汽车排放污染物的形成课件.ppt

1、汽车排放污染物的形成汽车排放污染物的形成课程内容课程内容第第2章章 汽车排放污染物的形成汽车排放污染物的形成 2.1 一氧化碳一氧化碳2.2 碳氢化合物碳氢化合物2.3 氮氧化物氮氧化物2.4 第2章 汽车排放污染物的形成概述：主要内容介绍了汽车尾气中的主要污染物CO、HC、NOX和微粒的生成机理及其影响因素。第2章 汽车排放污染物的形成一氧化碳的生成机理一氧化碳的生成机理2222mnmnC HOmCOH汽车尾气中汽车尾气中CO的产生是燃烧不充分所的产生是燃烧不充分所致，是氧气不足而生成的中间产物。致，是氧气不足而生成的中间产物。燃气中的氧气量充足时，理论上燃料燃烧燃气中的氧气量充足时，理论上

2、燃料燃烧后不会存在后不会存在CO。但当氧气量不足时，就。但当氧气量不足时，就会有部分燃料不能完全燃烧，而生成会有部分燃料不能完全燃烧，而生成CO。第2章 汽车排放污染物的形成汽油机一氧化碳的生成机理汽油机一氧化碳的生成机理汽油机汽油机CO排放量排放量XCO (CO的摩尔分数）与的摩尔分数）与空燃比空燃比或过量空气系数或过量空气系数a的关系的关系 a第2章 汽车排放污染物的形成汽油机一氧化碳的生成机理汽油机一氧化碳的生成机理a 1时时 ，CO的排放量很小。的排放量很小。a时，时，CO的排放量变化较复杂（转折点）。的排放量变化较复杂（转折点）。由上图可以看出由上图可以看出第2章 汽车排放污染物的形

3、成柴油机一氧化碳的生成机理柴油机一氧化碳的生成机理a3，大部分工况，大部分工况，CO排放量要比汽油机低排放量要比汽油机低得多。得多。a，接近冒烟界限，接近冒烟界限，CO的排放量才大量增加。的排放量才大量增加。第2章 汽车排放污染物的形成柴油机一氧化碳的生成机理柴油机一氧化碳的生成机理小负荷时，燃料与空气混合不均匀，局部缺氧小负荷时，燃料与空气混合不均匀，局部缺氧和低温，尽管和低温，尽管a很大，很大，CO排放量反而上升。排放量反而上升。a第2章 汽车排放污染物的形成影响一氧化碳生成的因素影响一氧化碳生成的因素 （针对化油器汽油机，（针对化油器汽油机，P12-13）第2章 汽车排放污染物的形成化油

4、器的结构及工作原理化油器的结构及工作原理针阀针阀浮子室浮子室浮子浮子喉管喉管喷管喷管节气门节气门进气歧管进气歧管进气预热装置进气预热装置量孔量孔碳氢化合物的生成机理碳氢化合物的生成机理漏入曲轴箱的窜气中含有大量未漏入曲轴箱的窜气中含有大量未燃燃料燃燃料燃烧过程中未燃烧或燃烧不完全燃烧过程中未燃烧或燃烧不完全的碳氢燃料的碳氢燃料燃油蒸汽燃油蒸汽第2章 汽车排放污染物的形成汽油机未燃汽油机未燃HC的生成机理的生成机理火焰在壁面淬冷火焰在壁面淬冷冷起动、暖机和冷起动、暖机和怠速等工况下，怠速等工况下，壁面温度较低，壁面温度较低，淬熄层较厚，壁淬熄层较厚，壁面火焰淬熄是此面火焰淬熄是此类工况下未燃类工

5、况下未燃HC的重要来源。的重要来源。狭隙效应狭隙效应火焰不能进入各火焰不能进入各种狭窄的间隙，种狭窄的间隙，便会产生未燃便会产生未燃HC。润滑油膜对燃油蒸润滑油膜对燃油蒸汽的吸附与解吸汽的吸附与解吸进气过程中，润进气过程中，润滑油膜溶解和吸滑油膜溶解和吸收了进入气缸的收了进入气缸的碳氢化合物。碳氢化合物。燃烧过程中，燃烧过程中， HC向已燃气解吸。向已燃气解吸。燃烧室内沉积物燃烧室内沉积物的影响的影响沉积物使沉积物使HC排放排放增加。增加。体积淬熄体积淬熄燃烧室中压力和燃烧室中压力和温度下降太快，温度下降太快，可能使火焰熄灭。可能使火焰熄灭。碳氢化合物的后碳氢化合物的后期氧化期氧化未燃烧的碳氢

6、化未燃烧的碳氢化合物释放出来，合物释放出来，重新被全部或部重新被全部或部分氧化。分氧化。第2章 汽车排放污染物的形成HC产生的原因（含狭隙的位置）产生的原因（含狭隙的位置） 1-润滑油膜的吸附及解吸；润滑油膜的吸附及解吸；2-火花塞附近的狭隙和死区；火花塞附近的狭隙和死区；3-冷激层；冷激层；4-气门座死区；气门座死区；5-火焰熄灭（如混合气太稀、火焰熄灭（如混合气太稀、湍流太强）；湍流太强）；6-沉积物的吸附及解吸；沉积物的吸附及解吸；7-活塞环和环岸死活塞环和环岸死区；区；8-气缸盖衬垫缸孔死区。气缸盖衬垫缸孔死区。柴油机未燃柴油机未燃HC的生成机理的生成机理 燃料在气缸内停留的燃料在气缸

7、内停留的时间较短，且燃烧速时间较短，且燃烧速度快，生成度快，生成HC的相对的相对时间也短；时间也短； 氧气含量较丰富；氧气含量较丰富； 故其故其HC排放量比汽油排放量比汽油机少机少第2章 汽车排放污染物的形成2.2.2 影响碳氢化合物生成的因素影响碳氢化合物生成的因素混合气质量混合气质量的影响的影响混合气的均匀性越混合气的均匀性越差则差则HC排放越多。排放越多。运行条件的运行条件的影响影响汽油机运行条件的汽油机运行条件的影响影响第2章 汽车排放污染物的形成影响碳氢化合物生成的因素影响碳氢化合物生成的因素运行条件的运行条件的影响影响汽油机运行条件的影响汽油机运行条件的影响负荷增加时，负荷增加时，

8、HC排放量绝对值排放量绝对值将随废气流量变大而几乎呈线性将随废气流量变大而几乎呈线性增加。增加。负荷的影响负荷的影响转速较高时，气缸内混合气的扰转速较高时，气缸内混合气的扰流混合、涡流扩散及排气扰流、流混合、涡流扩散及排气扰流、混合程度的增大改善了气缸内的混合程度的增大改善了气缸内的燃烧过程，燃烧过程，HC排放浓度明显下排放浓度明显下降。降。转速的影响转速的影响点火提前角减小可使点火提前角减小可使HC排放下排放下降。降。点火时刻的点火时刻的影响影响壁面温度升高，壁面温度升高，HC排放浓度相排放浓度相应降低。提高冷却介质温度有利应降低。提高冷却介质温度有利于减弱壁面激冷效应，降低于减弱壁面激冷效

9、应，降低HC排放。排放。壁温的影响壁温的影响燃烧室面容比大，单位容积的激燃烧室面容比大，单位容积的激冷面积也随之增大，未燃烃总量冷面积也随之增大，未燃烃总量必然也增大。降低燃烧室面容比必然也增大。降低燃烧室面容比是降低汽油机是降低汽油机HC排放的一项重排放的一项重要措施。要措施。燃烧室面容燃烧室面容比的影响比的影响负荷的影响负荷的影响转速的影响转速的影响点火时刻的点火时刻的影响影响壁温的影响壁温的影响燃烧室面容燃烧室面容比的影响比的影响第2章 汽车排放污染物的形成影响碳氢化合物生成的因素影响碳氢化合物生成的因素混合气质量混合气质量的影响的影响汽油机运行条件的汽油机运行条件的影响影响柴油机运行条

10、件的柴油机运行条件的影响影响运行条件的运行条件的影响影响第2章 汽车排放污染物的形成影响碳氢化合物生成的因素影响碳氢化合物生成的因素运行条件的运行条件的影响影响柴油机运行条件的影响柴油机运行条件的影响喷油时刻的喷油时刻的影响影响喷油嘴喷孔喷油嘴喷孔面积的影响面积的影响冷却水进水冷却水进水温度的影响温度的影响进气密度的进气密度的影响影响第2章 汽车排放污染物的形成NOX的生成机理的生成机理O2 2OO N2 NO NN O2 NO ON OH NO HNO的平衡摩尔分数的平衡摩尔分数xNOe与与过量空气系数过量空气系数a的关系的关系（计算）（计算）a 1的稀混合气区，的稀混合气区，xNOe随温度

11、的升高而迅速增大。随温度的升高而迅速增大。a 1，xNOe随随a 的减小而的减小而急剧下降。急剧下降。第2章 汽车排放污染物的形成NO的生成机理的生成机理结论：结论：在稀混合气区在稀混合气区NO的生成的生成主要是温度起作用；在浓主要是温度起作用；在浓混合气区主要是氧浓度起混合气区主要是氧浓度起作用。作用。第2章 汽车排放污染物的形成NO2的生成机理的生成机理汽油机排气中的汽油机排气中的NO2浓度与浓度与NO的浓度相比可的浓度相比可忽略不计，但在柴油机中忽略不计，但在柴油机中NO2可占到排气中总可占到排气中总NOX的的10%30%。（冷空气激冷才能让。（冷空气激冷才能让NO2保留下来。柴油机在小

12、负荷运转时，燃烧室保留下来。柴油机在小负荷运转时，燃烧室中存在很多低温区。）中存在很多低温区。）NO HO2 NO2 OHNO2O NOO2第2章 汽车排放污染物的形成影响影响NOX生成的因素生成的因素影响汽油机影响汽油机NOX生成的生成的因素因素过量空气系数和燃烧室过量空气系数和燃烧室温度的影响温度的影响a 1时，温度起着决定性作用，时，温度起着决定性作用，NOX生成量随温度升高而迅速增大。生成量随温度升高而迅速增大。最高温度通常出现在最高温度通常出现在a ，且有适，且有适量的氧浓度，故量的氧浓度，故NOX排放浓度出现排放浓度出现峰值。峰值。a进一步增大，温度下降的进一步增大，温度下降的作用

13、占优势，作用占优势，NO生成量减少。生成量减少。残余废气分数的影响残余废气分数的影响废气分数增大，减小了可燃气的发热废气分数增大，减小了可燃气的发热量，增大了混合气的比热容，使最高量，增大了混合气的比热容，使最高燃烧温度下降，燃烧温度下降，NO排放降低。排放降低。点火时刻的影响点火时刻的影响点火提前角的减小，点火提前角的减小，NO排放量不断下排放量不断下降。降。第2章 汽车排放污染物的形成喷油提前角减小，燃烧推迟，燃烧温喷油提前角减小，燃烧推迟，燃烧温度较低，生成的度较低，生成的NOX较少。较少。影响影响NOX生成的因素生成的因素影响柴油机影响柴油机NOX生成的生成的因素因素喷油定时的影响喷油

14、定时的影响放热规律的影响放热规律的影响负荷与转速的影响负荷与转速的影响传统模式传统模式低排放放热模式低排放放热模式NOX排放随负荷增大而显著增加。排放随负荷增大而显著增加。转速对转速对NOX排放的影响比负荷的影响排放的影响比负荷的影响小。小。第2章 汽车排放污染物的形成传统的放热规律与低排放放热规律传统的放热规律与低排放放热规律图图2-12 传统柴油机的典型放热规律（虚线）传统柴油机的典型放热规律（虚线）与低排放柴油机的优化放热规律（实线）与低排放柴油机的优化放热规律（实线）嘴端油管压力实测嘴端油管压力实测DME和柴油燃料嘴端油管压力的比较和柴油燃料嘴端油管压力的比较（机型：（机型：2135柴

15、油机；转速：柴油机；转速：1500r/min；供油提前角：；供油提前角：31BTDC） Comparison of line pressure at nozzle side for dieselengine fuelled with DME and diesel fuel0102030405060708090100-100-80-60-40-20020406080100Crank Angle / CADME,Line P / MPa-40-30-20-100102030405060Diesel,Line P / MPa100% Load75% Load50% LoadDieselDME针阀升程

16、实测针阀升程实测DME和柴油燃料针阀升程的比较和柴油燃料针阀升程的比较（机型：（机型：2135柴油机；转速：柴油机；转速：1500r/min；供油提前角：；供油提前角：31BTDC）-0.100.10.20.30.40.50.60.70.80.91-50-40-30-20-1001020304050Crank Angle / CADME,Needle Lift / mm-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.100.10.20.30.40.5Diesel,Needle Lift / mm100% Load75% Load50% LoadDieselDME微粒的生成机理微粒的生成机理第2章

17、 汽车排放污染物的形成柴油机微粒的组成与特征柴油机微粒的组成与特征柴油机排气微粒由很多原生柴油机排气微粒由很多原生微球的聚集而成，总体结构微球的聚集而成，总体结构为团絮状或链状。为团絮状或链状。当排气温度超过当排气温度超过500时，碳质微球的时，碳质微球的聚集体，称为碳烟，也称为烟粒；聚集体，称为碳烟，也称为烟粒；排气温度低于排气温度低于500 时，烟粒会吸附和时，烟粒会吸附和凝聚多种有机物，称为有机可溶成份。凝聚多种有机物，称为有机可溶成份。第2章 汽车排放污染物的形成烟粒的生成机理烟粒的生成机理（1）在高温（）在高温（2000K3500K）富油缺氧区，）富油缺氧区，通过裂解和脱氢过程，经过

18、核化形成先期通过裂解和脱氢过程，经过核化形成先期产物；产物；（1）表面生长，）表面生长，表面粘住气相物质，脱氢表面粘住气相物质，脱氢；1 烟粒生成阶段：烟粒生成阶段：2 烟粒长大阶段：烟粒长大阶段：（2）在低于）在低于1500K的低温区，通过聚合和的低温区，通过聚合和冷凝生成碳烟微粒。冷凝生成碳烟微粒。（2）聚集，碰撞，烟粒数量减少。）聚集，碰撞，烟粒数量减少。第2章 汽车排放污染物的形成烟粒的氧化及有机可溶成份的吸附与凝结烟粒的氧化及有机可溶成份的吸附与凝结氧化作用需要有一定的温度，至少在氧化作用需要有一定的温度，至少在700800。组成组成SOF的重质有机化合物向烟粒聚集物的的重质有机化合

19、物向烟粒聚集物的凝结与吸附。在排气最后阶段进行。凝结与吸附。在排气最后阶段进行。3 烟粒的氧化：烟粒的氧化：4 有机可溶成份的吸附与凝结：有机可溶成份的吸附与凝结：可溶有机成份可溶有机成份 SOF （Soluble organic fraction）第2章 汽车排放污染物的形成 Two-dimensional imaging of ignition and soot formation processes in a diesel flame影响微粒生成的因素影响微粒生成的因素负荷的影响：负荷的影响：（1）高速小负荷时，稀薄混合气区较大，）高速小负荷时，稀薄混合气区较大，微粒排放量较高，燃烧界限

20、外，冷凝聚合；微粒排放量较高，燃烧界限外，冷凝聚合；（2）低速大负荷时，容易产生裂解和脱氢，）低速大负荷时，容易产生裂解和脱氢，排放量有所升高。排放量有所升高。第2章 汽车排放污染物的形成影响微粒生成的因素影响微粒生成的因素（1 1）小负荷时，温度低，以未燃油滴为主的）小负荷时，温度低，以未燃油滴为主的微粒的氧化作用微弱，转速低便于氧化；微粒的氧化作用微弱，转速低便于氧化；转速的影响：转速的影响：（2 2）转速升高时，这种氧化作用又受到时间）转速升高时，这种氧化作用又受到时间因素的制约；因素的制约；（3 3）大负荷时，转速的升高有利于气流运动）大负荷时，转速的升高有利于气流运动的加强，使燃烧速

21、度加快。的加强，使燃烧速度加快。第2章 汽车排放污染物的形成影响微粒生成的因素影响微粒生成的因素（1）燃油中芳香烃含量及馏程越高，微粒）燃油中芳香烃含量及馏程越高，微粒排放量越大；烷烃含量越高，微粒排放量排放量越大；烷烃含量越高，微粒排放量越少；越少；燃料的影响：燃料的影响：（2）柴油机的排烟浓度随十六烷值的提高）柴油机的排烟浓度随十六烷值的提高而增大。而增大。第2章 汽车排放污染物的形成图图2-17 喷油定时对烟度的影响喷油定时对烟度的影响 提前：滞燃期随喷油提前角的加大而延长，因此使着火提前：滞燃期随喷油提前角的加大而延长，因此使着火前的喷油量较多，燃烧温度较高，燃烧过程结束较早，前的喷油量较多，燃烧温度较高，燃烧过程结束较早，从而使排气烟度下降。但喷油提前会使燃烧噪音和柴油从而使排气烟度下降。但喷油提前会使燃烧噪音和柴油机机械负荷与热负荷加大，还会引起机机械负荷与热负荷加大，还会引起NOx排放量增加。排放量增加。 非常迟的喷油：由于扩散火焰大部分发生在膨胀过程中非常迟的喷油：由于扩散火焰大部分发生在膨胀过程中，火焰温度较低，使碳烟的生成速率降低。，火焰温度较低，使碳烟的生成速率降低。喷油定时，喷油定时，BTDC（）CA