汽車排放及控制技術(shù)講解

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汽車排放及控制技術(shù)

課程論文

課程名稱汽油機尾氣排放技術(shù)的改進學生姓名馬攀

學號1241103019系、年級專業(yè)機械與能源工程系2012級

車輛工程專業(yè)

指導教師伏軍

2015年1月1日

目錄

第1章緒論(1)

1.1環(huán)境污染與保護(2)

1.2汽車排放污染物和危害(3)

第2章汽油機燃燒過程及主要排放物(4)

2.1汽油機的燃燒過程(4)

2.2汽油機的主要排放物(4)

第3章汽油機節(jié)尾氣處理措施及改進(5)

第4章結(jié)果分析與討論(8)

第5章結(jié)論(10)

致謝(11)

汽油機尾氣排放技術(shù)的改進

污染已成為嚴重的社會公害。在汽車密集的城市，汽車排放污染對人們的生活環(huán)境造成了極大的影響，嚴重地威脅到人們的身體健康，同時也危害著一些動、植物的生存和生長，破壞了自然界的生態(tài)平衡。因此，解決汽車的排氣污染成為亟待認真研究的重要課題。隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，汽車保有量急劇增加，汽車排放對大氣的污染已成為世界公害,直接危害著人類的健康，并破壞著自然界的生態(tài)平衡，已引起了各個國家的高度重視。人類的生存環(huán)境已經(jīng)遭到嚴重污染，生態(tài)平衡日趨惡化，且直接危害到人們的健康，而汽車已成為主要的污染源。因此，必須嚴格控制汽車的排放污染，研究汽車排放污染的防治技術(shù)也成了當前的重要課題。

1.1環(huán)境污染與保護

當人類向著政府大自然的目標前進時，一部分破壞生態(tài)環(huán)境的歷史也同時被記錄下來。環(huán)境是人類生存發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和制約因素。讓我們想一想，人類過度地消耗資源和污染環(huán)境，已經(jīng)給地球造成了怎樣的災難。我們每個人在這樣的災難中負有怎樣不可推卸的責任。當脆弱的生態(tài)難以維系，人類的消費將如何持續(xù)？當?shù)厍蚧剂私^癥，人類又能生存多久？人類既是環(huán)境災難的制造者，也是環(huán)境災難的受害者，更是環(huán)境災難的治理者。我們每個人都可以通過選擇綠色的生活方式來參與環(huán)保：節(jié)約資源，減少污染；綠色消費，保選購；重復使用，多次利用；垃圾分類，循環(huán)回收；救助物種，保護自然。隨著人們生活節(jié)奏的加快，人們要求越來越高的效率，于是汽車產(chǎn)業(yè)在節(jié)奏中應運而生并以驚人的速度飛快發(fā)展著。然而，隨著汽車數(shù)量增多，它所帶來的負面影響卻是不容忽視的汽車尾氣是空氣污染的一個重要因素。日前，全世界擁有汽車約8億輛，平均7人一輛，汽車是給我們的生活帶來了很多便利，但任何事物都有兩面性，便利也要付出代價，那就是污染。汽車排出的有害氣體在當前己取代了粉塵，成為大氣環(huán)境的主要污染源。據(jù)不完全統(tǒng)計，世界每年由汽車排入大氣的有害氣體?一氧化碳(也就是人常說的煤氣)達2億多噸，太致占總毒氣量的1/3以上，成為城市大氣中數(shù)量最大的毒氣，而且它在大氣中壽命很長，一般可保持二、三年。所以它是一種數(shù)量大，累積性強的毒氣。

在美國洛杉礬，進入40年代后，隨著工商業(yè)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)每當夏季和早秋，洛杉礬城市上空就會經(jīng)常出一種不尋常的淺藍色的煙霧，有時持續(xù)幾天不散，使大氣能見度大大降低。1943年9月8日，洛杉礬城區(qū)就被這種神奇的淺藍色煙霧籠罩了整整一天，使上千人中毒，當時人的眼睛發(fā)紅、喉部疼痛，有的還伴隨有不同程度的頭昏、頭痛，最后有400多人死亡。一夜之間，草木枯黃，使當時的洛杉礬失去了優(yōu)美的環(huán)境。對洛杉礬煙霧的來源及形成條件的調(diào)查歷經(jīng)數(shù)年。起初人們認為這種煙霧是由化工廠排放的廢氣二氧化硫造成的，后來經(jīng)過7一8年的研究才弄清楚，造成這種淺藍色煙霧的根源是由汽車排出的廢氣對大氣的污染。汽車排氣才是洛杉礬光化學煙霧事件的真正兇手。

人類環(huán)境迫切需要有能改善這種狀況的解決辦法，既要解決人類的交通工具問題，又要使得此種交通工具不至于對人類的需求產(chǎn)生負面影響！要求我們從多個方面對這個問題進行思考、定奪！

一方面，要從如何降低能源消耗入手同時關(guān)注汽車尾氣、噪音、產(chǎn)熱的問題；另一方面，要研制出節(jié)能無污染的“綠色”替代品！

1.2汽車排放污染物及危害

機動車尾氣成分非常復雜，有一百種以上，其主要污染物包括：一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、碳氫化合物(HC)、鉛(Pb)、苯并芘(B8P)等，這些污染物不僅污染環(huán)境，對人體也有巨大危害。

（1）一氧化碳(CO)

CO是一種化學反應能力低的無色無味的窒息性有毒氣體，對空氣的相對密度為0．9670，它的溶解度很小。吸入過量的CO會使人發(fā)生氣急、嘴唇發(fā)紫、呼吸困難甚至死亡。長期吸入CO對城市居民身體健康是一個潛在威脅。其生成主要受混合氣濃度的影響，在局部缺氧或低溫條件下，燃燒中的碳不能完全氧化生成C02，而CO作為中間產(chǎn)物生成。

（2）氮氧化物(NOx)

NOx是在內(nèi)燃機汽缸內(nèi)大部分氣體中生成的，NOx的排放量取決于燃燒溫度、時間和空燃比等因素。氮氧化合物進人肺泡后，能形成亞硝酸和硝酸，對肺組織產(chǎn)生劇烈的刺激作用，增加肺毛細管的通透性，最后造成肺氣腫。

（3）碳氫化合物

碳氫化合物盡管在汽車尾氣中含量不多，但其構(gòu)成成分中含有一種已被世界公認的強致癌物質(zhì)。

（4）鉛

汽車主要靠燃燒汽油(柴油)行駛．而汽油是一種易燃易爆的液體，為了防止爆炸，人們往往在汽油里添加一種抗爆劑——四乙基鉛。汽車尾氣中的鉛很容易通過血液長期蓄積于人的肝、腎、脾、肺和大腦中，進而產(chǎn)生慢性危害，尤其是鉛，一旦進入人的大腦組織，便緊緊粘附在腦細胞的關(guān)鍵部位，從而導致人的智能發(fā)育障礙和血紅素制造障礙等后果。

第二章汽油機燃燒過程及主要排放物

2.1汽油機燃燒過程

汽油機燃燒過程分為三個階段：著火延遲期、明顯燃燒期和補燃期。汽油和空氣按一定的比例組成的混合氣，進入氣缸后被壓縮受熱?；鸹ㄈ鸱烹姇r兩級電壓在15000V以上，電火花能量40-80mj,局部溫度可達2000攝氏度以上，致使電極周圍的欲混合氣熱反應加速，當反應積累的熱積累使反應區(qū)溫度急劇升高而使火花塞電極附近的混合氣著火，即形成火焰中心。從電火花跳火到形成火焰中心階段稱為著火延遲期，還有明顯燃燒期是第二階段，補燃期是第三階段。

2.2汽油機主要排放物

汽油機最理想的燃燒是指混合氣完全燃燒，汽車的排放物應為二氧化碳、氮和水。但是汽油實際工作時，混合氣燃燒往往是不完全的，燃燒生成物除了以上三種之外，還有碳氫化合物、一氧化碳、鉛化物及二氧化硫等，這幾種排放物會對大氣環(huán)境造成污染，對人體造成危害。

第三章汽油機尾氣處理措施

3.1機前凈化技術(shù)

機前凈化技術(shù)是在混合氣進入氣缸之前，對燃料和空氣采取的措施。主要從以下幾個方面進行介紹。

3.1.1燃油處理技術(shù)

燃油處理技術(shù)是通過提高汽油的品質(zhì)或添加一些添加劑使汽油充分燃燒，以此減少有害物的排放。

在提高汽油品質(zhì)方面，除了需要采用含鉛汽油外，還要降低汽油中的硫、苯及烴類物質(zhì)的含量。此外，在燃油中使用添加劑可以減少進氣系統(tǒng)和油路中產(chǎn)生的積碳，改善發(fā)動機的燃燒效率，降低HC、CO的排放量。在發(fā)動機采用無鉛汽油后，為提高汽油的辛烷值，在燃油中添加抗爆劑，如醇類、醚類，可改善汽車發(fā)動機的性能，降低廢氣中的CO的含量。這種混合燃料又被稱之為汽醇燃料或M燃料。

3.1.2替代燃料的使用

車用汽油機的替代燃料主要是：液化石油氣、天然氣、醇類燃料等。液化石油氣辛烷值高、抗爆性好、熱值高、安全可靠，且熱效率較高；但是CO和NO的排放較高，發(fā)動機冷啟動困難，加速性能下降。天然氣在主要成分是烷烴，主要有壓縮天然氣和液化天然氣兩種。其主要特點是化學性質(zhì)穩(wěn)定、熱值高、抗爆性能好、燃燒效率高。醇類燃料主要應用甲醇和乙醇兩種，因其本身含氧量較高，燃料燃燒的更加充分，減少了環(huán)境的壓力，但是因為能源利用率較低、成本較高等原因，很難廣泛應用[1]。

3.1.3燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)

燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)可有效降低燃油箱中汽油蒸發(fā)排入大氣所造成的污染，以活性碳罐的使用效果最為有效。工作原理：當停車期間，利用活性碳罐活性，吸收汽油蒸汽，防止向大氣擴散；當發(fā)動機運行后，電控單元控制活性碳罐電磁閥打開與進氣管的通道，利用進氣真空度將活性碳罐中吸附的汽油蒸汽吸入進氣管道中與進氣一起參與燃燒。這不僅降低了HC的排放，還提高了燃油的有效利用率[2]。

3.1.4進氣系統(tǒng)的技術(shù)改進

提高進氣系統(tǒng)的充氣效率，使混合氣混合更為均勻，發(fā)動機的進氣系統(tǒng)多采用以下技術(shù)：

（１）采用多氣門技術(shù)，保證較大的換氣流通截面。這不僅可以增大充氣系數(shù)，而且對于火花塞的中心布置、泵氣損失減少、有害排放物降低等有很大的幫助。

（２）采用進氣渦流電控系統(tǒng)，加強油氣混合，實現(xiàn)可燃混合氣的快速、充分燃燒。該系統(tǒng)電控單元采集發(fā)動機轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度、冷卻水溫等信號，控制進氣管路中渦流控制閥的旋轉(zhuǎn)角度，引導氣流偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生渦流，提高火焰的傳播速度，降低HC的排放。此技術(shù)多應用在采用稀薄燃燒技術(shù)的發(fā)動機上。

（３）采用可變進氣系統(tǒng)，以適應發(fā)動機高、低轉(zhuǎn)速不同工況進氣量的需求。目前采用的可變進氣系統(tǒng)控制，主要有這么兩種控制方式：可變流通面積控制方式和可變流通長度控制方式?？刂圃砭抢眠M氣諧振的效果，提高充氣效率，在發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速條件下實現(xiàn)性能的最優(yōu)化，可提高發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性[3]。

3.2機內(nèi)凈化技術(shù)

3.2.1燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化

燃燒室系統(tǒng)的優(yōu)化主要圍繞兩個方面：改善缸內(nèi)的氣流及采用緊湊的燃燒室形狀。要增強缸內(nèi)混合氣的渦流和紊流，可采用螺旋進氣道或利用可變的截止閥增強缸內(nèi)渦流擾動，提高火焰的傳播速度。緊湊的燃燒室可通過減少不參與燃燒的縫隙容積的措施，即將活塞第一環(huán)槽的位置上移減少活塞頭部到活塞頂部的距離，使燃燒室更緊湊，以降低HC的排放。

3.2.2電控燃油噴射系統(tǒng)的優(yōu)化

電控燃油噴射系統(tǒng)的優(yōu)化，給發(fā)動機提供適應工況要求的燃油空燃比。閉環(huán)反饋控制的應用，滿足了三元催化轉(zhuǎn)化器對空燃比的要求。不僅可以降低燃油消耗率，還能很好的改善發(fā)動機的排放特性?，F(xiàn)在多用精度更高的線性寬域氧傳感器替代傳統(tǒng)氧傳感器，能在更寬的范圍內(nèi)對空燃比進行反饋，使發(fā)動機排放性能更佳[4]。

3.2.3點火正時的優(yōu)化

點火提前角對發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放性能有重要影響。最常用的排放控制是推遲點火提前角，以降低HC和NO的排放。但是推遲點火提前角會使平均有效壓力下降和油耗上升，所以應綜合考慮發(fā)動機排放特性、動力性及經(jīng)濟性來確定最佳點火提前角。

3.2.4稀薄燃燒技術(shù)

使發(fā)動機的空燃比較之傳統(tǒng)發(fā)動機14.7:1理論空燃比提高到15:1-27:1，隨著空燃比的增加，尾氣中的NO、CO等濃度會明顯減少，HC的排放也有一定的降低。此技術(shù)是降低汽油機排放、提高發(fā)動機性能的主要研究方向。在稀薄燃燒技術(shù)應用的同時，通常與分層燃燒技術(shù)、緊湊的燃燒室形狀、火花塞結(jié)構(gòu)及布置。

3.3機外凈化技術(shù)

在改進發(fā)動機本身設計及優(yōu)化其運行參數(shù)來降低污染物的排放，難度越來越大。需要兼顧發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性、排放性等要求的發(fā)動機結(jié)構(gòu)越來越復雜，成本急劇上升。

3.3.1三元催化轉(zhuǎn)換器

三元催化轉(zhuǎn)換器是目前應用最廣泛的排放后處理裝置，安裝在排氣管上。其最高轉(zhuǎn)換效率發(fā)生在理論空燃比14.7:1附近的很小的范圍之內(nèi)，為了實現(xiàn)空燃比的精確控制，通常在排氣管道中安裝氧傳感器，形成閉環(huán)控制。但在低溫起動、暖機、急加速、急減速等開環(huán)情況下，三元催化轉(zhuǎn)換器效率較低，排放污染物就會增加。

為了改善低溫起動性能，采用緊湊耦合催化器安裝在距離發(fā)動機較近的位置，通常熱容量較小、激活時間短，可顯著減少冷啟動階段的HC的排放[5]。

3.3.2閉式曲軸箱強制通風系統(tǒng)

閉式曲軸箱強制通風系統(tǒng)是在早期曲軸箱通風的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的，將曲軸箱和進氣管連通，根據(jù)發(fā)動機工況的不同，利用進氣管中真空度的變化，控制曲軸箱竄氣進入進氣管的再循環(huán)量。此技術(shù)可以提高發(fā)動機的經(jīng)濟性，并可以降低排放，因此在發(fā)動機上廣泛采用。

3.3二次空氣噴射技術(shù)

以減少廢氣排放為目的，二次空氣噴射技術(shù)被廣泛地應用在發(fā)動機上，通常有空氣泵式和脈沖式兩種。該技術(shù)是將新鮮空氣送入發(fā)動機排氣管內(nèi)，使廢氣中的HC、CO進一步氧化為H2O、CO2。

第四章結(jié)果分析與改進

4.1結(jié)果分析

汽車排放污染物的凈化往往在降低NO排放量上相互矛盾，無法兼顧。同時，廢氣處理凈化裝置也常與發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性指標相沖突。因此，對發(fā)動機排放物控制技術(shù)綜合優(yōu)化的關(guān)鍵是將性能達到最佳狀態(tài)。同時還應在日常的車輛使用中養(yǎng)成良好的駕駛習慣，并對發(fā)動機做好維護保養(yǎng)，是發(fā)動機保持在最佳狀態(tài)工作，從根本上預防、減少有害排放物生成。

4.2汽油機尾氣處理措施的改進

4.2.1機前凈化技術(shù)的改進

（1）燃油替代物的使用

由于天然氣能源利用率較低，成本很高，所以運用到實際生活很困難。通過學習，我覺得未來社會可以大量采用氫燃料電池車。

（2）原理：通過化學知識的學習，氫燃料電池車的工作原理就是：將氫氣送到燃料電池的陽極板（負極），經(jīng)過催化劑（鉑）的作用，氫原子中的一個電子被分離出來，失去電子的氫離子（質(zhì)子）穿過質(zhì)子交換膜，到達燃料電池陰極板（正極），而電子是不能通過質(zhì)子交換膜的，這個電子，只能經(jīng)外部電路，到達燃料電池陰極板，從而在外電路中產(chǎn)生電流。電子到達陰極板后，與氧原子和氫離子重新結(jié)合為水。由于供應給陰極板的氧，可以從空氣中獲得，因此只要不斷地給陽極板供應氫，給陰極板供應空氣，并及時把水（蒸氣）帶走，就可以不斷地提供電能。燃料電池發(fā)出的電，經(jīng)逆變器、控制器等裝置，給電動機供電，再經(jīng)傳動系統(tǒng)、驅(qū)動橋等帶動車輪轉(zhuǎn)動，就可使車輛在路上行駛。與傳統(tǒng)汽車相比，燃料電池車能量轉(zhuǎn)化效率高達60~80%，為內(nèi)燃機的2～3倍。燃料電池的燃料是氫和氧，生成物是清潔的水，它本身工作不產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳，也沒有硫和

微粒排出。因此，氫燃料電池汽車是真正意義上的零排放、零污染的車，氫燃料是完美的汽車能源！

(3)對比：由此可見，氫燃料電池的轉(zhuǎn)化效率更高，雖然成本也較高，但相對于天然氣，其性價比更高。

4.2.2機外凈化技術(shù)的改進

（1）三元催化裝置的改進

（2）三效催化劑的基本原理：通過催化劑的作用，把CO、HC、NOX分別氧化、還原為對人體健康無害的二氧化碳（CO2）、氮氣（N2）和水蒸氣（H2O）。（3）三效催化劑的主要反應方程式

CO、HC氧化反應:2CO+O2＝2CO2

2H2+O2＝2H2O

HC+O2→CO2+H2

NO的反應:2CO+2NO＝2CO2+N2

HC+NO→CO2+N2

2H2+2NO＝2H2O+N2

水蒸氣重整反應:HC+H2O→CO+H2

水煤氣轉(zhuǎn)換反應:CO+H2O＝CO2+H2

由于汽油燃燒時氣缸內(nèi)的溫度在500℃以上，上述反應進行的程度不大，要采取適宜的降溫措施來提高反應的轉(zhuǎn)化效率，目前在實際應用采用的一般是加長汽車排氣管的長度來達到一定的降溫目的，盡可能減少CO、NO等有害氣體的排放。

原裝置如圖：

改進后的裝置如圖：

（1）原理：在導管前后兩端增加一個氧傳感器、和溫度傳感器。利用銠金屬做催化劑，將氮氧化物還原成無害的氮氣和二氧化碳。還原過程中所生成的氧氣，再加上進氣口的氧傳感器的作用使裝置內(nèi)的氧氣充足，再以鉑金屬做催化劑一起和一氧化碳、碳氫化合物物進行氧化反應，使其生成無害的二氧化碳和水。當反應完成后通過出氣導管時，由于反應不可能充分進行，為了減小污染物的生成，出氣導管處的溫度傳感器發(fā)揮作用，使出氣管溫度下降，最后使殘留的氮氫化合物以及一氧化碳進一步減少。

（2）對比：與原裝置相比可得，加了氧傳感器和溫度傳感器后的三元催化裝置。

污染物減少的更多?？墒怯捎谄洳牧弦筮^高，安裝要求極高，故使用可能不太實際。

4.2.3燃燒系統(tǒng)的改進建議：

（1）燃燒室的形狀主要影響未燃HC排放的濃度。理想的燃燒室形狀應結(jié)構(gòu)緊湊，表面積小，并且?guī)в幸欢◤姸鹊倪M氣渦流。這樣可以形成快速燃燒，降低對辛烷值的要求，從而使HC的排放量降低。因此，半球形、帳篷形等緊湊型的燃燒室已經(jīng)漸漸替代了楔形和浴盆形燃燒室。而燃燒室內(nèi)火花塞的布置位置也成為影響排放物生成及燃料消耗的另一個重要因素。建議把火花塞布置在燃燒室中心。

（2）原理：緊湊的燃燒室可通過減少不參與燃燒的縫隙容積的措施，即將活塞第一環(huán)槽的位置上移減少活塞頭部到活塞頂部的距離，使燃燒室更緊湊，以降低HC的排放。

（3）對比：而火花塞布置在燃燒室中心的方法，減小了火焰?zhèn)鞑バ谐蹋涌炝巳紵俣?，故燃燒效率更高?/p>

4.2.4新技術(shù)探索：汽油摻水技術(shù)

為了節(jié)約能源,國內(nèi)外都非常重視汽油摻水燃燒這一項新技術(shù)的研發(fā)與應用。而且國外在新技術(shù)上已經(jīng)取得了較好的成果，我國也在積極試驗和推廣這項技術(shù)。而汽油摻水并不是字面上直譯的將水倒入汽油中使用。我們都知道水與油在通常情況下是不能燃燒的，而必須把水和油混合非常好,并讓汽油分子把水分子包起來,轉(zhuǎn)化成乳化狀再進行燃燒,而乳化工藝就是實現(xiàn)這項技術(shù)的關(guān)鍵。汽油摻水的乳化液在燃燒中,由于水與油沸點不相同,汽油中的水受到高溫作用,水滴首先急速汽化膨脹,使油包水之間的油膜爆炸并分裂成為更微小的油粒。而這種爆炸作用,可以讓燃燒中擴散出的油滴進一步細化和分散化,使其有更多的機會和空氣中的氧接觸,保證燃料燃燒更充分,從而減少了燃油消耗,達到了很好的節(jié)油效果。而且汽油摻水乳化液燃燒后排出的廢氣較為清