浅析如何减少汽油机CO的排放

论文题目：浅析如何减少汽油机一氧化碳的排放学院：_______________专业：_______________年级：_______________学生姓名：_______________学号：_______________指导老师：_______________2012年10月9日目录摘要………………3关键字……………3一、汽油机的工作原理…………3二、汽油机排出物分析…………41、CO的危害及形成…………42、影响CO排放的因素………4三、减少汽油机CO排放的措施…………………61、汽油机机内净化技术………………62、汽油机机外净化技术………………63、采用清洁代用燃料…………………64、稀薄燃烧技术………65、缸内直接喷射技术…………………66、车用汽油机的催化转化技术………67、均质混合气压燃……………………78、混合气的空燃比技术………………7四、对未来汽油机的展望………7五、参考文献……………………7摘要：汽车给人们的工作和生活带来了极大的便利,已成为人类不可或缺的交通运输工具;但是在汽车产业得到高速开展,汽车产量和保有量不断增加的同时,汽车在运行过程中给人们带来了副产品——汽车排放物,也带来了越来越严重的大气污染。为了改善人们的居住环境，充分利用汽油机排除物，本文着重讨论了汽油机排气排放物的形成机理和设计因素及使用因素的影响，并提出控制措施。关键字：汽油机一氧化碳回收利用汽油机工作原理为了了解汽油机的排放物，我们先了解汽油机工作原理。汽油机气缸内装有活塞，活塞通过活塞销、连杆与曲轴相连接。活塞在气缸内做往复运动，通过连杆推动曲轴转动。为了吸入新鲜气体和排出废气，设有进气门和排气门。活塞顶离曲轴中心最远处，即活塞最高位置，称为上止点。活塞顶部离曲轴中心最近处，即活塞最低位置，称为下止点。上、下止点间的距离称为活塞行程，曲轴与连杆下端的连接中心至曲轴中心的距离称为曲轴半径。活塞每走一个行程相应于曲轴转角180°。对于气缸中心线通过曲轴中心线的发动机，活塞行程等于曲柄半径的两倍。活塞从上止点到下止点所扫过的容积称为发动机的工作容积或发动机排量，用符号VL表示。四冲程发动机的工作循环包括四个活塞行程，既进气行程、压缩行程、膨胀行程〔作功行程〕和排气行程。进气行程化油器式汽油机将空气与燃料先在气缸外部的化油器中进行混合，然后再吸入气缸。进气行程中，进气门翻开，排气门关闭。随着活塞从上止点向下止点移动，活塞上方的气缸容积增大，从而气缸内的压力降低到大气压力以下，即在气缸内造成真空吸力。这样，可燃混合气便经进气管道和进气门被吸入气缸。压缩行程

为使吸入气缸内可燃混合气能迅速燃烧，以产生较大的压力，从而使发动机发出较大功率，必须在燃烧前将可燃混合气压缩，使其容积缩小、密度加大、温度升高，即需要有压缩过程。在这个过程中，进、排气门全部关闭，曲轴推动活塞由下止点向上止点移动一个行程称为压缩行程。压缩终了时，活塞到达上止点，活塞上方形成很小空间，称为燃烧室。压缩前气缸中气体的最大容积与压缩后的最小容积之比称为压缩比，以ε表示：压缩比愈大，在压缩终了时混合气的压力和温度便愈高，，燃烧速度也愈快，因而发动机发出的功率愈大，经济性愈好。但压缩比过大时，不仅不能进一步改善燃烧情况，反而会出现爆燃和外表点火等不正常燃烧现象。爆燃是由于气体压力和温度过高，在燃烧室内离点燃中心较远处的末端可燃混合气自燃造成的一种不正常燃烧。爆燃时火焰以极高的速率向外传播，甚至在气体来不及膨胀的情况下，温度和压力急剧升高。同时，还会引起发动机过热，功率下降，燃油消耗量增加等一系列不良后果。外表点火是由于燃烧室内炽热外表与炽热处〔如排气门头，火花塞电极，积炭处〕点燃混合气产生的另一种不正常燃烧〔也称为炽热点火或早燃〕。外表点火发生时，也伴有强烈的敲击声〔较沉闷〕，产生的高压会使发动机件负荷增加，寿命降低。作功行程在这个行程中，进、排气门仍旧关闭。当活塞接近上止点时，装在气缸盖上的火花塞即发出电火花，点燃被压缩的可燃混合气。可燃混合气被燃烧后，放出大量的热能，因此，燃气的压力和温度迅速增加，所能到达的最高压力约为3-5Mpa，相应的温度那么为2200-2800K。高温高压的燃气推动活塞从上止点向下止点运动，通过连杆使曲轴旋转并输出机械能，除了用于维持发动机本身继续运转而外，其余即用于对外作功。排气行程可燃混合气燃烧后生成的废气，必须从气缸中排除，以便进行下一个进气行程。当膨胀接近终了时，排气门开启，靠废气的压力进行自由排气，活塞到达下止点后再向上止点移动时，继续将废气强制排到大气中。活塞到上止点附近时，排气行程结束。在排气行程中气缸内压力稍高于大气压力，约为0.105-0.115Mpa。排气终了时，废气温度约为900-1200K。由于燃烧室占有一定容积，因此在排气终了时，不可能将废气排尽，留下的这一局部废气称为剩余废气。综上所述，四冲程汽油发动机经过进气、压缩、燃烧作功、排气四个行程，完成一个工作循环。这期间活塞在上、下止点间往复移动了四个行程，相应地曲轴旋转了两周。汽油机排出物分析汽油机各种有害排放物的生成机理根据燃料燃烧的热化学根本知识,由碳、氢、氧组成的燃料在汽油机汽缸中进行完全燃烧的产物是二氧化碳、水以及未被利用的氧气和氮气。这几种气体在正常情况下被认为是无害的。但是,燃烧过程并非如此简单,汽油机所用的燃料往往含有其他有害杂质和添加剂,而且燃料燃烧总是不完全的,加上内燃机工作过程中的许多复杂原因,使得汽油机排气中还有一定量的一氧化碳(CO),碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)和臭气等有害物质;同时,油箱的燃油蒸发和曲轴箱的窜气也带来了一定量的碳氢化合物(HC)。针对汽油机汽车,造成环境污染的有害气体主要是一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和氮氧化物(NOx)。下面对产生的CO作进一步分析。1、CO的危害及形成1〕形成对于汽油机，根据燃烧化学反响，在不同空燃比AF下，燃烧产物各成分的计算值如图1所示。理论上当过量空气系数α=1〔AF≈14.8〕时，燃料完全燃烧，其产物为CO2和H2O。当空气缺乏，AF＜14.8时，那么有局部燃料不能完全燃烧，生成CO。图1燃烧产物各成分的计算值图2汽油机空燃比与排气浓度变化关系2〕危害CO是一种无色、无嗅、无刺激的气体。人体吸入co会经过肺部的气体交换作用吸收到血液中。而CO很容易和血球素结合，〔血红蛋白〕。这样血红蛋白输送氧的能力就被破坏。造成体内却氧而出现各种中毒病症，如头晕、恶心、四肢无力，严重时甚至昏迷不醒，直至死亡。CO时烃燃烧在空气缺乏的情况下，进行不完全燃烧的产物，时汽油机排气中有害成分浓度最大的物质。2、影响CO排放的因素1〕．进气空气温度T。的影响

一般情况下，冬天气温可达-20℃以下，夏天在30℃以上，爬坡时发动机罩内To>80℃。随着环境温度的上升，空气密度ρ变小，而汽油的密度几乎可认为不变,因此使化油器供应的混合比R〔即AF〕随吸入空气温度的上升而变浓，图3为一定运转条件下，进气空气温度与混合比的关系，大致和绝对温度的方根成反比的理论相一致。2〕．大气压力p的影响

大气压力随海拔高度而变化，由经验公式P=P0〔1-0.02257h〕5.256〔kPa〕

式中h一海拔高度〔km〕。

当海平面p0=100kpa时，可作出海拔高度和大气压力变化关系的曲线，见图4。

当忽略空气中饱和水蒸气压时，空气密度可用下式表示：ρ=1.293×273p/(273+T)750(kg/m3)

可以认为空气密度ρ和P成正比，从简单化油器理论可知，混合比和空气密度的平方根成正比，即混合比

R=R0

图3光轴偏斜量测量方法图4海拔高度和大气压力变化关系的曲线1-左右偏斜指示器2-光电池3-左右偏斜指示器3〕.电机转速当汽油机急剧减速时，发动机真空度大于负68kpa以上时，停留在进气系统中的燃料，在高真空度下急剧蒸发而进入燃烧室，造成混合气瞬时过浓，致使燃烧状况恶化。CO浓度将显著增加到怠速时的浓度。图5转速影响此外，发动机工况和怠速转速的影响，当怠速转速和排气中CO和HC浓度的关系。怠速转速600r/min时，CO浓度为1.4%，700r/min时，降为1%左右，这说明提高怠速转速，可有效地降低排气中CO浓度，但是，怠速过高会加大挺杆响声，对液力变扭汽车，还可能发生溜车的危险。如果这些问题得到解决，一般从净化的观点，希望怠速转速规定高一点较好。汽车负荷一定时，等速工况下排气成分实测结果由图可见。当车速增加时，CO很快降低，至中速后变化不大，这是由于化油器供应发动机的空燃比，随流量增加接近于理论混合比的减少汽油机CO排放的措施1、汽油机机内净化技术1〕电子控制燃油喷射系统电子控制燃油喷射系统(EFI)利用传感器检测发动机的各种状态,经微机判断、计算,使发动机在不同工况下均能获得适宜空燃比的混合气。2〕可变进气流通截面及可变配气定时系统采用可变进气流通截面可改善中速运转及局部负荷时的汽油机性能,并可控制燃烧速率。采用可变配气定时系统可调节缸内剩余废气量,降低CO排放,改善怠速性能。3〕废气再循环发动机工作过程中,将一局部排气引到吸入的新鲜空气(或混合气)中并返回气缸进行再循环的方法称为废气再循环(EGR),可有效控制NOx的排放。但由于它减少了进气充量中的含氧量,只宜在局部负荷时采用,以使CO不致明显增加要最大限度地减少CO气再循环。电控技术是解决这一矛盾的有效手段。最近国外电控EGR技术获得成功,已使其成为现代车用汽油机的有机组成局部。4〕燃烧系统优化设计不同的燃烧室形状会使汽油机性能有很大差异。燃烧室设计的重要那么之一是面容比小,即尽可能紧凑;火花塞尽可能布置在燃烧室中央,以缩短火焰传播离。紧凑的燃烧室可直接使汽油机的热效率提高,CO排放降低;与推迟点火提前角或EGR联用,可同时降低CO排放。2、汽油机机外净化技术随着排放法规的日益严格,人们始考虑包括催化转化器在内的各种机外净化技术。三效催化剂(TWC)的研制成功使汽车排制技术产生了突破性的进展,它可使汽油车排放的CO降低90%以上。目前,电子控制汽油喷射加三效催化转化器已_成为国际上汽油车排放控制技术的主流。除量微型车和中、重型货车外,所有汽油车都采用了催化转化器,特别是汽油机轿车和轻型卡车它们采用三效催化剂的比例分别为91.6%和100%。由此可以看出三效催化转化器在排放控制技术中的重要地位。此外,机外净化技术还有曲轴箱强制通风装置、二次空气喷射控制系统和燃油蒸发控制系统。3、采用清洁代用燃料为了降低汽车排气污染,也为了节省能源和开发新的汽车能源,以缓解汽车对石油燃料的单纯依赖。清洁代用燃料可以分为:①常规燃料的变型产品,如新配方汽油(RFG)、新配方柴油(RFD)或低硫柴油(LSD)等;②气体燃料,如天然气(NG)、压缩天然气(CNG)、液化天然气(LNG)、氨(NH3)、H2、液化石油气(LPG,其主要成分为丙烷)等;③在天然气、煤根底上生产的燃料,如FTL和FT油、甲醇和醚类燃料(二甲醚DME、二乙醚DEE等);④由玉米、草木类植物、含碳废弃物提炼的生物乙醇;⑤由花生油、菜子油等生产的生物柴油。4、稀薄燃烧技术将少量燃油和大量空气混合,使燃油充分燃烧的一种技术。传统发动机的空燃比在14.7∶1附近,而稀燃发动机的空燃比通常在15∶1～27∶1。由于可使燃油充分燃烧,与传统发动机相比,稀燃发动机可节约燃油,并可显著减少尾气中有害成分的含量。汽油机稀薄燃烧包括进气道喷射稀燃系统(PFI)、直接喷射稀燃系统(GDI)和均质混合气压燃(HCCI)。采用选择催化复原、吸附催化复原和EGR+三元催化技术降低稀燃下汽油机的CO排放,取得了一些具有学术价值的成果。目前,稀燃高压缩比仍是降低汽油机排放、提高性能的主要研究方向。在稀燃时,为改善混合气质量而采取的措施:实现分层燃烧;燃烧室设计得更紧凑,尽量减少有害的缝隙容积;改善火花塞结构及布置,采用高能点火系统,实现快速燃烧等。5、缸内直接喷射技术缸内直喷(GDI)汽油机是在局部负荷时用混合气的分层化实现超稀薄燃烧,得到同柴油机一样低的燃油消耗率;在高负荷时用预混合汽油机的均匀混合方式,得到高功率特性的理想汽油机。由于GDI的油气混合主要是依靠喷雾和缸内的空气运动,与冷起动时的低温关系不大,所以冷起动时无需过量供油,有效地解决了PFI冷起动时UBHC排放过多的问题。但是在中小负荷情况下,GDI的未燃碳氢化合物的排放仍然较多。6、车用汽油机的催化转化技术催化转化技术已成为成熟技术通过纳米技术提高贵金属附着载体的能力,从而减少贵金属含量(可降低15%～40%);催化剂储氧材料CeO2的研究已进入第三代,这是高性能催化剂的根底;适应稀薄燃烧(空燃比达22)富氧条件下的CO复原催化剂的研究十分活泼,净化稀燃汽车尾气中NOx的另一种途径———“吸附-复原法”的研究即在富氧条件下,先将CO用吸附剂储存起来(形成碳酸盐),然后在贫氧或受热加温条件由碳酸盐释放出COx,COx与HC或CO反响,被复原为N2。为了使这类催化剂能在富氧-贫氧交替的气氛中工作,借助电控手段对催化剂再生,即每隔50～60s由发动机管理系统自动控制节气门减小开度,使空燃比由22～23变到10左右,同时点火提前角也由上止点前350CA推迟到50CA,这一期间持续5～10s(催化剂再生),其NOx净化效率可达70%～90%,通过合理调节,燃油经济性的恶化可控制在1%以内。7、均质混合气压燃(HCCI)HCCI燃烧方式被人们称为内燃机的第三种燃烧方式,是当前内燃机燃烧的一个研究热点,它最有希望在近期以两种燃烧方式[在起动和高负荷时以火花点火(SI)方式或柴油机燃烧(DI)运转,在中、低负荷和怠速时以HCCI方式工作]的组合在轿车发动机上得到应用,从而获得和汽油机一样的高功率输出和低PM排放,以及在局部负荷(可达75%负荷)和怠速时获得和柴油机一样或更高的经济性,但NOx排放很低。采用HCCI可以使排气中氮氧化物的含量急剧下降至百万分之几。这是由于HCCI可以使用非常稀的混合气,使燃气的最高温度不超过1600℃。在此温度以下,空气中的氮气和氧气不进行化合反响或化合反响速度非常低。排气中超低的氮氧化物含量减轻了稀薄燃烧排气后处理的难度。在较高负荷工况,供油量增加,空燃比下降。当