机动车尾气防治技术.doc

机动车尾气防止技术中科院信息咨询中心一、研究方法：分析机动车尾气的有害成分以及这些成分的形成机理，找出抑制其生成的方法。二、基本方案：一是不改变燃料种类的前提下采用清洁燃烧技术（机内净化）与尾气净化技术（机外净化）；二是利用绿色环保燃料减少尾气有害物质的排放。三、技术路线：1、燃油空燃比（使CO达到正常）2、燃烧室密闭性（使缸压、漏气率正常）3、点火正时、能量、高压电路（使HC正常）4、废气再循环（使NOX达到正常）5、三元催化器（使CO、HC、NOX都达标）6、净化装置及排气系统（使CO2、O2达标）一、机动车尾气的主要成分、形成机理1.1主要成分所谓尾气污染，主要是指柴油、汽油等机动车燃料因含有添加剂和杂质,在不完全燃烧时，所排出的一些有害物质对环境及人体的污染和破坏。据研究表明，汽车尾气成分非常复杂，有一百种以上，其主要污染物包括：一氧化碳(CO) 、氮氧化物(NOx) 、碳氢化合物(HC) 、铅( Pb) 、苯并芘(BaP)等。另外，汽车尾气中含有大量的二氧化碳、二氧化硫等温室气体，过量地排入大气会造成温室效应，使全球气候变暖，破坏大气臭氧层，同时，酸性气体还会导致酸雨的形成。1.2形成机理发动机尾气中的毒性物质的排出量取决于燃烧前混合气的形成，燃烧室的燃烧条件和排气系统的反应条件。排气中的CO、HC和NOx各自的生成条件不同， CO、HC和煤烟的生成是由于燃料不完全燃烧或燃气温度较低时发生较多，尤其是在次序起动、喷油器喷雾不良、超负荷工作运行时，燃油不能很好地与氧化合燃烧；另一部分有毒物质是由于燃烧室内的高温、高压而形成的氮氧化合物NOx（NO、NO2）。一般可定性的解释如下：1、NOx化合物生成机理空气中含78%氮分子，21%氧分子，温度高于1500时产生反应，N2+ O2NOx，生成NOx的因素有以下四点：（1）温度：有O2存在并且在高温条件易生成；（2）O2浓度：在O2不足的前提下，即使温度高，NOx生成也少；（3）滞流时间：因为NOx生成反应比燃烧反应慢，所以即使在高温条件下，如果滞流时间短的话， NOx生成量也减少；（4）空燃比影响：当空燃比低于12:1、高于18:1时生成量也少。2、HC化合物生成机理 汽油由多种HC成份组成，完全燃烧生成CO2和H2O，但不可能发生完全燃烧，所以排气中总归有HC存在。发生不完全燃烧的因素主要有以下几个因素：（1）发动机为了提高功率，常使发动机在1，大约12.513.0的稍浓混合气下工作，在低负荷时由于气缸内残余废气较多，为了不使燃烧速度降低也要求1的状况下工作，由于1使空气量不足，所以发生不完全燃烧。（2）汽油机用火花塞点火，使火焰传播把混合气燃烧掉，但紧靠燃烧室壁而附近的混合气层，由于缸壁的冷却形成激冷层，使火焰传播中止而熄灭。因此激冷层的混合气不能完全燃烧，从而排出HC。3、CO化合物生成机理 一氧化碳（CO）是碳氢燃料在燃烧过程中的中间产物，CO产生因为混合气过浓，当空燃比在15:1以下时产生大量CO，原因是燃烧时由于空气少，汽油缺氧燃烧，产生大量CO。=1时，由于混合气混合分配不均匀，排气中仍有少量CO，混合气分配均匀，由于燃烧后温度高，CO2中有一少部分分解成CO和O2，H2O分解为O2和H2，生成的H2也会使CO2还原成CO，所以有CO生成。 凡是影响空燃比的因素，都影响CO生成，主要表现为以下工况：（1）怠速工况。由于怠速时混合气较浓，会生成CO，提高怠速，多进气，会降低CO生成；（2）减速工况。发动机急减速时，进气管真空度增大，停留在进气螺管内的燃烧油膜在高真空条件下急剧蒸发，进入燃烧室，造成混合气过浓，致使燃烧恶化，使排气中CO增加；（3）负荷的影响。通常情况下CO在小负荷和全负荷CO排放增加。4、微粒(PM)的形成机理柴油机排出的微粒物一般要比汽油机高3080 倍, 通常用PM(Particulate Matter) 表示。柴油机的微粒由三部分组成, 即炭烟DS、可溶性有机成分SOF 和硫酸盐。炭烟是微粒的主要组成部分, 炭烟排放的变化自然导致微粒排放的变化, 但两者升高和降低未必成比例。柴油机在高负荷时, 炭烟在微粒中所占的比例升高, 而在部分负荷时则有所降低。由于重馏分的未燃烃、硫酸盐以及水分等在炭粒上吸附凝聚, 很多情况下, 炭烟即指微粒。碳氢化合物燃料的不完全燃烧所产生的炭烟是以碳原子作为主要成分并含有占10%30%氢原子的碳氢化合物所组成, 它具有与聚合多环碳化氢相近似的结构。碳氢化合物燃料由于热分解生成甲烷和乙烯等低分子碳氢化合物, 在温度不太高的情况下, 这些产物就成了所谓的未燃碳氢化合物。当燃烧气体保持高温时, 如果氧气过剩就会进行氧化反应。如果氧气不足, 甲烷和乙烯会进一步进行化学反应; 一方面进行脱氢反应; 另一方面聚合成2030nm 大小的炭烟粒子, 小粒子最后会成长成50200nm 的大粒子。实际燃烧过程中所进行的反应远比所介绍的要复杂。可溶有机成分在微粒中的比例一方面与燃烧质量有重要关系, 另一方面与润滑油窜入有关, 并且随着燃烧质量的提高,这部分窜入的润滑油所占的比例会随之增加。研究表明: 在车用直喷柴油机微粒排放中, 冷起动、自由加速工况约有25% 的有机可溶成分来自润滑油, 稳定工况约有40%60% 的有机可溶成分来自润滑油。二、机动车尾气治理技术由于汽车运行严重的分散性和流动性,因而也给净化处理技术带来一定的限制。尾气净化就是采取种种有效措施减少污染物的排放或使排放废气中的CO、HC、NOX等有害物质分别被氧化或者还原，生成无毒的CO2，H2O，N2。采取的途径主要有两种，意识在不改变燃料种类的情况下采用清洁燃烧技术（机内净化）与尾气净化技术（机外净化），二是利用绿色环保燃料来减少汽车尾气中的有害物质的排放。2.1机内净化技术主要是提高燃料质量和改善燃烧在发动机内的燃烧条件，尽可能减少污染物的生成，主要措施有：改进燃烧室结构，改进供油系统，改进进气系统，使燃油燃烧更充分，改进点火系统等。(1)减少喷油提前角。减少喷油提前角，可降低发动机工作的最高温度，使NOx 的生成量减少。(2)改善喷油器的质量，控制燃烧条件(燃比、燃烧温度、燃烧时间) ，可使燃料燃烧完全，从而可减少CO、HC和煤烟。(3)调整喷油泵的供油量，降低发动机的功率，使雾化的燃料有足够的氧气进行完全燃烧，从而也可以减少CO、CH和煤烟的生成。2.2机外净化技术机内净化技术只能减少有害气体的生成量，不能出去已生成的有害气体，净化效率不高。通常更关注机外净化技术，其中研究与应用最多的是机外净化方式。 机外净化是利用发动机外净化反应装置，在尾气排出气缸进入大气之前，将一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物转化为无害气体的过程。机外净化是通过安装热反应器，一次反应器，催化转化器等装置以对排出的气体进行一次处理或净化。主要方法是净化催化法、分催化燃烧法和三效催化法等，后者为最有效、当前应用最广的催化方法。三元催化器的工作原理是：当高温的汽车尾气通过净化装置时，三元催化器中的净化剂将增强CO、HC和NOx三种气体的活性，促使其进行一定的氧化还原化学反应，其中CO在高温下氧化成为二氧化碳气体；HC化合物在高温下氧化成水(H20)和二氧化碳；NOx还原成氮气和氧气。三种有害气体变成无害气体，使汽车尾气得以净化。 采用的催化剂有氧化锰-氧化铜;氧化铬-氧化镍-氧化铜等金属氧化物和白金属(铂)等贵金属，它们都可以净化CO、HC。催化反应器设置在排气系统中排气歧管与消音器之间。三效催化剂( ThreeWay Catalyst, TWC)是汽车尾气三元催化转化器里使用的催化剂,它具有高活性、高选择性、高热稳定性、良好物理性能,能同时净化尾气的CO、HC和NOx等有害物。2.3 汽车燃油的改用(1)采用无铅汽油，以代替有铅汽油,可减少汽油尾气毒性物质的排放量首先应抓汽车油的改用。以无铅汽油代替四乙基铅汽油,这种汽油是用甲荃树丁醚作渗合剂,它不仅不含铅,而且汽车尾气排出的一氧化碳、氮氧化合物、碳氢化合物均会减少。因铅是一种蓄积毒物,它通过人的呼吸、饮水、食物等途径进入人体,对人体的毒性作用是侵蚀造血系统、神经系统以及肾脏等。诸如对血管系统、生殖系统、致癌、致畸等毒性作用也可能发生。(2)掺入添加剂，改变燃料成分汽油中掺入15%以下的甲醇燃料,或采用含10%水份的水汽油燃料,都能在一定程度上减少或者消除CO、NOx、HC和铅尘的污染效果。若采用“甲醇燃料”,即采用甲醇和其他醇类同汽油混合所制成的燃料。当甲醇占比例30% 40% ,汽车尾气排出的污染物可基本上消除。(3)选用恰当的润滑添加剂机械摩擦改进剂在机油中添加一定量(比例为3% 5% )石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯粉末等固体添加剂,加入到引擎的机油箱中,可节约发动机燃油5%左右。(4)采用绿色燃料同样可减少汽车尾气有毒气体排放量据美国的俄亥俄州某研究所用豆油与甲醇、烧碱混合,然后去除其中的甘油,从而可获得“大豆柴油”。用“大豆柴油”,以37的比例掺入到普通柴油中,可供柴油汽车之用。它可大大减少发动机工作时排放的硫化物、碳氢化合物、一氧化碳和烟尘,故誉作绿色燃料。(5)采用多种燃料作为汽车燃料来源随着科学技术的发展和计算机的广泛应用,