内燃机学课件第八章

（2）碳氢化合物
HC包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解和 部分氧化产物。如烷烃、烯烃、芳香烃、醛、酮、酸等 数百种成分。 烷烃基本上无味，对人体健康不产生直接影响。 烯烃略带甜味，有麻醉作用，对粘膜有刺激，经代谢转 化会变成对基因有毒的氧化衍生物。烯烃是与氮氧化物 一起在太阳光的紫外线作用下形成有毒的“光化烟雾” 的罪魁祸首之一。 芳香烃对血液和神经系统有害，特别是多环芳香烃 （PAH）及其衍生物有致癌作用。 醛类是刺激性物质，对眼、呼吸道、血液有毒害。
汽油与空气的均匀混合气在过量 空气系数Φa=1时燃烧时，根据化 学反应动力学，基本上不产生未 燃HC，但实际发动机中不是这样 (图7—3)。即使Φa=1，HC也有 相当大的数值，并随Φa的减小而 迅速增加。当混合气过稀，由于 燃烧恶化，甚至有些循环缺火会 使HC急剧增加，只有采取特殊措 施(如组织快燃)才可能缓和这种 趋势。
来自燃油的SOF与柴油机的未燃HC有关，减少HC排放， 也可一减小SOF排放。但降低PM的核心问题时减小DS 的生成。所以改善柴油机油气混合均匀性十分重要。
柴油机PM生成因素分析
图8-8为柴油机PM排放质量浓度随负荷变化的关系。
柴油机PM生成因素分析
涡轮增压可以大大增加柴油机的充气量，提高空然比， 因而显著降低PM的排放。现代柴油机基本上都是增压发 动机。 增加喷油器喷孔数目（相应减小喷孔直径），提高喷油 压力，改善燃油雾化，能够促进燃油一与空气的混合， 改善油气混合的宏观和微观均匀性，从而减少DS 的排 放。
Soot-DS）；当排气温度较低时，碳烟会吸附和凝聚多种
有机物，称为有机可容成分(SOF----Soluble Organic Fraction)
柴油机PM生成因素分析
DS的生成条件是高温和缺氧：燃油中烃分子在高温缺氧 的条件下发生部分氧化和热裂解，生成各种不饱和烃类， 如乙烯、乙烯及其较高的同系物和多环芳香烃。它们不 断脱氢、聚合成以碳为主的直径2nm左右的碳烟核心。 气相的烃和其他物质在这个碳烟核心表面的凝聚，以及 碳烟核心互相碰撞发生凝聚，使碳烟核心增大，成为直 径20—30nm的碳烟基元。最后，碳烟基元经过聚集作 用堆积成直径1μm以下的球团状或链状的聚集物。
缸内最高燃烧温度是决定NOx生成量的最重要因素； NOx排放随负荷的增加而增加； 转速对NOx的影响较小； 喷油正时对燃烧过程有较大影响，推迟喷油是最高 燃烧温度和压力下降，燃烧柔和，NOx生成量减小。 采用EGR也是降低NOx的重要手段。
负荷超过一定研读时， NOx下降，因为相对缺 氧导致燃烧恶化
碳氢化合物的种类
总碳氢（THC）种类很多，在大气对流层的光化学 反应活性不一：甲烷在这方面为惰性，因此，美国 排放法规中采用非甲烷碳氢化合物（NMHC）；除 此之外，还有如醇类、酮类、醛类、酚类、酯类及 其衍生物，这些活性更强。活性的不含氧和含氧有 机物通称非甲烷有机气体（NMOG）。对汽油机而 言，羟基混合物一般只占THC排放物的百分之几； 而柴油机中，光醛类就占THC 的10%左右，而且 醛类中，甲醛约占20%。
排气中的微粒是指经空气稀释、温度降到52℃后用 涂有聚四氟乙烯的玻璃纤维滤纸收集的除水以外的
物质。柴油机排出的微粒大多小于0.3μm，其主要
成分是碳及其吸附的有机物质。吸附物中有多种 PAH（多环芳香烃），具有不同程度的致癌作用。
污染物的评定指标
（1）排放物体积分数和质量浓度 单位排气体积中排放污染物 的体积，称为排放物的体积分数，通常以％和10-6（百万分 比）表示，质量浓度常用mg／m3等计量。 （2）质量排放量 在环境保护实践中，要求对污染物进行总量 控制。因此，作为污染源的内燃机或装内燃机的车辆，要确 定运转单位时间、按某标准进行一次测试或车辆按规定的工 况组合行驶后折算到单位里程的污染物排放质量。质量排放 量用g/h、g／测试或g/km等单位表示。 （3）比排放量 内燃机每作单位功所排放的污染物质量，用g ／（kW· h）单位表示，当然可以更客观地评价内燃机的排 放性能。这个指标与燃油消耗率类似，也可以称为污染物排 放率。
点燃式内燃机部分负荷运转时，混合气的Φa接 近1，CO排放量不高。但多缸机如各缸Φa不 同．仍会有的气缸Φa＜1，增加CO排放量。全 负荷运转特别是冷起动时，混合气是浓的，Φa 可小到0.8甚至更低，CO排放量很大。发动机 加速时如果加浓过多，或者减速时不断油，即在 瞬态运转工况下供油量控制不精确，会导致CO 排放量剧增。
压燃式内燃机中，由于可燃混合气是在燃烧前和燃烧中 的极短时间内形成的，混合不均匀程度比较严重，在高 温高压环境下缺氧的燃油会发生裂解、脱氢，最后生成 碳烟粒子。这些碳烟粒子又吸附了各种各样的未燃烧或 不完全燃烧的重质碳氢化合物，称为排气微粒(PM)。 燃油中含有的硫使内燃机排放构成酸雨因素之一的SO2 和SO3，用含铅汽油的汽油机会排出对神经系统有严重 毒性的铅化物。
柴油机PM生成因素分析
图8-7为一些烃类燃料在实 验室燃烧器条件下生成DS的 温度和过量空气系数的关系。 DS在极浓的混合气中生成， 且在1600~1700K之间达 氧化，但要求最低温度伟 700~800度。
柴油机PM生成因素分析
柴油机PM生成过程的最后阶段，是组成SOF的重质有机 化合物在气缸内燃气排出并被空气稀释时，通过吸附和 凝结向DS覆盖。最容易凝结的是未燃燃油中的重馏分、 不完全燃烧的有机物和窜入燃烧室的润滑油。 为了减小润滑油导致的PM排放，在确保工作可靠性的前 提下，减小润滑油的消耗；
三、氮氧化物
内燃机排故的氯氧化物NOx主要是一氧化氮NO。NO 的主要来源是参与燃烧的空气中的氮。汽油和轻柴油 本身含氮很少，不足以产生显著的NOx排放。从大气 氮生成NO的化学机理是泽耳多维奇(Zeldovitch)机 理。在化学当量混合比(Φa＝1)附近，导致生成和消 失NO的主要反应为：
O2 N2+O O2+N OH+ N 2O NO+N NO+O NO+O
NOx生成规律
NO生成随温度升高而呈指数函数剧烈上升； 当温度低于1800K时，NO生成速率极低； 大致可以认为温度没升高100K， NO生成速率几乎 翻一番； 氧含量提高会使NO的生成量增加； NO生成反应比燃料燃烧反应慢，大部分NO在火焰离 开之后的已燃气体中形成； 如果反应在高温停留时间不足，则NO达不到平衡， 使NO排放减少。
汽油机HC生成主要原因
主要原因 1．壁面淬熄 2、狭隙效应 3、润滑油膜的吸附与解吸 4、燃烧室中沉积物的影响 其他原因 1、大容积淬熄 2、发动机缺火
柴油机HC生成主要原因
由于柴油机的工作原理是喷油压燃，燃油停留在燃烧室中的时间比汽油机短 很多，因而受壁面冷激效应、狭隙效应、油膜吸附、沉积物吸附作用很小。 这是柴油机HC排放较低的原因。 柴油机燃烧室中由喷油器喷入的柴油与空气形成的混合气可能太稀或太浓， 使柴油不能自燃，或火焰不能传播。 如在喷油初期的滞燃期内，可能因为油气混合太快使混合气过稀，造成未燃 HC。 在喷油后期的高温燃气气氛中，可能因为油气混合不足使混合气过浓，或者 由于燃烧淬熄产生不完全燃烧产物随排气排出，但这时较重的HC多被碳烟 微粒吸附，构成微粒的一部分。 柴油机未燃HC的排放主要来自柴油喷注的外缘混合过度造成的过稀混合气 地区，结果造成柴油机怠速或小负荷运转时的HC排放高于全负荷工况。 喷油器的压力室容积对HC排放的影响。 火焰在壁面上淬熄也是柴油机HC排放的一个来源，它取决于柴油喷注与燃 烧室壁面的碰撞情况。但在冷起动时，未燃HC以微粒状排出，排气冒“白 烟” 。
第八章
内燃机污染物的生成与控制
第一节 概述 第二节 污染物的生成机理和影响因素 第三节 内燃机的排放控制 第四节 内燃机排气后处理 第五节 排放测量和排放法规
第一节 概 述
内燃机用碳氢化合物燃料在燃烧室内完全燃烧时，将只 产生CO2和H2O，没有其他有害产物。不过，高速内燃机 燃烧过程占有的时间极短，可燃混合气不是完全均匀， 燃料的氧化反应不可能完全。排气中会出现不完全燃烧 产物，例如CO和未完全燃烧甚至完全未燃烧的碳氢化合 物HC。 点燃式内燃机中，在某些工况（例如全负荷运转时）， 为了获得最大功率而不得不用浓混合气，导致CO排放大 大增加；为了提高冷起动的可靠性，也得加浓混合气。 内燃机最高燃烧温度达2000℃以上，又使空气中的氮在 高温下氧化生成各种氮的氧化物。
随着负荷增 加，空然比 减小，Tmax 增加，NOx 增加 转速对于NOx的影响 比负荷的影响小
四、微粒
点燃式内燃机
点燃式内燃机中，含铅汽油的铅、汽油中硫造成的 硫酸盐和不完全燃烧产生的碳烟是排气微粒的主要
成分。用含铅0．15g/L的汽油时，排放微粒
100~150mg／km，其中一半左右是铅。 如果用无铅汽油，加上汽油含硫量一般都很低，可 以认为点燃式内燃机基本上不排放微粒。
压燃式内燃机
柴油机的微粒排放量要比汽油机大几十倍。轿车和轻型汽 车的柴油机，PM排放在0.1~1.0g/km数量级，对于重 型车柴油机，PM排放在0.1~1.0g/(kW.h)数量级。 柴油机微粒的成分取决于运转工况。当排气温度约500度 时，PM基本上是碳质微球的聚集体，一般称为碳烟（Dry
（3） 氮氧化物
内燃机排放的氮氧化物绝大部分是一氧化氮NO，少 量是二氧化氮NO2。—般用NOx表示。 NO是无色气体，本身毒性不大，但在大气中缓慢氧 化成NO2。 NO2呈褐色，具有强烈的刺激味。对肺和心肌有很 强的毒害作用。NOx是在地面附近形成光化烟雾的 主要因素之一。
（4） 微粒
第二节 污染物的生成机理和影响因素
一、一氮化碳 二、未燃碳氢化合物 三、氮氧化物 四、微粒
一、一氮化碳


CO是碳氢化合物燃料在燃烧过程中生成的重要 的中间产物。 控制CO排放量的主要因素是可燃混合气的过量 空气系数φa(图7—1)。在浓混合气中， （φa<1），CO体积分数φco随Φa的减小不 断增加；在稀混合气中(Φa＞1)，φco很低， 只是在Φa＝1.0—1.1之间，CO随Φa略微变 化。