一種降低汽油發(fā)動機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)動機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行霧化混合，然后進入氣缸燃燒，其中霧化水與汽油的體積比為0.01～0.05：8～10。其優(yōu)點是：簡單實用，在汽車現(xiàn)有尾氣排放量的基礎上，能夠有效降低尾氣中CO、HC和NOx的含量，其中：碳氫化合物的含量降低15%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大氣環(huán)境的污染。
【專利說明】一種降低汽油發(fā)動機汽車尾氣中有害氣體排放的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種降低汽油發(fā)動機汽車尾氣中有害氣體排放的方法，屬于環(huán)保【技術領域】。
【背景技術】
[0002]汽油發(fā)動機簡稱汽油機，汽油機在燃燒過程中產(chǎn)生的有害成分主要為一氧化碳CO、碳氫化合物HCX、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降低燃料中的含硫量以及采用無鉛汽油來有效控制。目前各國執(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]汽油機主要排放污染物生成機理及影響因素:
1、一氧化碳，CO是燃料在燃燒過程中的重要中間產(chǎn)物和不完全燃燒產(chǎn)物，是汽油機排氣中有害濃度最大的成分，其生成機理比較復雜。若以R代表碳氫根，則在燃燒過程中生成CO要經(jīng)理如下反應:
RH — R — RO2 — RCHC — RCO — CO
式中RCO自由基生成CO是通過熱分解或通過02、0Η、0、Η等發(fā)生反應實現(xiàn)的。 [0004]在汽油機缸內(nèi)混合氣達到一定的反應溫度，并在有氧化劑存在的情況下，CO將繼續(xù)按鏈反應機理進行反應而生成最終燃燒產(chǎn)物CO2:
C0+H0 — C02+H
在燃燒火焰中，通常OH的濃度較高，因此CO按下式進行氧化反應的速度是很慢的: CO+ O2 — co2+o
如果燃燒過程中局部空間和瞬時存在下列條件之一，則CO不能繼續(xù)燃燒生成CO2而被排放出機外:①反應著的氣體溫度突然過低；②反應著的氣體突然缺乏氧化劑反應物停留在適合于反應條件的時間過短。
[0005]CO的生成除了跟上述反應有關外，還與CO2和H2O的高溫離解反應有關，CO2和H2O的離解反應分別為:
2C02 — 2C0+02
2H20 — 2H2 +O2
兩個離解反應均為吸熱反應，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)生反應生成CO和H2O:
H2+C02 — CO+ H2O
這就是汽油機在不缺氧的情況下仍有CO排除的兩個原因。
[0006]CO的生成主要受混合氣濃度的影響，在過量空氣系數(shù)(實際空燃比與理論空燃比的比值)λ < I的濃混合氣工況時，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，理論上不應有CO產(chǎn)生，但實際燃燒過程中，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在高溫時吸熱，產(chǎn)生熱離解反應，由此生成CO。另外，在排氣過程中，未燃碳氫化合物HC的不完全氧化也會產(chǎn)生少量CO。
[0007]燃燒終了時的CO濃度一般取決于燃氣溫度，但由于汽油機膨脹過程中缸內(nèi)溫度下降很快，以至于溫度下降速度遠快于氣體中各成分建立新的平衡過程的速度，即產(chǎn)生“凍結”現(xiàn)象，使實際的CO濃度要高于排放其溫度相對應的化學平衡濃度。根據(jù)經(jīng)驗，CO在汽油機排氣中的濃度近似等于1527°C時的CO平衡濃度。
[0008]2、碳氫化合物HC，汽油機排氣中的碳氫化合物其成分極其復雜，有未參加燃燒的燃油碳氫化合物份子，有燃燒過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)物以及潤滑的碳氫化合物等成分，種類達200余種。在以預均勻混合氣進行燃燒的汽油機中，HC與CO —樣，也是一種不完全燃燒(氧化)的產(chǎn)物，因而與過量空氣系數(shù)λ有密切關系。但即使λ ^ I的條件下，往往也會產(chǎn)生很高的HC排放，這是應為HC還有粹熄、縫隙效應和吸附等生成原因。液化石油氣和壓縮天然氣等疝氣發(fā)動機中HC的恒誠機理與汽油機基本相同。(I)不完全燃燒，汽油機中不完全燃燒的原因主要有:怠速及高負荷工況時，可燃混合氣體濃度處于λ < I的過濃狀態(tài)，加之怠速時殘余廢棄系數(shù)較大，燃燒速率下降，火焰不能傳遍整個燃燒室，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HC排放的重要原因；另外，汽車在加速或減速時，會造成瞬時的混合氣過濃或過稀現(xiàn)象，也會產(chǎn)生不完全燃燒或失火。當然，即使在λ > I時，由于尤其混合不均勻，也會因不完全燃燒產(chǎn)生HC排放。(2)燃燒室內(nèi)的縫隙效應，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、進排氣門頭部周圍等處?？p隙對HC的生成起著重要的作用。當缸內(nèi)壓力升高時，會將一部分微少的可燃混合氣壓進縫隙中去，由于縫隙很窄，面容很大，混合氣流入縫隙中被雙臂冷卻，火焰無法傳入到縫隙中去，使其中存在的燃油(也包括潤滑油)不能燃燒，于是形成未然HC，當膨脹、排氣過程中缸內(nèi)壓力降低時，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會躲過火焰?zhèn)鞑サ娜紵^程。這種縫隙效應應是產(chǎn)生未然HC的重要來源。(3)燃燒室缸壁粹熄效應，在燃燒過程中，燃氣溫度高達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，溫度遠低于燃氣溫度，并且氣體的流動也較弱。所謂壁面粹熄效應是指溫度較低的燃燒室壁面對火焰的迅速冷卻(也稱冷激)，使活化瘋子的能量被吸收，鏈式反應中斷，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)動機工況、混合氣湍流程度和壁溫的不同而不同，小符合時較厚，特別是啟動和怠速時轉(zhuǎn)速較低，此時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，在進氣和壓縮過程中，氣缸壁面上的潤滑油膜，以及沉積在活塞頂部、燃室壁面和進氣門、排氣門上的多孔性積碳，會吸附未然混合氣，而在膨脹過程和排氣過程中逐步脫附釋放出來。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%。對于一些在用車輛的汽油機，往往存在較厚的積碳層，當清除積碳后，HC排放會降低20%-30%。[0009]3、氮氧化物N0X，內(nèi)燃機排氣中的氮氧化物NOx主要是NO，但進入空氣后很快被氧化成NO2。NOx的生成機理與HC及CO不同，它不是混合氣不完全燃燒的結果，與燃燒的擴散、燃氣的混合濃度分布、火焰濃度分布及熱的傳到等一系列因素有關，反應機理十分復雜。汽油中基本不含氮的成分，NOx的生成主要來源于燃燒所需的空氣中N2與O2在燃燒高溫作用下所發(fā)生的熱反應機理(即Thermal NO反應機理)。此機理認為，與可以很快達到彭亨狀態(tài)的燃燒反應速度相比，NO生成過程比較緩慢，對溫度的一來性較大，需要吸收較多的熱量，一般要到火焰后期才產(chǎn)生有關反應，其反應基本過程是:
Ν+0Η — Ν0+Η
上述反應過程稱之為生成NO擴大的謝爾多維奇2 (Zeldovich)鏈反應機理。
[0010]另外，在火焰初期實際上也存在早期生成的NO，通常稱之為瞬發(fā)的NO (PromptNO)，在反應氣體中含有較多的原子團和含氮的中間體，這些含氮的中間體十分活躍，能比按謝爾多維奇機理預測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間有關，在高溫下滯留的之間愈長，則NOx的濃度愈大。因此，點火提前角對NOx生成率有顯著的影響，隨著點火提前角的減小，最高燃燒溫度降低，燃氣在高溫下滯留時間縮短，NOx的生成率隨之下降，并且在稀混合氣時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，溫度越高和反應時間越長，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、無刺激、無味的氣體。CO被人體吸入后，會在血液中取代氧而形成牢固的血紅蛋白，影響氧氣輸送。人會由于缺氧而感到疲勞，引起頭暈、惡心等中毒癥狀，甚至導致窒息死亡。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是汽油機排氣中有害濃度最大的成分，CO在大氣低層停留的時間較長，其累計濃度常常超過允許值，因此要特別引起注
O
[0015]HC是燃燒后生成的多重碳氫化合物的總稱，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、丙烯醛具有強烈氣味，對鼻、眼和呼吸道的粘膜有刺激作用，可引起結膜炎、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，碳氫化合物與氮氧化物反應會形成化學煙霧。
[0016]汽車排氣中排出的NOxS要是一氧化氮和二氧化氮。NO是一種無色無味的氣體，毒性不大，在空氣中能生成NO2，但高濃度的NO對血液有毒性作用，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，能與肺部水分結合生成可溶性酸，有刺激作用，可引起獨具特點的閉塞性纖維性支氣管炎，嚴重時會引起肺氣腫。在強烈陽光下會產(chǎn)生光化學反應，形成二次污染。[0017]汽車內(nèi)燃機排氣中，HC和NOx混合在一起，在強烈的陽光照射下回產(chǎn)生一些列復雜的光化學反應，生成抽樣和各種化合物而形成煙霧，稱為光化學煙霧。抽樣煽油很強的氧化性和毒性,化合物中含有甲醛、丙烯醛、硫酸等,這些化合物會產(chǎn)生毒性較大的淺藍色煙霧，即光化學煙霧。光化學煙霧會阻礙視線，刺激眼睛，引起咳嗽，并能致癌；使植物枯萎，并且會使承受壓力狀態(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)廠家改進產(chǎn)品以降低這些有害氣體的產(chǎn)生源頭，歐洲和美國都制定了相關的汽車排放標準。其中歐洲標準是我國借鑒的汽車排放標準，目前國產(chǎn)新車都會標明發(fā)動機廢氣排放達到的歐洲標準。為了能夠使汽車達到相關的排放標準，所采取的有效措施主要有:1、加大技術創(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?shù)臐櫥砑觿?、機械摩擦改進劑；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，上述措施對減少尾氣排放的確起到了積極的作用，但隨著機動車的不斷增加，保護大氣環(huán)境是仍然目前世界范圍內(nèi)最為關注的問題之一。目前大氣低層中污染物有60%來自于汽車尾氣，汽車尾氣已經(jīng)成為最嚴重的大氣污染物，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)保部門的研究結果，北京市機動車排放對大氣污染物種，CO、HC的分擔率分別為63.4%,73.4% ;上海市中心地方去機動車排放對大氣中C0、HC的分擔率分別為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，致使全球變暖，同時使地球臭氧層遭到破壞；而廢氣中所含的SO2導致的酸雨，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)動機燃油效率入手，提供一種降低汽油發(fā)動機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行霧化混合，然后進入氣缸燃燒，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)點是:簡單實用，在汽車現(xiàn)有尾氣排放量的基礎上，能夠有效降低尾氣中CO、HC和NOx的含量，其中:碳氫化合物的含量降低15%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大氣環(huán)境的污染。
【具體實施方式】
[0023]實施例:
在1.8升手動擋汽油轎車上實施本發(fā)明，轎車的百公里油耗為8升，將兩個超聲波霧化水罐安裝在汽車的汽化器中，兩個超聲波霧化水罐百公里產(chǎn)生0.4升霧化水，在汽車運行中，霧化水在汽化器中與空氣混合進入化油器，進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行霧化混合，然后進入氣缸燃燒，通過一年多的試驗，效果良好。經(jīng)檢測部門檢測，結果如下:
【權利要求】
1.一種降低汽油發(fā)動機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行霧化混合，然后進入氣缸燃燒，其中霧化水與汽油的體積比為0.0l ?0.05:8 ?10。
2.根據(jù)權利要求1所述的降低汽油發(fā)動機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】F02M25/025GK103953469SQ201410107096
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年3月21日 優(yōu)先權日:2014年3月21日
【發(fā)明者】馬彬輝 申請人:馬彬輝