汽油机排放污染物的生成和处理技术

汽油机排放污染物的生成和处理技术摘要：目前环境污染严重，而汽车作为化石燃料的重要消耗途径，有着不可推卸的责任。因此本文分析汽油机排放的CO,HC,NOX和微粒等污染的生成，还讨论了目前汽车常用的机内净化和排放后处理技术。在这里技术的指导下，希望进一步改善汽车的排放特性。关键词：汽油机；排放；机内净化；排放后处理0引言近年来环境污染日益严重，很大程度上是由化石燃料的不清洁燃烧方式引起的。酸雨，雾霾，沙尘暴，温室效应甚至厄尔尼诺现象的出现频率越来越高，环境问题与经济发展的冲突越来越严峻。据英国石油公司（BP）的统计，中国是目前世界上能源消耗量最大的国家，占世界一次能源消耗的22.4%[1]。其中，不可再生的化石能源占了我国能源结构的绝大部分。化石能源的大量消耗不仅威胁国家的能源安全问题，同时也制约了社会的稳定高速发展。从图1中可以看到，随着我国汽车保有量的不断增长[2]，汽车行业作为交通运输的主要构成部分消耗的大量石油资源占据了很大比例。其次，粗放式地燃烧化石燃料已造成了严重的空气污染。随着空气污染的不断加重，PM2.5数值不断攀升，雾霾天气已经严重影响了人们的正常工作生活。控制空气污染并减少雾霾天气以保障我国民众的身体健康和日常生活已经刻不容缓。图1世界汽车增长趋势尽管内燃机具有效率高、体积小、续航里程高等优点，但是其每年消耗大量宝贵的化石燃料并排放危害环境和人体健康的物质。研究表明，汽车尾气的排放物是大气污染物的一个主要来源[3-5]，其中包含未燃碳氢（HC）、氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）、固体颗粒物、二氧化硫、含铅化合物等多种有害物质[6]。然而内燃机作为成熟的动力源在短时间内无法被彻底取代，研究内燃机排放物是如何生成，并探寻合适的排放控制手段，使亟待解决的。目前城市绝大多数乘用车都是汽油机，所以本文主要讨论汽油机排放物的生成和控制。1汽车排放污染物的生成和影响因素1.1一氧化碳的生成机理和影响因素汽车排放物中的CO的生成主要是由于燃油在汽缸内燃烧不充分所致，是由氧气不足所引起的。一般烃燃烧燃烧都是先与氧气反应生成CO和H2，再由二者与O2进一步反应生成H2O和CO2，同时CO还和生成的水蒸气反应生成H2和CO2。由此可见，当汽缸内氧气充足燃料完全燃烧的情况下，是没有CO生成的，而当O2不足的情况下，就会有部分燃料不能完全燃烧而生成CO。理论上当空燃比α在14.7以上时候，燃料完全燃烧，没有CO生成。但由于燃料空气混合不均匀，在排气中还含有不少CO。因此CO主要受空燃比的影响，因此，影响空燃比的因素都会影响CO生成。例如，进气温度、大气压力、进气管真空度、怠速转速、发动机工况等。如图2可以看到不同转速和负荷对CO排放的影响[7]。图21800r/min(左边)和2500r/min(右)下的CO排放特性1.2碳氢化合物的生成机理和影响因素汽油发动机中的未燃HC的生成主要可分为三种方式：燃烧过程中未完全燃烧的碳氢燃料随废气排入大气，其可能通过火焰在壁面淬熄、狭隙效应、燃烧室内沉积物和油膜等对燃油蒸汽的吸附和解吸、体积淬熄和后期氧化等原因引起；未燃燃料从活塞组和汽缸之间的缝隙漏入曲轴箱，形成蹿气；燃油从汽油机的燃油系统直接蒸发形成燃油蒸汽。未燃HC排放主要是由于缸内混合气过浓、过稀或者局部混合不均匀引起燃烧不完全而导致的，造成燃烧不完全的因素大致有混合气质量、发动机运行条件、燃烧室结构参数及点火和配气正时等。其运行条件可以细分为负荷、转速、点火时刻、燃烧室面容比等的影响。如图3可以看到不同转速和负荷对CO排放的影响[7]。图31800r/min(左边)和2500r/min(右)下的HC排放特性1.3氮氧化物的生成机理和影响因素车用发动机排气中的NOX主要包括NO和NO2，其中大部分是NO，它们是N2在高温下的产物。1.3.1NO的生成机理根据扩展的Zeldovitch机理，在化学计量比Φa=1附近导致生成NO和使其消失的主要反应为：O2→2OO+N2→NO+ON+O2→NO+ON+OH→NO+HNO的生成不仅与温度和过量空气系数有关，还由局部高温的持续时间决定。1.3.2NO2的生成机理汽油机排气中的NO2浓度与NO相比可以忽略不计，且目前对其生成机理研究还不太透彻，大致上认为如下：NO+HO2→NO2+OH然后NO2又通过下述反应转变为NONO2+O→NO+O2只有在NO2生成后，火焰被冷的空气激冷，NO2才会得以保存，因此汽油机长期怠速会产生大量NO2。氮氧化物的生成主要受过量空气系数，残余废气分数，点火时刻等的影响。过量空气系数直接影响混合物的氧浓度，残余废气可以增大缸内气体比热和减小可燃气放热，点火时刻则可以控制燃烧温度。1.4微粒的生成机理和影响因素汽油机的排气微粒有三种来源：含铅汽油中的铅、有机微粒（包括炭烟）、来自汽油中硫元素所产生的硫酸盐。硫酸盐的排放主要涉及排气系统中有氧化催化剂的车用发动机。汽油中硫酸盐的排放直接取决于汽油中的硫含量。炭烟排放只在使用很浓的混合气才会遇到，对调整良好的汽油机不是主要问题。相反，微粒则是柴油机主要考虑的排放问题。1.5其他排放物汽车排放污染物除了主要的CO,HC,NOX和微粒以外，还包括重金属污染物和硫氧化合物等。其中重金属污染物主要包括铅、锌、铜等，主要来自于含铅汽油、润滑油的燃烧、汽车轮胎和制动系统的机械磨损等。2汽油机排放控制2.1机内净化所谓机内净化就是从有害排放物的生成机理和影响因素出发，以改进汽油机燃烧过程为核心，达到减少和抑制污染物生成的各种技术。机内净化被公认为是治理车用汽油机排气污染的治本措施。汽油机主要的机内净化技术有：（1）大力推广汽油喷射电控系统，它利用各种传感器检测发动机的信息反馈，进过ECU的判断和计算，使发动机在不同工况下均能获得合适的空燃比的混合气。（2）改善点火系统，提高点火能量和点火可靠性，对点火正时进行最佳调节，改善燃烧过程。（3）采用废气再循环（EGR），能够有效的控制汽油机NOX排放，改善排放特性。EGR过程如图4所示。图4EGR示意图（4）采用增压技术，对提高汽油机功率和改善其燃油经济性质及排放都有好处。图5是典型的汽油机增压涡轮。图5汽油机增压涡轮（5）采用可变气门正时技术（VVT），通过汽油机状态控制进气凸轮轴，通过调整凸轮轴转角对配气时间进行调整，以获得最佳配气正时，从而在所有速度范围提高转矩和燃油经济性。如图6所示即为VVT的示意图。图6VVT示意图2.2后处理净化技术机内净化虽然能对降低排气污染起较大作用，但始终效果有限，且不同程度的给动力性和经济性带来影响。世界各国先后开发废气后处理净化技术，在不影响或者少影响发动机其他性能的同时，在排气系统上安装各种净化装置。目前主要应用的是三效催化转化和稀燃催化技术。车用三效催化转化器主要由载体、催化剂和壳体组成。其中载体和催化剂是转化器的关键部分，对转化器的性能起决定作用，而壳体的外形设计、转化器在排气管中的安装位置等对转化器性能的影响也不可小觑[8]。图7为三效催化转化器示意图。图7VVT三效催化转化器稀薄燃烧技术是降低CO排放的有效手段，通过让发动机在空燃比大于化学计量比的情况下燃烧，以改善其排放特性。但目前的瓶颈在于空燃比的操作窗口太窄，要求燃油中硫含量低，目前难以广泛应用。3总结汽车作为目前主要城市交通工具，消耗了大量化石能源，也带来了大量污染。本文详细分析了目前汽油机的主要排放物质未燃碳氢（HC）、氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）、固体颗粒物等的生成原因和影响因素。并且讨论了目前主流的排放控制手段，包括机内净化，排放后处理等方面。简单介绍了EGR,VVT,涡轮增压，三效催化转化等主流技术，深入了解了汽车排放与控制的过程。参考文献：[1]BPstatisticalreviewofworldenergy[J],2014.[2]WuT,ZhaoH,OuX.VehicleOwnershipAnalysisBasedonGDPperCapitainChina:1963–2050[J].Sustainability,2014,6(8):4877-4899.[3]HuangXH,BianQ,NgWM,etal.CharacterizationofPM2.5majorcomponentsandsourceinvestigationinsuburbanHongKong:Aoneyearmonitoringstudy[J].AerosolandAirQualityResearch,2014,14(1):237-250.[4]ZhangR,JingJ,TaoJ,etal.ChemicalcharacterizationandsourceapportionmentofPM2.5inBeijing:seasonalperspective(vol13,pg7053,2013)[J].ATMOSPHERICCHEMISTRYANDPHYSICS,2014,14(1):175-175.[5]WangG,ChengS,LiJ,etal.SourceapportionmentandseasonalvariationofPM2.5carbonaceousaerosolintheBeijing-Tianjin-HebeiRegionofChina[J].Environmentalmonitoringandassessment,2015,187(3):1-13.[6]HeywoodJB.Internalcombustionenginefundamentals[M].930.Mcgraw-hillNewYork,1988.[7]张永强.汽油机排放性能分析[J].科技信息,2009,(29):99-99.[8]阎存仙,何凤英.车用三效催化转化器发展概况[J].环境污染与防治,2002,24(6):346-349.