浅析发动机低污染排放技术及其应用

浅析发动机低污染排放技术及其应用

李粟,邹林,卢中轩,张磊

中汽研汽车检验中心（天津）有限公司300300

摘要：随着汽车排放法规的日趋严格，人们对汽车排放控制技术进行了越来越深入的研究。本文详细介绍发动机排放的形成机理以及当前对发动机排放控制研究的方向和成果，对低污染排放车辆的研制具有参考价值。

关键词:低污染排放；形成机理；研究；参考价

汽车都是燃烧汽油的，汽油的主要成分是碳和氮，汽油燃烧后产生二氧化碳、一氧化碳、水等，但由于汽油的组成还有较多的杂质，同时由于客观因素影响，汽油的燃烧并不彻底，这就造成了有害物质的形成，根据相关调查显示，汽车尾气的组成较为复杂，其中包含了100种以上的气体，而其中对环境造成污染的主要气体有一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物。一氧化碳是剧毒气体，一旦接触到人身体，将会造成较大的伤害，同时如果误吸了一氧化碳，将阻碍人体器官的运转，甚至会影响心肺功能，而碳氢化合物形成过多后，会聚集在一切形成有毒的烟雾，导致致癌物的产生，这些气体的有害性都相对较强。氮氧化合物具有一定的腐蚀性，毒性超过一氧化碳，一旦触碰到人身体，眼睛会直接损坏，而吸入后肺部也会产生影响，也是酸雨形成的原因之一，会导致植物的叶绿素丢失，造成大面积死亡的现象。根据相关调查显示，汽车在走走停停的过程中，汽油燃烧的并不充分，这种情况产生的污染气体是最多的，其中包含了非常细小的颗粒物，是非常容易被人吸入的，同时尾气污染物不仅仅是刺激人体，还会导致一系列并发症，如咳嗽、哮喘等，导致呼吸系统不良发展。

1发动机低污染排放控制概述

内燃机的发明促进了人类文明和工业化。工业化和发动机人口的同时增长，加上矿物资源的消耗，导致燃料价格上涨。石油是欧洲、非洲和美洲的主要燃料，而煤炭是亚太地区的主要燃料。石油仍然是世界上最主要的燃料，占所有能源消耗的三分之一多一点。目前，以汽油和柴油为主要燃料的石油产品主要用于交通运输约占65%。内燃机在燃料燃烧过程中产生各种排放物和温室气体。未燃碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化物、二氧化碳和颗粒物是废气的主要成分。在氮氧化物和阳光的存在下，HC和CO反应生成地面臭氧，这对生活环境是危险的。自从19世纪末第一台内燃机车问世以来，内燃机汽车经过110多年的不断发展和改进，在与蒸汽机汽车、燃气轮机车等竞争激烈的市场上取得了一席之地。但内燃机汽车也有其自身的缺陷，即其尾气中的有害物质严重污染了环境，危害了人类的健康和植物的生长。伴随着世界上工业发达的国家经济的不断发展，汽车保有量大大增加，汽车尾气又成为主要的城市污染源之一。为了解决这个问题，自20世纪70年代初以来，发达国家纷纷制定汽车排放标准，控制汽车排放对人类生存环境造成的日益严重的危害。汽车尾气排放标准的出台和实施，迫使汽车行业及相关研究机构投入大量的人力、物力进行研究，以减少各种尾气排放物质对环境的危害。不可否认，在未来几十年内，内燃机仍然是客车，尤其是重型运输车辆的主要动力装置。另外，在未来几十年里，燃料消耗将大大减少。为了满足严格的排放法规和经济需求，传统的内燃机，如压缩点火发动机和火花点火发动机，需要配备精密的后处理系统，就像一个微型的“化学工厂”来转化有毒废气。因此，排气再循环、三元催化转化器和特殊过滤器被广泛应用于汽油机，而EGR、柴油氧化催化剂、选择性催化还原、柴油特殊过滤器则被广泛应用于柴油机。显然，内燃机排放转换系统的复杂性及其成本过高。

2低污染排放控制技术的研究

2.1采用降低发动机排放的燃烧技术

2.1.1分层充气预混稀薄燃烧

普通汽油机的空燃比为10～20，理论空燃比为14.6，高压缩比的发动机可以将空燃比提高到25，分层充气预混稀薄燃烧发动机能够将压缩比提高至50。分层充气预混稀薄燃烧的原理是使在火花塞附近的混合气接近理论空燃比，使在燃烧室的其它部分气体为稀混合气，燃烧在易燃的混合气部分开始，然后火焰再传至稀混合气部分。由于有较高的燃油经济性和较低的排放，各种分层充气预混稀薄燃烧发动机得到了较大的发展。

2.1.2匀质混合压缩点火式燃烧技术

传统的火花点火发动机的燃烧过程在火焰传播中，火焰前沿和后面的混合气温度比未燃混合气高很多，所以这种燃烧过程虽然混合气是均匀的，但是温度分布仍不均匀，局部的高温会导致在火焰经过的区域形成NOX。HCCI燃烧方式的出现，有效地解决了传统匀质稀薄点燃烧速度慢的缺点，有别于传统汽油机均质点燃预混燃烧、柴油机非均匀压燃扩散燃烧和GDI发动机分层燃烧。HCCI发动机不同于常规汽油机的单点点火方式，它是利用均质混合气，通过提高压缩比、采用废气再循环，进气加温和增压等手段提高缸内混合气的温度和压力，促使混合气进行压缩自燃，在缸内形成多点火核，有效地维持燃烧的稳定性，并减少了火焰传播距离和燃烧持续期。

2.2后处理技术

2.2.1催化还原技术催化还原包括选择性催化还原和吸附性催化还原两种。选择性催化还原是在常规的三效催化转化器中有选择地使用两种催化剂：一种为非贵重金属催化剂，涂覆在酸性载体上，在高温下起催化作用；另一种催化剂一般为贵重金属，它在低温下起作用。采用这种方法，发动机可以始终在稀混合气运转，利用发动机排出的HC还原NOX，但转换效率比较低，一般在15%左右。另外，还可以通过附属装置将其它还原剂喷射到排气管中，采用氨、尿素等做还原剂时其转换效率可达到70%以上，但目前在点燃式发动机上应用还存在很多困难。

2.2.2选择性NOX再循环技术

选择性NOX再循环技术与废气再循环原理极为相似，是将NOX吸收器吸收的NOX引到进气歧管，再次进入发动机气缸参与反应。两个吸收器并列安装在发动机的排气管上，系统工作时两个吸收器交替在吸收或释放的工作状态，在吸收器的前端设有控制阀，可将发动机的排气有选择地导入其中一个吸收器。吸收器后端设有回流阀，用来控制吸收器释放NOX的再循环。发动机工作过程中，吸收器前后阀门协调工作，使NOX的吸收和释放同时进行。发动机的排气在前端阀门的导向作用下，进入处于吸收状态的吸收器中，排气中的NOX被吸收；当该吸收器达到饱和时，前端的控制阀就将排气导入另一吸收器吸收NOX。

2.3燃料电池技术

燃料电池是一种不经过燃烧，将氢直接转化为电能和热量的电化学设备，燃料电池也是绿色的发动机，因为它以氢为能源，排气中只有水.因此，21世纪的航空推进将从当前依靠化学燃烧的能源逐渐转向一个采用混合能源的系统，最后将转向大部分依赖基于电化学能源.向绿色发动机过渡的第一步是实验性地发展以燃料电池为动力的无人机和通用飞机.美国波音公司计划在B737飞机上验证一种基于燃料电池的辅助动力装置，并可能在2010年以后在民用飞机上采用。同时发展的还有基于固态氧化物燃料电池的先进的APU。波音公司预计，这种电池可使效率提高45%，相当于一架典型的B777飞机每年可节省340500kg的重量。

3结束语

随着人们对全球气候变暖和空气污染的重视程度的提高，以及对全球石油资源的忧虑，世界各大汽车企业和研究机构都投入了大量的经费来研究汽车发动机的燃烧及后处理技术，提出了许多新的思路和方法，如清洁燃料车、混合动力车等，从不同的角度来解决汽车的燃料经济性和有害气体排放的问题，并且都取得了一定的成效，但同时也还存在着许多问题。对我国汽车制造企业来说，了解并掌握汽车发动机污染控制的最新技术并加以应用，不但可以增强其产品的技术含量，满足越来越严格的排放法规的要求，而且可以提高其产品的市场竞争力和企业的生命力。

参考文献

 [1]赵坚行.民用发动机污染排放及低污染燃烧技术发展趋势[J].航空动力学报，2008（06）：986-996.

[2]刘剑.发动机低污染排放控制技术的研究方向与现状[J].客车技术与研究，2005（02）：4-7.