【發(fā)動機排放物的檢測與分析控制6400字（論文）】

發(fā)動機排放物的檢測與分析控制TOC\o"1-3"\h\u26199摘要 摘要隨著我國汽車保有量的增長，帶來的環(huán)境污染問題也日益加劇。各種化石燃料燃燒所產(chǎn)生氮氧化物、碳氫化物等諸多有害氣體是目前空氣污染物的主要來源。汽車作為一款緊湊型家用轎車，其銷量隨著各國汽車排放法規(guī)的不斷嚴格而逐年下滑。為提升汽車的排放性能，本文主要主要研究了以下內(nèi)容：首先，結(jié)合我國汽車工業(yè)的發(fā)展，說明了汽車排放物排放對環(huán)境造成的影響。其次，通過研究國內(nèi)外相關(guān)參考文獻，對各國相繼出臺的汽車排放物排放法律法規(guī)進行介紹。然后，深入研究了汽車排放物中的各種成分，包括其生成機理和造成的環(huán)境影響。最后，詳細介紹了目前常用的幾種減輕排放物排放問題的方法，以及各方法的原理，為提升汽車的排放性能提供了理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：汽車排放物；排放標(biāo)準；生成機理；降低排放1緒論自2000年以來，中國汽車工業(yè)發(fā)展突飛猛進，全國汽車保有量也飛速增加。截至2020年，全國機動車保有量達3.72億輛，其中汽車2.81億輛，燃油車占98.25%。雖然我國對新能源汽車的投入在不斷增加，但燃油車的保有量依舊占據(jù)了主導(dǎo)地位，這也意味著，巨大燃油車保有量帶來的環(huán)境污染問題也日益加劇在燃油汽車使用過程中，化石燃料燃燒所產(chǎn)生氮氧化物、碳氫化物等諸多有害氣體已成為目前空氣污染物的主要來源。與此同時，國內(nèi)汽車行業(yè)每年消費的化石燃料已超過國內(nèi)總石油消耗量的百分之30至40。與此同時，放眼全球，在圖1中我們可以直觀地看到二氧化氮濃度高值區(qū)的50個熱點，在全球六大洲均有分布。全球14個特大城市交通污染排放嚴重，DU為衛(wèi)星觀測分析得到柱濃度單位。執(zhí)行更加嚴苛的排放法規(guī)，降低汽車有害氣體排放，成為了環(huán)境污染治理的熱門話題。圖1.1全球污染交互地圖在此背景下，各國政府為應(yīng)對保護環(huán)境，減少燃油汽車發(fā)動機有害氣體排放，相繼頒布了較為嚴苛的排放法規(guī)。2016年12月23日，我國環(huán)境保護部、國家質(zhì)檢總局發(fā)布《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》，并自2020年7月1日起實施。其標(biāo)準如表1.1所示：表1.1國六機動車排放標(biāo)準一覽排放物國五國六A國六B一氧化碳1000（mg/km）700（mg/km）500（mg/km）非甲烷烴68（mg/km）68（mg/km）35（mg/km）氮氧化物60（mg/km）60（mg/km）35（mg/km）PM細顆粒物4.5（mg/km）4.5（mg/km）3（mg/km）PN顆粒物/6*1011顆/km6*1011顆/km由表1.1不難看出，相較于國五標(biāo)準，國六標(biāo)準加入了PN顆粒物指標(biāo)，在國六A階段標(biāo)準中，除一氧化碳指標(biāo)有明顯降低以外，其他指標(biāo)基本保持一致。但在國六B階段標(biāo)準中，各項排放指標(biāo)相較國五排放指標(biāo)要求都更為嚴苛?，F(xiàn)如今，傳統(tǒng)的燃油汽車在日益嚴苛的排放標(biāo)準，及新能源汽車大力發(fā)展的雙重沖擊下，要想持續(xù)保持市場占有優(yōu)勢，必須通過更為深入的探究來降低排放，保護環(huán)境。隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，可以預(yù)見在未來的十年里，我國轎車保有量有望突破三億量，在這種大環(huán)境下，如何有效控制汽車排放物排放已然成為節(jié)能減排的主旋律。就目前國內(nèi)嚴峻的發(fā)動機廢氣排放控制形式，及可能制定的相關(guān)政策為大致方向。通過查找市場數(shù)據(jù)分析發(fā)動機廢氣排放形成的原理，可能在汽車上管控的措施，國家應(yīng)當(dāng)制定的政策來找出影響廢氣排放的因素。通過分析國內(nèi)外發(fā)動機廢氣排放的相關(guān)文獻，找出其中的可取之處，再結(jié)合國家實行的政策管控，以及消費者對此問題的認知，達到解決相關(guān)問題的目的。關(guān)于發(fā)動機廢氣排放的主要問題是如何節(jié)能減排，發(fā)動機廢氣中的污染物包括CO、HC、NOx、SO2、煙塵微粒和甲醛，汽車排放物排放污染是形成大氣環(huán)境污染的真正“元兇”。了解了廢氣的成分，就可以分析形成廢氣的原因，而了解了原因就能找到解決的辦法，其主要問題有以下兩個方面：（1）控制排放的政策問題（2）廢氣形成原理及控制2發(fā)動機排放物的生成機理汽車運行過程中會時常面臨工況的變化，經(jīng)歷啟動、加速、勻速、減速、熄火等工況，發(fā)動機也將經(jīng)歷冷/熱啟動、怠速、加速、減速等，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速及負荷急劇變化的過程中，會產(chǎn)生更多的排放物，加劇環(huán)境污染的程度。想要減少污染物的排放，就必須先研究污染物的生成機理，從源頭上減少污染物的排放。2.1NOx的形成機理發(fā)動機燃燒生成的氮氧化物包括一氧化氮NO、二氧化氮NO2，統(tǒng)稱為NOx，能夠?qū)θ梭w的呼吸道造成損害。發(fā)動機燃燒產(chǎn)生的NOx中，以NO居多，剩下的NO2含量極低，只占到10%左右。一氧化氮NO，無色無味，難溶于水，一氧化氮帶有自由基，因此，其化學(xué)性質(zhì)非常活潑，遇到氧氣后，會快速發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生具有NO2（棕紅色，具有較強的刺激性作用），NO2是形成酸雨的主要成分之一。由于生成NO的反應(yīng)比燃燒反應(yīng)的速率慢，因此只有較少一部分NO是從火焰中產(chǎn)生的，大部分的NO是在無火焰的混合氣中生成的；第二步反應(yīng)必須要破壞掉氮氣中具有極高穩(wěn)定性的三鍵N≡N，反應(yīng)需要非常高的活化能或溫度，所以NO的生成速度嚴重依賴于溫度，當(dāng)反應(yīng)物從2500K提高到2600K時，NO的生成速率幾乎提高了一倍，同時，氧氣的濃度也會對NO的生成造成影響ADDINNE.Ref.{D6B05BE3-5ABB-4FCF-A845-F6F8011E1E80}[9]。2.2碳氫化合物對于裝有汽油機的汽車，排放排放物中的HC有害氣體含有碳氫化合物種類多達200多種，其產(chǎn)生的原因是因為發(fā)動機在某些低效率工況中，燃料沒有完全燃燒充分，主要成分是烷烴，同樣也是汽油的主要成分。烷烴中的多環(huán)芳香烴（PAHs）有很強的致癌及致突變性，其主要吸附在排放物中的細微顆粒物上，加劇了顆粒物對人體的危害。對于天然氣發(fā)動機而言，排放的碳氫化合物分為甲烷(CH4)和非甲烷碳氫化合物(NMHC)。由于天然氣的主要成分為甲烷，相應(yīng)的天然氣發(fā)動機主要的排放的碳氫化合物中未被燃燒殆盡的甲烷占有很大的比重。甲烷對人基本無害，但是甲烷是一種溫室氣體，對環(huán)境比較嚴重的影響。以單位分子數(shù)而言，甲烷的溫室效應(yīng)造成的影響要比二氧化碳高25倍。這是因為大氣中已經(jīng)具有相當(dāng)多的二氧化碳，以至于許多波段的輻射早已被吸殆盡了，因此大部分新增的二氧化碳只能在原有吸收波段的邊緣發(fā)揮其吸收效應(yīng)。相反地，一些數(shù)量較少的溫室氣體(包括甲烷在內(nèi))，所吸收的是那些尚未被有效攔截的波段，所以每多一個分子都會提供新的吸收能力。2.3碳氧化合物發(fā)動機燃燒產(chǎn)生的碳氧化合物主要包含二氧化碳和一氧化碳。二氧化碳是主要的溫室氣體。自工業(yè)革命以來，二氧化碳排放量激增，產(chǎn)生了嚴重的溫室效應(yīng)，造成全球氣候變暖、冰川融化、海平面升高等種種環(huán)境危害。我國的排放法規(guī)中，并未將二氧化碳納入排放污染物范疇，美國的EPA法規(guī)則規(guī)定了二氧化碳的排放要求。一氧化碳是一種對血液和神經(jīng)系統(tǒng)具有強烈毒性的污染物，其極易與血紅蛋白結(jié)合，形成碳氧血紅蛋白，使血紅蛋白喪失攜氧的能力和作用，造成組織窒息。一氧化碳是碳氫化合物在燃燒過程中重要的中間產(chǎn)物，占有較高的體積分數(shù)。混合氣的過量空氣系數(shù)對一氧化碳的生成量影響較大，在過量空氣系數(shù)減小時，一氧化碳的排放量會不斷增大，即氧氣含量不足時，烴類不完全燃燒生成一樣護坦。2.4碳煙顆粒對于缸內(nèi)直噴的汽油機而言，其工作方式是直接將液態(tài)燃油噴入氣缸與空氣進行混合，這種方式會造成一定的燃油濕壁現(xiàn)象。另外缸內(nèi)直噴的方式會導(dǎo)致由于燃油與缸內(nèi)空氣混合的時間相對縮短，從而出現(xiàn)一定的局部過濃油氣混合氣或者過稀油氣混合氣，這些因素都有可能導(dǎo)致缸內(nèi)燃料燃燒不充分。濃混合氣濃度分布區(qū)域以及未蒸發(fā)的液態(tài)油滴就會發(fā)生擴散燃燒，未完全蒸發(fā)的燃油液滴在高溫缺氧條件下裂解、脫氫生成一定量的碳煙前驅(qū)物和碳氫組分，這兩類物質(zhì)相互作用發(fā)生成核反應(yīng)生成初級碳粒，初級碳粒繼而與缸內(nèi)的多環(huán)芳香族碳氫化合物通過團聚、凝結(jié)和表面生長及氧化等過程形成最終的碳煙顆粒物。顆粒物是由初級碳煙粒子吸附金屬灰燼以及硫酸鹽而形成的。此外，缸內(nèi)直噴工作方式的汽油機(GDI)與在進氣道噴射的汽油機（PFI）相比，缸內(nèi)燃燒過程的平均溫度較低，生成的碳煙顆粒不容易被氧化，上述的諸多因素導(dǎo)致缸內(nèi)直噴汽油機的碳煙顆粒的數(shù)量排放量比傳統(tǒng)進氣道噴射汽油機增加許多，并且絕大多數(shù)的碳煙顆粒是小于100nm的超細顆粒。3汽車減排技術(shù)的應(yīng)用及展望針對發(fā)動機的污染物的治理主要有兩種思路，一方面改善發(fā)動機的燃燒，采用新的燃燒技術(shù)，如稀薄燃燒、均質(zhì)壓燃等，減少污染物的生成；另一方面則是對缸內(nèi)汽油燃燒生成的廢氣進行后處理，使廢氣轉(zhuǎn)化為對環(huán)境人體無害的潔凈氣體，再排放到空氣中。目前汽車主要通過發(fā)動機缸內(nèi)燃燒技術(shù)配合發(fā)動機缸外排放物后處理技術(shù)來降低污染物排放，才能滿足日益嚴苛的排放法規(guī)和排放標(biāo)準。汽油機缸內(nèi)燃燒技術(shù)包括稀薄燃燒技術(shù)、廢氣渦輪增壓技術(shù)、廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR）、均質(zhì)壓燃技術(shù)等；后處理上，大規(guī)模使用的是三元催化轉(zhuǎn)化器（TWC）和汽油機顆粒捕集器（GPF）。3.1缸內(nèi)直噴缸內(nèi)直噴（GasolineDirectInjection），就是直接將燃油噴入氣缸內(nèi)與空氣混合的技術(shù)，其通過電控噴油器以較高的噴油壓力將燃油直接噴入氣缸內(nèi)，高壓噴射下的燃油霧化更加均勻，并且可以實現(xiàn)燃油噴射量的精確控制，借助燃燒室形狀和缸內(nèi)氣流運動使燃料與空氣混合形成可燃混合氣，進而燃燒做功。GDI汽油機的燃燒方式改變了傳統(tǒng)歧管噴射發(fā)動機的油氣混合過程，歧管噴射（PortFuelInjection）是在進氣道內(nèi)完成油氣混合，而缸內(nèi)直噴則是直接將汽油噴至缸內(nèi)，噴出來的油霧更加均勻、稀薄，能夠有效降低油耗，并且壓縮比可以做得更大，還能實現(xiàn)分層燃燒。1）缸內(nèi)直噴發(fā)動機主要有以下優(yōu)點：燃油經(jīng)濟性好。GDI發(fā)動機能夠通過控制噴油量來精確控制發(fā)動機的運行工況，大幅度地降低了歧管噴射發(fā)動機在部分負荷工況下由節(jié)氣門造成的節(jié)流損失，顯著提高了燃油經(jīng)濟性。2）動態(tài)響應(yīng)性好GDI發(fā)動機的燃油直接噴入缸內(nèi)，因此，可以精確控制不同運行工況下的噴油脈寬和噴油量，確保發(fā)動機具有較好的加速性能和較好的順勢驅(qū)動特性。3）高壓縮比由于燃油直接向缸內(nèi)噴壺，而燃油的蒸發(fā)所需熱量全部來自于氣缸內(nèi)燃燒后的高溫氣體，使得缸內(nèi)溫度降低，提高了充氣效率，能夠?qū)嚎s比提升至12-14，提高了燃燒熱效率，同時還能較好地抑制爆震。4）排放性能好歧管噴射發(fā)動機直接將燃油噴到進氣歧管，在發(fā)動機正常工作狀態(tài)下，燃油能夠較好地霧化、蒸發(fā)，而在低溫冷啟動時，燃料的霧化蒸發(fā)效果差，導(dǎo)致燃油的混合程度低，發(fā)動機的啟動性能差，只能加大燃油供給量才能使發(fā)動機正常啟動，造成了較高的HC化合物排放。GDI發(fā)動機則是直接將燃料噴入缸內(nèi)，通過較高的噴射壓力是液柱破碎成較大的液滴，進而再破碎成較小液滴，具有較好的霧化效果，高壓射流形成的滾流能夠促進缸內(nèi)氣體的運動，提高油氣的混合程度，不需要像PFI發(fā)動機加大供油量，因而降低了HC的排放。3.2渦輪增壓渦輪增壓器的全稱為發(fā)動機廢氣渦輪增壓器，是由離心式壓氣機、徑流式渦輪機和中間體三部分構(gòu)成的改善發(fā)動機進氣的機械裝置，如所示。通過發(fā)動機拍出的廢氣推動徑流式渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪帶動同軸的離心式壓氣機，壓氣機葉輪將空氣壓縮后，將其送入氣缸，達到增加進氣量，提高過量空氣系數(shù)，使燃油的燃燒更充分，排出更少的廢氣。因為排放物中的大部分污染物（一氧化碳、碳氫化合物、碳煙顆粒等）都是在不完全燃燒（氧氣不充分）的狀態(tài)下產(chǎn)生的，當(dāng)提高發(fā)動機的過量空氣系數(shù)后，燃油的燃燒更充分，一氧化碳、碳氫化合物、碳煙顆粒等大幅減少。渦輪增壓器也存在一定的缺點，渦輪增壓器產(chǎn)生的高壓使得發(fā)動機缸內(nèi)燃燒溫度升高，氧氣含量升高，在高溫、富氧的條件下會加劇氮氧化物NOx的生成，使得氮氧化物排放增多。另外，使用渦輪增壓技術(shù)的發(fā)動機能在更小的排量下，減少燃油消耗的同時，爆發(fā)出更高的功率和更大的扭矩，提升汽車的動力性。在排量變小、燃油消耗減少的情況下，EB2DTSM高功率版和低功率版的最大扭矩卻大幅提升，污染物排放大幅降低。提高了汽車的排放性、經(jīng)濟性、動力性。3.3均質(zhì)壓燃燃料的燃燒根據(jù)混合情況可分為兩種：預(yù)混（均質(zhì)）燃燒和擴散燃燒。預(yù)混燃燒即燃料和空氣充分混合好形成均勻的混合氣后進行的著火、燃燒方式；擴散燃燒即燃料與空氣未經(jīng)預(yù)先混合或部分預(yù)混后進行的邊混合邊燃燒的燃燒方式。汽油機采用的是均質(zhì)混合氣通過火花塞點燃的模式，柴油機采用非均質(zhì)混合氣壓燃的燃燒模式，帶有分層燃燒技術(shù)的發(fā)動機采用缸內(nèi)直噴、分層稀薄燃燒的燃燒模式。而最新的均質(zhì)壓燃技術(shù)不同于傳統(tǒng)汽油機和柴油機，采用了預(yù)先將燃料和空氣均勻混合，形成均質(zhì)混合氣后再壓燃的方式使混合氣著火，在活塞的上止點位置燃料即能自燃,均質(zhì)壓燃具備以下特點：（1）均質(zhì)壓燃兼具了汽油機與柴油機的優(yōu)點，首先是汽油機的優(yōu)點，將燃料與空氣混合成均質(zhì)混合氣，減少了因混合不充分造成的顆粒物排放，其后利用柴油機壓燃的著火方式，顯著提高了熱效率，提升幅度可達10-15%，提高了燃油經(jīng)濟性。（2）均質(zhì)壓燃可以有效減少NOx的排放。均質(zhì)壓燃的工作方式是通過將燃燒溫度保持在不超過1800K，同時采用均質(zhì)稀燃混合來形成可燃氣體，因此能夠非常好的減少氮氧化合物的產(chǎn)生。（3）均質(zhì)壓燃回使燃燒具有更高的適用性。首先均質(zhì)壓燃燃燒方式的燃料選取十分靈活，既可以使用傳統(tǒng)燃料也可以使用新型燃料。其次均質(zhì)壓燃發(fā)動機的適用范圍廣泛，既包括大型的輪船以及幾乎所有的運輸性質(zhì)的發(fā)動機，又包括摩托車等小型發(fā)動機。均質(zhì)壓燃技術(shù)對發(fā)動機的工況具有較高的要求，均質(zhì)壓燃主要使用于發(fā)動機的中低負荷工況。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速較高，即高負荷時，燃料濃度大幅上升，壓力升高率較中低負荷時高，易劇烈燃燒，引發(fā)爆震，造成敲缸等現(xiàn)象；當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低，即低負荷時，易受到失火的限制，混合氣難以壓燃，導(dǎo)致CO和HC排放增多。針對該情況，馬自達推出的2020款馬自達3-昂克賽拉采用了復(fù)合燃燒模式，即在適宜的工況下直接通過壓燃使燃料著火，而在其他工況則通過火花塞點火，點燃一小部分混合氣，使缸內(nèi)溫度和壓力升高，為將混合氣壓燃創(chuàng)造條件。3.4廢氣再循環(huán)發(fā)動機燃燒排放的廢氣中，氮氧化物含量會隨著缸內(nèi)溫度的升高而增多。因此，想要降低NOx的排放，就得降低缸內(nèi)燃燒溫度。廢氣再循環(huán)（ExhaustGasRecirculation，簡稱EGR）是將發(fā)動機燃燒的廢氣與新鮮空氣以特定的比例通入氣缸，由于廢氣中的CO2、H2O、NO2等分子具有較高的比熱容，其溫度升高需要更多的熱量，因此，能夠有效降低燃燒溫度，從而降低功率損失，提高發(fā)動機的輸出功率，改善發(fā)動機燃油經(jīng)濟性，另外，廢氣中的未完全燃燒產(chǎn)物（如CO、HC等）能在與氧氣混合后再次燃燒，改善排放性能ADDINNE.Ref.{A5E27466-35A0-4EEE-8404-8617BDD60A80}[15]。如圖4.5所示，缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的廢氣，一部分直接通過排氣歧管排出，另一部分經(jīng)過廢氣再循環(huán)系統(tǒng)冷卻器冷卻后，以一定比例與新鮮空氣混合再次通入氣缸。廢氣再循環(huán)系統(tǒng)無需依靠外部的動力裝置，通過排氣與進氣的壓力差就能順利地將廢氣再次通入氣缸。4總結(jié)與展望汽車排放物排放是造成當(dāng)前世界環(huán)境污染的主要原因，各國針對汽車排放物的排放都制定了相應(yīng)的法律法規(guī)。為提高汽車的排放性能，本文通過了解各國控制排放的政策問題和汽車排放物的形成原理，做出了以下研究內(nèi)容：通過我國汽車工業(yè)的發(fā)展，