第2章汽车排放污染物的生成机理和影响因素ppt课件.ppt

第2章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素,2.0 概述2.1 一氧化碳（CO）生成机理及其影响因素2.2 碳氢化合物（HC）生成机理及其影响因素2.3 氮氧化物（NOX）生成机理及其影响因素2.4 微粒（PT）生成机理及其影响因素,CO、HC、NOX（NO、N2O、NO2等）CO2、CH4PM SOX、醇类、醛类(RCHO)3,4苯并芘 其他未知污染物，e.g.odor,et al.,2.0 概述一、汽车排气中的污染物 POLLUTANTS,光化学烟雾 photochemical smog空气能见度 visibility酸雨 acid rain 地表水酸化 water acidification,二、内燃机排放的二次污染Secondary Pollution,三、汽油车排放的来源（目前标准限制的有害排放物）,四、评定标准：排放物体积分数(和ppm)和质量浓度(mg/m3)质量排放量（g/h或g/）比排放量（g/kw.h）g/km，g/test,2.1 一氧化碳(CO),2.1.1 CO的生成机理 CO是碳氢化合物燃料在燃烧过程中生成的主要中间产物，是由于燃料在汽缸中燃烧不充分、氧气不足所致。一般烃燃料的燃烧反应：CmHn+(m/2)O2 mCO+(n/2)H2 O2充足时有：2H2+O2 2H2O 2CO+O2 2CO2 CO+H2O H2+CO2 O2不足时 CO,结论：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。,燃料不完全燃烧：C+O CO+O CO 中间产物 产生的原因是缺氧：当反应着的气体突然缺乏氧化剂,温度过低,反应时间过短达不到化学平衡状态时，CO就以中间产物的形式生成了。,a1（稀），CO排放量都很小；a=1.01.1，CO排放量变化复杂。,汽油机各工况的 CO排放,怠速 缸内残余废气很多，混合不充分，需加浓混合气，导致CO排放严重。这是常规的均匀混合气点燃式内燃机总的CO排放量大的一个主要原因。常用工况（即部分负荷）混合气的过量空气系数a略大于1，CO排放不多。但在多缸发动机中，各缸之间空燃比的变动也导致CO排放量的增加。,全负荷 发动机全负荷运转时的功率输出，往往把可燃混合气加浓到a=0.80.9，导致CO排放增大。冷起动 燃料和空气的温度均很低，汽油蒸发率很小，雾化不良，发动机要求供给很浓的混合气，以保证混合气中有足够的汽油蒸气，导致CO排放增加。暖机 温度较低、燃油雾化较差，也需要较浓的混合气，而且随着温度增加而逐渐减小，直至达到正常工作温度时发动机进入怠速工况，也导致CO排放增加。,急加速 节气门开度突然加大，进气管压力随之增加，大量的汽油颗粒被沉积在进气管壁面上，进入缸内的实际混合气则被瞬时稀释，使发动机转速下降。这时应加浓混合气，以获得良好的加速性，导致CO排放增加。急减速 进气管真空度急剧增高，促使附着在进气管壁面上的汽油蒸发气化，并在空气量不足的情况下进入气缸内，造成混合气过浓，严重时甚至熄火，导致CO排放增加。,柴油机一氧化碳的生成机理,a=1.53，CO排放量要比汽油机低得多。a=1.21.3，CO的排放量才大量增加。,柴油机CO排放量xCO与 过量空气系数a的关系,由图可以看出a=1.53，CO排放量要比汽油机低得多。a=1.21.3，CO的排放量才大量增加。小负荷时尽管a很大，CO排放量反而上升。,柴油机CO排放分析,柴油机的大部分运转工况下，其过量空气系数a都是在1.53之间，其CO排放量要比汽油机低很多，只有在接近冒烟界限（a=1.21.3）时，CO排放量急剧增加。柴油机CO排放增加的原因：（1）燃料与空气混合不均匀，局部缺氧，存在低温区；（2）反应物在燃烧区停留的时间不足于完全燃烧。,柴油机CO排放特点,柴油机的CO排放总体比较低。燃烧接近或超过冒烟极限后，由于燃烧过程局部混合气过浓，缺氧造成CO排放迅速增加。柴油机小负荷时，稀混合气区体积增加，燃气温度降低，CO排放略微增加。,影响一氧化碳生成的因素,1、进气温度的影响,随着环境温度的上升，空气密度变小，而汽油密度基本不变，所供给的混合气随进气温度的上升而变浓，CO排放增加。冬天和夏天发动机排放情况有所区别。,当忽略空气中饱和水蒸气压时，空气密度可表示为：=kg/m3式中：p大气压力，kPa；T温度，结论：进气管压力降低时，空气密度下降，则空燃比下降，导致CO排放量增大。,273p,(273+T)760,1.293,2、大气压力的影响,3、进气管真空度的影响,当汽车急减速时，发动机真空度在68kPa以上，停留在进气系统中的燃料，在高真空度下急剧蒸发而进入燃烧室，造成混合气瞬时过浓，燃烧状况恶化，CO浓度增加。,4、怠速转速的影响,说明提高怠速转速可有效降低排气中CO浓度。,从图中可以看出：怠速转速为600r/min，CO浓度为1.4%，700r/min时，浓度降为1%左右。,2.2 碳氢化合物（HC）,压燃式内燃机中，未燃HC都是在缸内的燃烧过程中产生，并随排气排放。点燃式内燃机中，未燃HC的生成与排放有如下三个渠道：1)HC的排气排放物：在气缸内的工作过程中生成并随排气排出，主要是在燃烧过程中未燃烧或未完全燃烧的HC燃料。,2)曲轴箱排放物：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，含有大量未燃烧燃料。曲轴箱窜气如果排入大气也构成HC排放物。3)蒸发排放物：从汽油机和其他轻质液体燃料点燃式发动机的燃油系统，如燃油箱、化油器等处蒸发的燃油蒸气，如果排入大气同样构成HC排放物。,汽车HC污染物产生来源,曲轴箱HC 的 20%,排气管所有的CO、NOX、Pb和 HC的 60%,油箱和化油器蒸发HC的15%,汽油机HC排放的来源 HC Sources,1)排气 5565%（机内排放）2)曲轴箱 2025%3)燃油箱、化油器、燃油管接头蒸发 1520%,1.HC排放的来源,2.2.1 HC的生成机理,在内燃机排放的未燃总碳氢化合物(用THC表示)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。THC包括种类繁多的碳氢化合物，它们在大气对流层的光化学反应中有不同的活性，对人类健康的危害程度也不同。,HC的生成机理,壁面火焰淬熄狭隙效应（只适用于汽油机）润滑油膜的吸附与解吸燃烧室中沉积物的影响体积淬熄HC的后期氧化,（1）车用汽油机未燃HC的生成机理,发动机的燃烧室表面受冷却介质的冷却，温度比火焰低得多。壁面对火焰的迅速冷却(称为冷激效应)使反应变缓或停止。火焰不能一直传播到燃烧室壁表面，而在表面上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。发动机正常运转时，冷激效应造成的火焰淬熄层厚度在0.050.4mm间变动，在小负荷时或温度较低时淬熄层较厚。,1)壁面火焰淬熄,不同工况下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，大部分会扩散到已燃气体主流中，在气缸内已基本被氧化，只有极少一部分成为未燃HC排放。在冷起动、暖机和怠速等工况下，因燃烧室壁面温度较低，形成淬熄层较厚，同时已燃气体温度较低及较浓的混合气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,活塞、活塞环与气缸壁之间的间隙,火花塞中心电极绝缘子根部周围狭窄空间和火花塞螺纹之间的间隙,进排气门与气缸盖气门座面相配的密封带狭缝,气缸盖衬垫的气缸孔边缘内的死区,燃烧室内缝隙的组成,活塞顶还岸缝隙中烃的排除过程,当火焰前锋面到达各缝隙所在地时，火焰或者钻入缝隙把里面的混合气全部或部分烧燃烧，或者火焰在缝隙的入口处被淬熄。当缝隙中的 压力高于气缸的压力时(大约在上止点后1520CA)，陷入缝隙中的气体逐渐流回气缸。但这时气缸内的温度已下降，氧的浓度较低，流回缸内的可燃气再氧化的比例不大，有一半以上原封不动地排出气缸。狭隙效应产生的 HC排放可占其总量的 5070%。,淬熄的可能性取决于缝隙入口的几何形状和尺寸、未燃混合气的组成及其热力状态。,注意：在各缝隙中，位于活塞、活塞环与气缸壁之间的缝隙是最主要的。它占燃烧室容积的1%2%，由于缝隙中藏匿的气体压力高于压缩终点的压力，且其温度低于压缩终点的温度，所以密度大，以气体质量计，可以藏匿高达5%的气缸充量。改进措施：把第一活塞环提高到与活塞顶齐平，可使HC排放下降50%以上，但有粘结危险。,3)润滑油膜的吸附与解吸,定义：在进气行程期间，覆盖在气缸壁面和活塞顶面上的润滑油膜溶解和吸收了来自燃油的HC蒸气，直到达到其环境压力下的饱和状态，这个过程在压缩和燃烧过程期间较高压力下继续进行。当燃烧室燃气中 HC浓度由于燃烧几乎降到零时，油膜中的HC开始向已燃气解吸，并持续到膨胀和排气过程。解吸的燃油,与高温燃气混合，被氧化,与低温燃气混合，不氧化，成为HC排放源（注：这种HC排放与燃油在润滑油中的溶解度成正比）,不同的燃料和润滑油，对HC排放的影响不同；使用气体燃料不会生成此类HC。,Why?!,因为气体燃料是不溶于润滑油的！,燃油在润滑油中的溶解度与润滑油温度成反比请思考：为什么发动机在冷起动时可观测到较多的未燃HC排放量？研究表明，润滑油膜吸附和解吸机理产生的未燃 HC排放，占总量的25%左右。,原因：润滑油温度降低使燃油在其中的溶解度增加，从而增加了润滑油在HC排放中的分担率。,4)燃烧室中沉积物的影响,发动机运行一段时间后，会在燃烧室壁面、活塞顶、进排气门上形成沉积物。对使用含铅汽油的发动机，HC排放可增加7%20%。沉积物的作用机理可用其对可燃混合气的吸附和解吸作用来解释，但沉积物的多孔结构和固液多相性质，其生成机理较复杂。,当沉积物沉积于间隙中，由于间隙容积的减少，可能使HC排放量下降，也可能使HC排放量增加。,为什么呢？！,由于间隙容积的减小，可减少可燃混合气的挤入量（狭隙效应），使HC排放量下降，同时由于减小了缝隙的尺寸，火焰传不进而促进了淬熄，又导致HC 排放量的增加。,5)体积淬熄,定义：发动机在某些运转工况下，在火焰前锋面到达燃烧室壁面前，由于燃烧室中压力和温度下降，可能使火焰熄灭。,各工况下的体积淬熄,发动机冷起动和暖机工况下，由于发动机温度低，混合气不均匀，导致燃烧变慢或不稳定，火焰易熄灭。发动机在怠速或小负荷工况下，转速低，相对残余废气量大，燃烧恶化，也易熄火。在加、减速等瞬态工况下也可能发生火焰的大体积淬熄。汽缸缺火，造成未燃HC的急剧增加，故汽油机点火系统的可靠性至关重要。（可安装两个火花塞）,6）HC的后期氧化,定义：在发动机燃烧过程中未燃的HC，在以后的膨胀和排气过程中不断从淬熄层、缝隙区、润滑油膜和沉积物中释放出来，重新扩散到高温的已燃气主流中被全部或部分氧化。HC后期氧化包括：（1）汽缸内未燃HC的后期氧化 在排气门开启前，缸内温度较高，在有氧情况下，可进行未燃HC氧化；（2）排气管中未燃HC的氧化 排气门开启后，未燃HC在排气管中氧化。氧化条件：管内有足够的氧气、排气温度高于600度、停留时间大于50ms。,1.未燃HC排放的来源 1）完全由缸内燃烧过程产生。2）没有曲轴箱排放物和蒸发排放物。柴油中的HC比汽油中的HC沸点要高、分子量大，当柴油被喷嘴雾化时已经发生了某种程度的热解作用，使得柴油机排气中未燃或部分氧化的HC成分复杂。柴油机是将燃油以高压喷入燃烧室中，直接形成可燃混合气并很快燃烧,燃油停留在燃烧室中的时间比汽油机短的多，因而，受生成未燃HC的种种机理作用的时间也短,其HC排放量比汽油机少。,（2）车用柴油机未燃HC的生成机理,2.生成机理和影响因素 1）混合气不均匀。2）喷油器嘴部的压力室容积。3）冷起动。4）气缸壁温度影响HC排放，因为壁面激冷使HC排放增加。,2.2.2 影响HC化合物生成的因素,未燃HC排放主要是由于缸内混合气过浓、过稀或局部混合不均引起燃烧不完全而导致的，造成燃烧不完全的因素大致有：混合气的质量发动机运行条件燃烧室结构参数点火与配气正时等,1、混合气质量的影响,混合气均匀性越差，HC排放越多；空燃比略大于理论空燃比时，HC有最小值；混合气过浓或过稀均发生不完全燃烧，HC排放增加；废气相对过多火焰传播受阻甚至出现断火，HC排放增加。,2、运行条件的影响,1）汽油机运行条件的影响（1）负荷的影响 改变发动机负荷，HC的相对排放浓度几乎无影响，但HC的绝对排放量随负荷增加而增大。（2）转速的影响 转速较高时，缸内混合气的扰流混合、涡流扩散及排气扰流、混合程度的增加，改善了缸内的燃烧过程、促进了后氧化反应，HC排放浓度明显下降。,（3）点火时刻的影响 主要体现在点火提前角上，点火提前角减小，使混合气燃烧时的激冷壁面面积减小，同时使排气温度增高，HC排放下降。（4）壁温的影响 提高冷却介质温度有利于减弱壁面激冷效应，降低HC排放量。研究表明壁面每升高1，HC排放浓度相应降低 0.6310-6 1.0410-6,(5)燃烧室面容比的影响 燃烧室面容比大，单位容积的激冷面积也越大，激冷层中的未燃烃总量也增大。2）柴油机运行条件的影响（1）喷油时刻的影响 喷油提前角增大，缸内温度较高，HC排放量下降。,（2）喷油嘴喷孔面积的影响 当循环喷油量及喷油压力不变时，喷孔面积加大时，雾化和混合质量变差，HC排放增加。（3）冷却液进口温度的影响 冷却液温度相对降低，导致汽缸内温度降低，HC排放相对增加。（4）进气密度的影响 空气密度降低，使缸内空气量减少，燃烧不完善，HC排放量增加。,小结：影响碳氢化合物生成的因素,2.3 氮氧化物(NOX),2.3.1 NOX的生成机理 车用发动机排气中的NOX包括NO(含量多)和NO2。,1、NO的生成机理,NO的主要来源是供给发动机用作助燃剂的空气中的分子状氮（N2），从大气中的N2生成NO的化学机理是扩展的泽尔多维奇（Zeldovitch）机理。,在化学计量混合比附近，导致生成NO和使其消失的主要反应为：O2 2O O+N2 NO+N N+O2 NO+O N+OH NO+H,主要发生在非常浓的混合气中,NO是在火焰前锋面和离开火焰的已燃气体中生成。,早期燃烧产物受到压缩而温度上升，使得已燃气体温度高于刚结束燃烧的火焰带温度，除了混合气很稀的区域外，大部分NO在离开火焰带的已燃气体中发生，只有很少部分在火焰带中产生。,Why？！,在a1时，NO平衡摩尔分数xNOe随温度的提高而迅速增大。在一定温度下，xNOe随混合气的加浓而减小。,在a1以后，由于氧不足，xNOe随a的减小而急剧下降。,结论：NO的生成量在稀混合气区内主要是温度起支配作用，而在浓混合气区内主要是氧浓度起决定作用。,一般来说，绝热火焰温度在化学计量空燃比稍浓（a略小于1）的可燃混合气中达到最高，但因缺氧，NO生成不是最多，所以xNOe最大值出现在稍稀（a略大于1）的可燃混合气中。若混合气过稀，火焰温度大大下降，使NO排放降低。,绝热温度指混合气燃烧后释放的全部热量减去因自身加热和组成变化所消耗的热量而达到的温度。它是过程中可能达到的最高燃烧温度。,结论：,结论：高的温度、高的氧浓度和长的反应时间，增加生成NO量。,NO生成的总量化学反应式为：N2+O2 2NO,从图中可以看出：反应温度越低，则达到平衡摩尔分数所需的时间越长，并且NO的生成反应比发动机中的燃烧反应慢。,注意：从燃烧过程看，最初燃烧部分（火花塞附近）生成的NO约占其最大浓度的50%（其中有相当部分后来被分解）；随后燃烧的部分所生成的NO浓度很小且几乎不再分解，因此NO的排放不能按平衡浓度的方法计算，只能由局部的燃烧温度及持续时间决定。,温度较高,2、NO2的生成机理,化学平衡计算表明，在一般火焰温度下:汽油机排气中的NO2浓度与NO浓度相比可忽略不计柴油机中，NO2可占排气中总NOX的1030。排气中存留NO2的一个可能的机理，是在火焰中生成的NO可以通过下述反应式迅速转变为NO2，即 NO+HO2 NO2+OH NO 2+O NO+O2,超氧化氢,除非在火焰中生成的NO2通过与较冷的气体相混合而被“冻结”才能保存下来。汽油机长期怠速会产生大量NO2。在小负荷的柴油机中，燃烧室中存在很多低温区域，可以抑制NO2向NO的再转变。NO2也会在低速下在排气管中生成。,排气管中排气在有氧存在条件下停留较长的时间,2.3.2 影响NOX生成的因素,1、影响汽油机NOX排放的因素（1）过量空气系数的影响,在a 1混合气的已燃气中氧浓度低，抑制了NO的生成。NOx排放量的峰值出现在对应a1.1的略稀混合气中。如果过量空气系数a进一步增大，温度下降的效果占优势，导致NO生成量减少。,2已燃气分量的影响,燃烧室中混合气,空气,已蒸发的燃油,已燃气,前一工作循环留下的残余废气，或者由EGR回流到进气系统的已燃气体,残余废气分数的影响,残余气体分数xi=,缸内残余气体质量mi,与进气终了滞留在气缸内的充气质量mc,其中：mc=me+mr+mi,进入气缸的空气质量,进入气缸的燃油质量,xi主要取决于发动机负荷和转速，减小发动机负荷，即减小节气门开度和提高转速，均加大了进气阻力，使xi增大。,注意：压缩比较高的发动机残余废气分数较小。,Why?,压缩比=气缸总容积Va/燃烧室容积Vc，在Va不变的情况下，越大，Vc越小，缸内压力较大，缸内残余废气量越小，导致残余废气系数越小。,废气再循环（Exhaust Gas Recirculation,缩写EGR）不仅使混合气的已燃气分数增大，而且使进气压力提高，增大气缸充量密度和总质量，因而使热容量增大，燃烧温度下降，从而降低NO排放。,3点火定时的影响,点火定时强烈影响点燃式内燃机的NOx排放量。随着点火定时向上止点方向推迟，NO不断下降。当NO绝对值很小时，下降速率趋缓。,为什么?!,增大点火提前角，增大了最高燃烧压力值，导致较高的燃烧温度，并使已燃气体在高温下停留的时间较长，最终导致NO排放量的增加。,2、影响柴油机NOX排放的因素,影响汽油机NOx排放的大部分因素也适用于柴油机。柴油机在燃烧过程中最先燃烧的混合气量（紧接着滞燃期的预混合燃烧）对NO的生成量有很大影响。,因为这部分混合气在随后的压缩过程中由于被压缩，使温度升到最高值，从而导致NO生成量增加，在随后的膨胀过程中与空气或温度较低的燃气混合，冻结已生成的NO。,（1）喷油定时的影响,研究表明，柴油机的NO几乎全部都是在燃烧开始的头20CA内生成的。当喷油开始较迟时，燃烧开始较晚，最高燃烧温度较低，生成NOx较少。,由图可见，喷油定时推迟2CA，使NOX排放下降约20，但使油耗上升5左右。,结论：推迟喷油可降低柴油机中NOx排放但使燃油消耗率略有提高。,（2）放热规律的影响,传统模式在上止点前，即由于不可控预混合燃烧而出现一个很高的放热率尖峰，接着是由于扩散燃烧造成的一个平缓的放热率峰。前者(急速燃烧)导致生成大量NOX，后者(缓慢而拖拉的燃烧)导致热效率恶化，微粒排放增加。低排放放热模式一般都在上止点后开始放热，第一峰值较低，使NOX生成较少，中期扩散燃烧尽可能加速，使燃烧过程提前结束，不仅提高效率，降低排气温度，而且也降低微粒排放。,从图b中可以看出：柴油机的转速对NOX排放的影响比负荷小。对于自然吸气式柴油机，一般最大转矩转速下的NOX体积分数大于标定转速下的值，其原因主要在于低转速下NOX生成反应占有较多的时间。,影响NOX生成的因素,a 1时，温度起着决定性作用，NOX生成量随温度升高而迅速增大。最高温度通常出现在a 1.1，且有适量的氧浓度，故NOX排放浓度出现峰值。a进一步增大，温度下降的作用占优势，NO生成量减少。,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，使最高燃烧温度下降，NO排放降低。,点火时刻的影响,点火提前角减小，NO排放量不断下降。,影响汽油机NOX生成的因素,喷油提前角减小，燃烧推迟，燃烧温度较低，生成的NOX较少。,影响柴油机NOX生成的因素,传统模式,低排放放热模式,NOX排放随负荷增大而显著增加。转速对NOX排放的影响比负荷的影响小。,2.4 微粒,2.4.1 点燃式内燃机 在点燃式内燃机中，排气微粒有三种来源：(1)含铅汽油的铅(2)来自汽油中的硫产生的硫酸盐(3)碳烟,轿车发动机用含铅汽油运转时，对于含铅0.15gL的汽油来说，微粒排放量在100150mgkm范围内，而微粒质量中有2560%是铅。这种类型的微粒是由排气排放的铅盐冷凝生成的。因此，以质量计的排放量在发动机冷起动时较高。,硫酸盐的排放主要涉及在排气系统装有氧化催化剂的机动车。汽油中的硫在燃烧中转化为SO2，被排气系中的催化剂氧化成SO3，然后与水结合生成硫酸雾。因此，汽油机硫酸盐的排放量直接取决于汽油的含硫量。,碳烟排放对调整正确的点燃式内燃机来说是不正常的。,Why?,因为碳烟排放只在非常浓的混合气中出现,当发动机技术状况不良(例如气缸活塞组严重磨损)导致润滑油消耗很大时，排气会冒蓝烟，这实际上是未燃烧润滑油微粒构成的气溶胶。,2.4.2 压燃式内燃机,使用柴油作燃料的压燃式内燃机排放的微粒(Particulate，缩写PT)，一般要比使用汽油作燃料的点燃式内燃机多几十倍。对于轿车和轻型车用的轻型柴油机，微粒排放量在0.11.0gkm的数量级；对于重型车用的重型柴油机，微粒排放量在0.11.0g(kWh)的数量级。,1、排气微粒的理化特性,柴油机排气微粒的组成取决于柴油机的运转工况，尤其是排气温度。当排气温度超过约500时，排气微粒基本上是很多碳质微球的聚集体(含有少量氢和其他元素)，称为碳烟，有时也称烟粒(Soot，缩写DS)。当排气温度低500 时(柴油机绝大多数工况都是这样)，烟粒会吸附和凝聚多种有机物，称为有机可溶成分(Soluble Organic Fraction，缩写SOF)。,白烟（1m以上的油珠）:有较高的H/C值，主要成分为未燃的燃料颗粒，直径在1.3m左右，通常在冷起动和怠速时发生，暖机后则消失。在低温起动不久及怠速工况时发生。此时，气缸中温度较低，着火不好，未经燃烧的燃料和润滑油呈液滴状态，直径在1.3m左右，随废气排出而形成白烟。当气缸磨损加大，窜气、窜油时，使白烟增多。正常的发动机在暖车后，一般就不再形成白烟。改善起动性可减少白烟。,柴油机微粒排放包括白烟、蓝烟和黑烟。,蓝烟（青烟）（0.4m以下油珠）有较高的H/C值，主要成分为未燃的燃料颗粒，还有窜入燃烧室的润滑油成分。通常在柴油机尚未完全预热或低温、低负荷运转时发生。此时，燃烧室温度较低，约600以下，燃烧着火性能不好，部分燃料和窜入燃烧室的润滑油未能完全燃烧，其中大部分是已蒸发的油，再凝结而成微粒状态，直径比白烟小，在0.4m以下，随废气排出而成蓝烟。这种烟的蓝色是此种大小微粒由蓝色光折射而成的。排出蓝烟时，同时有燃烧不完全的中间产物（如甲醛等）排出，因而蓝烟常常带有刺激性臭味。正常起动后消失。减少蓝烟方法：提高燃烧室和室内空气温度，减少室内空气运动，以免燃料很快被吹散形成过稀混合气，减少喷注贯穿力，以免燃料碰到冷的室壁等措施，都可减少蓝烟。但是，上述措施大部分对减少黑烟的措施是矛盾的，因此在新机调试时，要妥善处理。,黑烟 也称炭烟，通常在大负荷时发生，具有较低的H/C值，烟中含炭有比重大、颗粒细微的碳粒子，其最小单元为片晶。燃料在燃烧时高温裂解后聚合产生直径0.05m左右微粒固体颗粒。碳烟不是纯碎的碳，而是一种聚合体，其主要成分随柴油机负荷不同稍有改变，一般含C85%-95%，O24%-8%及少量的H2和灰粉。也有人认为碳烟是石墨结晶，由直径0.05m左右微粒附聚成0.1-10m的多孔性碳粒构成。,微粒中的SOF含有对健康和环境有害的成分，包括各种未燃碳氢化合物、含氧有机物(醛类、酮类、酯类、醚类、有机酸类等)和多环芳烃(Polynuclear Aromatic Hydrocarbon，缩写PAH)及其含氧和含氮衍生物等。微粒的凝聚物中还包括少量无机物，如SO2、NO2和硫酸(硫酸盐)等。微粒中还有少量来自燃油和润滑油的钙、铁、硅、铬、锌、磷等的化合物。,(1)汽油机微粒的生成机理,2烟粒的生成机理,柴油机排放的烟粒主要由燃油中含有的碳产生，并受燃油种类、燃油分子中的碳原子数及其氢碳原子比的影响。一般认为：柴油机炭烟也是不完全燃烧的产物，是燃料在高温缺氧条件下经过裂解脱氢以后的产物。,(2)柴油机微粒的生成机理,柴油机微粒的组成与特征,柴油机排气微粒由很多原生微球的聚集体而成，总体结构为团絮状或链状。,柴油机烟粒的生成和长大过程一般可分两个阶段:(1)烟粒生成阶段 燃料分子经过其氧化中间产物或热解产物萌生凝聚相。在这些产物中有各种不饱和的烃类，特别是乙炔及其较高阶的同系物CnH2n-2和PAH。这些气相物质的凝聚反应导致出现最早可辨认的碳烟粒子(常称为晶核)。这类粒子的生成途径：高温（2000-3500K）富油缺氧区，气相燃油分子的裂解、脱氢、核化在低于1500K的低温区，气相燃油分子聚合和冷凝,(2)烟粒长大阶段 包括表面生长和聚集两个方面。表面生长：用烟粒表面粘住来自气相的物质，然后合并在一起。不改变烟粒的数量，而只增加烟粒的质量。聚集：是通过碰撞使烟粒长大，从而使烟粒数量减少，生成链状或团絮状的聚集物。,烟粒排放量取决于烟粒生成反应和氧化反应之间的平衡情况。烟粒开始生成的当量反应式为:CCHh+0.5oO2 oCO+0.5hH2+(c-o)Cs当co，c/o1时碳烟Cs0，开始生成烟粒。,C原子数,O原子数,H原子数,由此图可见，烟粒在极浓的混合气中生成，且在16001700K温度范围达到最大值。,（3）烟粒的氧化,在烟粒的整个生成过程中，不论是先兆物、晶核还是聚集物阶段，都可能发生氧化。用专门的测试手段，测得的柴油机缸内生成的峰值烟粒浓度远远大于排放的浓度。说明：燃烧过程所生成的烟粒有一大部分已在排气过程开始前被氧化掉。,在火焰中出现的多种化学物质，如O2、O、OH、CO2和H2O等，可能参与烟粒的多相燃烧反应。水是一种很有效的反应剂。一种含水25的乳化柴油，可降低微粒排放量一半。在OH基是主要氧化剂的浓混合气火焰中，OH基以很高的反应活性起作用而不使聚集物破碎。,氧化作用也要求一个最低的温度，至少700800。烟粒的氧化作用只能在燃烧过程和膨胀过程进行。烟粒的多相氧化产物主要是CO，而不是CO2。总之：排放出来的烟粒量=生成的总烟粒量-排气前被氧化掉的烟粒量。,只占在燃烧室内出现的数量的很小比例(10)。,（4）SOF的吸附和凝结,主要发生在气缸内的燃气从发动机排出并被空气稀释之时，通过吸附和凝结使烟粒表面覆盖SOF。吸附 吸附是未燃的碳氢化合物或未完全燃烧的有机物分子，通过化学键力或物理(范德华)力粘附到碳烟粒子表面上。这个过程取决于烟粒具有的可吸附气相物质的总表面以及驱动吸附过程的吸附质的分压力。当排气的稀释比增大，温度下降时，烟粒表面上活性吸附点增加起主要作用，使SOF增加。但温度过分下降使吸附质分压力减小，SOF下降。,凝结 发生在烟粒周围的气体有机物的蒸气压力超过饱和蒸气压时。增大稀释比会减小气体有机物的浓度，因而降低其蒸气压。不过，降低温度也会使饱和蒸气压下降。若柴油机排气中未燃HC浓度高，则冷凝作用就强烈。,2.4.2微粒排放的影响因素,1.负荷与转速的影响,在高速小负荷时，单位油耗的微粒排放量较大，且随负荷的增加，微粒排放量减小；而在低速大负荷时，微粒排放量又由燃空比的增加而有所升高。,（1）微粒排放与负荷的关系,小负荷 小负荷时燃空比和温度均较低，气缸内稀薄混合气区较大，且处于燃烧界限之外而不能燃烧，有利于冷凝聚合，生成较多微粒（主要成分是未燃燃油成分和部分氧化反应产物）。大负荷 燃空比和温度均较高，有利于裂解和脱氢，造成了微粒排放的升高。,全负荷 在接近全负荷时，微粒排放急剧增加，（接近冒烟界限）。这时虽然表观过量空气系数尚大于1，但实际上由于燃烧室内可燃混合气不均匀，局部地区会有a0.6的情况，导致烟粒大量生成。,（2）微粒排放与转速的关系,小负荷时，转速越高，微粒排放量越大。大负荷时，转速越高，微粒排放量反而减小。,Why?,在小负荷时温度低，微粒的氧化作用微弱，转速升高时，氧化作用受到时间的制约，造成微粒的大量排放。,在大负荷时，转速的升高有利于气流运动的加强，使燃烧速度加快，促进了微粒在高温条件下的氧化，从而减小了微粒的排放量。,2、燃料的影响,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，微粒排放量越少；柴油机的排烟浓度随十六烷值的提高而增加。,原因在于十六烷值较高的燃油稳定性较差，在燃烧过程中炭粒的生成速率较高所致。,3、喷油参数的影响,1）喷油定时的影响在直喷式柴油机中，当所有其他参数不变时，提前喷油或非常迟的喷油，可以降低排气烟度。,喷油提前角加大，滞燃期延长，使着火前的喷油量较多，燃烧温度较高，燃烧过程结束较早，从而减小排气烟度。,喷油定时发生在最小滞燃期之后，火焰温度较低，减小了炭烟的生成速率。,2）喷油规律的影响,在喷油定时、喷油持续角、循环供油量、涡流比和发动机转速不变的条件下，当大部分燃油在前半时间内喷入气缸时，参与预混燃烧的油量增多，故排烟浓度低而NO浓度高，反之则反。,3）喷油嘴不正常喷射的影响,当喷油嘴由于针阀密封面漏油或针阀落座缓慢而造成滴漏，或针阀落座后再次升起而产生二次喷射时，燃油雾化和混合变差，对炭烟、未燃烃、CO的排放及发动机运转均有不利影响。,4）喷油压力的影响,提高喷油压力，改善燃油雾化，能促进燃油与空气的混合，改善油气混合的均匀性，从而减少烟粒的生成。,4.空气涡流的影响,适当增加空气涡流，可使油滴蒸发加快，空气卷入量增多，有利于改善混合气品质，以减少炭烟排放量。,5.其他因素的影响,每缸4气门结构与传统的每缸2气门相比，排气烟度几乎下降一半。,这不仅是因为每缸4气门使柴油机充量系数提高，从而使a提高，而且因为喷油器为中央布置，喷雾场对称，改善了燃油与空气混合的均匀性所致。,涡轮增压很容易大大增加柴油机的充气量，提高燃油燃烧的空燃比，因而能显著降低柴油机的烟度和微粒排放。适当提高燃烧室内的空气温度和壁温，可以改善燃料着火条件，减少微粒排放。,