浅谈如何有效控制汽油机CO的排放《武威职业学院》讲解文档格式.docx

1、在全球汽车保有量中，汽车发动机车辆的数目远大于柴油机车辆，而一台汽油机的排放问题也严重于柴油机。在我国随着国民经济的不断增长，加之我国广大的消费市场，我国汽车的数量每年都在高速增长。但据世界资源研究所和中国环境检测总站测算，全球10个大气污染最严重的城市中，我国就占了4个。这样看来，我国已经面临严峻的由于汽车排气污染带来的一系列问题。如何有效的控制盒降低汽油机有害物质的排放已成为决定汽车业发展的重大课题。汽车给人们的工作和生活带来了极大的便利,已成为人类不可或缺的交通运输工具;但是在汽车产业得到高速发展,汽车产量和保有量不断增加的同时,汽车在运行过程中给人们带来了副产品汽车排放物,也带来了越来

2、越严重的大气污染。为了改善人们的居住环境充分利用汽油机排除物。本文着重讨论了汽油机排气排放物的形成机理和设计因素及使用因素的影响并提出控制措施。1浅谈一氧化碳的产生1.1 对一氧化碳的了解一氧化碳（carbon monoxide, CO）纯品为无色、无臭、无刺激性的气体，分子量28.01，密度1.250g/l，冰点为-207，沸点-190。在水中的溶解度甚低。空气混合爆炸极限为12.5%74%。一氧化碳进入人体之后会和血液中的血红蛋白结合，从而引起机体组织出现缺氧，导致人体窒息死亡。因此一氧化碳具有毒性。一氧化碳是无色、无臭、无味的气体，故易于忽略而致中毒。常见于家庭居室通风差的情况下，煤炉产

3、生的煤气或液化气管道漏气或工业生产煤气以及矿井中的一氧化碳吸入而致中毒。物理性质：在通常状况下，一氧化碳是无色、无臭、无味、难溶于水的气体，剧毒，熔点-207，沸点-191.5。标准状况下气体密度为1.25g/L，和空气密度（标准状况下1.293g/L）相差很小，这也是容易发生煤气中毒的因素之一。属于中性气体。化学性质有：可燃性和还原性和毒性。一氧化碳分子中碳元素的化合价是+2，能进一步被氧化成+4价，从而使一氧化碳具有可燃性和还原性，一氧化碳能够在空气中或氧气中燃烧，生成二氧化碳：2CO+O2=点燃=2CO21.2 一氧化碳的产生一氧化碳是大气中分布最广和数量最多的污染物，也是燃烧过程中生成

4、的重要污染物之一。大气中的CO主要来源是内燃机排气，其次是锅炉中化石燃料的燃烧。一氧化碳是含碳燃料燃烧过程中生成的一种中间产物，最初存在于燃料中的所有碳都将形成CO。一氧化碳的形成和破坏过程都是受化学反应动力学机理所控制，是碳氢燃料燃烧过程中基本反应之一，它的生成机理为：RH R RO2 RCHO RCO CO式中R为碳氢自由基团。反应中的RCO原子团主要通过热分解生成CO，也可以氧化碳氢基团R后生成CO。燃烧过程中CO氧化成CO2的速率要比CO生成速率低，因此在碳氢化物火焰中CO的基本氧化反应为：CO + H2O=高温=CO2 + H2一氧化碳是不完全燃烧的产物之一。若能组织良好的燃烧过程，

5、即具备充足的氧气、充分的混合，足够高的温度和较长的滞留时间，中间产物一氧化碳最终会燃烧完毕，生成二氧化碳或水。因此，控制一氧化碳的排放不是企图抑制它的形成，而是努力使之完全燃烧。研究表明，碳氢燃料和空气的预混燃烧火焰中，由于一氧化碳的生成速率很快，在火焰区一氧化碳浓度迅速上升到最大值，该最大值通常比反应混合物在绝热燃烧时的平衡值要高，随后一氧化碳浓度缓慢地下降到平衡值。因此，从燃烧设备的排气中检测的一氧化碳含量要比在燃烧室中最大值低，但明显地大于排气状态下平衡值。这表明化学反应动力学控制着一氧化碳的生成和破坏。2 一氧化碳的危害 2.1 对一氧化碳的危害进行深刻的认识一氧化碳（CO）是一种对血

6、液和神经系统毒性很强的污染物。空气中的一氧化碳（CO），通过呼吸系统，进入人体血液内，与血液中的血红蛋白（Hemoglobin，Hb）、肌肉中的肌红蛋白、含二价铁的呼吸酶结合，形成可逆性的结合物。 在正常情况下，经过呼吸系统进入血液的氧，将与血红蛋白（Hb）结合，形成氧血红蛋白（O2Hb）被输送到机体的各个器官和组织，参与正常的新陈代谢活动。如果空气中的一氧化碳浓度过高，大量的一氧化碳将进入机体血液。进入血液的一氧化碳，优先与血红蛋白（Hb）结合，形成碳氧血红蛋白 （COHb），一氧化碳与血红蛋白的结合力比氧与血红蛋白的结合力大200300倍。碳氧血红蛋白 （COHb）的解离速度只是氧血红蛋白

7、（O2Hb）的1/3600。 一氧化碳与血红蛋白的结合，不仅降低了血球携带氧的能力，而且还抑制、延缓氧血红蛋白（O2Hb）的解析和释放，导致机体组织因缺氧而坏死，严重者则可能危及人的生命。 此外，机体内的血红蛋白（Hb）的代谢过程，也能产生一氧化碳，形成内源性的碳氧血红蛋白（COHb）。正常机体内，一般碳氧血红蛋白（COHb）只占0.41.0%，贫血患者则会更高一些。 一氧化碳对机体的危害程度，主要取决于空气中的一氧化碳的浓度和机体吸收高浓度一氧化碳空气的时间长短。一氧化碳中毒者血液中的碳氧血红蛋白 （COHb）的含量与空气中的一氧化碳的浓度成正比关系，中毒的严重程度则与血液中的碳氧血红蛋白（

8、COHb）含量有直接关系。 2.2 一氧化碳的摄入量对人体的危害心脏和大脑是人的生命最密切的组织和器官，心脏和大脑对机体供氧不足的反应特别敏感。因此，一氧化碳中毒导致的机体组织缺氧，对心脏和大脑的影响最为显著。空气中的一氧化碳浓度达到50ppm时，健康成年人可以承受8小时; 达到200ppm时，健康成年人2-3小时后，轻微头痛、乏力;达到400ppm时，健康成年人1-2小时内前额痛，3小时后威胁生命; 到800ppm时，健康成年人45分钟内，眼花、恶心、痉挛，2小时内失去知觉，2-3小时内死亡;达到1600ppm时，健康成年人20分钟内头痛、眼 花、恶心，1小时内死亡;达到3200ppm时，健

9、康成年人5-10分钟内头痛、眼花、恶心，25-30分钟内死亡; 达到6400ppm时，健康成年人1-2分钟内头痛、眼花、恶心，10-15分钟死亡; 达到12800ppm时，健康成年人1-3分钟内死亡。由于一氧化碳在肌肉中的累积效应，即使在停止吸入高浓度的一氧化碳后，在数日之内，人体仍然会感觉到肌肉无力。一氧化碳中毒对大脑皮层的伤害最为严重，常常导致脑组织软化、坏死。 一氧化碳中毒对心脏也能造成严重的伤害。当碳氧血红蛋白（COHb）达到5%以上时，冠状动脉血流量显著增加；COHb达到10%时，冠状动脉血流量增加25%，心肌摄取氧的数量减少，导致某些组织细胞内的氧化酶系统活动停止。一氧化碳中毒还会

10、引起血管内的脂类物质累积量增加，导致动脉硬化症。动脉硬化症患者，更容易出现一氧化碳中毒。2.5%，甚至1.7%的碳氧血红蛋白（COHb），就可能使心绞痛患者的发作时间大大缩短。 人体内正常水平的COHb含量为0.5%左右，安全阈值约为10%。当COHb含量达到25%30%时，显示中毒症状，几小时后陷入昏迷。当COHb含量达到70%时，即刻死亡。血液中的COHb含量达到30%40% 时，血液呈现樱红色，皮肤、指甲、粘膜及口唇部均有显示。同时，还出现头痛、恶心、呕吐、心悸等症状，甚至突然昏倒。深度中毒者出现惊厥，脑和肺部出现水肿，心肌受到损害等症状，如不及时抢救，极易导致死亡。 美国卫生部门把碳氧

11、血红蛋白（COHb）不超过2%作为制定空气中的一氧化碳（CO）限值标准的依据。考虑到老人、儿童和心血管疾病患者的安全，我国环境卫生部门规定：空气中的一氧化碳（CO）的日平均浓度不得超过1毫克/立方米（0.8ppm）；一次测定最高容许浓度为3毫克/立方米（2.4ppm）。3 一氧化碳的检测3.1传感器检测 3.1.1一氧化碳传感器一氧化碳气体传感器与报警器配套使用，是报警器中的核心检测元件，它是以定电位电解为基本原理。当一氧化碳扩散到气体传感器时，其输出端产生电流输出，提供给报警器中的采样电路，起着将化学能转化为电能的作用。当气体浓度发生变化时，气体传感器的输出电流也随之成正比变化，经报警器的中

12、间电路转换放大输出，以驱动不同的执行装置，完成声、光和电等检测与报警功能，与相应的控制装置一同构成了环境检测或监测报警系统。一氧化碳传感器基本工作原理：当一氧化碳气体通过外壳上的气孔经透气膜扩散到工作电极表面上时，在工作电极的催化作用下，一氧化碳气体在工作电极上发生氧化。其化学反应式为： CO+H2OCO2+2H+2e- 在工作电极上发生氧化反应产生的H+离子和电子，通过电解液转移到与工作电极保持一定间隔的对电极上，与水中的氧发生还原反应。1/2O2+2H+2e-H2O 因此，传感器内部就发生了氧化-还原的可逆反应。2CO+2O2 2CO2 这个氧化-还原的可逆反应在工作电极与对电极之间始终发

13、生着，并在电极间产生电位差。但是由于在两个电极上发生的反应都会使电极极化，这使得极间电位难以维持恒定，因而也限制了对一氧化碳浓度可检测的范围。为了维持极间电位的恒定，我们加入了一个参比电极。在三电极电化学气体传感器中，其输出端所反应出的是参比电极和工作电极之间的电位变化,由于参比电极不参与氧化或还原反应，因此它可以使极间的电位维持恒定（即恒电位），此时电位的变化就同一氧化碳浓度的变化直接有关。当气体传感器产生输出电流时，其大小与气体的浓度成正比。通过电极引出线用外部电路测量传感器输出电流的大小，便可检测出一氧化碳的浓度，并且有很宽的线性测量范围。这样，在气体传感器上外接信号采集电路和相应的转换

14、和输出电路，就能够对一氧化碳气体实现检测和监控。 3.1.2 氧化锡传感器氧化锡传感器主要用于汽车尾气中一氧化碳浓度的检测。它的电阻随一氧化碳浓度的变化而变化，在如图所示的电路中， 不同的一氧化碳浓度对应着传感器的不同电阻，这样，显示仪表的指针就与一氧化碳浓度有了对应关系，观察仪表指针就能判断一氧化碳浓度是否超标。3.2 光谱分析法光谱分析法内容包括光谱法原理、原子发射光谱法、原子吸收及原子荧光光谱法、紫外吸收光谱发、分子荧光光谱法和红外吸收光谱法等。光谱分析技术在化学领域中应用极为普遍，在冶金、地质、生物、医学、农业、环保、食品卫生等部门得到极其广泛的应用。光谱分析法检测气体浓度时建立在气体

15、分子吸收光谱理论上的。每种分子都具有一系列不连续的能级，并且在某一特定时刻，分子只能处于某一能级。当分子气体发生能级跃迁，即从低能级到高能级时，需要吸收能量，吸收的能量必须与两个能级间的能量差相等。当光通过气体时，气体分子将吸收能量正好等于其某两个能级差的光子，既特定频率的光子。不同气体分子的能级差不同，因而吸收不同频率的光子。气体的浓度决定了气体对光的吸收能力。浓度越大，吸收能力越强。通过测量吸收光谱，就能对气体进行定性或定量分析。不分光红外线分析仪是基于一种气体只能够吸收独特波长的红外线，而且吸收的程度与该种气体所占浓度有关。一氧化碳能够吸收波长为4.6m的红外线，二氧化碳、碳氢化合物分别

16、能够吸收波长为4.2m和3.43.5m的红外线等。工作原理两个光源提供脉冲红外线。仪器分上下两部分：上部分有测定室，比较室，比较室中充有不吸收红外线的氮气使射线顺利通过。测定室中通入含有一氧化碳的被测尾气，将有红外线被吸收。下部是检测室，有容积相等的左右两个腔，充有同摩尔数的一氧化碳，中间用金属膜片隔开。由于射到检测室左室的红外线在在通过测定室时一部分射线已被排气中的一氧化碳吸收，而通过比较室到达检测室右室的红外线并未减少，这样检测室左右两室吸收的红外线能量不同，从而产生温差，使得电容器一个表面的金属膜片弯曲振动，其振幅与排气中一氧化碳浓度大小有关，用电信号输出就得到了检测值。4 一氧化碳的控

17、制4.1 汽油机机内净化技术 （1）电子控制燃油喷射系统电子控制燃油喷射系统（EFI） 利用传感器检测发动机的各种状态,经微机判断、计算,使发动机在不同工况下均能获得合适空燃比的混合气。 （2）可变进气流通截面及可变配气定时系统采用可变进气流通截面可改善中速运转及部分负荷时的汽油机性能,可控制燃烧速率。采用可变配气定时系统可调节缸内剩余废气量,降低CO排放,改善怠速性能。 （3）废气再循环发动机工作过程中, 将一部分排气引到吸入的新鲜空气（或混合气） 中并返回气缸进行再循环的方法称为废气再循环（EGR） ,可有效控制NOX的排放。但由于它减少了进气充量中的含氧量,只宜在部分负荷时采用,以使CO

18、不致明显增加要最大限度地减少CO气再循环。电控技术是解决这一矛盾的有效手段。最近国外电控EGR 技术获得成功,已使其成为现代车用汽油机的有机组成部分。 （4）燃烧系统优化设计不同的燃烧室形状会使汽油机性能有很大差别燃烧室设计的重要则之一是面容比小,即尽可能紧凑;火花塞尽可能布置在燃烧室中央,以缩短火焰传播离。紧凑的燃烧室可直接使汽油机的热效率提高, CO 排放降低;与推迟点火提前角或EGR 联用,可同时降低CO排放。4.2 汽油机机外净化技术随着排放法规的日益严格,人们始考虑包括催化转化器在内的各种机外净化技术。三效催化剂（ TWC） 的研制成功使汽车排制技术产生了突破性的进展,它可使汽油车排

19、放的CO降低90 %以上。目前,电子控制汽油喷射加三效催化转化器已_成为国际上汽油车排放控制技术的主流。除量微型车和中、重型货车外,所有汽油车都采用了催化转化器,特别是汽油机轿车和轻型卡车它们采用三效催化剂的比例分别为91.6%和100%。由此可以看出三效催化转化器在排放控制技术中的重要地位。为了消除上述污染物对环境和人体的危害，目前最有效的治理方法是在发动机排气系统中加装催化转化器，对汽车尾气在排放前进行催化转化，其基本原理是通过催化剂的作用，把CO、HC、NOX 分别氧化、还原为对人体健康无害的二氧化碳（CO2）、氮气（N2）和水蒸气（H2O），在转化过程中，如果催化剂能同时对CO、HC、

20、NOx三种有害物起催化净化作用，这种催化剂就称为三效催化剂（TWC）。此外,机外净化技术还有曲轴箱强制通风装置、二次空气喷射控制系统和燃油蒸发控制系统。 4.2.1 发动机曲轴箱强制通风装置1发动机曲轴箱通风装置的作用是：（1） 防止机油变质；（2）防止曲轴油封；（3）曲轴箱衬垫渗漏；（4）防止各种油蒸气污染大气。2 工作原理：（1）发动工作时，曲轴内的气体通过软管进入进气歧管，最后进入气缸内燃烧（2）同时，新鲜空气通过空气滤清器到气门室罩到曲轴箱循环。3 单向阀（PVC阀）（1）当发动机在低速和小负荷时，真空度较大，阀关闭，只有少量曲轴箱气体进入进气歧管。（2）当发动机在大负荷时，真空度减小

21、，在弹簧作用下，阀开，曲轴箱有较多的气体进入进气歧管。 4.2.2 空气泵型二次空气喷射系统空气泵型二次空气喷射系统主要由空气泵、分流阀、连接管道、空气喷射歧管等组成。工作原理是：当发动机工作时，通过曲轴传动带带动空气泵运转，泵送量大而压力较低的空气流通过软管进入分流阀。正常情况下，分流阀上阀门开启，空气流经分流阀、单向阀进入空气喷射歧管。空气喷射歧管将空气流喷入发动机排气孔或排气歧管，与排气中的HC、CO反应，使其进一步转化成CO2和水蒸气，以减少排气污染。一旦空气泵泵送的空气压力太高，释压阀起作用，瞬间切断向空气喷射歧管供应的空气，防止发动机产生回火，经过几秒后，双向作用阀下落，又恢复向空

22、气喷射歧管供应空气，二次空气喷射系统正常工作。当汽车冷启动时会要求比平常高的空燃比才能保证运转平稳。由于这个原因，电子控制模块（ECU）在冷启动时会命令发动机在开路循环模式（固定空燃比）运转20到120秒，直到氧传感器达到正常温度。而在这个过程中，尾气中会生成大量一氧化氮和碳氢化合物等大气污染物。这些一氧化碳和碳氢化合物是可以继续被氧化而减小污染的。只可惜此时的尾气中没有足够的氧气来进行氧化。4.3 采用清洁代用燃料为了降低汽车排气污染,也为了节省能源和开发新的汽车能源,以缓解汽车对石油燃料的单纯依赖。清洁代用燃料可以分为: 常规燃料的变型产品,如新配方油（RFG） 、新配方柴油（RFD） 或

23、低硫柴油（LSD） 等; 气体燃料,如天然气（NG） 、压缩天然气（CNG） 、液化天然气（LNG） 、氨（NH3 ） 、H2 、液化石油气（LPG其主要成分为丙烷） 等; 在天然气、煤基础上生产的燃料,如FTL 和FT 油、甲醇和醚类燃料（ 二甲醚DME、二乙醚DEE 等） ; 由玉米、草木类植物、含废弃物提炼的生物乙醇; 由花生油、菜子油等 生产的生物柴油。4.4 稀薄燃烧技术与缸内直接喷射技术 4.4.1 稀薄燃烧技术将少量燃油和大量空气混合,使燃油充分燃烧的一种技术。传统发动机的空燃比在14. 7 1 附近,而稀燃发动机的空燃比通常在15 127 1 。由于可使燃油充分燃烧,与传统发动

24、机相比,稀燃发动机可节约燃油,并可显著减少尾气中有害成分的含量。汽油机稀薄燃烧包括进气道喷射稀燃系统（ PFI） 、直接喷射稀燃系统（ GDI） 和均质混合气压燃（ HCCI） 。采用选择催化还原、吸附催化还原和EGR + 三元催化技术降低稀燃下汽油机的CO 排放,取得了一些具有学术价值的成果。目前,稀燃高压缩比仍是降低汽油机排放、提高性能的主要研究方向。在稀燃时,为改善混合气质量而采取的措施:实现分层燃烧;燃烧室设计得更紧凑,尽量减少有害的缝隙容积;改善火花塞结构及布置,采用高能点火系统,实现快速燃烧等。 4.4.2 缸内直接喷射技术 缸内直喷（ GDI） 汽油机是在部分负荷时用混合气的分层

25、化实现超稀薄燃烧,得到同柴油机一样低的燃油消耗率;在高负荷时用预混合汽油机的均匀混合方式,得到高功率特性的理想汽油机。由于GDI 的油气混合主要是依靠喷雾和缸内的空气运动,与冷起动时的低温关系不大,所以冷起动时无需过量供油,有效地解决了PFI 冷起动时UB HC 排放过多的问题。FSI技术采用了两种不同的注油模式，即分层注油和均匀注油模式。发动机低速或中速运转时采用分层注油模式。此时节气门为半开状态，空气由进气管进入汽缸撞在活塞顶部，由于活塞顶部制作成特殊的形状从而在火花塞附近形成期望中的涡流。当压缩过程接近尾声时，少量的燃油由喷射器喷出，形成可燃气体。这种分层注油方式可充分提高发动机的经济性

26、，因为在转速较低、负荷较小时除了火花塞周围需要形成浓度较高的油气混合物外，燃烧室的其它地方只需空气含量较高的混合气即可，而FSI使其与理想状态非常接近。当节气门完全开启，发动机高速运转时，大量空气高速进入汽缸形成较强涡流并与汽油均匀混合。从而促进燃油充分燃烧，提高发动机的动力输出。电脑不断的根据发动机的工作状况改变注油模式，始终保持最适宜的供油方式。燃油的充分利用不仅提高了燃油的利用效率和发动机的输出而且改善了排放。4.5 燃油控制 4.5.1车用汽油机的催化转化技术 催化转化技术已成为成熟技术通过纳米技术提高贵金属附着载体的能力,从而减少贵金属含量（可降低15%40%） ;催化剂储氧材料Ce

27、O2的研究已进入第三代,这是高性能催化剂的基础;适应稀薄燃烧（空燃比达22） 富氧条件下的CO 还原催化剂的研究十分活跃,净化稀燃汽车尾气中NOx 的另一种途径“吸附- 还原法”的研究即在富氧条件下,先将CO用吸附剂储存起来（形成碳酸盐） ,然后在贫氧或受热加温条件由碳酸盐释放出COx ,COx 与HC 或CO 反应,被还原为N2 。为了使这类催化剂能在富氧- 贫氧交替的气氛中工作,借助电控手段对催化剂再生,即每隔5060s 由发动机管理系统自动控制节气门减小开度,使空燃比由2223 变到10左右,同时点火提前角也由上止点前350CA 推迟到50CA ,这一期间持续510s （催化剂再生） ,

28、其NOx 净化效率可达70%90% ,通过合理调节,燃油经济性的恶化可控制在1%以内。 4.5.2 均质混合气压燃（ HCCI） HCCI 燃烧方式被人们称为内燃机的第三种燃烧方式,是当前内燃机燃烧的一个研究热点,它最有希望在近期以两种燃烧方式 在起动和高负荷时以火花点火（SI） 方式或柴油机燃烧（DI） 运转,在中、低负荷和怠速时以HCCI方式工作的组合在轿车发动机上得到应用,从而获得和汽油机一样的高功率输出和低PM 排放,以及在部分负荷（可达75%负荷） 和怠速时获得和柴油机一样或更高的经济性,但NOx 排放很低。采用HCCI 可以使排气中氮氧化物的含量急剧下降至百万分之几。这是由于HCC

29、I 可以使用非常稀的混合气,使燃气的最高温度不超过1600。在此温度以下,空气中的氮气和氧气不进行化合反应或化合反应速度非常低。排气中超低的氮氧化物含量减轻了稀薄燃烧排气后处理的难度。在较高负荷工况,供油量增加,空燃比下降。当燃气温度升高到1600以上时,氮氧化物的排放开始急剧升高。为了抑制氮氧化物的生成,可采用进气增压来提高。 4.5.3 混合气的空燃比技术理论空燃比：即将燃料完全燃烧所需要的最少空气量和燃料量之比。燃料的组成成分对理论空燃比的影响不大，汽油的理论空燃比大体约为14.8，也就是说，燃烧 1g汽油需要14.8g的空气。一般常说的汽油机混合气过浓过稀，其标准就是理论空燃比。空燃比

30、小于理论空燃比时，混合气中的汽油含量高，称作过浓；空燃比大于理论空燃比时，混合气中的空气含量高，称为过稀。 由于HCCI 需采用稀混合气,在一般情况下,一氧化碳排放很低,远低于常规电喷汽油机的水平。但当负荷下降、空燃比增加到70 或80 时,燃气最高温度将开始低于1200,使一化碳进一步氧化的过程不能完成,一氧化碳排放急剧增加,严重影响燃烧效率和热效率。因此,要扩大HCCI 工作区域至低负荷区,必须采取措施控制一氧化碳的排放。HCCI 汽油机的碳氢排放介于电喷汽油机和分层燃烧直喷汽油机之间。由于混合气在压缩程开始之前就已形成,燃烧室壁上的罅隙成为碳氢排放的重要原因。如果采用较高的压缩比,更多的混合气将被压入燃烧室壁的罅隙中,使碳氢排放增加。如果负荷进一步下降,混合气变得更稀,不完全燃烧增加,碳氢排放持续上升,对燃烧效率热效率产生的显著影响。5 对未来汽油机的展望