当前课程知识点：大气污染控制工程 > 第十一章 机动车污染控制 > 11-2 内燃机工作原理和污染物生成机制 > 11-2-2
请同学们思考一下
如果不含其它杂质的纯品汽油在纯氧中完全燃烧
会产生哪些物质
我们可以很容易的写出这个化学方程式
汽油是碳氢燃料，与氧气反应
在提供能量的同时，产生的只有两种物质：二氧化碳和水蒸气
这两种物质都不是空气污染
当然，这是非常理想的状态
现实情况下，汽油中除碳和氢外，往往含有
铅、硫、锰等人为添加或者非人为添加的其他物质
并且燃料是和空气混合燃烧
这也引入了氧气之外的其他气体，例如氮气，等等
更为重要的是，在内燃机极短的燃烧过程中
完全燃烧很难实现
因此非完全燃烧导致的污染物也就不可避免
因此在真实世界中，汽车尾气管排放了各种各样的污染物
例如一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物
颗粒物、重金属（例如铅），等等
在进一步学习各种典型的
机动车排放大气污染物的形成机制之前
首先请同学们再温习一下本课程第二章
“燃烧与大气污染”中的一些重要概念
例如，空燃比、空气过剩系数α，等等
后续的内容会应用到这些参数
对汽油发动机而言，CO、HC和NOX是主要的空气污染物
而对柴油发动机而言
我们知道柴油发动机通常在较高的空燃比下运行
空气过剩，因此HC和CO的排放较少
我们主要关注的是颗粒物和NOX的排放
CO是燃料不完全燃烧的产物
决定CO排放量的主要因素是空燃比
空气和燃料的混合程度、内壁的淬熄效应等
CO的生成机理比较复杂，这在第二章已经介绍过
在此不再赘述
CO的产生量可通过以下化学方程进行粗略计算
首先，假设供给每摩尔燃料的氧气量
比完全燃烧所需氧气量少Z摩尔
则化学反应式如下式所示，理论上会形成2Z摩尔的CO
接着我们可以根据空气中氧气和氮气的比例
计算出燃烧产物的总摩尔数
由此可以最终计算出CO的摩尔比
汽车排放的HC多达100种以上的成分
除了不完全燃烧的产物之外
壁面的淬熄效应、壁面油膜的吸附也是HC重要的生成原因
汽油机中不完全燃烧的原因主要是在怠速、高负荷工况
急加速或者减速等工况下
容易造成可燃混合气处于过浓状态
即空气过剩系数α小于1
此外，即使α大于1，由于油气混合不均匀
也会导致局部不完全燃烧生成HC
壁面淬熄效应是指温度较低的燃烧室壁面对火焰的迅速冷却
使活化分子的能量被迅速吸收
燃烧链反应中断，在壁面形成厚约0.1-0.2毫米的
不燃烧或不完全燃烧的火焰淬熄层，从而产生大量的HC
在进气和压缩过程中
汽缸壁面上的润滑油膜以及沉积在活塞顶部
进排气门上的积碳会吸附未燃混合气
在后续的排气等过程中
由于压力的急剧的下降而脱附进入燃烧产物中
这也是生成HC的一个重要原因
除了尾气管的排放，汽油机HC还有另外一个重要的来源
蒸发排放
例如车辆运行和热浸过程中来自油箱
油路和曲轴箱等部件的排放
车辆停放过程中由于昼夜温度差异导致蒸发排放等等
近年来，虽然尾气管的HC排放得到了很好的控制
但是蒸发排放的控制效果并不理想
这也导致蒸发排放在汽油车HC总排放中所占的比重越来越高
汽车发动机燃烧过程中温度很高
因此生成的NOX以NO为主
NOX的生成机理包括热力型、瞬时型和燃料型NOX
这三种机理在第二章“燃烧与大气污染”中都有详细的讨论
请同学们温习
需要指出的是，在汽车发动机产生NOX的这3个途径中
燃料型和瞬时型的产生量都很小
热力型NOX是主要的生成来源
可以通过泽利多维奇模型进行粗略的计算
主要影响因素包括温度、空燃比（或过剩空气系数）以及停留时间
不论是汽油机还是柴油机
氮氧化物都是非常重要的排放污染
颗粒物是柴油车排放的主要污染物之一
并且排放的颗粒物直径往往基本在1微米以下的亚微米级颗粒物
化学成分非常复杂，对人体危害也很大
柴油机颗粒物主要由三部分组成
干碳烟、可溶性有机物和硫酸盐
干碳烟通常也称为黑碳
是烃类燃料在高温缺氧条件下裂解而形成的
一般认为，当燃油喷射到高温的空气中时
重质烃以液态暂时存在，在高温缺氧情况下直接脱氢碳化
成为焦炭状的液相析出型碳粒
而蒸发气化了的轻质烃，经过一系列的复杂途径
产生气相析出型碳粒，粒度相对较小
气相碳烟的生成途径如这幅图所示
首先，气相的燃油分子在高温缺氧条件下发生部分氧化和热裂解
生成乙烯、多环芳烃等各种不饱和烃类
它们不断脱氢形成原子级的碳离子
聚合成为直径约2 nm的碳烟核心，即碳核
气相的烃和其他物质在碳核表面的凝聚
以及碳核相互碰撞发生的凝聚，使碳核继续增大
成为直径20-30 nm的碳烟基元
碳烟基元进一步相互聚集
形成了直径1微米以下的球状或链状的多孔性聚合物
可溶性有机物则主要来自于
未燃烧或者未燃烧完全的柴油和润滑油
硫酸盐则主要由柴油中的硫氧化而来
因此与车用柴油硫含量密切相关
发动机的运行条件对污染物排放的影响是巨大的
以汽油发动机为例，当空气过剩系数α小于1时
处于富燃状态，含氧量不足，生成的HC和CO浓度较高
NOX浓度则相对较低
当α等于1时，处于理论空燃比条件下
燃烧充分，NOX浓度比较高
当α大于1时，处于过量空气供应的状态
CO和HC的浓度进一步下降，燃油经济性也趋于最佳状态
在高速情况下，由于燃烧温度高
因而NOX排放浓度较高
在怠速情况下，CO和HC排放浓度较高
因为此时的空燃比偏小
减速时，CO和HC的浓度也偏高
这主要是因为减速时汽油机节气门关闭
进气管中形成高度真空状态
使管壁上吸附的油膜急剧蒸发，而形成了过浓的混合气
对柴油机而言，我们所关注的PM和NOX两种关键污染物
之间有一种非常有趣的平衡关系
或者通俗的说是一种跷跷板的关系
如图所示，当空气过剩系数α逐渐减小的时候
碳烟生成量会显著增加
而由于燃烧温度下降则导致NOX会有所减少
当α增加时，碳烟排放下降，而NOX排放则随之增高
因此，对于柴油机而言
要在发动机内同时控制PM和NOX是非常困难的
续的控制技术路线往往采用发动机内控制一种污染物（例如PM）
而在后处理装置中控制另外一种污染物（例如NOX）
很好，我们已经开始进入控制机动车污染物排放的征途中了
今天的讲解就到这儿，同学们再见
-1-1 大气污染的定义和分类
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-第一章 绪论--1-1 大气污染的定义和分类
-1-2 大气污染物和排放源
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-第一章 绪论--1-2 大气污染物和排放源
-1-3 大气污染的影响
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-第一章 绪论--1-3 大气污染的影响
-1-4 大气污染防治法规及标准体系
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-第一章 绪论--1-4 大气污染防治法规及标准体系
-第一章 绪论--第一章 作业习题
-2-1 燃料的性质与分类
-第二章 燃烧与大气污染--2-1 燃料的性质与分类
-2-2 燃烧过程和计算
--燃烧过程和计算
-第二章 燃烧与大气污染--2-2 燃烧过程和计算
-2-3 硫氧化物的生成
--硫氧化物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--2-3 硫氧化物的生成
-2-4 氮氧化物的生成
--氮氧化物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--2-4 氮氧化物的生成
-2-5 颗粒物的生成
-2-5 颗粒物的生成--作业
-2-6 其他污染物的生成
--其他污染物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--2-6 其他污染物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--第二章 作业习题
-3-1 概述
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-第三章 大气污染气象学--3-1 概述
-3-2 大气的垂直结构
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-第三章 大气污染气象学--3-2 大气的垂直结构
-3-3 大气的热力过程
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-第三章 大气污染气象学--3-3 大气的热力过程
-3-4 大气稳定度与逆温
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-3-4 大气稳定度与逆温--作业
-3-5 大气的运动和风
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-第三章 大气污染气象学--3-5 大气的运动和风
-第三章 大气污染气象学--第三章 作业习题
-4-1 概述
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-第四章 大气污染浓度估算模式--4-1 概述
-4-2 点源扩散的高斯模式
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-第四章 大气污染浓度估算模式--4-2 点源扩散的高斯模式
-4-3 特殊气象和地形条件下的高斯扩散模式（选修）
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-第四章--4-3 特殊气象和地形条件下的高斯扩散模式（选修）
-4-4 点源扩散浓度的估算
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-第四章 大气污染浓度估算模式--4-4 点源扩散浓度的估算
-4-5 线源和面源扩散模式（选修）
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-第四章--4-5 线源和面源扩散模式（选修）
-4-6 空气质量模型的研究进展
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-4-7 区域空气质量模型的应用案例（选修）
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-第四章--4-7 区域空气质量模型的应用案例（选修）
-第四章 大气污染浓度估算模式--第四章 作业习题
-5-1 粒径与粒径分布
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-1 粒径与粒径分布
-5-2 颗粒物的形貌特征
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-2 颗粒物的形貌特征
-5-3 化学组成和光学性质
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-5-3 化学组成和光学性质--作业
-5-4 粉尘的物理性质
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-4 粉尘的物理性质
-5-5 净化装置的性能
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-5 净化装置的性能
-5-6 流体阻力和颗粒的沉降
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-第五章--5-6 流体阻力和颗粒的沉降
-5-7 惯性碰撞、机械拦截和扩散（选修）
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-5-7 惯性碰撞、机械拦截和扩散（选修）--作业
-第五章 颗粒污染物控制技术基础--第5章 作业习题
-6-1 重力沉降室
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-第六章 除尘装置--6-1 重力沉降室
-6-2 旋风除尘器
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-6-2 旋风除尘器--作业
-6-3 电晕放电和粒子荷电（选修）
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-6-3 电晕放电和粒子荷电（选修）--作业
-6-4 荷电颗粒的运动和捕集
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-第六章 除尘装置--6-4 荷电颗粒的运动和捕集
-6-5 电除尘器的结构和设计
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-第六章 除尘装置--6-5 电除尘器的结构和设计
-6-6 袋式除尘器的工作原理
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-6-6 袋式除尘器的工作原理--作业
-6-7 袋式除尘器的压力损失和清灰（选修）
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-第六章--6-7 袋式除尘器的压力损失和清灰（选修）
-6-8 袋式除尘器的设计和应用
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-6-8 袋式除尘器的设计和应用--作业
-6-9 湿式除尘器的工作原理
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-第六章 除尘装置--6-9 湿式除尘器的工作原理
-6-10 文丘里洗涤器（选修）
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-第六章 除尘装置--6-10 文丘里洗涤器（选修）
-6-11 除尘器的选择与发展
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-6-11 除尘器的选择与发展--作业
-第六章 除尘装置--第六章 作业习题
-期中测试--期中测试
-7-1 物理吸收传质计算
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-第七章 --7-1 物理吸收传质计算
-7-2 化学吸收传质计算
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-7-2 化学吸收传质计算--作业
-7-3 吸收设备和工艺
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-7-3 吸收设备和工艺--作业
-7-4 气体吸附原理与速率
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-7-4 气体吸附原理与速率--作业
-7-5 吸附设备与工艺
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-7-5 吸附设备与工艺--作业
-7-6 吸附器的设计计算
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-第七章 --7-6 吸附器的设计计算
-7-7 催化原理
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-7-7 催化原理--作业
-7-8 气固催化反应动力学
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-7-8 气固催化反应动力学--作业
-7-9 气固相催化反应器的设计
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-7-9 气固相催化反应器的设计--作业
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-8-1 概述--作业
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-第八章 硫氧化物控制技术--8-2 燃烧前燃料脱硫
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-8-3 流化床燃烧脱硫--作业
-8-4 高浓度二氧化硫回收
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-8-4 高浓度二氧化硫回收--作业
-8-5 石灰石/石灰湿法烟气脱硫技术
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-第八章 --8-5 石灰石/石灰湿法烟气脱硫技术
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-8-6 氧化镁湿法烟气脱硫技术（选修）--作业
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-8-7 海水烟气脱硫技术（选修）--作业
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-8-8 湿式氨法烟气脱硫技术（选修）--作业
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-8-9 喷雾干燥法烟气脱硫技术（选修）--作业
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-8-10 循环流化床干法烟气脱硫--作业
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-8-11 烟气脱硫技术的综合比较--作业
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-第十二章 全球性大气环境问题--第十二章作业习题
-Lecture 01
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