一種降低汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車尾氣中有害氣體排放的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種降低汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車尾氣中有害氣體排放的方法，其特征是：在化油器中將汽油與混有霧化水的空氣進(jìn)行霧化混合，然后進(jìn)入氣缸燃燒，其中霧化水與汽油的體積比為0.01～0.05：8～10。其優(yōu)點(diǎn)是：簡(jiǎn)單實(shí)用，在汽車現(xiàn)有尾氣排放量的基礎(chǔ)上，能夠有效降低尾氣中CO、HC和NOx的含量，其中：碳?xì)浠衔锏暮拷档?5%以上，一氧化碳的含量降低30%以上，氮氧化物的含量降低25%以上，有效減少了汽車尾氣對(duì)大氣環(huán)境的污染。
【專利說(shuō)明】一種降低汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車尾氣中有害氣體排放的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種降低汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車尾氣中有害氣體排放的方法，屬于環(huán)保【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]汽油發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)稱汽油機(jī)，汽油機(jī)在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的有害成分主要為一氧化碳CO、碳?xì)浠衔颒CX、氮氧化物NOx、硫氧化物SOx和鉛化合物等。其中，硫氧化物和鉛氧化物可以通過(guò)降低燃料中的含硫量以及采用無(wú)鉛汽油來(lái)有效控制。目前各國(guó)執(zhí)行的排放法規(guī)主要限制的是CO、HC和N0X，還有一些目前各國(guó)排放限制法規(guī)尚未限制的成分，如甲醛、乙醛、苯、乙酰甲醛和丁二烯等。
[0003]汽油機(jī)主要排放污染物生成機(jī)理及影響因素:
1、一氧化碳，CO是燃料在燃燒過(guò)程中的重要中間產(chǎn)物和不完全燃燒產(chǎn)物，是汽油機(jī)排氣中有害濃度最大的成分，其生成機(jī)理比較復(fù)雜。若以R代表碳?xì)涓?，則在燃燒過(guò)程中生成CO要經(jīng)理如下反應(yīng):
RH — R — RO2 — RCHC — RCO — CO
式中RCO自由基生成CO是通過(guò)熱分解或通過(guò)02、0Η、0、Η等發(fā)生反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。 [0004]在汽油機(jī)缸內(nèi)混合氣達(dá)到一定的反應(yīng)溫度，并在有氧化劑存在的情況下，CO將繼續(xù)按鏈反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行反應(yīng)而生成最終燃燒產(chǎn)物CO2:
C0+H0 — C02+H
在燃燒火焰中，通常OH的濃度較高，因此CO按下式進(jìn)行氧化反應(yīng)的速度是很慢的: CO+ O2 — co2+o
如果燃燒過(guò)程中局部空間和瞬時(shí)存在下列條件之一，則CO不能繼續(xù)燃燒生成CO2而被排放出機(jī)外:①反應(yīng)著的氣體溫度突然過(guò)低；②反應(yīng)著的氣體突然缺乏氧化劑反應(yīng)物停留在適合于反應(yīng)條件的時(shí)間過(guò)短。
[0005]CO的生成除了跟上述反應(yīng)有關(guān)外，還與CO2和H2O的高溫離解反應(yīng)有關(guān)，CO2和H2O的離解反應(yīng)分別為:
2C02 — 2C0+02
2H20 — 2H2 +O2
兩個(gè)離解反應(yīng)均為吸熱反應(yīng)，其離解率隨溫度的升高而增大，其中離解產(chǎn)物4和0)2發(fā)生反應(yīng)生成CO和H2O:
H2+C02 — CO+ H2O
這就是汽油機(jī)在不缺氧的情況下仍有CO排除的兩個(gè)原因。
[0006]CO的生成主要受混合氣濃度的影響，在過(guò)量空氣系數(shù)(實(shí)際空燃比與理論空燃比的比值)λ < I的濃混合氣工況時(shí)，由于缺氧使燃料中的C不能完全氧化成CO2,CO作為其中間產(chǎn)物生成。在λ > I的稀混合氣工況時(shí)，理論上不應(yīng)有CO產(chǎn)生，但實(shí)際燃燒過(guò)程中，由于混合不均勻造成局部區(qū)域的λ < I條件成立，由局部燃燒不完全而產(chǎn)生CO;或者已成為燃燒產(chǎn)物的CO2和H2O在高溫時(shí)吸熱，產(chǎn)生熱離解反應(yīng)，由此生成CO。另外，在排氣過(guò)程中，未燃碳?xì)浠衔颒C的不完全氧化也會(huì)產(chǎn)生少量CO。
[0007]燃燒終了時(shí)的CO濃度一般取決于燃?xì)鉁囟?，但由于汽油機(jī)膨脹過(guò)程中缸內(nèi)溫度下降很快，以至于溫度下降速度遠(yuǎn)快于氣體中各成分建立新的平衡過(guò)程的速度，即產(chǎn)生“凍結(jié)”現(xiàn)象，使實(shí)際的CO濃度要高于排放其溫度相對(duì)應(yīng)的化學(xué)平衡濃度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，CO在汽油機(jī)排氣中的濃度近似等于1527°C時(shí)的CO平衡濃度。
[0008]2、碳?xì)浠衔颒C，汽油機(jī)排氣中的碳?xì)浠衔锲涑煞謽O其復(fù)雜，有未參加燃燒的燃油碳?xì)浠衔锓葑?，有燃燒過(guò)程中高溫分解和合成的中間產(chǎn)物和部分氧化物，如醛、烯及芳香族烴等。不完全燃燒產(chǎn)物以及潤(rùn)滑的碳?xì)浠衔锏瘸煞?，種類達(dá)200余種。在以預(yù)均勻混合氣進(jìn)行燃燒的汽油機(jī)中，HC與CO —樣，也是一種不完全燃燒(氧化)的產(chǎn)物，因而與過(guò)量空氣系數(shù)λ有密切關(guān)系。但即使λ ^ I的條件下，往往也會(huì)產(chǎn)生很高的HC排放，這是應(yīng)為HC還有粹熄、縫隙效應(yīng)和吸附等生成原因。液化石油氣和壓縮天然氣等疝氣發(fā)動(dòng)機(jī)中HC的恒誠(chéng)機(jī)理與汽油機(jī)基本相同。(I)不完全燃燒，汽油機(jī)中不完全燃燒的原因主要有:怠速及高負(fù)荷工況時(shí)，可燃混合氣體濃度處于λ < I的過(guò)濃狀態(tài)，加之怠速時(shí)殘余廢棄系數(shù)較大，燃燒速率下降，火焰不能傳遍整個(gè)燃燒室，發(fā)生大面積的可燃混合氣粹熄現(xiàn)象，造成不完全燃燒，使未燃HC排放劇增。失火也是汽油機(jī)HC排放的重要原因；另外，汽車在加速或減速時(shí)，會(huì)造成瞬時(shí)的混合氣過(guò)濃或過(guò)稀現(xiàn)象，也會(huì)產(chǎn)生不完全燃燒或失火。當(dāng)然，即使在λ > I時(shí)，由于尤其混合不均勻，也會(huì)因不完全燃燒產(chǎn)生HC排放。(2)燃燒室內(nèi)的縫隙效應(yīng)，燃燒室內(nèi)存在很多縫隙，如由活塞頂部與缸壁之間，及第一、二道活塞環(huán)背后組成的縫隙，這部分縫隙占總縫隙的80%，其他縫隙還存在于汽缸蓋和氣缸墊的接合面、火花塞螺栓、進(jìn)排氣門頭部周圍等處?？p隙對(duì)HC的生成起著重要的作用。當(dāng)缸內(nèi)壓力升高時(shí)，會(huì)將一部分微少的可燃混合氣壓進(jìn)縫隙中去，由于縫隙很窄，面容很大，混合氣流入縫隙中被雙臂冷卻，火焰無(wú)法傳入到縫隙中去，使其中存在的燃油(也包括潤(rùn)滑油)不能燃燒，于是形成未然HC，當(dāng)膨脹、排氣過(guò)程中缸內(nèi)壓力降低時(shí)，未然HC從縫隙中返回氣缸并隨廢氣排出氣缸。研究表明，約有5%-10%新鮮混合氣由于縫隙效應(yīng)會(huì)躲過(guò)火焰?zhèn)鞑サ娜紵^(guò)程。這種縫隙效應(yīng)應(yīng)是產(chǎn)生未然HC的重要來(lái)源。(3)燃燒室缸壁粹熄效應(yīng)，在燃燒過(guò)程中，燃?xì)鉁囟雀哌_(dá)2000°C以上，而氣缸壁面溫度在300°C以下，因而靠近壁面的氣體受低溫壁面的影響，溫度遠(yuǎn)低于燃?xì)鉁囟?，并且氣體的流動(dòng)也較弱。所謂壁面粹熄效應(yīng)是指溫度較低的燃燒室壁面對(duì)火焰的迅速冷卻(也稱冷激)，使活化瘋子的能量被吸收，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中斷，在壁面形成厚約0.1-0.2 mm左右的不燃燒或不完全燃燒的火焰粹熄層，產(chǎn)生大量未然HC。粹熄層厚度隨發(fā)動(dòng)機(jī)工況、混合氣湍流程度和壁溫的不同而不同，小符合時(shí)較厚，特別是啟動(dòng)和怠速時(shí)轉(zhuǎn)速較低，此時(shí)壓縮終了混合氣的溫度和壓力都比較低，因此有很大一部分燃油將以油膜的形式滯留在氣道壁面上、進(jìn)氣門處和氣缸上，這些油膜將隨環(huán)境溫度的提高而揮發(fā)，形成“后氣化”現(xiàn)象，使排放情況惡化。(4)壁面油膜和積碳的吸附，在進(jìn)氣和壓縮過(guò)程中，氣缸壁面上的潤(rùn)滑油膜，以及沉積在活塞頂部、燃室壁面和進(jìn)氣門、排氣門上的多孔性積碳，會(huì)吸附未然混合氣，而在膨脹過(guò)程和排氣過(guò)程中逐步脫附釋放出來(lái)。像上述粹熄層一樣，這些HC的少部分被氧化，大部分則隨廢氣排出氣缸。據(jù)研究，這種由油膜和積碳吸附產(chǎn)生的HC排放占總量的35%-50%。對(duì)于一些在用車輛的汽油機(jī)，往往存在較厚的積碳層，當(dāng)清除積碳后，HC排放會(huì)降低20%-30%。[0009]3、氮氧化物N0X，內(nèi)燃機(jī)排氣中的氮氧化物NOx主要是NO，但進(jìn)入空氣后很快被氧化成NO2。NOx的生成機(jī)理與HC及CO不同，它不是混合氣不完全燃燒的結(jié)果，與燃燒的擴(kuò)散、燃?xì)獾幕旌蠞舛确植肌⒒鹧鏉舛确植技盁岬膫鞯降纫幌盗幸蛩赜嘘P(guān)，反應(yīng)機(jī)理十分復(fù)雜。汽油中基本不含氮的成分，NOx的生成主要來(lái)源于燃燒所需的空氣中N2與O2在燃燒高溫作用下所發(fā)生的熱反應(yīng)機(jī)理(即Thermal NO反應(yīng)機(jī)理)。此機(jī)理認(rèn)為，與可以很快達(dá)到彭亨狀態(tài)的燃燒反應(yīng)速度相比，NO生成過(guò)程比較緩慢，對(duì)溫度的一來(lái)性較大，需要吸收較多的熱量，一般要到火焰后期才產(chǎn)生有關(guān)反應(yīng)，其反應(yīng)基本過(guò)程是:
Ν+0Η — Ν0+Η
上述反應(yīng)過(guò)程稱之為生成NO擴(kuò)大的謝爾多維奇2 (Zeldovich)鏈反應(yīng)機(jī)理。
[0010]另外，在火焰初期實(shí)際上也存在早期生成的NO，通常稱之為瞬發(fā)的NO (PromptNO)，在反應(yīng)氣體中含有較多的原子團(tuán)和含氮的中間體，這些含氮的中間體十分活躍，能比按謝爾多維奇機(jī)理預(yù)測(cè)的速度更快的生成附加的NO。
[0011]氮氧化物的生成主要取決于燃燒溫度以及氧的濃度。在氧濃度稍稀(λ =1.1)且高溫情況下，NO生成濃度為最高。高溫是最重要的條件，即使氧很充分，但如果燃燒溫度不高，氧的分解進(jìn)程也很慢，NO的生成濃度低。
[0012]此外NOx的濃度還與混合氣在高溫下的滯留時(shí)間有關(guān)，在高溫下滯留的之間愈長(zhǎng)，則NOx的濃度愈大。因此，點(diǎn)火提前角對(duì)NOx生成率有顯著的影響，隨著點(diǎn)火提前角的減小，最高燃燒溫度降低，燃?xì)庠诟邷叵聹魰r(shí)間縮短，NOx的生成率隨之下降，并且在稀混合氣時(shí)NOx生成率下降的效果更明顯，起原因在于濃混合氣中^,基本上是由火焰初期的PromptNO反應(yīng)生成，而在稀混合 氣中，NOx主要在火焰后期的已燃燒氣體中產(chǎn)生，此時(shí)NO的生成速度降低。
[0013]因此在足夠的氧濃度條件下，溫度越高和反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，則NO的生成量越大。
[0014]CO是燃料不完全燃燒的產(chǎn)物，是一種物色、無(wú)刺激、無(wú)味的氣體。CO被人體吸入后，會(huì)在血液中取代氧而形成牢固的血紅蛋白，影響氧氣輸送。人會(huì)由于缺氧而感到疲勞，引起頭暈、惡心等中毒癥狀，甚至導(dǎo)致窒息死亡。CO的另一種危害是促使NO向NO2轉(zhuǎn)化，死亡化學(xué)煙霧增加。城市大氣中的大部分CO是汽車排放的，CO是汽油機(jī)排氣中有害濃度最大的成分，CO在大氣低層停留的時(shí)間較長(zhǎng)，其累計(jì)濃度常常超過(guò)允許值，因此要特別引起注
O
[0015]HC是燃燒后生成的多重碳?xì)浠衔锏目偡Q，其中含有少量醛類(甲醛和丙烯醛)和芳香烴(最后組成苯并芘)。每種化合物的量很少，但其共同作用十分明顯。甲醛、丙烯醛具有強(qiáng)烈氣味，對(duì)鼻、眼和呼吸道的粘膜有刺激作用，可引起結(jié)膜炎、鼻炎等。苯并芘是一種致癌物質(zhì)。汽車密集的城市癌癥發(fā)病率比汽車排污少的地區(qū)高的多。此外，碳?xì)浠衔锱c氮氧化物反應(yīng)會(huì)形成化學(xué)煙霧。
[0016]汽車排氣中排出的NOxS要是一氧化氮和二氧化氮。NO是一種無(wú)色無(wú)味的氣體，毒性不大，在空氣中能生成NO2，但高濃度的NO對(duì)血液有毒性作用，能使神經(jīng)麻痹，使中樞神經(jīng)癱瘓及痙攣。NO2是一種紅棕色氣體，有強(qiáng)烈的刺激性氣味，是汽車排氣中惡臭物質(zhì)成分之一，被吸入肺部時(shí)，能與肺部水分結(jié)合生成可溶性酸，有刺激作用，可引起獨(dú)具特點(diǎn)的閉塞性纖維性支氣管炎，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起肺氣腫。在強(qiáng)烈陽(yáng)光下會(huì)產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)，形成二次污染。[0017]汽車內(nèi)燃機(jī)排氣中，HC和NOx混合在一起，在強(qiáng)烈的陽(yáng)光照射下回產(chǎn)生一些列復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng)，生成抽樣和各種化合物而形成煙霧，稱為光化學(xué)煙霧。抽樣煽油很強(qiáng)的氧化性和毒性,化合物中含有甲醛、丙烯醛、硫酸等,這些化合物會(huì)產(chǎn)生毒性較大的淺藍(lán)色煙霧，即光化學(xué)煙霧。光化學(xué)煙霧會(huì)阻礙視線，刺激眼睛，引起咳嗽，并能致癌；使植物枯萎，并且會(huì)使承受壓力狀態(tài)的橡膠開裂。
[0018]為了抑制這些有害氣體的產(chǎn)生，促使汽車生產(chǎn)廠家改進(jìn)產(chǎn)品以降低這些有害氣體的產(chǎn)生源頭，歐洲和美國(guó)都制定了相關(guān)的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)。其中歐洲標(biāo)準(zhǔn)是我國(guó)借鑒的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)，目前國(guó)產(chǎn)新車都會(huì)標(biāo)明發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放達(dá)到的歐洲標(biāo)準(zhǔn)。為了能夠使汽車達(dá)到相關(guān)的排放標(biāo)準(zhǔn)，所采取的有效措施主要有:1、加大技術(shù)創(chuàng)新的力度，減少尾氣排放；2、從改善燃料入手降低尾氣排放，如:采用無(wú)鉛汽油，以代替有鉛汽油；摻入添加劑，改變?nèi)剂铣煞郑贿x用恰當(dāng)?shù)臐?rùn)滑添加劑、機(jī)械摩擦改進(jìn)劑；采用綠色燃料減少汽車尾氣有毒氣體排放量；采用多種燃料作為汽車燃料來(lái)源；推廣車用乙醇汽油；3、采用汽車三元催化器治理尾氣等，上述措施對(duì)減少尾氣排放的確起到了積極的作用，但隨著機(jī)動(dòng)車的不斷增加，保護(hù)大氣環(huán)境是仍然目前世界范圍內(nèi)最為關(guān)注的問題之一。目前大氣低層中污染物有60%來(lái)自于汽車尾氣，汽車尾氣已經(jīng)成為最嚴(yán)重的大氣污染物，大城市大氣環(huán)境污染編的日益突出，北京、廣州、上海、重慶等大城市，單車污染物排量較大，據(jù)環(huán)保部門的研究結(jié)果，北京市機(jī)動(dòng)車排放對(duì)大氣污染物種，CO、HC的分擔(dān)率分別為63.4%,73.4% ;上海市中心地方去機(jī)動(dòng)車排放對(duì)大氣中C0、HC的分擔(dān)率分別為86%、96%。汽車尾氣所引起的環(huán)境污染大致可分為兩類:(1)區(qū)域性污染，指廢氣中的CO、HC、NOx、顆粒排放、苯、甲醛、等有毒氣體對(duì)人類健康的損害。(2)全球性污染，指廢氣中的CO2等氣體造成溫室效應(yīng)，致使全球變暖，同時(shí)使地球臭氧層遭到破壞；而廢氣中所含的SO2導(dǎo)致的酸雨，造成森林死亡危害地球生物。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]本發(fā)明的目的是從改善汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率入手，提供一種降低汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車尾氣中有害氣體排放的方法。
[0020]本發(fā)明的方法如下:
在化油器中將汽油與混有霧化水的空氣進(jìn)行霧化混合，然后進(jìn)入氣缸燃燒，其中霧化水與汽油的體積比為0.01?0.05:8?10。
[0021]所述霧化水由霧化水裝置產(chǎn)生，霧化水裝置安裝在汽車的汽化器中。
[0022]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:簡(jiǎn)單實(shí)用，在汽車現(xiàn)有尾氣排放量的基礎(chǔ)上，能夠有效降低尾氣中CO、HC和NOx的含量，其中:碳?xì)浠衔锏暮拷档?5%以上，一氧化碳的含量降低30%以上，氮氧化物的含量降低25%以上，有效減少了汽車尾氣對(duì)大氣環(huán)境的污染。
【具體實(shí)施方式】
[0023]實(shí)施例:
在1.8升手動(dòng)擋汽油轎車上實(shí)施本發(fā)明，轎車的百公里油耗為8升，將兩個(gè)超聲波霧化水罐安裝在汽車的汽化器中，兩個(gè)超聲波霧化水罐百公里產(chǎn)生0.4升霧化水，在汽車運(yùn)行中，霧化水在汽化器中與空氣混合進(jìn)入化油器，進(jìn)入化油器的霧化水每百公里約為0.03升。在化油器中汽油與混有霧化水的空氣進(jìn)行霧化混合，然后進(jìn)入氣缸燃燒，通過(guò)一年多的試驗(yàn)，效果良好。經(jīng)檢測(cè)部門檢測(cè)，結(jié)果如下:
【權(quán)利要求】
1.一種降低汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車尾氣中有害氣體排放的方法，其特征是:在化油器中將汽油與混有霧化水的空氣進(jìn)行霧化混合，然后進(jìn)入氣缸燃燒，其中霧化水與汽油的體積比為0.0l ?0.05:8 ?10。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車尾氣中有害氣體排放的方法，其特征是:所述霧化水由霧化水裝置產(chǎn)生，霧化水裝置安裝在汽車的汽化器中。
【文檔編號(hào)】F02M25/025GK103953469SQ201410107096
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月21日
【發(fā)明者】馬彬輝 申請(qǐng)人:馬彬輝