光催化在汽车节能减排中的研究与应用

光催化在汽车节能减排中的研究与应用姓名：钟声班级：2012级水利水电工程4班学号：312012080801420摘要石油资源的日益减少以及各国政府对环境保护的日益重视，汽车产业的节能减排就越来越显得其重要性，通过利用光催化空气来研究其在汽车节能减排中的应用并提出了具体的解决方案。关键词：光催化；空气；汽车；节能；减排1前言从1885年，德国工程师卡尔·奔驰（KarlBenz）制成了世界上第一辆以汽油为燃料，以内燃机为动力，主要用于人员乘坐的现代汽车“奔驰一号车”以来，汽车在给人类带来便利和舒适性的同时，也给人类带来了巨大的社会、环境及能源消耗问题。现代汽车的动力主要来源于由石油精炼而来的汽油和柴油燃烧做功而转化而来的，而石油是不可再生能源，其储量将随着开采的持续进行而逐渐减少，人类终将面临石油枯竭的危险。据有专家估计：按现有的开采速度计算，现在的石油储量仅仅能满足（30～40）年的开采。另外汽车产业还面临着在环境保护方面的巨大压力。汽车燃烧后的尾气主要含如下一些空气污染物：NOX、SO2、CO2、CO，碳氢化合物、碳烟和铅化物等；这些污染物是造成当今气候变暖、酸雨污染和光学大气污染问题的重要原因。正是基于石油储量的问题和汽车尾气排放给大气带来的的严重环境问题，我们有必要在汽车的节能减排方面做出大的努力。2现有的汽车节能减排措施在汽车产业飞速发展的今天，为了汽车产业本身及人类的可持续发展，各大汽车公司在节能减排方面也投入了大量的人力、物力，以求寻得突破。现在在节约能源、减少排放方面主要有如下一些主要技术方向和方法。2.1汽车车身的轻量化技术大量的实验和数据表明，在风阻和滚动阻力不变的情况下，其质量每减少100kg，汽车每百公里油耗会减少（0.6～0.7）L。因此，汽车的轻量化技术的研究受到了各大汽车公司及科研机构的青睐，铝合金、镁合金、工程陶瓷以及塑料件等各种材料也纷纷应用到汽车车身及发动机制造之中。2.2替代能源车辆技术随着石油储量的不断减少，研发各种替代能源的车辆技术就成为了汽车产业界的热点。现在的研发重点在电动汽车（EV）和燃料电池汽车。电动车辆不会产生排气污染及噪音，不需要传统汽车中的离合器，也不需采用复杂的传动系统，拥有极佳的环保特性。替代燃料汽车泛指不使用石油提炼物为燃料的车辆，在车辆上应用的替代燃料的种类主要有压缩天然气（CNG）、液态天然气（LNG）、甲醇、乙醇、甲醚（DME）和氢气等。燃料电池具有极低污染，续航力高，无需充电，低噪音，高能源效率等优点，一直是被有关专家看好为将来的能源主力。车用燃料电池的燃料大致上有氢、甲醇与汽油等三大主流。2.3发动机高性能化国内外现在对发动机技术进行了大量的研究工作，其主要有以下一些技术：复合火花点火方式，缸内直喷技术，稀薄化燃烧技术，汽油机电子喷射燃油系统，分层燃烧技术，增压技术，低压缩高膨胀循环技术，可变气门相位及升程技术，可变压缩比技术，可变排量技术，减速时部分缸体休眠技术，双火花顺序点火技术，集成的起动发电机技术，E-GAS电子节气门技术等。3光催化空气以上都是从汽车本身出发，通过对汽车的结构及燃料品种的改变来达到节能的目的。我们从另外一个角度来观察，通过对进入车辆发动机燃烧室内的燃烧介质进行优化处理，提高燃料的燃烧效率，也是一种节能减排的重要方式。现在已经出现的对燃油的磁化技术就是这样一种思路的体现。本论文研究的对象是进入车辆燃烧室的空气介质，通过对空气进行光催化的处理，产生大量的活化基团，从而增强空气的活性，提高燃油的燃烧效率，达到节约能源、减少排放的目的。首先，我们有必要对燃油燃烧的机理进行初步的解释。3.1燃油燃烧的机理燃油燃烧机理是：燃油是一种液体燃料，而液体燃料的沸点总是低于它的燃点，所以液体燃料燃烧总是在蒸汽状态下进行的。也就是说，实际上参加燃烧的不是液体状态下的油而是从油表面蒸发出来的“油气”。在稳定燃烧情况下，油表面的蒸发速度等于燃烧速度，而油表面的温度接近它的沸点。燃油气化后其油气体颗粒在燃烧高温气流中飘浮，受热蒸发，扩散及着火燃烧；油滴在燃烧时形成了四层球型区域：最里层为油滴，第二层为油液表面蒸发出来的油蒸气层，第三层为火燃锋面，第四层为空气层；在油滴表面，油蒸气浓度为最大，随着油气向周围不断地扩散，浓度逐渐降低，而在火焰锋面上因油气燃烧使浓度突降到零。氧气浓度的变化值与油气相反，而温度则在火焰锋面最高。如果不考虑油滴及空气的相对运动，也不考虑火焰锋面对油滴的辐射传热；并假定油滴的蒸发是处于一种平衡状态（即蒸发的油蒸汽量等于扩散出的油蒸气量），火焰锋面向内传导的热量，等于油滴表面气化后油气扩散到火焰锋面上并使温度升高的总热量。这样经数学推导后可以得出油滴燃尽所需要时间的一个结论：在给定了温度和燃油的物理特性后，油滴燃尽所需要的时间与油滴气体分子的初始直径平方成正比。也就是初始直径越大，燃尽所需要的时间就越长。上述我们分析的是燃油单滴的燃烧过程，实际上不管是内燃机或窑炉都是燃油通过喷嘴喷雾进入燃烧室进行燃烧的，油雾就是由许多粒度不等的油滴组成的油滴群，其油滴直径是不均匀的，（据查内燃机油滴平均直径为50μm；窑护油滴平均直径200μm）油雾在燃烧室燃烧完全程度，不仅取决于油滴的平均直径，主要取决于油滴最大直径，为了使燃油彻底燃烧必须限制油滴最大直径的产生。透过以上分析，可以认识到，要让燃油能充分燃烧，就有必要从两个方面入手：一是减小雾化后进入发动机燃烧室的燃油分子的直径，包括平均直径和最大分子直径，以减少燃油分子的燃烧时间，提高燃烧效率；另一个是提高空气活性和含氧量，以促进燃油的充分燃烧。3.2光催化的理论基础光催化现象是日本的两位科学家Fujishima和Honda在1972年的半导体TiO2电极上进行光催分解水而发现的，从那以后，利用光催化来解决世界的能源问题就成为了许多科学家追求的目标。光催化过程涉及到初始的分子或底物吸收光子产生高活性的电子激发态，而光引发的效率是由系统的光吸收特征所控制的。根据定义，半导体能由价带、导带和带隙组成。价带是有一系列彼此靠得很近的能级构成，能级大小与组成晶体的原子之间存在的共价键有关。导带具有更高的能量，由一系列彼此分散但能量相近的能级构成，能级与大分子晶体的导电性有关。富电子的导带和富空穴的价带之间存在一个大小固定的禁带，限制导带电子的热运动（由此控制粒子的导电能力）。带隙同时限制了半导体的激发波长。当光的能量大于带隙能量时，光激发一个电子从价带转移到导带上，在价带边缘产生一个空穴（对空穴的一般描述是：受激发的半导体粒子的晶格上，固定的电子空位）。空穴可引发进一步的界面电子转移，或者是其他吸附物质的化学反应。光激发半导体产生的活化电子和空穴，对应分布在导带和价带的边缘。活化的电子和空穴穿过界面时，可以各自还原或氧化吸附在表面上的物质，在半导体的表面上，形成氧化了的电子给体和还原了的电子受体。如果一个光生空穴可以到达半导体的表面上，它就能够通过界面电荷转移和表面上吸附的物质发生反应，这样，吸附的电子给体可以把电子转移给表面上的光生空穴，本身发生氧化反应；吸附的电子受体也可以接受表面上的电子，发生还原反应。空穴捕获发生阳离子自由基D.+，电子捕获产生阴离子自由基A.-，如下面反应式：hhv,etorSemiconducDDhAAh3.3光催化空气在车辆节能减排方面的实现通过分析，我们可以将具体光催化的机理解析为：只要半导体吸收的光能不小于其禁带宽度，价带上的电子（e-）就可以被激发跃迁到导带，在价带上产生相应的空穴（h+），随后h+和e-与吸附在TiO2表面上O2以及H2O等发生作用，生成OH和O2-等具有极强活性的基团，同时产生的电子和空穴还有复合的可能，故半导体TiO2的光催化性在一定意义上是永久性的。其过程如下：heTiOhv,2OHHOHh2222OHOOeH22222OHOOH2222OOHOHOOHhvhe或热从上面的光催化空气的过程可以知道，反应过程中产生了大量的强活性基团：（羟基），H+和O2-（超氧基）。这些强活性基团的产生大大的增强了空气的活性；另外，空气中的负离子也会产生红外辐射磁化作用，进而提高燃烧室内的酸度，有效减少了空气中的微粒子和潮湿状况，进一步激发空气的活性。从而提高在发动机燃烧室内与燃油燃烧的效率，促使燃油的燃烧效率的提升，达到节约燃油、减少排放的目的。为了达到以上的目的，我们设计的简单实验装置图，如图1所示。前端口外壳体光催化剂紫外灯后端口图1光催化装置简图此装置安置于汽车的滤清器腔内，前端口与进气管相连，后端口直接放置于滤清器体内。空气经进气管进入下图的光催化装置中，经光催化装置进行紫外光光催化反应后，再进入空气滤清器，接着完成在空气流量计、节气门体、进气总管、最后分配到各进气支管与喷油器喷出的燃油混合后进入发动机气缸内燃烧的过程。4结论利用紫外光催化进入车辆发动机内的空气，增强空气的活性，从而提高燃油的燃烧效率，达到节约能源、减少排放的目的，是个简便而经济的方式。随着社会经济的发展，社会车辆的保有量也快速的增加，解决社会保有车辆的尾气排放问题也是一个社会不容忽视的。本论文提出的方法明了，装置简单，很好的解决了现有车辆的尾气排放问题，具有较好的社会及经济效益，同时对新车的节能也能有很好的效用。参考文献【1】张金龙，陈峰，何彬著.光催化.上海：华东理工大学出版社，2004【2】岑可河，姚强，骆仲泱，高翔.燃烧理论与污染控制.北京：机械工业出版社，2004【3】俞明，孙国斌，蔡锐彬.燃油磁化对发动机排放及节能影响的实验研究.华南理工大学学报（自然科学版），2001（7）【4】杨沿平，郝夏艳，唐杰.我国汽车节油现状及对策分析.湖南大学学报（科学社会版），2008（3）