完整版发动机排放污染物的生成机理

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 、NO x 和微粒的生成机理。

1、一氧化碳

1.1 一氧化碳的生成机理

汽车尾气中CO 的产生是由于燃油在气缸中燃烧不充分所致， 是氧气不足而生成的中间

产物。

一般烃燃料的燃烧反应可经以下过程：

(2-3)

同时CO 还与生成的水蒸气作用，生成氢和二氧化碳。

可见，如果燃气中的氧气量充足时，理论上燃料燃烧后不会存在 CO 。但当氧气量不足

时，就会有部分燃料不能完全燃烧，而生成

CO 。

在非分层燃烧的汽油机中， 可燃混合气基本上是均匀的， 其CO 排放量几乎完全取决于

可燃混合气的空燃比

或过量空气系数

a 。图

2-1所示为11种H/C 比值不同的燃料在汽油

机中燃烧后，排气中 CO 的摩尔分数X CO 与 或a 的关系。

燃气中的氧足够时有

C m H n (2-1)

m 小 訂2

mCO

決

2H 2

。

2

2H 2O

(2-2)

2CO

。

2

2CO 2

由图2-1可以看出，在浓混合气中(

a <1), CO 的排放量随 a 的减小而增加，这是因

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 a 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。

2、碳氢化合物

车用柴油机中的未燃 HC 都是在缸内的燃烧过程中产生并随排气排放。 汽油发动机中未

燃HC 的生成与排放主要有以下三种途径。

(1) 在气缸内的燃烧过程中产生并随废气排出，此部分 HC 主要是燃烧过程中未燃烧 或

燃烧不完全的碳氢燃料。

(2) 从燃烧室通过活塞组与气缸之间的间隙漏入曲轴箱的窜气中含有大量未燃燃料， 如果排入大气中也构成 HC 排放物。

(3) 从汽油机的燃油系统蒸发的燃油蒸汽。

2.1碳氢化合物的生成机理

1. 车用汽油机未燃HC 的生成机理

车用发动机的碳氢排放物中有完全未燃烧的燃料，但更多的是燃料的不完全燃烧产物， 还有小部分由润滑油不完全燃烧而生成。

排气中未燃碳氢物的成份十分复杂， 其中有些是原

缺氧引起不完全燃烧所致。在稀混合气中(

a >1)，CO 的排放量都很小，只有在 a =1.0

1.1时，CO 的排放量才随 a 有较复杂的变化。

在膨胀和排气过程中，气缸内压力和温度下降， 衡方程精确计算。受化学反应动力学影响，大约在 机和急加速、急减速时，CO 排放比较严重。

在柴油机的大部分运转工况下，其过量空气系数

CO 氧化成CO 2的过程不能用相应的平 1100K 时，CO 浓度冻结。汽油机起动暖

a 都在1.5〜3之间，故其CO 排放量

要比汽油机低得多，只有在大负荷接近冒烟界限(

a =1.2 〜1.3）时,

CO 的排放量才大量增

h

L

.

lie

J-

—

-------

0 |5

005

过量空气系数a

图2-2典型的车用直喷式柴油机排放污染物量与过量空气系数

a 的关系

来燃料中不含有的成份，这是部分氧化反应所致。表2-1列出了车用汽油机中未燃碳氢化合

物成份的大致比例。

车用汽油机排气中的未燃碳氢化合物成份表2-1

车用发动机在正常运转情况下，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）火焰在壁面淬冷

火焰淬冷的形成方式有两种，即单壁淬冷和双壁淬冷。前者是火焰接近气缸壁时，由于

缸壁附近混合气温度较低，使气缸壁面上薄薄的边界层内的温度降低到混合气自燃温度以下，导致火焰熄灭，边界层内的混合气未燃烧或未燃烧完全就直接进入排气而形成未燃HC, 此边界层称为淬熄层，发动机正常运转时，其厚度在0.05〜0.4mm之间变动，在小负荷时

或温度较低时淬熄层较厚；后者是在活塞顶部和气缸壁所组成的很小的环形间隙中，火焰传

不进去，使其中的混合气不能燃烧，在膨胀过程中逸出形成HC排放。

在正常运转工况下，淬熄层中的未燃HC在火焰前锋面掠过后，大部分会向燃烧室中心扩散并完成氧化反应，使未燃HC的浓度大大降低。但是在发动机冷起动、暖机和怠速等工

况下，因燃烧室壁面温度较低，形成的淬熄层较厚，同时已燃气体温度较低及混合气较浓，使后期氧化作用较弱，因此壁面火焰淬熄是此类工况下未燃HC的重要来源。

2）狭隙效应

在车用发动机的燃烧室内有如图2-7所示的各种狭窄的间隙，如活塞组与气缸壁之间的

间隙、火花塞中心电极与绝缘子根部周围狭窄空间和火花塞螺纹之间的间隙、进排气门与气

门座面形成的密封带狭缝、气缸盖垫片处的间隙等，当间隙小到一定程度，火焰不能进入便

会产生未燃HC。

在压缩过程中，缸内压力上升，未燃混合气挤入各间隙中，这些间隙的容积很小但具有

很大的面容比，进入其中的未燃混合气因传热而使温度下降。在燃烧过程中压力继续上升，又有一部分未燃混合气进入各间隙。当火焰到达间隙处时，火焰有可能传入使间隙内的混合

气得到全部或部分燃烧（在入口较大时），但也有可能火焰因淬冷而熄灭，使间隙中混合气

不能燃烧。随着膨胀过程开始，气缸内压力不断下降。大约从压缩上止点后15oCA开始，

间隙内气体返回气缸内，这时气缸内温度已下降，氧的浓度也很低，流回气缸的可燃气再氧

化的比例不大，一半以上的未燃HC直接排出气缸。狭隙效应产生的HC排放可占其总量的