汽油車排放污染檢測與控制研究畢業(yè)論文（可編輯）

1、汽油車排放污染檢測與控制研究畢業(yè)論文 摘 要 隨著經(jīng)濟條件的迅猛發(fā)展,汽車在全國范圍內(nèi)已越來越普及,在人們交通越來越便利的同時,汽車尾氣排放的污染也越來越成為威脅人們賴以生存的環(huán)境的主要途徑之一。尤其在一些大中城市汽車排氣造成的環(huán)境污染問題日趨嚴重。目前,大氣污染已逐漸成為世界性的問題,應當引起足夠重視。分析了汽車排放污染物的主要成分、危害、生成機理以及影響因素,對汽油機的排放污染物的檢測和控制方法作了一些具體的分析,以及汽油機排氣凈化,機內(nèi)、機外凈化作了詳細的研究,排氣后處理技術(shù)的研究及發(fā)展進程等。為未來汽車污染的有效控制以及新一代更為環(huán)保型汽車指明了有效的途徑。 關(guān)鍵字:汽油機,排放污染物

2、,檢測,控制abstract with the rapid development of economic, the car has become increasingly popular in china, at the same time people are becoming more convenient, automobile emission pollution is also becoming one of the main environmental threat t peoples survival. especially in some large and medium-s

3、ized cities, car exhaust caused by environmental pollution problems gets more and more serious. at present, the air pollution has gradually become the worlds problem, which should pay enough attention. analysis the car emissions major component, harm, and the formation mechanism and influencing fact

4、ors, on the engine of the discharge of pollutants in the detection and control method for the specific analysis, and gasoline engine exhaust purification, machines, purification detailed research, exhaust after-treatment technology research and development process, etc. for the future of the polluti

5、on control and a new generation of more environment-friendly car indicated the effective approach key words: gasoline engine, emissions pollutant, test,control目 錄前言11汽車排放污染檢測與控制概述21.1環(huán)境保護與汽車21.2我國大氣污染狀況現(xiàn)狀21.3汽車排放控制技術(shù)的發(fā)展過程31.4國內(nèi)外汽車排放標準42 汽車排放污染物的成因及其危害62.1一氧化碳的危害62.2碳氫化合物的危害62.3氮氧化合物的危害73汽車排放污染物的影響因素

6、83.1影響一氧化碳生成的因素83.2影響碳氫化合物形成的因素93.3 影響氮氧化物形成的因素93.4 汽油機微粒104汽油機機內(nèi)凈化124.1汽油機機內(nèi)凈化概述124.1.1汽油機的燃燒過程124.1.2 汽油機機內(nèi)凈化的主要措施134.2分層燃燒系統(tǒng)與電噴技術(shù)144.3廢氣再循環(huán)144.3.1廢氣再循環(huán)及其凈化原理144.3.2廢氣再循環(huán)的控制策略154.3.3 egr率對汽油機凈化與性能的影響155汽油機后處理凈化175.1發(fā)動機排氣后處理175.2三元催化轉(zhuǎn)化器175.2.1三元催化轉(zhuǎn)化器的基本結(jié)構(gòu)175.2.2 催化反應原理185.2.3 三元催化轉(zhuǎn)化器的性能指標196低排放燃料及汽

7、車新能源206.1汽油對排放的影響206.2汽油的改善(提高汽油質(zhì)量)206.2.1加速使用無鉛汽油216.2.2提高汽油的抗爆指數(shù),供應含氧燃料216.3采用代用燃料216.3.1氣體燃料(天然氣和液化石油氣)226.3.2 醇類燃料226.3.3氫氣226.4 采用先進技術(shù)236.5降低汽油車排污的簡易方法246.5.1調(diào)整化油器246.5.2調(diào)整氣門間隙246.5.3調(diào)整點火提前角、火花塞間隙、斷電器觸點間隙246.5.4合理駕駛257.汽車排放測試267.1汽車排放測試系統(tǒng)267.1.1汽車排放污染物取樣系統(tǒng)267.1.2 常用汽車排放污染物的檢測方法267.2 汽車檢測設備277.2

8、.1儀器的選擇277.2.2儀器的保養(yǎng)287.2.3儀器使用要規(guī)范操作287.3測量與分析287.3.1 微粒質(zhì)量測量287.3.2 微粒成分分析28結(jié) 論30致 謝31參考文獻32前 言 隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展,汽車的保有量不斷增加,汽車在給人類帶來方便的同時,也對人們的健康和社會環(huán)境造成了危害。據(jù)預測,到2020年,我國的汽車保有量將有望達到1.4億量。隨著我國國民經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展,大城市大氣環(huán)境污染變得日益突出。因此,如何采取有效措施,最大限度地降低汽車發(fā)動機排放的污染物,以滿足國內(nèi)外越來越嚴的排放標準,已是廣大汽車面臨的日趨嚴峻的問題。而掌握汽車排放檢測和控制技術(shù)無疑是治理排放污染、

9、改善大氣環(huán)境的前提條件。汽車排放控制已引起世界各國的高度重視,國內(nèi)外相關(guān)科技工作者也對此付出了極大的努力,在新車排放控制方面已經(jīng)取得了有效的成果。為更好控制城市大氣環(huán)境質(zhì)量,目前,對在用車排放污染物控制和檢測的研究已成為一項重要的工作。 本論文通過分析汽油車排放污染物的種類、危害以及生成機理,對汽車排放的影響因素進行了理論和試驗研究;在此基礎上,對國內(nèi)外現(xiàn)有的汽車排放檢測方法進行了分析,提出了我國實施檢查和維護制度應采用的排放檢測方法和標準。此外,本論文還對未來汽車的保有量和排放污染進行了預測, 并針對使用中的汽車還探討了從維修保養(yǎng)、駕駛技術(shù)及日常用車習慣等方面減少汽車的排放污染。這些研究工作

10、,是對我國在用車排放控制的有益探索,將為今后進一步開展這方面的研究工作打下一定的基礎。1汽車排放污染檢測與控制概述1.1環(huán)境保護與汽車 研究表明,隨著我國城市化進程的加快,城市里高樓林立,道路縱橫,低空環(huán)境因污染物擴散阻力加大而難以有效改善。據(jù)悉目前全國約1/5的城市大氣污染嚴重,113個重點城市中1/3以上空氣質(zhì)量達不到國家二級標準。特別是隨著城市機動車數(shù)量的快速增長和工業(yè)企業(yè)外遷,機動車尾氣逐漸成為部分大中城市大氣污染的主要來源。事實表明,近年來我國汽車工業(yè)快速發(fā)展,在拉動社會經(jīng)濟全面進步、改善人民生活質(zhì)量的同時,也帶來了空氣嚴重污染等社會問題。其中一個突出的現(xiàn)象就是一些城市已由過去的煤煙

11、型污染轉(zhuǎn)變成以機動車排放污染為主。國內(nèi)有些區(qū)域幾乎常年出現(xiàn)灰霾天氣,能見度明顯下降。研究表明灰霾天氣與機動車排放的氮氧化物和碳氫化合物存在有明顯的關(guān)系。一些城市臭氧濃度逐步增高,個別城市發(fā)生光化學污染的幾率明顯增加。而臭氧濃度增高與機動車排放的氮氧化物和碳氫化合物有密切關(guān)系。早在1988年的監(jiān)測結(jié)果表明:北京市三環(huán)路內(nèi)30條街道路中心和人行道大氣中的co超標率達到100%;夏季69天中臭氧小時濃度值超標達530次,潛伏著發(fā)生光化學煙霧的危險。從現(xiàn)狀分析到環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)佐證,均說明機動車尾氣的排放已經(jīng)成為我國大氣污染的主要來源。 據(jù)資料介紹,大氣所含co、hc、no污染物的75%、50%、50%來

12、源于汽車排放。北京市機動車排放污染物占大氣污染物的比例為:全年,c0:39%、hc:75%、nox:46%;非采暖期co:61%、hc:87%、nox:5%。在汽車密度高的城市區(qū)和交通發(fā)達的工業(yè)區(qū)尤為嚴重?？諝馕廴静粌H危害人類健康,而且破壞了大自然的生態(tài)平衡。即使原來認為無害的co2,現(xiàn)已認識到進人大氣層后會產(chǎn)生溫室效應,使地表溫度和環(huán)境溫度升高,促使海面上升,加速內(nèi)陸沙漠化,森林和植物枯萎。因此要限制汽油加鉛量、采用先進技術(shù)、開發(fā)多能源內(nèi)燃機,為控制污染、保護環(huán)境,各國政府組織了大量研究工作,采取了各種措施。1.2我國大氣污染狀況現(xiàn)狀 隨著我國城市化步伐的加快,城市大氣除受到以工廠排放和冬季

13、取暖燃煤為主的污染外,以汽車尾氣、建筑工地揚塵和城市垃圾為代表的新污染源逐年顯著增加。大多數(shù)地區(qū),特別是人口稠密的城市都有來自各種污染源的混合污染物,工業(yè)與民用供熱裝置、工業(yè)生產(chǎn)過程、垃圾焚燒爐、汽車和其它燃油交通工具的尾氣排放,使污染物的類型趨于更加復雜化和多元化。這些污染物所造成的危害不但與其種類、濃度和釋放量有關(guān),而且在陽光紫外線的照射下,排放的污染物還能在大氣中發(fā)生一系列的復雜反應,產(chǎn)生一些氧化性很強的產(chǎn)物,如臭氧、醛類、過氧酚基硝酸鹽等,形成光化學污染二次污染。例如,北京地區(qū)在逆溫無風時,城市上空經(jīng)常象被一個黑色的鍋底所籠罩,它的形成就是二氧化硫和氮氧化物相互作用的結(jié)果。 隨著我國汽

14、車產(chǎn)量和保有量連續(xù)高速增長,它將對大氣污染日益加劇。就北京來說,其汽車保有盈已占全國的10%,它相當于日本東京或美國洛杉磯地區(qū)汽車保有量的1/8左右,其排出氣體的污染程度是可想而知的,據(jù)北京環(huán)保所對北京三環(huán)路內(nèi)檢測數(shù)據(jù)表明,已超出大氣質(zhì)量法標準,汽車排放污染物已占全市總污染源排放量的一半左右,已成為污染大氣環(huán)境的一個主要發(fā)生源。控制汽車排放已是一個迫在眉睫需解決的問題。 我國汽車排放標準的限值控制較寬,輕型車排放標準只相當于歐洲70年代末控制水平;排放標準是采用美國1970-1977年的炭罐收集法。因此排放限值控制寬也是造成大城市汽車排放污染嚴重的因素之一。 我國汽車保養(yǎng)維修管理制度不規(guī)范、不

15、完善。據(jù)上海汽車研究所1994年3月一次對市區(qū)跟蹤測試。不少汽車的排放都在臨界即將超標狀態(tài)下工作,如稍加保養(yǎng)調(diào)整是完全可克服;還有些車輛該大修的不大修,致使車輛在車況惡劣下運行。我國大城市街道面積狹窄,再加上城市管理不規(guī)粗、執(zhí)法不嚴,人行道上非法搭建、占地到處可見,使人、自行車、汽車在馬路上混行,馬路堵塞、汽車在息速下運行,加劇了污染物的排放。1.3汽車排放控制技術(shù)的發(fā)展過程表1.1 美國汽車排放控制技術(shù)發(fā)展table 1.1 u.s. automobile emission control technology development1966-1973曲軸箱強制通風系統(tǒng)(pcv),廢氣再循環(huán)

16、系統(tǒng)(egr),空氣噴射凈化1974-1979改進化油器,無觸點點火,使用并改進催化劑1980-1983反饋(閉環(huán))系統(tǒng),進一步改進化油器和催化劑(包括三效催化劑),改進發(fā)動機,揮發(fā)性排放物控制1984-1993發(fā)動機改進,電子控制,燃油噴射,催化劑和egr的進一步改進1994-現(xiàn)在進一步改進發(fā)動機,控制裝置,供油,電預熱催化劑和egr,改進揮發(fā)性排放物控制,車載診斷(obd) 目前從控制汽車排放限值來看,可分二大集團: (1)以美日為首的高標準集團,除采用機內(nèi)凈化措施外,還采用加裝催化轉(zhuǎn)化器、無鉛汽油,以使排放量降低8095%。(2)以大多數(shù)歐洲國家為主的低標準集團,只采用機內(nèi)凈化措施降低汽

17、車排放量。隨著汽車產(chǎn)量和保有量的增長,目前世界上正發(fā)生三個過渡。 以美日為首的控制汽車排放向縱深發(fā)展。 一些歐洲國家,正向美國靠攏。 由控制汽車排放無政府狀態(tài)向低標準控制汽車排放限值標準過渡。1.4國內(nèi)外汽車排放標準 為了治理環(huán)境污染,各國根據(jù)環(huán)境污染的具體情況,制訂有關(guān)環(huán)境保護的法律和大氣污染治理目標,對各種污染源的排放提出控制要求,針對不同類型的機動車制訂粗不同的排放標準,這些標準是要求強制執(zhí)行的,因而也稱為排放法規(guī)。 國際上在70年代初已實施汽油車關(guān)于氣體污染物排放法規(guī),1988年起實施微粒排放法規(guī),我國1983年、1989年、1993年和1994年均制訂了標準?，F(xiàn)實施和將實施的排放標準

18、有:輕型汽車污染物排放標準,車用汽油機排氣污染物排放標準,汽油車燃油蒸發(fā)污染物排放標準,汽車曲軸箱污染物排放標準等,北京市1994年7月1日還同時執(zhí)行三個地方標準,替代gb14761.5一93、gb14761.6一93、gb147617一93但只相當國外70年代末水平,而我國仍有25%的在用汽車有害排放物超標。所以汽車排放污染物控制,我國還處于起步和準備階段。 歐洲標準是由歐洲經(jīng)濟委員會(ece)的排放法規(guī)和歐共體(eec)的排放指令共同加以實現(xiàn)的,歐共體(eec)即是現(xiàn)在的歐盟(eu)。排放法規(guī)由ece參與國自愿認可,排放指令是eec或eu參與國強制實施的。汽車排放的歐洲法規(guī)(指令)標準19

19、92年前巳實施若干階段,歐洲從1992年起開始實施歐(歐型式認證排放限值)、1996年起開始實施歐(歐型式認證和生產(chǎn)一致性排放限值)、2000年起開始實施歐(歐型式認證和生產(chǎn)一致性排放限值)、2005年起開始實施歐(歐型式認證和生產(chǎn)一致性排放限值)。 汽車排放的國標與歐標不一樣。國標是根據(jù)我國具體情況制定的國家標準。歐標是歐共體國家成員通行的標準。歐標略高于國標。 目前在我國新車常用的歐和歐標準等術(shù)語,是指當年eec頒發(fā)的排放指令。例如適用于重型柴油車(質(zhì)量大于3.5噸)的指令“eec88/77”分為兩個階段實施,階段a(即歐)適用于1993年10月以后注冊的車輛;階段b(即歐)適用于1995

20、年10月以后注冊的車輛。 汽車排放的歐洲法規(guī)(指令)標準的內(nèi)容包括新開發(fā)車的型式認證試驗和現(xiàn)生產(chǎn)車的生產(chǎn)一致性檢查試驗,從歐開始又增加了在用車的生產(chǎn)一致性檢查。 汽車排放的歐洲法規(guī)(指令)標準的計量是以汽車發(fā)動機單位行駛距離的排污量(g/km)計算,因為這對研究汽車對環(huán)境的污染程度比較合理。同時,歐洲排放標準將汽車分為總質(zhì)量不超過3500公斤(輕型車)和總質(zhì)量超過3500公斤(重型車)兩類。輕型車不管是汽油機或柴油機車,整車均在底盤測功機上進行試驗。重型機由于車重,則用所裝發(fā)動機在發(fā)動機臺架上進行試驗。 目前,世界汽車排放標準并立,分為歐洲、美國、日本標準體系。歐洲標準測試要求相對而言比較寬泛

21、,是發(fā)展中國家大都沿用的汽車尾氣排放體系。并且,由于我國的轎車車型大多從歐洲引進生產(chǎn)技術(shù),中國大體上采用歐洲標準體系。2 汽車排放污染物的成因及其危害 汽車排放的污染物主要來源于內(nèi)燃機。 汽車尾氣排放的主要污染物為:一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物和鉛等。一氧化碳co和人體紅細胞中的血紅蛋白親和生成碳氧血紅蛋白,從而削弱血液向各組織輸送氧的功能,造成感覺、反應、理解、記憶力等機能障礙,重者導致生命危險。氮氧化物no、no2都是對人體有害的氣體,特別是對呼吸系統(tǒng)有危害。據(jù)統(tǒng)計,機動車20萬輛以上的城市,排放的氮氧化物所造成的空氣污染占空氣中氮氧化物nox污染比例已上升到40%以上。因此機動車污染已

22、成為各城市的環(huán)境公害之一,做好機動車排污檢測管理工作,是市政府有效遏制機動車污染的重要手段。 內(nèi)燃機的排氣成分隨內(nèi)燃機的類型及運轉(zhuǎn)條件的改變而改變。汽油機中,這些有害排放物約占廢氣總量的5%,而一輛機動車所排放的有害廢氣相當于四輛小轎車。城市大氣污染物中氮氧化合物居高不下,主要是由汽車尾氣引起的。特別在夏天陽光的照射條件下,no2和o3,so2可產(chǎn)生光化學反應,生成淡藍紫色的光化學煙霧,其毒害更大。在國內(nèi)一些城市,汽車尾氣污染已占大氣污染比重的50%。2.1一氧化碳的危害 一氧化碳是燃料不完全燃燒后產(chǎn)生的一種無色、無味、無刺激性的有害氣體。一氧化碳是汽油機排放濃度最高的有害氣體,人吸入一氧化碳

23、后,非常容易和血液中的血紅蛋白結(jié)合,他的結(jié)和力是氧的300倍,因此肺里的血紅蛋白不與氧結(jié)合而與一氧化碳結(jié)合,人就會出現(xiàn)中毒現(xiàn)象,如反應能力、視敏度下降等,一氧化碳中毒的中期癥狀是咳嗽、頭暈、惡心、嘔吐、胸痛、呼吸困難,嚴重時會發(fā)生虛脫昏迷甚至死亡。 co的容許限度規(guī)定為8h內(nèi)100ppm。如1h內(nèi)吸入500ppm的co,就會出現(xiàn)中毒癥狀,并危害中樞神經(jīng)系統(tǒng),造成感覺、反應、理解、記憶等機能障礙,嚴重時引起神經(jīng)麻痹。如1h內(nèi)吸入1000ppm的co,就會發(fā)生死亡。2.2碳氫化合物的危害 碳氫化合物是具有刺激性的氣體,其濃度量小于一氧化碳,碳氫化合物中大部分對人體健康的直接影響并不明顯。汽車尾氣中

24、的碳氫化合物有200多種,其中c2h4在大氣中的濃度達0.5ppm(十萬分之一)時,能使一些植物發(fā)育異常。碳氫化合物具有一定的毒性和易燃易爆的特性,其中的苯類物質(zhì)又具有致癌作用,對人的呼吸系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、造血系統(tǒng)都有嚴重的損壞作用。碳氫化合物形成酸雨,污染湖泊、土壤,影響林業(yè)漁業(yè)、牧業(yè)生產(chǎn),侵蝕石質(zhì)和某些金屬建筑物等。2.3氮氧化合物的危害 氮氧化合物是在燃料混合均勻,燃料得到極大的充分燃燒時,在高溫富氧的情況下生成的。氣缸充量中的氮在高溫條件下與充量中的一定量的氧發(fā)生化學反應,生成氮氧化合物(一氧化氮和二氧化氮),一般溫度高于1300時開始生成氮氧化合物,隨溫度升高,生成量增加。氮氧化合物含

25、量較少,但毒性很大,其毒性是含硫氧化物的3倍,氮氧化合物進入肺部后,能形成亞硝酸和硝酸,對肺組織產(chǎn)生劇烈刺激,增加肺毛細血管的通透性,最后造成肺氣腫,亞硝酸則與血紅蛋白結(jié)合,形成高鐵血紅蛋白,引起組織缺氧。 氮氧化合物的最大危害是形成光化學煙霧,氮氧化合物與碳氫化合物在日光照射下會生成化學煙霧。光化學煙霧能使人眼紅、頭痛、手足抽搐,還能使植物枯死,橡膠破裂等。3汽車排放污染物的影響因素 汽車內(nèi)燃機排氣所造成的公害,對汽油機而言,co、hc和nox是主要的有害成分,而光化學煙霧是由hc和nox轉(zhuǎn)化而成的。 空燃比af:是指可燃混合氣中空氣與燃料的質(zhì)量比。理論上,1kg汽油完全燃燒需要空氣14.7

26、kg。故對于汽油機而言,空燃比為14.7的可燃混合氣可成為理論混合氣。若可燃混合氣的空燃比小于14.7,則意味著其中汽油含量有余(亦即空氣量不足),可稱之為濃混合氣。同理,空燃比大于14.7的可燃混合氣則可稱為稀混合氣,應當指出,對于不同的燃料,其理論空燃比數(shù)值是不同的。 過量空氣系數(shù)():燃燒1kg燃料所實際供給的空氣質(zhì)量/完全燃燒1kg燃料所需的理論空氣質(zhì)量 由此定義表達式可知:無論使用何種燃料,凡過量空氣系數(shù)1的可燃混合氣即為理論混合氣;1的則為稀混合氣。3.1影響一氧化碳生成的因素 當混合氣混合不均勻時,汽油機是預先混和混合氣的,所以即使在1時混合氣也不可能絕對的均勻,總會有過濃區(qū),加

27、上進氣管壁面上有汽油膜的存在,油膜也會隨著進氣邊流動邊蒸發(fā),也會造成混合氣不均勻,而且各缸的均勻性也不相等,所以實際上即使在1時也會產(chǎn)生co。co2和水在高溫時離解,即使在稀混合氣燃燒時,有足夠的氧氣,但是由于發(fā)動機缸內(nèi)溫度很高,當溫度超過2000時co2時就會發(fā)生高溫離解反應;h2o在高溫時也會分解成h2和o2,h2參加反應,使co2還原成co。 (1)進氣溫度的影響 一般情況下,冬天氣溫可達-20以下,夏天在30以上,爬坡時發(fā)動機罩內(nèi)t80。隨著環(huán)境溫度的上升,空氣密度變小,而汽油的密度幾乎可認為不變,因此使化油器供給的混合比r(即af)隨吸入空氣溫度的上升而變濃,一定運轉(zhuǎn)條件下,進氣空氣

28、溫度與混合比的關(guān)系,大致和絕對溫度的方根成反比的理論相一致。即空燃比隨吸入空氣溫度的上升而變濃,排出的一氧化碳將增加。因此,冬天和夏天發(fā)動機排放情況會有很大的不同。 (2)大氣壓力的影響 通過試驗證明,如果進氣管壓力降低,空氣密度就會下降。那么空燃比就會下降,co排放量也就將增大。 (3)進氣管真空度的影響 當汽車急劇減速時,發(fā)動機真空度在68kpa以上時,停留在進氣系統(tǒng)中的燃料,在高真空度下的作用下,急劇蒸發(fā)而進入燃燒室,造成混合氣瞬時過濃,使燃燒狀況惡化,co濃度也將增加到怠速時的濃度。 (4)怠速轉(zhuǎn)速的影響 通過試驗證明,在怠速轉(zhuǎn)速為600r/min時,co14%,700r/min時,降

29、為1%左右,這說明隨著怠速轉(zhuǎn)速的提高,可以有效地降低排氣中co濃度。 (5)發(fā)動機工況的影響 發(fā)動機負荷一定,一氧化碳的排放量隨轉(zhuǎn)速增加(空氣流量增加)而降低,到一定的車速后,變化不大。這是由于化油器供給發(fā)動機的空燃比隨流量增加接近于理論空燃比的結(jié)果。3.2影響碳氫化合物形成的因素 (1)燃燒室內(nèi)沉積物的影響 發(fā)動機使用一段時間后,就會在燃燒室壁面、活塞頂、進排氣門上形成沉積物,沉積物具有多孔性和固液多相性,它的生成機理更為復雜。沉積物沉積于間隙中,由于間隙容積的減少,可能使由于狹隙效應而生成的hc排放量下降,但同時又由于間隙尺寸減小而可能使hc排放量增加。這種由燃燒室內(nèi)沉積物所產(chǎn)生的占排放總

30、量的10%左右。 (2)混合氣質(zhì)量的影響 混合氣質(zhì)量的優(yōu)劣主要體現(xiàn)在燃油的霧化蒸發(fā)程度、混合氣的均勻性、空燃比和缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)的大小等方面?；旌蠚獾木鶆蛐栽讲?則hc排放越多。當空然比略大于理論空然比時, hc有最小值?；旌蠚膺^濃或過稀均會發(fā)生不完全燃燒,廢氣相對過多則會使火焰中心的形成與火焰的傳播受阻甚至出現(xiàn)斷火,致使hc的排放量增加。 (3)運行條件的影響 負荷的影響。發(fā)動機試驗結(jié)果表明,當空燃比和轉(zhuǎn)速保持不變,并按最大功率調(diào)節(jié)點火時刻時,改變發(fā)動機負荷,對hc的相對排放濃度幾乎沒有影響。但當負荷增加時, hc排放量的絕對值將隨著廢氣流量的變大而幾乎呈線性增加。 轉(zhuǎn)速的影響。發(fā)動機轉(zhuǎn)速對

31、hc排放濃度的影響非常明顯。當轉(zhuǎn)速較高時,hc排放濃度明顯下降,這是由于氣缸內(nèi)的混合氣擾流混合改善了燃料的燃燒過程,促進了排氣管內(nèi)的氧化反應。 點火時刻的影響。點火時刻對hc排放濃度的影響體現(xiàn)在點火提前角上。點火提前角減小,可使hc下降,這是由于點火延遲使混合氣燃燒時的激冷壁面面積減小,同時使排氣溫度增高,促進了hc在排氣管內(nèi)的氧化。 壁溫的影響。燃燒室的壁溫直接影響著激冷層的厚度和hc的排氣后反應。 燃燒室面容比的影響。燃燒室面容比大,單位容積的激冷面積也隨之增大,未燃烴總量必然也增大。降低燃燒室面容比是降低汽油機hc排放的一項重要措施。3.3 影響氮氧化物形成的因素 (1)過量空氣系數(shù)和燃

32、燒室溫度的影響 由于過量空氣系數(shù)直接影響燃燒時的氣體溫度和可利用的氧濃度,所以對nox生成的影響是很大的。當小于1時,由于缺氧,即使燃燒室內(nèi)溫度很高,nox的生成量仍會隨著的降低而降低,此時氧濃度起著決定性作用;但當大于1時,nox的生成量隨溫度升高而迅速增大,此時溫度起著決定性作用。由于燃燒室的最高溫度通常出現(xiàn)在1.1,且此時也有適量的氧濃度,因此nox排放濃度出現(xiàn)峰值。如果進一步增大,溫度下降的作用占優(yōu)勢,則導致no生成量減少。 (2)殘余廢氣分數(shù)的影響 汽油機中燃燒室內(nèi)的混合氣由空氣、已蒸發(fā)的燃油蒸氣和已燃氣組成,后者是前一工作循環(huán)留下的殘余廢氣,或由廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(egr)中從排氣管回

33、流到進氣管并進入氣缸的燃燒廢氣。殘余廢氣分數(shù)xi定義為:缸內(nèi)殘余廢氣質(zhì)量mi與進氣終了氣缸內(nèi)充氣質(zhì)量mc之比:ximi/mc式中: mcme+mi+mr,me和mr分別為進入氣缸的空氣和燃油質(zhì)量。 殘余廢氣分數(shù)主要取決于發(fā)動機負荷和轉(zhuǎn)速。減小發(fā)動機負荷即減小節(jié)氣門開度和提高轉(zhuǎn)速,均加大了進氣阻力,使殘余廢氣分數(shù)增大。壓縮比較高的發(fā)動機殘余廢氣分數(shù)較小。通過廢氣再循環(huán)可大大增加氣缸中的殘余廢氣分數(shù)。當可燃混合氣中廢氣分數(shù)增大時,既減小了可燃氣的發(fā)熱量又增大了混合氣的比熱容,都使最高燃燒溫度下降,從而使no排放降低。 (3)點火時刻的影響 由于點火時刻對燃燒室內(nèi)溫度和壓力有明顯影響,因此其對no生

34、成的影響也很大。圖2-10表示了三種空燃比下排氣中no的體積分數(shù)隨點火提前角 的變化趨勢。從該圖可以看出:隨著的減小,no排放量不斷下降;當值很小時,下降速率趨緩。 增大點火提前角使較大部分燃料在壓縮上止點前燃燒,增大了最高燃燒壓力值,從而導致較高的燃燒溫度,并使已燃氣在高溫下停留的時間較長,這兩個因素都將導致no排放量增大。因此延遲點火和使用比理論混合氣較農(nóng)或較稀的混合氣都能使no排放降低,但同時也會導致發(fā)動機熱效率降低,嚴重影響發(fā)動機經(jīng)濟性、動力性和運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性,因此應慎重對待。3.4 汽油機微粒 汽油機中的排氣微粒有三種來源:含鉛汽油中的鉛、有機微粒(包括炭煙)和來自汽油中的硫所產(chǎn)生的硫酸

35、鹽。 車用汽油機用含鉛量0.15g/l的含鉛汽油運轉(zhuǎn)時,微粒排放量在100150mg/km范圍內(nèi),其主要成分為鉛化物,鉛質(zhì)量分數(shù)占25%60%,微粒尺寸分布為80%的直徑小于0.2m,這種微粒是由排氣中的鉛鹽冷凝生成的。因此,以質(zhì)量計的排放量在發(fā)動機冷起動時較高。目前,由于含鉛汽油的淘汰及貴金屬三元催化劑的應用,鉛微粒當然也不再排放。 硫酸鹽排放主要涉及排放系統(tǒng)中有氧化催化劑的車用發(fā)動機。汽油中的硫在燃燒中轉(zhuǎn)化為so2,被排氣系統(tǒng)中催化劑氧化成so3后,與水結(jié)合生成硫酸霧。因此,汽油機硫酸鹽的排放量直接取決于汽油中的硫含量。 炭煙排放只在使用很濃的混合氣時才會遇到,對調(diào)整良好的汽油機不是主要問

36、題。 此外當發(fā)動機技術(shù)狀態(tài)不良(例如氣缸活塞組嚴重磨損)導致潤滑油消耗很大時,會使排氣冒藍煙,這是未燃燒潤滑油微粒構(gòu)成的氣溶膠。此時發(fā)動機性能明顯惡化,需立即檢修。4汽油機機內(nèi)凈化4.1汽油機機內(nèi)凈化概述 機內(nèi)凈化是從有害排放物的生成機理出發(fā),對內(nèi)燃機的燃燒方式本身進行改造。如對內(nèi)燃機的供油、點火及進排氣系統(tǒng)進行改進和最優(yōu)化匹配等,控制有害物的產(chǎn)生,使排出的廢氣盡可能是無害的。這是汽車排氣凈化的根本辦法。4.1.1汽油機的燃燒過程 按燃燒過程的物理-化學狀態(tài),將燃燒過程分為三個階段:著火延遲期、明顯燃燒期和補燃期。汽油機燃燒過程的展開示功圖如圖4-1所示。汽油和空氣按一定的比例組成的混合氣,進

37、入氣缸后被壓縮受熱?；鸹ㄈ鸱烹姇r,兩極電壓在15000v以上,電火花能量4080mj,局部溫度可達2000以上,致使電極周圍的預混合氣熱反應加速,當反應生成的熱積累使反應區(qū)溫度急劇升高而使火花塞電極附近的混合氣著火時,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,如圖4-1中的12點,這是燃燒的第階段。 圖4.1 汽油機的燃燒過程-著火延遲期;-明顯燃燒期;補燃期;1-火花塞跳火;2-形成火焰中心;3-最高壓力點 燃燒第階段是指火焰由火焰中心傳播至整個燃燒室,約90%的燃料被燒掉。如圖4-1中的23點,被稱為明顯燃燒期。在均質(zhì)預混合氣中,火焰核心形成后,即以此為中心,由極薄

38、的火焰層(即火焰前鋒)開始向四周未燃混合氣傳播,直到火焰前鋒掃過整個燃燒室。這一期間的燃燒是急劇的,燃燒室的溫度和壓力急劇上升,通常將缸內(nèi)壓力達到極大值時作為急燃室的終點。在此階段中壓力升高率和最高燃燒壓力到達時刻是兩個重要指標,會對發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性和排放產(chǎn)生重大影響。 從到達最高燃燒壓力點3至燃料基本完全燒完為止,稱為補燃期,即燃燒的第階段。此時混合氣燃燒速度已開始降低,加上活塞向下止點運動,缸內(nèi)壓力開始下降。由于90%左右的燃燒放熱已完成,因而繼續(xù)燃燒的是火焰前鋒面掃過后未完全燃燒的燃料以及壁面及其附近的未燃混合氣。4.1.2 汽油機機內(nèi)凈化的主要措施 (1)大力推廣汽油噴射電控系統(tǒng)。

39、 電控汽油噴射是取代傳統(tǒng)化油器供油方式的新技術(shù)。 我國目前生產(chǎn)的轎車用汽油機都采用汽油噴射電控系統(tǒng)。它利用各種傳感器檢測發(fā)動機的信 息反饋,經(jīng)微機的判斷、計算,使發(fā)動機在不同工況下均能獲得合適空然比的混合氣,從而有效地改善燃油經(jīng)濟性和排氣凈化性能。 (2)改善點火系統(tǒng)。采用新的電控點火系統(tǒng)和無觸點點火系統(tǒng),提高點火能量和點火可靠性,對點火正時實行最佳調(diào)節(jié),以改善燃燒過程,降低有害排放物的量。 (3)積極開發(fā)分層充氣及均質(zhì)稀燃的新型燃燒系統(tǒng)。目前,美、日、德等國已開發(fā)出了不少新型燃燒系統(tǒng),其凈化性能及中、小負荷時的經(jīng)濟性均較好。 (4)選用結(jié)構(gòu)緊湊和面容比較小的燃燒室,縮短燃燒室狹縫長度,適當提

40、高燃燒室壁溫,以削弱縫隙和壁面對火焰?zhèn)鞑サ淖钃跖c淬熄作用,可以降低 hc、co 的排放量。采用4氣門或5氣門結(jié)構(gòu),組織進氣渦流、滾流或擠流,并兼用電控配氣定時、可變進氣流通截面 等可變技術(shù),可以有效地改善發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排氣凈化性能。 (5)采用廢氣再循環(huán)控制。廢氣再循環(huán)是目前控制車用發(fā)動機nox排放的常用和有效措施。內(nèi)燃機的使用工況與排放性能密切相關(guān)。作為車用發(fā)動機,應選擇有害排放物較低,而動力、經(jīng)濟性又較好的工況為常用工況。因此,在汽車中就需要使用電子控制系統(tǒng),它可根 據(jù)駕駛員對車速的要求及路面狀況的變化,對發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷進行優(yōu)化控制。4.2分層燃燒系統(tǒng)與電噴技術(shù) 采用汽油直接噴

41、射分層燃燒的方法,不僅可以降低排氣污染,還能提高燃油經(jīng)濟性,是汽油機最有前途的凈化方法。分層燃燒的原理是讓混合氣的濃度有組織地分成各種層次,以適應內(nèi)燃機燃燒的各個階段,使其充分燃燒,減少有害物質(zhì)。具體過程是:當點火瞬間在火花塞間隙的周圍局部,注入具有良好著火條件的較濃混合氣;在燃燒室的大門部分區(qū)域則為較稀的混合氣。所以,為了有利于火焰?zhèn)鞑?必須具有從濃到稀的各種空氣燃料比混合氣過渡,才能使燃料得到充分燃燒,從而減少廢氣中的有害物質(zhì)?！半妵娂夹g(shù)”是實現(xiàn)分層燃燒的一種較好的方法。電噴發(fā)動機采用電子控制燃油噴射系統(tǒng),由控制單元中的信號微處理器計算發(fā)動機在不同工況下的最佳空燃比,對混合氣成分和點火定時

42、實現(xiàn)最佳控制,可使排放量大幅度下降,有害物質(zhì)較少。汽車由“電噴”代替“化油器”將是必然趨勢。4.3廢氣再循環(huán)4.3.1廢氣再循環(huán)及其凈化原理 分廢氣重新引入發(fā)動機進氣系統(tǒng),與混合氣一起再進入氣缸燃燒,如圖4.2所示。 圖4.2 egr系統(tǒng)工作原理 廢氣混入的多少用egr率表示,其定義如下: 當發(fā)動機在負荷下運轉(zhuǎn)時,egr閥開啟,使少量的廢氣進入進氣歧管,與可燃混合氣一起進入燃燒室。怠速時egr閥關(guān)閉,幾乎沒有廢氣再循環(huán)至發(fā)動機。汽車廢氣是一種不可燃氣體不含燃料和氧化劑,在燃燒室內(nèi)不參與燃燒。它通過吸收燃燒產(chǎn)生的部分熱量來降低燃燒溫度和壓力,以減少氧化氮的生成量。進入燃燒室的廢氣量隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速

43、和負荷的增加而增加。4.3.2廢氣再循環(huán)的控制策略 隨著egr率的增加,燃燒開始不穩(wěn)定,燃燒波動增加,hc排放上升,功率下降,燃油經(jīng)濟學趨于惡化。小負荷特別是怠速時進行egr會使燃燒不穩(wěn)定,甚至導致失火,使hc排放激增。全負荷追求最大動力性,使用egr會使最大功率降低,動力受損。因此,必須對egr率進行適當控制,使之在各種不同工況下,得到各種性能的最佳折中,實現(xiàn)nox的控制目標。 對egr系統(tǒng)的控制要求如下: (1)由于nox排放量隨負荷增加而增加,因而egr量亦應隨負荷增加而增加。 (2)怠速和小負荷時,nox排放濃度低,為了保證穩(wěn)定燃燒,不進行egr。 (3)在發(fā)動機暖機過程中,冷卻液溫和

44、進氣溫度均較低,nox排放濃度也很低,混合氣供給不均勻,為防止egr破壞燃燒穩(wěn)定性,起動暖機時不進行egr。 (4)大負荷、高速時,為了保證發(fā)動機有較好的動力性,此時雖溫度很高,但氧濃度不足,nox排放生成物較少,通常也不進行egr或減少egr率。 (5)為了實現(xiàn)egr的最佳效果,需保證再循環(huán)的排氣在各缸之間分配均勻,即保證各缸的egr率一致。4.3.3 egr率對汽油機凈化與性能的影響 采用廢氣再循環(huán)能有效地降低汽油發(fā)動機的nox排放。但egr率過大會使燃燒惡化,燃油消耗率增大,hc排放上升。小負荷下進行egr使燃燒不穩(wěn)定,表現(xiàn)在缸內(nèi)壓力變動率大,工作粗暴,hc排放急劇增加。大負荷時進行eg

45、r,會使發(fā)動機動力性受損。因此,在進行egr時必須考慮其對發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性的影響。 egr率對nox排放濃度和燃油消耗率的影響,如圖4.3和圖4.4所示。在圖4.3中,空燃比被作為參變量,結(jié)果是在各點的最佳點提前角條件下得到的?？梢?隨著egr率的增大,對降低nox排放越有利,但從圖4.4可以看出,egr率越大,燃油消耗率也將增加。故要提高nox凈化率,勢必要增加燃油消耗率。 圖4.3 egr率對nox排放濃度的影響 圖4.4 egr率對燃油消耗率的影響5汽油機后處理凈化5.1發(fā)動機排氣后處理 專門對發(fā)動機排氣進行后處理的方法就是將凈化裝置串接在發(fā)動機的排氣系統(tǒng)中,在廢氣排入大氣前,利用凈

46、化裝置在排氣系統(tǒng)中對其進行處理,以減少排入大氣的有害成分。在發(fā)達國家,車用汽油機采用后處理裝置較多。這些裝置主要有三元催化轉(zhuǎn)換器、熱反應器和空氣噴射器等。目前,在發(fā)達國家生產(chǎn)的汽油車幾乎都裝備了三元催化轉(zhuǎn)換器,并已有20多年的商業(yè)化應用歷史。隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,城市機動車輛日益增多,其廢氣已嚴重污染了大氣環(huán)境,對三元催化轉(zhuǎn)化器的需求將更為迫切。 機外凈化是通過附設在內(nèi)燃機外部的裝置對內(nèi)燃機排出的廢氣在進入大氣之前進行處理,使廢氣中有害成分的含量進一步降低。主要技術(shù)是在排氣系統(tǒng)中安裝三元催化轉(zhuǎn)化器、微粒過濾器等。目前我國主要應用的方法為一段凈化法,以稱“氧化?催化燃燒法”,是利用裝在汽車排氣

47、管尾部的氧化催化燃燒裝置,將汽車發(fā)動機排出的co和hc在反應裝置中與排氣殘留的氧或另外供給的空氣中的o2結(jié)合生成無害的co2和h2o。這種方法只能去除co和hc,對nox沒有去除作用。另外還有二段凈化法,需要兩個催化反應器分別完成對nox的還原反應和對co和hc的氧化反應,技術(shù)尚不成熟。目前國際上通用的是三元催化凈化裝置,采用能同時完成co、hc的氧化和nox還原反應的催化劑,將三種有害物質(zhì)一起凈化。采用此法可節(jié)省燃料,減少催化反應器數(shù)量,是一種技術(shù)層次高,治污效果明顯的凈化方法。5.2三元催化轉(zhuǎn)化器5.2.1三元催化轉(zhuǎn)化器的基本結(jié)構(gòu) 三效催化轉(zhuǎn)化器由殼體、墊層和催化劑組成,其中,催化劑包括載

48、體、涂層和活性組分。 對車用的三元催化轉(zhuǎn)化器主要有以下要求: (1)起燃溫度低,有利于降低內(nèi)燃機冷起動時的排氣污染物排放; (2)較高的儲氧能力,以補償過量空氣系數(shù)的波動; (3)耐高溫,不易熱老化; (4)對雜質(zhì)不敏感,不易被化學毒化; (5)極少產(chǎn)生h2s、nh等物質(zhì); (6)價格合適。5.2.2 催化反應原理 三元催化反應器的工作原理是:發(fā)動機通過排氣管排氣時, co、hc和nox三種氣體通過三元催化反應器中的催化劑時,增強3種氣體的活性,進行氧化-還原的化學反應。其中co在高溫下氧化成無色、無毒的co2氣體。碳氫化合物在高溫下h2o和co2。氮氧化合物還原成無害的n2和o2。3種有害氣

49、體變成無害氣體,使尾氣得以凈化。 三元催化凈化的原理是在使用催化劑的情況下,除了利用排氣中的co、hc和h2作為還原劑,使no還原成n2外,還包括在高溫下發(fā)生的還原分解反應: 2no+2con2+2co2 4no+ch42n2+co2+2h2o 2no+2h2n2+2h2o 三元催化凈化器的凈化效率與排氣中所含hc、co和nox比例有密切的關(guān)系,因此它要求內(nèi)燃機工作時把空燃比精確控制在理論空燃比附近,以實現(xiàn)hc、co和nox的同時高效凈化;這種方法的另一不足之處是容易鉛中毒以及對催化劑性能要求高。因此要求汽車必須安裝電噴系統(tǒng)并且使用無鉛汽油。電控燃油噴射配合三元催化器可使內(nèi)燃機的經(jīng)濟性的排放性

50、均得到較好的改善,從而獲得最佳的排氣凈化效果。 其中,氨的形成是不希望的,應通過催化材料的合理選擇,加以避免。三效催化轉(zhuǎn)化器同時降低三種排氣污染物的效果只有在汽油機化學當量燃燒,也就是過量空氣系數(shù)為l時才能實現(xiàn)。因為,no在催化器中的還原需要h2、co和hc等作為還原劑。空氣過量時,這些還原劑首先和氧反應,所以nox的還原反應就不能進行?？諝獠蛔銜r,co和hc則不能被完全氧化。5.2.3 三元催化轉(zhuǎn)化器的性能指標 車用汽油機三元催化轉(zhuǎn)化器的性能指標很多,其中最主要的有污染物轉(zhuǎn)化效率和排氣流動阻力。 轉(zhuǎn)化效率由下式定義: 式中:?排氣污染物在催化器中的轉(zhuǎn)化效率; ?排氣污染物在催化器進口處的濃度

51、或體積分數(shù); ?排氣污染物在催化器出口處的濃度或體積分數(shù)。 如圖5.1所示三元催化劑的凈化率 圖5.1 三元催化劑對co、hc和nox的凈化率 催化轉(zhuǎn)化器對某種污染物的轉(zhuǎn)化效率,取決于污染物的組成、催化劑的活性、工作溫度、空間速度及流速在催化空間中分布的均勻性等因素,它們分別可用催化劑的空燃比特性、起燃特性和空速特性表征;而催化器中排氣的流動阻力則有流動特性表征。6低排放燃料及汽車新能源 燃料處理技術(shù)是對燃料在進入氣缸前進行預先處理,以期減少氣缸工作過程中所產(chǎn)生的有害排放物,是一種理想的凈化措施,可以在不改變或較少改變發(fā)動機的情況下,改善排氣成分。 現(xiàn)用燃料汽油的處理,目前主要著眼于減少汽油中的含鉛量。廢氣中的鉛蒸汽不僅使汽車的三元催化凈化器中毒而導致失效,而且對人體健康危害很大。鉛進入人體后多蓄積于肝臟中,無機鉛中毒可使四肢肌肉麻痹,面色蒼白;有機鉛中毒引起造血器官和神經(jīng)系統(tǒng)錯亂。我國從2000年起禁止使用有鉛汽油。其次,在現(xiàn)有汽油中加入一定比例的可減少有害成分的汽油清凈濟以改善汽油品質(zhì)。汽油品質(zhì)是汽車排放造成污染的關(guān)鍵原因之一。我國目前使用的汽油中烯烴含量普遍較高,容易在噴嘴處產(chǎn)生結(jié)焦,影響燃油噴出效果,長期使用而不定期清潔噴嘴將導致降低燃燒率和動力,增加排污。若在汽油中加入清凈劑后可有效清除燃料系統(tǒng)的沉淀物和積炭,提高燃料效率,降低排污和油耗