1、第二章汽油機排放污染物的生成機理及影響因素2.1燃料燃燒過程概述 2.2汽油機污染物生成機理 2.3影響汽油機排氣污染物生成的因素2.1燃料燃燒過程概述2.1.1撚料燃燒化學反應一、完全燃燒的化學反應燃料中可燃成分C、H、S、CO、CnHmo燃料完全 燃燒，這時的化學反應：C + O tCO?2H2+O2 ->2H2OS + O< TSO】co+4o2 co?CnHm + (n + -y)O2 > nCO2 + 號H2O二、燃燒所需的空氣量對汽油、柴油視只含C、H、0(其他成分極少)， 以gc、gy g。分別代表每kg燃油中C、H、O的 質量成分()。gc+gH+go= 1如

2、1 kg燃汕含Mgokg則每kg燃汕完全燃燒盂理論 氧氣量：2.667g, -4- 8gH go (kg) 或+ 只- "2沖皿 ell kg由:lkg(C)4-8/3kg(O,) = 1 l/3kgCO2 +32993k.1 kgQ4)+ 8kg(Q) = 9kg(電 O)離)+ 121004k.空氣中的氣：以容積計，O?占21% N?占79% 以質量成分計，6占23.2% 比占76.8%1kg燃汕完全燃燒需理論空氣量L。Lo = Q 232(2 66?& 4_8gH -goXkg/kg)或L。=需(% + "必-8%2)如。如標態下以體積表示的理論空氣量22 4

3、L() =-j-(gc/12 4-g/4-go/32) (NmVkg燃汕) 汽汕的平均質量成分：gO. 855; gi 0. 145;go=0柴油的平均質量成分gcO. 855;g尸0. 145;go=0. 004 將平均質暈成分代入得：汽油L0=l4.8kg/kg ,柴油 L()=l4.5kg/kg當空燃比A/FV14. 8時，不完全燃燒生成氣態化合物：燃料+空氣（包扌SO?、N? ） f CO + HC + H2O + NOX + CO22.1.2汽油機燃燒過程等壓燃燒；分段燃燒模型，心方形燃燒室虛構為 4個等質量部分，黑點代表氣體單元。假設火花塞左 側點火，火焰以縱橫平面波推進。第1區全

4、部氣體等 容條件下點燃，第1單元的氣體膨脹壓縮其它單元至 壓力平衡。第2單元混合氣引燃后膨脹，壓縮第1、3、 4單元到壓丿J平衡。這一過程直至全部單元引燃為止。汽油機燃燒過程有以卜3個特點：I）務層混合氣是在不同壓力和溫度下點燃的。 來燃區，離火花塞最遠的單元前受床最大，燃燒 詢溫度也雖高。著火前混合氣溫度比火屁塞附近若火前的溫度耍高200度。L 2）每一個已燃單元的燃燒氣要受到正在燃燒 為燃燒氣層的壓縮，因此在燃燒室中發生溫度分層 現彖。3）由于火焰傳播燃燒是一系列的等壓燃燒，氣 缸內用力越來越髙，未燃氣體受已燃氣體膨脹作用 的壓力，其密度也越來越大。思考：粗略估算lkg汽油在完全燃燒和不完

5、全燃燒情況下排放的污染物?思考：粗略估算lkg汽油在完全燃燒和不完全燃燒情況下排放的污染物?圖22已燃氣體的質量與休積的關系思考：粗略估算lkg汽油在完全燃燒和不完全燃燒情況下排放的污染物?2.1.3汽油機的排氣成分1. 大氣成分N.和剩余的Q2. 完全燃料產物O?和H?O3不完全燃燒產物CO、H24.未燃坯及燃燒分解生成物HC5 燃燒屮間產物醛類6.氮氧化合物NOx7顆粒物氣化鉛、碳化物、金展化介物等。固體條質0 0008%O?和惰性氣體0.7%JNOjiO 15% jHC0.09%圖23歐洲標準測試循環中不加三元催化器汽油機排氣的組成2.2汽油機污染物生成機理 2.2.1 CO的生成機理2

6、.2.2 HC的生成機理2.2.3 NOx的生成機理2.2.1 CO的生成機理I. 燃料不完全燃燒當過量空氣系數ivi時，空氣量不足，桂類 燃料不能完全燃燒，生成co,即：CnHm + 號 °2 T nCO+ y H2這時，人部分co來自壁面附面層。思考：粗略估算lkg汽油在完全燃燒和不完全燃燒情況下排放的污染物?2.高溫離解反應當ea>i時，仍有co生成.這是因為co是屮間產物，進一步生成co：的反 應很慢，市于燃燒時間極短，來不及完全氧化。CC)2CO + £o2(當燃燒溫度 T>2(XX)/C)2H2O>2H2 +OCO-)+ H j CO 4- H

7、 -)O3 濃度凍結箱膨總I誦益過程中，C。的匸要氧化反丿應為；CO + OH O COr + HLtl 丁反應動力學的抑制，其氧化復介的速度很慢，即CO的濃度處于“凍結”狀態，大圖24異辛烷燃燒膨脹時CO濃度 -受動力所限的濃度；平衡濃度4.混合氣不均由于各缸混合不一定均勻一致，燃燒室各處的混合也不均勻，使燃燒室某處的 混合氣濃，造成局部缺氧：排氣中未燃IIC 的不完全氧化也會有少量的CO產生。2.2.2 HC的生成機理-、汽油機中碳氫排放的3種主要途徑：(1 )曲軸箱竄入氣體(20-25%)(2) 燃汕系統蒸發的燃汕蒸汽(15-20%)燃燒排放(65%55%)二、燃燒排放HC的生成機理1、

8、多種原因造成的不完全燃燒2、火焰在壁而淬熄3、狹隙效應4、潤滑油膜與燃燒室內沉積物對燃油蒸汽 的吸附與解吸1、多種原因造成的不完全燃燒碳氫燃料的氧化根據其溫度、壓丿J、混合 比、燃料種類及分子結構的不同有著不同 特點，其燃燒實質是各類坯的一系列氧化 過程?；旌蠚鉂舛冗^濃或過稀都可能燃燒不完全 或失火。怠速、高負荷工況加速和減速工況2、火焰在壁面淬熄（激冷Quenching ）單壁淬熄當火焰接近氣缸壁.b蠱F表面.氣門丁表面.活鑒上 衣血時，低濡沖fri300°C以下對火焰迅速冷卻，由丁邊界 層混介氣溫度錢低，廿致火焰熄火血產牛HC,扯層為淬熄熄層，丿拿度一般為0.05-0.4mm ,

9、小負荷時較丿7。雙壁淬熄在活塞頂部和氣缸壁之間的環形間隙中，火焰傳不進去 而產生HC。*住而淬熄足冷起動.曖機及怠速工況時HC7?在的朿耍來 源。3、狹隙效應（占排放總量38%）圖25燃燒室內縫隙的組成1項目.容籾an3與燃燒室容積之比/%3B-1S1環上部的容積0.931.05第一道活塞環下部的容積-0.470.52第二、三道環之間的容積0.680.77耐活塞環紋紋隙總容積2.552.9火花塞螺紋魅隙容積0.250.28氣虹趟片樂隙容積0.30.84翩總容積33.5t：發動機單缸工作容積632b?、燃燒室容積89<W,由冷態條件下劇得。圖2-6V6發動機單缸狹隙容積數據部分由壁面淬熄和

10、狹隙效應產牛的HC,在排 氣過程中被氧化，這個過程需要高溫600°C 以上和足夠的氧氣，以及停留時間大于 50mSo因此，HC濃度在過量空氣系數1.11.25 時最小。氣體離開氣缸夾帶了氣缸 勰卿骼潔合氣以及°需竜帶治Lcb撫鴨需揃薄膜層中的H C排出HC質啟流球圖274、潤滑油膜與燃燒室內沉積物 對燃油蒸汽的吸附與解吸（占排放總吊3550%）在進氣和壓縮過程中，潤滑油膜和燃燒室內沉 積物會吸附未燃混合氣和燃料蒸氣，而在膨脹 和排氣過程中，由于燃燒燃油濃度降低，汕膜 和沉積物釋放燃料蒸氣，由于釋放較遲，這部 分燃料蒸氣只看少數被氧化，多數則隨已燃氣 體排出。5、氣缸屮HC的

11、排放過程發動機一個工作循環內排氣中碳氫的兩個峰值： 排氣門剛打開 排氣行程結束 原因：2.2.3 NOx的生成機理NO生成自三種途徑(方式):衣21 NO生成機理生成途徑高溫NO激發NO燃料NO反應過程（0220） 2+0N+NO 1 ） N+O2->O+NO（2） N+OHH+NO（3）CnHmTCH, ch2 CH2+N2 ->HCN+N HCH+NqtHCN+N HCNtCNtNO NHtNtNO燃料NIHCN, NH3I NO反應溫度(°C)>1600<16001離溫NO (Thermal NO澤爾多維奇機艸) no的主要來源是參與燃燒的空氣屮的“2被

12、氧化而成，當燃 燒溫度下降時，高溫NO的生成反應會停止，即被“凍 結” o在1600°C高溫下，o,離解成o需的能量較少，反應先從o開 始。02 -20(1) 式Nj+0N+NO中左邊的0除一小部分由(2)式N+00+N0右邊牛成的O提供外，大部依靠高溫O?離解牛成O,(2) 式左邊的N主耍靠(1)式右邊生成的N供給，(1)式 和(2)式是強烈的吸熱反應，只有在16()()°C時才能進行，式N+OHtH+NO主要發生在非常濃的混介氣中。雅可夫澤爾多維奇鶉蘇裁鑛藉饌蠶蠢譎魁提出1964年，澤爾多維奇提出銀河系X射線源是雙星常麟跚雛藐人'沒上過大學2°歲晟輻射

13、的存在。1972年,魏勰瞎畢蠶勰的吸積過程產生的。同 他與河希儺為晁業耶人顱H* 了星壽刈巧杲輻射 黑餐養'。莓恵經在栄錨架&!聃址詁、緞 盟于鋤勲翹繍濾W的數no的瞬時生成速率no = 2/W ToIAdtk, =1.8x10,4exp319/RT）k,反應速率常數cm3 /（mol-s）燃燒過程屮，氮的濃度基本不變，宙此可知： NO的生成與溫度（T）有關，也與氧（O）濃度有 關，還與滯留時間（t）有關。圖28 NO平衡濃度(正辛烷CeH18+空氣，4MPa大氣壓力)時間(ms)25圖29 NO生成量與滯留時間的關系高溫NO反應機理，產生NO的三要素是：溫 度、氧濃度和滯留時

14、間。 溫度：在氧氣充足時，溫度定生成NO的重 要因索，高溫時，NO平衡濃度高，生成速度人， 低溫即使氧充足但其分解慢，NO牛.成濃度低。 氧濃度，在高溫條件下，氧濃度是生成NO 的幣:要內索，氧濃度低，即使溫度高，NO牛成也 受到抑制。 滯留時間，因NO生成反應比燃燒反應慢,所以即使高溫富氧，如停留時間短，NO生成受 抑制。2激發NO (Prompt NO)激發NO機理70年代初被提出，由于燃料產牛.的原子團CH、CH2、C®氮氣發牛反應所產半。如表21, Cnbkn->CH, CH2 CH2+NHCN+NH CH+NHCN+N C+NCN+N cn+o2->no+co

15、HCN+OH TCN+H2O NHtNtNO N+O NO N+OH NOl、"2HC裂血軍出CH、CH2與 N2反應，生成HCN和NH等 中間產物，并經過工成C N和N的反應， 最后牛成NO,這與高溫NO 產生以高溫為前提不同，激 發NO生成是山系列活化 能不高的反應組成，因此不 需很禹溫度就能進行。 在較濃條件下產牛。 激發NO反應機理，產牛NO的三要素是：(1) 燃料中碳氫化合物分解為CH等原子團的 多少(2) CH等原了團與2反應生成貳化物HCN的 速率，見圖210氮化物之間的和互轉化速率soI oooH*J MU / em圖2-10反應區附近NO與HCN的含量變化3燃料NO

16、 (Fuel NO)含氮燃料'I *的氮化合物分解后生成HCN和NH3等 中間產物，并逐步生成NO,這一反應過程在W1600K 條件下就可進行。綜上所述，NO產生的三個途徑中，燃料NO生 成量極小，因而可以忽略不計；激發NO生成量也 較少，R反應過程尚不完全明了，也可和不考慮。 因此可以認為：高溫NO是NO生成的卞要來源。a)HC從壁 面上刮起b)c)圖212影響汽油機有害排放物的因索圖212影響汽油機有害排放物的因索圖NO. HC、CO的生成過程簡圖2.3影響汽油機排氣污染物生成的因素圖212影響汽油機有害排放物的因索圖212影響汽油機有害排放物的因索£化火花曼火 點火爰A

17、u Itrit尊IL紅徑比&燒凈形伙 胸說運功圖212影響汽油機有害排放物的因索2.3.2點火提前角的影響2.3.2點火提前角的影響qouoNROO 一 2000600 - - I 500400 - 1000200 - - 5000亠01 50 I 25過鑽空氣系數101.2141.6T11 W100.75當比2.3.2點火提前角的影響圖213汽油機空燃比對有害排放物生成的影響空燃比對CO的影響:隨著空燃比的增加，co排放的濃度 逐漸下降，這是因為空氣量增加，燃料能充分燃燒。當空燃比大于理論空燃比后，CO能保持一定的濃度，主 要是由于混合氣空燃比分布不均、高溫分解及反應凍結而 成?？杖?/p>

18、比進一步增加，混合氣變稀，使燃燒溫度降低， 減少了髙溫分解，因此，co的濃度進一步下降。空燃比 是影響co排放的主要因素，一切影響空燃比的因素都影 響co的排放?？杖急葘C的影響:與CO有類似的傾向，但在過稀混合 比的情況下，因為火焰傳播不充分和斷火，HC排放濃度 有所增加。與油耗有相同的趨勢。空燃比對NOx的影響:當空燃比為16左右時，燃燒溫度高, 燃氣中氧含量充分，此時NCh排放出現峰值。比這濃的混合氣，由于燃燒后的溫度和氧的濃度較低， NCX濃度下降；號蠶每由于火焰傳播速度減慢燃氣溫度較低'點火提詢角8對CO排放影響很小，除非過分 推遲使C0沒冇充分的時間完全氧化而引起C0排放

19、最 增加。對NOxllHC排放影響大?？杖急龋≒廠定, 最佳點火提前角）， 點火提前（6增大） 料消耗惡化。？70205 4 3 2 il3至匸二塗善10 IS 2025點火ffiWWr A252 ITo_)«恥單 ON廠2)和£裁 6N鷗«養植«點火推遲（0減小，相對于 使HC與NO.、的排放均減小， ,HC及MOx排放也均增大。燃圖24點火提前角對HC和NOX排放的影響a）點火提前角對HC排放的影響b）點火提前角對NO,排放的影響1穩定運轉狀態穩定運轉狀態是指發動機的零部件、冷卻水及潤滑油 的溫度趨J：平衡，發動機金恫定的轉速和負荷卜運轉。(1)轉速

20、門的影響汽汕機轉速的變化，將引起充氣系數、點火捉前角、 混合氣形成、空燃比、缸內氣體流動、汽油機溫度以 及排氣在排氣管屮的停留時間等的變化，轉速對排放 的影響是這些變化的綜合影響。 怠速時隨怠速提高、節氣門開度增大，節流減小, 燃燒轉好，HC、CO濃度下降。 隨著門的提高，使混合氣混合鮫好，改善燃燒， CO及HC排放降低。JH-R出硼f規 8n7500IOJO0'>2000 MV.50004000300020001000101214161820空燃比圖216仃的變化對NO,排放的形響 曲線在壓縮比6.7的汽油申L匕，在點火提前 角為30。的條件下得到的。60000(90)軽0梓將=0N 在擷焰2腳畑氣用伸誠 隨火時火但合料較4 時，到遲，混燃支6 J；定伙延濃份喘N 佩角MB加繪 城刖，的影也如此壓燃。 訓