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汽油机排放技术的应用分析资料
汽油机排放技术的应用分析
摘要：
汽车的诞生推动了社会的快速发展，为人们带来了快捷高效的生活方式。
随着汽车工业的迅速发展，汽车已进入寻常百姓家庭，人们在享受汽车所带来方便的同时也产生了一些严重的问题，石油的枯竭和环境的污染。
在汽车密集的城市，汽车排放污染不仅是一个环境保护问题，而且本身也造成了能源浪费。
汽车的尾气，除空气中的氮和氧以及燃烧产物二氧化碳，水蒸气为无害成分外，其余均为有害成分。
对人们的生活环境造成了极大的影响，严重地威胁到人们的身体健康，破坏了自然界的生态平衡。
在新能源技术还未得到普及应用的今天，解决汽车的排气污染显得极为重要。
本文主要简述汽油机废气的主要成分、生成机理及影响废气生成的主要因素，从而对汽油机排放技术进行简要的分析。
关键词：
汽车废气；排放危害；控制技术
Applicationandanalysisofgasolineemissionstechnology
Abstract:
Birthofcarpromotedtherapiddevelopmentofsociety,itbringsusafastandefficientway.Withtherapiddevelopmentoftheautomotiveindustry,carhaveenteredordinaryfamilies,peopleareenjoyingtheconvenienceofmotorvehiclesatthesametimehascreatedsomeseriousproblemsasoildepletionandpollutionoftheenvironment.Incar-intensivecities,automobileemissionpollutionisnotjustanenvironmentalissue,butitselfalsocausedenergywaste.Exhaustofacar,withtheexceptionofnitrogenandoxygenintheairandthecombustionproductscarbondioxideandwatervaporintoharmlessconstituents,therestareharmfulingredients.Hadanenormousimpactonpeople'slivingconditions,aseriousthreattopeople'shealth,underminedtheecologicalbalanceofnature.Intoday'snewenergytechnologieshavenotyetbeenappliedtoresolveautomobileexhaustpollutionisextremelyimportant.
Thisarticlemainlyoutlinedmainingredientofgasolineengineexhaustgases,generatingmechanismandmainfactorsaffectingemissionsgenerated,soabriefanalysisofgasolineengineemissiontechnology.
Keywords:
Automobileexhaustgas；Theharmfrom；Controltechnology
1绪论
1.1大气污染的分类
为了便于研究，人类对大气污染进行了不同的分类。
按照污染物质的来源，大气污染源可分为两类：
（1）天然污染源。
（2）人为污染源。
按照污染的范围，大气污染然可分为四类：
（1）局限于人范围的大气污染。
如受到某些烟囱排气的直接影响。
（2）涉及一个地区的大气污染。
如工业区及其附近地区或整个城市大气受到的污染。
（3）涉及比一个城市更广泛地区的广域污染。
（4）必须从全球范围考虑的全球性污染。
如大气中的飘尘和二氧化碳不断增加，已成为全球性污染，受到世界各国的关注。
1.2内燃机排放的评价指标
排放物浓度：
在确定的排气容积中，有害排放物所占的容积（或质量）比例，称为排放物的浓度。
质量排放量：
内燃机单位时间内的质量排放量，常用的单位有g/h；或按某排放标准规定的办法进行一次测试的排放量，常用的单位为g/次；或者按安装内燃机的车辆的行程质量排放量，常用的单位为g/km。
比排放量：
每单位功率小时（KW·h）排放出的污染物质量（g），单位用g/（KW·h）表示。
发动机的比排放量可以客观地评价不同种类、不同大小内燃机的排放性能。
排放指数：
每千克燃料燃烧时所排放的污染物质量（EI），常用g/Kg表示。
排放指标是从排放方面评价内燃机燃烧过程完善程度的指标。
1.3发动机排放物的主要成分及危害
汽车发动机排出的各种有害物质目前已成为城市大气污染的主要来源，汽车排放物是汽车排气排放物、蒸发排放物和曲轴箱排放物的总称。
汽车排放污染物主要是汽车发动机的排放污染物。
1.3.1发动机排放污染物的主要成分
内燃机排气中含有数百种不同的物质，其中主要有害物质有CO、SO2、形成光化学烟雾的氮氧化物（NO2）及碳氢化合物（HC），以及会致癌的附着在微粒上面的多环芳香烃等物质。
其排放源为以下几个方面：
（1）排气污染—占发动机总污染量的65%～85%
一氧化碳CO。
氮氧化合物NOX。
碳氢化合物HC。
燃料液滴和碳粒。
各类铅、硫化合物。
（2）曲轴箱通风污染—占发动机总污染量的20%左右
主要是碳氢化合物HC。
（3）汽油箱通风污染—占发动机总污染量的5%左右
主要是碳氢化合物HC。
（4）化油器浮子室及油泵接头处的泄露污染—占发动机总污染量的5～10%左右
主要是碳氢化合物HC。
（5）含铅、磷汽油所形成的铅、磷污染
1.3.2发动机排放污染物的危害
（1）一氧化碳CO
CO是不完全燃烧的生成物，它是一种无色、无味的有毒气体，由于CO与血红蛋白结合能力较O2强大200～300倍，人吸入后即在肺中与血液中的血红蛋白（Hb）结合在一起，形成碳氧血红蛋白（CO-Hb）。
大大降低红细胞的供氧能力。
而CO一旦与血红蛋白结合在一起就很难解离，要经过较长的时间（12～14h）才能消失其毒害作用。
故CO的毒害作用有积累性质，人连续在混有CO空气中的时间越长，血液中积累的CO-Hb量就越多，这样就会造成低氧血症，导致人体组织的缺氧，严重时会导致死亡。
（2）氮氧化合物NOX
氮氧化合物NOX是NO及NO2的总称。
95%是一氧化氮（NO），二氧化氮（NO2）只占3%～4%。
汽车尾气中NOX的排放量取决于气缸内燃烧温度、燃烧时间和空燃比等因素。
NO是无色无味气体，只有轻度刺激性，毒性不大，但高浓度时会造成中枢神经的轻度障碍，NO可被氧化成NO2。
NO2是一种红棕色气体，对呼吸道有强烈的刺激作用，对人体影响较大。
同时NO2还是产生酸雨和引起气候变化、产生光化学烟雾的主要原因。
另外，HC和NOX在大气环境中受强烈太阳光紫外线照射后，会生成新的污染物—光化学烟雾。
（3）碳氢化合物HC
碳氢化合物HC包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解产物和部分氧化物，汽车排气中含有多种碳氢化合物，现已分析出的有200多种。
在这多种碳氢化合物中，各个成分对人的影响各不相同。
一般在低浓度下看不出直接的影响。
当浓度达到万分之一时，便可使人发生中毒症状。
而且是光化学烟雾的主要成分。
（4）二氧化硫SO2
当浓度为1～5ppm时可闻到臭味，吸入可引起心悸、呼吸困难等心肺疾病。
重者可引起反射性声带痉挛，喉头水肿以致窒息。
（5）微粒
内燃机排出的微粒主要由碳粒、未燃的碳氢化合物、硫化物、氧化物及含金属成分的灰分等组成。
人吸入后易积存于肺中，附着于支气管可能引起哮喘病。
这种粒子的毒害不像CO中毒那样在复原后可完全消除其影响，而是逐步积累增多，故危害性更大。
排烟能防碍视野，恶化照明，引起交通事故。
动物实验证明，排烟显示有致癌作用。
（6）CO2的温室效应
随着汽车保有量的增加，CO2的排放量也日益增加。
由于CO2的隔热作用，会造成全球变暖的温室效应。
这一效应造成人类以及动植物生存条件的变化，从而在一定程度上破坏了生态环境。
如果这一效应引起南北极冰川大融化，将造成人类生存陆地的减少，直接危及到人类的生存。
因此，CO2的温室效应也是值得注意的问题。
2汽油机排放污染物的生成机理和影响因素
通过分析和了解汽油机排放污染物的生成机理，可使我们更好的依据生成机理对汽油机排放的各种影响因素进行正确的排放分析。
2.1汽油机排放污染物生成机理
（1）CO的生成机理
CO是烃燃料在空气不足的情况下，进行不完全燃烧的产物，是汽油机排气中有害成分浓度最大的物质。
一般烃燃料的燃烧反应可经以下过程：
燃气中的O2充足时，CO将继续按链式反应机理进行反应，而生成最终燃烧产物CO2：
CO+OH→CO2+H
2H2+O2→2H2O
2CO+O2→2CO2
燃气中的O2量充足时，理论上燃烧燃料后不会存在CO。
但燃烧过程中局部空间或瞬时存在下列条件之一时，则CO不能继续反应CO2：
反应时的氧气量不足；
反应时的温度突然过低；
反应物处在适合反应条件的时间过短。
在浓混合气中（a＜1），CO的排放量随a的减小而增加，这是因为缺氧使C不能完全氧化成CO2；在稀混合气中（a＞1），CO的排放量都很小，这主要是混合不均匀造成局部区域缺氧所致；或者已成为燃烧产物的CO2在高温时产生热离解反应生成CO；只有在a=1.0～1.1时，CO的排放量才会随a有复杂的变化。
所以CO的含量在全负荷或低负荷下较高，中等负荷时较低。
（2）NOX的生成机理
发动机排放的NOX主要是NO和NO2。
NO的生成机理：
根据链式反应机理，在化学计量混合比（a=1）附近导致生成NO和使其消失的主要反应式为：
O2→2O
N2+O→N+NO
N+O2→O+NO
N+OH→H+NO
在内燃机的高温燃烧过程中，混合气中的氮和氧进行反应，从反应完成至NO浓度达到平衡浓度存在着明显的时间滞后，这反映了NO的生成受化学反应动力学速率的制约，NO的浓度不能立即达到平衡，NO主要不在火焰区而是在火焰后区生成。
NO的生成主要与温度和过量空气系数有关。
NO的生成量在稀混合气区内主要是温度起支配作用，在浓混合气区主要是氧浓度起支配作用。
生成NO的总量化学反应式为：
N2+O2→2NO
温度越高、氧浓度越高，反应时间越长，NO的生成量越多。
NO2的生成机理：
汽油机排气中的NO2浓度与NO的浓度相比可忽略不计，排气中生成NO2的一个可能机理是：
在火焰区生成的NO可以迅速转变为NO2，既
NO+HO2→NO2+OH
在NO2生成后，若与较冷的气体相混合被冷却而“冻结”，NO2才能保存下来，因此汽油机长期怠速会产生大量NO2。
（3）HC的生成机理
HC是未燃的燃料、不完全燃烧或裂解反应的碳氢化合物及少量的氧化反应的中间产物。
排气中的HC主要是缸壁和狭缝的熄火作用造成，另外混合气过稀或过浓以及废气稀释严重、缸内温度过低时，可能引起火焰传播不完全甚至断火，HC增多。
均匀混合气汽油机中HC的生成机理主要涉及下列多种因素：
冷激效应，发动机的冷激效应主要是指壁面淬熄和狭隙效应；
润滑油膜吸附与解吸；
燃烧室内沉积物的影响；
火焰淬熄。
2.2汽油机排放污染物生成影响因素
（1）CO生成的影响因素
混合气形成质量的影响：
混合气形成的质量取决于燃油的雾化蒸发程度和混合气的均匀性。
即使a＞1，仍有局部不均匀的情况，局部的空燃比的变化促使CO生成，使排气中仍有少量CO。
进气温度的影响：
进气温度上升，空气密度下降，而汽油的密度变化很小，对于化油器式汽油机，混合气随进气温度的上升而变浓，排出的CO将增加。
大气压力的影响：
空气密度ρ和大气压力P成正比，空燃比和空气密度的平方根成正比，所以进气管压力降低时，空气密度下降，则空燃比下降，CO排放量将增大。
汽油机工况的影响：
汽油机在部分负荷运转时，混合气的过量完全系数a接近于1，CO排放量不高。
全负荷或者冷启动时，混合气较浓，a可小到0.8以下，CO排放量很大。
汽油机加速时混合气突然加浓会使CO排放量迅速增加。
汽油机急剧减速时，进气管真空度突然增大，混合气瞬时过浓，致使燃烧状况恶化，CO排放量迅速增加。
怠速转速的影响：
提高怠速转速，可有效地降低排气中CO浓度，但是怠速过高会影响经济性。
（2）NOX生成的影响因素
过量空气系数的影响：
a对NOX的排放影响很大。
当a=0.9左右的浓混合气时，此时由于缺氧而抑制了NOX的生成，即使燃烧室温度很高，氧浓度起着决定性作用；当a大于1时，氧增加的效果使NOX生成量随温度升高而迅速增大，此时温度起着决定作用。
NOX排放峰值出现在a≈1.1，此时有适合的氧浓度和较高的温度。
点火定时的影响：
增大点火提前角使燃烧提前，会导致NO排放量增大；反之，推迟点火提前角，NO排放降低。
但过迟的点火提前角会导致发动机的热效率降低，严重影响发动机的经济性、动力性和运转稳定性。
残余废气分数的影响：
可燃混合气中废气分数增大时，既减小了可燃气的发热量又增大了混合气的比热容，都使最高燃烧温度下降，从而使NO排放降低。
负荷的影响：
在a不变的条件下，大负荷时NO排放多，反之则少。
实际上，汽油机在接近全负荷时加浓混合气，可使NO排放下降。
（3）HC生成的影响因素
过量空气系数的影响：
当过量空气系数小于1.1时，随着混合气变浓，燃烧越来越不完全，HC排放就越多。
当过量空气系数大于1.2之后，由于混合气逐渐过稀，燃烧中断或者火花塞点不着火，使HC生成量大幅上升。
若废气过多也会影响火焰中心形成与传播，甚至出现断火，致使HC排放量增加。
压缩比的影响：
压缩比高，HC排放增多。
若压缩比增加，则HC排放也增多。
点火定时的影响：
减少点火提前角，燃烧推迟，排气温度升高，促进了未燃烧的HC的后期氧化。
同时，也减少了激冷壁面的面积，HC排放下降。
负荷的影响：
在发动机冷启动时，HC排放量较多。
在怠速和小负荷运行时，残余废气相对较多，同时，由于燃烧室温度低，壁面激冷效应增加，HC排放增多。
随着发动机负荷的增加，燃烧温度升高，燃烧室的淬熄效应减少，HC排放减少。
壁温的影响：
壁面温度升高，HC排放浓度相应降低。
因此提高冷却介质温度有利于减弱壁面激冷效应，降低HC排放。
燃烧室面容比的影响：
燃烧室面容比大，单位容积的激冷面积也随之增大，激冷层中的未燃烃总量必然也增大。
因此，小面容比燃烧室有利于降低汽油机HC的排放。
3汽油机排放污染物机内及机外净化技术
3.1汽油机排放污染物机内净化技术及措施
机内净化是指改善可燃混合气的品质和燃烧状况，抑制有害气体的产生，降低排气中的有害成分。
3.1.1电控燃油喷射系统
（1）简介
目前电控系统主要采用两种控制模式：
开环控制和闭环控制。
开环控制是根据输入电制单元（ECU）的信息直接按控制特性的预定数值输出执行；闭环控制是ECU输出执行的结果反馈到ECU中重新判别、调整，反复多次后以最佳值输出。
越来越多的汽车发动机采用闭环控制。
（2）电控燃油喷射系统的结构
汽油机降低排气污染和提高热效率的一个关键措施是精确控制混合气的空燃比。
电控燃油喷射（EFI）系统以电控单元（ECU）为控制中心，利用各种传感器检测发动机的各种状态（运行参数），经计算机按预存的控制程序进行判断和计算，使发动机在各种不同工况下均能获得最佳空燃比的混合气。
典型闭环EFI系统燃油喷射系统的结构如图4-1所示，它以发动机的进气量和发动机的转速作为基本控制参数，再利用其他多种传感器采集到的发动机各种工况的参数进行修正，经控制单元ECU计算处理后，确定出实际所要的燃油喷射量，大大提高了喷油量的控制精度。
图4-1典型闭环EFI系统燃油喷射系统
（3）电控燃油喷射系统的工作原理
为了使发动机具有最佳的动力性和经济性，较好的排放性和行驶性，EFI系统应该适应发动机不同工况运行的要求，具有混合气矫正的功能。
它通过各种附加传感器，将发动机温度、节气门位置等信息输入ECU，并由此计算得到校正后的喷油量。
（4）喷油控制对排放的影响
现代采用闭环控制的EFI系统的发动机，通过反馈控制，能精确地将过量空气系数控制在1附近，并配合使用三元催化转化装置，使排放污染物大幅度降低。
3.1.2电控点火系统
电控点火系统的控制主要包括点火提前角控制、点火闭合角控制、爆震控制等。
电控点火系统的点火提前角由ECU控制，程序运行时进行了很多修正，包括冷却液温度修正、加减速修正、启动触发信号修正、爆燃修正等，这样就能保证发动机在最佳点火时刻点火，从而使发动机的各种性能保持良好。
它通过爆燃传感器，将点火提前角调整到发动机不致产生爆燃的范围。
爆燃传感器是闭环控制的电控点火系统中重要的反馈信号来源。
无分电器微型计算机控制点火系统组成如图4-3所示。
图4-3无分电器微型计算机控制点火系统组成
电控点火系统主要通过控制点火提前角和火花的质量对排放产生影响。
3.1.3废气再循环系统
（1）简介
废气再循环（EGR）技术是将发动机排出的废气的一部分再送回进气管，和新鲜混合气混合后再次进入气缸参加燃烧的技术。
它利用排气稀释工质，不仅可以降低泵吸和传热损失、提高热效率，还能使燃烧温度降低，减少NOX的排放量。
同时，它与三效催化转化器结合能得到更好的排放效果。
因而它是控制NOX排放的主要措施。
（2）EGR系统的工作原理
EGR系统工作原理如图4-4所示，他将发动机排出的一部分废气重新引入发动机进气系统，与新气一起再进入气缸燃烧。
图4-4EGR系统工作原理
NOX是在高温和富氧条件下N2和O2发生化学反应的产物。
燃烧温度和氧浓度越高，持续时间越长，NOX的生成物也越多。
废气中氧含量很低，主要由惰性气体N2和CO2构成，一部分废气由EGR阀流入进气道与新气混合，稀释了新气当中的氧浓度，导致燃烧速率降低；同时废气中的主要成分为三原子气体，这会提高新气的比热容，这两种原因都使燃烧温度降低，可以有效抑制NOX的生成。
另外，加热这种掺入废气的混合气所需要的热量较大，在燃料燃烧放出的热量不变的情况下，最高燃烧温度可以降低，也会抑制NOX的生成，降低NOX的排放。
（3）EGR系统的控制策略
废气混入的多少用EGR率表示，定义式为
随着EGR率的增加，燃烧速率下降，燃油经济性恶化，转矩下降。
EGR率过大时，燃烧速率太慢，燃烧开始不稳定，失火率增加，HC排放上升；EGR率过小，NOX排放达不到要求，易产生爆燃和发动机过热等。
因此，必须对EGR率进行适当控制，使之在各种不同工况下，得到各种性能的最佳折中，实现污染排放物的控制目标。
对EGR系统的控制要求如下：
怠速、小负荷、暖机前期的冷机过程时，NOX排放浓度低，为防止破坏燃烧稳定性，保证正常燃烧，不进行EGR。
在微加速或低速巡航控制期间，使用小EGR率，既减少NOX的排放量，也可保持较好的发动机驱动性能。
中等负荷时，采用大EGR率，可大大减少NOX的排放量。
并且随负荷的增加，EGR率还可适当增加。
大负荷、高速工况，为保证发动机的动力性，通常不进行EGR或减少EGR率。
为了得到EGR的最佳效果，应保证各缸的EGR率一致。
EGR率对NOX排放的影响还受到空燃比和点火提前角等因素的影响，在对EGR率控制时，应同时对点火定时等进行综合控制，才能达到理想的控制效果。
（4）EGR率对汽油机排放与性能的影响
图4-5NO化物随EGR率和空燃比的变化趋势
随EGR率的增加，NOX排放量迅速下降，如图4-5所示。
由于这是靠降低燃烧速度和燃烧温度得到的，因而会导致全负荷时最大功率下降；中等负荷时的燃油消耗率增大，HC排放上升；小负荷特别是怠速时燃烧不稳定甚至失火。
为此，一般在汽油机大负荷、起动及暖机、怠速和小负荷时不使用EGR，而其他工况时的EGR率一般不超过20%，由此可降低NOX排放量50%～70%。
为了精确地控制EGR率，最好采用电子控制EGR阀系统。
为了增强降低NOX的效果，可采用中冷EGR。
为了消除EGR对动力性和经济性的影响，往往同时采用一些快速燃烧和稳定燃烧的措施，通过采用进气涡流和双火花塞点火，使用EGR时的燃油消耗率不仅没有恶化反而有所改善。
（5）内部EGR
与外部回流EGR相对应，通过配气相位重叠角实现不充分排气以增大滞留于缸内的废气量，这种方法被称为内部EGR。
废气量取决于重叠角的大小，这样发动机不需要进行大的改进。
但内部EGR率的控制比较困难，而且对新鲜混合气的加热作用较强，除影响进气充量外，还会造成压缩终点温度和燃烧温度的提高，导致降低NOX排放的效果变小。
这种方法适用于高比功率发动机，因为此机型有较好的充气性，气门重叠角也较大，因此，NOX的排放量会相对较低。
但是，过大的重叠角仍然会使发动机燃烧不稳定、失火和HC排放量增加。
3.1.4稀薄燃烧
稀薄燃烧就是发动机空燃比相对理论空燃比比14.7︰1更大，在稀薄燃烧发动机中，其空燃比要大于18.
稀薄燃烧的最大特点，就是燃烧效率高、经济、环保，同时还可以提升发动机的功率输出。
因为在稀薄燃烧的条件下，由于混合气点火比理论空燃比条件下困难，爆燃也就更不容易发生，因此可以采用更高的压缩比设计，提高热能转换效率，再加上汽油能在过量的空气里充分燃烧，混合气较稀时绝热指数K反而增大。
从理论上讲，混合气越稀，K值越大，热效率也越大。
随着空燃比的增加，由于采用稀的混合气使燃烧温度降低，NOX的排放量明显降低，同时燃烧产物中的氧成分有利于HC和CO的氧化，因此，HC和CO的排放也减少，同时还可避免不稳定燃烧甚至失火。
然而，随着空燃比增加到一定程度，由于燃烧速度的降低，可能会使燃烧不完全，HC的排放会迅速增加，而在分层稀薄燃烧到均质理论空燃比燃烧过程中，空燃比连续变化。
因此，三效催化转化器不能够净化排放气体中的NOX。
所以要实现稀薄燃烧，避免上面所说的不利后果，主要的方式就是通过提高火焰传播速度，提高燃烧速度并通过控制排气温度发挥三效催化转化器的效能，最终实现合理的稀薄燃烧。
由此采取的关键措施主要有：
提高压缩比；
分层燃烧技术；
高能点火和宽间隙火花塞；
可变涡流控制系统；
采用高精度空燃比控制系统及缸内喷注方式；
增大EGR阀的废气再循环量。
3.1.5分层燃烧
分层燃烧的目的是为了合理地组织气缸内混合气分布，使在火花塞周围有较浓的混合气，而在燃烧室内的大部分区域具有很稀的混合气，以确保正常点火和燃烧，同时也扩展了稀燃失火极限，并可提高经济性，减少排放。
其类型主要有：
（1）轴向分层燃烧。
燃料在涡流作用下，沿气缸轴向产生上浓下稀的分层。
（2）滚流分层稀燃。
进气过程中形成的绕垂直于气缸轴线方向旋转的有组织的空气旋流，称为滚流，也称为纵涡或横向涡流。
滚流在压缩过程中逐渐被压扁，在上止点附近破碎成许多小尺寸的涡流和湍流，可大大改善混合气燃烧过程。
3.1.6提高燃油品质
除了限制汽油中铅、硫、磷等各种有害物的含量，提高燃油辛烷值增加抗爆燃能力等方法外，采用醇类或烃类等代用燃料也可改善发动机的排放性能。
3.2汽油机排放污染物机外净化技术及措施
机外净化是指用设置
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