毕业论文-汽车尾气排放的危害研究.doc

绪 论就在我们享受汽车带来的舒适方便的时候，汽车尾气造成的大气污染、汽车鸣笛造成的噪声污染等影响了人们的生活，人们每天都在呼吸汽车尾气和被迫接受噪音中生存。汽车污染严重影响了人们的日常生活。中国工程院院士、吉林大学教授郭孔辉首先阐述了中国汽车发展的喜与忧，指出汽车在给人们带来便利的同时，也给环境带来极大威胁。现在我国二氧化碳排放已位居世界第二，而交通造成的二氧化碳污染和噪声污染分别占各自污染总强度以上。预计中国汽车保有量将在年达到万辆，年达到万辆，年达到万辆。但我国的汽车尾气排放标准比发达国家落后近年。 此外，根据上个世纪七八十年代美国、日本对城市空气污染源的调查，城市空气中以上的一氧化碳、以上的碳氢化合物和以上的氮氧化物来自汽车排放。这些污浊的气体使人类的生存环境受到极大威胁。汽车污染已成为世界性公害，其对于温室气体浓度增加的“贡献”不容忽视。而专家估计，到年前后，我国的二氧化碳总排放量很有可能超过美国，坐上世界二氧化碳排放量的“第一把交椅”！毫无疑问，汽车是我国城市空气污染主要排放源之一。中国汽车工业维修协会秘书长张京伟则从汽车维修、汽车使用过程中的空调制冷剂和汽车尾气排放三个方面阐述了汽车对环境的污染：一方面，在汽车维修过程中，更换的废机油、报废的旧电瓶以及报废的零部件处理不当将对周围的环境造成很大的污染和破坏；另一方面，在使用过程中，空调的制冷剂氯氟烃（）俗称氟里昂的泄露及更换时的直接排放造成对大气臭氧层的破坏，从而使各种有害光线大量的透入，造成对人类以及动、植物的伤害；本文主要从宏观汽车排放管理法规、污染评估及治理技术路红，有害污染物的生成机理及机内净化技术，三效催化转化器等排气后处理技术三个方面，介绍了降低汽车排放的理论和实用技术，以及国外一些很有应用前景的排放控制技术研究前沿。从社会和经济的角度对不同治理技术，包括电子控制燃油喷射系统、三效催化转化器及其评价和匹配技术、催化剂的研制和试验室评价等排放治理中的重大问题和关键技术进行了说细论述；可见,汽车尾气已经成为大气污染的首要污染源。控制机动车排放污染，治理大气污染已经成为刻不容缓的重要任务。根据国家政府对汽车尾气排放控制的总体规划，2000年达到欧洲1号标准，2004年达到欧洲2号，2007年达到欧洲3号，2010年与国际标准接轨。汽车排污标准正变得愈来愈严格。控制这种高排放增长率的最有效途径就是降低单车排放量。机动车中占最大比例的是汽车，汽车尾气催化净化正日益成为一项极其重要的环保产业。尤其是随国家有关法规、标准的出台和2008年北京申奥工作的展开，控制汽车污染，发展有效的汽车尾气净化技术显得尤为重要。随着国内经济迅速发展，汽车工业已成为我国的支柱产业之一。因此必须采取有效措施进行治理。第1章 汽车尾气排放污染的危害汽车发动机排气中包含许多成分，其基本成分是二氧化碳（CO2）、水蒸气（H2O）、过剩的氧气（O2）以及存留下的氮气（N2）等，它们是燃料和空气完全燃烧后的产物，从毒物学的观点看排气中的这些成分是无害的。除上述基本成分外，汽车发动机排气中还含有不完全燃烧的产物和燃烧反应的中间产物，包括一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）、固体颗粒（铅及铅化物、碳烟）及醛类等。这些成分的质量总和在汽车发动机排气中所占的比例不大，例如汽油机只占5，柴油机还不到1，但它们中大部分是有害的，有强烈刺激性的臭味，或有致癌作用，因此被列为有害排放物。 1.1汽车排放对人体的危害 汽车排放的主要污染物中含有大量的一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NOx）硫化物和微粒物（由碳烟、铅氧化物等重金属氧化物和烟灰等组成）。这些物质对人体健康存在着很大的威胁。 在内然发动机中，CO是空气不足或其他原因造成不完全燃烧时，所产生的一种无色、无味的气体。CO吸入人体后，非常容易和血液中的血红蛋白结合，它的亲和力是氧的300倍。因此，肺里的血红蛋白不与氧结合而与CO结合，致使人体缺氧，引起头痛、头晕、呕吐等中毒症状，严重是造成死亡。CO的容许限度规定为8h内100ppm。如1h内吸入500ppm的CO，就会出现中毒症状，并危害中枢神经系统，造成感觉、反应、理解、记忆等机能障碍，严重时引起神经麻痹。如1h内吸入1000ppm的CO，就会发生死亡。 HC是指发动机废气中的未燃部分，还包括供油系中燃料的蒸发和滴漏。单独的HC只有在浓度相当高的情况下才会对人体产生影响，一般情况下作用不大，但它却是产生光化学烟雾的重要成分。 NOx是发动机大负荷工作时大量产生的一种褐色的有臭味的废气。发动机废气刚一排出时，气内存在的NO毒性较小，但NO很快氧化成毒性较大的NO2等其他氮氧化合物。这些氮氧化合物，我们统称为NOx。NOx进入肺泡后能形成亚硝酸和硝酸，对肺组织产生剧烈的刺激作用。亚硝酸盐则能与人体内的血红蛋白结合，形成变性血红蛋白，可在一定程度上导致组织缺氧。3.5ppm的NO2作用1h即可对人产生有害影响，而0.5ppm的NO2作用1h可对自然界中的某些敏感植物产生毒害作用。NOx与HC受阳光中紫外线照射后发生化学反应，形成光化学烟雾。当光化学烟雾种的光化学氧化剂超过一定浓度时，具有明显的刺激性。它能刺激眼结膜，引起流泪并导致红眼症，同时对鼻、咽、喉、器官积肥不均有刺激作用，能引起急性喘息症。 发动机废气中的铅化合物是为了改善汽油的抗暴性而加入的，他们以颗粒装排入大气中，是污染大气的有害物质。当人们吸入含有铅微粒的空气时，铅逐渐在人体内积累。当积累量达到一定程度时，铅将阻碍血液中红血球的生长，使心、肺等处发生病变；侵入大脑时则引起头痛，出现一种精神病的症状。炭烟是柴油发动机燃料燃烧不完全的产物，其内含有大量的黑色炭颗粒。炭烟能影响道路上的能见度，并因含有少量的带有特殊臭味的乙醛，往往引起人们恶心和头晕.废气中的硫化物易被湿润的粘膜表面吸收生成亚硫酸、硫酸。对眼及呼吸道粘膜有强烈的刺激作用。大量吸入可引起肺水肿、喉水肿、声带痉挛而致窒息。轻度中毒时，发生流泪、畏光、咳嗽，咽喉灼痛等；严重中毒可在数小时 内发生肺水肿；极高浓度吸入可引起反射性声门痉挛而致窒息。皮肤或眼接触发生炎症或灼伤。慢性影响：长期低浓度接触，可有头痛、头昏、乏力等全身症状以及慢性鼻炎、咽喉炎、支气管炎、嗅觉及味觉减退等。少数工人有牙齿酸蚀症。除以上几种物质外，还有臭气。它由多种成分组成，除了、有臭味外，主要就是燃料的不完全燃烧产物，如甲醛、丙烯醛等。当汽车停留在街道路口时，产生这些物质较多，它能刺激眼睛的粘膜。1.2 汽车排放污染对环境的破坏0.5ppm的NO2作用1h可对自然界中的某些敏感植物产生毒害作用。NOx与HC受阳光中紫外线照射后发生化学反应，形成光化学烟雾。光化学烟雾还具有损害植物、降低大气能见度、损坏橡胶制品等危害。HC也是产生光化学烟雾的重要成分。光化学烟雾是由于汽车尾气和工业废气排放造成的，一般发生在湿度低、气温在2432度的夏季晴天的中午或午后。汽车尾气中的烯烃类碳氢化合物和二氧化氮（NO2）被排放到大气中后，在强烈的阳光紫外线照射下，会吸收太阳光所具有的能量。这些物质的分子在吸收了太阳光的能量后，会变得不稳定起来，原有的化学链遭到破坏，形成新的物质。这种化学反应被称为光化学反应，其产物为含剧毒的光化学烟雾。CO2是一种无色气体，略带刺激性气味，本身并没有毒性，它的危害在于作为温室气体造成地球表面温度升高，也就是所谓的温室效应。会使全球气温上升、南北极冰层溶化；海平面上升；大陆腹地沙漠趋势加剧，是人类和动植物赖以生存的生态环境遭到破坏。因此近年来对CO2的控制也已上升为汽车排放研究的重要课题。有资料表明，在全球CO2的排放中，有14来自于以内燃发动机为动力的交通工具。 为了摆脱温室效应的严重后果，世界各国正在开发各种高性能的汽车发动机，以降低燃料消耗和CO2排放.由汽车尾气排放引起的铅污染问题凸现。由于我国主要使用含铅汽油，在19951998年期间，上海因汽车燃用含铅汽油向环境中排放了铅1381吨。2002年广州市由汽车尾气向环境中排放了铅302.9吨，占全国总排放量的19.94。北京郊区安兰公路两侧30米内的蔬菜含铅量达0.153.88mgkg，明显超出正常的含铅背景值范围。2002年上海市对10个交通路口的监测发现，多数监测点出现铅含量超标的现象，最大超标倍数为2.3倍第2章 汽车尾气污染物的主要成分及其生成机理2.1废气污染物的主要成分 汽车排放的主要污染物是：一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NOx）硫化物和微粒物（由碳烟、铅氧化物等重金属氧化物和烟灰等组成）。 就CO来说，如果把汽油发动机CO排放量当作1的话，则液化气发动机的CO排放量为1/2，而柴油发动机的CO排放量为1/100。可以看出，柴油发动机与其有发动机相比，其CO排出量要小得多。而且，柴油发动机的HC排出量也较少，但NOx排出量则和汽油机差不多，且会排出令人讨厌的黑烟。汽车有害气体主要从下述途径排入大气：以HC为主要成分（约占HC总排量的25%），并含有CO等其他成分的窜气，从曲轴箱排出； 在不同运行工况，从发动机废气排出不同成分的CO、HC（约占HC总排量的55%）及NOx等有害气体； 汽油从油箱、化油器浮子室及油泵接头处蒸发，散发出HC（约占HC总排量的20%）。 2.2废气污染物的生成机理汽车内燃机排气所造成的公害，对汽油机而言，CO、HC和NOX是主要的有害成分，而光化学烟雾是由HC和NOX转化而成的；对柴油机而言，CO和HC比汽油机少得多，NOX约为汽油机的，而炭烟却比汽油机大得多，是主要的有害成分。空燃比(AF)：是指可燃混合气中空气与燃料的质量比。理论上，1kg汽油完全燃烧需要空气14.7kg。故对于汽油机而言，空燃比为14.7的可燃混合气可成为理论混合气。若可燃混合气的空燃比小于14.7，则意味着其中汽油含量有余（亦即空气量不足），可称之为浓混合气。同理，空燃比大于14.7的可燃混合气则可称为稀混合气，应当指出，对于不同的燃料，其理论空燃比数值是不同的。 过量空气系数（）：=燃烧1kg燃料所实际供给的空气质量完全燃烧1kg燃料所需的理论空气质量 由此定义表达式可知：无论使用何种燃料，凡过量空气系数=1的可燃混合气即为理论混合气；1的为浓混合气；1的则为稀混合气。2.2.1一氧化碳的产生机理对于汽油机，根据燃烧化学反应，在不同空燃比AF下，燃烧产物各成分的计算值如图1所示。 理论上当过量空气系数=1（AF14.8）时，燃料完全燃烧，其产物为CO2和H2O。 当空气不足，AF14.8时，则有部分燃料不能完全燃烧，生成CO。所以，CO的排出浓度基本上受空燃比所支配，图2为汽油机空燃比与排气浓度变化关系，与图1是一致的。 理论上当=1以上时，排气中不存在CO，而代之产生O2。实际上由于混合、分配不均匀，在排气中还含有少量CO。即使混合气混合的很均匀，由于燃烧后的温度很高，已经生成的CO2也会由于一小部分被分解成CO和O2，H2O也会部分被分解成O2和H2，生成的H2也会使CO2还原成CO，所以，排气中总会有少量CO存在。2.2.2 碳氢化合物（HC）的产生机理汽油是由多种成分HC所组成，如果完全燃烧将生成CO2和H20。但是汽油的燃烧很复杂，任何发动机都可能发生不完全燃烧，在排气中都会有少量HC存在。因为为了提高发动机的最大功率，常使发动机在1（AF=12.5-13.0）浓棍合气情况下工作。在低负荷时，由于气缸内残余废气较多，为了不使燃烧速度过低，也在1情况下工作。由于1是空气量不足，所以要发生不完全燃烧。 在汽油机中用电火花点火，由火焰传播把混合气烧掉，但紧靠燃烧室壁面附近的混合气层，由于缸壁得冷却形成激冷层，使火焰传播终止而熄灭，因此激冷层的混和气不能完全氧化燃烧，从而有许多未燃的HC也要排出来。 从燃烧化学考虑，汽油的氧化燃烧是很复杂的，不是一下子就能反应成CO2和H2O的，以辛烷C8H18为例： C8H18+12.5O28 CO2+9 H2O 一个气态的汽油分子C8H18，完全氧化需要12.5个O2分子，此外还夹着47个N2分子来干扰C8H18与O2的反应。不可能想象一个C8H18分子同时碰到12.5个O2分子而一下子生成CO2和H2O。一般气态反应，两个分子互相碰撞的机会较多，三个分子同时碰撞在一起的机会已很少。所以汽油分子的反应过程必须是经过一连串的反应而达到最终生成物CO2和H2O，在反应的不同阶段，存在着不同的中间生成物。这些中间生成物，若进一步氧化的条件不适宜，就可能生成为部分氧化物而排出。由此可以理解，为什么在排气中总有少量的过氧化物：醛、酮等。 总之，排气中的HC是燃料不完全燃烧或部分被分解的产物。含有饱和烃、不饱和烃、芳烃及部分含氧化合物（如醛、酮、酸等），成分复杂，组成变化也很大。有人曾从排气的HC中分析出200多种不同成分的碳氢化合物。2.2.3 氮氧化合物（NOx）的产生机理关于NOx的生成机理，国外已进行大量研究，其研究结果不仅对汽油机而且对柴油机也很有用，摘要地介绍如下。在较低的温度下，N2和O2生成NO的机理可以认为是简单的双分子反应，即N2+O2-2 NO 但是在高温时，NO的生成机理按泽尔多维奇(Zeldovich)反应所至配，有以下两个反应：N2+O2- NO+N（K1、K-1） N+ O2- NO+O（K2、K-2） 式中 K1、K-1、K2、K-2-分别为正逆反应的速度常数，其数值示于表1。 这些反应是连锁反应，分子状态的氮和原子状态的氧碰撞，或者氧份子和氮原子碰撞而生成NO。反应是（1）左边的O一部分由反应式（2）右边生成的O供给，但是大部分是依靠以下离解反应生成的。表1 反应速度常数速度常数单位（cm3/gmol）K171018exp(-75500/RT)K-11.551018K213.3109Texp(-7080/RT)K-23.2109 Texp(-39100/RT)注：表内温度T以K为单位，R=1.986cal/gmolK 反应式（2）的N，主耍靠反应式（1）右边生成的N供给。式（1）和式（2）生成的NO是同数量级的。由表1可知，反应式（1）的正反应速度K1，显然在很大程度上取决于温度。式（2）K2的与温度关系很小，但是反应式（2）的N主要由反应式（1）生成，所以NO的生成量在很大程度上取决于温度，并与温度成指数关系。 另外，作为氮原子的生成机理，也提出了HC燃烧生成碳氢化合物自由基时产生N的可能性，例如：HC+N2一CHN+N，但多数不予考虑。至于生成NO的其它机理还有蓝沃埃（Lavoie）等提出更复杂的经过OH自由基反应生成。但这些反应不是主要反应。生成NO的因素有以下三点：温度：随着高温的形成，NO平衡浓度也高，而且生成速度也加快了，特别有氧存在时温度是重要的。 氧的浓度：在氧气不足的条件下，即使温度高，NO也被抑制了。 滞留时间：因为NO的生成反应比燃烧反应缓慢，所以即使在高温条件下，如果停留时间短的话，NO的生成量也可被抑制。 这些结论对于汽油机和柴油机都是适用的，这些结论可以从实践得到的图2得到证明，当AF稍大于理论混合比时，燃烧室温度最高，并且还有过剩的O2，所以生成NO浓度最大，当AF小于理论混合比时，由于缺氧，NO的生成量随着AF减小而下降。相反当AF大于理论混合比时，因燃烧室温度降低，所以NO生成量很快下降。 综上所述，在内燃机中为了降低NO的生成量，就必须降低燃烧室火焰高峰温度；在产生NO阶段，使O2处于低浓度；缩短燃烧气体在高温下停留的时间。凡是影响这三个方面的因素，都改变NO的生成量。其中，燃烧室温度可以衡量燃烧状态的好坏，也是影响NO生成量的支配因素。下面讨论其影响因素。2.2.4、碳烟的产生机理 汽油机排烟可分为白烟、蓝烟和黑烟三种。不同的烟色形成的原因不同，有的研究认为起决定作用的是温度；在250以下形成的烟通常是白色的；从250到着火温度形成蓝烟；黑烟只在着火后才出现。1.白烟 适合在低温起动不久及怠速工况时发生。此时，气缸中温度较低，着火不好，未经燃烧的燃料和润滑油呈液滴状态，直径在1.3m左右，随废气排出而形成白烟。当气缸磨损加大，窜气、窜油时，使白烟增多。2.蓝烟（青烟） 通常在柴油机尚未完全预热或低负荷运转时发生。此时，燃烧室温度较低，约600以下，燃烧着火性能不好，部分燃料和窜入燃烧室的润滑油未能完全燃烧，其中大部分是已蒸发的油，再凝结而成微粒状态，直径比白烟小，在0.4m以下，随废气排出而成蓝烟。这种烟的蓝色是此种大小微粒由蓝色光折射而成的。排出蓝烟时，同时有燃烧不完全的中间产物（如甲醛等）排出，因而蓝烟常常带有刺激性臭味。3.黑烟 通常在柴油机大负荷时发生，例如当汽车加速，爬坡及超负荷时排气就冒黑烟。在柴油机发展初期到高速强化地今天，柴油机黑烟的排出，仍然是一个限制功率的突出问题，而且黑烟带有的臭味及烟雾给人以直接的不愉快的厌恶感。因此对黑烟的形成，各国早已作了大量的工作，但对其生成机理说法不一。一般认为，黑烟也是不完全燃烧的产物，是燃料的氢先燃烧完了的中间产物。当柴油机高负荷时，喷如燃烧室的燃料增多，由于柴油机混合气形成不均匀，即使平均过量空气系数1，仍不可避免产生局部地区空气不足，此时燃烧室温度又较高，燃料在高温缺氧情况下，由裂解过程释出并经聚合过程形成碳烟。 碳烟不是纯碎的碳，而是一种聚合体，其主要成分随柴油机负荷不同稍有改变，一般含C85%-95%，O24%-8%及少量的H2和灰粉。也有人认为碳烟是石墨结晶，由直径0.05m左右微粒附聚成0.1-10m的多孔性碳粒构成。2.2.5 SO的生成机理二氧化硫（SO2）。排气中SO2的含量与燃料中的含硫量有关。一般来说，柴油机比汽油机中的SO2要多些。SO2对汽车发动机使用催化净化装置有破坏作用，即使少量的SO2堆积在催化剂的表面，也会降低催化剂的使用寿命。同时SO2是生成柴油机排气微粒的原因之一。但总的来说，与其他发生源（如燃煤）相比，汽车排放的SO2所占的比例很小。从大气污染角度看，不是汽车排放的主要问题。第3章 汽车尾气排放污染的控制措施3.1 控制汽车排放污染的管理措施汽车排放控制管理体系和相应法规的建立和健全，是正确有效地实施管理对策的根本保障。是对汽车尾气污染控制的必要方式。311 车辆排放控制管理体系（1） 汽车环保认证程序（EPA）包括制造厂以书面形式相政府主管机关提出申请，并附上报告、车辆有关的说明书、技术参数、实验规格及有关数据和资料，并提交车辆或发动机运行50000mile或1500h的耐久性实验排气检测结果。主管机关审查认证申请资料后，选择实验样车或样机，进行EPA法规要求的试验，试验结果如符合EPA法规要求，则认为该车型或发动机通过认证。并给予官方公布。（2） 联邦汽车安全型式认证程序：汽车制造厂按照安全法规的规定进行检查和严正，并将检验报告、产品说明书及其有关材料上报政府主管机关。主管机关根据呈上来的材料依照法规进行审查核实，与法规相符则认为通过安全人证，并在联邦注册公诸于市众。为确保车辆符合机动车产品安全法规要求，主管机关随时可以进一步核实制造厂的鉴定实验数据和其他证据资料，检查以在使用中或正在制造中的任何阶段的车辆和装备，进行选择性坚定实验，以及采取其他必要的检查和调查手段等。如断定不符，则要求制造厂限期休整，并对已售的车辆实施回调。 312 在用车检查和维护（I/M）制度 在用车的检查和维护制度，简称I/M制度，是削减在用车污染排放最重要的手段。I/M制度通过对机动车进行定期和不定期的排放检测，促进机动车的正常维护，防止人为对排放控制系统的损坏，保持车辆处于良好的运行状态，从而减少污染物的排放。I/M制度是对新车实行强制性排放标准的有效补充。 I/M制度有两个目的：一是发现因调整不当或机械故障导致的高排放车辆；第二是发现控制设备的非正常工作和人为破坏，确定机动车的故障根源，便于对车辆进行维修，并督促车主加强维护，使得在整个汽车使用生命周期中排放控制系统始终有效。大量的调查分析表明，在用车排放的大部分污染物来自一小部分高排放车辆。据统计，在用车中5%的高排放车的污染物排放占总排放量的25%，20%的车辆的排放量占到总排放量的50%。对于没有特殊排放控制的化油机车，这一影响主要表现HC和CO上，调整好与坏的车辆，其排放差值可达4倍。对安装了催化转化器等排放控制系统的更先进的车型，部分高排放车辆的污染物排放甚至高出5倍以上。因此，通过I/M制度发现高排放车辆，对削减在用车污染排放非常有效。比如催化器或氧传感器损坏，虽然不影响驾驶性能，但可使尾气中HC和CO的排放增加20倍以上，NO化合物增加35倍；柴油机的喷射系统损坏，至少使得颗粒物排放增加20倍以上。通过发现维护不善的车辆并予以修理，平均可降低排放30%-50%。但由于I/M制度的配套政策和实施机构达不到理想状态，极少有实际的I/M制度能实现完全的削减潜力。一套成功的I/M制度应该包括繁荣技术要素有：（1） 合适的检测程序，并设定必要的检查内容。（2） 对不合适车辆的强制实施机制。（3） 加强维修程序管理和机械技能培训。（4） 检测数据收集和定期的质量考核。（5） 对车种和车龄进行优化，注重老旧车的检测（5） 对检测员和修理工进行技能控制。（6） 进行周期性的评估以发现和解决问题。3.1.3 担保、监督与回调制度 汽车制造商在规定的耐久行程里程内必须对汽车的排放质量负责。如果车主一直按照厂家要求的详细说明书进行使用、维护、保养，若在规定期限内发现某一与排放有关的零部件出现故障，从而影响到汽车的排放性能，则制造商必须根据担保制度的规定，对机动车进行免费维修。若故障出现的次数超过规定的比例，经过严格的测试后被确认为缺陷车，制造商必须将所生产和销售的该车型全部车辆回收，并采取修理、更换或赔偿的方式来纠正车辆存在的缺陷，保证经认证的车辆安全行驶，污染排放合格。因排放超标被回调而产生的额外花费和消费者的不满，会督促汽车制造商去开发更耐久、更有效的排放控制系统，并建立比法定标准限值严格很多的内部排放目标。大多数汽车制造商将机动车设计成为有把握的排放量与标准间至少有30%的裕度，以留给使用过程中一个合理的损坏允许度。例如，为保证在用车符合NO化合物排放量的标准，大多数生产厂家将建立一个0.1/mile的开发目标作为NO化合物排放的控制指标，结果在用车的排放性能便大大改善了。3.2 控制汽车排放污染的技术措施3.2.1 内燃机自身技术的改进在汽油机上通过推迟喷油提前角可以有效地抑制NO化合物的排放，且方法简便易行。柴油机喷油时间延迟使一氧化碳化合物排放量下降的原因与汽油机并不完全相同，主要原因有两个。一是使燃烧过程避开上止点进行，燃烧等容度下降。因而燃烧温度下降。二是越接近上止点喷油，缸内空气温度越高，燃油一旦喷入汽缸内便很快蒸发混合并着火，即着火落后期可以缩短，燃烧初期的放热速率降低，导致燃烧温度降低。这两种原因都起到了一直氮氧化合物生成的作用。对比图中喷油提前角等于零下十五度和零下五度时的缸内温度、压力及燃烧放热率可以看出，随着燃油提前角的的推迟，燃烧温度、压力和放热率峰值均秒下降。 但过分推迟喷油提前角，如图中又上止点继续推迟时，氮氧化合物排放反而上升。这主要是由于着火落后气的过分延长，使燃烧初期的放热速率反而大幅度上升的原因。总之，推迟燃油提前角对降低氮氧化合物的效果是有限的，过分推迟，往往会牺牲燃油经济性和碳烟及微粒排放特性，即出现典型的Trade-off的关系。为此，推迟喷油提前角最好是与其他加速燃烧的促使并用，如高压喷射或加强缸内气体运动，以防止其他性能的恶化。3.2.2汽车燃料的改进车用油品的质量对车辆的排放性能有很大影响，尤其是对采用闭环三元催化净化技术的先进车型。各地应从以下方面提高油品的质量：1) 针对影响机动车排放性能的燃料特性如饱和蒸汽压、硫含量、铅含量等，应确保符合标准的限值要求。2) 对燃料中影响排放净化系统正常工作的杂质, 如硅、锰、铁、钒等，必须确保低于限值要求，不得人为加入。3) 对车用柴油中的硫含量，也应按照有关标准严格控制。此外，寻找替代燃料也是减少汽车排放有还物质的有效途径。目前的常规燃料主要是汽油和柴油，但已经有许多国家的研究机构把目光转向代用燃料液化石油气（LPG）、压缩天然气（CNG）和甲醛等。替代燃料有保存原油产品和保护能源的潜力，同时它又能有效地削减机动车的污染物排放。当然，我们应当认识到，在许多情况下采用常规燃料辅以先进的排放控制技术，往往会收到更经济的控制效果，未来会选取哪一类燃料将取决于经济因素。在中短期内，全球汽车制造商将继续重视汽油机和柴油机仍然具备的巨大潜力，并与石油行业共同开发环保型“特殊”燃料，例如源于天然气或生物质的燃料。同时，戴姆勒-克莱斯勒积极致力于开发混合动力驱动系统，将其作为运用燃料电池汽车实现零污染排放交通运输的过渡性解决方案。进一步优化内燃机在未来多年中，内燃机将继续占据汽车市场的主导地位，因此不断改进内燃机技术是有效的短期解决方案。3.2.3 废气再循环(EGR) 废气再循环(EGR)系统用于降低废气中的氧化氮(NOX)的排出量。氮和氧只有在高温高压条件下才会发生化学反应，发动机燃烧室内的温度和压力满足了上述条件，在强制加速期间更是如此。当发动机在负荷下运转时，EGR阀开启，使少量的废气进入进气歧管，与可燃混合气一起进入燃烧室。怠速时EGR阀关闭，几乎没有废气再循环至发动机。汽车废气是一种不可燃气体(不含燃料和氧化剂)，在燃烧室内不参与燃烧。 它通过吸收燃烧产生的部分热量来降低燃烧温度和压力，以减少氧化氮的生成量。进入燃烧室的废气量随着发动机转速和负荷的增加而增加。 EGR系统的主要元件是数控式EGR阀，数控式EGR阀安装在右排气歧管上，其作用是独立地对再循环到发动机的废气量进行准确的控制，而不管歧管真空度的大小。 EGR阀通过3个孔径递增的计量孔控制从排气歧管流回进气歧管的废气量，以产生7种不同流量的组合。每个计量孔都由1个电磁阀和针阀组成，当电磁阀通电时，电枢便被磁铁吸向上方，使计量孔开启。旋转式针阀的特性保证了当EGR阀关闭时，具有良好密封性。 EGR阀通常在下列条件下开启：1.发动机暖机运转。2.转速超过怠速。ECM根据发动机冷却水温传感器、节气门位置传感器和空气流量传感器来控制EGR系统。1.作用废气再循环(EGR)系统用于降低废气中的氧化氮(NOX)的排出量。氮和氧只有在高温高压条件下才会发生化学反应，发动机燃烧室内的温度和压力满足了上述条件，在强制加速期间更是如此。当发动机在负荷下运转时，EGR阀开启，使少量的废气进入进气歧管，与可燃混合气一起进入燃烧室。怠速时EGR阀关闭，几乎没有废气再循环至发动机。汽车废气是一种不可燃气体(不含燃料和氧化剂)，在燃烧室内不参与燃烧。 它通过吸收燃烧产生的部分热量来降低燃烧温度和压力，以减少氧化氮的生成量。进入燃烧室的废气量随着发动机转速和负荷的增加而增加。2.工作原理EGR系统的主要元件是数控式EGR阀，数控式EGR阀安装在右排气歧管上，其作用是独立地对再循环到发动机的废气量进行准确的控制，而不管歧管真空度的大小。 EGR阀通过3个孔径递增的计量孔控制从排气歧管流回进气歧管的废气量，以产生7种不同流量的组合。每个计量孔都由1个电磁阀和针阀组成，当电磁阀通电时，电枢便被磁铁吸向上方，使计量孔开启。旋转式针阀的特性保证了当EGR阀关闭时，具有良好密封性。发动机控制电脑即ECU根据发动机的转速、负荷(节气门开度)、温度、进气流量、排气温度控制电磁阀适时地打开，进气管真空度经电磁阀进入EGR阀真空膜室，膜片拉杆将EGR阀门打开，排气中的少部分废气经EGR阀进入进气系统，与混合气混合后进入气缸参与燃烧。少部分废气进入气缸参与混合气的燃烧，降低了燃烧时气缸中的温度，因NOX是在高温富氧的条件下生成的，故抑制了NOX的生成，从而降低了废气中的NOX的含量。但是，过度的废气参与再循环，将会影响混合气的着火、性能，从而影响发动机的动力性，特别是在发动机怠速、低速、小负荷及冷机时，再循环的废气会明显地影响发动机性能。所以，当发动机在怠速、低速、小负荷 及冷机时，ECU控制废气不参与再循环，避免发动机性能受到影响；当发动机超过一定的转速、负荷及达到一定的温度时，ECU控制少部分废气参与再循环，而且，参与再循环的废气量根据发动机转速、负荷、温度及废气温度的不同而不同，以达到废气中的NOX最低。3.2.4三元催化技术三元催化转化器是将机车、汽车引擎燃烧后所排放的CO(一氧化碳)、HC(碳氢化合物)、及NOx（氮氧化物）等有害成份，在排气管中催化转换成无毒害的CO(二氧化碳)、HO(水)和N（氮气）在排放到大气中，达到净化的功效。见图（1）图（1）1.技术概述 汽车以三种方式向大气排放污染物：尾气排放、曲轴箱通风和燃油蒸发。其中尾气排放影响最大，其主要污染成分是CO，HC和NOx，汽车尾气三元催化转化器（简称催化器）是安装于汽车排气系统中的最重要的机外净化装置，它可将这些有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的CO2，H2O和N2。 催化器中心是多空蜂窝陶瓷载体，孔多而壁薄，使废气通过时有很多接触机会，又不产成较大的背压（排气阻力）。载体材料一般是高纯度的堇青石，具有适当的吸水性，以便催化剂的涂附，并有极低的热膨胀系数，以使在反复承受热冲击的情况下，不产生大的应力变化和疲劳破损。 载体表面涂有很薄的催化剂涂层，其中直接起催化作用的主要是铂族贵金属（铂Pt、铑Rd、钯Pd），稀土材料铈Ce和镧La的氧化物具有储氧功能，并有助催化的作用，将上述多种材料按一定比例（配方）制成催化剂，能收到最佳的催化效果。由于贵金属价格昂贵，催化剂中的贵金属含量低就成了它的水平和市场竞争力的标志。催化剂的主要技术指标是对废气中三种主要有害成分的转化效率，一般都应在80以上，起燃温度T50是检验低温下催化剂活性的重要指标，对冷启动时废气的转化作用有重要影响，一般在300度以下。高温抗老化性能也是重要的技术指标，一般在80000公里时，劣化系数应小于12。 美国、欧洲及日本代表着当今世界汽车工业发展潮流。美国对汽车排放控制起步早、进程快、要求高，尤其是美国的加州，其法规是世界上最严格的。欧洲排放控制起步较慢，法规较松，但2005年后，排放控制也要达到美国当时水平。日本为了适应国内环境保护和出口国外需要，排放控制技术发展很快。三元催化技术是机外净化最成功最有效的方法，国外应用取得了很大的成功，目前正向低贵金属含量、紧密偶合型、电加温型和柴油机微粒控制等方向发展。 2.结构：三元催化反应器类似消声器。它的外面用双层不锈薄钢板制成筒形。在双层薄板夹层中装有绝热材料-石棉纤维毡。内部在网状隔板中间装有净化剂。 3.净化剂：净化剂由载体和催化剂组成。载体一般由三氧化二铝制成，其形状有球形、多棱体形和网状隔板等。净化剂实际上是起催化作用的，也称为催化剂。催化剂用的是金属铂、铑、钯。将其中一种喷涂在载体上，就构成了净化剂。4.三元催化反应器的工作原理是：发动机通过排气管排气时，CO、HC、和NOx三种气体通过三元催化反应器中的净化剂时，增强了三种气体的活性，进行氧化-还原化学反应。其中CO在高温下氧化成无色、无毒的二氧化碳（CO2）气体。HC化合物在高温下氧化成水和（H2O）和CO2 。NOx还原成氨气（N2）和（O2 ）。三种有害气体变成无害气体，使排气得以净化。 三元催化反应器的使用：凡是性能较好的三元催化器及其催化剂大多为铂(Pt)、钯(Pd)、铑、(Rn)等稀有金属制成，价格昂贵。为了充分发挥三元催化器的降污效率，防止早期损坏失效，在汽车使用中应注意以下几个方面：（1）装有三元催化器的汽车，不能使用含铅汽油，尤其到外地加油时一定要注意，因为含铅油燃烧后，铅颗粒随废气排经三元催化器时，会覆盖在催化剂表面，使催化剂作用面积减少，从而大大降低催化器的转换效率，这就是常说的的“三元催化器铅中毒”，经验表明即使只使用过一箱含铅汽油，也会造成三元催化器的严重失效，所以这一点广大车主一定要多加注意。（2） 应避免未燃烧的混合气进入催化器。三元催化器开始起作用的温度是200摄氏度左右，最佳工作温度在400摄氏度至800摄氏度，而超过1000摄氏度后作为催化剂的贵金属成分自身也将会产生化学变化，从而使催化器内的有效催化剂成分降低，使催化作用减弱。催化器降低碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)这两种有害物质是通过在催化器内部进行燃烧使其转化为水(H2O)及二氧化碳(CO2)而实现的，而这种反映会产生热量，发动机工作正常情况下，这两种成分的含量适当，燃烧所产生的热量会使催化器保持在最佳工作温度附近，而发动机工作出现异常时排气中这两种成分的含量远远超过正常情况。因此，燃烧所产生的热量有很大可能将使催化器温度超过工作上限，从而伤害到催化剂，使催化器损坏。因此，在车辆使用过程中要注意以下几种情况：(1) 过久的怠速空转；(2) 点火时间过迟；(3) 个别缸失火不工作；(4) 喷油正常但启动困难；(5) 混合气过浓；(6) 发动机烧机油等。以上这些现象都会造成三元催化剂的过早损坏和失效，出现这些现象应尽快去维修厂排除故障。 5.目标：完成关键技术攻关和新产品开发及推广应用，加速新产品产业化工程建设。6.主要研究内容：低膨胀，耐高温，高强度，多孔隙的蜂窝陶瓷载体；高稀土，低贵金属含量的催化剂；催化剂的涂附技术和催化转化器的设计制造技术；催化器与整车排放系统的匹配技术；紧密偶合型 、电加温型和柴油机微粒控制催化器技术。 随着汽油机和柴油机电子控制技术在近期内在国内的广泛应用和排放法规将进一步加严，尾气催化转化器将在我国大量使用。325 新型片式汽车尾气传感器 自从1976年Bosch开始研制的用于汽车尾气排放控制的氧化锆基氧传感器以来，全球范围内 传感器已生产了几亿只。 即实际空气/燃料比与化学计量的比值，是减少汽车及其他燃烧系统有毒气体排放、提高燃烧效率极为重要的参数，由三元催化和 传感器构成的 闭环控制系统是减少火花点火发动机尾气排放最为有效的方法，但是，在发动机预热阶段以及当 远离1时，该系统对尾气排放的控制效果较差。为了进一步满足对尾气排放控制要求日益严格的需要，必需解决该系统目前存在的问题。解决策略主要有两个方面。一是在预热阶段就启动闭路模式。发动机优先低燃料运转或用第二空气泵使催化剂快速启动，这就要求传感器具有快速启动能力(15s甚至80。随着环境温度的上升，空气密度变小，而汽油的密度几乎可认为不变,因此使化油器供给的混合比R（即AF）随吸入空气温度的上升而变浓，图3为一定运转条件下，进气空气温度与混合比的关系，大致和绝对温度的方根成反比的理论相一致。2大气压力p的影响大气压力随海拔高度而变化，由经验公式P=P0（1-0.02257h）5.256（kPa） 式中 h一海拔高度（km）。 当海平面p0=100kpa时，可作出海拔高度和大气压力变化关系的曲线，见图4。 当忽略空气中饱和水蒸气压时，空气密度可用下式表示：=1.293273p/(273+T)750(kg/m3) 可以认为空气密度和P成正比，从简单化油器理论可知，混合比和空气密度的平方根成正比，即混合比 R=R01进气空气温度T。的影响 一般情况下，冬天气温可达-20以下，夏天在30以上，爬坡时发动机罩内To80。随着环境温度的上升，空气密度变小，而汽油的密度几乎可认为不变,因此使化油器供给的混合比R（即AF）随吸入空气温度的上升而变浓，图3为一定运转条件下，进气空气温度与混合比的关系，大致和绝对温度的方根成反比的理论相一致。2大气压力p的影响 大气压力随海拔高度而变化，由经验公式P=P0（1-0.02257h）5.256（kPa） 式中 h海拔高度（km）。 当海平面p0=100kpa时，可作出海拔高度和大气压力变化关系的曲线，见图4。 当忽略空气中饱和水蒸气压时，空气密度可用下式表示：=1.293273p/(273+T)750(kg/m3) 可以认为空气密度和P成正比，从简单化油器理论可知，混合比和空气密度的平方根成正比，即混合比 R=R0这样，可求得进气空气压力变化时，引起混合比的变化，见图5。由图示出，当进气管压力降低时，空气密度下降，使混合比R(AF)下降，从而使混合气过浓百分率提高，这将影响CO的排放。图中实验值稍高于理论值。进气管真空度的影响 当汽车急剧减速时，发动机真空度大于负68kpa以上时，停留在进气系统中的燃料，在高真空度下急剧蒸发而进入燃烧室，造成混合气瞬时过浓，致使燃烧状况恶化。CO浓度将显著增加到怠速时的浓度。4. 怠速转速的影响 图6表示了怠速转速和排气中CO和HC浓度的关系。怠速转速600r/min时，CO浓度为1.4%，700r/min时，降为1%左右，这说明提高怠速转速，可有效地降低排气中CO浓度，但是，怠速过高会加大挺杆响声，对液力变扭汽车，还可能发生溜车的危险。如果这些问题得到解决，一般从净化的观点，希望怠速转速规定高一点较好。5.发动机工况的影响图7为解放牌汽车负荷一定时，等速工况下排气成分实测结果由图可见。当车速增加时，CO很快降低，至中速后变化不大，这是由于化油器供给发动机的空燃比，随流量增加接近于理论混合比的结果。图中也给出了HC和NOx的变化关系。图8为CA1OB汽油机在n=2000r/min时负荷特性下的排气成分。CO值随负荷的增加（进气管真空度p减小）而逐渐降低，由于供给混合气的空燃比逐渐变稀之故。当负荷加大到进气管真空度低于26.7kpa后，CO值开始升高是由于化油器加浓装置起作用的结果。3.4对氮氧化合物的控制空燃比A F和点火提前角Q的影响 ：A F和Q对于NO的生成影响最大。从图11中的实验结果看出，通过减小点火提前角Q和使混合气比理论混合气过浓或过稀的办法可以降低NO排出浓度，但是，如果这些条件选择不当，会大幅度降低功率、经济性和运转的稳定性。大气湿度的影响 ：空气中的水分对NO2排出量的影响不小，所以美国的试验方法在一定湿度条件下评价NO2的排出量。它以绝对湿度（75格林/每磅干空气）为基准（注：21格林/磅=0.143g/kg），用下式校正湿度：KH =1/1-0.0047（H-75）式中 H一一进气中每磅干空气的含水量（格林水/