機動車尾氣防治技術.doc

機動車尾氣防止技術中科院信息咨詢中心一、研究方法：分析機動車尾氣的有害成分以及這些成分的形成機理，找出抑制其生成的方法。二、基本方案：一是不改變燃料種類的前提下采用清潔燃燒技術（機內凈化）與尾氣凈化技術（機外凈化）；二是利用綠色環(huán)保燃料減少尾氣有害物質的排放。三、技術路線：1、燃油空燃比（使CO達到正常）2、燃燒室密閉性（使缸壓、漏氣率正常）3、點火正時、能量、高壓電路（使HC正常）4、廢氣再循環(huán)（使NOX達到正常）5、三元催化器（使CO、HC、NOX都達標）6、凈化裝置及排氣系統(tǒng)（使CO2、O2達標）一、機動車尾氣的主要成分、形成機理1.1主要成分所謂尾氣污染，主要是指柴油、汽油等機動車燃料因含有添加劑和雜質,在不完全燃燒時，所排出的一些有害物質對環(huán)境及人體的污染和破壞。據(jù)研究表明，汽車尾氣成分非常復雜，有一百種以上，其主要污染物包括：一氧化碳(CO) 、氮氧化物(NOx) 、碳氫化合物(HC) 、鉛( Pb) 、苯并芘(BaP)等。另外，汽車尾氣中含有大量的二氧化碳、二氧化硫等溫室氣體，過量地排入大氣會造成溫室效應，使全球氣候變暖，破壞大氣臭氧層，同時，酸性氣體還會導致酸雨的形成。1.2形成機理發(fā)動機尾氣中的毒性物質的排出量取決于燃燒前混合氣的形成，燃燒室的燃燒條件和排氣系統(tǒng)的反應條件。排氣中的CO、HC和NOx各自的生成條件不同， CO、HC和煤煙的生成是由于燃料不完全燃燒或燃氣溫度較低時發(fā)生較多，尤其是在次序起動、噴油器噴霧不良、超負荷工作運行時，燃油不能很好地與氧化合燃燒；另一部分有毒物質是由于燃燒室內的高溫、高壓而形成的氮氧化合物NOx（NO、NO2）。一般可定性的解釋如下：1、NOx化合物生成機理空氣中含78%氮分子，21%氧分子，溫度高于1500時產(chǎn)生反應，N2+ O2NOx，生成NOx的因素有以下四點：（1）溫度：有O2存在并且在高溫條件易生成；（2）O2濃度：在O2不足的前提下，即使溫度高，NOx生成也少；（3）滯流時間：因為NOx生成反應比燃燒反應慢，所以即使在高溫條件下，如果滯流時間短的話， NOx生成量也減少；（4）空燃比影響：當空燃比低于12:1、高于18:1時生成量也少。2、HC化合物生成機理 汽油由多種HC成份組成，完全燃燒生成CO2和H2O，但不可能發(fā)生完全燃燒，所以排氣中總歸有HC存在。發(fā)生不完全燃燒的因素主要有以下幾個因素：（1）發(fā)動機為了提高功率，常使發(fā)動機在1，大約12.513.0的稍濃混合氣下工作，在低負荷時由于氣缸內殘余廢氣較多，為了不使燃燒速度降低也要求1的狀況下工作，由于1使空氣量不足，所以發(fā)生不完全燃燒。（2）汽油機用火花塞點火，使火焰?zhèn)鞑グ鸦旌蠚馊紵?，但緊靠燃燒室壁而附近的混合氣層，由于缸壁的冷卻形成激冷層，使火焰?zhèn)鞑ブ兄苟纭Ｒ虼思だ鋵拥幕旌蠚獠荒芡耆紵?，從而排出HC。3、CO化合物生成機理 一氧化碳（CO）是碳氫燃料在燃燒過程中的中間產(chǎn)物，CO產(chǎn)生因為混合氣過濃，當空燃比在15:1以下時產(chǎn)生大量CO，原因是燃燒時由于空氣少，汽油缺氧燃燒，產(chǎn)生大量CO。=1時，由于混合氣混合分配不均勻，排氣中仍有少量CO，混合氣分配均勻，由于燃燒后溫度高，CO2中有一少部分分解成CO和O2，H2O分解為O2和H2，生成的H2也會使CO2還原成CO，所以有CO生成。 凡是影響空燃比的因素，都影響CO生成，主要表現(xiàn)為以下工況：（1）怠速工況。由于怠速時混合氣較濃，會生成CO，提高怠速，多進氣，會降低CO生成；（2）減速工況。發(fā)動機急減速時，進氣管真空度增大，停留在進氣螺管內的燃燒油膜在高真空條件下急劇蒸發(fā)，進入燃燒室，造成混合氣過濃，致使燃燒惡化，使排氣中CO增加；（3）負荷的影響。通常情況下CO在小負荷和全負荷CO排放增加。4、微粒(PM)的形成機理柴油機排出的微粒物一般要比汽油機高3080 倍, 通常用PM(Particulate Matter) 表示。柴油機的微粒由三部分組成, 即炭煙DS、可溶性有機成分SOF 和硫酸鹽。炭煙是微粒的主要組成部分, 炭煙排放的變化自然導致微粒排放的變化, 但兩者升高和降低未必成比例。柴油機在高負荷時, 炭煙在微粒中所占的比例升高, 而在部分負荷時則有所降低。由于重餾分的未燃烴、硫酸鹽以及水分等在炭粒上吸附凝聚, 很多情況下, 炭煙即指微粒。碳氫化合物燃料的不完全燃燒所產(chǎn)生的炭煙是以碳原子作為主要成分并含有占10%30%氫原子的碳氫化合物所組成, 它具有與聚合多環(huán)碳化氫相近似的結構。碳氫化合物燃料由于熱分解生成甲烷和乙烯等低分子碳氫化合物, 在溫度不太高的情況下, 這些產(chǎn)物就成了所謂的未燃碳氫化合物。當燃燒氣體保持高溫時, 如果氧氣過剩就會進行氧化反應。如果氧氣不足, 甲烷和乙烯會進一步進行化學反應; 一方面進行脫氫反應; 另一方面聚合成2030nm 大小的炭煙粒子, 小粒子最后會成長成50200nm 的大粒子。實際燃燒過程中所進行的反應遠比所介紹的要復雜。可溶有機成分在微粒中的比例一方面與燃燒質量有重要關系, 另一方面與潤滑油竄入有關, 并且隨著燃燒質量的提高,這部分竄入的潤滑油所占的比例會隨之增加。研究表明: 在車用直噴柴油機微粒排放中, 冷起動、自由加速工況約有25% 的有機可溶成分來自潤滑油, 穩(wěn)定工況約有40%60% 的有機可溶成分來自潤滑油。二、機動車尾氣治理技術由于汽車運行嚴重的分散性和流動性,因而也給凈化處理技術帶來一定的限制。尾氣凈化就是采取種種有效措施減少污染物的排放或使排放廢氣中的CO、HC、NOX等有害物質分別被氧化或者還原，生成無毒的CO2，H2O，N2。采取的途徑主要有兩種，意識在不改變燃料種類的情況下采用清潔燃燒技術（機內凈化）與尾氣凈化技術（機外凈化），二是利用綠色環(huán)保燃料來減少汽車尾氣中的有害物質的排放。2.1機內凈化技術主要是提高燃料質量和改善燃燒在發(fā)動機內的燃燒條件，盡可能減少污染物的生成，主要措施有：改進燃燒室結構，改進供油系統(tǒng)，改進進氣系統(tǒng)，使燃油燃燒更充分，改進點火系統(tǒng)等。(1)減少噴油提前角。減少噴油提前角，可降低發(fā)動機工作的最高溫度，使NOx 的生成量減少。(2)改善噴油器的質量，控制燃燒條件(燃比、燃燒溫度、燃燒時間) ，可使燃料燃燒完全，從而可減少CO、HC和煤煙。(3)調整噴油泵的供油量，降低發(fā)動機的功率，使霧化的燃料有足夠的氧氣進行完全燃燒，從而也可以減少CO、CH和煤煙的生成。2.2機外凈化技術機內凈化技術只能減少有害氣體的生成量，不能出去已生成的有害氣體，凈化效率不高。通常更關注機外凈化技術，其中研究與應用最多的是機外凈化方式。 機外凈化是利用發(fā)動機外凈化反應裝置，在尾氣排出氣缸進入大氣之前，將一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物轉化為無害氣體的過程。機外凈化是通過安裝熱反應器，一次反應器，催化轉化器等裝置以對排出的氣體進行一次處理或凈化。主要方法是凈化催化法、分催化燃燒法和三效催化法等，后者為最有效、當前應用最廣的催化方法。三元催化器的工作原理是：當高溫的汽車尾氣通過凈化裝置時，三元催化器中的凈化劑將增強CO、HC和NOx三種氣體的活性，促使其進行一定的氧化還原化學反應，其中CO在高溫下氧化成為二氧化碳氣體；HC化合物在高溫下氧化成水(H20)和二氧化碳；NOx還原成氮氣和氧氣。三種有害氣體變成無害氣體，使汽車尾氣得以凈化。 采用的催化劑有氧化錳-氧化銅;氧化鉻-氧化鎳-氧化銅等金屬氧化物和白金屬(鉑)等貴金屬，它們都可以凈化CO、HC。催化反應器設置在排氣系統(tǒng)中排氣歧管與消音器之間。三效催化劑( ThreeWay Catalyst, TWC)是汽車尾氣三元催化轉化器里使用的催化劑,它具有高活性、高選擇性、高熱穩(wěn)定性、良好物理性能,能同時凈化尾氣的CO、HC和NOx等有害物。2.3 汽車燃油的改用(1)采用無鉛汽油，以代替有鉛汽油,可減少汽油尾氣毒性物質的排放量首先應抓汽車油的改用。以無鉛汽油代替四乙基鉛汽油,這種汽油是用甲荃樹丁醚作滲合劑,它不僅不含鉛,而且汽車尾氣排出的一氧化碳、氮氧化合物、碳氫化合物均會減少。因鉛是一種蓄積毒物,它通過人的呼吸、飲水、食物等途徑進入人體,對人體的毒性作用是侵蝕造血系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)以及腎臟等。諸如對血管系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)、致癌、致畸等毒性作用也可能發(fā)生。(2)摻入添加劑，改變燃料成分汽油中摻入15%以下的甲醇燃料,或采用含10%水份的水汽油燃料,都能在一定程度上減少或者消除CO、NOx、HC和鉛塵的污染效果。若采用“甲醇燃料”,即采用甲醇和其他醇類同汽油混合所制成的燃料。當甲醇占比例30% 40% ,汽車尾氣排出的污染物可基本上消除。(3)選用恰當?shù)臐櫥砑觿C械摩擦改進劑在機油中添加一定量(比例為3% 5% )石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯粉末等固體添加劑,加入到引擎的機油箱中,可節(jié)約發(fā)動機燃油5%左右。(4)采用綠色燃料同樣可減少汽車尾氣有毒氣體排放量據(jù)美國的俄亥俄州某研究所用豆油與甲醇、燒堿混合,然后去除其中的甘油,從而可獲得“大豆柴油”。用“大豆柴油”,以37的比例摻入到普通柴油中,可供柴油汽車之用。它可大大減少發(fā)動機工作時排放的硫化物、碳氫化合物、一氧化碳和煙塵,故譽作綠色燃料。(5)采用多種燃料作為汽車燃料來源隨著科學技術的發(fā)展和計算機的廣泛應用,