当前课程知识点：汽车发动机原理 > 第九章：有害排放物生成机理与排放控制 > 9.2.3 PM和Soot的生成机理 > Video
同学们好
这节课我们学习
“有害排放物颗粒物和碳烟的生成机理”
由于化油器汽油机
和进气道喷射汽油机
有充裕的时间
在着火之前形成均质的预混合气
因此这两种汽油机
极少产生碳烟和颗粒物
而缸内直喷汽油机
由于混合气形成时间较短
很难在点火前形成
完全均质的预混合气
因此其碳烟和颗粒物排放问题比较突出
柴油机采用边喷 边混
边燃的扩散燃烧方式
这就决定了柴油机产生碳烟
和颗粒物是不可避免的
研究表明
不管是柴油机还是缸内直喷汽油机
其碳烟和颗粒物生成机理相似
都是在高温缺氧条件下形成的
下面主要以柴油机为例
分别对颗粒物和碳烟的
基本特征及其生成机理进行介绍
首先介绍颗粒物的基本特征
1）颗粒物的构成与主要成分
如图所示
柴油机颗粒物主要由三部分组成
也就是碳烟（soot）
可溶性有机物（SOF）和硫酸盐
碳烟是以碳为主体的
不完全燃烧产物
SOF成分主要是燃料
和窜入气缸中的润滑油
不完全燃烧剩余的重馏分THC
硫酸盐来源于燃料
和润滑油中的含硫
颗粒物也包括其它金属盐
和燃烧室金属表面脱落物
如图所示
PM的核心是多个碳粒
聚集成不规则的链状
在其表面附着了
可溶性有机物和硫酸盐
颗粒物中碳烟
可溶性有机物和硫酸盐三种成分
随工况 发动机类型
燃烧特性以及油品特性等因素变化的
图所示给出了一重型柴油车
采用美国联邦测试循环
所作的试验结果
原机的颗粒物排放质量为0.48g/(kW·h)
其中碳烟占64%
可溶性有机物（SOF）占26%
硫酸盐占10%
通过改进喷油系统
和燃烧系统以及换用
含硫量0.04%的低硫柴油后
由于碳烟和硫酸盐明显降低
使得颗粒物的排放质量
降为0.18g/(kW·h)
其中降低幅度较小的
可溶性有机物（SOF）
的比率却由此升高到了49%
需要强调的是
碳烟与颗粒物的关系
是一个经常被混淆的问题
不少资料中将两者混为一谈
事实上
碳烟只是颗粒物的
主要组成部分之一
柴油机在高负荷工作时
碳烟在颗粒物中所占比例较高
而中低负荷时则比例比较低
经常低于可溶性有机物（SOF）所占比例
2）颗粒物的粒径与排放数量
柴油机排放颗粒物的粒径
与燃烧过程有密切关系
上世纪80年代前的
车用柴油机颗粒物粒径
在1～10μm范围内
随高压喷射技术的采用
和油气混合过程的改善
目前颗粒物粒径大都在1μm以下
从欧Ⅰ到欧Ⅳ排放阶段
车用柴油机颗粒物的排放质量
平均降低了90%以上
但研究表明
其排放数量可能并未降低
甚至有所上升
如前所述
小于10μm的颗粒物
记为PM10 称为可吸入颗粒物
对人体有危害
但其中小于0.5μm的颗粒物
最容易被吸入肺部并难以清除
对人体危害最大
因此近年来对颗粒物排放数量
以及纳米颗粒物的研究逐渐重视
欧Ⅵ排放法规
已开始限制颗粒物排放数量
图所示为典型柴油机颗粒物
排放的粒径分布
按粒径大小可分为四个区域
纳米颗粒 超细颗粒
细颗粒和PM10粗颗粒
按形态不同可分为三类
核态 凝聚态和粗糙态
不论从颗粒物质量
还是颗粒物数量上看
1μm以下的颗粒都占了绝大多数
从图中可以看出
颗粒物粒径分布呈双峰形态
分别对应核态和凝聚态
说明颗粒物质量排放的主体
是凝聚态颗粒物
数量排放的主体是核态颗粒物
核态颗粒物尽管质量小
但数量多
而凝聚态颗粒物尽管数量少
但质量大
因此这两种形态颗粒物的表面积都大
有双峰现象
对人体呼吸系统接触
造成的损伤均不可忽视
核态颗粒主要由碳烟
碳氢 灰分 含水硫酸等组成
粒径范围为1nm～50nm
常见粒径范围3nm～30nm
尽管核态颗粒只占颗粒
排放总质量的0.1%～10%
但数量超过90%
凝聚态颗粒主要由碳烟
可溶性有机物和硫酸盐组成
粒径范围为30nm～500nm
凝聚态颗粒
占颗粒排放总质量的80%以上
但排放数量不到10%
粗糙态颗粒主要来源于燃烧室
和排气系统的积碳脱落
以及燃料喷雾质量不好
或异常喷射造成的较大碳烟颗粒
其粒径超过1μm
占颗粒排放总质量的5%～20%
但对颗粒排放数量基本没有贡献
最后介绍碳烟和颗粒物生成机理
如图所示
柴油机的颗粒生成过程
可分为三个阶段
即碳烟生成
碳烟氧化以及颗粒形成阶段
碳烟生成阶段包含复杂的
气相化学反应过程
物理化学成核过程
其机理尚未完全搞清
而由碳烟演变为颗粒物的过程
更加复杂
至今人们尚不能
详细解析其中的过程
需要进一步研究
1）碳烟生成阶段
关于碳烟的生成机理
概括地说是烃类燃料
在高温缺氧条件下裂解生成的
但其详细的机理
即从燃油分子到生成碳烟颗粒
整个过程中的化学动力学反应
及物理变化过程尚不十分清楚
如图所示
内燃机燃烧中碳烟生成的
主要途径是气相析出
其余是少量的残碳所致
残碳型碳烟生成机理
当粒径较大的燃油
喷射到高温的空气中时
轻质烃很快蒸发气化
而重质烃会以液态暂时存在
液态的重质烃在高温缺氧条件下
直接脱氢碳化
形成多孔状的碳粒
一般为几微米到十几微米
在柴油喷雾粒径过大
和重馏分较高情况下
容易产生残碳型碳烟
因而在过去喷油压力不高的柴油机
以及使用馏分较重燃料的柴油机上
残碳型碳烟是一个不容忽视的
碳烟生成途径
气相析出型碳烟生成机理
气相析出型碳烟是现代柴油机
碳烟生成的主要途径
目前主流的解释是
多环芳香烃中间体说
假设柴油液滴在燃烧前
全部蒸发气化
气相的燃油分子在高温缺氧条件下
发生部分氧化和裂解
生成各种不饱和烃类
如乙烯 乙炔及其较高C类的同类物
依据多环芳烃中间体说的
生成路径之一
如式（1） 式 (2)所示
乙烯脱氢生成环烷烃
环烷烃脱氢成为芳香烃
并进一步将氢原子
从苯环上解吸附而加上乙炔分子
简称HACA过程
生成多环芳烃
多环芳烃继续脱氢与缩合
形成高分子碳黑物质
经过上述气相化学反应过程
产生的碳黑逐渐聚合成
粒径为2nm左右的碳核
气相烃在碳核表面的凝聚
和脱氢碳化反应
使碳核继续增大
成为粒径为20～30nm
近似球型的基本碳粒
其内部结构与石墨相似
这些细小碳粒经过相互集聚形成
粒径数十纳米大数百纳米不等的
链状多孔聚合物
至此
碳烟的成核长大过程结束
上述气相反应过程加上
成核长大过程
构成了所谓的碳烟生成阶段
2）碳烟氧化阶段
前期燃烧已经生成的碳烟
如果在后期能遇到足够的
氧化氛围和高温
会通过氧化反应而缩小
甚至完全氧化掉
图所示给出了在燃烧室内不同位置
直接采样得到的碳烟浓度
随曲柄转角的变化过程
说明大部分碳烟在排出气缸之前
被氧化掉
碳烟一般在
600℃以上的温度中就可氧化
燃烧后期缸内温度是足够的
其氧化多少取决于
是否有足够的氧气或OH等氧化剂
和反应时间
3）颗粒物形成阶段
燃烧过程中生成的碳烟在膨胀
和排气过程直接排入大气过程中
随周围气体温度的降低
未燃碳氢化合物
主要是重馏分的
硫酸盐以及水分等
在碳烟上吸附凝聚
形成图所示的排气颗粒物
其中
硫酸盐是由排气中的SO3
遇水变成硫酸盐而来
随发动机工况不同
有1%～3%的SO2在排气中转变为SO3
最终变为硫酸盐
成为颗粒物的一部分
其余的SO2以气体状态排入大气
随着燃油中硫含量的下降
硫酸盐在颗粒物中的比例
也会相应下降
大量试验表明
柴油机碳氢排放高时
往往伴随着颗粒物中
可溶性有机物的增多
关于颗粒物和碳烟的
生成机理就介绍到这里
同学们 再见
-0.1 总论
--Video
-0.2 车用发动机的种类
--Video
-1.1 示功图及其测取
--Video
-1.2 四冲程发动机示功图分析
--Video
-1.3 二冲程发动机示功图分析
--Video
-1.4 性能指标分类与循环指示功
--Video
-1.5 动力、经济性能指标与测定换算
--Video
-1.6 影响动力、经济性能指标的环节和因素
--Video
-第一章习题(计入课程成绩)--作业
-2.0 导论
--Video
-2.1 燃料的分类
--Video
-2.2 汽油、柴油的炼制
--Video
-2.3 汽油的理化特性
--Video
-2.4 柴油的理化特性
--Video
-2.5 燃料构成与理化特性
--Video
-2.6 汽油、柴油质量标准
--Video
-2.7 燃料与发动机工作模式
--Video
-2.8 工质主要热力参数
--Video
-2.9 燃烧热化学
--Video
-第二章习题(计入课程成绩)--作业
-3.0 导论
--Video
-3.1 热力过程与热机循环的简化
--Video
-3.2 理论循环分类及循环热效率
--Video
-3.3 理论循环热力参数对热效率的影响
--Video
-3.4 工质对循环热效率的影响
--Video
-3.5 真实循环对热效率的影响
--Video
-3.6 机械损失的构成
--Video
-3.7 机械损失的测量方法
--Video
-3.8 机械效率的影响因素
--Video
-3.9 发动机的能量分配与转化效率
--Video
-3.10 发动机的节能途径与技术
--Video
-第三章：工作循环与能量利用--第三章习题(计入课程成绩)
-4.0 导论
--Video
-4.1 四冲程发动机换气系统及换气过程
--Video
-4.2 配气相位对发动机性能的影响
--Video
-4.3 充量系数的解析式
--Video
-4.4 进气阻力对充量系数的影响
--Video
-4.5 其他因素对充量系数的影响
--Video
-4.6 充量系数的速度特性
--Video
-4.7 压力波及其传播特性
--Video
-4.8 单缸机的进排气动态效应
--Video
-4.9 多缸机的进排气动态效应与进气不均匀性
--Video
-4.10 四冲程发动机增压系统及性能
--Video
-4.11 二冲程发动机的换气过程与换气质量
--Video
-第四章习题(计入课程成绩)--作业
-5.0 导论
--Video
-5.1 发动机运行工况
--Video
-5.2 发动机特性曲线分类
--Video
-5.3 发动机速度特性
--Video
-5.4 发动机负荷特性
--Video
-5.5 发动机全特性
--Video
-5.6 发动机外特性与整车动力性
--Video
-5.7 发动机全特性与整车经济性
--Video
-5.8 混合动力专用发动机及其运行特性
--Video
-第五章习题(计入课程成绩)--作业
-期中考试（只有一次答题机会！）--期中测试题（占30%总分）
-6.0 导论
--Video
-6.1 燃烧现象及其分类
--Video
-6.2 可燃混合气的着火与着火理论
--Video
-6.3 湍流及其在燃烧中的作用
--Video
-6.4 均质混合气中的火焰传播
--Video
-6.5 液体燃料的雾化
--Video
-6.6 油滴的蒸发与燃烧
--Video
-6.7 示功图与燃烧放热率
--Video
-第六章习题(计入课程成绩)--作业
-7.1 柴油机燃烧过程分析
--Video
-7.2 柴油机燃烧放热规律
--Video
-7.3 柴油机燃油喷射系统
--Video
-7.4 柴油机喷油过程
--Video
-7.5 柴油机缸内气流运动
--Video
-7.6 柴油机燃烧室的分类及其特性
--Video
-7.7 柴油机混合气形成方式
--Video
-7.8 柴油机粗暴燃烧与燃烧噪声
--Video
-第七章习题(计入课程成绩)--作业
-8.1 汽油机燃烧过程分析
--Video
-8.2 汽油机的不正常燃烧：爆燃和表面点火
--Video
-8.3 汽油机的不规则燃烧：循环波动和各缸不均匀性
--Video
-8.4 汽油机燃油喷射系统及其演变
--Video
-8.5 非直喷汽油机燃烧室及其特性
--Video
-8.6 汽油机进气道喷射与混合气形成
--Video
-8.7 汽油机缸内直喷与混合气形成
--Video
-第八章习题(计入课程成绩)--作业
-9.1 有害排放物种类及其危害
--Video
-9.2.1 NO的生成机理
--Video
-9.2.2 CO和HC的生成机理
--Video
-9.2.3 PM和Soot的生成机理
--Video
-9.3 有害排放物生成的影响因素
--Video
-9.4 汽油机机内净化技术
--Video
-9.5 柴油机机内净化技术
--Video
-9.6 汽油机后处理技术
--Video
-9.7 柴油机后处理技术
--Video
-第九章习题(计入课程成绩)--作业
-10.1 燃烧模式及其分类
--Video
-10.2 汽油机均质混合气压燃（HCCI）模式
--Video
-10.3 柴油机均质混合气压燃（HCCI）模式
--Video
-10.4 内燃机部分预混压燃（PCCI）模式
--Video
-10.5 均质混合气引燃（HCII）模式
--Video
-10.6 天然气发动机
--Video
-10.7 氢燃料发动机
--Video
-10.8 二甲醚发动机
--Video
-10.9 甲醇发动机
--Video
-10.10 乙醇发动机
--Video
-10.11 生物柴油发动机
--Video
-第十章习题(计入课程成绩)--作业
-期末考试--期末测试题（占30%总分）
