第四章内燃机排放污染物
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•14
•第一节 汽油机排放污染物
•四、NOx的生成机理及影响因素
• （一）NOx的性质来源
NOx包括：
•
NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5。
•
大气中NOx主要以NO、NO2的形式存在。
NOx的性质
•N2O：单个分子的温室效应为CO2的200倍，并参与臭氧层 的破坏。
•NO：大气中NO2的前体物质，形成光化学烟雾的活跃组分 。
• 2. 激发型NO
由于燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH、C2、 C自由基可以和空气中氮气反应生成HCN，再进一步与O 、OH作用以极快的速度生成NO。
•CH+N2=HCN+N •C+N2=CN+N •CH2+N2=HCN+NH •C2+N2=2CN
•HCN+OH=CN+H2O •HCN+O=HCO+H •CN+O2=CO+N •N+OH=NO+H •N+O2=NO+O
• （一）未燃HC的组成： •未燃烃： •各种没有燃烧和没有完 全燃烧的碳氢化合物的 总称，简作HC。
•8
•第一节 汽油机排放污染物
•三、HC的生成机理及影响因素
• （二）未燃HC的生成机理 •1. 不完全燃烧（氧化） • 空燃比 • 怠速高负荷工 况 • 加速和减速
•9
•第一节 汽油机排放污染物
•18
•第一节 汽油机排放污染物
•四、NOx的生成机理及影响因素
• 3. 高温型NO 燃烧时，空气中的氮在高温下氧化产生，生成过程是 不分支连锁反应。其生成机理可用 Zeldovitch反应式 表示。 随着反应温度T的升高，其反应速率按指数规律增加 。当T<1500oC时，NO的生成量很少，而当T>1500oC 时，T每增加100oC，反应速率增大6-7倍。
•10
•第一节 汽油机排放污染物
•三、HC的生成机理及影响因素
• （二）未燃HC的生成机理 •3. 狭缝效应
•火花塞螺栓处
•进排气门 头部周围
•气缸盖 垫接合 位置
•活塞顶岸部 与气缸壁之间
•11
wk.baidu.com
•第一节 汽油机排放污染物
•三、HC的生成机理及影响因素
• （二）未燃HC的生成机理 • 4. 壁面油膜和积碳吸 附 溶解吸收和解吸作用； 冷起动工况：润滑油温度降低使燃油在其中的溶解度 上升，提高了润滑油在HC排放中的分担率； 适当设计活塞环以降低润滑油消耗，有助于降低HC排 放量。
•三、HC的生成机理及影响因素
• （二）未燃HC的生成机理 •2. 壁面淬熄效应 ❖ 激冷效应：发动机的低温燃烧室壁面对火焰的迅速 冷却效应。 ❖ 淬熄层：激冷效应使火焰中产生的活性自由基复合 ，燃烧反应链中断，反应变缓或停止。火焰不能传 播到燃烧室壁表面，在表面留下一薄层未燃烧或不 完全燃烧的可燃混合气，称为淬熄层。
•CO排出浓度主要受空燃比影响
•5
•第一节 汽油机排放污染物
•二、CO的生成机理及影响因素
• 3. CO是不完全燃烧的产物之一。 若能组织良好的燃烧过程，即具备充足的氧气、充分
的混合，足够高的温度和较长的滞留时间，中间产物 CO最终会燃烧完毕，生成CO2或H2O。 因此控制CO的排放不是企图抑制它的形成，而是努力 使之完全燃烧。
•四、NOx的生成机理及影响因素
• 1. 燃料型NO 燃料中氮的热分解温度低于燃烧温度，在600-800oC 时就会生成燃料型； 汽油基本不含氮，柴油和重油少量含氮。 燃料型的形成由气相氮的氧化（挥发份）和焦炭中 剩余氮的氧化（焦炭）两部分组成。
•17
•第一节 汽油机排放污染物
•四、NOx的生成机理及影响因素
•3
•第一节 汽油机排放污染物
•二、CO的生成机理及影响因素
• 1. CO生成机理详细过程尚未完全弄清，一般认为，生成 步骤如下（R代表烃基）：
•RCO通过热分解生 成CO或如下方式：
•4
•第一节 汽油机排放污染物
•二、CO的生成机理及影响因素
• 2. CO最终生成情况： •CO继续氧化成CO2：
•6
•第一节 汽油机排放污染物
•二、CO的生成机理及影响因素
• 4. 当φa≥1时，CO生成的其它机理： •1）CO2、H2O的高温离解； •2）发动机前后循环之间燃料分配不均匀； •3）各缸之间燃料分配不均匀； •4）稀混合气中存在局部过浓混合气。
•7
•第一节 汽油机排放污染物
•三、HC的生成机理及影响因素
•12
•第一节 汽油机排放污染物
•三、HC的生成机理及影响因素
• （三）影响HC生成的因素——（1）空燃 比 1. HC排放浓度和数量有随 混合气变稀而下降的趋势 ，A/F≈14.8 2. 当A/F＞17时，混合气过 分稀薄，易发生火焰不完 全传播以致断火，HC排 放迅速增加。
•13
•第一节 汽油机排放污染物
第四章内燃机排放污染 物
2020年7月11日星期六
•第一节 汽油机排放污染物
•油箱和化油器蒸发 •HC的15%
•曲轴箱 •HC 的 20%
•排气管 •所有的CO、NOX、Pb和
HC的 60%
•2
•第一节 汽油机排放污染物
•一、汽油机排放物分 类
Carbon Dioxide （CO2） Water Vapor（水蒸汽）
•NO2: 强烈刺激性，来源于NO的氧化，酸沉降。
•15
•第一节 汽油机排放污染物
•四、NOx的生成机理及影响因素
• （二）NOx的形成机理
燃料型NO：
•
燃料中的固定氮生成的NO
激发型NO：
•
低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的NO
高温型NO：
• 高温下N2与O2反应生成的NO
•16
•第一节 汽油机排放污染物
Carbon Monoxide （CO）
Hydrocarbons （HC）
Oxides of Nitrogen (NOX) Particulates （微粒）
Lead（铅）
Other pollutants（其他）
•Ambient Air •Real Fuel
•Engine/Emission •Technology
•三、HC的生成机理及影响因素
• （三）影响HC生成的因素
• （2）燃烧室面容比——面容大，单位容积的激冷 面积也随之增大，未燃烃总量必然也增大。降低燃 烧室面容比是降低汽油机HC排放的一项重要措施 。
• （3）壁面温度——壁面温度升高，HC排放浓度相 应降低。提高冷却介质温度有利于减弱壁面激冷效 应，降低HC排放。
•第一节 汽油机排放污染物
•四、NOx的生成机理及影响因素
• （一）NOx的性质来源
NOx包括：
•
NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5。
•
大气中NOx主要以NO、NO2的形式存在。
NOx的性质
•N2O：单个分子的温室效应为CO2的200倍，并参与臭氧层 的破坏。
•NO：大气中NO2的前体物质，形成光化学烟雾的活跃组分 。
• 2. 激发型NO
由于燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH、C2、 C自由基可以和空气中氮气反应生成HCN，再进一步与O 、OH作用以极快的速度生成NO。
•CH+N2=HCN+N •C+N2=CN+N •CH2+N2=HCN+NH •C2+N2=2CN
•HCN+OH=CN+H2O •HCN+O=HCO+H •CN+O2=CO+N •N+OH=NO+H •N+O2=NO+O
• （一）未燃HC的组成： •未燃烃： •各种没有燃烧和没有完 全燃烧的碳氢化合物的 总称，简作HC。
•8
•第一节 汽油机排放污染物
•三、HC的生成机理及影响因素
• （二）未燃HC的生成机理 •1. 不完全燃烧（氧化） • 空燃比 • 怠速高负荷工 况 • 加速和减速
•9
•第一节 汽油机排放污染物
•18
•第一节 汽油机排放污染物
•四、NOx的生成机理及影响因素
• 3. 高温型NO 燃烧时，空气中的氮在高温下氧化产生，生成过程是 不分支连锁反应。其生成机理可用 Zeldovitch反应式 表示。 随着反应温度T的升高，其反应速率按指数规律增加 。当T<1500oC时，NO的生成量很少，而当T>1500oC 时，T每增加100oC，反应速率增大6-7倍。
•10
•第一节 汽油机排放污染物
•三、HC的生成机理及影响因素
• （二）未燃HC的生成机理 •3. 狭缝效应
•火花塞螺栓处
•进排气门 头部周围
•气缸盖 垫接合 位置
•活塞顶岸部 与气缸壁之间
•11
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•第一节 汽油机排放污染物
•三、HC的生成机理及影响因素
• （二）未燃HC的生成机理 • 4. 壁面油膜和积碳吸 附 溶解吸收和解吸作用； 冷起动工况：润滑油温度降低使燃油在其中的溶解度 上升，提高了润滑油在HC排放中的分担率； 适当设计活塞环以降低润滑油消耗，有助于降低HC排 放量。
•三、HC的生成机理及影响因素
• （二）未燃HC的生成机理 •2. 壁面淬熄效应 ❖ 激冷效应：发动机的低温燃烧室壁面对火焰的迅速 冷却效应。 ❖ 淬熄层：激冷效应使火焰中产生的活性自由基复合 ，燃烧反应链中断，反应变缓或停止。火焰不能传 播到燃烧室壁表面，在表面留下一薄层未燃烧或不 完全燃烧的可燃混合气，称为淬熄层。
•CO排出浓度主要受空燃比影响
•5
•第一节 汽油机排放污染物
•二、CO的生成机理及影响因素
• 3. CO是不完全燃烧的产物之一。 若能组织良好的燃烧过程，即具备充足的氧气、充分
的混合，足够高的温度和较长的滞留时间，中间产物 CO最终会燃烧完毕，生成CO2或H2O。 因此控制CO的排放不是企图抑制它的形成，而是努力 使之完全燃烧。
•四、NOx的生成机理及影响因素
• 1. 燃料型NO 燃料中氮的热分解温度低于燃烧温度，在600-800oC 时就会生成燃料型； 汽油基本不含氮，柴油和重油少量含氮。 燃料型的形成由气相氮的氧化（挥发份）和焦炭中 剩余氮的氧化（焦炭）两部分组成。
•17
•第一节 汽油机排放污染物
•四、NOx的生成机理及影响因素
•3
•第一节 汽油机排放污染物
•二、CO的生成机理及影响因素
• 1. CO生成机理详细过程尚未完全弄清，一般认为，生成 步骤如下（R代表烃基）：
•RCO通过热分解生 成CO或如下方式：
•4
•第一节 汽油机排放污染物
•二、CO的生成机理及影响因素
• 2. CO最终生成情况： •CO继续氧化成CO2：
•6
•第一节 汽油机排放污染物
•二、CO的生成机理及影响因素
• 4. 当φa≥1时，CO生成的其它机理： •1）CO2、H2O的高温离解； •2）发动机前后循环之间燃料分配不均匀； •3）各缸之间燃料分配不均匀； •4）稀混合气中存在局部过浓混合气。
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•第一节 汽油机排放污染物
•三、HC的生成机理及影响因素
•12
•第一节 汽油机排放污染物
•三、HC的生成机理及影响因素
• （三）影响HC生成的因素——（1）空燃 比 1. HC排放浓度和数量有随 混合气变稀而下降的趋势 ，A/F≈14.8 2. 当A/F＞17时，混合气过 分稀薄，易发生火焰不完 全传播以致断火，HC排 放迅速增加。
•13
•第一节 汽油机排放污染物
第四章内燃机排放污染 物
2020年7月11日星期六
•第一节 汽油机排放污染物
•油箱和化油器蒸发 •HC的15%
•曲轴箱 •HC 的 20%
•排气管 •所有的CO、NOX、Pb和
HC的 60%
•2
•第一节 汽油机排放污染物
•一、汽油机排放物分 类
Carbon Dioxide （CO2） Water Vapor（水蒸汽）
•NO2: 强烈刺激性，来源于NO的氧化，酸沉降。
•15
•第一节 汽油机排放污染物
•四、NOx的生成机理及影响因素
• （二）NOx的形成机理
燃料型NO：
•
燃料中的固定氮生成的NO
激发型NO：
•
低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的NO
高温型NO：
• 高温下N2与O2反应生成的NO
•16
•第一节 汽油机排放污染物
Carbon Monoxide （CO）
Hydrocarbons （HC）
Oxides of Nitrogen (NOX) Particulates （微粒）
Lead（铅）
Other pollutants（其他）
•Ambient Air •Real Fuel
•Engine/Emission •Technology
•三、HC的生成机理及影响因素
• （三）影响HC生成的因素
• （2）燃烧室面容比——面容大，单位容积的激冷 面积也随之增大，未燃烃总量必然也增大。降低燃 烧室面容比是降低汽油机HC排放的一项重要措施 。
• （3）壁面温度——壁面温度升高，HC排放浓度相 应降低。提高冷却介质温度有利于减弱壁面激冷效 应，降低HC排放。