汽车尾气排放温度研究报告1

汽车尾气排放温度研究报告近年来，汽车工业的飞速发展和国民生活质量逐步提高，汽车对百姓已经不再是可望而不可及的消费品。随着私家车、多种行业运输车辆数量大幅增加，导致对大气环境污染的日趋严重。汽车发动机所排出的污染物成分和浓度与发动机的技术状况密切相关，汽车排放的尾气中，具有多种有害气体和微粒，如CO、HC、NOX等，影响人们的生活和健康，所以通过对发动机的排气温度进行检测，对评价发动机技术状况和保护人类生存环境都具有重要意义。1.排气系统①组成和原理：一般由排气歧管、排气管、催化转换器、排气温度传感器、消声器和排气尾管等组成，如下图1-1。其简单工作原理是汽缸中的废气由排气门排出后，经各缸排气歧管汇至排气总管，由三元催化转换器净化处理及消音器消声后从排气尾管排出车外。现代汽车为了对空燃比进行反馈控制，在废气到达三元催化转换器前还需由氧传感器对废气中氧的含量讲行检测。图1-1汽车排气系统组成②类型：汽车排气系统分为单排气系统及双排气系统。单排气系统：只有一套消音、催化转换装置及一个排气尾管。直列式发动机采用单排气系统。V型发动机有两套排气壤管，两套排气歧管通过一条叉型管将两套排气歧管连接到同一个排气管上，这样的系统仍为单排气系统。如图1-2所示:图1-2单排气系统双排气系统：有两套消音、催化转换装置及排气尾管。有些V型发动机采用双排气系统，有两个排气支管，各用一套催化转换装置、消声器、排气尾管，车尾可以看到两个排气口。双排气系统降低了排气系统内的压力，使发动机排气更为顺畅，汽缸中残余的废气较少，因而可以充入更多的空气。如图1-3所示:图1-3双排气系统2.排气温度、时间的检测排气温度是衡量发动机燃烧过程好坏的重要指标，它决定于发动机工作状态。燃料在汽车发动机燃烧室燃烧后，约有30~40%的热量通过循环冷却水和排气散失到空气中，由于排气管是用散热性能好的材料做成，并通过自然风冷等方式散热，发动机排气温度在整个排气系统中变化很大，一般在100℃~800℃之间。下图2-1为汽油机在八个工况下不同位置检验排气温度的实验结果：可以得出以下结论：（1）靠近排气门出口处的排气温度其变化范围为450~600℃，靠近排气门出口处约100cm的排气温度其变化范围为160~400℃；（2）在汽油机不同工况下排气管两处测温点的排气温度的变化规律相同，怠速时温度最低，加速时温度较高，高负荷时温度最高。3.尾气产生机理及其危害汽车尾气主要是指汽车燃料在发动机内燃烧后产生的废气。对汽油发动机来说，汽油是各种烃类的混合物，主要由碳(C)、氢(H)两元素组成，还含有氮(N)、氧(O)、硫(S)等元素。在理想条件下，供氧充分时,燃料完全燃烧,化学反应式为:CnHm+(n+m/4)O2→nCO2+(m/2)H2O在各种有害成分中，一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和氮氧化物(NOx)是主要的污染物质。CO是一种无色、无臭的有毒气体,对人体的危害往往是致命的，被人们称为无声的杀人犯。当吸入人体内的CO浓度过高时，会导致体内缺氧，损害中枢神经，造成记忆衰退等症状。若空气中有0.3%容积的CO时，吸入体内300PPm，30min内可使人致死。HC是石油产品的基本组成成分,它是燃烧过程中与氧化合时,它提供能使发动机运转的能量,而那些未经燃烧就排入大气的HC则被视为污染物。汽车尾气中所排出的HC包括一此烷烃、烯烃、芳香烃、醛、酮以及各种烃类衍生物。一些碳氢化合物会使眼、鼻及喉粘膜受到剧烈刺激，一些多环芳香烃被看作是潜在的致癌物。NOx是在高温燃气中少量的N被氧化成NO、NO2等物质,大部分NO从排气管中排出时又被氧化成NO2。NO2是一种严重有毒物,浓度超过155PPm时,会严重刺激呼吸器官；当浓度达到500-1500PPm时,会产生急性中毒,导致肺水肿或窒息死亡。同时这些污染物质与大气中其它物质及它们相互之间还可以发生一系列复杂反应，使污染程度成倍增加。例如,大气中的NOx在阳光的作用下，还能与共存的SO2、CO、HC等污染物作用生成光化学烟雾。光化学烟雾对眼睛刺激特别厉害。当浓度大于0.1PPm时，短时间接触可使人流泪不止;浓度增至1PPm时，眼睛发痛难睁，伴有头痛，呼吸困难等症状；浓度大于50PPm时，人有死亡危险。4.净化对策CO是当燃油燃烧时，由于空气供应不充足，发生不完全燃烧而产生。在汽车怠速时，排气中CO较多，污染程度较高。CO的产生量与空燃比和过量空气系数有关。空燃比是指供给发动机的空气与燃料的质量比，实际供给的空气量与理论空气需要量之比称为过量空气系数K。当K1时，为浓混合气，含空气量不足；当K1时,为稀混合气，含有过量空气；当K1.25时,混合气不能点燃，如图4-1所示，排气中的CO浓度随空燃比的增大(即供给发动机的空气量增大，K值增大，混合气稀薄)而降低。所以为减少CO的排放量，应将空燃比控制得高于14.8，既K值大于1，这时燃烧较好。排气中的NOx产生于发动机大功率范围内，既在高速行驶高温燃烧时产生的。随温度升高,NOx生成急剧增多。如图4-1所示。HC来源于汽车尾气中未经燃烧的燃油以及因燃烧不完全而产生的各种烃类衍生物。同CO一样，HC生成的趋势也与空燃比和过量空气系数有关。如图4-1所示，为了减少HC的排出，应将混合气控制在一定稀薄的范围内进行稳定的燃烧。图4-1燃烧温度与CO、NOx、HC浓度关系示意图根据以上分析，改善发动机燃烧状况，可直接减少各种污染物的排放量，具体可采取以下几条措施:(1)对进气加热，以提高燃油的气化程度，若要改善汽车排放性能，必须使每个气缸的充气量相等，汽油分配均匀、适量。在低温状态，为解决汽油的蒸发和分配问题，对发动机和混合气要进行预热，进气预热温度愈高，进气管中油膜蒸发愈快，愈完善，有利于燃烧和减少排气中有害污染物量。(2)采用易于控制适当空燃比的电子控制式燃油喷射装置。电子控制燃油喷射系统靠迅速、正确地处理装在发动机上的各种传感器所收到的信息而工作,可以分别控制汽油量与空气量，且控制精度高,使空燃比的计量更精确,能保证所需要的空燃比,使燃料更充分燃烧,将废气中CO、HC、NOx控制在一定范围内,减少大气污染。(3)使用排气再循环系统。排气再循环就是让一部分排气从排气一侧再循环到进气一侧用来稀释进入气缸中的空气燃油混合气，并因废气中含氧量少，惰性较强，可使混合气燃烧较慢，产生的热量不像未稀释的混合气那么多,则混合气温度较低，产生的NOx量少，减少排气污染。催化器的快速起燃也是降低冷起动阶段发动机HC排放的有效手段之一。催化剂的转化效率和起燃特性主要与排气特性以及催化器本身的属性有关。只有达到起燃温度以上催化剂才能正常工作。催化剂的起燃特性关系着冷起动阶段发动机的排放水平。冷起动时，催化器主要靠排气温度来加热，催化器的起燃需要一定的时间。因此，催化转化器的转化效率和起燃特性除了受到蜂窝载体材料、横截面积、长度、蜂窝密度、孔间壁厚等的直接影响外，还受催化器入口端的排气流场、温度场和排气成分的影响，其中催化器入口排气流场分布的均匀性和排气温度对催化器的起燃有重要的影响.为了满足严格的排放法规，要求催化器在冷起动过程中尽快起燃。许多技术可以加速催化器的快速起燃，其中最常用的是标定发动机起动控制参数来加快催化剂的起燃，如推迟点火时刻、增加发动机怠速转速以及采用稀的空燃比混合气起动.将催化器靠近发动机安装，可以减少排气热损失，加速催化器的起燃过程。吉林大学的刘巽俊等人在一台火花点火LPG发动机上做了催化器位置对催化器起燃时间的研究，结果表明，在发动机怠速转速为1600r/min，点火时刻为上止点时，将催化器的位置从距离发动机28厘米移到距离发动机15厘米，催化剂HC的起燃时间从180秒降到了76秒。可见，催化器前移对加快其起燃有非常明显的效果。另外，通过附加装置和附加能量，如电加热载体、排气系统燃烧装置、和排气二次空气喷射系统等来加快催化剂起燃的措施较为复杂.催化器在起燃之前主要靠高温排气来加热，降低冷起动时发动机HC及CO排放最有效的措施之一是将催化器前移，以减少排气能量的损失。排气管路内的气体流动对于发动机起动阶段的排气热损失有重要的影响，通过优化设计排气歧管的结构来改善排气的流动特性可以有效降低催化器的起燃时间.