汽油机排放控制

汽油机排放控制研究 摘摘 要 要 汽车是当今社会的一种必不可少的重要交通工具 因汽油机具有转速高 结构简单 质量轻以及造价低廉等优点 它被大量用于汽车上 特别是在小型汽车上 而在评估汽油 机的各方面性能时 其排放情况是其中一项重要的参考指标 同时排放也是目前汽车行业 的生命线 而本文将会对国内外的汽油机排放情况进行介绍并比较 同时给出车用汽油机 一些常用的排放控制技术的阐述 并对各项技术的优缺点及其应用前景进行分析 最后将 会对后面的排放控制技术的发展给出建议 关键词 关键词 汽油机 排放控制 环境污染 机外净化 机内净化 机前净化 新能源汽车 1 前言 1876 年 德国人奥托研制出世界上第一台以煤气作为燃料的内燃机 而在 1886 年 同是德国人的卡尔本茨发明了世界上第一辆汽车 他采用的是在奥托 发动机基础上改进的火花点火汽油机 而随着这开始 汽油机和汽车行业不断 的取得进步和发展 并成为人类社会生产生活过程中不可或缺的工具 但是随 着 1996 年美国加州颁布了世界上第一个汽车排放法规 排放问题成为了关系到 汽车和汽油机生死的重要问题 1 现如今 汽车与人们的生活的联系更为紧密 但是随着环境问题 如温室效应 大气污染等已经对人们生命安全形成威胁 相关的研究又表明 汽车尾气的排放是温室效应和大气污染的重要原因之一 因而环境问题同样对汽油机排放控制提出了严峻的考验 同时这一切也表明控 制汽车排放已经到了刻不容缓的地步 2 国内汽油机排放现状 随着我国经济社会不断的向前发展 人民生活水平不断提高 我国的汽车 保有量急剧增加 但随之而来的是汽车尾气排放对环境造成的污染也越来越重 在我国的中大型城市中 汽车排放逐渐成为环境污染的主要源头 例如 北京 出现的雾霾的污染天气 其中一个最为重要的原因是北京这座城市中的汽车数 量太多 尾气控制成为老大难问题 这一系列情况表明 控制汽油机也就是汽 车的尾气排放是关系我国社会健康发展的重要问题和重大难题 我国汽车也既是汽油机的排放之所以处在这么严峻的情形 主要原因有一 下几点 1 汽车排放性能差 汽车保养以及淘汰制度不严格 2 汽 车保有量增加过快 尤其是在城市中 3 我国汽油机燃油能耗标准落后 4 广大群众对汽车尾气排放危害的意识淡薄 面对这一系列的问题 通过 政府以及各个部门机构的不断努力 通过立法以及出台一些相关的政策制度 同时加强对汽车行业的监管力度 进而在汽车尾气的排放控制也取得了一些可 喜的成就 例如 从广州的一项基于多年排放清单对车辆排放控制的研究中可 以看到 从 2005 年到 2009 年 一氧化碳 THC 和 PM10 的平均排放因子估计 减少了 30 40 但是从这份研究中还发现 氮化物的平均排放因子仅仅减少 了不到 10 2 从这份数据中不难看出 我国在排放控制方面取得了很大的进 步 但是同时还面临着很严峻的挑战 因而需要我们不断的改进技术 改进生 产 3 国外汽油机排放控制状况 以发达国家为例 由于发达国家经济发达 人均生活水平很高 因而其汽 车的总量很高 这本身就使其排放控制的难度变得很大 因而 从很早的时候 发达国家就已经开始关注汽油机排放控制方面的问题 他们通过排放法律法规 的建立 以法律的强制手段来控制排放问题 例如 在 1990 年 美国制订了最 严格的排放法规 而后 又相继出台了一系列的法律法规来控制排放 而欧盟 从 1993 年开始 积极强化汽车排放法规 这一系列的措施使得其排放控制取得 很大的发展 同时通过不断的改善汽油发动机的生产加工技术 改善其原油处 理技术 使得其在汽油机排放方面处于世界领先行列 与发达国家相比 我们国家在汽油机排放控制方面存在许多的不足 尤其 是在汽油发动机生产加工技术方面 这就需要我们不断的努力 不断的改善提 高技术 而且同时还需要根据具体的实际情况 指定相应的法律法规政策 使 得我们汽油机的排放技术能走在世界前列 4 汽油机排放控制技术现状 为满足日益严格的排放法规的需求 减少排放尾气的环境的危害 各类车 用汽油机废气排放控制技术和控制方法迅速发展 下面将会从常用的机前净化 技术 机内净化技术以及机外处理技术进行分析 并对未来发展趋势进行阐述 4 1 机前净化技术 车用汽油机的有害排放物 CO HC NO PM 等 对人类和大气环境造成 了极大的危害 随着汽车保有量的不断增长 汽车废气排放对大气的污染程度 日益严重 世界各国纷纷制定汽车排放法规 以限制汽车废气对环境的污染 为减少汽车的污染物排放 各国进行了大量的研究工作 提出了各种减少排放和 净化的措施 机前净化技术就其中之一 机前净化技术是指在混合气体进入汽 油机缸内之前 为了控制排放 对燃油和空气进行处理 以达到所需目的 4 1 1 燃油处理技术 燃油处理技术是通过提高汽油的品质或者添加一些添加剂是汽油燃烧更为 充分 以此来减少有害物质的排放 3 根据我国的汽油质量发展历程和趋势 对汽油除了进行限铅控制以外 还要降低其中硫和苯的含量 并且要进一步降 低其芳烃和烯烃的含量 据此可以考虑提供新的燃油配方 以限制上述物质的 含量 进而从初始阶段开始达到控制排放的目的 但是这种方法需要技术和成 本的支持 此外可以考虑在汽油中使用添加剂 例如 将乙醇和汽油混合 也即是乙 醇汽油 乙醇汽油作为一种新型清洁燃料 是当前世界上可再生能源的发展重 点 乙醇汽油是一种混合物而不是新型化合物 在汽油中加入适量乙醇作为汽 车燃料 可节省石油资源 减少汽车尾气对空气的污染 还可促进农业的生产 但是乙醇汽油在使用中也存在一些问题 如动力性低 发动机有沉积物以及分 层等方面的问题 4 这些问题会制约其发展 4 1 2 替代燃料的使用 车用汽油机的替代燃料主要有 液化石油气 天然气 醇类燃料等 这类 燃料和汽油相比更加的清洁 燃烧更为充分 可以大大减少尾气排放给环境带 来的压力 但是因为其能源利用率很低 且成本又相对过高 所以很难广泛应 用 4 2 机内净化技术 机内净化技术是控制汽油机排放的重要手段之一 现行有很多针对于它的 技术 而本文中 将主要对电控燃油喷射系统的优化 稀薄燃烧技术以及废气 再循环控制技术进行介绍和分析 4 2 1 电控燃油喷射系统的优化 电控燃油喷射的优化 给发动机提供适应工况要求的燃油空燃比 而闭环 反馈控制的应用 还可以满足三元催化转化器对空燃比的要求 这种方法具有 很多的优点 如 满足各个工况下的最佳过量空气系数 多点喷射 各缸混合 气的均匀性好 取消了喉管 减少了节气流损失 有较好的瞬态响应性能 4 现在多用精度更高的线性宽域氧传感器替代传统氧传感器 能在更宽的范围内 对空燃比进行反馈 使发动机排放性能更佳 而小排量汽油发动机电控燃油喷 射系统能够实现且得到大量应用 成本是其中的关键 5 而这一技术正是因为 其成本过高 导致其不能广泛的应用 4 2 2 稀薄燃烧技术 使发动机的空燃比较之传统发动机 14 7 1 理论空燃比提高到 15 1 27 1 随 着空燃比的增加 尾气中的一氧化碳和其它氮化物的浓度会明显减少 HC 的排 放也有一定的降低 此技术是降低汽油机排放 提高发动机性能的主要研究方 向稀薄燃烧系统能使有效的燃油发挥出最大的效率 使汽油机燃烧室内的燃烧 更加完全 不但大大地降低了汽油机的燃油消耗率 也大大地改善了汽油机的 尾气排放 6 但是稀薄燃烧也有其缺点 由于稀薄燃烧系统的结构特别复杂 对喷油系统要求相当严格 因而使得制造成本大大增高 不能够广泛的应用 4 2 3 废气再循环控制技术 废气再循环将一定数量的废气引入发动机进气管道 利用惰性气体的高比 热值及不可燃特性 使发动机的燃烧温度降低 氧的浓度减少 从而有效控制 发动机碳化物和氮化物的排放 7 但在发动机处于怠速 小负荷低转速及冷启 动工况时 废气的再循环量必须要严格控制以保证发动机的性能 废气再循环 EGR 系统有很多种形式和控制方式 根据系统执行器 EGR 阀 的动作控制形 式 可以分为机械控制式 EGR 系统和电子控制式 EGR 系统 根据 EGR 阀的控 制对象 也即系统控制的方式 可以分为直接控制式 EGR 系统和间接控制式 EGR 系统 根据 EGR 系统中阀的个数可以分为单阀控制式和多阀控制式 根 据 EGR 系统的控制结构 可以分为开环控制式 EGR 系统和闭环控制式 EGR 系 统 一般而言在选取 EGR 系统时是根据其经济性进行选择的 EGR 系统作为 目前最有效实用的发动机内控制措施之一 有着很多的优点 可以很好的控制 氮化物的排放 但是目前仍存在需要解决的问题 1 若 EGR 率控制不当 可能造成发动 HC 和 CO 机排放增加 燃油经济性恶化 2 低负荷时 EGR 将影响发动机工作稳定性 高负荷时 EGR 将影响发动机的动力性 3 由于缸内固体颗粒数量的剧增 EGR 还可能造成发动机活塞环和气缸套等部件 的磨损加剧 影响发动机的寿命 4 EGR 废气温度过高 影响发动机的 充气效率 若采用 EGR 冷却循环 会增加冷却系统和温度控制系统的复杂性 4 3 机外净化技术 在改进发动机本身设计及优化其运行参数来降低污染物的排放 难度越来 越大 需要兼顾发动机动力性 经济性 排放性等要求的发动机结构越来越复 杂 成本急剧上升 8 下文中将会对三元催化转换器 二次空气喷射系统以及 闭式曲轴箱强制通风系统进行分析介绍 4 3 1 三元催化转换器 三元催化器 是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置 它可将汽 车尾气排出的 CO HC 和 NO 等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧 化碳 水和氮气 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 NO 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 在高温下氧化成为无色 无毒的二氧化碳气体 HC 化合物在高温下氧 化成水 H20 和二氧化碳 NO 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 三元催化器性能稳定 质量可靠 寿命长 经过研究证 明 三元催化器是减少这些排放物的最有效的方法 但是三元催化转换器在一 些情况下很容易失效 如在高温 慢性中毒 表面积碳以及排气恶化 所以三 元催化转换器需要较为专业和细致的保养 9 4 3 2 二次空气喷射技术 以减少废气排放为目的 二次空气喷射技术被广泛地应用在发动机上 通 常有空气泵式和脉冲式两种 该技术是将新鲜空气送入发动机排气管内 使废 气中的 HC CO 进一步氧化为 H2O CO2 因此二次空气喷射系统也常被称 为补燃系统或后燃系统 自从世界上第一个车辆排气污染控制标准实施以来 二次空气喷射系统已经被广泛地应用在汽车上 它实际上就是一种尾气排放控 制实用技术 用以减少排气中的 HC 和 CO 的排放量 目前所用的二次空气供 给方法有空气泵系统和脉冲空气系统两种方式 10 其中空气泵系统是使用空气 泵使新鲜空气进入排气系统 其有一个缺点 空气泵由发动机驱动 会消耗一 部分发动机功率 而脉冲空气系统是利用排气压力的脉冲江新鲜空气吸入排气 系统 其虽然不需要使用动力源 减小了发动机输出功率的消耗 但是成本较 高 控制较为复杂 4 3 3 闭式曲轴箱强制通风系统 曲轴箱通风系统主要结构形式分为开式及闭式两种 分离后的气体直接排 入大气称为开式曲轴箱通风系统 其优点是结构简单 成本低 但是很致命的 缺陷是它会对环境造成很大的污染 分离后的气体进入进气系统重新参加燃烧 称为 闭式曲轴箱通风系统 其优点是能实现曲轴箱污染物零排放 但结构复杂 成本高 如果曲轴箱通风系统与整机不匹配 导致机油消耗量增加 活塞 喷 油器及火花塞积碳 严重时造成发动机爆震 增压器 中冷器性能都会不同程 度下降 11 5 结论 发动机排放污染物的净化往往在降低 HC CO 与降低氮化物的排放量上相互 矛盾 无法兼顾 同时 废气处理净化装置也常与发动机的动力性 经济性指 标发生冲突 因此 对发动机排放物控制的技术综合优化的关键是将性能达到 最佳折中 同时还应在日常的车辆使用中养成良好的驾驶习惯 并对发动机做 好维护保养 使发动机保持在最佳的工作状态 从根本上预防 减少有害排放 物的生成 而近些年 为了解决汽车排放带来的一系列的环境问题 同时也是为了促 进汽车行业不断的向前发展 近些年 新能源汽车取得了长足的发展 所谓的 新能源汽车是指使用除了汽油和柴油常规燃料以外的其他车用燃料来作为动力 来的汽车 或是使用常规车用燃料 可是运用新式的车载动力装置的汽车 综 合车辆动力控制和驱动等先进技术 具有全新的结构 采用不同于传统技术的 汽车 新能源汽车主要包含以下种类 燃气汽车 纯电动车 燃料电池电动汽 车 混合动力汽车 太阳能汽车 二甲醚汽车 生物燃料汽车等等 人类的所 有产品的使用 应该是以不牺牲人类的其他利益为代价 而且能够重复使用的 所以这一项技术会给人类社会出现的能源危机带来解决的希望 同时这个也是 未来发展的趋势 但是 其中目前还存在着许多技术或者是设计上的问题 需 要一批批人去解决 参考文献 1 王建昕 汽车节能于排放控制技术进步及其对润滑油的要求 J J 润滑油 2007 2 1 5 2