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比如,一台排气量为1000cc的发动机能够产生100马力,我们就说它的性能相当好。但也有排气量为1000cc的发动机只能产生80或90马力。这样的性能差异是由混合气体的燃烧效率决定的,而混合气体的燃烧效率又因压缩比的大小、燃烧室内形状的好坏以及带动进排气阀开闭的凸轮的不同而不同。
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1000cc是1升,因此“升-100马力”也就成为衡量发动机性能优劣的一个标准。
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废气中的氮氧化合物、一氧化碳和烃等有害物质一接触到催化剂,就会促成下列化学反应。
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2NOX(氮氧化合物)→O2(氧)+N2(氮):还原反应2CO(一氧化碳)+O2(氧)→2CO2(二氧化碳):氧化反应4HC(烃)+10O2(氧)→4CO2(二氧化碳)+2H2O(水):氧化反应
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贵金属
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白金即铂,与首饰中所用的铂是同一种。钯可以用于制作银牙,铑可用于白金等首饰的着色和保护。由于都是稀有金属,价格自然就很高。汽车废气的净化就使用了这些贵金属。
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使用一种催化剂可以进行还原和氧化两种反应。通过还原反应,氮氧化合物分解为氧和氮,实现了无害化。一氧化碳和烃经过氧化反应生成二氧化碳和水,实现了无害化。实现氮氧化合物、一氧化碳和烃等有害气体的无害化,被称为三元催化。
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如同人有好恶一样,用作催化剂的贵金属也有好用和不好用之分。白金对一氧化碳(CO)有效,钯对烃有效,而铑对氮氧化合物有效。这些催化剂用于汽车尾气净化器中,依次实现有害气体的无害化。
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2.4.3 废气既不能过热也不能过冷
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让我们再回到净化废气这一话题。为了使汽车尾气净化器更好地实现废气无害化,需要在一定程度上提高废气温度。由于进行化学反应需要高温,因此废气的温度要达到600℃~800℃。废气在进入汽车尾气净化器时要保持这个温度。
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在本章讲引燃的部分,我提到:混合气体在发动机内燃烧时,气体温度会达到几千℃。因此需要先将其冷却至600℃~800℃后才能送入汽车尾气净化器。从几千℃降至600℃~800℃,是发动机将热量转化为曲轴的旋转运动的结果。
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按理来讲,发动机的效率越高,废气的温度就会越低。最理想的发动机效率是可以将废气冷却至与发动机吸入的空气相同的温度。这时我们可以认为发动机将热量全部转化为了曲轴的旋转,即效率为100%。效率越高,油耗当然就越低。
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但是,就像之前所说的那样,废气温度过低时,汽车尾气净化器就不能很好地净化废气中的有害物质。因此,常常要用检测氧的氧传感器测定废气中残留的氧浓度,从而推算出废气的温度。如果残留的氧浓度很高,就意味着混合气体中的汽油没有充分燃烧,也就说明废气的温度很低。因此,可以通过电脑减少或增加混合气体中汽油的含量。
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请好好思考一下。油耗越低,废气温度也就越低,废气就无法得到充分净化。想要净化废气就要使废气保持高温,但这样一来发动机效率就会降低,油耗也会增加。也就是说,油耗越低,废气的净化程度越低。要实现两者的均衡是相当困难的。
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2.4.4 降低油耗的稀薄燃烧
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有一种技术不仅能够调节汽油浓度,还能在汽油含量低的情况下实现充分燃烧,并能保持废气温度,使汽车尾气净化器正常工作。它就是稀薄燃烧。
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然而,空气和汽油均匀混合后混合气体的理想比率仍为14.7:1,这一点无法改变。那么如果按照40:1的空燃比均匀混合汽油和空气,通常会因汽油过于稀薄而无法燃烧。因此,稀薄燃烧就致力于只提高火花塞周围的混合气体浓度。
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主要有两种方法可以实现这一目标。第一,增加混合气体的旋涡强度。这需要利用电脑模拟分析燃烧,将活塞头部设计成凹陷较为复杂的特殊形状。第二,聚集并引燃火花塞周围汽油浓度较高的混合气体。这就要利用传感器和电脑对混合气体进行仔细管理。此外,直喷中通过直接向气缸内进行燃料喷射也易于在火花塞附近聚集汽油。
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在“阀门开启,混合气体进入气缸”小节中(p.58),我讲到将混合气体均匀混合时会更容易燃烧,因此可以形成旋涡充分混合混合气体。但这是针对空气和汽油混合的理想比率是14.7:1的情况。在这里,混合气体中汽油的含量变低,相反地就能利用旋涡生成一小部分浓度较高的混合气体,汽油和空气的比率在这部分混合气体中达到理想状态。即控制旋涡,将收集到的部分汽油集中到火花塞附近。
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考虑到发动机对环境的影响,比起降低油耗,更应该优先净化废气以防止大气污染。因此,随着汽车数量的激增,全世界都在寻求既能降低油耗又能减少导致全球变暖的温室气体——二氧化碳(CO2)排放量的良策。这样一来,作为降低油耗的技术之一的稀薄燃烧也就应运而生了。
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2.4.5 设置消音器迷宫,减小噪声
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经过汽车尾气净化器后,废气会进入消音器,在这里,废气的噪声将被减小。
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