发动机排放污染物的生成机理.doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上发动机排放污染物的生成机理主要内容: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。1、 一氧化碳1.1 一氧化碳的生成机理汽车尾气中CO的产生是由于燃油在气缸中燃烧不充分所致,是氧气不足而生成的中间产物。一般烃燃料的燃烧反应可经以下过程: (2-1)燃气中的氧足够时有 (2-2) (2-3)同时CO还与生成的水蒸气作用,生成氢和二氧化碳。可见,如果燃气中的氧气量充足时,理论上燃料燃烧后不会存在CO。但当氧气量不足时,就会有部分燃料不能完全燃烧,而生成CO。在非分层燃烧的汽油机中,可燃混合气基本上是均匀的,其CO排放量几乎完全取决于可燃混合气的空燃比或
2、过量空气系数。图2-1所示为11种H/C比值不同的燃料在汽油机中燃烧后,排气中CO的摩尔分数xCO与或的关系。 空燃比 过量空气系数 a) b) 图2-1汽油机CO排放量xCO与空燃比及过量空气系数的关系由图2-1可以看出,在浓混合气中(1),CO的排放量都很小,只有在=1.01.1时,CO的排放量才随有较复杂的变化。在膨胀和排气过程中,气缸内压力和温度下降,CO氧化成CO2的过程不能用相应的平衡方程精确计算。受化学反应动力学影响,大约在1100K时,CO浓度冻结。汽油机起动暖机和急加速、急减速时,CO排放比较严重。在柴油机的大部分运转工况下,其过量空气系数都在1.53之间,故其CO排放量要比
3、汽油机低得多,只有在大负荷接近冒烟界限(=1.21.3)时,CO的排放量才大量增加。由于柴油机燃料与空气混合不均匀,其燃烧空间总有局部缺氧和低温的地方,以及反应物在燃烧区停留时间较短,不足以彻底完成燃烧过程而生成CO排放,这就可以解释图2-2在小负荷时尽管很大,CO排放量反而上升。类似的情况也发生在柴油机起动后的暖机阶段和怠速工况中。过量空气系数图2-2典型的车用直喷式柴油机排放污染物量与过量空气系数的关系2、 碳氢化合物车用柴油机中的未燃HC都是在缸内的燃烧过程中产生并随排气排放。汽油发动机中未燃HC的生成与排放主要有以下三种途径。(1)在气缸内的燃烧过程中产生并随废气排出,此部分HC主要是
4、燃烧过程中未燃烧或燃烧不完全的碳氢燃料。(2)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中含有大量未燃燃料,如果排入大气中也构成HC排放物。(3)从汽油机的燃油系统蒸发的燃油蒸汽。2.1 碳氢化合物的生成机理1. 车用汽油机未燃HC的生成机理车用发动机的碳氢排放物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,还有小部分由润滑油不完全燃烧而生成。排气中未燃碳氢物的成份十分复杂,其中有些是原来燃料中不含有的成份,这是部分氧化反应所致。表2-1列出了车用汽油机中未燃碳氢化合物成份的大致比例。车用汽油机排气中的未燃碳氢化合物成份 表2-1占总HC排放量的质量分数/%烷烃烯烃炔烃芳香烃未
5、装催化装置3327832装有催化装置5715216车用发动机在正常运转情况下,HC的生成区主要位于气缸壁的四周处,故对整个气缸容积来说是不均匀的,而且对排气过程而言HC的分布也是不均匀的。在发动机一个工作循环内,排气中HC的浓度出现两个峰值,一个出现在排气门刚打开时的先期排气阶段,另一个峰值出现在排气行程结束时。HC的生成主要由火焰在壁面淬冷、狭隙效应、润滑油膜的吸附和解吸、燃烧室内沉积物的影响、体积淬熄及碳氢化合物的后期氧化所致。下面主要针对汽油机分别进行讨论,但除了狭隙效应外,其余的均适用于柴油机。1)火焰在壁面淬冷火焰淬冷的形成方式有两种,即单壁淬冷和双壁淬冷。前者是火焰接近气缸壁时,由
6、于缸壁附近混合气温度较低,使气缸壁面上薄薄的边界层内的温度降低到混合气自燃温度以下,导致火焰熄灭,边界层内的混合气未燃烧或未燃烧完全就直接进入排气而形成未燃HC,此边界层称为淬熄层,发动机正常运转时,其厚度在0.050.4mm之间变动,在小负荷时或温度较低时淬熄层较厚;后者是在活塞顶部和气缸壁所组成的很小的环形间隙中,火焰传不进去,使其中的混合气不能燃烧,在膨胀过程中逸出形成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,大部分会向燃烧室中心扩散并完成氧化反应,使未燃HC的浓度大大降低。但是在发动机冷起动、暖机和怠速等工况下,因燃烧室壁面温度较低,形成的淬熄层较厚,同时已燃气
7、体温度较低及混合气较浓,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)狭隙效应在车用发动机的燃烧室内有如图2-7所示的各种狭窄的间隙,如活塞组与气缸壁之间的间隙、火花塞中心电极与绝缘子根部周围狭窄空间和火花塞螺纹之间的间隙、进排气门与气门座面形成的密封带狭缝、气缸盖垫片处的间隙等,当间隙小到一定程度,火焰不能进入便会产生未燃HC。在压缩过程中,缸内压力上升,未燃混合气挤入各间隙中,这些间隙的容积很小但具有很大的面容比,进入其中的未燃混合气因传热而使温度下降。在燃烧过程中压力继续上升,又有一部分未燃混合气进入各间隙。当火焰到达间隙处时,火焰有可能传入使间隙内的混合气得到
8、全部或部分燃烧(在入口较大时),但也有可能火焰因淬冷而熄灭,使间隙中混合气不能燃烧。随着膨胀过程开始,气缸内压力不断下降。大约从压缩上止点后15CA开始,间隙内气体返回气缸内,这时气缸内温度已下降,氧的浓度也很低,流回气缸的可燃气再氧化的比例不大,一半以上的未燃HC直接排出气缸。狭隙效应产生的HC排放可占其总量的50%70%。图2-7 汽油机燃烧室内未燃HC的可能来源1-润滑油膜的吸附及解吸;2-火花塞附近的狭隙和死区;3-冷激层;4-气门座死区;5-火焰熄灭(如混和气太稀、湍流太强);6-沉积物的吸附及解吸;7-活塞环和环岸死区;8-气缸盖衬垫缸孔死区3)润滑油膜对燃油蒸汽的吸附与解吸在进气
9、过程中,气缸壁面和活塞顶面上的润滑油膜溶解和吸收了进入气缸的可燃混合气中的碳氢化合物蒸汽,直至达到其环境压力下的饱和状态,这种溶解和吸收过程在压缩和燃烧过程中的较高压力下继续进行。在燃烧过程中,当燃烧室燃气中的HC浓度由于燃烧而下降至很低时,油膜中的HC开始向已燃气解吸,此过程将持续到膨胀和排气过程。一部分解吸的燃油蒸汽与高温的燃烧产物混合并被氧化;其余部分与较低温度的燃气混合,因不能氧化而成为HC排放源。这种类型的HC排放与燃油在润滑油中的溶解度成正比。使用不同的燃料和润滑油,对HC排放的影响不同,使用气体燃料则不会生成这种类型的HC。润滑油温度升高,使燃油在其中的溶解度下降,于是降低了润滑
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- 发动机 排放 污染物 生成 机理
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