发动机排放技术的应用与分析

随着汽车在生活中的普及,汽车排放的污染物对环境的危害越来越明显,严重威胁着人类的生存环境与健康。本文主要概述了一些主要的发动机排放污染物的生成机理与危害,以及发动机排放物的影响因素,发展汽车发动机的排放控制技术能够有效地抑制和减少发动机排放

  1绪论

  1.1研究的背景

  目前,汽车已经成为这个时代标志性的产物,人们对汽车的热爱只增不减。汽车工业的快速发展也让汽车保有量急速上升。据数据显示,2014年12月,全国汽车产量达到225.3万辆,同比增长3.7%。2014年全年汽车产量达到2389.5万辆,与2013年相比,增长7.1%。2015年,我国汽车产量达到2450.33万辆,同比增长3.25%,增速比上年同期减缓4.01个百分点,创全球历史新高,连续七年位居全球第一。2015年,中国品牌乘用车销量为873.76万辆,同比增长15.3%;市场份额达41.3%,同比提高2.9个百分点。2016年2月我国汽车产量为161.18万辆,同比增长了3.74%,年度累计为406.91万辆。此外,中汽协对2016年汽车整体市场进行了预测,预计2016年,中国汽车全年销量为2604万辆(其中国内销量2540万辆,出口量64万辆),增速约为6%。其中,新能源车会继续保持高速增长,销量预计为70万辆左右。2016年全年汽车市场需求约在2628万辆。(全年汽车市场需求=总销量-出口量+进口量)。
  汽车需求量的增多导致了大量的化石燃料燃烧,发动机在燃烧化石燃料的过程中会产生一些具有污染性的排放物和温室气体,这些污染排放物会影响到人类的身体健康以及整个大气环境。据分析,城市中的雾霾大约有4%的成因与汽车尾气排放有关,这些排放物有可能间接性的与其他物质反应形成酸雨和光化学烟雾,其中的二氧化碳也加剧了温室效应。我们所要做的就是去改善汽车污染问题,减少我们身边的大气环境的污染,让自己生活在一个纯净而美丽的地球上。

  2发动机排放物的危害

  发动机的污染排放物在我们生活中的危害显而易见,不仅影响着人类的身体健康,还会引起大气环境的污染,加剧温室效应。尤其是近年来随着车辆的快速增长,大气中
  CO、HC、xNO、2SO以及PM的含量也陆续增多,导致汽车排放的尾气对人体和大气环境的危害程度也越来越大。在本章的内容中主要分析了发动机的一些排放污染物对人体和大气环境的危害情况。

  2.1一氧化碳(CO)的危害

  汽车排放出的一氧化碳主要是由于化石燃料的不完全燃烧而产生的。它是一种无色无味的有毒气体,在正常情况下,一氧化碳不会导致人体损伤。只有在吸入一定量的一氧化碳之后,才会使人出现头晕、呕吐、头痛等症状,严重时可以造成人体窒息性死亡。引起这些症状的主要原因是CO能与血液中的血红蛋白发生反应,使得血液中的血红蛋白发生变质,从而减弱了血液的输氧能力,致使人体缺氧。更重要的是,一氧化碳在大气中比较稳定,不易与其他物质发生反应,从而能长时间的存在大气中。

  2.2碳氢化合物(HC)的危害

  碳氢化合物也是因为化石燃料燃烧不完全而产生的,但它的危害程度比一氧化碳更大。碳氢化合物中含有苯、醛和多环芳香烃等物质,带有一定的毒性,其中多环芳香烃和苯类物质又具有致癌作用,尤其是苯并芘和硝基烯。碳氢化合物在光照的条件下极易与xNO发生反应,形成以臭氧和醛类为主的有毒性光化学烟雾,严重影响着大气环境与人类的健康。

  2.3氮氧化物(xNO)的危害

  汽车所排放的氮氧化物中种类繁多,有NO、2NO、32ON等多种物质。其中NO是氮氧化物中的主要成分,它的特点是无色无味。一般空气中的NO对人体无害,但吸入一定量后,会产生与CO相似的症状,会影响中枢神经系统,造成中枢神经系统轻度障碍,严重时可使人中毒而死亡。2NO具有强烈的刺激性气味,在常温常压下呈棕色,主要由NO氧化而成,对人体的危害程度相对较大。因为二氧化氮会与人体血液中的血红素相结合,使血红蛋白变性,对心、肝、肾都会有一定的影响,甚至会造成植物枯黄。
  此外,氮氧化物还会与碳氢化合物在光照的条件下形成带有毒性的光化学烟雾,造成大气环境的污染,威胁人类的身体健康。

  2.4微粒物PM的危害

  PM中含有PAH等多种有害物质微粒物,会对生态环境造成一定的影响,在一定程度是威胁着人类的健康。另外,颗粒的大小对人体的危害程度有一定的影响。一些颗粒较小(小于0.5微米)的微粒容易长时间悬浮在空气当中,致使人体吸入的概率大大提高,对人体的呼吸系统有着极大的危害。另外微粒间的孔隙具有一定的吸附作用,能够吸附一些SO2、NO2等致癌物质,因而对人体造成更大的危害。

  3发动机排放物生成的影响因素

  3.1点火提前角的影响

  点火提前角是指发动机(汽油机)从点火时刻起到活塞到达压缩上止点这段时间内曲轴所转过的角度。在一般情况下,点火提前角对CO的排放影响不大,但过分的推迟点火会使CO氧化不完全,从而增加了排放中的CO,但适度推迟点火可减小CO排放。实际上当点火时间推迟时,为了保证输出功率需要开大节气门,这时CO排放明显增加,但HC的含量会降低,主要是因为排气温度的升高,促进了CO和HC的氧化。

  3.2发动机工作温度的影响

  发动机工作温度会影响到氮氧化物排放,当发动机机内的温度偏高时,会引起xNO排量增多。当发动机在有效冷却后,可以使xNO的排量降低15%。

  3.3燃油品质的影响

  燃油品质也是影响尾气排放量的重要原因,燃油中存在硫、苯、烯等元素。通过降低汽油中某些元素的含量,可以有效地减少尾气排放量。汽油中硫的含量直接影响到颗粒物的排放量。
  我国的“车油不同步”一直是影响汽车排放控制的重要因素。使用符合国家第五阶段标准的汽油和柴油,可以有效地将排放量降低10%,颗粒物和氮氧化物也可明显地减少。只有进一步提高燃油品质,才能有效地减少相关污染物的排放量。

  4发动机排放控制技术

  4.1三元催化转换装置

  三元催化转换装置,是安装在排气系统中的一个重要装置,可同时将排气中的CO,
  HC和xNO三大有害物质转化为无害物,故称三元。它以排气中的CO和HC作为还原剂,在高温的条件下,把xNO还原为氮气(2N)和氧气(2O),而CO和HC在还原反应中被氧化为2CO和OH2。
  三元催化转换装置主要由催化剂、载体、垫层和壳体等组成,如图1和图2所示。其中,催化剂主要由活性成分和催化助剂组成。常用主催化剂有铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)等贵金属,价格昂贵。由于Pd易受Pb(铅)的侵蚀,而Pt易受热劣化,所以实际应用中以Pt/Pd组合形式使用。载体部分主要是一块蜂窝状的陶瓷材料,载体的表面上覆盖了一层起催化作用贵重金属。当发动机工作时,尾气经排气管进入催化器,其中的氮氧化物与尾气中的一氧化碳、氢气等还原剂在催化作用下分解成氮气和氧气,而碳氢化合物和一氧化碳分别与废气中残存的氧气及前一反应生成的氧气在催化作用下充分氧化,生成二氧化碳和水蒸汽。由于三元催化器中的载体为蜂窝结构,增大了与废气的接触面积,提高了催化效果。实验结果表明,当发动机的空燃比(空气和燃料的比例)接近理论值时,转化器可将90%的碳氢化合物和一氧化碳及70%的氮氧化物同时净化掉,所以说,三元催化器是减少这些排放物的有效的方法。三元催化装换装置的可靠性很好,寿命长,被广泛应用于本田、别克、现代等车型上。
发动机排放技术的应用与分析
  当然,三元催化转换器还可以和氧化转换器相结合,达到二次净化,使得效果更加明显。

  4.2缸内直喷技术

  缸内直喷技术是近年来推广的发动机的新技术。传统的汽油发动机是通过电脑采集凸轮位置以及发动机各相关工况,从而控制喷油器将汽油喷入进气歧管。直喷式汽油发动机采用类似于柴油发动机的供油技术,通过一个活塞泵提供所需的100bar(1bar=105Pa)以上的压力,将汽油提供给位于汽缸内的电磁喷射器。之后通过电脑控制喷射器,将燃料在最恰当的时间直接注入燃烧室,通过对燃烧室内部形状的设计,让混合气能产生较强的涡流,使空气和汽油充分混合。然后使火花塞周围区域能有较浓的混合气,其他周边区域有较稀的混合气,保证在顺利点火的情况下尽可能的实现稀薄燃烧,这就是发动机分层燃烧、缸内直喷技术的精髓所在。
  发动机缸内直喷技术最大地优化了进气混合效率,使高效节油和大功率输出不再矛盾。奥迪FSI(分层燃烧和缸内直喷技术)增大了火花塞点燃式发动机的转矩和输出,同时增加了15%的经济性,为降低排放奠定了基础。与常规的点燃式发动机相比,FSI可将燃油直接喷入燃烧室,不再需要节气门,降低了发动机的热损失,从而增大了输出功率并降低了燃油消耗。具体地说,就是燃料分层喷射技术,它代表着今后发动机的发展方向。

  4.3双涡轮增压技术

  双涡轮增压技术,就是采用2个相互独立的涡轮增压器的增压系统。传统的单涡轮增压器在发动机低转速时有增压滞后和动力空挡的缺点,而区别于常见的单涡轮增压发动机,双涡轮增压发动机在2个涡轮增压器的共同作用下,进气效率大幅提升,增压效果更加显著。由于使用了2个涡轮增压器,双涡轮增压系统的结构变得更加复杂,因此多用于直列6缸和V型发动机上,而单涡轮增压系统则多用于直列4缸发动机上。2014年,大众率先推出了最新开发的2.0L TDIbiturbo双涡轮增压直喷发动机。双涡轮增压器由一个大涡轮和一个小涡轮组成,低速时小涡轮运转,高速时大涡轮运转,从而获得更多的进气量,他们是串联或者并联的。大众2.0L TDI biturbo最大功率为180kW,峰值转矩500N·m,与之搭配的是7速DSG变速器。搭载这款发动机的全新车型0〜100km/h加速时间在6.1s之内。
  大众双涡轮增压器,在任何转速下均可产生所需要的充气压力,性能比传统的单涡轮增压器大大提高,改善了发动机的适应性,发动机转速较低时也可以保证大功率的输出。由于发动机进气压力始终处于最佳状态,从而在整个转速范围内提高了燃烧效率,节约了燃油并改善了排放。
  由于双涡轮增压发动机在车辆动力性能提升和发动机动态响应速度方面所表现出来的突出优势,目前,包括宝马在内的多家汽车厂商也都已经在各自旗下的车型上采用了双涡轮增压的形式。但是,双涡轮增压发动机并不能完全消除涡轮迟滞现象,毕竟,涡轮增压器叶轮的惯性作用依然存在。只不过,我们仅是从双涡轮增压技术的角度出发来进行分析,在实际使用中,双涡轮增压发动机通常都装备在直列6缸或V型等排量较大的发动机上,由于发动机本身的动力性能已经相当优异,驾驶者在驾车时也不会因为涡轮迟滞察觉到车辆在加速过程中的动力滞后。

  4.4氧化催化氧化器(DOC)

  氧化催化氧化器(DOC)通常为二转化器,见图3。它能将CO和HC氧化为2CO和OH2,同时也能将多环芳烃和醛类物质氧化为2CO和OH2,其中的微量金属还可以过滤掉PM。实验表明,DOC可以使HC减少68%,多环芳香碳氢化合物减少56%,醛类减少70%,降低PM效率可达40%-50%。但是它只具有氧化能力,没有还原能力,与三元催化器的区别在于各自催化剂的涂层不同。

  5发动机排放控制技术的发展趋势

  随着汽车工业的快速发展,汽车保有量所伴随的汽车污染也越来越严重。很多年前,世界各国就已经制定了相应的法规和标准,以把汽车有害排放物质控制在最低水平。为1992年至2013年欧盟标准汽油机排放标准的限值。
  表1欧盟标准汽油机排放标准限值单位g/km
  由表一我们可以看出,在未来,对于汽油机的排放标准限值会越来越严格,我们所需要做的就是在发动机排放控制技术方面使之达到标准的限值,或者采用新型技术替代或改善发动机排放问题。
  由于汽车内燃机是通过燃料的燃烧,把燃料的化学能转化为热能,再将热能转化为机械功的热动力机械。热力学、燃烧学和机械学的理论分析表明,内燃机是热效率最高的热力机械,但仍存在着巨大的节能及降低尾气污染的潜力。
  未来的发动机除继续需要燃料燃烧,还需要曲柄连杆机构输出动力之外,其余的部件均可以由电子、液压来控制,成为真正的机、电、液一体化的产品。因此,今后汽车发动机的发展方向主要表现在以下几个方面:

  5.1改进结构,进一步提高发动机的机内净化技术

  优化发动机的结构设计,采用多种技术组合,如:电控喷射技术、废气循环技术、多气门技术、废气旁通技术和高效增压中冷技术等等,可以通过对喷射时间、喷射位置、喷射区域、喷射方式的智能控制,使燃油达到理想的雾化状态,进一步提高燃油的热效率,改善汽车的动力性并降低有害气体、有害微粒的排放。

  5.2纯电动汽车

  纯电动汽车的发展是人类在汽车新能源上的一个历史性的突破,可实现零污染零排放。纯电动汽车采用的是可充电的新型理电池,储存量大,充电时间短。作为目前最大的纯电动汽车生产公司特斯拉汽车公司,一直致力于用最具创新力的技术,加速可持续交通的发展。特斯拉在技术上为实现可持续能源供应提供了高效方式,减少全球交通对石油类的依赖;通过开放专利以及与其它汽车厂商合作,大力推动了纯电动汽车在全球的发展。特斯拉的新品汽车Model 3采用的是松下提供的18650钴酸锂电池,是一款结合了实用电池续航、动力性能、安全配置,以及宽敞空间的高级轿车。纯电动汽车的出现是人们在汽车能源技术上的飞跃,也是我们理性中的汽车,其零污染零排放才是大的特点。在未来,纯电动汽车可能会以主力军的形式出现在我们眼前,让我们一起期待吧。

  5.3使用新型燃料

  从长远的角度考虑,光靠现有的石油来解决汽车的能源问题是远远不够的,,为此,我们需要积极寻找新型能源用于替代石油,以确保社会经济的发展和健康的生存环境。
  有实验表明,乙醇可作为石油良好的代替品,而且是可再生资源。可以通过粮食加工转化而成,使用乙醇燃料不仅可以减少环境的污染,保持生态平衡,还能增加农业的收入。早在很多年前,美国和巴西就已经成功推广了乙醇汽油,中国的吉林是国内乙醇汽油首个试点省份,乙醇汽油的使用和生产慢慢地遍布全球,这项燃料的转变可以解决石油短缺问题,同时也是保护大气环境质量的重要措施。
  醇氢动力汽车目前也在试验阶段,醇氢燃烧技术可以将二氧化碳的排放量减少60%左右,尾气排污比汽油车减少90%以上。我校在这方面也有相应的研究,几辆试验车的效果还是很明显,不仅在经济方面还是动力方面都能够满足我们需求。

  6总结

  汽车保有量的持续高速增长对大气环境产生了巨大的影响,危害着我们的身体健康,同时也加剧了化石燃料能源的消耗。因此,有效地控制汽车污染物的排放成为当前的首要任务。面对严格的排放标准,我们需要共同的努力。
  本文主要讲述了汽车发动机排放物中主要污染物的危害、形成机理、影响因素以及当前一些有效控制汽车污染物排放的技术方法。通过对以上几个方面的研究,我们能够更清楚地了解汽车在我们生活中的影响是非常大的,我们在享受汽车带来便捷的同时也应该做好应对汽车排放污染的对应措施。在介绍了几种排放控制技术可知,这些技术在效果上还是不错的,只是降低了污染程度,但并没有真正解决污染的根源。我们所要做的就是去探索新型能源和新技术以实现零污染和零排放。目前纯电动汽车在实现零污染零排放上方面开始了一个新的旅程,但在技术方面还需进行不断的探索和研究。醇氢动力汽车在新技术方面还要向前迈进一步,以实现大力的推广,用以替代污染严重的汽车,以降低污染物的排放。相信今后还会有越来越多的新技术应用到这方面,为节能环保继续添砖加瓦,为可持续发展做出贡献。这次我很幸运能有这样的一个机会去深入了解这方面的知识,虽然由于一些条件的限制只能做一些简单的分析,但这也让我受益匪浅。这样的一次经历使得我对目前的一个汽车发展有了一些自己的了解和看法。我相信,未来的汽车在实现零污染零排放上越走越好。

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  致谢

  在本次的毕业论文写作中,我的指导老师xx老师无论是在选题上还是在构思和定稿上都给予我细心的教导。在选题方面,老师先是考虑到我们对题目的理解程度与兴趣,根据我们的相关专业所确定论文题目。在写初稿的时候,老师经常会与我们保持联系,了解我们在写稿的进度与难点,为我们提供一些信息指南,帮助我们顺利地完成学业的任务。同时,我非常感谢我的另一位指导老师XXX老师以及我的大学同学在毕业论文方面给我的一些建议与帮助,大学有你们真好。本文引用了数位学者的文献,如果没有各位学者的研究成果和启发,我将很难完成本篇论文的写作。在此,谨向所有的老师、同学、朋友以及学者致以衷心的感谢和崇高的敬意!
  最后,我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议和参与本人论文答辩的各位老师表示衷心的感谢。

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