汽油機和柴油機CO、HC、PM排放的顯著差異研究

王華健，占雋均

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

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汽油機和柴油機CO、HC、PM排放的顯著差異研究

王華健，占雋均

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

摘 要：汽車排放污染物種類繁多且復雜，文章簡述了汽油機和柴油機CO排放的生成機理及差異，對比了汽油機和柴油機HC排放的生成機理及其不同，分析了汽油機和柴油機PM排放的生成機理及區別。最后得出結論：柴油機排放的CO、HC遠低于汽油機而PM排放遠高于汽油機。

關鍵詞：汽車排放；汽油機；柴油機；生成機理

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.04.017

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

引言

汽車排放包含復雜的成分，它隨著汽車種類以及運行條件的變化而變化。從燃燒學來分類，汽車排放可以分為：完全燃燒產物、不完全燃燒產物、燃燒中間產物。完全燃燒產物的成分是CO2、H2O、O2及N2等；不完全燃燒產物有CO、HC、NOx等；燃燒中間產物主要是燃燒化學反應生成的中間產物，包括SO2、微粒（PM），甲醛、丙烯醛等。它們絕大部分是有毒的，或有強烈的刺激性、臭味和致癌作用，對人類和環境造成巨大傷害。

汽車排放污染物主要有三個來源途徑：（1）汽車發動機通過排氣管排出的廢氣，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）燃油系統油氣蒸發，大約20%的HC就是從供油系統蒸發散入大氣的[1]。

不過當前汽車對泄漏氣體已全面進行控制，使曲軸箱泄漏的混合氣由曲軸箱循環進入到發動機中重新燒掉；當前汽車大都安裝了油氣蒸發污染的控制裝置，即把燃油系統的各個通風口（尤其是油箱蓋）泄漏的燃油蒸汽用碳罐先吸附起來，等到發動機工作時再釋放出來使其進入氣缸內燃燒。目前汽車污染物排放途徑主要來自尾氣，即發動機排出的廢氣。

1、汽車CO生成機理

汽車排放污染物中CO的產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生的中間產物。一般燃油（烴燃料）的燃燒化學反應可經過以下過程[2]：

燃氣中的氧氣足夠時有：

同時CO還與生成的水蒸氣反應，生成氫和二氧化碳。

1.1 汽油機CO生成機理

汽油機是預混的均質可燃混合氣，由火花塞點燃可燃混合氣燃燒做功的，與柴油機不同的是，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或者過量空氣系數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，這是因為缺少O2導致不完全燃燒所致。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，CO的排放量才隨Φ有較復雜的變化。排氣中CO，HC及NOx濃度與空燃比（α）及過量空氣系數（Φ）的關系如下圖1所示[3]。

圖1　排氣中CO、HC及NOx濃度與空燃比以及過量空氣系數的關系

汽油機可燃混合氣的過量空氣系數（Φ）的范圍較窄，一般為0.7～1.3。Φ值過大則混合氣太稀不易著火或者著火不穩定，在部分負荷時易失火；Φ值過小時，則混合氣太濃則導致不完全燃燒嚴重，污染物排放也嚴重。汽油機具有定容燃燒的特點；燃燒持續期較短（轉速較高），燃燒最高溫度較高，由于過量空氣系數較小、范圍也比較窄，因而比較容易導致不完全燃燒而產生較多的CO。

1.2 柴油機CO生成機理

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

以上是柴油機CO的排放遠低于汽油機的分析。

2、汽車HC化合物生成機理

發動機排氣中的HC化合物成分極其復雜，有沒有被燃燒的燃料分子（HC化合物），也有燃燒過程中高溫分解以及化學合成的中間產物（如醛類、烯烴及芳香烴等），還有和滲入氣缸內潤滑油混合的HC化合物等成分，種類達200余種。HC化合物在柴油機和汽油機中的生成機理有所不同。

2.1 汽油機HC的生成機理

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

（1）燃料不完全燃燒

未燃HC的生成量受汽油機燃燒條件改變而改變。當空燃比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，相對燃料而言O2不足，導致燃料氧化反應不完全，使未燃HC排出量大大增加；α過大，可燃混合氣濃度過低無法點燃，這也會產生未燃HC。

（2）淬熄效應

燃燒過程中，氣缸內混合氣溫度高達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，溫度遠低于混合氣溫度，氣體流動也較弱，在壁面形成厚約0.1～0.2mm的不燃燒火焰淬熄層，這會產生大量的未燃HC。淬熄層厚度隨發動機工況、混合氣湍流程度和壁溫的不同而不同，小負荷時比較厚，特別是冷啟動和怠速時會形成很厚的淬熄層。

（3）狹縫效應

燃燒室內存在著很多縫隙，主要是活塞頂岸部與缸壁之間，以及活塞環背后的縫隙。當缸內壓力升高時，會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被壓到縫隙中去形成未燃HC。這種縫隙效應是產生未燃HC的重要來源。

（4）壁面油膜和積碳

發動機缸壁上總是吸附著一層潤滑油膜，在進氣和壓縮過程中會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、進排氣門上的積碳所吸附而未參加燃燒，當進氣和排氣過程中缸內壓力降低時，被吸附未燃的燃油被釋放出來，以未燃HC排出氣缸。

2.2 柴油機HC的生成機理

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

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

以上是柴油機HC的排放遠低于汽油機的分析。

3、汽車微粒生成機理

汽車排放的微粒成分非常復雜，除了由燃油燃燒產生之外，潤滑油燃燒和混合產生的微粒也占相當部分。

3.1 汽油機微粒的生成機理

汽油機排氣微粒主要有：含鉛汽油中的鉛、汽油中的硫所產生的硫酸鹽、有機微粒（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化成為SO2，到達排氣系統中被催化劑氧化成SO3后，然后與水結合生成硫酸霧，不過當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才會遇到，對于調教良好的汽油機不是主要問題。

3.2 柴油機微粒的生成機理

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

柴油機PM是一個復雜的、動態的組成，它由碳煙、未燃燃料、潤滑油中的可溶有機成分、柴油中的硫燃燒后生成的硫酸鹽、機油中灰分以及添加劑等組成。各成分在PM中所占的比例會隨著發動機的工況、技術水平以及燃油品質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，下面就重點對碳煙進行詳述。

圖2　柴油機的顆粒排放物

碳煙生成機理，概況的說是由柴油在高溫缺氧條件下裂解生成的，其詳細的生成機理尚不十分清楚。一般認為，柴油噴射到氣缸中的高溫高壓的空氣中時，輕質烴很快蒸發氣化，重質烴以液態暫時存在。重質烴在高溫缺氧的環境下，直接脫氫碳化析出型碳粒，粒度一般比較大。而輕質烴經過如下圖3所示的不同的復雜途徑，產生氣相析出型碳粒，粒度相對較小。

很快輕質烴燃油分子在高溫缺氧的環境下發生部分氧化和熱裂解，生成各種不飽和烴類，如乙烯、乙炔及其多環芳香烴，不斷脫氫形成原子態碳粒子，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生凝聚，使碳核持續增大，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　碳煙微粒形成過程

柴油十六烷值較高，穩定性較差，分子量大，在高溫高壓環境中急易于裂解，容易形成碳煙。碳煙的生成是柴油在高溫缺氧區脫氫反應所致，柴油中的游離碳和殘碳含量，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。

柴油機運行時燃燒室內的可燃混合氣濃度分布極不均勻，這導致了氣缸內局部缺氧和局部富氧，而柴油機的燃燒溫度高、燃燒持續時間長等特點為碳煙生成提供了條件。PM是柴油機擴散燃燒的固有產物，盡管柴油機的混合氣在總體上“很稀”(α>1.2)，但由于非均質的混合氣實際上存在許多“很濃”區域，適宜碳煙產生。

柴油機是向氣缸內部噴射燃油使燃料和空氣混合，混合狀態很不均勻，而且在緩燃期和補燃期氣缸內溫度及壓力下降后，燃燒狀態惡化。這種大量燃油與高溫缺氧燃氣混合的環境必定會導致燃料不完全燃燒而產生大量PM。以上是柴油機微粒的排放遠高于汽油機的分析。

表1　柴油機與汽油機有害排放成分比較

4、總結

汽車污染物排放主要與混合氣形成、燃燒過程及燃燒結束后在排氣過程中的化學反應有關，此外，還受燃油種類及蒸發狀況等因素制約。汽油機壓縮比一般在7～10之間，汽油為C4～C11的碳氫燃料，易揮發，化學穩定性好，著火溫度高，不易自燃，需靠火花塞點燃。對汽油機而言，燃油和空氣在外部預制成比較均勻的混合氣后進入氣缸，依靠火花塞點燃，形成火焰核心，化學反應加速，開始進行火焰傳播。汽油機燃燒必需具備兩個條件：一是混合氣成分(空燃比)應處在可燃界限內(α在10～19之間)；二是火花塞應具有足夠的點火能量(點火能量為40～120mJ)，才能可靠地點燃混合氣[2]。

柴油為C12～C23的碳氫化合物，它不易揮發，著火溫度低，化學穩定性差，因而易自燃，高溫易裂解。柴油機壓縮比較汽油機要高，一般為14～23，柴油機靠壓縮提高缸內混合氣的溫度，然后噴入燃油使其自燃，由于柴油機是在極短的時間內靠高壓將柴油噴入氣缸，經過噴霧、蒸發、混合過程形成非均質的可燃混合氣，當壓縮達到自燃溫度就會有多處著火而燃燒的現象，當混合氣燃燒時，仍有燃油正在連續噴射，繼續進行噴霧蒸發混合過程，這是擴散燃燒特點。

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

通過以上全部分析可得出結論：柴油機排放的CO、 HC遠低于汽油機而PM排放遠卻高于汽油機。

參考文獻

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[7] 李芳,陳敏東.柴油發動機顆粒排放物研究進展[J].環境科學與技術, 2009, 32(4): 82-83.

中圖分類號：U461.8

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)04-48-04

作者簡介：王華健，碩士研究生，就讀于長安大學汽車學院交通運輸工程專業。

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