汽油機(jī)和柴油機(jī)CO、HC、PM排放的顯著差異研究

王華健，占雋均

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，陜西 西安 710064）

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汽油機(jī)和柴油機(jī)CO、HC、PM排放的顯著差異研究

王華健，占雋均

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，陜西 西安 710064）

摘 要：汽車(chē)排放污染物種類(lèi)繁多且復(fù)雜，文章簡(jiǎn)述了汽油機(jī)和柴油機(jī)CO排放的生成機(jī)理及差異，對(duì)比了汽油機(jī)和柴油機(jī)HC排放的生成機(jī)理及其不同，分析了汽油機(jī)和柴油機(jī)PM排放的生成機(jī)理及區(qū)別。最后得出結(jié)論：柴油機(jī)排放的CO、HC遠(yuǎn)低于汽油機(jī)而PM排放遠(yuǎn)高于汽油機(jī)。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)排放；汽油機(jī)；柴油機(jī)；生成機(jī)理

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.04.017

CLC NO.: U461.8Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)04-48-04

引言

汽車(chē)排放包含復(fù)雜的成分，它隨著汽車(chē)種類(lèi)以及運(yùn)行條件的變化而變化。從燃燒學(xué)來(lái)分類(lèi)，汽車(chē)排放可以分為：完全燃燒產(chǎn)物、不完全燃燒產(chǎn)物、燃燒中間產(chǎn)物。完全燃燒產(chǎn)物的成分是CO2、H2O、O2及N2等；不完全燃燒產(chǎn)物有CO、HC、NOx等；燃燒中間產(chǎn)物主要是燃燒化學(xué)反應(yīng)生成的中間產(chǎn)物，包括SO2、微粒（PM），甲醛、丙烯醛等。它們絕大部分是有毒的，或有強(qiáng)烈的刺激性、臭味和致癌作用，對(duì)人類(lèi)和環(huán)境造成巨大傷害。

汽車(chē)排放污染物主要有三個(gè)來(lái)源途徑：（1）汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)排氣管排出的廢氣，約56%的HC和絕大部分的CO、 NOx、PM都是從排氣管中排出的。（2）曲軸箱竄氣，主要是HC，大約占24%，也有少量的CO， NOx及SO2。（3）燃油系統(tǒng)油氣蒸發(fā)，大約20%的HC就是從供油系統(tǒng)蒸發(fā)散入大氣的[1]。

不過(guò)當(dāng)前汽車(chē)對(duì)泄漏氣體已全面進(jìn)行控制，使曲軸箱泄漏的混合氣由曲軸箱循環(huán)進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)中重新燒掉；當(dāng)前汽車(chē)大都安裝了油氣蒸發(fā)污染的控制裝置，即把燃油系統(tǒng)的各個(gè)通風(fēng)口（尤其是油箱蓋）泄漏的燃油蒸汽用碳罐先吸附起來(lái)，等到發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)再釋放出來(lái)使其進(jìn)入氣缸內(nèi)燃燒。目前汽車(chē)污染物排放途徑主要來(lái)自尾氣，即發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣。

1、汽車(chē)CO生成機(jī)理

汽車(chē)排放污染物中CO的產(chǎn)生是由于燃油在氣缸中燃燒不充分所致，是混合氣中氧氣不足而產(chǎn)生的中間產(chǎn)物。一般燃油（烴燃料）的燃燒化學(xué)反應(yīng)可經(jīng)過(guò)以下過(guò)程[2]：

燃?xì)庵械难鯕庾銐驎r(shí)有：

同時(shí)CO還與生成的水蒸氣反應(yīng)，生成氫和二氧化碳。

1.1 汽油機(jī)CO生成機(jī)理

汽油機(jī)是預(yù)混的均質(zhì)可燃混合氣，由火花塞點(diǎn)燃可燃混合氣燃燒做功的，與柴油機(jī)不同的是，它是非分層燃燒，其CO排放量幾乎完全取決于可燃混合氣的空燃比α或者過(guò)量空氣系數(shù)Φ。

在濃混合氣中（Φ＜1或α＜14.7 ），CO的排放量隨著Φ的減小而增加，這是因?yàn)槿鄙貽2導(dǎo)致不完全燃燒所致。在稀混合氣中（Φ＞1或α＞14.7），CO的排放量都非常小，只有Φ=1.0～1.1時(shí)，CO的排放量才隨Φ有較復(fù)雜的變化。排氣中CO，HC及NOx濃度與空燃比（α）及過(guò)量空氣系數(shù)（Φ）的關(guān)系如下圖1所示[3]。

圖1　排氣中CO、HC及NOx濃度與空燃比以及過(guò)量空氣系數(shù)的關(guān)系

汽油機(jī)可燃混合氣的過(guò)量空氣系數(shù)（Φ）的范圍較窄，一般為0.7～1.3。Φ值過(guò)大則混合氣太稀不易著火或者著火不穩(wěn)定，在部分負(fù)荷時(shí)易失火；Φ值過(guò)小時(shí)，則混合氣太濃則導(dǎo)致不完全燃燒嚴(yán)重，污染物排放也嚴(yán)重。汽油機(jī)具有定容燃燒的特點(diǎn)；燃燒持續(xù)期較短（轉(zhuǎn)速較高），燃燒最高溫度較高，由于過(guò)量空氣系數(shù)較小、范圍也比較窄，因而比較容易導(dǎo)致不完全燃燒而產(chǎn)生較多的CO。

1.2 柴油機(jī)CO生成機(jī)理

CO是燃料在燃燒過(guò)程中生成的中間產(chǎn)物，如果氧濃度夠大、燃燒溫度夠高、燃燒時(shí)間足夠，從理論上講CO是不存在的。柴油機(jī)是壓燃，壓縮比較大，一般為14～23，故其過(guò)量空氣系數(shù)（Φ）都在1.5～3之間。相比較汽油機(jī)而言柴油機(jī)空燃比（α）較大、氧濃度較高、燃燒溫度高、轉(zhuǎn)速較低（燃燒時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)），燃料能更完全的燃燒而減少CO的生成[3]。雖然柴油機(jī)分層燃燒所形成的局部過(guò)濃區(qū)中CO濃度較高，但CO在隨后的擴(kuò)散過(guò)程中被較充分地氧化[4]。因此，柴油機(jī)的CO排放濃度較汽油機(jī)要低很多。

以上是柴油機(jī)CO的排放遠(yuǎn)低于汽油機(jī)的分析。

2、汽車(chē)HC化合物生成機(jī)理

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的HC化合物成分極其復(fù)雜，有沒(méi)有被燃燒的燃料分子（HC化合物），也有燃燒過(guò)程中高溫分解以及化學(xué)合成的中間產(chǎn)物（如醛類(lèi)、烯烴及芳香烴等），還有和滲入氣缸內(nèi)潤(rùn)滑油混合的HC化合物等成分，種類(lèi)達(dá)200余種。HC化合物在柴油機(jī)和汽油機(jī)中的生成機(jī)理有所不同。

2.1 汽油機(jī)HC的生成機(jī)理

由排氣管排入大氣的HC是在氣缸內(nèi)形成的，缸內(nèi)HC的成因主要有以下幾種[5]：燃料不完全燃燒、淬熄效應(yīng)、狹縫效應(yīng)、壁面油膜和積碳。

（1）燃料不完全燃燒

未燃HC的生成量受汽油機(jī)燃燒條件改變而改變。當(dāng)空燃比α稍大于理論α的情況下，排氣中未燃HC的含量是很少的。α太小，相對(duì)燃料而言O(shè)2不足，導(dǎo)致燃料氧化反應(yīng)不完全，使未燃HC排出量大大增加；α過(guò)大，可燃混合氣濃度過(guò)低無(wú)法點(diǎn)燃，這也會(huì)產(chǎn)生未燃HC。

（2）淬熄效應(yīng)

燃燒過(guò)程中，氣缸內(nèi)混合氣溫度高達(dá)2000℃以上，而氣缸壁面只有300℃ 左右，靠近壁面的氣體，受到低溫壁面影響，溫度遠(yuǎn)低于混合氣溫度，氣體流動(dòng)也較弱，在壁面形成厚約0.1～0.2mm的不燃燒火焰淬熄層，這會(huì)產(chǎn)生大量的未燃HC。淬熄層厚度隨發(fā)動(dòng)機(jī)工況、混合氣湍流程度和壁溫的不同而不同，小負(fù)荷時(shí)比較厚，特別是冷啟動(dòng)和怠速時(shí)會(huì)形成很厚的淬熄層。

（3）狹縫效應(yīng)

燃燒室內(nèi)存在著很多縫隙，主要是活塞頂岸部與缸壁之間，以及活塞環(huán)背后的縫隙。當(dāng)缸內(nèi)壓力升高時(shí)，會(huì)將一部分未燃的可燃混合氣被壓到縫隙中去，由于縫隙很窄，面容比大，混合氣流入縫隙中被壁面冷卻，火焰無(wú)法傳入到縫隙中去，于是形成未燃HC。研究表明，約有5%～10%新鮮混合氣由于縫隙效應(yīng)被壓到縫隙中去形成未燃HC。這種縫隙效應(yīng)是產(chǎn)生未燃HC的重要來(lái)源。

（4）壁面油膜和積碳

發(fā)動(dòng)機(jī)缸壁上總是吸附著一層潤(rùn)滑油膜，在進(jìn)氣和壓縮過(guò)程中會(huì)有一部分燃油蒸氣被此油膜吸附；還有一部分被沉積在活塞頂部、燃燒室壁面、進(jìn)排氣門(mén)上的積碳所吸附而未參加燃燒，當(dāng)進(jìn)氣和排氣過(guò)程中缸內(nèi)壓力降低時(shí)，被吸附未燃的燃油被釋放出來(lái)，以未燃HC排出氣缸。

2.2 柴油機(jī)HC的生成機(jī)理

汽油機(jī)未燃HC的生成機(jī)理也同樣適用于柴油機(jī)，但由于兩者的燃燒方式以及所用燃料的不同，所以柴油機(jī)的HC排放物有其自身特點(diǎn)：柴油中的HC化合物比汽油中的HC沸點(diǎn)高、分子量大，柴油機(jī)壓燃的燃燒方式使燃油的熱解現(xiàn)象難以避免，故柴油機(jī)排氣中未燃或部分氧化的HC成分比汽油機(jī)要復(fù)雜。柴油機(jī)的燃料以高壓噴入燃燒室后，直接在缸內(nèi)形成可燃混合氣并很快燃燒，燃料在氣缸內(nèi)被壓燃后的燃燒時(shí)間也較長(zhǎng)（柴油機(jī)轉(zhuǎn)速相比汽油機(jī)要慢很多），燃料燃燒充分，故其HC的排放量比汽油機(jī)要小的多。

柴油機(jī)的燃燒是活塞壓縮空氣到達(dá)上止點(diǎn)附近時(shí)由噴油嘴向高壓空氣中噴射高壓燃油，屬于擴(kuò)散燃燒，燃油在燃燒室內(nèi)擴(kuò)散成可燃混合氣的停留時(shí)間要比汽油要短得多（汽油機(jī)為預(yù)制可燃混合氣），絕大部分工況的過(guò)量空氣系數(shù)Φ遠(yuǎn)大于汽油機(jī)，因而其混合氣濃度梯度極大，噴霧核心Φ接近于0，而燃燒室周邊區(qū)域的Φ趨向于∞，即幾乎沒(méi)有燃油，因而受淬熄效應(yīng)和油膜及積碳吸附的影響很小，這也是柴油機(jī)HC排放遠(yuǎn)低于汽油機(jī)的原因[5]。

以上是柴油機(jī)HC的排放遠(yuǎn)低于汽油機(jī)的分析。

3、汽車(chē)微粒生成機(jī)理

汽車(chē)排放的微粒成分非常復(fù)雜，除了由燃油燃燒產(chǎn)生之外，潤(rùn)滑油燃燒和混合產(chǎn)生的微粒也占相當(dāng)部分。

3.1 汽油機(jī)微粒的生成機(jī)理

汽油機(jī)排氣微粒主要有：含鉛汽油中的鉛、汽油中的硫所產(chǎn)生的硫酸鹽、有機(jī)微粒（包括碳煙）。

①目前，由于含鉛汽油的淘汰以及貴金屬的三元催化劑的應(yīng)用，鉛微粒的排放是極少的。

②硫酸鹽排放主要是汽油中的硫在燃燒中轉(zhuǎn)化成為SO2，到達(dá)排氣系統(tǒng)中被催化劑氧化成SO3后，然后與水結(jié)合生成硫酸霧，不過(guò)當(dāng)前汽油冶煉水平大大降低了汽油中的硫含量，這使得汽油機(jī)的排氣中硫酸鹽含量非常少。

③碳煙排放只有在使用很濃的混合氣時(shí)才會(huì)遇到，對(duì)于調(diào)教良好的汽油機(jī)不是主要問(wèn)題。

3.2 柴油機(jī)微粒的生成機(jī)理

汽油機(jī)排放微粒主要是含鉛微粒和硫酸鹽化合物，柴油機(jī)排氣微粒的組成要復(fù)雜得多，它是一種類(lèi)似石墨形式的含碳物質(zhì)并吸附凝聚了大量高分子的聚合物，一般認(rèn)為微粒主要是由三部分組成，即碳煙((DS)、可溶性有機(jī)物(SOF)和硫酸鹽，柴油機(jī)微?？杀硎緸镻M，其構(gòu)成如下圖2所示[3]。

柴油機(jī)PM是一個(gè)復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)的組成，它由碳煙、未燃燃料、潤(rùn)滑油中的可溶有機(jī)成分、柴油中的硫燃燒后生成的硫酸鹽、機(jī)油中灰分以及添加劑等組成。各成分在PM中所占的比例會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的工況、技術(shù)水平以及燃油品質(zhì)等因素的改變而改變。其中碳煙是PM中含量最大的成分，其他成分在PM中所占的比例也很低，下面就重點(diǎn)對(duì)碳煙進(jìn)行詳述。

圖2　柴油機(jī)的顆粒排放物

碳煙生成機(jī)理，概況的說(shuō)是由柴油在高溫缺氧條件下裂解生成的，其詳細(xì)的生成機(jī)理尚不十分清楚。一般認(rèn)為，柴油噴射到氣缸中的高溫高壓的空氣中時(shí)，輕質(zhì)烴很快蒸發(fā)氣化，重質(zhì)烴以液態(tài)暫時(shí)存在。重質(zhì)烴在高溫缺氧的環(huán)境下，直接脫氫碳化析出型碳粒，粒度一般比較大。而輕質(zhì)烴經(jīng)過(guò)如下圖3所示的不同的復(fù)雜途徑，產(chǎn)生氣相析出型碳粒，粒度相對(duì)較小。

很快輕質(zhì)烴燃油分子在高溫缺氧的環(huán)境下發(fā)生部分氧化和熱裂解，生成各種不飽和烴類(lèi)，如乙烯、乙炔及其多環(huán)芳香烴，不斷脫氫形成原子態(tài)碳粒子，逐漸聚合成直徑2nm左右的碳煙核心(碳核)。氣相的烴在碳核表面不斷凝聚，以及碳核相互碰撞發(fā)生凝聚，使碳核持續(xù)增大，成為直徑20～30nm的碳煙基元然后聚集形成直徑1μm以下的球狀多孔性聚合物。由于重餾分的未燃烴、硫酸鹽以及水分等在碳粒上吸附和凝集，然后作為碳煙排放出去，所以很多情況下，碳煙就指的是PM[6]。

圖3　碳煙微粒形成過(guò)程

柴油十六烷值較高，穩(wěn)定性較差，分子量大，在高溫高壓環(huán)境中急易于裂解，容易形成碳煙。碳煙的生成是柴油在高溫缺氧區(qū)脫氫反應(yīng)所致，柴油中的游離碳和殘?zhí)己?，起了顆粒物“成核”的作用。柴油硫含量比汽油要高的多，這也明顯增加了顆粒物的排放。

柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)燃燒室內(nèi)的可燃混合氣濃度分布極不均勻，這導(dǎo)致了氣缸內(nèi)局部缺氧和局部富氧，而柴油機(jī)的燃燒溫度高、燃燒持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)為碳煙生成提供了條件。PM是柴油機(jī)擴(kuò)散燃燒的固有產(chǎn)物，盡管柴油機(jī)的混合氣在總體上“很稀”(α>1.2)，但由于非均質(zhì)的混合氣實(shí)際上存在許多“很濃”區(qū)域，適宜碳煙產(chǎn)生。

柴油機(jī)是向氣缸內(nèi)部噴射燃油使燃料和空氣混合，混合狀態(tài)很不均勻，而且在緩燃期和補(bǔ)燃期氣缸內(nèi)溫度及壓力下降后，燃燒狀態(tài)惡化。這種大量燃油與高溫缺氧燃?xì)饣旌系沫h(huán)境必定會(huì)導(dǎo)致燃料不完全燃燒而產(chǎn)生大量PM。以上是柴油機(jī)微粒的排放遠(yuǎn)高于汽油機(jī)的分析。

表1　柴油機(jī)與汽油機(jī)有害排放成分比較

4、總結(jié)

汽車(chē)污染物排放主要與混合氣形成、燃燒過(guò)程及燃燒結(jié)束后在排氣過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)有關(guān)，此外，還受燃油種類(lèi)及蒸發(fā)狀況等因素制約。汽油機(jī)壓縮比一般在7～10之間，汽油為C4～C11的碳?xì)淙剂?，易揮發(fā)，化學(xué)穩(wěn)定性好，著火溫度高，不易自燃，需靠火花塞點(diǎn)燃。對(duì)汽油機(jī)而言，燃油和空氣在外部預(yù)制成比較均勻的混合氣后進(jìn)入氣缸，依靠火花塞點(diǎn)燃，形成火焰核心，化學(xué)反應(yīng)加速，開(kāi)始進(jìn)行火焰?zhèn)鞑?。汽油機(jī)燃燒必需具備兩個(gè)條件：一是混合氣成分(空燃比)應(yīng)處在可燃界限內(nèi)(α在10～19之間)；二是火花塞應(yīng)具有足夠的點(diǎn)火能量(點(diǎn)火能量為40～120mJ)，才能可靠地點(diǎn)燃混合氣[2]。

柴油為C12～C23的碳?xì)浠衔?，它不易揮發(fā)，著火溫度低，化學(xué)穩(wěn)定性差，因而易自燃，高溫易裂解。柴油機(jī)壓縮比較汽油機(jī)要高，一般為14～23，柴油機(jī)靠壓縮提高缸內(nèi)混合氣的溫度，然后噴入燃油使其自燃，由于柴油機(jī)是在極短的時(shí)間內(nèi)靠高壓將柴油噴入氣缸，經(jīng)過(guò)噴霧、蒸發(fā)、混合過(guò)程形成非均質(zhì)的可燃混合氣，當(dāng)壓縮達(dá)到自燃溫度就會(huì)有多處著火而燃燒的現(xiàn)象，當(dāng)混合氣燃燒時(shí)，仍有燃油正在連續(xù)噴射，繼續(xù)進(jìn)行噴霧蒸發(fā)混合過(guò)程，這是擴(kuò)散燃燒特點(diǎn)。

由于混合氣形成和燃燒特點(diǎn)、燃料以及著火條件的不同等等，柴油機(jī)排放中PM濃度比汽油機(jī)大幾十倍，而C0、HC排放濃度較汽油機(jī)小近十倍。上表1為汽油機(jī)與柴油機(jī)排放污染物成分的比較[7]。

通過(guò)以上全部分析可得出結(jié)論：柴油機(jī)排放的CO、 HC遠(yuǎn)低于汽油機(jī)而PM排放遠(yuǎn)卻高于汽油機(jī)。

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中圖分類(lèi)號(hào)：U461.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)04-48-04

作者簡(jiǎn)介：王華健，碩士研究生，就讀于長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院交通運(yùn)輸工程專(zhuān)業(yè)。

Significant Difference of Gasoline and Diesel Engines CO、HC、PM Emissions

Wang Huajian, Zhan Juanjun
( School of Automobile College, Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064 )

Abstract:The emissions of automobile is various and complex. Briefly narrative the formation mechanism and the differences between gasoline and diesel CO emissions, compares to the generation mechanism of HC emissions from gasoline and diesel engines ,analysis the generation mechanism of gasoline and diesel particulate emissions and compare their differences. Finally it concluded: the emissions CO, HC of diesel engine are far lower than gasoline but particulate emissions is much higher than gasoline.

Keywords:Vehicle emissions; Gasoline engine; Diesel engine; Formation mechanism