《发动机原理》课程教学课件（PPT讲稿）第七章 内燃机污染物的生成与控制

第七章内燃机污染物的生成与控制87.1发动机排气中的主要污染物内燃机用碳氢化合物燃料在燃烧室内完全燃烧时，只产生CO,和H，O，而没有其他有害产物。但是燃料的氧化反应不可能完全，因此排气中会出现不完全燃烧产物，如CO和未完全燃烧甚至完全未燃烧的碳氢化合物HC。而内燃机最高燃烧温度达2000°C以上，又使空气中的氮在高温下氧化生成各种氮的氧化物。CO易与血红蛋白结合，使血液的输氧能力大大降低。HC和可在阳光作用下与NOx是进行光化学反应形成一种毒性很大的光化学烟雾

第七章内燃机污染物的生成与控制 §7.1 发动机排气中的主要污染物 内燃机用碳氢化合物燃料在燃烧室内完全燃烧 时，只产生CO2和H2O，而没有其他有害产物。但是燃 料的氧化反应不可能完全，因此排气中会出现不完 全燃烧产物，如CO和未完全燃烧甚至完全未燃烧的 碳氢化合物HC。而内燃机最高燃烧温度达2000ºC以 上，又使空气中的氮在高温下氧化生成各种氮的氧 化物。 CO易与血红蛋白结合，使血液的输氧能力大大 降低。HC和可在阳光作用下与NOx是进行光化学反应， 形成一种毒性很大的光化学烟雾

在柴油机中，由于可燃混合气是在燃烧前和燃烧中的极短时间内形成的，混合不均匀程度比较严重，在高温高压环境下缺氧的燃油会发生裂解、脱氢，最后生成碳烟粒子。这些碳烟粒子又吸附了各种各样的未燃烧或不完全燃烧的重质碳氢化合物称为排气微粒PM。碳烟主要由直径0.1-10um的多孔性碳粒构成，直径0.1-0.5um的碳烟，对人体危害最大。此外，内燃机燃料中含有的硫氧化后生成SO,和SO3，是形成酸雨的因素之一。用含铅汽油的汽油机会排出对神经系统有严重毒性的铅化物。排入大气中的CO，作为温室气体会造成地球表面温度升高

在柴油机中，由于可燃混合气是在燃烧前和燃 烧中的极短时间内形成的，混合不均匀程度比较严 重，在高温高压环境下缺氧的燃油会发生裂解、脱 氢，最后生成碳烟粒子。这些碳烟粒子又吸附了各 种各样的未燃烧或不完全燃烧的重质碳氢化合物， 称为排气微粒PM。碳烟主要由直径0.1-10μm的多孔 性碳粒构成，直径0.1-0.5μm的碳烟，对人体危害 最大。 此外，内燃机燃料中含有的硫氧化后生成SO2和 SO3，是形成酸雨的因素之一。用含铅汽油的汽油机 会排出对神经系统有严重毒性的铅化物。排入大气 中的CO2作为温室气体会造成地球表面温度升高

87.2汽油机主要污染物的生成机理和影响因素汽车有害气体主要从下述途径排入大气：（1）在不同运行工况，从发动机排气管排出的气体中含有不同比例的CO、HC（约占汽油机HC总排量的55%及NOx等有害气体；（2）从曲轴箱排出以HC为主要成分（约占汽油机HC总排量的25%），并含有C0等其他成分的窜气；（3）汽油从油箱、化油器浮子室及油泵接头处蒸发，散发出HC（约占汽油机HC总排量的20%）

§7.2 汽油机主要污染物的生成机理和影响因 素 汽车有害气体主要从下述途径排入大气： （1）在不同运行工况，从发动机排气管排出的气体 中含有不同比例的CO、HC（约占汽油机HC总排量的55%） 及NOx等有害气体； （2）从曲轴箱排出以HC为主要成分（约占汽油机HC 总排量的25%），并含有CO等其他成分的窜气； （3）汽油从油箱、化油器浮子室及油泵接头处蒸 发，散发出HC（约占汽油机HC总排量的20%）

87.2.1汽油机排气污染物的生成机理.一氧化碳CO是碳氢化合物燃料在燃烧过程中生成的重要的中间产物。当空气量不足时，有部分燃料不能完全燃烧而生成CO。其反应式为：CHm+(n/2+m/4)O2=nCO+(m/2)H20控制CO排放量的重要因素是可燃混合气的过量空气系数Φ。。当Φ1时，在理论上不会产生CO，但实际上由于混合气的混合及分配不均匀，因此在排气中还会有少量的CO。即使混合气混合得很好

§7.2.1 汽油机排气污染物的生成机理 一.一氧化碳 CO是碳氢化合物燃料在燃烧过程中生成的重要 的中间产物。当空气量不足时，有部分燃料不能完 全燃烧而生成CO 。其反应式为： CnHm+(n/2+m/4)O2=nCO+(m/2)H2O 控制CO排放量的重要因素是可燃混合气的过量 空气系数Φa。当Φa1时，在理论上不会产生CO， 但实际上由于混合气的混合及分配不均匀，因此在 排气中还会有少量的CO。即使混合气混合得很好

也会由于燃烧后的温度很高，使已形成的CO分解成CO和0,，H,O也会部分分解成H和O,，其中H会使CO,还原成CO，所以排气中总会有CO存在。二，未燃碳氢化合物（HC）排气中HC的形成原因较多，形成机理也比较复杂，但HC也是燃料不完全燃烧的产物（即有未燃的也有燃料分解的产物）。例如，为了提高发动机功率，以及在低负荷时为了不使燃烧速度过低，都需要发动机在当中<1的条件下工作，从而会因空气量不足产生不完全燃烧现象。此外混合气过浓、过稀燃料雾化不良或混入废气过多时，也会因灭火或半灭火状态而使未燃部分的燃料变成HC排出

也会由于燃烧后的温度很高，使已形成的CO2分解成 CO和O2 ，H2O也会部分分解成H2和O2 ，其中H2会使 CO2还原成CO ，所以排气中总会有CO存在。 二. 未燃碳氢化合物（HC） 排气中HC的形成原因较多，形成机理也比较复 杂，但HC也是燃料不完全燃烧的产物（即有未燃的， 也有燃料分解的产物）。例如，为了提高发动机功 率，以及在低负荷时为了不使燃烧速度过低，都需 要发动机在当Φa<1的条件下工作，从而会因空气量 不足产生不完全燃烧现象。此外混合气过浓、过稀， 燃料雾化不良或混入废气过多时，也会因灭火或半 灭火状态而使未燃部分的燃料变成HC排出

HC生成主要有以下几熄层个方面的原因：(1)不完全燃烧。未燃混合气部分/燃烧(2)壁面激冷效应与缝隙效应红牌(3)壁面油膜和积碳吸附活塞(4)扫气缝隙及环椅中萍熄层图5-19活案及缸壁间缝隙的泽熄层

HC生成主要有以下几 个方面的原因： (1)不完全燃烧。 (2)壁面激冷效应与缝隙 效应 (3)壁面油膜和积碳吸附 (4)扫气

进气阀排气阀TDCTDCTDC(b)排气初期(c）排气后期(a）激冷层的形式图7-1HC的排放原理

三.氮氧化合物（NOx）的形成氮氧化合物是指NO、NO,、N,O 等的总称其中对环境危害性最大的是NO和NO，。通常提到的氮氧化物的污染，即指NO和NO,污染在发动机的排气中，NO占绝大部分（约99%）而NO,含量较少（约1%），N,0等其它氮氧化合物的含量更低。NO在大气中被氧化成毒性很强的 NO2

三.氮氧化合物（NOx）的形成 氮氧化合物是指NO、NO2、 N2O4等的总称。 其中对环境危害性最大的是NO和NO2 。通常 提到的氮氧化物的污染，即指NO和NO2污染。 在发动机的排气中，NO占绝大部分（约99%）， 而NO2含量较少（约1%），N2O4等其它氮氧化 合物的含量更低。NO在大气中被氧化成毒性 很强的NO2

1.NO的生成NO可以由空气中的氮生成（称为热NO），也可以由燃料中含氮成分生成（称燃料NO）。对于发动机，其使用的燃料中一般含氮量不到0.02%，因此排气中的NO主要是由空气中所含的氮在高温下氧化而成的。其主要反应过程为：(1)N,+0-NO+N(2)N+0,-NO+0上述反应中的氧原子是氧气在高温下分解产生的氧原子的存在诱发了NO生成的连锁反应。在整个反应过程中，（1）式起决定作用，所以氧原子浓度及反应温度对的NO生成最为重要。NO的生成量还与反应时间有关

1. NO的生成 NO可以由空气中的氮生成（称为热NO），也可 以由燃料中含氮成分生成（称燃料NO）。对于发动 机，其使用的燃料中一般含氮量不到0.02%，因此排 气中的NO主要是由空气中所含的氮在高温下氧化而 成的。其主要反应过程为： N2+O=NO+N （1） N+O2=NO+O （2） 上述反应中的氧原子是氧气在高温下分解产生的， 氧原子的存在诱发了NO生成的连锁反应。在整个反 应过程中，(1)式起决定作用，所以氧原子浓度及反 应温度对的NO生成最为重要。NO的生成量还与反应 时间有关

如果燃烧在富氧和高温下停留时间长，NO的生成量必然增加。因此富氧、高温和氧与氮在高温中的停留时间是发动机燃烧过程中NO生成的三要素2.NO,和N,O的生成NO,和N,O都不是在气缸内产生的。当废气排入大气后，温度下降（低于620°C时），NO就缓慢氧化成NO，其反应式为：2NO+O2=2NO2反应时间约2-3h。NO,的数量取决于燃烧产物和外界空气之间的扩散条件。当温度更低时（低于140°C时），NO,就会聚合成N,0，其反应方程式为：NO2 +N2O4=N204

如果燃烧在富氧和高温下停留时间长，NO的生 成量必然增加。因此富氧、高温和氧与氮在高温中 的停留时间是发动机燃烧过程中NO生成的三要素。 2. NO2和N2O4的生成 NO2和N2O4都不是在气缸内产生的。当废气排入 大气后，温度下降（低于620ºC时），NO就缓慢氧 化成NO2，其反应式为： 2NO+O2=2NO2 反应时间约2-3h。NO2的数量取决于燃烧产物和外 界空气之间的扩散条件。当温度更低时（低于 140ºC时），NO2就会聚合成N2O4，其反应方程式为： NO2 +N2O4=N2O4