第2章内燃机排放污染物的生成机理和影响因素
第2章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素
2、大气压力的影响
❖ 当忽略空气中饱和水蒸气压时，空气密度ρ
可表示为：
❖ ρ= 1.293
273p
kg/m3
(273+T)760
❖ 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。
3、进气管真空度的影响
柴油机一氧化碳的生成机理
Φa =1.5～3，
CO排放量要比汽油机低得多。
Φa =1.2～1.3，
CO的排放量才大量增加。
由图可以看出 Φa =1.5～3， CO排放量要比汽油机 低得多。 Φa =1.2～1.3， CO的排放量才大量增 加。 小负荷时尽管Φa很大， CO排放量反而上升。
柴油机CO排放量xCO与 过量空气系数 Φa的关系
➢ CO、HC、NOX（NO、N2O、NO2等） ➢ CO2、CH4 ➢ PM ➢ SOX、醇类、醛类(RCHO)﹑3,4－苯并芘 ➢ 其他未知污染物，e.g. odor, et al.
二、内燃机排放的二次污染Secondary Pollution
➢ 光化学烟雾 photochemical smog ➢ 空气能见度 visibility ➢ 酸雨 acid rain ➢ 地表水酸化 water acidification
……
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
环境污染与内燃机排放污染物
高效低排放技术
01
通过改进内燃机设计和制造工艺，提高内燃机的燃烧效率，降
低污染物排放。使用更清洁的燃料，如生物燃料、氢燃料等，替代传统
的化石燃料，减少污染物排放。
排放后处理技术
03
采用先进的排放后处理技术，如催化转化器、颗粒物捕集器等
，对内燃机排放的污染物进行净化处理。
城市生活垃圾
城市生活中产生的垃圾，如生活垃圾、厨余垃圾等，如处 理不当，会对环境造成严重污染。
环境污染的治理与控制
01
02
03
立法控制
制定严格的环保法规和标 准，限制污染物排放，加 大对违法行为的处罚力度 。
技术革新
推广环保技术和清洁能源 ，鼓励企业进行技术改造 和升级，减少污染物排放 。
宣传教育
环境污染与内燃机排放污染 物
目录
• 环境污染概述 • 内燃机排放污染物 • 环境污染与内燃机排放污染物的关系 • 内燃机排放污染物的治理措施 • 未来展望
01
环境污染概述
环境污染的定义与分类
定义
环境污染是指人类活动对环境造 成的负面影响，包括空气、水、 土壤和生物多样性等方面。
分类
环境污染可分为空气污染、水污 染、土壤污染和噪音污染等类型 。
清洁能源替代
推广电动汽车
鼓励发展电动汽车，逐步替代传统的燃油汽车，减少内燃机 的使用。
发展可再生能源
加大对可再生能源的研发和推广力度，如太阳能、风能等， 减少对化石燃料的依赖。
高效内燃机研发与推广
研发高效内燃机技术
鼓励企业加大在内燃机技术研发方面 的投入，提高内燃机的燃烧效率和减 排效果。
推广低排放内燃机
人类健康问题
内燃机排放的污染物对人体健康产生严重影响，如空气污染导致呼吸 道疾病、心血管疾病等的发生率增加。
碳氢化合物HC
当达到某一限值，气 缸内出现概率越来越大的 缺火循环。 由于燃料未经燃烧就 排出排气管，HC排放急 剧增加，这时的对应燃烧 稀限。
断增加。
1、冷激效应
壁面淬熄
在燃烧过程中，燃气温度高达 2000ºC以上的燃烧室内有各种
很狭窄的缝隙，如活塞组与气缸壁 之间的间隙、火花塞中心电极与绝
在燃烧过程中，油膜中的HC开 在进气过程中，气缸壁面和 活塞顶面上的润滑油膜溶解和吸
始向已燃气解吸。
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
收了进入气缸的可燃混合气中的
碳氢化合物蒸汽。
分与较低温度的燃气混合未被氧化。
吸附 解吸
由润滑油膜吸附和解吸机理产生的未燃HC排放占其总量的25%左右。
0.63×10-6～1.04×10-6。
因此提高冷却介质温度有利于减弱壁面激冷效应，降低
HC排放。
6、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随 之增大，激冷层中的未燃烃总量必然也增大。
因此，小面容比燃烧室有利于降低汽油机HC的排放。
2.2.3 影响柴油机碳氢化合物生成的因素
01
压力室容积的影响
• 排气温度低，使壁面温度 降低，激冷效应增加，HC 排放增多。
3、点火定时的影响
减少点火提
前角，燃烧推迟，
排气温度升高， 促进了未燃烧HC 的后期氧化。
同时，也减
少了激冷壁面面
积，HC排放下降。
4、负荷的影响
• 在发动机冷起动时，由于温度低，汽油挥发率低，必须加浓
混合气使起动迅速可靠，此时，HC排放量必然较多。
• 在怠速和小负荷运行时，节气门几乎关闭和小开度位臵，残余废气相对
较多，同时，由于燃烧室温度低，壁面激冷效应增加，HC排放增多。
内燃机排放污染物减排技术
内燃机排放污染物减排技术第一章入门介绍随着现代工业的迅猛发展，包括交通工具在内的众多机器设备来越多的被大量使用。
机器设备的使用虽然给人们的生产和生活带来了便利，但机器设备所产生的废气却对环境造成了极大的破坏。
其中，排放出的废气不仅含有对人体健康有害的物质，也会导致大气污染加重。
内燃机引擎是许多机器设备所使用的动力源，因此，在减少内燃机引擎废气排放方面有着重要的意义。
第二章内燃机排放污染物的组成内燃机排放污染物主要包括氧化物、一氧化碳、碳氢化合物、颗粒物等。
其中氧化物是指氮氧化物，它们的排放量与燃料消耗量、发动机工作负荷及运转工况有关。
氮氧化物能影响人体的各个系统，对环境引起的影响主要表现为光化学污染和温室效应等。
一氧化碳和碳氢化合物是内燃机废气中的主要污染物，它们通过光化学反应转化成有害的二次污染物，同时也影响人体和环境健康。
颗粒物是指内燃机排放废气中固态物质的总和，也是大气污染的主要成分之一。
第三章内燃机排放污染物减排技术为了减少内燃机废气排放对人体和环境造成的危害，科学家和工程师们开展了众多研究，提出了许多减排技术。
下面，我们详细介绍其中的几个减排技术。
3.1 选择催化剂减少污染物催化转化是一种先进的内燃机废气净化技术。
这种技术可使用高效的催化剂，通过一定的反应将有害物质转化成无害水和二氧化碳，从而实现减少内燃机废气排放的目的。
在这个过程中，铂、钯等催化剂起着主导作用，这些催化剂能够快速将有害气态污染物转化为无害物质，如将氮氧化物转化成氮气、碳氢化合物转化为水和二氧化碳等。
3.2 废气再循环技术废气再循环技术是指在内燃机运转过程中，将一部分尾气重新引回燃烧室与进气混合物混合，从而降低气缸内的燃烧温度，减少氮氧化物的生成。
这种技术在汽车工业中得到广泛使用。
通过引导一部分排放废气回到进气道中，可以使燃烧过程中温度变低，从而降低氧化物和颗粒物的排放量，并且不会影响汽车的行驶性能。
3.3 燃烧管理和燃料喷射技术燃烧管理技术通过在燃烧室内控制燃料的混合比例和燃烧方式来减少氮氧化物和碳氢化合物的生成。
柴油机排放污染物生成机理与治理措施
柴油机主要排放污染物的生成机理、影响因素与治理措施摘要：通过分析柴油机在实际运行过程中CO、HC、NO X、PM等主要污染物的生成机理，总结归纳出影响这些污染物生成的主要因素，并以此为依据介绍现有的降低柴油机排放污染物的主要措施关键词：柴油机排放物生成机理影响因素治理措施1.问题描述随着科学技术的不断发展深入，更多种类和形式的能源动力机械不断问世并投入应用，但是内燃机由于其应用的稳定性和广泛的适用性在如此环境下依旧在能源动力领域占据着龙头位置。
因此内燃机仍然是能源动力领域中首选的动力机械。
而内燃机中最典型突出的代表则为车用的往复式活塞内燃机。
根据其使用燃料种类的不同可以分为汽油机和柴油机两种。
相比于汽油机，柴油机具有燃油消耗低、耐久性好、寿命长、高扭矩输出、功率范围广等优点，因此柴油机在各行业里得到广泛的应用：在重型动力装置中,柴油机应用领域已经占绝对统治地位,在小型轿车等轻型车辆中,柴油机的应用也逐渐渗透。
但是由于柴油机的广泛应用而带来的环境污染问题也越来越严重并且越发受到世人关注。
柴油机排气污染物主要成分有一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NO X）、硫化物以及颗粒物（PM）等。
由于柴油机采取的质调节方式，因此其混合气的平均空燃比远大于理论空燃比，故其CO与HC排放明显低于汽油机，所以柴油机排放控制的重点在于NO X和PM。
由于各排放物生成机理不同，因此在它们各自的控制与净化措施也存在差异。
本文接下来将叙述各主要排放污染物的生成机理、影响措施与治理措施。
2.柴油机主要排放污染物的生成机理2.1.CO生成机理CO的生成主要有三种途径：一是柴油机进气与柴油喷雾混合不均匀导致局部混合气过量空气系数Φa ＜1，局部燃烧缺氧导致不完全燃烧生成CO；二是已成为燃烧产物的CO2和H2O在高温条件下产生热解反应进而生成CO；三是排气过程中HC未完全氧化生成CO。
2.2.HC生成机理排放的HC一般是未燃HC，是指没有燃烧或部分燃烧的碳氢化合物的总称。
车用内燃机主要排放污染物的生成机理与控制策略
Internal Combustion Engine &Parts1车用内燃机主要排放污染物的生成机理汽车排放物种类众多，按燃烧角度看可分为：完全燃烧产物二氧化碳（CO 2）、水蒸气（H 2O ）、氧气（O 2）、氮气（N 2）等；不完全燃烧与燃烧中间产物一氧化碳（CO ）、碳氢化合物（THC ）、氮氧化合物（NO X ）、二氧化硫（SO 2）、颗粒物（PM ）等。
可燃混合气形成与燃烧方式上的差异，导致汽油机与柴油机在排放污染物种类与排放控制策略也有所差异。
图1发动机排气污染物成分及其比例(体积分数)从图1可以看出，汽油机主要排放污染物为CO 、HC 和NO X ，柴油机主要排放污染物为NO X 和颗粒物（PM ）。
此外，目前的国六法规还对NMHC （非甲烷总烃）与PN （固体悬浮颗粒数）进行了限值要求[3]。
下面将分析排放污染物的主要生成机理。
1.1CO 的生成机理CO 主要是烃类物质的不完全燃烧产生。
具体原因有：①过量空气系数小于一时，C 不能完全氧化，CO 为未完全燃烧产物。
②过量空气系数大于一时，理论上无未完全燃烧产生的CO ，但实际燃烧过程中，混合气的不均匀会使局部区域燃烧不完全，加上壁面油膜随进气而边流动边蒸发也会造成不均匀，从而产生CO 。
③燃烧生成的CO 2高温时可解离为CO [2]。
④排期过程中，未燃碳氢化合物不完全氧化反应也生成CO 。
1.2HC 的生成机理车辆排放生成的HC 种类繁多，包含芳香烃、烯烃、烷烃以及醛类等。
与CO 类似，其主要产生原因也是燃油的不完全燃烧，此外还有燃油的挥发。
具体原因：①缸内壁面淬熄效应（占30%-50%）：低温壁面及附面层将火焰前锋面冷却，活化分子能量被吸收，燃烧链反应中断，壁面形成淬熄层[6]，冷启动与怠速时尤为明显。
②缝隙效应：在活塞与缸壁之间、缸盖、缸垫和缸体之间的窄缝、进、排气门和气门座之间、火花塞中心电极附近由于面容比很大，导致火焰难以传播，淬熄效应加剧。
车用汽油机排放污染物的生成机理及影响因素
发动机过热，使润滑效果变差，使磨损加剧。
4、积碳增多
高温裂解产生的碳粒形成积炭，
5、Ne下降、ge上升
另外，高温裂解使燃烧产物分解为CO、H2、O2、NO及游离 碳增多，排气冒烟严重。 CO、H2、O2等膨胀过程中重新燃 烧，使排温增高。
（四）影响爆燃的因素
有燃料因素、使用因素、结构因素等。 为便于分析，假定：
最高压力过早使压缩功增大，过迟散热损 失增大；过大产生振动、噪音，过小使膨胀 功减少。 压力升高率：即曲轴每转1度时，缸内气体 压力的平均升高量：
λP =△P/△θ
λP表征压力变化的急剧程度。 λP过大，发 动机振动和噪声大，工作粗暴； λP在１７ ５～２５０ＭＰa/℃A，汽油机工作柔和，性 能好。
是燃烧的准备阶段，主要进行热量的积累，缸内的压力 线与纯压缩线基本重合。
当反应的混合气的温度升高到一定程度后，形成发火
区，即火焰中心。
从火花塞跳火瞬时到活塞行至上止点时的曲轴转角， 称为点火提前角，用表示。一般为20—35ºCA。 各种因素对滞燃期长短的影响：
混合气浓度合适（=0.8~0.9最短）、火花塞跳火时缸 内压力及温度高、电火花强度大，着火延迟时间将减小。 另外，与残余废气量、缸内混合气的运动等因素有关。
3）由于火焰传播燃烧是一系列的等压燃烧，气缸内压 力越来越高，未燃气体受已 燃气体膨胀作用的压力， 其密度也越来越大。
已燃气体的质量与体积的关系
汽油机的排气成分
1.大气成分——N2和剩余的O2 2.完全燃料产物——CO2和H2O 3.不完全燃烧产物——CO、H2 4.未燃烃及燃烧分解生成物HC 5.燃烧中间产物——醛类 6.氮氧化合物——NOx 7.颗粒物
2．高温离解反应
第2章汽车排放污染物的生成机理和影响因素
SDJT UNIVERSITY
燃料与空气混合不均匀，局部缺氧和低温，燃 烧区停留时间较短，小负荷时尽管Φa很大， CO排放量反而上升。
第2章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素
影响一氧化碳生成的因素
SDJT UNIVERSITY
第2章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素
SDJT UNIVERSITY
NO2的生成机理
汽油机排气中的NO2浓度与NO的浓度相 比可忽略不计，但在柴油机中NO2可占 到排气中总NOX的10%～30%。
SDJT UNIVERSITY
NO ＋ HO2 → NO2 ＋ OH
NO2＋O → NO＋O2
第2章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素
影响NOX生成的因素
Φa <1时，由于缺氧即使燃烧室内温 度很高 NOX的生成量仍会随着的降低 过量空气系数和燃烧室 而降低，此时氧浓度起着决定性作 温度的影响 用。 点火提前角的减小， NO 排放量不断下 Φa>1 时，温度起着决定性作用，NOX 残余废气分数的影响 降。 生成量随温度升高而迅速增大。最 高温度通常出现在Φa ≈1.1，且有适 废气分数增大，减小了可燃气的发热 量的氧浓度，故NOX排放浓度出现峰 量，增大了混合气的比热容，使最高 值。Φa 进一步增大，温度下降的作 点火时刻的影响 燃烧温度下降，NO排放降低。 用占优势，NO生成量减少。
Φa =1.0～1.1时，CO的排放量变化较复杂。
第2章 汽车排放污染物的生成机理和影响因素
柴油机一氧化碳的生成机理
Φa =1.5～3，
SDJT UNIVERSITY
CO排放量要比汽油机低得多。
Φa =1.2～1.3，
CO的排放量才大量增加。
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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过量空气系数。
➢ 空燃比(A/F)：是指可燃混合气中空气与燃料的质量比。理 论上，1kg汽油完全燃烧需要空气14.7kg。故对于汽油机 而言，空燃比为14.7的可燃混合气可成为理论混合气。若 可燃混合气的空燃比小于14.7，则意味着其中汽油含量有 余（亦即空气量不足），可称之为浓混合气。同理，空燃 比大于14.7的可燃混合气则可称为稀混合气，应当指出， 对于不同的燃料，其理论空燃比数值是不同的。
➢ 在无甲烷碳氢化合物之外，还有含氧有机化合物 ，如醇类、醛类、酮类、酚类、酯类以及其它衍 生物（尤其是当内燃机使用含氧代用燃料时，这 些排放物较多），它们往往更加具有活性，把无 甲烷碳氢化合物加上羰酰类通称为无甲烷有机气 体(NMOG，non methane organic gas) 。对汽 油机来说，羰基化合物一般只占THC排放物的百 分之几，而在柴油机中，醛类就可能占THC的10 ％左右，而且醛类中甲醛约占20％，使柴油机排 气比汽油机更具刺激性。
➢ 但同时甲烷也是导致温室效应的气体，其致热势是 CO2的32倍，因此，对HC排放的限制中是否要考虑甲烷 排放的问题，国际上并不统一，美国采用无甲烷碳氢化
合物NMHC作为HC排放的评价指标，而包括中国、日本 和欧洲各国在内的大部分国家，都将总碳氢化合物THC 作为HC排放的评价指标。
名称 总碳氢化合物（THC） 无甲烷碳氢化合物（NMHC） 无甲烷有机气体（NMOG）
汽油机CO排放量xCO与空燃比α及过量空气系数Φa的关系
由上图可以看出
Φa <1时 ，因缺氧引起不完全燃烧，CO体积
分数co随a的减小不断增加。 Φa >1时 ， CO体积分数co 很小。 Φa =1.0～1.1时，co随a略微变化。
注意：点燃式内燃机排气中的CO水平低于燃烧室中的最大值： 部分CO在排气和膨胀工程中发生再次燃烧被消耗导致。
定义
所有碳氢化合物 成分的总量
除去甲烷的碳氢 化合物成分
无甲烷碳氢化合 物加羰酰类
适用范围 中国、日本和欧洲等大多数国
家 美国联邦及其它适应国
美国加州LEV法规
2.2.1 汽油机未燃HC的生成机理
汽油机燃烧室中HC的生成主要有以下几条途径：。 1、多种原因造成的不完全燃烧； 2、燃烧室壁面的淬熄效应； 3、燃烧过程中的狭隙效应； 4、四是燃烧室壁面润滑油膜和多孔性积碳的吸附和 解吸作用。
第2章内燃机排放污染物 的生成机理和影响因素
2020年6月6日星期六
2.1 一氧化碳的生成机理
汽车尾气中CO的产生是燃烧不充分所 致，是氧气不足而生成的中间产物。
形成原因 汽油机—主要是由可燃混合气过浓造成的。 柴油机—主要是由燃烧室内部缺氧或温度过低造成的
➢一般烃燃料的燃烧反应可经以下过程：
燃气中的氧足够时有：
怠速时：加浓过多会排放大量CO
2.2 碳氢化合物的生成机理
汽油机未燃HC的生成与排放有三个渠道：
1) HC的排气排放物：在燃烧过程中生成并随排气排 出。组织气缸扫气时，部分混合气直接进入排气。
2) 曲轴箱排放物：通过活塞与气缸之间的各间隙漏 入曲轴箱的窜气，如果排入大气也构成HC排放物。
3)蒸发排放物：从汽油箱等处蒸发的汽油蒸气，如果 排入大气同样构成HC排放物。
2. 壁面淬熄效应
冷激效应的定义：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。
1.不完全燃烧
在以预均匀混合气进行燃烧的汽油机中，HC与 CO一样，也是一种不完全燃烧（氧化）的产物。大 量试验表明，碳氢燃料的氧化根据其温度、压力、 混合比、燃料种类及分子结构的不同而有着不同的 特点。各种烃燃料的燃烧实质是烃的一系列氧化反 应，这一系列的氧化反应有随着温度而拓宽的一个 浓限和稀限，混合气过浓或过稀以及温度过低将可 能导致燃烧不完全或失火。
化学反应机理（控制因素）：
CO是不完全燃烧的产物之一。若能组织良好的燃烧过 程，即具备充足的氧气、充分的混合，足够高的温度和较 长的滞留时间，中间产物CO最终会燃烧完毕，生成CO2或 H2O。
因此控制CO的排放不是企图抑制它的形成，而是努力 使之完全燃烧
燃料的氧化速率取决于： 1、可用的氧浓度 2、反应的温度 3、化学反应占有的时间（决定于发动机的转速）
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。
CO化学反应机理（生成机理）： 1.认为，CO生成步骤如下（R代表烃基）：
RCO通过热分解或氧化生成CO：
2.CO是碳氢化合物燃料在燃烧过程中生成的主要中间产 物，最终生成情况视氧气浓度而定 CO继续氧化成CO2：
不同Байду номын сангаас况的CO排放：
汽油机部分负荷(常用工况)： a接近l，CO排放量不高。但 多缸机如各缸a不同，有的气缸a＜1，CO排放量增加。
全负荷、冷起动时：混合气是浓的，a可小到0.8甚至更低， CO排放量很大。
加速时：如果加浓过多，或者减速时不断油，即在瞬态运转 工况下供油量控制不精确，会导致CO排放量剧增
柴油机排出的未燃HC全由燃烧过程产生。
汽油车排放的来源
➢ 内燃机排放的总碳氢化合物(THC，total hydrocarbon)包括种类繁多的化合物，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。
➢ THC中含有很大一部分甲烷(CH4)，甲烷是化学反 应很不活跃的气体，对臭氧的生成影响很小，用 催化剂净化的难度却很大，所以在美国的排放标 准中有一个无甲烷碳氢化合物(NMHC，non methane hydrocarbon)这一指标，认为用 NMHC描述HC对环境的危害比THC更确切。