第八章排气污染与控制

第四节 柴油机有害排放物的 生成机理和影响因素
一、柴油机中的主要污染物
❖ 1、主要成分：柴油机排气的有害成分主要 有CO、HC、NOX 、硫化物以及颗粒物 （或称微粒物）等。
❖ 2、特性：由于柴油机使用的混合气的平均空 燃比较理论空燃比大，所以：
（1）CO及HC排放明显低于汽油机
（2）柴油机NO的排放几乎与汽油机相当
汽油机是一种预 混燃烧，它靠电火花 进行外源点火，火核 形成以后，以火焰传 播为特征，其可燃混 合气浓度范围比较窄， 混合气成分是影影响因素--吸入废气量(EGR)
EGR可以抑制燃 烧的最高温度，有 利于抑制NO的生成。 但燃烧的有效性降 低，动力性变差。
三、NOX的生成机理
❖ 发动机排出的氮氧化物（NOX）主要是NO，NO2排出 量较少。
❖ NO的产生：可以认为，氮的氧化反应发生在燃料燃 烧反应所形成的环境中，其主导反应过程是：
O＋N2 N＋O2
NO＋N NO＋O
促使NOX生成的因素
❖ （1）高温 ❖ （2）富氧 ❖ （3）充足的反应时间
四、影响因素--混合气成分
排放指标
❖ 1．排放物的浓度C 在一定排气容积中，有害排放物所占的容积 （或质量）比例，称为排放物的浓度。体积分 数通常以％和10-6（百万分比）表示，质量浓度 常用mg/m3计量。
❖ 2．排放物的质量排放量G 用单位时间内（或一次试验）有害排放物的质 量排放量G来衡量，单位是g/h（或g/试验）。
二、CO的生成机理
❖ 柴油机总是在稀混合气下运转(指平均过量空气系数 大于1)，CO排放量要比点燃机低得多，只有在负荷 很大接近冒烟界限时才急剧增加。
❖ 低负荷时，缸内温度低，部分燃油难以氧化形成CO2， 主要在稀燃火焰熄灭区及稀燃火焰区的交界面上生 成CO；高负荷时，在油束心部、油束尾部及后喷部， 因局部缺氧而产生CO。
❖ 在燃烧期间进入气缸并由于与空气缓慢或不良 混合而导致HC排放的燃油有两种：
一种是在燃烧过程后期以低速离开喷油嘴的燃油， 主要是油嘴压力室容积所致，当然严重的二次喷射 也会增加HC排放
影响因素--工况
❖ 从汽油机排放特性图看出，对于不同的运行工况， 各种有害排放物的差异很大。
❖ 怠速与减速工况，是HC生成的主要工况。在怠速工 况下，燃烧环境温度比较低，缸内残余废气量比较 大，混合气比较浓，致使燃烧恶化，HC排放浓度增 加；在减速工况下，很高的进气管真空度使进气管 内沉积的燃料油膜大量蒸发，这是HC增加的重要原 因。
❖ 一旦燃油开始喷入气缸，喷注断面上燃油空气混 合比的分布就产生变化。混合比低于贫油燃烧极 限的燃油量，随时间迅速增加。图4－3表示了在 着火时油注中的当量比φ分布。
❖ 未燃HC排放与点火延迟的长短关系如图4－4所示， 图中的数据为柴油机转速2800r／min时，不同燃 油、负荷、喷油定时、增压压力时的试验结果。 可见，当滞燃期增长超出其最小值以上时（由于 发动运转条件变化），HC排放以一定的增长速率 上升。因此，在滞燃期中喷入燃油的过分稀释是 碳氢化合物排放的重要来源，特别是在长滞燃期 条件下尤其如此。
（3）颗粒物排量远高于汽油机
（4）柴油机的排放特性与燃烧室的形式等有很大 关系，特别是直喷式与间接喷射式柴油机的排放有 较大的不同。涡流燃烧室柴油机的NO、CO、HC和 烟度普遍低于直喷式柴油机，特别是NOX排放浓度 一般比直喷式柴油机的低1／3～1／2。但是，涡流 室柴油机的燃油消耗率比直喷柴油机的高 ，冷起动 性差，工作平稳，噪声小。
❖ RH→R→RO2→RCHO→RCO→CO ❖ 这里R代表碳氢根。CO在火焰中及火焰后，以
缓慢的速率氧化成CO2。
二、HC的生成机理
❖ 未燃碳氢化合物（HC）的生成与排出有三个渠道： 排气：占6O％以上 曲轴箱窜气：占25％ 蒸发：占15％～20％左右
燃烧过程中HC生成的主要途径
❖ 1）缝隙效应 ❖ 2）壁面激冷与淬熄 ❖ 3）润滑油膜吸附 ❖ 4）减速及怠速工况
三、HC的生成机理
❖ 柴油机与汽油机相比燃油中含有高沸点（高相对分子 质量）的碳氢化合物成分
❖ 由于在燃烧过程油注中大量的燃油化合物发生高温分 解，因此柴油机排出的碳氢化合物的成分要比汽油机 中的复杂
❖ 在柴油机中，燃烧进行的同时，发生着燃油的蒸发， 燃料与空气、燃烧产物与未燃气体的混合，这就使HC 化合物的产生变得非常复杂
❖ 3．排放物的比排放量g 每单位功率小时排出污染物的质量称为比排放 量[g/（kW·h）]。
第二节 汽油机有害排放物的 生成机理和影响因素
一、CO的生成机理
❖ 一氧化碳（CO）是碳氢燃料在燃烧过程中生成 的重要的中间产物。CO生成的机理比较复杂， 但一般认为，燃料分子（RH）经高温氧化生成 CO要经历如下步骤：
概述
1. 排放污染物的成分 2. 污染物的形成与危害 3. 污染物的来源 4. 污染物的净化方式
颗粒（PM）
（1）形成原因
碳烟是由烃类燃料在高温缺氧条件 下裂解生成的。
（2）危害
0.1m以下的微粒对人体的危害最大， 吸入肺叶后会吸附在肺细胞上，其 中可溶性有机物、多环芳香烃等是 致癌物质。
❖ 这些排出的不完全燃烧产物HC的形成可由图4 －2予以说明。
❖ 图4－2a表示滞燃期内喷入气缸的燃油形 成不完全燃烧产物的路径。
❖ 图4－2b表示燃烧开始之后喷入气缸的燃 油形成HC的路径更为复杂，主要由燃油 局部过浓造成。在滞燃期之后喷射的燃 油，当与空气混合时燃油快速氧化或燃 油高温分解的产物导致完全燃烧。燃油 和热解产物缓慢与空气混合引起过浓混 合气或者燃烧反应的淬熄，产生不完全 燃烧产物、高温分解产物和出现在排气 里的未燃烧的燃油。
❖ 一般认为柴油机中HC排放物的产生主要有两种途径： （1）是由于混合气过稀以致在燃烧室内不能满足 自燃及扩散火焰传播的条件 （2）是燃油空气混合气过浓而不能着火及燃烧。
❖ 由于过浓或过稀而避开正常燃烧的燃油，在膨 胀过程中通过进一步的混合，进而发生缓慢的 氧化而被烧掉，最后排出的HC是不完全混合 的或氧化过程淬熄所造成的。