汽油发动机的尾气成分是什么,有害气体是怎样生成的?

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汽油发动机的尾气成分


空气中氮气(N2)约占78%,氧气(O2)约占21%,余下的1%由其它各种气体构成。汽油可以理解为碳氢化合物。


汽油在理想条件下完全燃烧仅生成水蒸气和二氧化碳


由于空燃比,大气中含氮气以及燃烧室中的条件不理想等因素,燃烧时附带产生了很多其他成分,其中包括有害排放物。

 

发动机预热到正常工作温度,供给理论空燃比的可燃混合气,在未经三元催化器处理的情况下,汽油发动机的尾气成分如下。


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备注:受到发动机工况和环境条件影响,实际的排气成分可能会有偏差。

 

汽油发动机尾气的主要成分是氮气,二氧化碳以及水蒸气,这些都是无毒物质。

 

①、氮气来自空气,这是一种惰性气体,在燃烧室内基本不参与化学反应,大部分仍以纯氮气的形式随尾气排出,约占尾气排放的71%。。

 

②、燃烧时汽油中的碳与氧结合生成二氧化碳,约占总排放量的14%,二氧化碳会引发温室效应,影响全球气候变化,因此要减少二氧化碳的排放。


由于二氧化碳是完全燃烧的产物,所以只能通过降低燃油消耗减少排放

 

③、燃烧时汽油中的氢与氧结合生成水蒸气,水蒸气遇冷时大部分会凝结,于是寒冷的天气就能看见从排气管排出水雾,水蒸气约占尾气排放的13%。

 

尾气中的有害物质约占1%的体积分数,主要成分是一氧化碳(CO),氮氧化合物(NOx),碳氢化合物(HC)以及微粒




 

有害气体生成机理


①、一氧化碳(CO)

一氧化碳(CO)是由于浓混合气因缺乏空气无法完全燃烧造成的。


但是稀混合气燃烧时也会产生一氧化碳,这是因为燃烧室中的汽油和空气混合的不均匀,局部混合气过浓导致的燃烧不完全。

 

一氧化碳是无色无味气体,它能破坏血液吸收氧的功能,使人窒息而死。因此发动机不允许在全封闭的空间内运行,除非配有良好的排气抽风系统。

 

②、氮氧化合物(NOx)

氮氧化合物是空气在燃烧室高温,高压的条件下,由氧和氮反应形成的,不是来自燃料。


氮氧化合物中大部分是一氧化氮N0,少部分是二氧化氮NO2。燃烧后的废气温度越高,燃烧后残留的氧气浓度越大以及高温持续的时间越长,一氧化氮的生成量就越多。

 

无色无味的一氧化氮在大气中会逐渐转化成二氧化氮,纯二氧化氮是一种红棕色,带有刺激性气味的有毒气体,吸入人体后会刺激鼻子和喉咙。二氧化氮还会导致光化学烟雾和酸雨。

 

③、碳氢化合物(HC)

碳氢化合物是未燃烧的汽油,主要来自缸壁激冷作用。


当燃烧着的火焰传播到气缸壁附近时,由于气缸壁的温度较低,产生激冷作用,火焰熄灭,未点燃的那层混合气称为激冷层。


另外活塞顶部第一道环的间隙,火花塞陶瓷电极缝隙以及气门口缝隙,火焰传不过去,上述激冷层和气隙中没有燃烧的汽油会排放到尾气中。

 

人长时间与碳氢化合物接触会致癌。

 

④、微粒

汽车排气中的固体以微粒形式存在,源于不完全燃烧。


微粒主要是不同尺寸和表面积的碳微粒(碳烟),碳烟是局部非常浓的混合气燃烧时形成的,汽油机一般在冷起动和暖机期间产生碳烟排放,其它工况的排放量非常少。




 

空燃比对尾气中

有害气体成分的影响

 

①、一氧化碳

当空燃比小于14.7时,排气中的CO浓度急剧上升,反之,空燃比从16起则趋于稳定,并且数值很低。说明要减小CO的排放,必须采用稀混合气

 

②、氮氧化合物

空燃比在16左右时,NOx的排放量最高,空燃比再小些或这再大些,NOx的排放量均会迅速减小。


当混合气很浓时,由于燃烧峰值温度和可利用的氧的浓度都很低,使NOx的生成量也较低。


当混合气很稀时,由于燃烧温度和速度降低,抵消了氧浓度增加这个有利因素,NOx的排放量下降。

 

备注:NOx的单位是ppm,即百万分之一。

 

③、碳氢化合物

空燃比在17以内时,随着空燃比加大,HC排放量下降。


空燃比超过17以后,继续加大空燃比,由于混合气太稀,火焰已无法完全传播,甚至失火,使HC的排放浓度迅速增加。

 

备注:HC的单位也是ppm。



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