发动机排放污染物的生成机理.docx

发动机排放污染物的生成机理主要内容：介绍了汽车尾气中的主要污染物CO、HC、NOX和微粒的生成机理1、一氧化碳1.1 一一氧化碳碳的生成成机理汽车尾气中中CO的产产生是由由于燃油油在气缸缸中燃烧烧不充分分所致，是是氧气不不足而生生成的中中间产物物一般烃燃料料的燃烧烧反应可可经以下下过程：： (2--1)燃气中的氧氧足够时时有 ((2-22) ((2-33)同时CO还还与生成成的水蒸蒸气作用用，生成成氢和二二氧化碳碳可见，如果果燃气中中的氧气气量充足足时，理理论上燃燃料燃烧烧后不会会存在CCO但但当氧气气量不足足时，就就会有部部分燃料料不能完完全燃烧烧，而生生成COO在非分层燃燃烧的汽汽油机中中，可燃燃混合气气基本上上是均匀匀的，其其CO排放放量几乎乎完全取取决于可可燃混合合气的空空燃比或或过量空空气系数数图2--1所示示为111种H/CC比值不不同的燃燃料在汽汽油机中中燃烧后后，排气气中CO的摩尔尔分数xxCO与或的关系系空燃比过量量空气系系数 aa） b) 图2-1汽汽油机CCO排放放量xCO与空空燃比及及过量空空气系数数的关系系由图2-11可以看看出，在在浓混合合气中（<1），CO的排放量随的减小而增加，这是因缺氧引起不完全燃烧所致。

在稀混合气中（>1），CO的排放量都很小，只有在=1.0～1.1时，CO的排放量才随有较复杂的变化在膨胀和排排气过程程中，气气缸内压压力和温温度下降降，COO氧化成成CO2的过程程不能用用相应的的平衡方方程精确确计算受受化学反反应动力力学影响响，大约约在11100KK时，COO浓度冻冻结汽汽油机起起动暖机机和急加加速、急急减速时时，COO排放比比较严重重在柴油机的的大部分分运转工工况下，其其过量空空气系数数都在1..5～3之间，故故其COO排放量量要比汽汽油机低低得多，只只有在大大负荷接接近冒烟烟界限（=1.2～1.3）时，CO的排放量才大量增加由于柴油机燃料与空气混合不均匀，其燃烧空间总有局部缺氧和低温的地方，以及反应物在燃烧区停留时间较短，不足以彻底完成燃烧过程而生成CO排放，这就可以解释图2-2在小负荷时尽管很大，CO排放量反而上升类似的情况也发生在柴油机起动后的暖机阶段和怠速工况中过量空气系系数图2-2典典型的车车用直喷喷式柴油油机排放放污染物物量与过过量空气气系数的的关系2、碳氢化化合物车用柴油机机中的未未燃HCC都是在在缸内的的燃烧过过程中产产生并随随排气排排放汽汽油发动动机中未未燃HCC的生成成与排放放主要有有以下三三种途径径。

1）在气气缸内的的燃烧过过程中产产生并随随废气排排出，此此部分HHC主要要是燃烧烧过程中中未燃烧烧或燃烧烧不完全全的碳氢氢燃料2）从燃燃烧室通通过活塞塞组与气气缸之间间的间隙隙漏入曲曲轴箱的的窜气中中含有大大量未燃燃燃料，如如果排入入大气中中也构成成HC排放放物3）从汽汽油机的的燃油系系统蒸发发的燃油油蒸汽2.1 碳碳氢化合合物的生生成机理理1. 车用用汽油机机未燃HHC的生生成机理理车用发动机机的碳氢氢排放物物中有完完全未燃燃烧的燃燃料，但但更多的的是燃料料的不完完全燃烧烧产物，还还有小部部分由润润滑油不不完全燃燃烧而生生成排排气中未未燃碳氢氢物的成成份十分分复杂，其其中有些些是原来来燃料中中不含有有的成份份，这是是部分氧氧化反应应所致表表2-11列出了了车用汽汽油机中中未燃碳碳氢化合合物成份份的大致致比例车用汽油机机排气中中的未燃燃碳氢化化合物成成份表2-11占总HC排排放量的的质量分分数/%%烷烃烯烃炔烃芳香烃未装催化装装置3327832装有催化装装置5715216车用发动机机在正常常运转情情况下，HC的生成区主要位于气缸壁的四周处，故对整个气缸容积来说是不均匀的，而且对排气过程而言HC的分布也是不均匀的。

在发动机一个工作循环内，排气中HC的浓度出现两个峰值，一个出现在排气门刚打开时的先期排气阶段，另一个峰值出现在排气行程结束时HC的生成主要由火焰在壁面淬冷、狭隙效应、润滑油膜的吸附和解吸、燃烧室内沉积物的影响、体积淬熄及碳氢化合物的后期氧化所致下面主要针对汽油机分别进行讨论，但除了狭隙效应外，其余的均适用于柴油机1）火焰在在壁面淬淬冷火焰淬冷的的形成方方式有两两种，即即单壁淬淬冷和双双壁淬冷冷前者者是火焰焰接近气气缸壁时时，由于于缸壁附附近混合合气温度度较低，使使气缸壁壁面上薄薄薄的边边界层内内的温度度降低到到混合气气自燃温温度以下下，导致致火焰熄熄灭，边边界层内内的混合合气未燃燃烧或未未燃烧完完全就直直接进入入排气而而形成未未燃HCC，此边边界层称称为淬熄熄层，发发动机正正常运转转时，其其厚度在在0.005～0.4mmm之间间变动，在在小负荷荷时或温温度较低低时淬熄熄层较厚厚；后者者是在活活塞顶部部和气缸缸壁所组组成的很很小的环环形间隙隙中，火火焰传不不进去，使使其中的的混合气气不能燃燃烧，在在膨胀过过程中逸逸出形成成HC排放放在正常运转转工况下下，淬熄熄层中的的未燃HHC在火火焰前锋锋面掠过过后，大大部分会会向燃烧烧室中心心扩散并并完成氧氧化反应应，使未未燃HCC的浓度度大大降降低。

但但是在发发动机冷冷起动、暖暖机和怠怠速等工工况下，因因燃烧室室壁面温温度较低低，形成成的淬熄熄层较厚厚，同时时已燃气气体温度度较低及及混合气气较浓，使使后期氧氧化作用用较弱，因因此壁面面火焰淬淬熄是此此类工况况下未燃燃HC的重重要来源源2）狭隙效效应在车用发动动机的燃燃烧室内内有如图图2-77所示的的各种狭狭窄的间间隙，如如活塞组组与气缸缸壁之间间的间隙隙、火花花塞中心心电极与与绝缘子子根部周周围狭窄窄空间和和火花塞塞螺纹之之间的间间隙、进进排气门门与气门门座面形形成的密密封带狭狭缝、气气缸盖垫垫片处的的间隙等等，当间间隙小到到一定程程度，火火焰不能能进入便便会产生生未燃HHC在压缩过程程中，缸缸内压力力上升，未未燃混合合气挤入入各间隙隙中，这这些间隙隙的容积积很小但但具有很很大的面面容比，进进入其中中的未燃燃混合气气因传热热而使温温度下降降在燃燃烧过程程中压力力继续上上升，又又有一部部分未燃燃混合气气进入各各间隙当当火焰到到达间隙隙处时，火火焰有可可能传入入使间隙隙内的混混合气得得到全部部或部分分燃烧（在在入口较较大时），但但也有可可能火焰焰因淬冷冷而熄灭灭，使间间隙中混混合气不不能燃烧烧。

随着着膨胀过过程开始始，气缸缸内压力力不断下下降大大约从压压缩上止止点后115ºCCA开始始，间隙隙内气体体返回气气缸内，这这时气缸缸内温度度已下降降，氧的的浓度也也很低，流流回气缸缸的可燃燃气再氧氧化的比比例不大大，一半半以上的的未燃HHC直接接排出气气缸狭狭隙效应应产生的的HC排放放可占其其总量的的50%%～70%%图2-7 汽油机机燃烧室室内未燃燃HC的可可能来源源1-润滑油油膜的吸吸附及解解吸；22-火花花塞附近近的狭隙隙和死区区；3--冷激层层；4--气门座座死区；；5-火焰熄熄灭（如如混和气气太稀、湍湍流太强强）；66-沉积积物的吸吸附及解解吸；77-活塞塞环和环环岸死区区；8--气缸盖盖衬垫缸缸孔死区区3）润滑油油膜对燃燃油蒸汽汽的吸附附与解吸吸在进气过程程中，气气缸壁面面和活塞塞顶面上上的润滑滑油膜溶溶解和吸吸收了进进入气缸缸的可燃燃混合气气中的碳碳氢化合合物蒸汽汽，直至至达到其其环境压压力下的的饱和状状态，这这种溶解解和吸收收过程在在压缩和和燃烧过过程中的的较高压压力下继继续进行行在燃燃烧过程程中，当当燃烧室室燃气中中的HCC浓度由由于燃烧烧而下降降至很低低时，油油膜中的的HC开始始向已燃燃气解吸吸，此过过程将持持续到膨膨胀和排排气过程程。

一部部分解吸吸的燃油油蒸汽与与高温的的燃烧产产物混合合并被氧氧化；其其余部分分与较低低温度的的燃气混混合，因因不能氧氧化而成成为HCC排放源源这种种类型的的HC排放放与燃油油在润滑滑油中的的溶解度度成正比比使用用不同的的燃料和和润滑油油，对HHC排放放的影响响不同，使使用气体体燃料则则不会生生成这种种类型的的HC润润滑油温温度升高高，使燃燃油在其其中的溶溶解度下下降，于于是降低低了润滑滑油在HHC排放放中所占占的比例例由润润滑油膜膜吸附和和解吸机机理产生生的未燃燃HC排放放占其总总量的225%左左右4）燃烧室室内沉积积物的影影响发动机运转转一段时时间后，会会在燃烧烧室壁面面、活塞塞顶、进进排气门门上形成成沉积物物，从而而使HCC排放增增加对对使用含含铅汽油油的发动动机，HHC排放放可增加加7%～20%%沉积积物的作作用机理理可用其其对可燃燃混合气气的吸附附及解吸吸作用来来解释，当当然，由由于沉积积物的多多孔性和和固液多多相性，其其生成机机理更为为复杂当当沉积物物沉积于于间隙中中，由于于间隙容容积的减减少，可可能使由由于狭隙隙效应而而生成的的HC排放放量下降降，但同同时又由由于间隙隙尺寸减减小而可可能使HHC排放放量增加加。

这种种机理所所生成的的HC占总总排放量量的100%左右右5）体积淬淬熄发动机在某某些工况况下，火火焰前锋锋面到达达燃烧室室壁面之之前，由由于燃烧烧室中压压力和温温度下降降太快，可可能使火火焰熄灭灭，称为为体积淬淬熄，这这也是产产生未燃燃HC的一一个原因因发动动机在冷冷起动和和暖机工工况下，由由于发动动机温度度较低，混混合气不不够均匀匀，导致致燃烧变变慢或不不稳定，火火焰易熄熄灭；发发动机在在怠速或或小负荷荷工况下下，转速速低、相相对残余余废气量量大，使使滞燃期期延长、燃燃烧恶化化，也易易引起熄熄火更更为极端端的情况况是发动动机的某某些气缸缸缺火，使使未燃烧烧的可燃燃混合气气直接排排入排气气管，造造成未燃燃HC排放放急剧增增加，故故汽油机机点火系系统的工工作可靠靠性对HHC排放放是至关关重要的的6）碳氢化化合物的的后期氧氧化在发动机燃燃烧过程程中未燃燃烧的碳碳氢化合合物，在在以后的的膨胀和和排气过过程中不不断从间间隙容积积、润滑滑油膜、沉沉积物和和淬熄层层中释放放出来，重重新扩散散到高温温的燃烧烧产物中中被全部部或部分分氧化，称称为碳氢氢化合物物的后期期氧化，包包括：（1）气缸内未燃碳氢化合物的后期氧化：在排气门开启前，气缸内的燃烧温度一般超过950ºC。

若此时气缸内有氧可供后期氧化（例如当过量空气系数>1时），碳氢化合物的氧化将很容易进行2）排气管内未燃碳氢的氧化：排气门开启后，缸内未被氧化的碳氢化合物将随排气一同排放到排气管内，并在排气管内继续氧化其氧化条件为：①管内有足够的氧气；②排气温度高于600°C；③停留时间大于50ms2. 车用用柴油机机未燃HHC的生生成机理理汽油机未燃燃HC的生生成机理理也适用用于柴油油机，但但由于两两者的燃燃烧方式式和所用用燃料的的不同，故故柴油机机的碳氢氢排放物物有其自自身的特特点，柴柴油中的的碳氢化化合物比比汽油中中的碳氢氢化合物物沸点要要高、分分子量大大，柴油油机的燃燃烧方式式使油束束中燃油油的热解解作用难难以避免免，故柴柴油机排排气中未未燃或部部分氧化化的HCC成份比比汽油机机的复杂杂柴油油机的燃燃料以高高压喷入入燃烧室室后，直直接在缸缸内形成成可燃混混合气并并很快燃燃烧，燃燃料在气气缸内停停留的时时间较短短，生成成HC的相相对时间间也短，故故其HCC排放量量比汽。