形狀。顆粒包括下列物質(zhì)：①固態(tài)的碳基顆粒。②液態(tài)的碳?xì)漕w粒，氧化中間產(chǎn)物一一酮、醛、酯，酚、有機(jī)酸、未燃碳?xì)湟约敖?jīng)重排或再化合的分子量較大的碳?xì)?。它們大部分吸附在固態(tài)碳基顆粒上，一部分獨(dú)立存在。③無機(jī)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(shí)，在排氣管內(nèi)會凝聚產(chǎn)生以未燃燃料及機(jī)油為主的液相顆粒。液體顆粒直徑較大時(shí)，表現(xiàn)為白煙，而直徑較小時(shí)，表現(xiàn)為藍(lán)煙。白煙和藍(lán)煙主要成分是未燃碳?xì)?含燃油和潤滑油)，水蒸氣以及不完全燃燒中間產(chǎn)物(如含氧碳?xì)?。除水外，都屬于顆粒范疇。一、微粒的生成機(jī)理第五節(jié)微粒1、汽油機(jī)微粒的生成機(jī)理由于貴金屬三效催化劑的使用，目前含鉛汽油已經(jīng)被淘汰，含鉛微粒已經(jīng)不再排放。汽油含硫量一般都很低，如果用無鉛汽油，點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)基本上不排放微粒。除非可燃混合氣非常濃，正常情況下點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)沒有碳煙排放(均質(zhì)燃燒)。若發(fā)動機(jī)發(fā)生技術(shù)狀況問題，導(dǎo)致潤滑油消耗較多時(shí)排氣會冒藍(lán)煙（未燃燒潤滑油微粒構(gòu)成的氣溶膠）。白煙是高沸點(diǎn)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(shí)產(chǎn)生。第五節(jié)微粒1、汽油機(jī)微粒的生成機(jī)理2、柴油機(jī)微粒的生成機(jī)理

1）排氣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。這些微球體是燃燒產(chǎn)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(jié)構(gòu)很疏松。第五節(jié)微粒排氣溫度超過500℃時(shí)，碳質(zhì)微球的聚集體，稱為碳煙，也稱為煙粒（DS）；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（SOF）。如果沿柴油機(jī)的排氣管道測試取樣，可發(fā)現(xiàn)微粒粒度不斷增大，且由于排氣中的有機(jī)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(shí)發(fā)生，改善起動性能后則減少，暖機(jī)后則消失。藍(lán)煙微粒：直徑較小，在0.4μm左右，通常在柴油機(jī)未完全預(yù)熱或低溫、小負(fù)荷時(shí)發(fā)生，在發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后消失。黑煙（碳煙）：通常在大負(fù)荷時(shí)發(fā)生，具有較低的H/C值，煙中含有比重大、顆粒細(xì)微的碳粒子，其最小單元為片晶。片晶按一定方向隨機(jī)排列聚結(jié)成碳晶粒子，其粒徑大多在（50～500）×10-4μm之間。在柴油機(jī)排氣中碳晶粒子以球狀凝結(jié)物形式出現(xiàn)，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?xì)浠衔?、含氧有機(jī)物（醛類、酮類、酯類、醚類、有機(jī)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(jī)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(zhì)量的15%～30%。發(fā)動機(jī)負(fù)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(jìn)入SOF，在不同機(jī)型和不同工況下占SOF質(zhì)量的15%～80%。燃油產(chǎn)生的物質(zhì)有80%進(jìn)入DS，20%進(jìn)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(zhì)在這個(gè)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(jīng)過聚集作用堆積成直徑1um以下的球團(tuán)狀或鏈狀的聚集物。2）煙粒的生成機(jī)理第五節(jié)微粒2）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——煙粒表面粘住來自氣相的物質(zhì)使其質(zhì)量增大，同時(shí)還發(fā)生脫氫反應(yīng)，但不會改變煙粒數(shù)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(shù)量減少，生成鏈狀或團(tuán)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(yīng)與氧化反應(yīng)之間的平衡。第五節(jié)微粒生成煙粒的總量反應(yīng)式式中：c、h、o分別表示C、H、O的原子數(shù)；當(dāng)c>o，即c/o>1時(shí)，碳煙Cs>0，此時(shí)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(nèi)。碳煙生成數(shù)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(dá)到最大值。壓力對碳煙生成條件影響很小，但碳煙生成數(shù)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(chǎn)生碳煙。要同時(shí)碳煙和NOx，a應(yīng)在0.6~0.9之間a大于0.9時(shí)，NOx

，a小于0.6時(shí)，碳煙第五節(jié)微粒在預(yù)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(jī)排放，應(yīng)縮短滯燃期和控制滯燃期內(nèi)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(kuò)散燃燒階段，為減少生成的煙粒，應(yīng)避免燃油與高溫缺氧的燃?xì)饣旌稀?qiáng)烈的氣流運(yùn)動和細(xì)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(shí)際過量空氣系數(shù)。噴油結(jié)束后，燃?xì)馀c空氣進(jìn)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(kuò)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(xiàn)，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(yīng)加快，碳煙濃度急劇降低。柴油機(jī)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(jìn)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(guān)系，同時(shí)還和剩余氧，以及在高溫下的逗留時(shí)間有關(guān)。第五節(jié)微粒4）SOF的吸附與凝結(jié)定義：組成SOF的重質(zhì)有機(jī)化合物向煙粒聚集物的吸附和凝結(jié)。發(fā)生的時(shí)間：柴油機(jī)排氣微粒生成過程的最后階段。發(fā)生的地點(diǎn)：主要發(fā)生在氣缸內(nèi)的燃?xì)鈴陌l(fā)動機(jī)排出并被空氣稀釋之時(shí)。影響因素：稀釋過程的稀釋比，通過稀釋過程的吸附和凝結(jié)使煙粒覆蓋SOF。第五節(jié)微粒4）SOF的吸附與凝結(jié)吸附：未燃的碳?xì)浠衔锘蛭赐耆紵挠袡C(jī)物分子，通過化學(xué)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(zhì)的總表面以及驅(qū)動吸附過程的吸附質(zhì)的分壓力。凝結(jié)：凝結(jié)發(fā)生在煙粒周圍的氣體有機(jī)物的蒸氣壓力超過飽和蒸氣壓時(shí)。成分來源