一种降低汽油发动机汽车尾气中有害气体排放的方法
【专利摘要】本发明涉及一种降低汽油发动机汽车尾气中有害气体排放的方法，其特征是：在化油器中将汽油与混有雾化水的空气进行雾化混合，然后进入气缸燃烧，其中雾化水与汽油的体积比为0.01～0.05：8～10。其优点是：简单实用，在汽车现有尾气排放量的基础上，能够有效降低尾气中CO、HC和NOx的含量，其中：碳氢化合物的含量降低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，有效减少了汽车尾气对大气环境的污染。
【专利说明】一种降低汽油发动机汽车尾气中有害气体排放的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种降低汽油发动机汽车尾气中有害气体排放的方法，属于环保【技术领域】。
【背景技术】
[0002]汽油发动机简称汽油机，汽油机在燃烧过程中产生的有害成分主要为一氧化碳CO、碳氢化合物HCX、氮氧化物NOx、硫氧化物SOx和铅化合物等。其中，硫氧化物和铅氧化物可以通过降低燃料中的含硫量以及采用无铅汽油来有效控制。目前各国执行的排放法规主要限制的是CO、HC和N0X，还有一些目前各国排放限制法规尚未限制的成分，如甲醛、乙醛、苯、乙酰甲醛和丁二烯等。
[0003]汽油机主要排放污染物生成机理及影响因素:
1、一氧化碳，CO是燃料在燃烧过程中的重要中间产物和不完全燃烧产物，是汽油机排气中有害浓度最大的成分，其生成机理比较复杂。若以R代表碳氢根，则在燃烧过程中生成CO要经理如下反应:
RH — R — RO2 — RCHC — RCO — CO
式中RCO自由基生成CO是通过热分解或通过02、0Η、0、Η等发生反应实现的。 [0004]在汽油机缸内混合气达到一定的反应温度，并在有氧化剂存在的情况下，CO将继续按链反应机理进行反应而生成最终燃烧产物CO2:
C0+H0 — C02+H
在燃烧火焰中，通常OH的浓度较高，因此CO按下式进行氧化反应的速度是很慢的: CO+ O2 — co2+o
如果燃烧过程中局部空间和瞬时存在下列条件之一，则CO不能继续燃烧生成CO2而被排放出机外:①反应着的气体温度突然过低；②反应着的气体突然缺乏氧化剂反应物停留在适合于反应条件的时间过短。
[0005]CO的生成除了跟上述反应有关外，还与CO2和H2O的高温离解反应有关，CO2和H2O的离解反应分别为:
2C02 — 2C0+02
2H20 — 2H2 +O2
两个离解反应均为吸热反应，其离解率随温度的升高而增大，其中离解产物4和0)2发生反应生成CO和H2O:
H2+C02 — CO+ H2O
这就是汽油机在不缺氧的情况下仍有CO排除的两个原因。
[0006]CO的生成主要受混合气浓度的影响，在过量空气系数(实际空燃比与理论空燃比的比值)λ < I的浓混合气工况时，由于缺氧使燃料中的C不能完全氧化成CO2,CO作为其中间产物生成。在λ > I的稀混合气工况时，理论上不应有CO产生，但实际燃烧过程中，由于混合不均匀造成局部区域的λ < I条件成立，由局部燃烧不完全而产生CO;或者已成为燃烧产物的CO2和H2O在高温时吸热，产生热离解反应，由此生成CO。另外，在排气过程中，未燃碳氢化合物HC的不完全氧化也会产生少量CO。
[0007]燃烧终了时的CO浓度一般取决于燃气温度，但由于汽油机膨胀过程中缸内温度下降很快，以至于温度下降速度远快于气体中各成分建立新的平衡过程的速度，即产生“冻结”现象，使实际的CO浓度要高于排放其温度相对应的化学平衡浓度。根据经验，CO在汽油机排气中的浓度近似等于1527°C时的CO平衡浓度。
[0008]2、碳氢化合物HC，汽油机排气中的碳氢化合物其成分极其复杂，有未参加燃烧的燃油碳氢化合物份子，有燃烧过程中高温分解和合成的中间产物和部分氧化物，如醛、烯及芳香族烃等。不完全燃烧产物以及润滑的碳氢化合物等成分，种类达200余种。在以预均匀混合气进行燃烧的汽油机中，HC与CO —样，也是一种不完全燃烧(氧化)的产物，因而与过量空气系数λ有密切关系。但即使λ ^ I的条件下，往往也会产生很高的HC排放，这是应为HC还有粹熄、缝隙效应和吸附等生成原因。液化石油气和压缩天然气等疝气发动机中HC的恒诚机理与汽油机基本相同。(I)不完全燃烧，汽油机中不完全燃烧的原因主要有:怠速及高负荷工况时，可燃混合气体浓度处于λ < I的过浓状态，加之怠速时残余废弃系数较大，燃烧速率下降，火焰不能传遍整个燃烧室，发生大面积的可燃混合气粹熄现象，造成不完全燃烧，使未燃HC排放剧增。失火也是汽油机HC排放的重要原因；另外，汽车在加速或减速时，会造成瞬时的混合气过浓或过稀现象，也会产生不完全燃烧或失火。当然，即使在λ > I时，由于尤其混合不均匀，也会因不完全燃烧产生HC排放。(2)燃烧室内的缝隙效应，燃烧室内存在很多缝隙，如由活塞顶部与缸壁之间，及第一、二道活塞环背后组成的缝隙，这部分缝隙占总缝隙的80%，其他缝隙还存在于汽缸盖和气缸垫的接合面、火花塞螺栓、进排气门头部周围等处。缝隙对HC的生成起着重要的作用。当缸内压力升高时，会将一部分微少的可燃混合气压进缝隙中去，由于缝隙很窄，面容很大，混合气流入缝隙中被双臂冷却，火焰无法传入到缝隙中去，使其中存在的燃油(也包括润滑油)不能燃烧，于是形成未然HC，当膨胀、排气过程中缸内压力降低时，未然HC从缝隙中返回气缸并随废气排出气缸。研究表明，约有5%-10%新鲜混合气由于缝隙效应会躲过火焰传播的燃烧过程。这种缝隙效应应是产生未然HC的重要来源。(3)燃烧室缸壁粹熄效应，在燃烧过程中，燃气温度高达2000°C以上，而气缸壁面温度在300°C以下，因而靠近壁面的气体受低温壁面的影响，温度远低于燃气温度，并且气体的流动也较弱。所谓壁面粹熄效应是指温度较低的燃烧室壁面对火焰的迅速冷却(也称冷激)，使活化疯子的能量被吸收，链式反应中断，在壁面形成厚约0.1-0.2 mm左右的不燃烧或不完全燃烧的火焰粹熄层，产生大量未然HC。粹熄层厚度随发动机工况、混合气湍流程度和壁温的不同而不同，小符合时较厚，特别是启动和怠速时转速较低，此时压缩终了混合气的温度和压力都比较低，因此有很大一部分燃油将以油膜的形式滞留在气道壁面上、进气门处和气缸上，这些油膜将随环境温度的提高而挥发，形成“后气化”现象，使排放情况恶化。(4)壁面油膜和积碳的吸附，在进气和压缩过程中，气缸壁面上的润滑油膜，以及沉积在活塞顶部、燃室壁面和进气门、排气门上的多孔性积碳，会吸附未然混合气，而在膨胀过程和排气过程中逐步脱附释放出来。像上述粹熄层一样，这些HC的少部分被氧化，大部分则随废气排出气缸。据研究，这种由油膜和积碳吸附产生的HC排放占总量的35%-50%。对于一些在用车辆的汽油机，往往存在较厚的积碳层，当清除积碳后，HC排放会降低20%-30%。[0009]3、氮氧化物N0X，内燃机排气中的氮氧化物NOx主要是NO，但进入空气后很快被氧化成NO2。NOx的生成机理与HC及CO不同，它不是混合气不完全燃烧的结果，与燃烧的扩散、燃气的混合浓度分布、火焰浓度分布及热的传到等一系列因素有关，反应机理十分复杂。汽油中基本不含氮的成分，NOx的生成主要来源于燃烧所需的空气中N2与O2在燃烧高温作用下所发生的热反应机理(即Thermal NO反应机理)。此机理认为，与可以很快达到彭亨状态的燃烧反应速度相比，NO生成过程比较缓慢，对温度的一来性较大，需要吸收较多的热量，一般要到火焰后期才产生有关反应，其反应基本过程是:
Ν+0Η — Ν0+Η
上述反应过程称之为生成NO扩大的谢尔多维奇2 (Zeldovich)链反应机理。
[0010]另外，在火焰初期实际上也存在早期生成的NO，通常称之为瞬发的NO (PromptNO)，在反应气体中含有较多的原子团和含氮的中间体，这些含氮的中间体十分活跃，能比按谢尔多维奇机理预测的速度更快的生成附加的NO。
[0011]氮氧化物的生成主要取决于燃烧温度以及氧的浓度。在氧浓度稍稀(λ =1.1)且高温情况下，NO生成浓度为最高。高温是最重要的条件，即使氧很充分，但如果燃烧温度不高，氧的分解进程也很慢，NO的生成浓度低。
[0012]此外NOx的浓度还与混合气在高温下的滞留时间有关，在高温下滞留的之间愈长，则NOx的浓度愈大。因此，点火提前角对NOx生成率有显著的影响，随着点火提前角的减小，最高燃烧温度降低，燃气在高温下滞留时间缩短，NOx的生成率随之下降，并且在稀混合气时NOx生成率下降的效果更明显，起原因在于浓混合气中^,基本上是由火焰初期的PromptNO反应生成，而在稀混合 气中，NOx主要在火焰后期的已燃烧气体中产生，此时NO的生成速度降低。
[0013]因此在足够的氧浓度条件下，温度越高和反应时间越长，则NO的生成量越大。
[0014]CO是燃料不完全燃烧的产物，是一种物色、无刺激、无味的气体。CO被人体吸入后，会在血液中取代氧而形成牢固的血红蛋白，影响氧气输送。人会由于缺氧而感到疲劳，引起头晕、恶心等中毒症状，甚至导致窒息死亡。CO的另一种危害是促使NO向NO2转化，死亡化学烟雾增加。城市大气中的大部分CO是汽车排放的，CO是汽油机排气中有害浓度最大的成分，CO在大气低层停留的时间较长，其累计浓度常常超过允许值，因此要特别引起注
O
[0015]HC是燃烧后生成的多重碳氢化合物的总称，其中含有少量醛类(甲醛和丙烯醛)和芳香烃(最后组成苯并芘)。每种化合物的量很少，但其共同作用十分明显。甲醛、丙烯醛具有强烈气味，对鼻、眼和呼吸道的粘膜有刺激作用，可引起结膜炎、鼻炎等。苯并芘是一种致癌物质。汽车密集的城市癌症发病率比汽车排污少的地区高的多。此外，碳氢化合物与氮氧化物反应会形成化学烟雾。
[0016]汽车排气中排出的NOxS要是一氧化氮和二氧化氮。NO是一种无色无味的气体，毒性不大，在空气中能生成NO2，但高浓度的NO对血液有毒性作用，能使神经麻痹，使中枢神经瘫痪及痉挛。NO2是一种红棕色气体，有强烈的刺激性气味，是汽车排气中恶臭物质成分之一，被吸入肺部时，能与肺部水分结合生成可溶性酸，有刺激作用，可引起独具特点的闭塞性纤维性支气管炎，严重时会引起肺气肿。在强烈阳光下会产生光化学反应，形成二次污染。[0017]汽车内燃机排气中，HC和NOx混合在一起，在强烈的阳光照射下回产生一些列复杂的光化学反应，生成抽样和各种化合物而形成烟雾，称为光化学烟雾。抽样煽油很强的氧化性和毒性,化合物中含有甲醛、丙烯醛、硫酸等,这些化合物会产生毒性较大的浅蓝色烟雾，即光化学烟雾。光化学烟雾会阻碍视线，刺激眼睛，引起咳嗽，并能致癌；使植物枯萎，并且会使承受压力状态的橡胶开裂。
[0018]为了抑制这些有害气体的产生，促使汽车生产厂家改进产品以降低这些有害气体的产生源头，欧洲和美国都制定了相关的汽车排放标准。其中欧洲标准是我国借鉴的汽车排放标准，目前国产新车都会标明发动机废气排放达到的欧洲标准。为了能够使汽车达到相关的排放标准，所采取的有效措施主要有:1、加大技术创新的力度，减少尾气排放；2、从改善燃料入手降低尾气排放，如:采用无铅汽油，以代替有铅汽油；掺入添加剂，改变燃料成分；选用恰当的润滑添加剂、机械摩擦改进剂；采用绿色燃料减少汽车尾气有毒气体排放量；采用多种燃料作为汽车燃料来源；推广车用乙醇汽油；3、采用汽车三元催化器治理尾气等，上述措施对减少尾气排放的确起到了积极的作用，但随着机动车的不断增加，保护大气环境是仍然目前世界范围内最为关注的问题之一。目前大气低层中污染物有60%来自于汽车尾气，汽车尾气已经成为最严重的大气污染物，大城市大气环境污染编的日益突出，北京、广州、上海、重庆等大城市，单车污染物排量较大，据环保部门的研究结果，北京市机动车排放对大气污染物种，CO、HC的分担率分别为63.4%,73.4% ;上海市中心地方去机动车排放对大气中C0、HC的分担率分别为86%、96%。汽车尾气所引起的环境污染大致可分为两类:(1)区域性污染，指废气中的CO、HC、NOx、颗粒排放、苯、甲醛、等有毒气体对人类健康的损害。(2)全球性污染，指废气中的CO2等气体造成温室效应，致使全球变暖，同时使地球臭氧层遭到破坏；而废气中所含的SO2导致的酸雨，造成森林死亡危害地球生物。
【发明内容】
[0019]本发明的目的是从改善汽油发动机燃油效率入手，提供一种降低汽油发动机汽车尾气中有害气体排放的方法。
[0020]本发明的方法如下:
在化油器中将汽油与混有雾化水的空气进行雾化混合，然后进入气缸燃烧，其中雾化水与汽油的体积比为0.01?0.05:8?10。
[0021]所述雾化水由雾化水装置产生，雾化水装置安装在汽车的汽化器中。
[0022]本发明的优点是:简单实用，在汽车现有尾气排放量的基础上，能够有效降低尾气中CO、HC和NOx的含量，其中:碳氢化合物的含量降低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，有效减少了汽车尾气对大气环境的污染。
【具体实施方式】
[0023]实施例:
在1.8升手动挡汽油轿车上实施本发明，轿车的百公里油耗为8升，将两个超声波雾化水罐安装在汽车的汽化器中，两个超声波雾化水罐百公里产生0.4升雾化水，在汽车运行中，雾化水在汽化器中与空气混合进入化油器，进入化油器的雾化水每百公里约为0.03升。在化油器中汽油与混有雾化水的空气进行雾化混合，然后进入气缸燃烧，通过一年多的试验，效果良好。经检测部门检测，结果如下:
【权利要求】
1.一种降低汽油发动机汽车尾气中有害气体排放的方法，其特征是:在化油器中将汽油与混有雾化水的空气进行雾化混合，然后进入气缸燃烧，其中雾化水与汽油的体积比为0.0l ?0.05:8 ?10。
2.根据权利要求1所述的降低汽油发动机汽车尾气中有害气体排放的方法，其特征是:所述雾化水由雾化水装置产生，雾化水装置安装在汽车的汽化器中。
【文档编号】F02M25/025GK103953469SQ201410107096
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年3月21日 优先权日:2014年3月21日
【发明者】马彬辉 申请人:马彬辉