显著差异（精选3篇）
显著差异 篇1
摘要：当试验数据出现两种或者多种不同的结果时, 应该采用统计学的方法进行数据分析。本文介绍了什么是显著性检验, 几种常用的显著性检验的方法, 通过显著性检验判断试验数据之间的差异是否显著, 鉴别出两者差异是抽样误差引起的, 还是由特定的实验处理引起的。
关键词：农机检测,统计分析,显著性检验
0 引言
在试验、检测的数据处理过程中, 时常会出现两种或者多种不同的试验结果。对数据进行比较分析时, 不能仅凭两个结果的不同就作出结论, 而是要进行统计学分析, 对数据进行差异显著性检验。显著性检验就是事先对总体 (随机变量) 的参数或总体分布形式作出一个假设, 然后利用样本信息来判断这个假设 (原假设) 是否合理, 即判断总体的真实情况与原假设是否存在显著差异。这时我们要做两种检验, 一种是检验数据是否是属于母体内抽取的样本, 即检验总体参数与样本统计量之间是否存在着显著的差异;另一种是检验数据的统计量是否存在着显著的差异。差异显著性检验就是要判定造成差异的原因, 即差异是由于误差或偶然因素引起的或两者确实本身存在着差异。
显著性检验是针对我们对总体所作的假设做检验, 其原理就是“小概率事件实际不可能性原理”来接受或否定假设。所谓“显著”, 就是指两种或多种处理试验结果之间, 本身确实存在差异。如果是“不显著”, 就说明它们之间的差异是由抽样或偶然的因素引起的, 不是真正有实际差异存在。
在数理统计中一般以概率 (P) 5%作为显著评定标准, 即在100次试验中, 由于偶然因素造成差异的可能性在5次以上, 其差异被认为是不显著。如果两者差异在概率为5%的范围内, 出现这样概率的机会非常小而出现了, 那么我们就认为此差数具有显著差异程度。有时我们认为5%太低, 则可提高到1%作为显著评定标准, 若两者的差异在概率为1%的范围内, 那么我们就认为这个差数具有极显著的差异程度。
1 两组样本平均数的比较
当比较两种或多种处理的试验结果的平均数时, 通常先假定它们是从同一总体内抽取的多个样本, 它们之间没什么差异 (即平均数之差等于零) 。如果检验后所得的差数是由于抽样误差所引起的概率 (p) 少于或等于5%时, 则称这差数与假设不符合, 即它们之间存在的差异是显著的。
1.1 成组比较检验
当两个样本平均数undefined和undefined作比较时, 看undefined差数是否有显著的差异。随机变量X1和X2都是正态分布, 则undefined也必然是正态分布。采用t检验法对两组样本的差异显著性进行检验。在计算出t值后, 根据自由度查t表而决定差异是否显著。若计算所得t值在t表中所得概率小于P=0.05, 就表示差异显著, 反之则认为不显著。t检验法的计算公式如下:
undefined
式中undefined、undefined— 两样本算术平均数;
undefined— 两样本平均数差数的标准差。
两样本平均数差数的标准差undefined的计算方法为:
①如果两个样本的个数相同时, 计算公式为:
undefined
②如果第一个样本个数为n1, 第二个样本个数为n2, 则计算公式为:
undefined
式中undefined、undefined— 两个样本的标准差;
n1、n2—两个样本的个数。
例如:有甲、乙两台圆盘耙进行耙深的稳定性检测。甲耙为4片耙, 测定20次, 平均耙深为66 mm, 标准差为2.1 mm;乙耙为36片悬挂耙, 测定20次, 平均耙深为65.2 mm, 标准差为1.9 mm。试问甲、乙两台圆盘耙的耙深稳定性之间的差异是否显著。
两样本平均数差数:
undefined
两样本平均数的差数标准差:
undefined
undefined
自由度V= (n1-1) + (n2-1) =38, 从t分布表查t0.05, 20=2.086, t0.1, 20=1.725, 现计算t=1.26, 即表示两个样本的平均数差异不显著, 说明这两种圆盘耙的耙深稳定性差异不显著。
1.2 成对比较检验
成对法是指两个样本的各个变量, 有合理的联系, 彼此之间各有关系存在。成对比较进行差异显著性检验时, 只要计算出各对的差数d, 求平均差数undefined和差数的标准误差undefined, 用t检验法检验, 见公式:
undefined, 其中undefined
式中undefined—平均差数;
undefined—差数的标准差;
S—标准差。
例如:在实验室人员比对试验中, 两组比对人员分别对IT245型旋耕机弯刀刀身硬度进行检测, 每组测试5点, 检验两组测试结果差异是否显著, 见下表。
计算差值的平均值为0.14, 标准差为0.167, 差数的标准差为0.075, 计算出t=1.87。查t分布表得t0.05, 4=2.776, 故认为两组人员检测数据差异性不显著。
2 方差分析
方差分析是平均数差异显著性检验的另一种方法, 用来检验比较两组以上的几组平均数的差异和比较变量的差异的方法。方差分析应用F检验法, 两个方差的比值就是F值。
undefined
Sundefined与Sundefined各有它的自由度V1与V2, 根据两个自由度查F检验表, 从表中得到F0.05, V1, V2与F0.01, V1, V2值, 如计算得F>F0.05, V1, V2则为差异显著, 如计算得F>F0.01, V1, V2则为差异极显著。在计算F值时一般比较大的方差为分子, 较小的方差为分母。
例如:甲、乙两种犁进行耕深稳定性试验。甲犁测定20次, 平均耕深20.5 cm, 标准差2.45 cm;乙犁测定15次, 平均耕深20 cm, 标准差2.7 cm。试问甲、乙两犁的耕深稳定性是否有显著的差异。
undefined
查F检验表, 自由度V1=14, V2=19, F0.05, 14, 19=2.26, F0.01, 14, 19=3.19。现计算出的F=1.2, 故认为两种犁的耕深稳定性无显著的差异。
F值的显著性是表示各级间差异是否显著的总体情况, 并不能说明某几组之间的差异是否显著。所以在求得F值为显著后, 应进一步用t检验来检验各组间的差异是否显著。
3 小结
在试验、检测中常会出现不同的试验数据, 即使在同一总体中得到的几个试验数据, 它们之间也会存在着差异。那么它们之间的差异是否显著, 能否代表真实的检测结果, 就有必要通过差异显著性检验进行验证。正确地运用显著性检验, 可使实验或调查的结论建立在更科学、稳妥的基础上, 避免简单化和绝对化。
显著差异 篇2
题：人教版八年级地理上册
第二章
中国的自然环境 第二节
气
候
第2课时
东西干湿差异显著
学习目标：
（一）知识与能力、掌握等降水量线图的阅读方法，记住1600mm、800mm、400mm、200mm等降水量线的分布，总结我国降水的空间分布规律。
2、通过对降水柱状图和降水统计图的阅读，归纳我国降水的时间分布特点。
3、通过对干湿地区分布图、景观图、降水量分布图、地形图、温度带图的阅读和图层叠加，理解我国干湿地区的划分标准是降水量与蒸发量的对比关系。
4、了解我国降水特点对人们生产和生活的影响。
（二）过程与方法
1、引导学生采用描图的方式，特别关注1600mm、800mm、400mm、200mm等降水量线的分布，进一步观察它们分别穿过的地形区和行政区，思考通过800mm等降水量线和0℃等温线的位置关系，与温度带分布进行对比，加深对秦岭—淮河自然地理线的认识。在此基础上，总结归纳我国降水的空间分布规律。
2、在阅读降水柱状图和降水统计图的前提下，引导学生通过对比找共性和差异的方法，了解我国降水的时间分布特点。结合教材中“北京年降水量极值”图，学生通过读数、计算差值等方法，加深对我国降水年际变化大的特点有较深刻的认识。
3、以温度带图的阅读方法阅读干湿地区分布图，通过对干湿地区分布图、景观图、降水量分布图、地形图和温度带图的图层叠加，分析地理事物之间的相互关系。指导学生特别注意800mm、400mm、200mm等降水量线与干湿地区界线的对应关系，发现降水与干湿状况的一般关系。以东北地区和植被分布为例，启发学生理解我国干湿地区的划分标准是降水量与蒸发量的对比关系。
4、运用课件直观形象的演示，培养学生的分析能力和空间想象能力。
（三）情感、态度与价值观
初步形成对我国地理环境差异性的了解，认识到只有掌握自然规律、趋利避害、因地制宜、合理利用资源，才能让大自然能更好地为我们人类服务。教学分析：
1、教材分析。
本章教材主要介绍中国的自然环境特征，各节内容都是围绕这一主线展开，本节主要介绍中国的气候，教材在编排上也注意突出中国的气候特征。气候特征可以通过其基本要素──气温和降水的特点反映出来，要了解气候特征首先应了解气温和降水，而且气温和降水的分布及特点是学习中国地理的基础知识，掌握这些知识，有利于理解各区域地理环境和农业生产上的差异。本节课主要内容是我国降水的时空分布特点及干湿地区划分。
2、学生分析。
上一节课，我们学习了我国冬夏季气温分布规律及其成因，学生兴趣很高，学习效果不错。有了前面的基础，相信通过本节课的学习，学生一定会理解我国年降水量的时空分布特点及其原因和我国干湿地区的划分标准与分布地区。教学重难点：
1、学习等降水量线图、降水柱状图和降水统计图的阅读方法，归纳总结我国年降水量的时空分布特点及其原因。
2、通过图层叠加法，发现降水与干湿状况的一般关系，理解我国干湿地区的划分标准与分布地区。教学方法：
讲述法、读图分析法、课件演示法、合作探究法、练习法。辅助手段：
多媒体课件、地图册。教学过程：
一、导语
同学们，据说每天晚上中央1套天气预报的收视率要高于新闻联播的收视率，这是为什么呢？对，因为天气与我们的学习、工作和生活息息相关，我们必须提前了解。正因为如此，“气候”这一节也成了本学期地理课的重点内容，讲课之前希望在座的每一位像关注天气预报那样来学习了解中国的气候。
过渡语：上一节课我们已经学习了 “冬季南北温差大，夏季普遍高温”，现在我们一起来做一个知识回顾，检测一下同学们的学习效果。
二、知识回顾
1、出示问题（课件展示）：
（1）我国冬季气温的特点是什么？我国南北气温差异产生的原因又是什么？
（2）夏季我国普遍高温，最低气温出现在青藏高原，主要原因是（）。
A、远离海洋
C、纬度高
B、海拔高
D、冬季风的影响
（3）我国从南到北划分为哪几个温度带，关中平原处于哪个温度带？
2、指名学生回答。
3、明确：
（1）气温由南向北递减，南北差异大（高达50℃以上）。主要原因是纬度南北跨度大（大陆最南约4°N、最北约53°N）。（2）B（3）关中平原处于暖温带，四季分明，适宜种植苹果、梨、猕猴桃等暖温带水果，因此我们的家乡咸阳是全国闻名的苹果之乡。
过渡语：下面请大家欣赏两幅画（课件展示），谈谈自己的感受。学生畅所欲言。
教师小结：第一幅湿润，第二幅干旱，同样位于960万平方公里的祖国大地上，为什么东南地区水网密布，气候湿润，而西部内陆地区沙漠广布，气候干旱呢？这就是我们今天所要探究的问题：东西干湿差异显著（板书）。
三、探究新知
（一）我国年降水量的空间分布
1、学生仔细阅读课本34页图2.18我国年降水量的分布和阅读材料，完成课件上的问题。
多媒体课件演示：
（1）年降水量超过1600毫米的地区大多在（）。其中降水最多的地方是（）。
（2）800毫米等降水量线通过（）岭、（）河附近至（）高原东南边缘。它与我国一月份的（）等温线大体是一致的。
（3）400毫米等降水量线大致通过（）岭、张家口市、（）市、（）市至喜马拉雅山脉东缘。
（4）年降水量200毫米以下的地区大多在（）。其中降水最少的地方是（）。
2、学生独立完成后，指名回答。
3、归纳我国年降水的空间分布规律（多媒体展示）。
（1）我国降水的空间分布很不均匀：东多西少，南多北少。（2）我国年降水量分布的总趋势：从东南沿海向西北内陆递减。（3）学生圈划并齐读“我国年降水量空间分布规律”。
4、学生思考、小组讨论：为什么我国东部降水多，而西部降水少？
5、学习小组推选代表发言。
6、明确：因为东部地区靠近海洋，受夏季风影响明显，降水较多；西部地区深居内陆，远离海洋，水汽难到达，降水稀少。
（二）我国降水的时间变化
1、学生认真阅读课本35页图2.20中国南北四个城市降水的季节差异，完成下列问题（多媒体展示）：
（1）四城市从南向北排列依次是 ：_____、_____、_____、_______。
（2）降水较多的月份，广州为_________________月,武汉为_____________月,北京为______月，哈尔滨为_____ 月。
（3）结论：四地降水量的季节变化共同点_______________，明显的差异是_________________________________。
2、学生认真阅读课本35页第一段文字后，小组合作探究： 为什么我国各地的降水量时间分配很不均匀，全国大多数地方的降水多集中在4—10月?
3、学习小组推选代表发言。
4、多媒体课件演示：（1）锋面雨的形成过程。
（2）我国东部地区的锋面雨带推移规律。（3）我国东部地区的主要雨带图。
5、明确：受夏季风的影响，锋面雨主要集中在4—10月，所以我国各地的降水时间分配很不均匀，全国大多数地方的降水多集中在
4—10月。
6、学生阅读课本图2.21北京年降水量极值，计算北京1965年和1959年年降水量差值后，谈感受。
7、明确：我国降水年际变化大。
（三）我国的干湿地区
1、学生阅读课本图2.22中国干湿地区的划分，明确我国有四类干湿地区：湿润地区、半湿润地区、半干旱地区和干旱地区。
2、探究我国干湿地区的划分标准。
（1）学生在干湿地区划分图上绘制800mm、400mm、200mm三条等降水量线，分析等降水量线与干湿地区界线的对应关系。
明确：湿润与半湿润地区的分界线大致相当于800毫米等降水量线；半湿润与半干旱地区的分界线大致相当于400毫米等降水量线；半干旱和干旱地区的分界线大致相当于200毫米等降水量线。（2）指导学生将干湿地区分布图、景观图、降水量分布图、地形图和温度带图叠加，思考并讨论：我国东北的大部分地区年降水量在400——800mm之间，为什么还属于湿润地区？
明确：该地区虽然降水在400——800mm之间，但由于距离海洋近，受海洋影响明显，加之纬度位置比较高，气温相对较低，蒸发量小，因此气候较为湿润，属于湿润地区。
（3）结论：我国干湿地区的划分标准是一个地区年降水量与蒸发量的对比关系，反映该地气候的湿润程度。降水量大于蒸发量，气候湿润；反之，降水量小于蒸发量，气候干旱。
3、不同的干湿地区对生产与生活的影响。
（1）农业生产方式与农作物不同：湿润区，水田为主；半湿润区，旱地为主；半干旱区，灌溉农业、牧业；干旱区，绿洲农业、牧业。（2）地面植被不同：从东到西，依次为森林——草原——荒漠。（3）房屋的建筑形式不同。
4、拓展延伸。
（1）我国跨有四个干湿地区的省区有哪些？（2）我国季风区与非季风区的划分界线？
明确：大致相当400毫米等降水量线，即大兴安岭——阴山——贺兰山——巴颜喀拉山——冈底斯山连线。
（3）为什么台湾岛东北部的火烧寮和吐鲁番盆地中的托克逊会分别成为我国降水最多和最少的地方？
明确：火烧寮属于季风气候，且位于迎风坡地带，受夏季风（东南季风）影响，多地形雨，雨量丰沛，所以成为我国降水最多的地方；托克逊深居内陆盆地，不受夏季风的影响，蒸发量远远大于降水量，干旱少雨，所以成为我国降水最少的地方。
四、学以致用
1、学生分组合作探究：课本37页活动1。
2、明确：
甘肃夏河县的房屋采用平顶，因为当地降水少，平顶房屋方便晾晒；浙江绍兴市的房屋是斜顶，因为当地降水丰富，斜顶房屋利于排水。
五、学生谈学习收获
六、课后任务
认真阅读并完成《绩优学案》25页——26页练习题。
七、老师寄语
学好地理我们的视野会更开阔
学好地理我们的生活会更幸福
八、板书设计
第二节
气
候
第2课时
东西干湿差异显著
一、我国年降水量的空间分布
1、降水空间分布很不均匀：东多西少，南多北少
2、年降水量分布的总趋势：从东南沿海向西北内陆递减
二、我国降水的时间变化
1、降水时间分布的特点：分配不均匀，主要集中在4—10月
2、降水时间分布特点的原因：受夏季风和锋面雨带的影响
三、我国的干湿地区
1、四类干湿地区：湿润地区、半湿润地区、半干旱地区和干旱地区
2、大致分界线：800、400、200 mm年等降水量线
3、划分的标准：降水量与蒸发量的对比关系
显著差异 篇3
关键词：汽车排放,汽油机,柴油机,生成机理
引言
汽车排放包含复杂的成分, 它随着汽车种类以及运行条件的变化而变化。从燃烧学来分类, 汽车排放可以分为:完全燃烧产物、不完全燃烧产物、燃烧中间产物。完全燃烧产物的成分是CO2、H2O、O2及N2等;不完全燃烧产物有CO、HC、NOx等;燃烧中间产物主要是燃烧化学反应生成的中间产物, 包括SO2、微粒 (PM) , 甲醛、丙烯醛等。它们绝大部分是有毒的, 或有强烈的刺激性、臭味和致癌作用, 对人类和环境造成巨大伤害。
汽车排放污染物主要有三个来源途径: (1) 汽车发动机通过排气管排出的废气, 约56%的HC和绝大部分的CO、NOx、PM都是从排气管中排出的。 (2) 曲轴箱窜气, 主要是HC, 大约占24%, 也有少量的CO, NOx及SO2。 (3) 燃油系统油气蒸发, 大约20%的HC就是从供油系统蒸发散入大气的[1]。
不过当前汽车对泄漏气体已全面进行控制, 使曲轴箱泄漏的混合气由曲轴箱循环进入到发动机中重新烧掉;当前汽车大都安装了油气蒸发污染的控制装置, 即把燃油系统的各个通风口 (尤其是油箱盖) 泄漏的燃油蒸汽用碳罐先吸附起来, 等到发动机工作时再释放出来使其进入气缸内燃烧。目前汽车污染物排放途径主要来自尾气, 即发动机排出的废气。
1、汽车CO生成机理
汽车排放污染物中CO的产生是由于燃油在气缸中燃烧不充分所致, 是混合气中氧气不足而产生的中间产物。
一般燃油 (烃燃料) 的燃烧化学反应可经过以下过程[2]:
燃气中的氧气足够时有:
同时CO还与生成的水蒸气反应, 生成氢和二氧化碳。
1.1 汽油机CO生成机理
汽油机是预混的均质可燃混合气, 由火花塞点燃可燃混合气燃烧做功的, 与柴油机不同的是, 它是非分层燃烧, 其CO排放量几乎完全取决于可燃混合气的空燃比 α 或者过量空气系数Φ。
在浓混合气中 (Φ<1 或 α<14.7 ) , CO的排放量随着Φ的减小而增加, 这是因为缺少O2导致不完全燃烧所致。在稀混合气中 (Φ>1 或 α>14.7) , CO的排放量都非常小, 只有Φ=1.0~1.1 时, CO的排放量才随Φ有较复杂的变化。排气中CO, HC及NOx浓度与空燃比 (α) 及过量空气系数 (Φ) 的关系如下图1 所示[3]。
汽油机可燃混合气的过量空气系数 (Φ) 的范围较窄, 一般为0.7~1.3。Φ值过大则混合气太稀不易着火或者着火不稳定, 在部分负荷时易失火;Φ值过小时, 则混合气太浓则导致不完全燃烧严重, 污染物排放也严重。汽油机具有定容燃烧的特点;燃烧持续期较短 (转速较高) , 燃烧最高温度较高, 由于过量空气系数较小、范围也比较窄, 因而比较容易导致不完全燃烧而产生较多的CO。
1.2 柴油机CO生成机理
CO是燃料在燃烧过程中生成的中间产物, 如果氧浓度够大、燃烧温度够高、燃烧时间足够, 从理论上讲CO是不存在的。柴油机是压燃, 压缩比较大, 一般为14~23, 故其过量空气系数 (Φ) 都在1.5~3 之间。相比较汽油机而言柴油机空燃比 (α) 较大、氧浓度较高、燃烧温度高、转速较低 (燃烧时间相对长) , 燃料能更完全的燃烧而减少CO的生成[3]。虽然柴油机分层燃烧所形成的局部过浓区中CO浓度较高, 但CO在随后的扩散过程中被较充分地氧化[4]。因此, 柴油机的CO排放浓度较汽油机要低很多。
以上是柴油机CO的排放远低于汽油机的分析。
2、汽车HC化合物生成机理
发动机排气中的HC化合物成分极其复杂, 有没有被燃烧的燃料分子 (HC化合物) , 也有燃烧过程中高温分解以及化学合成的中间产物 (如醛类、烯烃及芳香烃等) , 还有和渗入气缸内润滑油混合的HC化合物等成分, 种类达200 余种。HC化合物在柴油机和汽油机中的生成机理有所不同。
2.1 汽油机HC的生成机理
由排气管排入大气的HC是在气缸内形成的, 缸内HC的成因主要有以下几种[5]:燃料不完全燃烧、淬熄效应、狭缝效应、壁面油膜和积碳。
(1) 燃料不完全燃烧
未燃HC的生成量受汽油机燃烧条件改变而改变。当空燃比 α 稍大于理论 α 的情况下, 排气中未燃HC的含量是很少的。α 太小, 相对燃料而言O2不足, 导致燃料氧化反应不完全, 使未燃HC排出量大大增加;α 过大, 可燃混合气浓度过低无法点燃, 这也会产生未燃HC。
(2) 淬熄效应
燃烧过程中, 气缸内混合气温度高达2000℃以上, 而气缸壁面只有300℃ 左右, 靠近壁面的气体, 受到低温壁面影响, 温度远低于混合气温度, 气体流动也较弱, 在壁面形成厚约0.1~0.2mm的不燃烧火焰淬熄层, 这会产生大量的未燃HC。淬熄层厚度随发动机工况、混合气湍流程度和壁温的不同而不同, 小负荷时比较厚, 特别是冷启动和怠速时会形成很厚的淬熄层。
(3) 狭缝效应
燃烧室内存在着很多缝隙, 主要是活塞顶岸部与缸壁之间, 以及活塞环背后的缝隙。当缸内压力升高时, 会将一部分未燃的可燃混合气被压到缝隙中去, 由于缝隙很窄, 面容比大, 混合气流入缝隙中被壁面冷却, 火焰无法传入到缝隙中去, 于是形成未燃HC。研究表明, 约有5%~10%新鲜混合气由于缝隙效应被压到缝隙中去形成未燃HC。这种缝隙效应是产生未燃HC的重要来源。
(4) 壁面油膜和积碳
发动机缸壁上总是吸附着一层润滑油膜, 在进气和压缩过程中会有一部分燃油蒸气被此油膜吸附;还有一部分被沉积在活塞顶部、燃烧室壁面、进排气门上的积碳所吸附而未参加燃烧, 当进气和排气过程中缸内压力降低时, 被吸附未燃的燃油被释放出来, 以未燃HC排出气缸。
2.2柴油机HC的生成机理
汽油机未燃HC的生成机理也同样适用于柴油机, 但由于两者的燃烧方式以及所用燃料的不同, 所以柴油机的HC排放物有其自身特点:柴油中的HC化合物比汽油中的HC沸点高、分子量大, 柴油机压燃的燃烧方式使燃油的热解现象难以避免, 故柴油机排气中未燃或部分氧化的HC成分比汽油机要复杂。柴油机的燃料以高压喷入燃烧室后, 直接在缸内形成可燃混合气并很快燃烧, 燃料在气缸内被压燃后的燃烧时间也较长 (柴油机转速相比汽油机要慢很多) , 燃料燃烧充分, 故其HC的排放量比汽油机要小的多。
柴油机的燃烧是活塞压缩空气到达上止点附近时由喷油嘴向高压空气中喷射高压燃油, 属于扩散燃烧, 燃油在燃烧室内扩散成可燃混合气的停留时间要比汽油要短得多 (汽油机为预制可燃混合气) , 绝大部分工况的过量空气系数Φ远大于汽油机, 因而其混合气浓度梯度极大, 喷雾核心Φ接近于0, 而燃烧室周边区域的Φ趋向于 ¥ , 即几乎没有燃油, 因而受淬熄效应和油膜及积碳吸附的影响很小, 这也是柴油机HC排放远低于汽油机的原因[5]。
以上是柴油机HC的排放远低于汽油机的分析。
3、汽车微粒生成机理
汽车排放的微粒成分非常复杂, 除了由燃油燃烧产生之外, 润滑油燃烧和混合产生的微粒也占相当部分。
3.1 汽油机微粒的生成机理
汽油机排气微粒主要有:含铅汽油中的铅、汽油中的硫所产生的硫酸盐、有机微粒 (包括碳烟) 。
(1) 目前, 由于含铅汽油的淘汰以及贵金属的三元催化剂的应用, 铅微粒的排放是极少的。
(2) 硫酸盐排放主要是汽油中的硫在燃烧中转化成为SO2, 到达排气系统中被催化剂氧化成SO3后, 然后与水结合生成硫酸雾, 不过当前汽油冶炼水平大大降低了汽油中的硫含量, 这使得汽油机的排气中硫酸盐含量非常少。
(3) 碳烟排放只有在使用很浓的混合气时才会遇到, 对于调教良好的汽油机不是主要问题。
3.2 柴油机微粒的生成机理
汽油机排放微粒主要是含铅微粒和硫酸盐化合物, 柴油机排气微粒的组成要复杂得多, 它是一种类似石墨形式的含碳物质并吸附凝聚了大量高分子的聚合物, 一般认为微粒主要是由三部分组成, 即碳烟 ( (DS) 、可溶性有机物 (SOF) 和硫酸盐, 柴油机微粒可表示为PM, 其构成如下图2 所示[3]。
柴油机PM是一个复杂的、动态的组成, 它由碳烟、未燃燃料、润滑油中的可溶有机成分、柴油中的硫燃烧后生成的硫酸盐、机油中灰分以及添加剂等组成。各成分在PM中所占的比例会随着发动机的工况、技术水平以及燃油品质等因素的改变而改变。其中碳烟是PM中含量最大的成分, 其他成分在PM中所占的比例也很低, 下面就重点对碳烟进行详述。
碳烟生成机理, 概况的说是由柴油在高温缺氧条件下裂解生成的, 其详细的生成机理尚不十分清楚。一般认为, 柴油喷射到气缸中的高温高压的空气中时, 轻质烃很快蒸发气化, 重质烃以液态暂时存在。重质烃在高温缺氧的环境下, 直接脱氢碳化析出型碳粒, 粒度一般比较大。而轻质烃经过如下图3 所示的不同的复杂途径, 产生气相析出型碳粒, 粒度相对较小。
很快轻质烃燃油分子在高温缺氧的环境下发生部分氧化和热裂解, 生成各种不饱和烃类, 如乙烯、乙炔及其多环芳香烃, 不断脱氢形成原子态碳粒子, 逐渐聚合成直径2nm左右的碳烟核心 (碳核) 。气相的烃在碳核表面不断凝聚, 以及碳核相互碰撞发生凝聚, 使碳核持续增大, 成为直径20~30nm的碳烟基元然后聚集形成直径1µm以下的球状多孔性聚合物。由于重馏分的未燃烃、硫酸盐以及水分等在碳粒上吸附和凝集, 然后作为碳烟排放出去, 所以很多情况下, 碳烟就指的是PM[6]。
柴油十六烷值较高, 稳定性较差, 分子量大, 在高温高压环境中急易于裂解, 容易形成碳烟。碳烟的生成是柴油在高温缺氧区脱氢反应所致, 柴油中的游离碳和残碳含量, 起了颗粒物“成核”的作用。柴油硫含量比汽油要高的多, 这也明显增加了颗粒物的排放。
柴油机运行时燃烧室内的可燃混合气浓度分布极不均匀, 这导致了气缸内局部缺氧和局部富氧, 而柴油机的燃烧温度高、燃烧持续时间长等特点为碳烟生成提供了条件。PM是柴油机扩散燃烧的固有产物, 尽管柴油机的混合气在总体上“很稀” (α>1.2) , 但由于非均质的混合气实际上存在许多“很浓”区域, 适宜碳烟产生。
柴油机是向气缸内部喷射燃油使燃料和空气混合, 混合状态很不均匀, 而且在缓燃期和补燃期气缸内温度及压力下降后, 燃烧状态恶化。这种大量燃油与高温缺氧燃气混合的环境必定会导致燃料不完全燃烧而产生大量PM。以上是柴油机微粒的排放远高于汽油机的分析。
4、总结
汽车污染物排放主要与混合气形成、燃烧过程及燃烧结束后在排气过程中的化学反应有关, 此外, 还受燃油种类及蒸发状况等因素制约。汽油机压缩比一般在7~10 之间, 汽油为C4~C11 的碳氢燃料, 易挥发, 化学稳定性好, 着火温度高, 不易自燃, 需靠火花塞点燃。对汽油机而言, 燃油和空气在外部预制成比较均匀的混合气后进入气缸, 依靠火花塞点燃, 形成火焰核心, 化学反应加速, 开始进行火焰传播。汽油机燃烧必需具备两个条件:一是混合气成分 (空燃比) 应处在可燃界限内 (α 在10~19 之间) ;二是火花塞应具有足够的点火能量 (点火能量为40~120m J) , 才能可靠地点燃混合气[2]。
柴油为C12~C23 的碳氢化合物, 它不易挥发, 着火温度低, 化学稳定性差, 因而易自燃, 高温易裂解。柴油机压缩比较汽油机要高, 一般为14~23, 柴油机靠压缩提高缸内混合气的温度, 然后喷入燃油使其自燃, 由于柴油机是在极短的时间内靠高压将柴油喷入气缸, 经过喷雾、蒸发、混合过程形成非均质的可燃混合气, 当压缩达到自燃温度就会有多处着火而燃烧的现象, 当混合气燃烧时, 仍有燃油正在连续喷射, 继续进行喷雾蒸发混合过程, 这是扩散燃烧特点。
由于混合气形成和燃烧特点、燃料以及着火条件的不同等等, 柴油机排放中PM浓度比汽油机大几十倍, 而C0、HC排放浓度较汽油机小近十倍。上表1 为汽油机与柴油机排放污染物成分的比较[7]。
通过以上全部分析可得出结论:柴油机排放的CO、 HC远低于汽油机而PM排放远却高于汽油机。
参考文献
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