内燃机排放污染物资料.pptx

第四章第四章 内燃机排放污染物内燃机排放污染物l汽油机排放污染物汽油机排放污染物l柴油机排放污染物柴油机排放污染物1第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物曲轴箱曲轴箱HC HC 的的 20%20%排气管排气管所有的所有的COCO、NONOX X、PbPb和和 HCHC的的 60%60%油箱和化油器蒸发油箱和化油器蒸发HCHC的的15%15%2第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物lCarbon Dioxide Carbon Dioxide（COCO2 2）lWater VaporWater Vapor（水蒸汽）（水蒸汽）lCarbon Monoxide Carbon Monoxide（COCO）lHydrocarbons Hydrocarbons（HCHC）lOxides of Nitrogen Oxides of Nitrogen(NO(NOX X)lParticulates Particulates（微粒）（微粒）l Lead Lead（铅）（铅）lOther pollutantsOther pollutants（其他）（其他）Ambient AirAmbient AirReal FuelReal FuelEngine/EmissionEngine/EmissionTechnologyTechnology尾气管排放物尾气管排放物3第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物一、汽油机内混合气燃烧通式一、汽油机内混合气燃烧通式2 2、当、当A/FA/F14.814.8时，混合气不能完全燃烧，则通式为：时，混合气不能完全燃烧，则通式为：1 1、当、当A/F=14.8A/F=14.8时时,理论上能完全燃烧，则通式为：理论上能完全燃烧，则通式为：4第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物二、二、COCO的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素1 1、表观理论分析（缺氧是、表观理论分析（缺氧是COCO产生的主要原因）产生的主要原因）2 2、COCO2 2、H H2 2O O的高温离解（不缺氧时的高温离解（不缺氧时COCO产生的重要原因）产生的重要原因）结论：结论：（一）生成机理（一）生成机理1 1）当当aa1 1时时，由由于于高高温温离离解解造造成成的的COCO排排放放浓浓度度远远远小于不完全燃烧所产生的远小于不完全燃烧所产生的COCO浓度；浓度；2 2）当当a1a1时时，高高温温离离解解反反应应是是不不缺缺氧氧时时仍仍有有少少量量COCO排出的主要原因所在。排出的主要原因所在。5第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物二、二、COCO的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素1 1、COCO生生成成机机理理详详细细过过程程尚尚未未完完全全弄弄清清，一一般般认认为为，生生成成步步骤如下（骤如下（R R代表烃基）：代表烃基）：（二）（二）化学反应机理分析化学反应机理分析RCORCO通过热分解生通过热分解生成成COCO或如下方式：或如下方式：6第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物二、二、COCO的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素2 2、COCO是不完全燃烧的产物之一。是不完全燃烧的产物之一。l若若能能组组织织良良好好的的燃燃烧烧过过程程，即即具具备备充充足足的的氧氧气气、充充分分的的混混合合，足足够够高高的的温温度度和和较较长长的的滞滞留留时时间间，中中间间产产物物COCO最最终会燃烧完毕，生成终会燃烧完毕，生成COCO2 2或或H H2 2O O。l因因此此控控制制COCO的的排排放放不不是是企企图图抑抑制制它它的的形形成成，而而是是努努力力使使之完全燃烧。之完全燃烧。（二）（二）化学反应机理分析化学反应机理分析7第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物二、二、COCO的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素3 3、燃料的氧化速率取决于：、燃料的氧化速率取决于：l可用的氧浓度可用的氧浓度l反应气的温度反应气的温度l化学反应占有的时间（决定于发动机的转速）化学反应占有的时间（决定于发动机的转速）（二）（二）化学反应机理分析化学反应机理分析高温缺氧是产生高温缺氧是产生COCO的根本原因的根本原因8第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物二、二、COCO的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素4 4、COCO最最终终生生成成情情况况视视氧氧气气浓度而定：浓度而定：（二）（二）化学反应机理分析化学反应机理分析COCO继续氧化成继续氧化成COCO2 2：9第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物二、二、COCO的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素5 5、当当a1a1时，时，COCO生成的其它机理生成的其它机理：（二）（二）化学反应机理分析化学反应机理分析1 1）发动机前后循环之间燃料分配不均匀；）发动机前后循环之间燃料分配不均匀；2 2）各缸之间燃料分配不均匀；）各缸之间燃料分配不均匀；3 3）在稀混合气中可能存在着局部浓混合气。）在稀混合气中可能存在着局部浓混合气。10第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物二、二、COCO的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素工况工况(过量空气系数过量空气系数)：l部部分分负负荷荷(常常用用工工况况)：a a接接近近l l，COCO排排放放量量不不高高。但但多多缸缸机机如各缸如各缸a a不同，有的气缸不同，有的气缸a a 1 1，COCO排放量增加；排放量增加；l怠速和冷启动时：怠速和冷启动时：加浓过多会排放大量加浓过多会排放大量COCO；l全全负负荷荷时时：混混合合气气是是浓浓的的，a a可可小小到到0.80.8甚甚至至更更低低，COCO排排放放量很大；量很大；l加加速速时时：如如果果加加浓浓过过多多，或或者者减减速速时时不不断断油油，即即在在瞬瞬态态运运转转工况下供油量控制不精确，会导致工况下供油量控制不精确，会导致COCO排放量剧增；排放量剧增；（三）影响因素（三）影响因素11三、三、HCHC的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（一）（一）未燃未燃HCHC的组成：的组成：未燃烃：未燃烃：各各种种没没有有燃燃烧烧和和没没有有完完全全燃燃烧烧的的碳碳氢氢化化合合物物的的总称，简作总称，简作HCHC。第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物12第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物三、三、HCHC的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（二）（二）未燃未燃HCHC的生成与排放渠道：的生成与排放渠道：lHCHC的的排排气气排排放放物物：在在燃燃烧烧过过程程中中生生成成并并随随排排气气排排出出。组组织气缸扫气时，部分混合气直接进入排气。织气缸扫气时，部分混合气直接进入排气。l曲曲轴轴箱箱排排放放物物：通通过过活活塞塞与与气气缸缸之之间间的的各各间间隙隙漏漏入入曲曲轴轴箱的窜气，如果排入大气也构成箱的窜气，如果排入大气也构成HCHC排放物。排放物。l蒸蒸发发排排放放物物：从从汽汽油油箱箱、化化油油器器等等处处蒸蒸发发的的汽汽油油蒸蒸气气，如果排入大气同样构成如果排入大气同样构成HCHC排放物。排放物。13三、三、HCHC的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（三）（三）未燃未燃HCHC的化学机理：的化学机理：碳氢化合物和氧形成化学键的最初步骤：碳氢化合物和氧形成化学键的最初步骤：第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物14三、三、HCHC的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（三）（三）未燃未燃HCHC的化学机理：的化学机理：（1 1）生成醛的反应：）生成醛的反应：第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物15三、三、HCHC的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（三）（三）未燃未燃HCHC的化学机理的化学机理：（2 2）生成酮的反应：生成酮的反应：第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物16三、三、HCHC的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（三）（三）未燃未燃HCHC的化学机理：的化学机理：（3 3）生成醇的反应生成醇的反应：（4 4）生成羧酸的反应：生成羧酸的反应：第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物17三、三、HCHC的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（四）（四）未燃未燃HCHC的生成机理的生成机理第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物2 2、燃烧室缝隙效应、燃烧室缝隙效应3 3、缸缸壁壁润润滑滑油油膜膜和和积积垢垢的吸收和解吸的吸收和解吸 4 4、燃烧室沉积物影响、燃烧室沉积物影响5 5、体积淬熄、体积淬熄1 1、壁面火焰淬熄、壁面火焰淬熄18三、三、HCHC的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（四）（四）未燃未燃HCHC的生成机理的生成机理 （1 1）壁面火焰淬熄壁面火焰淬熄v冷冷激激效效应应的的定定义义：发发动动机机的的燃燃烧烧室室表表面面受受冷冷却却介介质质的的冷冷却却，温温度度比比火火焰焰低低得得多多。壁壁面面对对火火焰焰的的迅迅速速冷冷却却称称为为冷冷激效应。激效应。v淬淬熄熄层层的的定定义义：冷冷激激效效应应使使火火焰焰中中产产生生的的活活性性自自由由基基复复合合，燃燃烧烧反反应应链链中中断断，使使反反应应变变缓缓或或停停止止。结结果果火火焰焰不不能能传传播播到到燃燃烧烧室室壁壁表表面面，在在表表面面留留下下一一薄薄层层未未燃燃烧烧或或不不完全燃烧的可燃混合气，称为淬熄层。完全燃烧的可燃混合气，称为淬熄层。第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物19三、三、HCHC的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（四）（四）未燃未燃HCHC的生成机理的生成机理（1 1）壁面火焰淬熄壁面火焰淬熄v发发动动机机正正常常运运转转：冷冷激激效效应应造造成成的的淬淬熄熄层层厚厚度度为为0.05-0.4mm0.05-0.4mm，未未燃燃HCHC在在火火焰焰前前锋锋面面掠掠过过后后大大部部分分会会扩扩散散到到已已燃燃气气体体中中，大部分在气缸内被氧化，极少一部分成为未燃大部分在气缸内被氧化，极少一部分成为未燃HCHC排放。排放。v冷冷起起动动、暖暖机机和和怠怠速速工工况况：壁壁温温较较低低，淬淬熄熄层层较较厚厚，已已燃燃气气体体温温度度较较低低及及混混合合气气较较浓浓使使后后期期氧氧化化作作用用减减弱弱，HCHC排排放放增增加加（此时壁面火焰淬熄是造成未燃（此时壁面火焰淬熄是造成未燃HCHC的重要来源）。的重要来源）。第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物20三、三、HCHC的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（四）（四）未燃未燃HCHC的生成机理的生成机理（2 2）燃烧室缝隙效应燃烧室缝隙效应活活塞塞顶顶岸岸部部与与气气缸缸壁壁之之间间（占占总总生生成量的成量的8080）进排气门进排气门头部周围头部周围火花塞螺栓处火花塞螺栓处气气缸缸盖盖垫垫接接合合处处第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物21三、三、HCHC的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（四）（四）未燃未燃HCHC的生成机理的生成机理（2 2）燃烧室缝隙效应燃烧室缝隙效应l当当缸缸内内压压力力升升高高（压压缩缩、燃燃烧烧过过程程）时时，会会将将一一部部分分未未燃燃可可燃燃混混合合气气挤挤进进缝缝隙隙中中去去，由由于于缝缝隙隙很很窄窄，面面容容比比大大，混混合气流入缝隙中很快被壁面冷却；合气流入缝隙中很快被壁面冷却；l当当火火焰焰前前锋锋面面到到达达各各缝缝隙隙，火火焰焰或或者者钻钻入入缝缝隙隙全全部部烧烧掉掉混混合合气气，或或者者烧烧掉掉一一部部分分，或或者者在在入入口口处处淬淬熄熄。一一般般情情况况下下火火焰焰无无法法使使缝缝隙隙中中存存在在的的燃燃油油（也也包包括括润润滑滑油油）全全部部燃燃烧烧完全。完全。若发生淬熄，部分已燃气体也会被挤入缝隙；若发生淬熄，部分已燃气体也会被挤入缝隙；第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物22三、三、HCHC的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（四）（四）未燃未燃HCHC的生成机理的生成机理（2 2）燃烧室缝隙效应燃烧室缝隙效应l当当压压力力降降低低（膨膨胀胀、排排气气过过程程）时时，若若缝缝隙隙中中的的压压力力高高于于气气缸缸内内压压力力时时（大大约约上上止止点点后后1520CA），陷陷入入缝缝隙隙中中的的气气体体流流回回气气缸缸。但但此此时时气气缸缸内内温温度度已已经经下下降降，氧氧的的浓浓度度很很低低，流流回回缸缸内内的的大大部部分分可可燃燃气气都都不不能能被被氧氧化化，以以未未燃燃HC的的形形式式排出气缸；排出气缸；l研研究究表表明明，约约有有5%10%新新鲜鲜混混合合气气由由于于缝缝隙隙效效应应会会躲躲过过火火焰焰传传播播的的燃燃烧烧过过程程。狭狭隙隙效效应应造造成成的的HC排排放放可可占占总总量量5070。第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物23三、三、HCHC的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（四）（四）未燃未燃HCHC的生成机理的生成机理（3 3）润滑油膜的吸附和解吸润滑油膜的吸附和解吸l在在进进气气过过程程，在在气气缸缸壁壁面面和和活活塞塞顶顶面面上上覆覆盖盖的的润润滑滑油油膜膜将碳氢化合物蒸气（来自环境压力的燃油）将碳氢化合物蒸气（来自环境压力的燃油）溶解吸收溶解吸收；l在在压压缩缩和和燃燃烧烧过过程程的的较较高高压压力力下下这这种种溶溶解解吸吸收收过过程程继继续续进行；进行；l由由于于燃燃烧烧的的作作用用燃燃烧烧室室中中HCHC的的浓浓度度几几乎乎降降到到零零时时，油油膜膜中中的的HCHC开开始始向向已已燃燃气气进进行行解解吸吸过过程程，一一直直继继续续到到膨膨胀胀和和排气过程；排气过程；第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物24三、三、HCHC的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（四）（四）未燃未燃HCHC的生成机理的生成机理（3 3）润滑油膜的吸附和解吸润滑油膜的吸附和解吸l解解吸吸的的燃燃油油蒸蒸汽汽若若遇遇到到高高温温的的燃燃烧烧产产物物则则被被氧氧化化，若若遇遇到温度较低的到温度较低的燃气则不能被氧化而成为燃气则不能被氧化而成为HCHC排放源；排放源；l冷冷起起动动工工况况：润润滑滑油油温温度度降降低低使使燃燃油油在在其其中中的的溶溶解解度度上上升，提高了润滑油在升，提高了润滑油在HCHC排放中的分担率排放中的分担率l适适当当设设计计活活塞塞环环以以降降低低润润滑滑油油消消耗耗，有有助助于于降降低低HCHC排排放放量；这种机理产生的未燃量；这种机理产生的未燃HCHC排放，占总量的排放，占总量的2525左右。左右。第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物25三、三、HCHC的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（四）（四）未燃未燃HCHC的生成机理的生成机理（4 4）燃烧室中沉积物的影响燃烧室中沉积物的影响沉沉积积物物的的定定义义：发发动动机机运运行行一一段段时时间间后后，会会在在燃燃烧烧室室壁壁面面、活活塞塞顶顶、进进排排气气门门上上形形成成沉沉积积物物（燃燃烧烧含含金金属属添添加加剂剂的的汽汽油油形形成成的金属氧化物或混合气过浓形成的含碳沉积物的金属氧化物或混合气过浓形成的含碳沉积物）。）。发动机活塞积碳发动机活塞积碳 清洗后的活塞清洗后的活塞 第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物26三、三、HCHC的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（四）（四）未燃未燃HCHC的生成机理的生成机理（4 4）燃烧室中沉积物的影响燃烧室中沉积物的影响l沉沉积积物物的的作作用用机机理理1 1：沉沉积积物物具具有有多多孔孔结结构构和和固固液液多多相相性性质质，与与润润滑滑油油膜膜对对可可燃燃混混合合气气的的HCHC起起的的吸吸附附和和解解吸吸作用类似；作用类似；l沉沉积积物物的的作作用用机机理理2 2：在在燃燃烧烧室室缝缝隙隙中中若若有有沉沉积积物物可可减减少少可可燃燃混混合合气气的的挤挤入入量量，降降低低HCHC排排放放，但但是是同同时时减减小小了缝隙的尺寸又促进了淬熄。了缝隙的尺寸又促进了淬熄。这种机理产生的未燃HC排放，占HC总排放量的10左右第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物27三、三、HCHC的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（四）（四）未燃未燃HCHC的生成机理的生成机理（5 5）体积淬熄体积淬熄l在在冷冷起起动动和和暖暖机机工工况况下下，因因发发动动机机温温度度较较低低致致使使燃燃油油雾雾化、蒸发和混合气形成变差。化、蒸发和混合气形成变差。l从从而而导导致致燃燃烧烧变变慢慢或或不不稳稳定定，可可能能使使火火焰焰前前锋锋面面在在到到达达燃燃烧烧室室壁壁面面前前因因膨膨胀胀使使缸缸内内气气体体温温度度和和压压力力下下降降太太快快，造成可燃混合气火焰的大体积淬熄，使造成可燃混合气火焰的大体积淬熄，使HCHC排放激增。排放激增。第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物28三、三、HCHC的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（四）（四）未燃未燃HCHC的生成机理的生成机理第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物排出排出发动发动机外机外压缩压缩冲程冲程一部分可燃混一部分可燃混合气压进缝隙合气压进缝隙双壁激双壁激冷效应冷效应火焰无法进入火焰无法进入缝隙或者不能缝隙或者不能完全燃烧完全燃烧形成形成HCHCHC继续氧继续氧化燃烧化燃烧COCO2 2和和H H2 2O O膨胀、排膨胀、排气过程气过程压力下降压力下降未燃未燃HCHC从缝从缝隙中排出隙中排出温度氧气足够温度氧气足够HC氧化燃烧条件不足氧化燃烧条件不足29三、三、HCHC的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（五）（五）影响影响HCHC生成的因素生成的因素（1 1）空燃比空燃比 1.HC排排放放浓浓度度和和数数量量有有随随混混合合气气变变稀稀而而下下降降的的趋趋势势，A/F14.82.当当A/F17时时，混混合合气气过过分分稀稀薄薄，易易发发生生火火焰焰不不完完全全传传播播以以致致断断火火，HC排排放迅速增加。放迅速增加。第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物30点火提前角减小，点火提前角减小，HCHC减少减少点点火火提提前前角角减减小小，增增加加了了排排气气温温度度，促促进进了了HCHC在在排排气系统的后期氧化。气系统的后期氧化。第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物三、三、HCHC的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（五）（五）影响影响HCHC生成的因素生成的因素（2 2）点火提前角）点火提前角 31（3）燃燃烧烧室室面面容容比比面面容容大大，单单位位容容积积的的激激冷冷面面积积也也随随之之增增大大，未未燃燃烃烃总总量量必必然然也也增增大大。降降低低燃燃烧烧室室面容比是降低汽油机面容比是降低汽油机HC排放的一项重要措施。排放的一项重要措施。（4）壁壁面面温温度度壁壁面面温温度度升升高高，HC排排放放浓浓度度相相应应降降低低。提提高高冷冷却却介介质质温温度度有有利利于于减减弱弱壁壁面面激激冷冷效效应应，降低降低HC排放。排放。第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物三、三、HCHC的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（五）（五）影响影响HCHC生成的因素生成的因素32四、四、NOx的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（一）（一）NOx的性质来源的性质来源lNOx包括：包括：N2O、NO、N2O3、NO2、N2O4、N2O5。大气中大气中NOx主要以主要以NO、NO2的形式存在。的形式存在。lNOx的性质的性质N2O：单个分子的温室效应为：单个分子的温室效应为CO2的的200倍，并参与臭氧层的倍，并参与臭氧层的破坏。破坏。NO：大气中：大气中NO2的前体物质，形成光化学烟雾的活跃组分。的前体物质，形成光化学烟雾的活跃组分。NO2:强烈刺激性，来源于强烈刺激性，来源于NO的氧化，酸沉降。的氧化，酸沉降。第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物33四、四、NOxNOx的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（二）（二）NOxNOx的形成机理的形成机理l燃料型燃料型NOx：燃料中的固定氮生成的燃料中的固定氮生成的NOxl瞬时瞬时NOx：低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的NOxl热力型热力型NOx：高温下高温下N2与与O2反应生成的反应生成的NOx第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物34四、四、NOxNOx的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（二）（二）NOxNOx的形成机理的形成机理燃料型燃料型NOxNOxl燃燃料料中中氮氮的的热热分分解解温温度度低低于于煤煤粉粉燃燃烧烧温温度度，在在600-600-800800o oC C时就会生成燃料型；时就会生成燃料型；l首首先先是是含含有有氮氮的的有有机机化化合合物物热热裂裂解解产产生生N N，CNCN，HCNHCN和和等中间产物基团，然后再氧化成等中间产物基团，然后再氧化成NOxNOx。l燃燃料料型型的的形形成成由由气气相相氮氮的的氧氧化化（挥挥发发份份）和和焦焦炭炭中中剩剩余氮的氧化（焦炭）余氮的氧化（焦炭）两部分组成。两部分组成。第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物35四、四、NOxNOx的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（二）（二）NOxNOx的形成机理的形成机理燃料型燃料型NOxNOx燃料燃料N挥发分挥发分挥发分挥发分N焦焦炭炭焦炭焦炭NNON2N2第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物36四、四、NOxNOx的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（二）（二）NOxNOx的形成机理的形成机理瞬时型瞬时型NOxNOxl快快速速型型NOx是是1971年年费费涅涅莫莫通通过过实实验验发发现现的的。碳碳氢氢化化合合物物燃料燃烧在燃料过浓时，在反应区附近会快速生成燃料燃烧在燃料过浓时，在反应区附近会快速生成NOx。l由由于于燃燃料料挥挥发发物物中中碳碳氢氢化化合合物物高高温温分分解解生生成成的的CH自自由由基基可可以以和和空空气气中中氮氮气气反反应应生生成成HCN和和N，再再进进一一步步与与氧氧气气作作用用以极快的速度生成以极快的速度生成NOx。l其其形形成成时时间间只只需需要要60ms，生生成成量量与与缸缸内内压压力力0.5次次方方成成正正比比,与温度的关系不大。与温度的关系不大。第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物37四、四、NOxNOx的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（二）（二）NOx的形成机理的形成机理热力型热力型NOxl燃燃烧烧时时，空空气气中中的的氮氮在在高高温温下下氧氧化化产产生生，其其中中的的生生成成过过程程是是一一个个不不分分支支连连锁锁反反应应。其其生生成成机机理理可可用用 Zeldovitch反应式表示。反应式表示。l随随着着反反应应温温度度T的的升升高高，其其反反应应速速率率按按指指数数规规律律增增加加。当当T1500oC时时,T每每增加增加100oC,反应速率增大反应速率增大6-7倍。倍。第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物38四、四、NOxNOx的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（二）（二）NOxNOx的形成机理的形成机理热力型热力型NOxNOx第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物40四、四、NOxNOx的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（三）（三）NONO的化学动力学机理的化学动力学机理l内内燃燃机机排排出出的的NOx主主要要是是NO。NO的的主主要要来来源源是是参参与与燃燃烧烧的空气中的氮的空气中的氮(N2)。l靠靠大大气气中中氮氮生生成成NO的的化化学学机机理理是是扩扩展展的的Zeldovitch机机理理，也也称称为为“热热NO”。在在a 1附附近近，有有关关NO主主要要反反应应（生生成成和消失）为：和消失）为：第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物41四、四、NOxNOx的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（三）（三）NONO的化学平衡的化学平衡平衡浓度的定义：平衡浓度的定义：当当燃燃烧烧产产生生高高温温，在在定定温温度度和和压压力力下下，当当反反应应时时间间足足够够长长，反反应应物物的的浓浓度度将将趋趋于于某某个个定定值值。这个值称为平衡浓度。这个值称为平衡浓度。NO浓度大大依赖于温度和当量浓度浓度大大依赖于温度和当量浓度在稀混合气区在稀混合气区NONO的生成主要是温度起作的生成主要是温度起作用；在浓混合气区主要是氧浓度起作用。用；在浓混合气区主要是氧浓度起作用。第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物右右图图是是以以C8H18(正正辛辛烷烷)为为燃燃料料在在40个个大大气气压压时时计计算算得得到到的的NO平平衡衡浓浓度度与与温温度度T及及当当量量比比（1/，过过量量空空气气系系数数的的倒倒数数）关关系系曲曲线线。当当量量比比=1时时，表表示示理理论论混混合合比比。当量比当量比1为浓混合气。为浓混合气。42四、四、NOxNOx的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（三）（三）NONO的非化学平衡的非化学平衡t t是是从从燃燃烧烧开开始始温温度度升升高高时时算算起起。当当t t值值小小的的时时候候，NONO生成量比平衡浓度要低得多生成量比平衡浓度要低得多膨胀过程，缸内膨胀过程，缸内T平衡浓度平衡浓度逆向反应速率过低逆向反应速率过低 NO冻结冻结NO浓度浓度 排气温度对应平衡浓度排气温度对应平衡浓度第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物43四、四、NOxNOx的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（三）（三）NONO的生成因素的生成因素l温温度度：随随着着高高温温的的形形成成，NO平平衡衡浓浓度度也也提提高高，而而且且生生成速度也加快了。特别是有氧存在时的温度是重要的。成速度也加快了。特别是有氧存在时的温度是重要的。l氧氧的的浓浓度度：在在氧氧气气不不足足的的情情况况下下，即即使使温温度度高高，NO也也被抑制了。被抑制了。l滞滞留留时时间间：因因为为NO的的生生成成反反应应速速度度比比燃燃烧烧反反应应慢慢，所所以以即即使使在在高高温温下下，如如果果停停留留时时间间短短的的话话，NO的的生生成成量量也可以被抑制。也可以被抑制。三条结论对于汽油机和柴油机都适用三条结论对于汽油机和柴油机都适用第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物44四、四、NOxNOx的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（五）（五）NONO的影响因素的影响因素过量空气系数过量空气系数l a=0.9，燃燃烧烧温温度度较较高高，氧浓度低，抑制氧浓度低，抑制NO生成。生成。l a提提高高，氧氧增增加加效效果果抵抵消消燃燃气气温温度度下下降降，导导致致NO生生成成增增大大，NO排排放放量量峰峰值值出出现现在在 a=1.1左左右右的的略略稀稀混混合气中。合气中。l a进进一一步步增增加加，温温度度下下降降的的效效果果占占优优势势，导导致致NO生生成量减少。成量减少。第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物45四、四、NOxNOx的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（五）（五）NONO的影响因素的影响因素已燃气分量已燃气分量l已已燃燃气气体体能能够够减减小小可可燃燃气气的的发发热热量量，同同时时增增大大混混合合气气的的比比热热容容（CO2和和H2O三三原原子子气气体体的的比比热热容容远远大大于于O2和和N2双原子气体）双原子气体）,使最高燃烧温度下降，使最高燃烧温度下降，NO排放下降。排放下降。l已已燃燃气气分分数数增增加加还还使使燃燃烧烧速速率率下下降降，同同样样降降低低燃燃烧烧温温度度和和NOx排放。排放。可燃混合气中的已燃气分数增大能够降低可燃混合气中的已燃气分数增大能够降低NOxNOx排放排放第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物46四、四、NOxNOx的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（五）（五）NONO的影响因素的影响因素已燃气分量已燃气分量l当当EGR率率达达到到发发动动机机部部分分负负荷荷下下的的最最大大允允许许 值值 15 20 时时，NOx排放显著下降。排放显著下降。lEGR过过分分稀稀释释新新鲜鲜可可燃燃混混合合气气会会使使燃燃烧烧恶恶化化，导导致致缓缓慢慢燃燃烧烧不不完全燃烧甚至缺火。完全燃烧甚至缺火。第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物47四、四、NOxNOx的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（五）（五）NONO的影响因素的影响因素点火时间点火时间推推迟迟点点火火、提提高高排排气气温温度度，利利于于HCHC的的后后氧氧化化和和降降低低NOxNOx，但但有有损损燃燃油油消消耗耗率和比功率。率和比功率。第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物48四、四、NOxNOx的生成机理及影响因素的生成机理及影响因素（五）（五）NONO的影响因素的影响因素l冷却水温冷却水温冷却水温降低，冷却水温降低，NONO减少减少l压缩比压缩比压缩比降低，压缩比降低，NONO减少。减少。l燃燃料料成成分分：芳芳香香烃烃燃燃料料燃燃烧烧时时温温度度较较高高，故故燃燃料料中中若芳香烃含量较多，则若芳香烃含量较多，则NONO生成增加。生成增加。第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物49五、微粒的排放五、微粒的排放l若若发发动动机机发发生生技技术术状状况况问问题题，导导致致润润滑滑油油消消耗耗较较多多时时排排气会冒蓝烟（未燃烧润滑油微粒构成的气溶胶）；气会冒蓝烟（未燃烧润滑油微粒构成的气溶胶）；l在在冷冷启启动动时时产产生生的的白白烟烟是是由由高高沸沸点点的的未未燃燃烃烃和和水水蒸蒸气气混混合而成的液态颗粒；合而成的液态颗粒；l直直喷喷式式汽汽油油机机由由于于也也存存在在类类似似柴柴油油机机的的不不均均相相燃燃烧烧，其其颗颗粒粒物物排排放放也也达达到到柴柴油油机机颗颗粒粒物物排排放放水水平平主主要要粒粒径径尺寸比柴油机小，集中在尺寸比柴油机小，集中在0.02m0.02m。第一节第一节 汽油机排放污染物汽油机排放污染物50第二节第二节 柴油机排放污染物柴油机排放污染物一、一、COCO的排放特点的排放特点柴柴油油机机总总是是在在 a1（1.5-3之之间间）下下工工作作，CO排排放放量量比比较较低低，只只有有在在负负荷荷很很大大接接近近冒冒烟烟界界限限时时（1.2-1.3之之间间）才急剧增加。才急剧增加。柴柴油油机机油油气气混混合合不不均均匀匀，燃燃烧烧室室中中局局部部缺缺氧氧，温温度度低低，反反应应物物在在燃燃烧烧区区停停留留时时间间较较少少，容容易易发发生生不不完完全全燃燃烧烧生生成成COCO，造造成成 a很很大大（负负荷荷很很小小时时）COCO排放反而上升。排放反而上升。51第二节第二节 柴油机排放污染物柴油机排放污染物二、二、HCHC的排放特点的排放特点l混混合合气气太太稀稀或或太太浓浓，则则不不能能自自燃燃或或火火焰焰不不能能传传播播造造成成HCHC排放。排放。1 1）滞滞燃燃期期内内，可可能能因因为为油油气气混混合合太太快快使使混混合合气气过过稀稀。柴柴油油机机未未燃燃HCHC的的排排放放主主要要来来自自柴柴油油喷喷注注的的外外缘缘混混合合过过度度造造成成的的过稀混合气地区。过稀混合气地区。2 2）在在喷喷油油后后期期的的高高温温燃燃气气中中，可可能能因因为为油油气气混混合合不不充充分分使使混混合合气气过过浓浓，或或者者由由于于燃燃烧烧淬淬熄熄产产生生不不完完全全燃燃烧烧产产物物随随排气排出，但这时较重的排气排出，但这时较重的HCHC多被多被碳烟微粒吸附。碳烟微粒吸附。52第二节第二节 柴油机排放污染物柴油机排放污染物二、二、HCHC的排放特点的排放特点1.过稀混合气：喷孔喷孔喷注尾部喷注尾部过后喷射过后喷射喷注核心喷注核心贫油火焰区贫油火焰区贫油火焰外围区贫油火焰外围区喷注前沿喷注前沿着火核心着火核心火焰前锋火焰前锋空气涡流空气涡流壁面壁面着着着着火火火火发发生生在在 a a略大于略大于1 1的地区的地区53第二节第二节 柴油机排放污染物柴油机排放污染物二、二、HCHC的排放特点的排放特点2.2.过浓混合气：过浓混合气：l原原因因一一：喷喷油油期期结结束束时时，喷喷油油嘴嘴的的压压力力室室容容积积内内充充满满柴柴油油，在在燃燃烧烧后后期期和和膨膨胀胀初初期期被被加加热热部部分分汽汽化化进进入入气气缸缸，缓慢与空气混合成为未燃缓慢与空气混合成为未燃HCHC。l原因二：原因二：喷入燃烧室的燃油过多。喷入燃烧室的燃油过多。在在直直喷喷式式柴柴油油机机，小小负负荷荷时时由由于于低低速速喷喷射射少少量量的的柴柴油油，易易导导致致局局部部过过浓浓的的混混合合气气；瞬瞬态态加加速速工工况况可可能能喷喷油油过过量量在膨胀和排气阶段引起局部过浓。在膨胀和排气阶段引起局部过浓。54第二节第二节 柴油机排放污染物柴油机排放污染物二、二、HCHC的排放特点的排放特点3.3.火焰淬熄和缺火：火焰淬熄和缺火：l火火焰焰在在壁壁面面上上淬淬熄熄是是柴柴油油机机HCHC排排放放的的一一个个来来源源，它它取取决于柴油喷注与燃烧室壁面的碰撞情况。决于柴油喷注与燃烧室壁面的碰撞情况。对对于于小小型型高高速速柴柴油油机机，由由于于燃燃烧烧室室尺尺寸寸小小，而而喷喷油油嘴嘴的的喷喷孔孔又又不不能能太太小小（影影响响喷喷油油量量），燃燃油油喷喷注注碰碰壁壁一一般般不不可可避避免免，但但在在匹配良好的情况下引起的匹配良好的情况下引起的HCHC排放不很严重。排放不很严重。l柴柴油油机机在在冷冷起起动动时时会会发发生生缺缺火火，大大量量未未燃燃HCHC以以微微粒粒状状排出，排气冒排出，排气冒“白烟白烟”。55第二节第二节 柴油机排放污染物柴油机排放污染物三、三、NOxNOx的排放的排放1.NO2 的生成机理：的生成机理：汽汽油油机机排排气气中中的的NO2浓浓度度与与NO的的浓浓度度相相比比可可忽忽略略不不计计，但在柴油机中但在柴油机中NO2可占到排气中总可占到排气中总NOX的的10%30%。NO HO2 NO2 OHNO2O NOO256第二节第二节 柴油机排放污染物柴油机排放污染物三、三、NOxNOx的排放的排放2.2.柴油机和汽油机的区别：柴油机和汽油机的区别：l相相同同点点：气气缸缸内内达达到到的的最最高高燃燃烧烧温温度度也也有有控控制制NO生生成成的的作作用用。最最先先燃燃烧烧的的混混合合气气量量对对生生成成NO数数量量影影响响较较大大，所所以以在在燃烧过程中，预混合燃烧比例对燃烧过程中，预混合燃烧比例对NO的生成有很大影响。的生成有很大影响。l不不同同点点：燃燃烧烧期期间间燃燃油油分分布布不不均均匀匀引引起起已已燃燃气气体体中中温温度度和和成成分分不不均均匀匀；燃燃烧烧室室中中温温度度低低的的空空气气引引起起NO成成分分的的冻冻结结发发生生得比点燃式内燃机早，得比点燃式内燃机早，NO分解倾向较小。分解倾向较小。57第二节第二节 柴油机排放污染物柴油机排放污染物三、三、NOxNOx的排放的排放3.NOx 的影响因素的影响因素（1）喷油定时的影响喷油定时的影响 l缸缸内内快快速速取取样样技技术术和和全全气气缸缸取取样样技技术术的的测测量量表表明明，柴柴油油机机几几乎乎所所有有NO都都是是在在燃燃烧烧开开始始的的头头20CA以以内内生生成成的的。喷油较迟时，因为最高燃烧温度较低，喷油较迟时，因为最高燃烧温度较低，NO排放低。排放低。l推推迟迟喷喷油油是是降降低低柴柴油油机机NOx排排放放的的简简便便有有效效的的方方法法，但但代价是燃油消耗率有所提高，排气烟度增大。代价是燃油消耗率有所提高，排气烟度增大。58第二节第二节 柴油机排放污染物柴油机排放污染物三、三、NOxNOx的排放的排放3.3.NOx NOx 的影响因素的影响因素（2 2）放热规律放热规律传统放热规律模式：传统放热规律模式：不可控预混合燃烧放热率尖峰扩散燃烧平缓放热率峰。预混合燃烧速度过快NOx扩散燃烧缓慢热效率恶化微粒增加低排放放热规律模式低排放放热规律模式上止点后开始放热第一峰值较低，控制NOx生成较少；中期扩散燃烧加速，使燃烧过程提前结束提高效率降低排气温度和微粒排放。5