淺析如何減少汽油機CO的排放

論文題目：淺析如何減少汽油機一氧化碳的排放學(xué)院：_______________專業(yè)：_______________年級：_______________學(xué)生姓名：_______________學(xué)號：_______________指導(dǎo)老師：_______________2012年10月9日目錄摘要………………3關(guān)鍵字……………3一、汽油機的工作原理…………3二、汽油機排出物分析…………41、CO的危害及形成…………42、影響CO排放的因素………4三、減少汽油機CO排放的措施…………………61、汽油機機內(nèi)凈化技術(shù)………………62、汽油機機外凈化技術(shù)………………63、采用清潔代用燃料…………………64、稀薄燃燒技術(shù)………65、缸內(nèi)直接噴射技術(shù)…………………66、車用汽油機的催化轉(zhuǎn)化技術(shù)………67、均質(zhì)混合氣壓燃……………………78、混合氣的空燃比技術(shù)………………7四、對未來汽油機的展望………7五、參考文獻……………………7摘要：汽車給人們的工作和生活帶來了極大的便利,已成為人類不可或缺的交通運輸工具;但是在汽車產(chǎn)業(yè)得到高速開展,汽車產(chǎn)量和保有量不斷增加的同時,汽車在運行過程中給人們帶來了副產(chǎn)品——汽車排放物,也帶來了越來越嚴重的大氣污染。為了改善人們的居住環(huán)境，充分利用汽油機排除物，本文著重討論了汽油機排氣排放物的形成機理和設(shè)計因素及使用因素的影響，并提出控制措施。關(guān)鍵字：汽油機一氧化碳回收利用汽油機工作原理為了了解汽油機的排放物，我們先了解汽油機工作原理。汽油機氣缸內(nèi)裝有活塞，活塞通過活塞銷、連桿與曲軸相連接?；钊跉飧變?nèi)做往復(fù)運動，通過連桿推動曲軸轉(zhuǎn)動。為了吸入新鮮氣體和排出廢氣，設(shè)有進氣門和排氣門。活塞頂離曲軸中心最遠處，即活塞最高位置，稱為上止點。活塞頂部離曲軸中心最近處，即活塞最低位置，稱為下止點。上、下止點間的距離稱為活塞行程，曲軸與連桿下端的連接中心至曲軸中心的距離稱為曲軸半徑?；钊孔咭粋€行程相應(yīng)于曲軸轉(zhuǎn)角180°。對于氣缸中心線通過曲軸中心線的發(fā)動機，活塞行程等于曲柄半徑的兩倍?；钊麖纳现裹c到下止點所掃過的容積稱為發(fā)動機的工作容積或發(fā)動機排量，用符號VL表示。四沖程發(fā)動機的工作循環(huán)包括四個活塞行程，既進氣行程、壓縮行程、膨脹行程〔作功行程〕和排氣行程。進氣行程化油器式汽油機將空氣與燃料先在氣缸外部的化油器中進行混合，然后再吸入氣缸。進氣行程中，進氣門翻開，排氣門關(guān)閉。隨著活塞從上止點向下止點移動，活塞上方的氣缸容積增大，從而氣缸內(nèi)的壓力降低到大氣壓力以下，即在氣缸內(nèi)造成真空吸力。這樣，可燃混合氣便經(jīng)進氣管道和進氣門被吸入氣缸。壓縮行程

為使吸入氣缸內(nèi)可燃混合氣能迅速燃燒，以產(chǎn)生較大的壓力，從而使發(fā)動機發(fā)出較大功率，必須在燃燒前將可燃混合氣壓縮，使其容積縮小、密度加大、溫度升高，即需要有壓縮過程。在這個過程中，進、排氣門全部關(guān)閉，曲軸推動活塞由下止點向上止點移動一個行程稱為壓縮行程。壓縮終了時，活塞到達上止點，活塞上方形成很小空間，稱為燃燒室。壓縮前氣缸中氣體的最大容積與壓縮后的最小容積之比稱為壓縮比，以ε表示：壓縮比愈大，在壓縮終了時混合氣的壓力和溫度便愈高，，燃燒速度也愈快，因而發(fā)動機發(fā)出的功率愈大，經(jīng)濟性愈好。但壓縮比過大時，不僅不能進一步改善燃燒情況，反而會出現(xiàn)爆燃和外表點火等不正常燃燒現(xiàn)象。爆燃是由于氣體壓力和溫度過高，在燃燒室內(nèi)離點燃中心較遠處的末端可燃混合氣自燃造成的一種不正常燃燒。爆燃時火焰以極高的速率向外傳播，甚至在氣體來不及膨脹的情況下，溫度和壓力急劇升高。同時，還會引起發(fā)動機過熱，功率下降，燃油消耗量增加等一系列不良后果。外表點火是由于燃燒室內(nèi)熾熱外表與熾熱處〔如排氣門頭，火花塞電極，積炭處〕點燃混合氣產(chǎn)生的另一種不正常燃燒〔也稱為熾熱點火或早燃〕。外表點火發(fā)生時，也伴有強烈的敲擊聲〔較沉悶〕，產(chǎn)生的高壓會使發(fā)動機件負荷增加，壽命降低。作功行程在這個行程中，進、排氣門仍舊關(guān)閉。當活塞接近上止點時，裝在氣缸蓋上的火花塞即發(fā)出電火花，點燃被壓縮的可燃混合氣。可燃混合氣被燃燒后，放出大量的熱能，因此，燃氣的壓力和溫度迅速增加，所能到達的最高壓力約為3-5Mpa，相應(yīng)的溫度那么為2200-2800K。高溫高壓的燃氣推動活塞從上止點向下止點運動，通過連桿使曲軸旋轉(zhuǎn)并輸出機械能，除了用于維持發(fā)動機本身繼續(xù)運轉(zhuǎn)而外，其余即用于對外作功。排氣行程可燃混合氣燃燒后生成的廢氣，必須從氣缸中排除，以便進行下一個進氣行程。當膨脹接近終了時，排氣門開啟，靠廢氣的壓力進行自由排氣，活塞到達下止點后再向上止點移動時，繼續(xù)將廢氣強制排到大氣中?；钊缴现裹c附近時，排氣行程結(jié)束。在排氣行程中氣缸內(nèi)壓力稍高于大氣壓力，約為0.105-0.115Mpa。排氣終了時，廢氣溫度約為900-1200K。由于燃燒室占有一定容積，因此在排氣終了時，不可能將廢氣排盡，留下的這一局部廢氣稱為剩余廢氣。綜上所述，四沖程汽油發(fā)動機經(jīng)過進氣、壓縮、燃燒作功、排氣四個行程，完成一個工作循環(huán)。這期間活塞在上、下止點間往復(fù)移動了四個行程，相應(yīng)地曲軸旋轉(zhuǎn)了兩周。汽油機排出物分析汽油機各種有害排放物的生成機理根據(jù)燃料燃燒的熱化學(xué)根本知識,由碳、氫、氧組成的燃料在汽油機汽缸中進行完全燃燒的產(chǎn)物是二氧化碳、水以及未被利用的氧氣和氮氣。這幾種氣體在正常情況下被認為是無害的。但是,燃燒過程并非如此簡單,汽油機所用的燃料往往含有其他有害雜質(zhì)和添加劑,而且燃料燃燒總是不完全的,加上內(nèi)燃機工作過程中的許多復(fù)雜原因,使得汽油機排氣中還有一定量的一氧化碳(CO),碳氫化合物(HC)、氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)和臭氣等有害物質(zhì);同時,油箱的燃油蒸發(fā)和曲軸箱的竄氣也帶來了一定量的碳氫化合物(HC)。針對汽油機汽車,造成環(huán)境污染的有害氣體主要是一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)和氮氧化物(NOx)。下面對產(chǎn)生的CO作進一步分析。1、CO的危害及形成1〕形成對于汽油機，根據(jù)燃燒化學(xué)反響，在不同空燃比AF下，燃燒產(chǎn)物各成分的計算值如圖1所示。理論上當過量空氣系數(shù)α=1〔AF≈14.8〕時，燃料完全燃燒，其產(chǎn)物為CO2和H2O。當空氣缺乏，AF＜14.8時，那么有局部燃料不能完全燃燒，生成CO。圖1燃燒產(chǎn)物各成分的計算值圖2汽油機空燃比與排氣濃度變化關(guān)系2〕危害CO是一種無色、無嗅、無刺激的氣體。人體吸入co會經(jīng)過肺部的氣體交換作用吸收到血液中。而CO很容易和血球素結(jié)合，〔血紅蛋白〕。這樣血紅蛋白輸送氧的能力就被破壞。造成體內(nèi)卻氧而出現(xiàn)各種中毒病癥，如頭暈、惡心、四肢無力，嚴重時甚至昏迷不醒，直至死亡。CO時烴燃燒在空氣缺乏的情況下，進行不完全燃燒的產(chǎn)物，時汽油機排氣中有害成分濃度最大的物質(zhì)。2、影響CO排放的因素1〕．進氣空氣溫度T。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)To>80℃。隨著環(huán)境溫度的上升，空氣密度ρ變小，而汽油的密度幾乎可認為不變,因此使化油器供應(yīng)的混合比R〔即AF〕隨吸入空氣溫度的上升而變濃，圖3為一定運轉(zhuǎn)條件下，進氣空氣溫度與混合比的關(guān)系，大致和絕對溫度的方根成反比的理論相一致。2〕．大氣壓力p的影響

大氣壓力隨海拔高度而變化，由經(jīng)驗公式P=P0〔1-0.02257h〕5.256〔kPa〕

式中h一海拔高度〔km〕。

當海平面p0=100kpa時，可作出海拔高度和大氣壓力變化關(guān)系的曲線，見圖4。

當忽略空氣中飽和水蒸氣壓時，空氣密度可用下式表示：ρ=1.293×273p/(273+T)750(kg/m3)

可以認為空氣密度ρ和P成正比，從簡單化油器理論可知，混合比和空氣密度的平方根成正比，即混合比

R=R0

圖3光軸偏斜量測量方法圖4海拔高度和大氣壓力變化關(guān)系的曲線1-左右偏斜指示器2-光電池3-左右偏斜指示器3〕.電機轉(zhuǎn)速當汽油機急劇減速時，發(fā)動機真空度大于負68kpa以上時，停留在進氣系統(tǒng)中的燃料，在高真空度下急劇蒸發(fā)而進入燃燒室，造成混合氣瞬時過濃，致使燃燒狀況惡化。CO濃度將顯著增加到怠速時的濃度。圖5轉(zhuǎn)速影響此外，發(fā)動機工況和怠速轉(zhuǎn)速的影響，當?shù)∷俎D(zhuǎn)速和排氣中CO和HC濃度的關(guān)系。怠速轉(zhuǎn)速600r/min時，CO濃度為1.4%，700r/min時，降為1%左右，這說明提高怠速轉(zhuǎn)速，可有效地降低排氣中CO濃度，但是，怠速過高會加大挺桿響聲，對液力變扭汽車，還可能發(fā)生溜車的危險。如果這些問題得到解決，一般從凈化的觀點，希望怠速轉(zhuǎn)速規(guī)定高一點較好。汽車負荷一定時，等速工況下排氣成分實測結(jié)果由圖可見。當車速增加時，CO很快降低，至中速后變化不大，這是由于化油器供應(yīng)發(fā)動機的空燃比，隨流量增加接近于理論混合比的減少汽油機CO排放的措施1、汽油機機內(nèi)凈化技術(shù)1〕電子控制燃油噴射系統(tǒng)電子控制燃油噴射系統(tǒng)(EFI)利用傳感器檢測發(fā)動機的各種狀態(tài),經(jīng)微機判斷、計算,使發(fā)動機在不同工況下均能獲得適宜空燃比的混合氣。2〕可變進氣流通截面及可變配氣定時系統(tǒng)采用可變進氣流通截面可改善中速運轉(zhuǎn)及局部負荷時的汽油機性能,并可控制燃燒速率。采用可變配氣定時系統(tǒng)可調(diào)節(jié)缸內(nèi)剩余廢氣量,降低CO排放,改善怠速性能。3〕廢氣再循環(huán)發(fā)動機工作過程中,將一局部排氣引到吸入的新鮮空氣(或混合氣)中并返回氣缸進行再循環(huán)的方法稱為廢氣再循環(huán)(EGR),可有效控制NOx的排放。但由于它減少了進氣充量中的含氧量,只宜在局部負荷時采用,以使CO不致明顯增加要最大限度地減少CO氣再循環(huán)。電控技術(shù)是解決這一矛盾的有效手段。最近國外電控EGR技術(shù)獲得成功,已使其成為現(xiàn)代車用汽油機的有機組成局部。4〕燃燒系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計不同的燃燒室形狀會使汽油機性能有很大差異。燃燒室設(shè)計的重要那么之一是面容比小,即盡可能緊湊;火花塞盡可能布置在燃燒室中央,以縮短火焰?zhèn)鞑ルx。緊湊的燃燒室可直接使汽油機的熱效率提高,CO排放降低;與推遲點火提前角或EGR聯(lián)用,可同時降低CO排放。2、汽油機機外凈化技術(shù)隨著排放法規(guī)的日益嚴格,人們始考慮包括催化轉(zhuǎn)化器在內(nèi)的各種機外凈化技術(shù)。三效催化劑(TWC)的研制成功使汽車排制技術(shù)產(chǎn)生了突破性的進展,它可使汽油車排放的CO降低90%以上。目前,電子控制汽油噴射加三效催化轉(zhuǎn)化器已_成為國際上汽油車排放控制技術(shù)的主流。除量微型車和中、重型貨車外,所有汽油車都采用了催化轉(zhuǎn)化器,特別是汽油機轎車和輕型卡車它們采用三效催化劑的比例分別為91.6%和100%。由此可以看出三效催化轉(zhuǎn)化器在排放控制技術(shù)中的重要地位。此外,機外凈化技術(shù)還有曲軸箱強制通風裝置、二次空氣噴射控制系統(tǒng)和燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)。3、采用清潔代用燃料為了降低汽車排氣污染,也為了節(jié)省能源和開發(fā)新的汽車能源,以緩解汽車對石油燃料的單純依賴。清潔代用燃料可以分為:①常規(guī)燃料的變型產(chǎn)品,如新配方汽油(RFG)、新配方柴油(RFD)或低硫柴油(LSD)等;②氣體燃料,如天然氣(NG)、壓縮天然氣(CNG)、液化天然氣(LNG)、氨(NH3)、H2、液化石油氣(LPG,其主要成分為丙烷)等;③在天然氣、煤根底上生產(chǎn)的燃料,如FTL和FT油、甲醇和醚類燃料(二甲醚DME、二乙醚DEE等);④由玉米、草木類植物、含碳廢棄物提煉的生物乙醇;⑤由花生油、菜子油等生產(chǎn)的生物柴油。4、稀薄燃燒技術(shù)將少量燃油和大量空氣混合,使燃油充分燃燒的一種技術(shù)。傳統(tǒng)發(fā)動機的空燃比在14.7∶1附近,而稀燃發(fā)動機的空燃比通常在15∶1～27∶1。由于可使燃油充分燃燒,與傳統(tǒng)發(fā)動機相比,稀燃發(fā)動機可節(jié)約燃油,并可顯著減少尾氣中有害成分的含量。汽油機稀薄燃燒包括進氣道噴射稀燃系統(tǒng)(PFI)、直接噴射稀燃系統(tǒng)(GDI)和均質(zhì)混合氣壓燃(HCCI)。采用選擇催化復(fù)原、吸附催化復(fù)原和EGR+三元催化技術(shù)降低稀燃下汽油機的CO排放,取得了一些具有學(xué)術(shù)價值的成果。目前,稀燃高壓縮比仍是降低汽油機排放、提高性能的主要研究方向。在稀燃時,為改善混合氣質(zhì)量而采取的措施:實現(xiàn)分層燃燒;燃燒室設(shè)計得更緊湊,盡量減少有害的縫隙容積;改善火花塞結(jié)構(gòu)及布置,采用高能點火系統(tǒng),實現(xiàn)快速燃燒等。5、缸內(nèi)直接噴射技術(shù)缸內(nèi)直噴(GDI)汽油機是在局部負荷時用混合氣的分層化實現(xiàn)超稀薄燃燒,得到同柴油機一樣低的燃油消耗率;在高負荷時用預(yù)混合汽油機的均勻混合方式,得到高功率特性的理想汽油機。由于GDI的油氣混合主要是依靠噴霧和缸內(nèi)的空氣運動,與冷起動時的低溫關(guān)系不大,所以冷起動時無需過量供油,有效地解決了PFI冷起動時UBHC排放過多的問題。但是在中小負荷情況下,GDI的未燃碳氫化合物的排放仍然較多。6、車用汽油機的催化轉(zhuǎn)化技術(shù)催化轉(zhuǎn)化技術(shù)已成為成熟技術(shù)通過納米技術(shù)提高貴金屬附著載體的能力,從而減少貴金屬含量(可降低15%～40%);催化劑儲氧材料CeO2的研究已進入第三代,這是高性能催化劑的根底;適應(yīng)稀薄燃燒(空燃比達22)富氧條件下的CO復(fù)原催化劑的研究十分活潑,凈化稀燃汽車尾氣中NOx的另一種途徑———“吸附-復(fù)原法”的研究即在富氧條件下,先將CO用吸附劑儲存起來(形成碳酸鹽),然后在貧氧或受熱加溫條件由碳酸鹽釋放出COx,COx與HC或CO反響,被復(fù)原為N2。為了使這類催化劑能在富氧-貧氧交替的氣氛中工作,借助電控手段對催化劑再生,即每隔50～60s由發(fā)動機管理系統(tǒng)自動控制節(jié)氣門減小開度,使空燃比由22～23變到10左右,同時點火提前角也由上止點前350CA推遲到50CA,這一期間持續(xù)5～10s(催化劑再生),其NOx凈化效率可達70%～90%,通過合理調(diào)節(jié),燃油經(jīng)濟性的惡化可控制在1%以內(nèi)。7、均質(zhì)混合氣壓燃(HCCI)HCCI燃燒方式被人們稱為內(nèi)燃機的第三種燃燒方式,是當前內(nèi)燃機燃燒的一個研究熱點,它最有希望在近期以兩種燃燒方式[在起動和高負荷時以火花點火(SI)方式或柴油機燃燒(DI)運轉(zhuǎn),在中、低負荷和怠速時以HCCI方式工作]的組合在轎車發(fā)動機上得到應(yīng)用,從而獲得和汽油機一樣的高功率輸出和低PM排放,以及在局部負荷(可達75%負荷)和怠速時獲得和柴油機一樣或更高的經(jīng)濟性,但NOx排放很低。采用HCCI可以使排氣中氮氧化物的含量急劇下降至百萬分之幾。這是由于HCCI可以使用非常稀的混合氣,使燃氣的最高溫度不超過1600℃。在此溫度以下,空氣中的氮氣和氧氣不進行化合反響或化合反響速度非常低。排氣中超低的氮氧化物含量減輕了稀薄燃燒排氣后處理的難度。在較高負荷工況,供油量增加,空燃比下降。當