汽油機排放污染物的生成和處理技術

1、汽油機排放污染物的生成和處理技術 摘要：目前環(huán)境污染嚴重，而汽車作為化石燃料的重要消耗途徑，有著不可推卸的責任。因此本文分析汽油機排放的CO,HC,NOX和微粒等污染的生成，還討論了目前汽車常用的機內凈化和排放后處理技術。在這里技術的指導下，希望進一步改善汽車的排放特性。關鍵詞：汽油機；排放；機內凈化；排放后處理 0 引言近年來環(huán)境污染日益嚴重，很大程度上是由化石燃料的不清潔燃燒方式引起的。酸雨，霧霾，沙塵暴，溫室效應甚至厄爾尼諾現(xiàn)象的出現(xiàn)頻率越來越高，環(huán)境問題與經濟發(fā)展的沖突越來越嚴峻。據英國石油公司（BP）的統(tǒng)計，中國是目前世界上能源消耗量最大的國家，占世界一次能源消耗的22.4%1。其中

2、，不可再生的化石能源占了我國能源結構的絕大部分?；茉吹拇罅肯牟粌H威脅國家的能源安全問題，同時也制約了社會的穩(wěn)定高速發(fā)展。從圖1中可以看到，隨著我國汽車保有量的不斷增長2，汽車行業(yè)作為交通運輸?shù)闹饕獦嫵刹糠窒牡拇罅渴唾Y源占據了很大比例。其次，粗放式地燃燒化石燃料已造成了嚴重的空氣污染。隨著空氣污染的不斷加重，PM 2.5數(shù)值不斷攀升，霧霾天氣已經嚴重影響了人們的正常工作生活。控制空氣污染并減少霧霾天氣以保障我國民眾的身體健康和日常生活已經刻不容緩。圖1 世界汽車增長趨勢盡管內燃機具有效率高、體積小、續(xù)航里程高等優(yōu)點，但是其每年消耗大量寶貴的化石燃料并排放危害環(huán)境和人體健康的物質。研究表

3、明，汽車尾氣的排放物是大氣污染物的一個主要來源3-5，其中包含未燃碳氫（HC）、氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）、固體顆粒物、二氧化硫、含鉛化合物等多種有害物質6。然而內燃機作為成熟的動力源在短時間內無法被徹底取代，研究內燃機排放物是如何生成，并探尋合適的排放控制手段，使亟待解決的。目前城市絕大多數(shù)乘用車都是汽油機，所以本文主要討論汽油機排放物的生成和控制。1 汽車排放污染物的生成和影響因素1.1 一氧化碳的生成機理和影響因素汽車排放物中的CO的生成主要是由于燃油在汽缸內燃燒不充分所致，是由氧氣不足所引起的。一般烴燃燒燃燒都是先與氧氣反應生成CO和H2，再由二者與O2進一步反應生成H2O和

4、CO2，同時CO還和生成的水蒸氣反應生成H2和CO2。由此可見，當汽缸內氧氣充足燃料完全燃燒的情況下，是沒有CO生成的，而當O2不足的情況下，就會有部分燃料不能完全燃燒而生成CO。理論上當空燃比在14.7以上時候，燃料完全燃燒，沒有CO生成。但由于燃料空氣混合不均勻，在排氣中還含有不少CO。因此CO主要受空燃比的影響，因此，影響空燃比的因素都會影響CO生成。例如，進氣溫度、大氣壓力、進氣管真空度、怠速轉速、發(fā)動機工況等。如圖2可以看到不同轉速和負荷對CO排放的影響7。圖2 1800 r/min(左邊)和2500 r/min(右)下的CO排放特性1.2 碳氫化合物的生成機理和影響因素汽油發(fā)動機中

5、的未燃HC的生成主要可分為三種方式：燃燒過程中未完全燃燒的碳氫燃料隨廢氣排入大氣，其可能通過火焰在壁面淬熄、狹隙效應、燃燒室內沉積物和油膜等對燃油蒸汽的吸附和解吸、體積淬熄和后期氧化等原因引起；未燃燃料從活塞組和汽缸之間的縫隙漏入曲軸箱，形成躥氣；燃油從汽油機的燃油系統(tǒng)直接蒸發(fā)形成燃油蒸汽。未燃HC排放主要是由于缸內混合氣過濃、過稀或者局部混合不均勻引起燃燒不完全而導致的，造成燃燒不完全的因素大致有混合氣質量、發(fā)動機運行條件、燃燒室結構參數(shù)及點火和配氣正時等。其運行條件可以細分為負荷、轉速、點火時刻、燃燒室面容比等的影響。如圖3可以看到不同轉速和負荷對CO排放的影響7。圖3 1800 r/mi

6、n(左邊)和2500 r/min(右)下的HC排放特性1.3 氮氧化物的生成機理和影響因素車用發(fā)動機排氣中的NOX主要包括NO和NO2，其中大部分是NO，它們是N2在高溫下的產物。1.3.1 NO的生成機理根據擴展的Zeldovitch 機理，在化學計量比a=1附近導致生成NO和使其消失的主要反應為：O22OO+ N2NO+ON+O2NO+ON+OHNO+HNO的生成不僅與溫度和過量空氣系數(shù)有關，還由局部高溫的持續(xù)時間決定。1.3.2 NO2的生成機理汽油機排氣中的NO2濃度與NO相比可以忽略不計，且目前對其生成機理研究還不太透徹，大致上認為如下：NO+HO2NO2+OH然后NO2又通過下述反

7、應轉變?yōu)镹ONO2+ONO+O2只有在NO2生成后，火焰被冷的空氣激冷，NO2才會得以保存，因此汽油機長期怠速會產生大量NO2。氮氧化物的生成主要受過量空氣系數(shù)，殘余廢氣分數(shù)，點火時刻等的影響。過量空氣系數(shù)直接影響混合物的氧濃度，殘余廢氣可以增大缸內氣體比熱和減小可燃氣放熱，點火時刻則可以控制燃燒溫度。1.4 微粒的生成機理和影響因素汽油機的排氣微粒有三種來源：含鉛汽油中的鉛、有機微粒（包括炭煙）、來自汽油中硫元素所產生的硫酸鹽。硫酸鹽的排放主要涉及排氣系統(tǒng)中有氧化催化劑的車用發(fā)動機。汽油中硫酸鹽的排放直接取決于汽油中的硫含量。炭煙排放只在使用很濃的混合氣才會遇到，對調整良好的汽油機不是主要問

8、題。相反，微粒則是柴油機主要考慮的排放問題。1.5 其他排放物汽車排放污染物除了主要的CO,HC,NOX和微粒以外，還包括重金屬污染物和硫氧化合物等。其中重金屬污染物主要包括鉛、鋅、銅等，主要來自于含鉛汽油、潤滑油的燃燒、汽車輪胎和制動系統(tǒng)的機械磨損等。2 汽油機排放控制2.1 機內凈化所謂機內凈化就是從有害排放物的生成機理和影響因素出發(fā)，以改進汽油機燃燒過程為核心，達到減少和抑制污染物生成的各種技術。機內凈化被公認為是治理車用汽油機排氣污染的治本措施。汽油機主要的機內凈化技術有：（1）大力推廣汽油噴射電控系統(tǒng)，它利用各種傳感器檢測發(fā)動機的信息反饋，進過ECU的判斷和計算，使發(fā)動機在不同工況下

9、均能獲得合適的空燃比的混合氣。（2）改善點火系統(tǒng)，提高點火能量和點火可靠性，對點火正時進行最佳調節(jié)，改善燃燒過程。（3）采用廢氣再循環(huán)（EGR），能夠有效的控制汽油機NOX排放，改善排放特性。EGR過程如圖4所示。圖4 EGR示意圖（4）采用增壓技術，對提高汽油機功率和改善其燃油經濟性質及排放都有好處。圖5是典型的汽油機增壓渦輪。圖5 汽油機增壓渦輪（5）采用可變氣門正時技術（VVT），通過汽油機狀態(tài)控制進氣凸輪軸，通過調整凸輪軸轉角對配氣時間進行調整，以獲得最佳配氣正時，從而在所有速度范圍提高轉矩和燃油經濟性。如圖6所示即為VVT的示意圖。圖6 VVT示意圖2.2 后處理凈化技術機內凈化雖然

10、能對降低排氣污染起較大作用，但始終效果有限，且不同程度的給動力性和經濟性帶來影響。世界各國先后開發(fā)廢氣后處理凈化技術，在不影響或者少影響發(fā)動機其他性能的同時，在排氣系統(tǒng)上安裝各種凈化裝置。目前主要應用的是三效催化轉化和稀燃催化技術。車用三效催化轉化器主要由載體、催化劑和殼體組成。其中載體和催化劑是轉化器的關鍵部分，對轉化器的性能起決定作用，而殼體的外形設計、轉化器在排氣管中的安裝位置等對轉化器性能的影響也不可小覷8。圖7為三效催化轉化器示意圖。圖7 VVT三效催化轉化器稀薄燃燒技術是降低CO排放的有效手段，通過讓發(fā)動機在空燃比大于化學計量比的情況下燃燒，以改善其排放特性。但目前的瓶頸在于空燃比

11、的操作窗口太窄，要求燃油中硫含量低，目前難以廣泛應用。3 總結汽車作為目前主要城市交通工具，消耗了大量化石能源，也帶來了大量污染。本文詳細分析了目前汽油機的主要排放物質未燃碳氫（HC）、氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）、固體顆粒物等的生成原因和影響因素。并且討論了目前主流的排放控制手段，包括機內凈化，排放后處理等方面。簡單介紹了EGR,VVT,渦輪增壓，三效催化轉化等主流技術，深入了解了汽車排放與控制的過程。參考文獻：1 BP statistical review of world energyJ, 2014.2 Wu T, Zhao H, Ou X. Vehicle Ownership

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