汽车排放及控制技术教材

1、汽车排放及控制技术 课程论文 课 程 名 称 汽油机尾气排放技术的改进 学 生 姓 名 马 攀 学 号 1241103019 系、年级专业 机械与能源工程系 2012 级 车辆工程专业 指 导 教 师 伏 军 2015 年 1 月 1 日 目录 第1章 绪论 1 1.1 环境污染与保护 2 1.2 汽车排放污染物和危害 3 第 2 章 汽油机燃烧过程及主要排放物 4 2.1 汽油机的燃烧过程 4 2.2 汽油机的主要排放物 4 第 3章 汽油机节尾气处理措施及改进 5 第 4章 结果分析与讨论 8 第 5章 结论 10 致谢 11 参考文献 11 附录 12 汽油机尾气排放技术的改进 摘要：本

2、文分析了车用汽油机常用排放控制技术，主要从机前净化技术、机内 净化技术和机外处理技术对当前汽车采用的各种技术原理、应用现状进行了分 析，同时对各项技术的优缺点及应用前景进行了比较， 并阐述了当前排放处理中 存在的问题，对今后技术的发展提出了建议。 关键词 ：汽油机、 机前净化、机内净化、机外处理 Abstract：Commonly used automotive gasoline engine emission control technology are analyzed in this paper, mainly from the machine before purification t

3、echnology, the purification technology and the conversion processing technology to the current car USES various technical principle, application status are analyzed, at the same time the advantages and disadvantages of each technology and application prospects were compared, and expounds the problem

4、s existing in the current discharge processing, the development of the technology in the future are proposed. Key words: Gasoline engine、 pre-purification technology、in-engine purification 正文： 第一章 绪论 汽车是人类重要的佳通工具之一， 其增长率超过人口增长率， 而且还在不断 增加。在整整一个世纪中， 全球的汽车保有量已达到 8 亿辆。 汽车废气对空气的 污染已成为严重的社会公害。 在汽车密集的城市，

5、汽车排放污染对人们的生活环 境造成了极大的影响， 严重地威胁到人们的身体健康， 同时也危害着一些动、 植 物的生存和生长， 破坏了自然界的生态平衡。 因此，解决汽车的排气污染成为亟 待认真研究的重要课题。 随着汽车工业的迅速发展， 汽车保有量急剧增加， 汽车 排放对大气的污染已成为世界公害 , 直接危害着人类的健康，并破坏着自然界的 生态平衡，已引起了各个国家的高度重视。人类的生存环境已经遭到严重污染， 生态平衡日趋恶化， 且直接危害到人们的健康， 而汽车已成为主要的污染源。 因 此，必须严格控制汽车的排放污染， 研究汽车排放污染的防治技术也成了当前的 重要课题。 1.1 环境污染与保护 当人

6、类向着政府大自然的目标前进时， 一部分破坏生态环境的历史也同时被 记录下来。环境是人类生存发展的物质基础和制约因素。 让我们想一想， 人类过 度地消耗资源和污染环境， 已经给地球造成了怎样的灾难。 我们每个人在这样的 灾难中负有怎样不可推卸的责任。 当脆弱的生态难以维系， 人类的消费将如何持 续？当地球患了绝症， 人类又能生存多久？人类既是环境灾难的制造者， 也是环 境灾难的受害者， 更是环境灾难的治理者。 我们每个人都可以通过选择绿色的生 活方式来参与环保：节约资源，减少污染；绿色消费，保选购；重复使用，多次 利用；垃圾分类，循环回收；救助物种，保护自然。随着人们生活节奏的加快， 人们要求越

7、来越高的效率， 于是汽车产业在节奏中应运而生并以惊人的速度飞快 发展着。然而， 随着汽车数量增多， 它所带来的负面影响却是不容忽视的汽车尾 气是空气污染的一个重要因素。 日前，全世界拥有汽车约 8 亿辆，平均 7 人一辆， 汽车是给我们的生活带来了很多便利， 但任何事物都有两面性， 便利也要付出代 价，那就是污染。 汽车排出的有害气体在当前己取代了粉尘， 成为大气环境的主 要污染源。据不完全统计，世界每年由汽车排入大气的有害气体 ? 一氧化碳 （也 就是人常说的煤气 ）达 2 亿多吨，太致占总毒气量的 1/3 以上，成为城市大气中 数量最大的毒气，而且它在大气中寿命很长，一般可保持二、三年。所

8、以它是一 种数量大，累积性强的毒气。 在美国洛杉矾，进入 40 年代后，随着工商业的发展，人们发现每当夏季和 早秋，洛杉矾城市上空就会经常出一种不寻常的浅蓝色的烟雾， 有时持续几天不 散，使大气能见度大大降低。 1943 年9月 8日，洛杉矾城区就被这种神奇的浅 蓝色烟雾笼罩了整整一天，使上千人中毒，当时人的眼睛发红、喉部疼痛，有的 还伴随有不同程度的头昏、头痛，最后有 400 多人死亡。一夜之间，草木枯黄， 使当时的洛杉矾失去了优美的环境。 对洛杉矾烟雾的来源及形成条件的调查历经 数年。起初人们认为这种烟雾是由化工厂排放的废气二氧化硫造成的， 后来经过 7一8年的研究才弄清楚， 造成这种浅蓝

9、色烟雾的根源是由汽车排出的废气对大 气的污染。汽车排气才是洛杉矾光化学烟雾事件的真正凶手。 人类环境迫切需要有能改善这种状况的解决办法， 既要解决人类的交通工具 问题，又要使得此种交通工具不至于对人类的需求产生负面影响！ 要求我们从多 个方面对这个问题进行思考、定夺！ 一方面，要从如何降低能源消耗入手同时关注汽车尾气、 噪音、产热的问题； 另一方面，要研制出节能无污染的 “绿色 ”替代品！ 1.2 汽车排放污染物及危害 机动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(B8P)等，这些污染物 不仅污染环

10、境，对人体也有巨大危害。 ( 1)一氧化碳 (CO) CO 是一种化学反应 能力低的无色无味的窒息性有毒气体，对空气的相对密 度为 09670，它的溶解度很小。吸入过量的 CO会使人发 生气急、嘴唇发紫、 呼吸 困难甚至死亡 。长期吸入 CO对城市居民身体 健康是一个潜在威胁。其生成 主要受混合气浓度的影响， 在局部缺氧或低温条件下， 燃烧中的碳不能完全氧化 生成 C02，而 CO 作为中间产物生成。 ( 2)氮氧化物 (NOx) NOx 是在内燃机汽缸内大部分气体中生成的， NOx 的排放量取决于燃烧温 度、时间和空燃比等因素。氮氧化合物进人肺泡后，能形成亚硝酸和硝酸，对肺 组织产生剧烈的刺

11、激作用，增加肺毛细管的通透性，最后造成肺气肿。 (3)碳氢化合物 碳氢化合物尽管在汽车尾气中含量不多， 但其构成成分中含有一种已被世界 公认的强致癌物质。 ( 4)铅 汽车主要靠燃烧汽油 (柴油 )行驶而汽油是一种易燃易爆的液体，为了防止 爆炸，人们往往在汽油里添加一种抗爆剂 四乙基铅。汽车尾气中的铅很容易 通过血液长期蓄积于人的肝、肾、脾、肺和大脑中，进而产生慢性危害，尤其是 铅，一旦进入人的大脑组织， 便紧紧粘附在脑细胞的关键部位， 从而导致人的智 能发育障碍和血红素制造障碍等后果。 第二章 汽油机燃烧过程及主要排放物 2.1 汽油机燃烧过程 汽油机燃烧过程分为三个阶段： 着火延迟期、 明

12、显燃烧期和补燃期。 汽油和 空气按一定的比例组成的混合气， 进入气缸后被压缩受热。 火花塞跳火放电时两 级电压在 15000V以上，电火花能量 40-80mj, 局部温度可达 2000 摄氏度以上， 致使电极周围的欲混合气热反应加速， 当反应积累的热积累使反应区温度急剧升 高而使火花塞电极附近的混合气着火， 即形成火焰中心。 从电火花跳火到形成火 焰中心阶段称为着火延迟期，还有明显燃烧期是第二阶段，补燃期是第三阶段。 2.2 汽油机主要排放物 汽油机最理想的燃烧是指混合气完全燃烧， 汽车的排放物应为二氧化碳、 氮 和水。但是汽油实际工作时， 混合气燃烧往往是不完全的， 燃烧生成物除了以上 三种

13、之外，还有碳氢化合物、一氧化碳、铅化物及二氧化硫等，这几种排放物会 对大气环境造成污染，对人体造成危害。 第三章 汽油机尾气处理措施 3.1 机前净化技术 机前净化技术是在混合气进入气缸之前， 对燃料和空气采取的措施。 主要从 以下几个方面进行介绍。 3.1.1 燃油处理技术 燃油处理技术是通过提高汽油的品质或添加一些添加剂使汽油充分燃烧， 以 此减少有害物的排放。 在提高汽油品质方面， 除了需要采用含铅汽油外， 还要降低汽油中的硫、 苯 及烃类物质的含量。 此外，在燃油中使用添加剂可以减少进气系统和油路中产生 的积碳，改善发动机的燃烧效率，降低 HC、 CO的排放量。在发动机采用无铅汽 油后

14、，为提高汽油的辛烷值，在燃油中添加抗爆剂，如醇类、醚类，可改善汽车 发动机的性能，降低废气中的 CO的含量。这种混合燃料又被称之为汽醇燃料或 M燃料。 3.1.2 替代燃料的使用 车用汽油机的替代燃料主要是：液化石油气、天然气、醇类燃料等。液化石 油气辛烷值高、抗爆性好、热值高、安全可靠，且热效率较高；但是 CO 和 NO 的排放较高，发动机冷启动困难，加速性能下降。天然气在主要成分是烷烃，主 要有压缩天然气和液化天然气两种。 其主要特点是化学性质稳定、 热值高、 抗爆 性能好、燃烧效率高。 醇类燃料主要应用甲醇和乙醇两种， 因其本身含氧量较高， 燃料燃烧的更加充分， 减少了环境的压力， 但是

15、因为能源利用率较低、 成本较高 等原因，很难广泛应用 1 。 3.1.3 燃油蒸发控制系统 燃油蒸发控制系统可有效降低燃油箱中汽油蒸发排入大气所造成的污染， 以 活性碳罐的使用效果最为有效。工作原理：当停车期间，利用活性碳罐活性，吸 收汽油蒸汽，防止向大气扩散； 当发动机运行后， 电控单元控制活性碳罐电磁阀 打开与进气管的通道， 利用进气真空度将活性碳罐中吸附的汽油蒸汽吸入进气管 道中与进气一起参与燃烧。这不仅降低了 HC的排放，还提高了燃油的有效利用 率2 3.1.4 进气系统的技术改进 提高进气系统的充气效率， 使混合气混合更为均匀， 发动机的进气系统多采 用以下技术： （）采用多气门技术

16、， 保证较大的换气流通截面。 这不仅可以增大充气系 数，而且对于火花塞的中心布置、 泵气损失减少、 有害排放物降低等有很大的帮 助。 （）采用进气涡流电控系统，加强油气混合，实现可燃混合气的快速、充 分燃烧。该系统电控单元采集发动机转速、节气门开度、冷却水温等信号，控制 进气管路中涡流控制阀的旋转角度， 引导气流偏转产生涡流， 提高火焰的传播速 度，降低 HC的排放。此技术多应用在采用稀薄燃烧技术的发动机上。 （）采用可变进气系统， 以适应发动机高、 低转速不同工况进气量的需求。 目前采用的可变进气系统控制， 主要有这么两种控制方式： 可变流通面积控制方 式和可变流通长度控制方式。 控制原理均

17、是利用进气谐振的效果， 提高充气效率， 在发动机不同转速条件下实现性能的最优化，可提高发动机动力性、经济性3 。 3.2 机内净化技术 3.2.1 燃烧系统的优化 燃烧室系统的优化主要围绕两个方面： 改善缸内的气流及采用紧凑的燃烧室 形状。要增强缸内混合气的涡流和紊流， 可采用螺旋进气道或利用可变的截止阀 增强缸内涡流扰动， 提高火焰的传播速度。 紧凑的燃烧室可通过减少不参与燃烧 的缝隙容积的措施， 即将活塞第一环槽的位置上移减少活塞头部到活塞顶部的距 离，使燃烧室更紧凑，以降低 HC的排放。 3.2.2 电控燃油喷射系统的优化 电控燃油喷射系统的优化， 给发动机提供适应工况要求的燃油空燃比。

18、 闭环 反馈控制的应用， 满足了三元催化转化器对空燃比的要求。 不仅可以降低燃油消 耗率，还能很好的改善发动机的排放特性。 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4 。 3.2.3 点火正时的优化 点火提前角对发动机的动力性、 经济性和排放性能有重要影响。 最常用的排 放控制是推迟点火提前角， 以降低 HC和 NO的排放。但是推迟点火提前角会使平 均有效压力下降和油耗上升， 所以应综合考虑发动机排放特性、 动力性及经济性 来确定最佳点火提前角。 3.2.4 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

19、论空燃比提高到 15:1-27:1 ， 随着空燃比的增加，尾气中的 NO、CO等浓度会明显减少， 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。 在稀薄燃烧 技术应用的同时，通常与分层燃烧技术、 紧凑的燃烧室形状、 火花塞结构及布置。 3.3 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。 3.3.1 三元催化转换器 三元催化转换器是目前应用最广泛的排放后处理装置， 安装在排气管上。 其 最高转换效率发生在理论空燃比 14.7:1 附

20、近的很小的范围之内，为了实现空燃 比的精确控制， 通常在排气管道中安装氧传感器， 形成闭环控制。但在低温起动、 暖机、急加速、急减速等开环情况下，三元催化转换器效率较低，排放污染物就 会增加。 为了改善低温起动性能，采用紧凑耦合催化器安装在距离发动机较近的位 置，通常热容量较小、激活时间短，可显著减少冷启动阶段的HC的排放 5 。 3.3.2 闭式曲轴箱强制通风系统 闭式曲轴箱强制通风系统是在早期曲轴箱通风的基础上发展出来的， 将曲轴 箱和进气管连通， 根据发动机工况的不同， 利用进气管中真空度的变化， 控制曲 轴箱窜气进入进气管的再循环量。 此技术可以提高发动机的经济性， 并可以降低 排放，

21、因此在发动机上广泛采用。 3.3 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。 第四章 结果分析与改进 4.1 结果分析 汽车排放污染物的净化往往在降低 NO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、 经济性指标相冲突。 因此，对发动机 排放物控制技术综合优化的关键是将性能达到最佳状态。 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， 是发动机保持在最佳状 态工作，

22、从根本上预防、减少有害排放物生成。 4.2 汽油机尾气处理措施的改进 4.2.1 机前净化技术的改进 （1）燃油替代物的使用 由于天然气能源利用率较低， 成本很高， 所以运用到实际生活很困难。 通过 学习，我觉得未来社会可以大量采用氢燃料电池车。 （2）原理：通过化学知识的学习，氢燃料电池车的工作原理就是：将氢气送到 燃料电池的阳极板（负极），经过催化剂（铂）的作用，氢原子中的一个电子被 分离出来，失去电子的氢离子 （质子）穿过质子交换膜， 到达燃料电池阴极板 （正 极），而电子是不能通过质子交换膜的，这个电子，只能经外部电路，到达燃料 电池阴极板， 从而在外电路中产生电流。 电子到达阴极板后

23、， 与氧原子和氢离子 重新结合为水。 由于供应给阴极板的氧， 可以从空气中获得， 因此只要不断地给 阳极板供应氢，给阴极板供应空气，并及时把水（蒸气）带走，就可以不断地提 供电能。燃料电池发出的电，经逆变器、控制器等装置，给电动机供电，再经传 动系统、驱动桥等带动车轮转动，就可使车辆在路上行驶。与传统汽车相比，燃 料电池车能量转化效率高达 6080%，为内燃机的 23 倍。燃料电池的燃料是氢 和氧，生成物是清洁的水， 它本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳， 也没有硫和 微粒排出。因此，氢燃料电池汽车是真正意义上的零排放、零污染的车，氢燃料 是完美的汽车能源！ （3）对比：由此可见，氢燃料电池的转

24、化效率更高，虽然成本也较高，但相对 于天然气，其性价比更高。 4.2.2 机外净化技术的改进 （1）三元催化装置的改进 （2）三效催化剂的基本原理：通过催化剂的作用，把 CO、HC、NOX 分别氧化、 还原为对人体健康无害的二氧化碳（ CO2）、氮气（ N2）和水蒸气（ H2O）。 （3）三效催化剂的主要反应方程式 CO、HC氧化反应: 2CO + O2 2CO2 2H2 + O2 2H2O HC + O2CO2 + H2 NO的反应: 2CO + 2NO2CO2 + N2 HC+NO CO2 + N2 2H2 +2NO 2H2O + N2 水蒸气重整反应 : HC + H2O CO + H2

25、 水煤气转换反应 : CO + H2OCO2 + H2 由于汽油燃烧时气缸内的温度在 500以上，上述反应进行的程度不大，要 采取适宜的降温措施来提高反应的转化效率， 目前在实际应用采用的一般是加长 汽车排气管的长度来达到一定的降温目的，尽可能减少 CO、 NO等有害气体的排 放。 原装置如图： （ 1） 原理：在导管前后两端增加一个氧传感器、 和温度传感器。 利用铑金属做 催化剂，将氮氧化物还原成无害的氮气和二氧化碳。 还原过程中所生成的 氧气，再加上进气口的氧传感器的作用使装置内的氧气充足， 再以铂金属 做催化剂一起和一氧化碳、 碳氢化合物物进行氧化反应， 使其生成无害的 二氧化碳和水。当

26、反应完成后通过出气导管时， 由于反应不可能充分进行， 为了减小污染物的生成， 出气导管处的温度传感器发挥作用， 使出气管温 度下降，最后使残留的氮氢化合物以及一氧化碳进一步减少。 （2） 对比：与原装置相比可得， 加了氧传感器和温度传感器后的三元催化装置。 污染物减少的更多。 可是由于其材料要求过高， 安装要求极高， 故使用可 能不太实际。 4.2.3 燃烧系统的改进建议： （1）燃烧室的形状主要影响未燃 HC排放的浓度。理想的燃烧室形状应结构 紧凑，表面积小，并且带有一定强度的进气涡流。这样可以形成快速燃烧，降低 对辛烷值的要求，从而使 HC的排放量降低。因此，半球形、帐篷形等紧凑型的 燃烧

27、室已经渐渐替代了楔形和浴盆形燃烧室。 而燃烧室内火花塞的布置位置也成 为影响排放物生成及燃料消耗的另一个重要因素。 建议把火花塞布置在燃烧室中 心。 （2）原理：紧凑的燃烧室可通过减少不参与燃烧的缝隙容积的措施，即将 活塞第一环槽的位置上移减少活塞头部到活塞顶部的距离， 使燃烧室更紧凑， 以 降低 HC的排放。 （3）对比：而火花塞布置在燃烧室中心的方法，减小了火焰传播行程，加 快了燃烧速度，故燃烧效率更高。 4.2.4 新技术探索：汽油掺水技术 为了节约能源 , 国内外都非常重视汽油掺水燃烧这一项新技术的研发与应 用。而且国外在新技术上已经取得了较好的成果， 我国也在积极试验和推广这项 技术

28、。而汽油掺水并不是字面上直译的将水倒入汽油中使用。 我们都知道水与油 在通常情况下是不能燃烧的， 而必须把水和油混合非常好 , 并让汽油分子把水分 子包起来 , 转化成乳化状再进行燃烧 , 而乳化工艺就是实现这项技术的关键。 汽 油掺水的乳化液在燃烧中 , 由于水与油沸点不相同 , 汽油中的水受到高温作用 , 水滴首先急速汽化膨胀 , 使油包水之间的油膜爆炸并分裂成为更微小的油粒。 而 这种爆炸作用 , 可以让燃烧中扩散出的油滴进一步细化和分散化 , 使其有更多的 机会和空气中的氧接触 ,保证燃料燃烧更充分 , 从而减少了燃油消耗 , 达到了很 好的节油效果。而且汽油掺水乳化液燃烧后排出的废气较为清洁 , 一氧化碳（ CO） 的含量减少了 40%50%碳, 氢化合物（ HC）的含量减少了 10%左右, 很大程度上减 少了对环境的污染。 一些发达国家 , 例如美国 , 对这种燃油掺水燃烧技术的研究与 应用就很活跃，他们每年都会召开有关汽油掺水技术的研讨会 , 并且使用汽油掺 水技术的锅炉厂日益增加。 同样也在进行汽油掺水技术的研究 , 并且制造和出售 汽油掺水乳化设备的工厂越来越多。在我国 , 也