发动机排放控制技术的研究与分析

目录摘要…………………………………………………………………………………0引言………………………………………………………………………………0.1研究发动机排放的意义…………………………………………………2发动机排放物的主要成分及危害…………………………………………………2.1发动机排放物主要成分……………………………………………………2.2发动机排放物的危害………………………………………………………2.2.1一氧化碳(CO)……………………………………………………2.2.2碳氢化合物(HC)……………………………………………………2.2.3氮氧化物(NOX)………………………………………………………2.2.4光化学烟雾…………………………………………………………2.2.5微米微粒(也称颗粒)………………………………………………3发动机主要排放物的生成机理……………………………………………………3.1CO的形成………………………………………………………………………3.2HC的形成………………………………………………………………………3.3NOX的形成………………………………………………………………………3.4微粒的形成……………………………………………………………………4发动机排放物生成的影响因素……………………………………………………4.1空燃比的影响…………………………………………………………………4.2点火时刻的影响………………………………………………………………4.3发动机不稳定工况的影响……………………………………………………5发动机排放控制技术………………………………………………………………5.1提高燃油质量，保障燃油供应………………………………………………5.2降低燃油消耗…………………………………………………………………5.2.1外形设计……………………………………………………………5.2.2质量减轻………………………………………………………………5.3汽油机排放控制技术…………………………………………………………5.3.1三元催化转换技术…………………………………………………5.3.2废气再循环技术……………………………………………………5.3.3二次空气供给技术…………………………………………………5.4柴油机排气净化技术…………………………………………………………5.4.1燃烧系统直喷技术…………………………………………………5.4.2废气涡轮增压与中冷技术…………………………………………5.4.3燃油喷射高压化和多次喷射技术……………………………5.4.4排气后处理技术………………………………………………6汽车减排技术的新进展……………………………………………………………6.1转变经济增长方式，大力发展节能环保汽车………………………………6.2转变能源选择方式：稳步发展替代能源，实现汽车能源的多元化…………6.3转变发展方式，走“绿色制造”之路………………………………………6.4转变政府的服务方式，营造好节能环保汽车发展的条件和环境……………7结论…………………………………………………………………………………参考文献………………………………………………………………………………致谢……………………………………………………………………………………发动机排放控制技术的研究与分析杜凯西南大学工程技术学院汽车检测与维修专业摘要：针对人们生活水平的日益提高人们对居住环境的要求也更高，汽车尾气对人们的影响日渐显著。汽车排放的尾气，除空气中的氮和氧以及燃烧产物CO2、水蒸汽为无害成份外，其余均为有害成份。就以上问题采用了类比与改进的思想，通过对发动机性能的分析以及对发动机工作过程的分析和对尾气过滤装置的分析。本文主要针对汽油式发动机予以论述得到了废气污染物生成机理和用更高效的尾气净化装置来使汽车排放更符合现代社会的要求的想法，分析它的一些排放因素等。关键词：汽车废气排放危害控制技术0引言自工业革命以来，人类向大气中排入的CO2等吸热性强的温室气体逐年增加，大气的温室效应也随之增强，已引起全球气候变暖等一系列严重问题，引起了全世界各国的关注。据测定，大气中CO2的浓度在工业革命以前一直保持在285ppmv（100万分之285）的水平，以后开始逐步增长。200年后，大气CO2浓度增加了大约15PPmv，达到300PPmv。而从五六十年代到今天，二氧化碳气体的浓度已经达到350PPmv，40年增加了50PPmv。哥本哈根会议前夕，气候科学家们表示全球必须停止增加温室气体排放，并且在2015到2020年间开始减少排放。科学家们预计想要防止全球平均气温再上升2℃，避免南北极地冰山大幅度融化，导致海平面大大上升等一系列灾难，到2050年，全球的温室气体减排量需达到1990年水平的80%。以化石能源为燃料的传统汽车对地球环境的破坏可谓有目共睹。美国环保署的一份报告显示，包括汽车在内的交通工具排放的二氧化碳占人类CO2总排放量的17%左右，如此高的比例，既说明了汽车排放对地球环境破坏的巨大作用力，也意味着我们每个车主肩上的责任。2010年，全球的汽车保有量将突破10亿辆，到2015年，这个数据还将上升到12亿辆之多，如果我们不能切实有效地降低汽车的二氧化碳排放量，我们每位车主在自己的日常用车过程中不对环境心存歉意，那么2012年将不仅仅只是玛雅人的一个神秘预言，也不会再仅仅只是一部卖座的好莱坞大片，它将可能是我们肆无忌惮的汽车油门下，一个即将到来的现实。0.1研究发动机排放的意义为了减少汽车对全球气候变暖的影响，削减温室气体二氧化碳的排放，汽车应尽量采用小排量发动机和混合燃料发动机，从而最大限度地减少汽车对全球气候变暖的影响。汽车除了产生有害的污染物CO、HC、NOx和颗粒物排放外，也产生大量的温室气体二氧化碳。在控制汽车NOx的排放时，广泛采用汽车尾气催化转化技术，部分催化剂在对氮氧化物进行转换过程中产生一氧化二氮的排放，一氧化二氮是重要的温室气体之一。另外，汽车使用过程中不可避免地产生空调器的制冷剂(氟氯烃)泄漏等，也是产生温室气体的重要原因。随着全球汽车保有量的增加，由汽车排放产生的温室气体所占的比例还会增加。因此，汽车对全球气候变暖有重大影响。2发动机排放物的主要成分及危害2.1发动机排放物主要成分发动机工作时会排放出一些有害人体的物质，称为污染物质或有害物质，主要来源于发动机排出的废气，燃油箱及化油器泄露出的燃油蒸气，以及曲轴箱窜出的气体。废气中有害成分为一氧化碳CO、碳氢化合物HC(约占HC总排放量的55%)、氮化物NOX、二氧化硫SO2、颗粒物质（铅化物、碳烟、油雾等）及臭氧。燃油蒸气及曲轴箱窜气中有害成分为HC，其含量分别约占20%和25%。由此可见，发动机排出的主要污染物质是CO、HC、NOX及浮游的微小颗粒，这些有害物质的排出量主要取决于燃烧前混合气成分、燃烧室的燃烧条件、排气系统的反应条件和发动机的运转因素。2.2发动机排放物的危害各种有害物质的含量当超过百万分之一容积浓度时，就会对人、动物、植物产生不同的危害。2.2.1一氧化碳(CO)CO是无色无味的气体，它是一种窒息性的有毒气体，由于CO和血液中有输氧能力的血红素蛋白(Hb)的亲和力，比氧气和Hb的亲和力大200～300倍，因而，CO能很快和Hb结合形成碳氧血红素蛋白(CO—Hb)，使血液的输氧能力大大降低，使心脏、大脑等重要器官严重缺氧，引起头晕、恶心、头痛等症状。轻度是使中枢神经系统受损，慢性中毒，严重时会使心血管工作困难，直至死亡。为保护人类不受CO的毒害，将24小时内吸收的CO的浓度限制在5×10－6以内。CO和Hb结合是可逆的，如果人体吸入低浓度CO后被置于新鲜空气中或进入高压氧舱，已经与Hb结合的CO会被分离出来，通过呼吸系统排出体外。2.2.2碳氢化合物(HC)碳氢化合物(也称烃类)包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解产物和部分氧化物，如苯、醛、烯和多环芳香族碳氢化合物等200多种复杂成分。饱和烃危害不大，不饱和烃危害性很大。其中，甲烷气体无毒性。当甲醛、丙烯醛等醛类气体浓度超过1×10－6时，就会对眼、呼吸道和皮肤有强烈的刺激作用，浓度超过25×10－6时，就会引起头晕、恶心、红血球减少、贫血，超过1000个25×10－6时会急性中毒。苯是无色气体，但有特殊气味。应当引起注意的是带多环的多芳香烃，如苯丙芘及硝基烯，是强烈致癌物质。烃类成分还是引起光化学烟雾的重要物质。2.2.3氮氧化物(NOX)氮氧化物是燃烧过程中形成的多种氮氧化物，如NO、N2、N2O3、N2O5等，总称NOX。在内燃机中主要是NO，约占95％；其次是NO2，占5％。NO是无色无味气体，只有轻度刺激性，毒性不大。但高浓度时会造成中枢神经系统轻度障碍，NO可以被氧化成NO2。NO2是一种棕红色强烈刺激性的有毒气体，其含量为0.1×10－6时即可嗅到，1×10－6～4×10－6就感到恶臭，它对人体健康毒害较大。NO2吸入人体后，和血液中的血红素蛋白(Hb)结合，使血液输氧能力下降，对心、肝、肾都会有影响，还会使植物枯黄。但NO2较易扩散，遇水易溶解。2.2.4光化学烟雾HC和NOx在强烈的阳光下会生成臭氧(O3)和过氧酰基硝酸盐(PAN)，即浅蓝色的光化学烟雾，它是一种强烈刺激性有毒气体的二次污染物。光化学烟雾中的O3是强氧化剂，能使植物变黑直至枯死，使橡胶开裂，它有特殊的臭味，其嗅觉阀值为0.02×10－6和1×10－6，接触1小时后会引发气喘、慢性中毒，5×10－6浓度下30分钟会使人致死。2.2.5微米微粒(也称颗粒)对人体健康的危害程度和颗粒的大小及组成有关。微粒越小，悬浮在空气中的时间越长，它们进入人体肺部后停滞在肺部及支气管中的比例越大，危害也越大。小于0.1微米的颗粒能在空气中做随机运动，进入肺部并附着在肺细胞的组织中，有些还会被血液吸收。0.1~0.5微米的微粒能深入肺部并黏附在肺叶表面的黏液中，随后被绒毛所清除。大于5微米的微粒常在鼻部受阻，不能进入呼吸道，大于10微米的微粒可以排出体外。微粒除了对人体的呼吸系统有害外，由于微粒存在孔隙能黏附SO2、未燃HC、NO2等有毒物质或苯并芘等致癌物质，因而对人体的健康造成更大的危害。由于柴油机的微粒直径大多小于0.3微米，而且数量比汽油机高出30~60倍，成分更复杂，因而柴油机的微粒排放相对更大。3发动机主要排放物的生成机理发动机的主要燃料是汽油和柴油，在燃烧过程中由于燃烧条件及各种影响因素不同，其燃烧完善程度不同，因此排放废气中含有多种生成物。包括燃料燃烧后的生成物（CO2、H2O）和NOX，不完全燃烧生成物（CO及HC），未燃及燃烧反应分解生成物（HC和碳粒），燃料添加剂燃烧生成物，以及在高温高压下空气中氧和氮的生成物NOX等，其中CO、HC、，NOX及微粒就构成了污染物质3.1CO的形成CO是烃燃料燃烧的中间产物，主要是由于燃烧时氧气相对不足，燃由中的碳不能与足够的氧结合而产生的。汽油机当过量空气系数Φat1(a14.8)时，燃烧时氧化不足，燃料中的碳不完全燃烧产生CO。其生成量主要取决于混合气的成分，它是汽油机排气中有害成分浓度最大的物质。在柴油机上，应都是在Φat1的稀混合气情况下工作，仅是在全负荷及低负荷时，由于混合气形成不均匀，造成局部氧化不足或因燃气温度低使氧化反应慢，在燃烧时能产生一些CO，但总体上因是稀混合气，过剩的氧可使CO在排气过程中氧化为CO2，所以柴油机排气中含CO很少。3.2HC的形成排气中的HC主要有三个来源：（1）燃料未燃烧、不完全燃烧、或部分被分解、氧化而生成的HC,约占55%～65%；（2）曲轴箱通风口蒸发出的HC,占20%～25%；（3）燃油箱及化油器泄露出的燃油蒸气，占15%～20%。在上述第一个来源中，由于缸壁激冷作用，在缸壁及燃烧室壁附面层的混合气，受低温缸壁冷却，火焰传播不到，得不到燃烧，同时，火焰也不能在激冷缝隙内传播，一般在小于1mm的缝隙