淺析如何減少汽油機(jī)CO的排放

論文題目：淺析如何減少汽油機(jī)一氧化碳的排放學(xué)院：_______________專(zhuān)業(yè)：_______________年級(jí)：_______________學(xué)生姓名：_______________學(xué)號(hào)：_______________指導(dǎo)老師：_______________2012年10月9日目錄摘要………………3關(guān)鍵字……………3一、汽油機(jī)的工作原理…………3二、汽油機(jī)排出物分析…………41、CO的危害及形成…………42、影響CO排放的因素………4三、減少汽油機(jī)CO排放的措施…………………61、汽油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)………………62、汽油機(jī)機(jī)外凈化技術(shù)………………63、采用清潔代用燃料…………………64、稀薄燃燒技術(shù)………65、缸內(nèi)直接噴射技術(shù)…………………66、車(chē)用汽油機(jī)的催化轉(zhuǎn)化技術(shù)………67、均質(zhì)混合氣壓燃……………………78、混合氣的空燃比技術(shù)………………7四、對(duì)未來(lái)汽油機(jī)的展望………7五、參考文獻(xiàn)……………………7摘要：汽車(chē)給人們的工作和生活帶來(lái)了極大的便利,已成為人類(lèi)不可或缺的交通運(yùn)輸工具;但是在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)得到高速開(kāi)展,汽車(chē)產(chǎn)量和保有量不斷增加的同時(shí),汽車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中給人們帶來(lái)了副產(chǎn)品——汽車(chē)排放物,也帶來(lái)了越來(lái)越嚴(yán)重的大氣污染。為了改善人們的居住環(huán)境，充分利用汽油機(jī)排除物，本文著重討論了汽油機(jī)排氣排放物的形成機(jī)理和設(shè)計(jì)因素及使用因素的影響，并提出控制措施。關(guān)鍵字：汽油機(jī)一氧化碳回收利用汽油機(jī)工作原理為了了解汽油機(jī)的排放物，我們先了解汽油機(jī)工作原理。汽油機(jī)氣缸內(nèi)裝有活塞，活塞通過(guò)活塞銷(xiāo)、連桿與曲軸相連接?；钊跉飧變?nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)連桿推動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)。為了吸入新鮮氣體和排出廢氣，設(shè)有進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)?；钊旊x曲軸中心最遠(yuǎn)處，即活塞最高位置，稱(chēng)為上止點(diǎn)?；钊敳侩x曲軸中心最近處，即活塞最低位置，稱(chēng)為下止點(diǎn)。上、下止點(diǎn)間的距離稱(chēng)為活塞行程，曲軸與連桿下端的連接中心至曲軸中心的距離稱(chēng)為曲軸半徑?；钊孔咭粋€(gè)行程相應(yīng)于曲軸轉(zhuǎn)角180°。對(duì)于氣缸中心線通過(guò)曲軸中心線的發(fā)動(dòng)機(jī)，活塞行程等于曲柄半徑的兩倍?；钊麖纳现裹c(diǎn)到下止點(diǎn)所掃過(guò)的容積稱(chēng)為發(fā)動(dòng)機(jī)的工作容積或發(fā)動(dòng)機(jī)排量，用符號(hào)VL表示。四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)包括四個(gè)活塞行程，既進(jìn)氣行程、壓縮行程、膨脹行程〔作功行程〕和排氣行程。進(jìn)氣行程化油器式汽油機(jī)將空氣與燃料先在氣缸外部的化油器中進(jìn)行混合，然后再吸入氣缸。進(jìn)氣行程中，進(jìn)氣門(mén)翻開(kāi)，排氣門(mén)關(guān)閉。隨著活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)移動(dòng)，活塞上方的氣缸容積增大，從而氣缸內(nèi)的壓力降低到大氣壓力以下，即在氣缸內(nèi)造成真空吸力。這樣，可燃混合氣便經(jīng)進(jìn)氣管道和進(jìn)氣門(mén)被吸入氣缸。壓縮行程

為使吸入氣缸內(nèi)可燃混合氣能迅速燃燒，以產(chǎn)生較大的壓力，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出較大功率，必須在燃燒前將可燃混合氣壓縮，使其容積縮小、密度加大、溫度升高，即需要有壓縮過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，進(jìn)、排氣門(mén)全部關(guān)閉，曲軸推動(dòng)活塞由下止點(diǎn)向上止點(diǎn)移動(dòng)一個(gè)行程稱(chēng)為壓縮行程。壓縮終了時(shí)，活塞到達(dá)上止點(diǎn)，活塞上方形成很小空間，稱(chēng)為燃燒室。壓縮前氣缸中氣體的最大容積與壓縮后的最小容積之比稱(chēng)為壓縮比，以ε表示：壓縮比愈大，在壓縮終了時(shí)混合氣的壓力和溫度便愈高，，燃燒速度也愈快，因而發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率愈大，經(jīng)濟(jì)性愈好。但壓縮比過(guò)大時(shí)，不僅不能進(jìn)一步改善燃燒情況，反而會(huì)出現(xiàn)爆燃和外表點(diǎn)火等不正常燃燒現(xiàn)象。爆燃是由于氣體壓力和溫度過(guò)高，在燃燒室內(nèi)離點(diǎn)燃中心較遠(yuǎn)處的末端可燃混合氣自燃造成的一種不正常燃燒。爆燃時(shí)火焰以極高的速率向外傳播，甚至在氣體來(lái)不及膨脹的情況下，溫度和壓力急劇升高。同時(shí)，還會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱，功率下降，燃油消耗量增加等一系列不良后果。外表點(diǎn)火是由于燃燒室內(nèi)熾熱外表與熾熱處〔如排氣門(mén)頭，火花塞電極，積炭處〕點(diǎn)燃混合氣產(chǎn)生的另一種不正常燃燒〔也稱(chēng)為熾熱點(diǎn)火或早燃〕。外表點(diǎn)火發(fā)生時(shí)，也伴有強(qiáng)烈的敲擊聲〔較沉悶〕，產(chǎn)生的高壓會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)件負(fù)荷增加，壽命降低。作功行程在這個(gè)行程中，進(jìn)、排氣門(mén)仍舊關(guān)閉。當(dāng)活塞接近上止點(diǎn)時(shí)，裝在氣缸蓋上的火花塞即發(fā)出電火花，點(diǎn)燃被壓縮的可燃混合氣。可燃混合氣被燃燒后，放出大量的熱能，因此，燃?xì)獾膲毫蜏囟妊杆僭黾?，所能到達(dá)的最高壓力約為3-5Mpa，相應(yīng)的溫度那么為2200-2800K。高溫高壓的燃?xì)馔苿?dòng)活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)連桿使曲軸旋轉(zhuǎn)并輸出機(jī)械能，除了用于維持發(fā)動(dòng)機(jī)本身繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)而外，其余即用于對(duì)外作功。排氣行程可燃混合氣燃燒后生成的廢氣，必須從氣缸中排除，以便進(jìn)行下一個(gè)進(jìn)氣行程。當(dāng)膨脹接近終了時(shí)，排氣門(mén)開(kāi)啟，靠廢氣的壓力進(jìn)行自由排氣，活塞到達(dá)下止點(diǎn)后再向上止點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，繼續(xù)將廢氣強(qiáng)制排到大氣中?；钊缴现裹c(diǎn)附近時(shí)，排氣行程結(jié)束。在排氣行程中氣缸內(nèi)壓力稍高于大氣壓力，約為0.105-0.115Mpa。排氣終了時(shí)，廢氣溫度約為900-1200K。由于燃燒室占有一定容積，因此在排氣終了時(shí)，不可能將廢氣排盡，留下的這一局部廢氣稱(chēng)為剩余廢氣。綜上所述，四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)進(jìn)氣、壓縮、燃燒作功、排氣四個(gè)行程，完成一個(gè)工作循環(huán)。這期間活塞在上、下止點(diǎn)間往復(fù)移動(dòng)了四個(gè)行程，相應(yīng)地曲軸旋轉(zhuǎn)了兩周。汽油機(jī)排出物分析汽油機(jī)各種有害排放物的生成機(jī)理根據(jù)燃料燃燒的熱化學(xué)根本知識(shí),由碳、氫、氧組成的燃料在汽油機(jī)汽缸中進(jìn)行完全燃燒的產(chǎn)物是二氧化碳、水以及未被利用的氧氣和氮?dú)狻＿@幾種氣體在正常情況下被認(rèn)為是無(wú)害的。但是,燃燒過(guò)程并非如此簡(jiǎn)單,汽油機(jī)所用的燃料往往含有其他有害雜質(zhì)和添加劑,而且燃料燃燒總是不完全的,加上內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程中的許多復(fù)雜原因,使得汽油機(jī)排氣中還有一定量的一氧化碳(CO),碳?xì)浠衔?HC)、氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)和臭氣等有害物質(zhì);同時(shí),油箱的燃油蒸發(fā)和曲軸箱的竄氣也帶來(lái)了一定量的碳?xì)浠衔?HC)。針對(duì)汽油機(jī)汽車(chē),造成環(huán)境污染的有害氣體主要是一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?HC)和氮氧化物(NOx)。下面對(duì)產(chǎn)生的CO作進(jìn)一步分析。1、CO的危害及形成1〕形成對(duì)于汽油機(jī)，根據(jù)燃燒化學(xué)反響，在不同空燃比AF下，燃燒產(chǎn)物各成分的計(jì)算值如圖1所示。理論上當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)α=1〔AF≈14.8〕時(shí)，燃料完全燃燒，其產(chǎn)物為CO2和H2O。當(dāng)空氣缺乏，AF＜14.8時(shí)，那么有局部燃料不能完全燃燒，生成CO。圖1燃燒產(chǎn)物各成分的計(jì)算值圖2汽油機(jī)空燃比與排氣濃度變化關(guān)系2〕危害CO是一種無(wú)色、無(wú)嗅、無(wú)刺激的氣體。人體吸入co會(huì)經(jīng)過(guò)肺部的氣體交換作用吸收到血液中。而CO很容易和血球素結(jié)合，〔血紅蛋白〕。這樣血紅蛋白輸送氧的能力就被破壞。造成體內(nèi)卻氧而出現(xiàn)各種中毒病癥，如頭暈、惡心、四肢無(wú)力，嚴(yán)重時(shí)甚至昏迷不醒，直至死亡。CO時(shí)烴燃燒在空氣缺乏的情況下，進(jìn)行不完全燃燒的產(chǎn)物，時(shí)汽油機(jī)排氣中有害成分濃度最大的物質(zhì)。2、影響CO排放的因素1〕．進(jìn)氣空氣溫度T。的影響

一般情況下，冬天氣溫可達(dá)-20℃以下，夏天在30℃以上，爬坡時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)To>80℃。隨著環(huán)境溫度的上升，空氣密度ρ變小，而汽油的密度幾乎可認(rèn)為不變,因此使化油器供應(yīng)的混合比R〔即AF〕隨吸入空氣溫度的上升而變濃，圖3為一定運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，進(jìn)氣空氣溫度與混合比的關(guān)系，大致和絕對(duì)溫度的方根成反比的理論相一致。2〕．大氣壓力p的影響

大氣壓力隨海拔高度而變化，由經(jīng)驗(yàn)公式P=P0〔1-0.02257h〕5.256〔kPa〕

式中h一海拔高度〔km〕。

當(dāng)海平面p0=100kpa時(shí)，可作出海拔高度和大氣壓力變化關(guān)系的曲線，見(jiàn)圖4。

當(dāng)忽略空氣中飽和水蒸氣壓時(shí)，空氣密度可用下式表示：ρ=1.293×273p/(273+T)750(kg/m3)

可以認(rèn)為空氣密度ρ和P成正比，從簡(jiǎn)單化油器理論可知，混合比和空氣密度的平方根成正比，即混合比

R=R0

圖3光軸偏斜量測(cè)量方法圖4海拔高度和大氣壓力變化關(guān)系的曲線1-左右偏斜指示器2-光電池3-左右偏斜指示器3〕.電機(jī)轉(zhuǎn)速當(dāng)汽油機(jī)急劇減速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)真空度大于負(fù)68kpa以上時(shí)，停留在進(jìn)氣系統(tǒng)中的燃料，在高真空度下急劇蒸發(fā)而進(jìn)入燃燒室，造成混合氣瞬時(shí)過(guò)濃，致使燃燒狀況惡化。CO濃度將顯著增加到怠速時(shí)的濃度。圖5轉(zhuǎn)速影響此外，發(fā)動(dòng)機(jī)工況和怠速轉(zhuǎn)速的影響，當(dāng)?shù)∷俎D(zhuǎn)速和排氣中CO和HC濃度的關(guān)系。怠速轉(zhuǎn)速600r/min時(shí)，CO濃度為1.4%，700r/min時(shí)，降為1%左右，這說(shuō)明提高怠速轉(zhuǎn)速，可有效地降低排氣中CO濃度，但是，怠速過(guò)高會(huì)加大挺桿響聲，對(duì)液力變扭汽車(chē)，還可能發(fā)生溜車(chē)的危險(xiǎn)。如果這些問(wèn)題得到解決，一般從凈化的觀點(diǎn)，希望怠速轉(zhuǎn)速規(guī)定高一點(diǎn)較好。汽車(chē)負(fù)荷一定時(shí)，等速工況下排氣成分實(shí)測(cè)結(jié)果由圖可見(jiàn)。當(dāng)車(chē)速增加時(shí)，CO很快降低，至中速后變化不大，這是由于化油器供應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比，隨流量增加接近于理論混合比的減少汽油機(jī)CO排放的措施1、汽油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)1〕電子控制燃油噴射系統(tǒng)電子控制燃油噴射系統(tǒng)(EFI)利用傳感器檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的各種狀態(tài),經(jīng)微機(jī)判斷、計(jì)算,使發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下均能獲得適宜空燃比的混合氣。2〕可變進(jìn)氣流通截面及可變配氣定時(shí)系統(tǒng)采用可變進(jìn)氣流通截面可改善中速運(yùn)轉(zhuǎn)及局部負(fù)荷時(shí)的汽油機(jī)性能,并可控制燃燒速率。采用可變配氣定時(shí)系統(tǒng)可調(diào)節(jié)缸內(nèi)剩余廢氣量,降低CO排放,改善怠速性能。3〕廢氣再循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中,將一局部排氣引到吸入的新鮮空氣(或混合氣)中并返回氣缸進(jìn)行再循環(huán)的方法稱(chēng)為廢氣再循環(huán)(EGR),可有效控制NOx的排放。但由于它減少了進(jìn)氣充量中的含氧量,只宜在局部負(fù)荷時(shí)采用,以使CO不致明顯增加要最大限度地減少CO氣再循環(huán)。電控技術(shù)是解決這一矛盾的有效手段。最近國(guó)外電控EGR技術(shù)獲得成功,已使其成為現(xiàn)代車(chē)用汽油機(jī)的有機(jī)組成局部。4〕燃燒系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)不同的燃燒室形狀會(huì)使汽油機(jī)性能有很大差異。燃燒室設(shè)計(jì)的重要那么之一是面容比小,即盡可能緊湊;火花塞盡可能布置在燃燒室中央,以縮短火焰?zhèn)鞑ルx。緊湊的燃燒室可直接使汽油機(jī)的熱效率提高,CO排放降低;與推遲點(diǎn)火提前角或EGR聯(lián)用,可同時(shí)降低CO排放。2、汽油機(jī)機(jī)外凈化技術(shù)隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格,人們始考慮包括催化轉(zhuǎn)化器在內(nèi)的各種機(jī)外凈化技術(shù)。三效催化劑(TWC)的研制成功使汽車(chē)排制技術(shù)產(chǎn)生了突破性的進(jìn)展,它可使汽油車(chē)排放的CO降低90%以上。目前,電子控制汽油噴射加三效催化轉(zhuǎn)化器已_成為國(guó)際上汽油車(chē)排放控制技術(shù)的主流。除量微型車(chē)和中、重型貨車(chē)外,所有汽油車(chē)都采用了催化轉(zhuǎn)化器,特別是汽油機(jī)轎車(chē)和輕型卡車(chē)它們采用三效催化劑的比例分別為91.6%和100%。由此可以看出三效催化轉(zhuǎn)化器在排放控制技術(shù)中的重要地位。此外,機(jī)外凈化技術(shù)還有曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)裝置、二次空氣噴射控制系統(tǒng)和燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)。3、采用清潔代用燃料為了降低汽車(chē)排氣污染,也為了節(jié)省能源和開(kāi)發(fā)新的汽車(chē)能源,以緩解汽車(chē)對(duì)石油燃料的單純依賴(lài)。清潔代用燃料可以分為:①常規(guī)燃料的變型產(chǎn)品,如新配方汽油(RFG)、新配方柴油(RFD)或低硫柴油(LSD)等;②氣體燃料,如天然氣(NG)、壓縮天然氣(CNG)、液化天然氣(LNG)、氨(NH3)、H2、液化石油氣(LPG,其主要成分為丙烷)等;③在天然氣、煤根底上生產(chǎn)的燃料,如FTL和FT油、甲醇和醚類(lèi)燃料(二甲醚DME、二乙醚DEE等);④由玉米、草木類(lèi)植物、含碳廢棄物提煉的生物乙醇;⑤由花生油、菜子油等生產(chǎn)的生物柴油。4、稀薄燃燒技術(shù)將少量燃油和大量空氣混合,使燃油充分燃燒的一種技術(shù)。傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比在14.7∶1附近,而稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比通常在15∶1～27∶1。由于可使燃油充分燃燒,與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比,稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)可節(jié)約燃油,并可顯著減少尾氣中有害成分的含量。汽油機(jī)稀薄燃燒包括進(jìn)氣道噴射稀燃系統(tǒng)(PFI)、直接噴射稀燃系統(tǒng)(GDI)和均質(zhì)混合氣壓燃(HCCI)。采用選擇催化復(fù)原、吸附催化復(fù)原和EGR+三元催化技術(shù)降低稀燃下汽油機(jī)的CO排放,取得了一些具有學(xué)術(shù)價(jià)值的成果。目前,稀燃高壓縮比仍是降低汽油機(jī)排放、提高性能的主要研究方向。在稀燃時(shí),為改善混合氣質(zhì)量而采取的措施:實(shí)現(xiàn)分層燃燒;燃燒室設(shè)計(jì)得更緊湊,盡量減少有害的縫隙容積;改善火花塞結(jié)構(gòu)及布置,采用高能點(diǎn)火系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)快速燃燒等。5、缸內(nèi)直接噴射技術(shù)缸內(nèi)直噴(GDI)汽油機(jī)是在局部負(fù)荷時(shí)用混合氣的分層化實(shí)現(xiàn)超稀薄燃燒,得到同柴油機(jī)一樣低的燃油消耗率;在高負(fù)荷時(shí)用預(yù)混合汽油機(jī)的均勻混合方式,得到高功率特性的理想汽油機(jī)。由于GDI的油氣混合主要是依靠噴霧和缸內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng),與冷起動(dòng)時(shí)的低溫關(guān)系不大,所以冷起動(dòng)時(shí)無(wú)需過(guò)量供油,有效地解決了PFI冷起動(dòng)時(shí)UBHC排放過(guò)多的問(wèn)題。但是在中小負(fù)荷情況下,GDI的未燃碳?xì)浠衔锏呐欧湃匀惠^多。6、車(chē)用汽油機(jī)的催化轉(zhuǎn)化技術(shù)催化轉(zhuǎn)化技術(shù)已成為成熟技術(shù)通過(guò)納米技術(shù)提高貴金屬附著載體的能力,從而減少貴金屬含量(可降低15%～40%);催化劑儲(chǔ)氧材料CeO2的研究已進(jìn)入第三代,這是高性能催化劑的根底;適應(yīng)稀薄燃燒(空燃比達(dá)22)富氧條件下的CO復(fù)原催化劑的研究十分活潑,凈化稀燃汽車(chē)尾氣中NOx的另一種途徑———“吸附-復(fù)原法”的研究即在富氧條件下,先將CO用吸附劑儲(chǔ)存起來(lái)(形成碳酸鹽),然后在貧氧或受熱加溫條件由碳酸鹽釋放出COx,COx與HC或CO反響,被復(fù)原為N2。為了使這類(lèi)催化劑能在富氧-貧氧交替的氣氛中工作,借助電控手段對(duì)催化劑再生,即每隔50～60s由發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)自動(dòng)控制節(jié)氣門(mén)減小開(kāi)度,使空燃比由22～23變到10左右,同時(shí)點(diǎn)火提前角也由上止點(diǎn)前350CA推遲到50CA,這一期間持續(xù)5～10s(催化劑再生),其N(xiāo)Ox凈化效率可達(dá)70%～90%,通過(guò)合理調(diào)節(jié),燃油經(jīng)濟(jì)性的惡化可控制在1%以?xún)?nèi)。7、均質(zhì)混合氣壓燃(HCCI)HCCI燃燒方式被人們稱(chēng)為內(nèi)燃機(jī)的第三種燃燒方式,是當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)燃燒的一個(gè)研究熱點(diǎn),它最有希望在近期以?xún)煞N燃燒方式[在起動(dòng)和高負(fù)荷時(shí)以火花點(diǎn)火(SI)方式或柴油機(jī)燃燒(DI)運(yùn)轉(zhuǎn),在中、低負(fù)荷和怠速時(shí)以HCCI方式工作]的組合在轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上得到應(yīng)用,從而獲得和汽油機(jī)一樣的高功率輸出和低PM排放,以及在局部負(fù)荷(可達(dá)75%負(fù)荷)和怠速時(shí)獲得和柴油機(jī)一樣或更高的經(jīng)濟(jì)性,但NOx排放很低。采用HCCI可以使排氣中氮氧化物的含量急劇下降至百萬(wàn)分之幾。這是由于HCCI可以使用非常稀的混合氣,使燃?xì)獾淖罡邷囟炔怀^(guò)1600℃。在此溫度以下,空氣中的氮?dú)夂脱鯕獠贿M(jìn)行化合反響或化合反響速度非常低。排氣中超低的氮氧化物含量減輕了稀薄燃燒排氣后處理的難度。在較高負(fù)荷工況,供油量增加,空燃比下降。當(dāng)