柴油车排气污染物的生成机理和影响因素分析

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摘 要：随着机动车保有量的激增，我国的机动车污染物排放总量持续攀升。2012年全国机动车碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物排放量是2002年相应污染物排放总量的2.51、2.52和3.01倍。事实上，汽车所产生的空气污染量比任何其他单一的人类活动产生的空气污染量都多。人类必须认识到环境保护的重要性，尽全力保护我们赖以生存的环境。我们以柴油车为例分析一下排气污染物的生成机理和影响因素。

关键词：柴油车排气污染物 氮氧化物 碳氢化合物

1 柴油车主要排放污染物

柴油车主要的排放污染物以及与交通源相关的主要污染物有：一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物和微粒等。

一氧化碳纯品为无色、无臭、无刺激性的气体，是燃料不完全燃烧的产物。

碳氢化合物包括未燃和未完全燃烧的燃油、油及其裂解产物和部分燃料的氧化物。

氮氧化物主要是指一氧化氮、二氧化氮的总称。汽车尾气中氮氧化物的排放量取决于气缸内燃烧温度、燃烧时间和空燃比等因素。

固体悬浮颗粒的成分很复杂，并具有较强的吸附能力，而且悬浮颗粒越小，吸附能力越强危害也越大。

2 柴油车排气污染物的生成机理和影响因素

2.1 一氧化碳

2.1.1 一氧化碳的生成机理

一氧化碳是燃料不完全燃烧的产物，完全燃烧的产物是 CO2。由于柴油机的大部分运转工况过量空气系数都比较大，故其一氧化碳排放量要比汽油机低得多，只有在大负荷接近冒烟界限时，一氧化碳的排放量才急剧增加。当柴油机燃料与空气混合不均匀，燃烧空间内存在局部缺氧或者温度较低的地方时，由于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，也会使CO排放量增加。这就可以解释柴油车在小负荷时尽管机内供给的空气质量很大，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。

2.1.2 一氧化碳生成的影响因素

（1）进气温度的影响

一般情况下，冬天气温可达零下20℃以下，夏天在30℃以上，爬坡时发动机罩内进气温度超过80℃。随着环境温度的上升，空气密度变小，而汽油的密度几乎不变，化油器供给的混合气的空燃比随吸入空气温度的上升而变浓，排出的CO将增加。

（2）大气压力的影响

空气密度和大气压力成正比，空燃比和空气密度的平方根成正比，所以进气管压力降低时，空气密度下降，则空燃比下降，CO排放量将增大。

（3）进气管真空度的影响

当汽车急剧减速时，发动机真空度在68kPa以上时，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，造成混和气瞬时过浓，致使燃烧状况恶化。CO浓度将显著增加到怠速时的浓度。

（4） 怠速转速的影响

提高怠速转速，可有效地降低排气中CO浓度，但是，对于液力变矩汽车来说，如果怠速转速过高可能会发生溜车的危险。如果这方面问题得到解决，一般从净化的观点，希望怠速转速规定高一点较好。

（5）发动机工况的影响

发动机负荷一定时，CO的排放量随转速增加而降低，到一定的车速后，变化不大。

2.2 碳氢化物

2.2.1 碳氢化合物的生成机理

柴油车排气中未燃的HC都是在发动机气缸内的燃烧过程中所产生的。柴油车排放污染物中的碳氢排放物中包括完全未燃烧的燃料、燃料的不完全燃烧产物，还有小部分由油不完全燃烧而生成。柴油机燃烧过程中HC的生成主要由火焰在壁面淬冷、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。

2.2.2 影响碳氢化合物生成的因素

（1） 混合气质量的影响

混合气质量的优劣主要体现在燃油的雾化蒸发程度、混合气的均匀性、空燃比和缸内残余废气系数的大小等方面。混合气的均匀性越差则HC排放越多。

（2） 柴油机运行条件的影响

①喷油时刻的影响：柴油机喷油时刻（喷油提前角）决定了气缸内的温度。喷油提前角a增大，缸内温度较高，使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，改变喷孔面积不仅改变了喷油时间的长短，并且同时改变了油雾颗粒大小和射程的远近，即影响油气混合的质量，必将导致HC排放量的变化。

③冷却水进水温度的影响：冷却水温相对降低，将导致气缸内温度降低，HC排放量会相对增加。

④进气密度的影响：进入柴油机的空气密度降低，使缸内空气量减少，燃烧不完善，HC排放量一般会增加。

2.3 氮氧化物

2.3.1 氮氧化物的生成机理

车用发动机排气中的氮氧化物NOX 包含NO 和 N2，其中大部分是NO ，它们是 N2在燃烧高温下的产物。NO 的生成主要与温度和过量空气系数有关。在稀混合气区NO 的生成主要是温度起作用；在浓混合气区主要是氧浓度起作用。在柴油机中 NO2可占到排气中总 NO2的10%～30%。目前对NO2 生成机理的研究还不透彻，大致上认为NO 在火焰区可以迅速转变成NO2 。

2.3.2 氮氧化物生成的影响因素

（1） 喷油定时的影响

柴油车机内气缸 NO生成量数值大小大致与预混燃烧期内燃烧的混合气数量成正比。喷油提前角减小，使燃烧推迟，燃烧温度较低，生成的NOX 较少。

（2） 放热规律的影响

柴油机燃烧放热规律的两种模式：传统放热规律模式和低排放放热规律模式。传统模式在压缩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尖峰。前者导致生成大量 ；而后者（缓慢拖拉的燃烧）导致柴油机热效率恶化，微粒排放增加。

（3） 负荷与转速的影响

NOX排放随负荷增大而显著增加，这是因为随负荷增大可燃混合气的平均空燃比减小，使燃烧压力和温度提高所致。柴油机转速对 排放的影响比负荷的影响小。对非增压柴油机，一般最大转矩转速下的 NOX体积分数大于标定转速下的值。

2.4 微粒

2.4.1 微粒的生成机理

柴油车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。柴油机排出的微粒比汽油机多30-60倍，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。柴油机微粒排放包括我们平日所说的白烟、蓝烟、黑烟。其中白烟、蓝烟中有较高的H/C比，其主要成份为未燃的燃料微粒，蓝烟中还有窜入燃烧室的油成份。黑烟也就是碳烟通常在大负荷时发生，烟中含有比重大、颗粒细微的碳粒子，其最小单元为片晶。

2.4.2 微粒生成的影响因素

（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高，且随负荷的增加，微粒排放量降低；而在低速大负荷时，微粒排放量又由于燃空比的增加而有所升高。

（2） 燃料的影响

柴油中的芳香烃含量及柴油的馏程对柴油机的微粒排放有明显的影响。试验表明，燃油中芳香烃含量及馏程越高，在相同的试验条件下，微粒排放量越大；而烷烃含量越高，微粒排放量越少。

（3） 喷油参数的影响

喷油参数的影响包括喷油定时、喷油规律、喷油嘴不正常喷射和喷油压力的影响.

在直喷式柴油机中，当所有其它参数不变时，提前喷油或非常迟的喷油，可以降低排气烟度。提前喷油使排烟下降的原因是：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，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NOX 排放量增加。

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，直喷式柴油机的喷油规律对NO和碳烟排放的影响。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，当大部分燃油在后半时间喷入气缸时，参与扩散燃烧的油量增多，故排烟浓度高而NO浓度低。

（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，以减少碳烟排放量。但是，对减少碳烟排放有利的涡流，不一定有利于减少其它微粒和有害物的排放。

近年来，汽车排放污染物的逐年增多不仅给我们赖以生存的环境带来了严重破坏，对人体健康同样构成了严重威胁。汽车尾气中的污染物确实给人类生存环境带来了麻烦。我们不仅要认清尾气排放污染物的危害性，更要采取科学的方法来逐渐改善汽车排放性能，降低各类污染物的排放总量从而达到营造良好环境的目的。