第2章车用汽油机排放污染物的生成修改.

1、第二章汽油机排放污染物的生成机理及影响因素2.1燃料燃烧过程概述 2.2汽油机污染物生成机理 2.3影响汽油机排气污染物生成的因素2.1燃料燃烧过程概述2.1.1撚料燃烧化学反应一、完全燃烧的化学反应燃料中可燃成分C、H、S、CO、CnHmo燃料完全 燃烧，这时的化学反应：C + O tCO?2H2+O2 ->2H2OS + O< TSO】co+4o2 co?CnHm + (n + -y)O2 > nCO2 + 号H2O二、燃烧所需的空气量对汽油、柴油视只含C、H、0(其他成分极少)， 以gc、gy g。分别代表每kg燃油中C、H、O的 质量成分()。gc+gH+go= 1如

2、1 kg燃汕含Mgokg则每kg燃汕完全燃烧盂理论 氧气量：2.667g, -4- 8gH go (kg) 或+ 只- "2冲皿 ell kg由:lkg(C)4-8/3kg(O,) = 1 l/3kgCO2 +32993k.1 kgQ4)+ 8kg(Q) = 9kg(电 O)離)+ 121004k.空气中的氣：以容积计，O?占21% N?占79% 以质量成分计，6占23.2% 比占76.8%1kg燃汕完全燃烧需理论空气量L。Lo = Q 232(2 66?& 4_8gH -goXkg/kg)或L。=需(% + "必-8%2)如。如标态下以体积表示的理论空气量22 4

3、L() =-j-(gc/12 4-g/4-go/32) (NmVkg燃汕) 汽汕的平均质量成分：gO. 855; gi 0. 145;go=0柴油的平均质量成分gcO. 855;g尸0. 145;go=0. 004 将平均质暈成分代入得：汽油L0=l4.8kg/kg ,柴油 L()=l4.5kg/kg当空燃比A/FV14. 8时，不完全燃烧生成气态化合物：燃料+空气（包扌SO?、N? ） f CO + HC + H2O + NOX + CO22.1.2汽油机燃烧过程等压燃烧；分段燃烧模型，心方形燃烧室虚构为 4个等质量部分，黑点代表气体单元。假设火花塞左 侧点火，火焰以纵横平面波推进。第1区全

4、部气体等 容条件下点燃，第1单元的气体膨胀压缩其它单元至 压力平衡。第2单元混合气引燃后膨胀，压缩第1、3、 4单元到压丿J平衡。这一过程直至全部单元引燃为止。汽油机燃烧过程有以卜3个特点：I）务层混合气是在不同压力和温度下点燃的。 來燃区，离火花塞最远的单元前受床最大，燃烧 询温度也虽高。着火前混合气温度比火屁塞附近若火前的温度耍高200度。L 2）每一个已燃单元的燃烧气要受到正在燃烧 為燃烧气层的压缩，因此在燃烧室中发生温度分层 现彖。3）由于火焰传播燃烧是一系列的等压燃烧，气 缸内用力越来越髙，未燃气体受已燃气体膨胀作用 的压力，其密度也越來越大。思考：粗略估算lkg汽油在完全燃烧和不完

5、全燃烧情况下排放的污染物?思考：粗略估算lkg汽油在完全燃烧和不完全燃烧情况下排放的污染物?图22已燃气体的质量与休积的关系思考：粗略估算lkg汽油在完全燃烧和不完全燃烧情况下排放的污染物?2.1.3汽油机的排气成分1. 大气成分N.和剩余的Q2. 完全燃料产物O?和H?O3不完全燃烧产物CO、H24.未燃坯及燃烧分解生成物HC5 燃烧屮间产物醛类6.氮氧化合物NOx7颗粒物氣化铅、碳化物、金展化介物等。固体条质0 0008%O?和惰性气体0.7%JNOjiO 15% jHC0.09%图23欧洲标准测试循环中不加三元催化器汽油机排气的组成2.2汽油机污染物生成机理 2.2.1 CO的生成机理2

6、.2.2 HC的生成机理2.2.3 NOx的生成机理2.2.1 CO的生成机理I. 燃料不完全燃烧当过量空气系数ivi时，空气量不足，桂类 燃料不能完全燃烧，生成co,即：CnHm + 号 °2 T nCO+ y H2这时，人部分co来自壁面附面层。思考：粗略估算lkg汽油在完全燃烧和不完全燃烧情况下排放的污染物?2.高温离解反应当ea>i时，仍有co生成.这是因为co是屮间产物，进一步生成co：的反 应很慢，市于燃烧时间极短，来不及完全氧化。CC)2CO + £o2(当燃烧温度 T>2(XX)/C)2H2O>2H2 +OCO-)+ H j CO 4- H

7、 -)O3 浓度冻结箱膨总I诵益过程中，C。的匸要氧化反丿应为；CO + OH O COr + HLtl 丁反应动力学的抑制，其氧化复介的速度很慢，即CO的浓度处于“冻结”状态，大图24异辛烷燃烧膨胀时CO浓度 -受动力所限的浓度；平衡浓度4.混合气不均由于各缸混合不一定均匀一致，燃烧室各处的混合也不均匀，使燃烧室某处的 混合气浓，造成局部缺氧：排气中未燃IIC 的不完全氧化也会有少量的CO产生。2.2.2 HC的生成机理-、汽油机中碳氢排放的3种主要途径：(1 )曲轴箱窜入气体(20-25%)(2) 燃汕系统蒸发的燃汕蒸汽(15-20%)燃烧排放(65%55%)二、燃烧排放HC的生成机理1、

8、多种原因造成的不完全燃烧2、火焰在壁而淬熄3、狭隙效应4、润滑油膜与燃烧室内沉积物对燃油蒸汽 的吸附与解吸1、多种原因造成的不完全燃烧碳氢燃料的氧化根据其温度、压丿J、混合 比、燃料种类及分子结构的不同有着不同 特点，其燃烧实质是各类坯的一系列氧化 过程。混合气浓度过浓或过稀都可能燃烧不完全 或失火。怠速、高负荷工况加速和减速工况2、火焰在壁面淬熄（激冷Quenching ）单壁淬熄当火焰接近气缸壁.b蛊F表面.气门丁表面.活鑒上 衣血时，低濡冲fri300°C以下对火焰迅速冷却，由丁边界 层混介气温度钱低，廿致火焰熄火血产牛HC,扯层为淬熄熄层，丿拿度一般为0.05-0.4mm ,

9、小负荷时较丿7。双壁淬熄在活塞顶部和气缸壁之间的环形间隙中，火焰传不进去 而产生HC。*住而淬熄足冷起动.暧机及怠速工况时HC7?在的朿耍來 源。3、狭隙效应（占排放总量38%）图25燃烧室内缝隙的组成1項目.容籾an3与燃烧室容积之比/%3B-1S1环上部的容积0.931.05第一道活塞环下部的容积-0.470.52第二、三道环之间的容积0.680.77耐活塞环纹纹隙总容积2.552.9火花塞螺纹魅隙容积0.250.28气虹趟片樂隙容积0.30.84翩总容积33.5t：发动机单缸工作容积632b?、燃烧室容积89<W,由冷态条件下剧得。图2-6V6发动机单缸狭隙容积数据部分由壁面淬熄和

10、狭隙效应产牛的HC,在排 气过程中被氧化，这个过程需要高温600°C 以上和足够的氧气，以及停留时间大于 50mSo因此，HC浓度在过量空气系数1.11.25 时最小。气体离开气缸夹带了气缸 勰卿骼潔合气以及°需竜帶治Lcb撫鸭需揃薄膜层中的H C排出HC质啟流球图274、润滑油膜与燃烧室内沉积物 对燃油蒸汽的吸附与解吸（占排放总吊3550%）在进气和压缩过程中，润滑油膜和燃烧室内沉 积物会吸附未燃混合气和燃料蒸气，而在膨胀 和排气过程中，由于燃烧燃油浓度降低，汕膜 和沉积物释放燃料蒸气，由于释放较迟，这部 分燃料蒸气只看少数被氧化，多数则随已燃气 体排出。5、气缸屮HC的

11、排放过程发动机一个工作循环内排气中碳氢的两个峰值： 排气门刚打开 排气行程结束 原因：2.2.3 NOx的生成机理NO生成自三种途径(方式):衣21 NO生成机理生成途径高温NO激发NO燃料NO反应过程（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反应温度(°C)>1600<16001离温NO (Thermal NO泽尔多维奇机艸) no的主要来源是参与燃烧的空气屮的“2被

12、氧化而成，当燃 烧温度下降时，高温NO的生成反应会停止，即被“冻 结” o在1600°C高温下，o,离解成o需的能量较少，反应先从o开 始。02 -20(1) 式Nj+0N+NO中左边的0除一小部分由(2)式N+00+N0右边牛成的O提供外，大部依靠高温O?离解牛成O,(2) 式左边的N主耍靠(1)式右边生成的N供给，(1)式 和(2)式是强烈的吸热反应，只有在16()()°C时才能进行，式N+OHtH+NO主要发生在非常浓的混介气中。雅可夫泽尔多维奇鶉蘇裁鑛藉饌蠶蠢譎魁提出1964年，泽尔多维奇提出银河系X射线源是双星常麟跚雛藐人'没上过大学2°岁晟辐射

13、的存在。1972年,魏勰瞎畢蠶勰的吸积过程产生的。同 他与河希傩为晁业耶人颅H* 了星寿刈巧杲辐射 黑餐養'。莓恵经在栄錨架&!聃址詁、緞 盟于鋤勲翹繍滤W的数no的瞬时生成速率no = 2/W ToIAdtk, =1.8x10,4exp319/RT）k,反应速率常数cm3 /（mol-s）燃烧过程屮，氮的浓度基本不变，宙此可知： NO的生成与温度（T）有关，也与氧（O）浓度有 关，还与滞留时间（t）有关。图28 NO平衡浓度(正辛烷CeH18+空气，4MPa大气压力)时间(ms)25图29 NO生成量与滞留时间的关系高温NO反应机理，产生NO的三要素是：温 度、氧浓度和滞留时

14、间。 温度：在氧气充足时，温度定生成NO的重 要因索，高温时，NO平衡浓度高，生成速度人， 低温即使氧充足但其分解慢，NO牛.成浓度低。 氧浓度，在高温条件下，氧浓度是生成NO 的币:要内索，氧浓度低，即使温度高，NO牛成也 受到抑制。 滞留时间，因NO生成反应比燃烧反应慢,所以即使高温富氧，如停留时间短，NO生成受 抑制。2激发NO (Prompt NO)激发NO机理70年代初被提出，由于燃料产牛.的原子团CH、CH2、C®氮气发牛反应所产半。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裂血军出CH、CH2与 N2反应，生成HCN和NH等 中间产物，并经过工成C N和N的反应， 最后牛成NO,这与高温NO 产生以高温为前提不同，激 发NO生成是山系列活化 能不高的反应组成，因此不 需很禹温度就能进行。 在较浓条件下产牛。 激发NO反应机理，产牛NO的三要素是：(1) 燃料中碳氢化合物分解为CH等原子团的 多少(2) CH等原了团与2反应生成貳化物HCN的 速率，见图210氮化物之间的和互转化速率soI oooH*J MU / em图2-10反应区附近NO与HCN的含量变化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 中间产物，并逐步生成NO,这一反应过程在W1600K 条件下就可进行。综上所述，NO产生的三个途径中，燃料NO生 成量极小，因而可以忽略不计；激发NO生成量也 较少，R反应过程尚不完全明了，也可和不考虑。 因此可以认为：高温NO是NO生成的卞要来源。a)HC从壁 面上刮起b)c)图212影响汽油机有害排放物的因索图212影响汽油机有害排放物的因索图NO. HC、CO的生成过程简图2.3影响汽油机排气污染物生成的因素图212影响汽油机有害排放物的因索图212影响汽油机有害排放物的因索£化火花曼火 点火爰A

17、u Itrit尊IL紅径比&烧净形伙 胸说运功图212影响汽油机有害排放物的因索2.3.2点火提前角的影响2.3.2点火提前角的影响qouoNROO 一 2000600 - - I 500400 - 1000200 - - 5000亠01 50 I 25过鑽空气系数101.2141.6T11 W100.75当比2.3.2点火提前角的影响图213汽油机空燃比对有害排放物生成的影响空燃比对CO的影响:随着空燃比的增加，co排放的浓度 逐渐下降，这是因为空气量增加，燃料能充分燃烧。当空燃比大于理论空燃比后，CO能保持一定的浓度，主 要是由于混合气空燃比分布不均、高温分解及反应冻结而 成。空燃

18、比进一步增加，混合气变稀，使燃烧温度降低， 减少了髙温分解，因此，co的浓度进一步下降。空燃比 是影响co排放的主要因素，一切影响空燃比的因素都影 响co的排放。空燃比对HC的影响:与CO有类似的倾向，但在过稀混合 比的情况下，因为火焰传播不充分和断火，HC排放浓度 有所增加。与油耗有相同的趋势。空燃比对NOx的影响:当空燃比为16左右时，燃烧温度高, 燃气中氧含量充分，此时NCh排放出现峰值。比这浓的混合气，由于燃烧后的温度和氧的浓度较低， NCX浓度下降；號蠶每由于火焰传播速度减慢燃气温度较低'点火提询角8对CO排放影响很小，除非过分 推迟使C0没冇充分的时间完全氧化而引起C0排放

19、最 增加。对NOxllHC排放影响大。空燃比（P厂定, 最佳点火提前角）， 点火提前（6增大） 料消耗恶化。？70205 4 3 2 il3至匸二塗善10 IS 2025点火ffiWWr A252 ITo_)«恥单 ON厂2)和£裁 6N鷗«養植«点火推迟（0减小，相对于 使HC与NO.、的排放均减小， ,HC及MOx排放也均增大。燃图24点火提前角对HC和NOX排放的影响a）点火提前角对HC排放的影响b）点火提前角对NO,排放的影响1稳定运转状态稳定运转状态是指发动机的零部件、冷却水及润滑油 的温度趋J：平衡，发动机金恫定的转速和负荷卜运转。(1)转速

20、门的影响汽汕机转速的变化，将引起充气系数、点火捉前角、 混合气形成、空燃比、缸内气体流动、汽油机温度以 及排气在排气管屮的停留时间等的变化，转速对排放 的影响是这些变化的综合影响。 怠速时随怠速提高、节气门开度增大，节流减小, 燃烧转好，HC、CO浓度下降。 随着门的提高，使混合气混合鮫好，改善燃烧， CO及HC排放降低。JH-R出硼f規 8n7500IOJO0'>2000 MV.50004000300020001000101214161820空燃比图216仃的变化对NO,排放的形响 曲线在压缩比6.7的汽油申L匕，在点火提前 角为30。的条件下得到的。60000(90)軽0梓将=0N 在撷焰2腳畑气用伸誠 随火时火但合料较4 时，到迟，混燃支6 J；定伙延浓份喘N 佩角MB加绘 城刖，的影也如此压燃。 训