第二章汽車排放污染物的形成

汽車排放及噪聲控制第2章汽車排放污染物的構(gòu)成2023年12月27日課程內(nèi)容第2章汽車排放污染物的構(gòu)成第2章汽車排放污染物的構(gòu)成2.1一氧化碳2.2碳?xì)浠衔?.3氮氧化物2.4微粒概述：主要內(nèi)容引見(jiàn)了汽車尾氣中的主要污染物CO、HC、NOX和微粒的生成機(jī)理及其影響要素。第2章汽車排放污染物的構(gòu)成2.1一氧化碳一氧化碳的生成機(jī)理第2章汽車排放污染物的構(gòu)成汽車尾氣中CO的產(chǎn)生是熄滅不充分所致，是氧氣缺乏而生成的中間產(chǎn)物。燃?xì)庵械难鯕饬砍渥銜r(shí)，實(shí)際上燃料熄滅后不會(huì)存在CO。但當(dāng)氧氣量缺乏時(shí)，就會(huì)有部分燃料不能完全熄滅，而生成CO。汽油機(jī)一氧化碳的生成機(jī)理第2章汽車排放污染物的構(gòu)成汽油機(jī)CO排放量XCO(CO的摩爾分?jǐn)?shù)〕與空燃比α或過(guò)量空氣系數(shù)Φa的關(guān)系αΦa汽油機(jī)一氧化碳的生成機(jī)理第2章汽車排放污染物的構(gòu)成Φa<1時(shí)，因缺氧引起不完全熄滅，CO的排放量隨Φa的減小而添加。Φa>1時(shí)，CO的排放量很小。Φa=1.0～1.1時(shí)，CO的排放量變化較復(fù)雜〔轉(zhuǎn)機(jī)點(diǎn)〕。由上圖可以看出柴油機(jī)一氧化碳的生成機(jī)理第2章汽車排放污染物的構(gòu)成Φa=1.5～3，大部分工況，CO排放量要比汽油機(jī)低得多。Φa=1.2～1.3，接近冒煙界限，CO的排放量才大量添加。柴油機(jī)一氧化碳的生成機(jī)理第2章汽車排放污染物的構(gòu)成小負(fù)荷時(shí)，燃料與空氣混合不均勻，部分缺氧和低溫，雖然Φa很大，CO排放量反而上升。Φa影響一氧化碳生成的要素〔針對(duì)化油器汽油機(jī)，P12-13〕第2章汽車排放污染物的構(gòu)成影響一氧化碳生成的因素進(jìn)氣溫度的影響空燃比α隨吸入空氣溫度的上升而變濃，排出的CO將增加。大氣壓力的影響進(jìn)氣管壓力降低時(shí)，空氣密度下降，則空燃比下降，CO排放量將增大。發(fā)動(dòng)機(jī)工況的影響高真空度下，混和氣瞬時(shí)過(guò)濃，CO濃度將顯著增加。怠速轉(zhuǎn)速的影響提高怠速轉(zhuǎn)速空氣流量增加，CO濃度降低進(jìn)氣管真空度的影響發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷一定，CO的排放量隨轉(zhuǎn)速增加（空氣流量增加）而降低。化油器的構(gòu)造及任務(wù)原理針閥浮子室浮子喉管噴管節(jié)氣門進(jìn)氣歧管進(jìn)氣預(yù)熱安裝量孔2.2碳?xì)浠衔锾細(xì)浠衔锏纳蓹C(jī)理第2章汽車排放污染物的構(gòu)成未燃HC生成與排放的途徑漏入曲軸箱的竄氣中含有大量未燃燃料熄滅過(guò)程中未熄滅或熄滅不完全的碳?xì)淙剂先加驼羝蜋C(jī)未燃HC的生成機(jī)理第2章汽車排放污染物的構(gòu)成碳?xì)浠衔锏纳蓹C(jī)理火焰在壁面淬冷冷起動(dòng)、暖機(jī)和怠速等工況下，壁面溫度較低，淬熄層較厚，壁面火焰淬熄是此類工況下未燃HC的重要來(lái)源。狹隙效應(yīng)火焰不能進(jìn)入各種狹窄的間隙，便會(huì)產(chǎn)生未燃HC。光滑油膜對(duì)燃油蒸汽的吸附與解吸進(jìn)氣過(guò)程中，光滑油膜溶解和吸收了進(jìn)入氣缸的碳?xì)浠衔?。熄滅過(guò)程中，HC向已燃?xì)饨馕?。熄滅室?nèi)堆積物的影響堆積物使HC排放添加。體積淬熄熄滅室中壓力和溫度下降太快，能夠使火焰熄滅。碳?xì)浠衔锏暮笃谘趸聪绲奶細(xì)浠衔镝尫懦鰜?lái)，重新被全部或部分氧化。HC產(chǎn)生的緣由〔含狹隙的位置〕1-光滑油膜的吸附及解吸；2-火花塞附近的狹隙和死區(qū)；3-冷激層；4-氣門座死區(qū)；5-火焰熄滅〔如混合氣太稀、湍流太強(qiáng)〕；6-堆積物的吸附及解吸；7-活塞環(huán)和環(huán)岸死區(qū)；8-氣缸蓋襯墊缸孔死區(qū)。柴油機(jī)未燃HC的生成機(jī)理第2章汽車排放污染物的構(gòu)成燃料在氣缸內(nèi)停留的時(shí)間較短，且熄滅速度快，生成HC的相對(duì)時(shí)間也短；氧氣含量較豐富；故其HC排放量比汽油機(jī)少2.2.2影響碳?xì)浠衔锷傻囊氐?章汽車排放污染物的構(gòu)成影響碳?xì)浠衔锷傻囊蛩鼗旌蠚赓|(zhì)量的影響混合氣的均勻性越差那么HC排放越多。運(yùn)轉(zhuǎn)條件的影響汽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件的影響影響碳?xì)浠衔锷傻囊氐?章汽車排放污染物的構(gòu)成運(yùn)轉(zhuǎn)條件的影響汽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件的影響負(fù)荷添加時(shí)，HC排放量絕對(duì)值將隨廢氣流量變大而幾乎呈線性添加。負(fù)荷的影響轉(zhuǎn)速較高時(shí)，氣缸內(nèi)混合氣的擾流混合、渦流分散及排氣擾流、混合程度的增大改善了氣缸內(nèi)的熄滅過(guò)程，HC排放濃度明顯下降。轉(zhuǎn)速的影響點(diǎn)火提早角減小可使HC排放下降。點(diǎn)火時(shí)辰的影響壁面溫度升高，HC排放濃度相應(yīng)降低。提高冷卻介質(zhì)溫度有利于減弱壁面激冷效應(yīng)，降低HC排放。壁溫的影響熄滅室面容比大，單位容積的激冷面積也隨之增大，未燃烴總量必然也增大。降低熄滅室面容比是降低汽油機(jī)HC排放的一項(xiàng)重要措施。熄滅室面容比的影響負(fù)荷的影響轉(zhuǎn)速的影響點(diǎn)火時(shí)辰的影響壁溫的影響熄滅室面容比的影響影響碳?xì)浠衔锷傻囊氐?章汽車排放污染物的構(gòu)成影響碳?xì)浠衔锷傻囊蛩鼗旌蠚赓|(zhì)量的影響汽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件的影響柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件的影響運(yùn)轉(zhuǎn)條件的影響影響碳?xì)浠衔锷傻囊氐?章汽車排放污染物的構(gòu)成運(yùn)轉(zhuǎn)條件的影響柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件的影響噴油時(shí)辰的影響噴油嘴噴孔面積的影響冷卻水進(jìn)水溫度的影響進(jìn)氣密度的影響2.3氮氧化物NOX的生成機(jī)理第2章汽車排放污染物的構(gòu)成O2→2OO＋N2→NO＋NN＋O2→NO＋ON＋OH→NO＋HNO的平衡摩爾分?jǐn)?shù)xNOe與過(guò)量空氣系數(shù)Φa的關(guān)系〔計(jì)算〕Φa>1的稀混合氣區(qū)，xNOe隨溫度的升高而迅速增大。Φa<1，xNOe隨Φa的減小而急劇下降。NO的生成機(jī)理第2章汽車排放污染物的構(gòu)成結(jié)論：在稀混合氣區(qū)NO的生成主要是溫度起作用；在濃混合氣區(qū)主要是氧濃度起作用。NO2的生成機(jī)理第2章汽車排放污染物的構(gòu)成汽油機(jī)排氣中的NO2濃度與NO的濃度相比可忽略不計(jì)，但在柴油機(jī)中NO2可占到排氣中總NOX的10%～30%。〔冷空氣激冷才干讓NO2保管下來(lái)。柴油機(jī)在小負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，熄滅室中存在很多低溫區(qū)。〕NO＋HO2→NO2＋OHNO2＋O→NO＋O2影響NOX生成的要素第2章汽車排放污染物的構(gòu)成影響汽油機(jī)NOX生成的要素過(guò)量空氣系數(shù)和熄滅室溫度的影響Φa<1時(shí)，由于缺氧，即使熄滅室內(nèi)溫度很高，NOX的生成量仍會(huì)隨著Φa的降低而降低，此時(shí)氧濃度起著決議性作用。Φa>1時(shí)，溫度起著決議性作用，NOX生成量隨溫度升高而迅速增大。最高溫度通常出如今Φa≈1.1，且有適量的氧濃度，故NOX排放濃度出現(xiàn)峰值。Φa進(jìn)一步增大，溫度下降的作用占優(yōu)勢(shì)，NO生成量減少。剩余廢氣分?jǐn)?shù)的影響廢氣分?jǐn)?shù)增大，減小了可燃?xì)獾陌l(fā)熱量，增大了混合氣的比熱容，使最高熄滅溫度下降，NO排放降低。點(diǎn)火時(shí)辰的影響點(diǎn)火提早角的減小，NO排放量不斷下降。噴油提早角減小，熄滅推遲，熄滅溫度較低，生成的NOX較少。影響NOX生成的要素第2章汽車排放污染物的構(gòu)成影響柴油機(jī)NOX生成的要素噴油定時(shí)的影響放熱規(guī)律的影響負(fù)荷與轉(zhuǎn)速的影響傳統(tǒng)方式低排放放熱方式NOX排放隨負(fù)荷增大而顯著添加。轉(zhuǎn)速對(duì)NOX排放的影響比負(fù)荷的影響小。傳統(tǒng)的放熱規(guī)律與低排放放熱規(guī)律圖2-12傳統(tǒng)柴油機(jī)的典型放熱規(guī)律〔虛線〕與低排放柴油機(jī)的優(yōu)化放熱規(guī)律〔實(shí)線〕嘴端油管壓力實(shí)測(cè)DME和柴油燃料嘴端油管壓力的比較〔機(jī)型：2柴油機(jī)；轉(zhuǎn)速：1500r/min；供油提早角：31°BTDC〕ComparisonoflinepressureatnozzlesidefordieselenginefuelledwithDMEanddieselfuel針閥升程實(shí)測(cè)DME和柴油燃料針閥升程的比較〔機(jī)型：2柴油機(jī)；轉(zhuǎn)速：1500r/min；供油提早角：31°BTDC〕2.4微粒微粒的生成機(jī)理第2章汽車排放污染物的構(gòu)成汽油機(jī)微粒的來(lái)源含鉛汽油中的鉛有機(jī)微粒汽油中的硫所產(chǎn)生的硫酸鹽柴油機(jī)微粒的組成與特征第2章汽車排放污染物的構(gòu)成柴油機(jī)排氣微粒由很多原生微球的聚集而成，總體構(gòu)造為團(tuán)絮狀或鏈狀。當(dāng)排氣溫度超越500℃時(shí)，碳質(zhì)微球的聚集體，稱為碳煙，也稱為煙粒；排氣溫度低于500℃時(shí)，煙粒會(huì)吸附和凝聚多種有機(jī)物，稱為有機(jī)可溶成份。煙粒的生成機(jī)理第2章汽車排放污染物的構(gòu)成〔1〕在高溫〔2000K~3500K〕富油缺氧區(qū)，經(jīng)過(guò)裂解和脫氫過(guò)程，經(jīng)過(guò)核化構(gòu)成先期產(chǎn)物；〔1〕外表生長(zhǎng)，外表粘住氣相物質(zhì)，脫氫；1煙粒生成階段：2煙粒長(zhǎng)大階段：〔2〕在低于1500K的低溫區(qū)，經(jīng)過(guò)聚合和冷凝生成碳煙微粒。〔2〕聚集，碰撞，煙粒數(shù)量減少。煙粒的氧化及有機(jī)可溶成份的吸附與凝結(jié)第2章汽車排放污染物的構(gòu)成氧化作用需求有一定的溫度，至少在700～800℃。組成SOF的重質(zhì)有機(jī)化合物向煙粒聚集物的凝結(jié)與吸附。在排氣最后階段進(jìn)展。3煙粒的氧化：4有機(jī)可溶成份的吸附與凝結(jié)：可溶有機(jī)成份SOF〔Solubleorganicfraction〕Two-dimensionalimagingofignitionandsootformationprocessesinadieselflame影響微粒生成的要素第2章汽車排放污染物的構(gòu)成負(fù)荷的影響：〔1〕高速小負(fù)荷時(shí)，稀薄混合氣區(qū)較大，微粒排放量較高，熄滅界限外，冷凝聚合；〔2〕低速大負(fù)荷時(shí)，容易產(chǎn)生裂解和脫氫，排放量有所升高。影響微粒生成的要素第2章汽車排放污染物的構(gòu)成〔1〕小負(fù)荷時(shí)，溫度低，以未燃油滴為主的微粒的氧化作用微弱，轉(zhuǎn)速低便于氧化；轉(zhuǎn)速的影響：〔2〕轉(zhuǎn)速升高時(shí)，這種氧化作用又遭到時(shí)間要素的制約；〔3〕大負(fù)荷時(shí)，轉(zhuǎn)速的升高有利于氣流運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)，使熄滅速度加快。影響微粒生成的要素第2章汽車排放污染物的構(gòu)成〔1〕燃油中芳香烴含量及餾程越高，微粒排放量越大；烷烴含量越高，微粒排放量越少；燃料的影響：〔2〕柴油機(jī)的排煙濃度隨十六烷值的提高而增大。影響微粒生成的要素第2章汽車排放污染物的構(gòu)成〔1〕噴油定時(shí)的影響〔見(jiàn)P28圖2-17〕；噴油參數(shù)的影響：〔2〕噴油規(guī)律的影響：大部分燃油在前半時(shí)間內(nèi)噴入氣缸時(shí)，參與預(yù)混熄滅的油量增多，故排煙濃度低而NO濃度高；〔3〕噴油嘴不正常放射的影響：滴漏或二次放射對(duì)碳煙有不利影響；〔4〕噴油壓力的影響：提高噴油壓力，減少煙粒的生成。圖2-17噴油定時(shí)對(duì)煙度的影響提早：滯燃期隨噴油提早角的加大而