汽车排放与控制技术的研究

1、汽油机排放控制技术的研究姓名：陈。200905120125(桂林航天工业学院汽车与动力工程系)【摘要】分析了汽油机排放物的组成、对人体的危害及其形成机理，探讨了减少排放污染的各种有效措施。【关键词】汽油机；排放；控制0.前言随着经济的发展和人民生活水平的不断提高，汽车的数量越来越多。汽车不仅给人类带来了极大的便利，也给人类带来了严重的环境污染。为此，世界各国都制定了越来越严格的排放法规，以减少汽车尾气污染。为了满足排放法规的要求，发动机排放控制技术的研究也在不断深入。1.汽油机有害排放物的组成及危害汽油机排放物的成分非常复杂，除N2、O2、CO2、H2和水蒸气外，均为有害成分，主要包括排气管排

2、出的废气、其他部件泄漏的燃油蒸气和曲轴箱逸出的气体，主要包括不完全燃烧产生的一氧化碳、未燃燃料碳氢化合物、高温燃烧产生的氮氧化物等。一氧化碳是城市大气中的主要污染物，汽车排放的一氧化碳占整个大气的90%以上。一氧化碳容易与血红蛋白结合，引起缺氧，引起头痛、头晕、呕吐等症状，严重时可导致人窒息而死1；氮氧化物和碳氢化合物在太阳光的紫外线照射下发生一系列连锁化学反应，从而产生以臭氧为代表的二次污染物，臭氧是光化学烟雾的罪魁祸首，导致人们嫉妒、头痛、手脚抽搐，还导致植物死亡和橡胶断裂。空气污染的危害广泛而深远，严重威胁着人类的生存和发展。2.有害成分的形成机理2.1一氧化碳形成机制一氧化碳是不完全燃

3、烧的产物，是汽油发动机废气中有害成分浓度最高的物质。它的形成主要受混合气体浓度的影响。在过量空气系数 a 1的贫混合气条件下，理论上不应产生一氧化碳，但在实际燃烧过程中，由于 a 1的条件在一些混合不均匀的区域成立，产生一氧化碳是由于局部燃烧不完全或二氧化碳和H2O成为燃烧产物吸收高温热量，导致热分解和分解反应，从而产生一氧化碳2。2.2碳氢化合物形成机制除曲轴箱通风孔泄漏和油箱蒸发外，碳氢化合物排放主要由不完全燃烧、壁面淬火等造成：2.2.1不完全燃烧。当发动机运行时，如果混合气过浓或过稀，或者废气被严重稀释，或者点火系统发生故障，火花塞可能不会跳开，或者混合气跳开后可能不会着火，或者在着火

4、后的传播过程中可能会熄灭，导致混合气中的部分甚至全部燃料以未燃碳氢化合物的形式排放，从而导致碳氢化合物排放量显著增加。2.2.2壁面淬火效果。壁面淬火效应是指火焰在较低温度的燃烧室壁面上迅速冷却，使分子的活化能力被吸收，打破连锁反应，在壁面上形成0.05 0.4毫米的未燃或未完全燃烧的火焰淬火层，并产生大量未燃碳氢化合物。2.2.3狭缝效应。缝隙主要指活塞、活塞环与气缸壁之间的间隙、火花塞螺纹间隙、进排气门与气缸盖阀座表面之间的密封带间隙等。当汽油发动机工作时，总会有一些燃料隐藏在这些缝隙中，这些燃料不能燃烧，因为火焰不能被引入其中，并成为未燃烧碳氢化合物的来源。2.2.4壁面油膜和积碳的吸附

5、。在进气和压缩过程中，气缸壁上的润滑油膜和沉积在活塞顶、燃烧室壁、进气门和排气门上的多孔碳沉积物会吸附未燃烧的混合气和燃油蒸气，这些吸附的燃油蒸气在膨胀和排气过程中会进入气态燃烧产物。这样，一小部分碳氢化合物被氧化了与其他废气不同，氮氧化物的形成不是来自燃料，而是来自空气中氧和氮在燃烧室高温高压作用下的反应。氮氧化物主要以氮氧化物的形式出现。在高温下，氧分子分解成氧原子，分子态氮与氧原子碰撞形成一氧化氮。汽油机排气中的一氧化氮主要取决于温度和混合气浓度。当供应贫混合物时，一氧化氮随温度的升高而迅速增加，在一定温度下，一氧化氮随混合物的富集而减少，即高温富氧容易产生氮氧化物。此外，一氧化氮也与停

6、留时间有关。高温持续时间越长，一氧化氮生成时间越长，一氧化氮生成量越多3.控制对策和改进措施3.1内部净化3.1.1延迟点火提前角点火提前角对发动机的动力性、经济性、排放特性和噪声有重要影响。延迟点火提前角是最简单、应用最广泛的排放控制技术。随着点火提前角的减小，碳氢化合物和氮氧化物的排放明显降低。然而，延迟点火提前角将降低平均有效压力并增加燃料消耗，因此通过延迟点火提前角来减少排放是有限的。最佳点火提前角应根据排放特性、功率和经济性来确定。3.1.2电控燃油喷射系统电控燃油喷射系统可以在汽油机工况变化时提供精确的空燃比。闭环反馈控制能够满足部分负荷下三元催化转化器空燃比的严格要求。由于压力喷

7、射，汽油的雾化和汽化质量高，有利于快速燃烧和完全燃烧，扩大了汽油机的燃烧极限。电控燃油喷射的这些优点不仅降低了燃油消耗率，而且大大改善了排放特性。3.1.3废气再循环控制系统(EGR)废气再循环(EGR)是常用于控制内燃机氮氧化物排放的有效措施之一。它将一定量的废气引入发动机的进气系统，这增加了惰性气体(H2O、N2和CO2)在发动机混合物中的比例。因为这些惰性气体具有较高的比热，被再循环废气稀释的混合物的比热增加，导致发动机的最高燃烧温度降低。此外，再循环废气对新混合物的稀释降低了混合物中的氧浓度，因此废气再循环破坏了形成氮氧化物的条件，从而有效地抑制了氮氧化物的形成。但是，如果废气回流率过

8、高，会影响发动机的正常运行，尤其是在怠速、低速和小负荷时，当发动机在冷态下运行时，再循环的废气会明显降低发动机的性能。因此，再循环所涉及的废气比例应根据发动机工况和工作条件的变化而自动调整，即应控制EGR率。3.1.4低排放燃烧系统不同的燃烧室形状会使汽油发动机的性能大不相同。燃烧室设计的重要原则之一是面比小，即尽可能紧凑；火花塞尽可能布置在燃烧室的中心，以缩短火焰传播距离。紧凑的燃烧室可以直接提高汽油机的热效率，减少碳氢化合物和一氧化碳的排放；结合延迟点火提前角或EGR，可同时降低氮氧化物排放。3.1.5稀薄燃烧技术稀薄燃烧技术一直被认为是提高燃油经济性和减少排放的有效措施。通过燃烧浓度低于

9、理论值的混合物，可以提高燃烧的完全性，从而减少一氧化碳和碳氢化合物的排放。为了保证空燃比的稀薄，进气道中安装了涡流控制阀，以改善发动机的进气系统，提高充气效率；改进了发动机燃烧系统，合理组织了燃烧室中的气流，促进了火焰传播，提高了点火稳定性，使发动机在稀混合气下保持稳定燃烧目前，最广泛使用的排气后处理装置是汽油发动机三元催化转化器(TWC)。TWC是一个可以净化一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物三种有害气体的处理装置。TWC的使用对空燃比有一定的要求，只有当发动机运行在理论空燃比14.7: 1附近时，TWC的转换效率最高。为了将实际空燃比精确控制在14.7: 1左右，由氧传感器组成的空燃比反馈控制

10、模式，即闭环控制模式，被广泛应用于发动机控制系统中。电子控制单元根据氧传感器反馈的空燃比信号控制燃油喷射量的增加或减少。TWC之所以能净化汽车尾气，是因为催化转化器载体表面有一种特殊的活性物质(铂、铑等贵金属)，可以加速尾气中有害气体的氧化还原反应，将有害气体转化为水、二氧化碳和氮气。如果车辆使用含铅汽油，活性物质将被铅覆盖并失去活性，通常称为“铅中毒”。这也是无铅汽油目前被广泛使用的主要原因。3.2.2燃油蒸发控制系统和曲轴箱强制通风装置从油箱中蒸发出来的油蒸气通常通过空气罐流入碳罐，并被活性炭吸附。发动机工作时，控制阀在进气负压的控制下打开，使活性炭吸附的油蒸气与流入的空气一起被吸入进气管

11、，避免了污染直接排入大气。另一种收集技术是曲轴箱窜气强制通风系统(PCV)，它在早期曲轴箱通风的基础上连接曲轴箱和进气管。根据发动机的不同工况，利用进气管真空度的变化，用聚氯乙烯阀控制曲轴箱窜气。3.2.3热反应净化器和二次供气装置热反应净化器应尽可能安装在排气歧管出口附近的排气管道中。两次空气与废气中未燃烧的混合物混合后，废气本身的余热应被用来保持高温，并应给予一定的反应时间，以允许碳氢化合物和一氧化碳再燃。影响热反应净化的一个重要因素是废气中O2的浓度。当热反应器中有足够的氧气时，碳氢化合物和一氧化碳的净化效果较好。为了增加O2的浓度，可以通过二次空气供应装置将适量的二次空气喷射到排气中，并且喷射量由排气管中的总含量决定。4.结束语影响汽油机有害排放物(一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物)形成的因素很多，减少有害排放物需要考虑各种因素。根据具体问题和实际情况采取相应的综合措施。电控燃油喷射和三元催化转化器的结合是减少汽油机有害排放的最有效措施。当然，发展低排放