现代汽车排放控制技术课件资源

汽车排放与控制北京建筑大学第1章概述

2学习目标：了解汽车给环境污染的关系，了解我国主要城市的污染状况，理解汽车排放污染物的危害。知识要点：环境保护与汽车我国主要城市的污染状况汽车排放污染物CO、NOx、HC、光化学烟雾、非常规排放物和CO2等的危害引例

3意大利首都罗马所在的拉齐奥大区汽车尾气污染非常严重，那些长年站在马路上疏导交通的警察成了尾气污染最直接的受害者，10年中已有500多名交警因此致病死亡。在我国，一项调查让城市里的家长们惴惴不安，近年来儿童血液中铅的含量已经远远超过上几代，而儿童健康的杀手之一就是汽车尾气。1.1环境保护与汽车图1-1伊朗首都德黑兰灰蒙蒙的上空1.2我国主要城市大气污染状况1.3汽车排放污染物及其危害光化学烟雾形成的过程本章小结城市化发展以及在人口、汽车和能源消耗方面的增长是造成空气污染问题严重的主要因素。我国城市空气质量仍处在较重的污染水平，北方城市重于南方城市。汽车尾气也已成为城市大气污染主要因素。排放的废气中含有150～200种不同的化合物，其中对人危害最大的有CO、HC、NOx、微粒、非常规排放物与CO2等。谢谢大家!AutomotiveemissionandcontrolBeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitectureChapter1:introduction10StudyAims学习目标：UnderstandtherelationofautomotiveandenvironmentKnowaboutthepollutionofmaincityinChinaRealizethedisadvantageofautomotiveemissionStudypoints知识要点：theenvironmentandautomotivethepollutionofmaincityinChinathedisadvantageofCO,NOx,HC,PM,CO2

Example:

11Readtheexamplesinbook.Wouldyouliketakeanexampleaboutpollution?1.1Airpollutionandvehicles1.1.1Airpollution

Airpollutionistheintroductionofparticulates,biologicalmolecules,orotherharmfulmaterialsintoEarth'satmosphere,causingdiseases,deathtohumans,anddamagetootherlivingorganisms.1.1.2SourcesTherearevariouslocations,activitiesorfactorswhichareresponsibleforreleasingpollutantsintotheatmosphere.Thesesourcescanbeclassifiedintotwomajorcategories.(1)Anthropogenic(man-made)sources:(2)Naturalsources:1.2Environmentalimpact

thepollutioninIranWhy？Fig1.3Wordmapofpassengercarsper1000peopleWordmapofpassengercarsper1000peoplethepollutionofmaincityinChinaWhatdoyouseefromthetable?1.3TypesofemissionsEmissionsthatareprincipalpollutantsofconcernincludeCO,HC,NOx,PMandCO2Nitrogenoxides

Nitrogenoxides

(NOx)-Generatedwhen

nitrogen

intheairreactswithoxygenatthehightemperatureandpressureinsidetheengine.NOx

isaprecursortosmogand

acidrain.NOx

isamixtureofNO,N2O,andNO2.NO2

isextremelyreactive.Itdestroysresistancetorespiratoryinfection.NOx

productionisincreasedwhenanenginerunsatitsmostefficient(i.e.hottest)partofthecycle.HydrocarbonsHydrocarbons-Aclassofburnedorpartiallyburnedfuel,hydrocarbonsaretoxins.Hydrocarbonsareamajorcontributortosmog,whichcanbeamajorprobleminurbanareas.TheformationofsmogTheformationofsmogHydrocarbonsProlongedexposuretohydrocarbonscontributestoasthma,liverdisease,lungdisease,andcancer.Regulationsgoverninghydrocarbonsvaryaccordingtotypeofengineandjurisdiction;insomecases,"non-methanehydrocarbons"areregulated,whileinothercases,"totalhydrocarbons"areregulated.HydrocarbonsTechnologyforoneapplication(tomeetanon-methanehydrocarbonstandard)maynotbesuitableforuseinanapplicationthathastomeetatotalhydrocarbonstandard.Methaneisnotdirectlytoxic,butismoredifficulttobreakdowninacatalyticconverter,soineffecta"non-methanehydrocarbon"regulationcanbeconsideredeasiertomeet.Sincemethaneisagreenhousegas,interestisrisinginhowtoeliminateemissionsofit.HydrocarbonsCarbonmonoxide

Carbonmonoxide

(CO)-Aproductofincompletecombustion,carbonmonoxidereducestheblood'sabilitytocarryoxygen;overexposure(carbonmonoxidepoisoning)maybefatal.CarbonMonoxidepoisoningisakillerinhighconcentrationsParticulatematterParticulatematter

–

Soot

orsmokemadeupofparticlesinthe

micrometre

sizerange:Particulatemattercausesnegativehealtheffects,includingbutnotlimitedto

respiratorydisease

and

cancer.Volatileorganiccompounds

(VOCs)Volatileorganiccompounds

(VOCs)-Organiccompoundswhichtypicallyhaveaboilingpointlessthanorequalto250

°C;forexample

chlorofluorocarbons

(CFCs)and

formaldehyde.

Volatileorganiccompounds

areasubsectionof

Hydrocarbons

thatarementionedseparatelybecauseoftheirdangerstopublichealth.Carbondioxide(CO2)

Carbondioxideisagreenhousegas.MotorvehicleCO2emissionsarepartoftheanthropogeniccontributiontothegrowthofCO2concentrationsintheatmospherewhichiscausingclimatechange.SulfuroxideSulfuroxide

(SOx)-Ageneraltermforoxidesof

sulfur,whichareemittedfrommotorvehiclesburningfuelcontainingsulfur.Reducingtheleveloffuelsulfurreducesthelevelof

Sulfuroxideemittedfromthetailpipe.Emissionsofmanyairpollutantshavebeenshowntohavevarietyofnegativeeffectsonpublichealthandthenaturalenvironment.1.4PollutionEffects

1.5Emissionfactors

1.6Pollutionreduction

ConclusionsThemainfactorofpollution–automotiveemissionbecauseofthecitydevelopment,energyusage,andsoon.TheheavypollutioninChina,andtheNorthisheavierthantheSouth.AutomotiveEmissionincludesmanydifferentcontents,suchasCO,HC,NOx,PMandCO2Thanks!汽车排放与控制第二章汽车排放污染物的生成机理和影响因素

北京建筑工程学院学习目标

理解汽车排放物与柴油车排放物有何异同，理解汽车排放物的生成机理及其影响知识要点

汽油车排放污染物的生成机理汽油车排放污染物的影响因素柴油车排放污染物的生成机理柴油车排放污染物的影响因素引例

某市环保局机动车尾气排放管理处对机动车尾气的进行24小时测试。结果表明尾气浓度最高时间是上下班时间，地点是在高架入口和十字路口处。考虑到车辆起动时尾气排放量大，交警部门在十字路口把左转车辆的两次起动改成一次起动。而以往是左转车在红绿灯提示进入左转等候区需起动一次，然后绿灯时再起动一次。试分析，汽车尾气排放为什么在上下班时间，在路口的地方排放浓度大？从发动机运转工况的角度分析，为什么两次起动改为一次起动能降低排放？

汽车排放对大气污染严重，其主要原因是与燃料的燃烧过程密切相关。目前汽车常用的燃料是汽油和柴油，属于石油制品，是多种烃的混合物，其主要化学成分为碳（C）和氢（H），具体的组成成分与原油产地还有关系。汽车排放除了和燃料在发动机中与空气的混合过程，燃烧过程及燃烧结束后在排气过程中的物理变化和化学反应有关。此外，还和燃油的蒸发等因素有关。汽油为C4—C11的碳氢燃料，易挥发，化学稳定性好，着火温度高，不易自燃，是依靠点火使其燃烧。因此，汽油机需要燃油和空气在外部形成比较均匀的混合气进入气缸后，用火花塞点燃，形成火焰中心，化学反应加速，开始进行火焰传播。所以其燃烧方式为预混合燃烧。

柴油机为C12~C23的碳氢化合物，不易挥发，着火温度低，化学稳定性差，但易自燃。因此，柴油机靠压缩提高缸内混合气的温度，使其自燃。由于柴油机是在极短的时间内靠高压将柴油喷入气缸，经过喷雾、蒸发，混合过程形成非均质的可燃混合气，当压缩达到自然温度就会有多处着火而燃烧，燃烧时，仍有燃料正在进行喷射、雾化、蒸发和混合，因此其燃烧方式为扩散燃烧。由表2-1可见：汽油机污染物主要是CO，HC和NOx。柴油机污染物主要是微粒和NOx。2.1汽油车排放污染物的形成机理及其影响因素

汽油中一般烷族烃约占45%-60%，芳香族烃约占30%-35%，烯族烃约占5%~10%。其组成元素，按质量百分比，碳（C）元素约占85.5%，氢（H）元素约占14.5%。传统的汽油机压缩比在7~10之间，燃烧过程是依靠火花塞点燃汽油与空气的混合气。汽油机燃烧必需具备两个条件。一是空气和燃料的混合气成分（空燃比）应处在可燃界限内（一般在10-19之间）；二是火花塞应具有足够的点火能量（最小点火能量40-120mJ）才能可靠地点燃混合气。汽油的理论空燃比为14.7，一般最经济混合气的空燃比在15.4~16.2，最大功率空燃比为12.5-14。汽油机排放污染物与过量空气系数φa的变化关系见图2-1。

图2-1汽油机排放污染物与过量空气系数φa的变化关系较浓的混合气（φa<1）由于燃烧不完全，排放的CO与HC浓度较高，在λ=1附近，CO与HC排放浓度下降，在φa=1.1~1.25范围内HC最少。NOx在稍稀处排放浓度最高。过稀或过浓混合气工作时NOx都急剧下降。过分稀时还会出现失火，导致HC排放增加。2.1.1汽油机排放污染物的形成机理1CO的生成机理

CO的生成主要是和混合气的混合质量及其浓度有关。燃料燃烧时不可能全部生成CO2，会由于下列原因产生部分CO。1．燃料不完全燃烧2．混合气混合不均匀3．CO2和H2O在高温时裂解CO是碳氢化合物燃料在燃烧过程中生成的主要中间产物。控制CO排放量的主要因素是可燃混合气的过量空气系数φa。当空气不足即φa<1时，燃料燃烧时生成大量CO。在传统的汽油机中（化油器式），可燃混合气基本上是均匀的。在这种情况下，其CO排放量几乎完全取决于混合气的空燃比α。或过量空气系数φa。图2-2点燃式内燃机CO排放量xco与空燃比α及过量空气系数φa的关系

图2-1a表示Xco与α的关系。对于不同燃料，由于H/C比不同而互不重合。但如把空燃比α换成过量空气系数φa，则不同燃料的关系相当精确地落在一条线上(图2-lb)。由此图可见，在浓混合气中(φa<1)，Xco随φa的减小不断增加，这是因为缺氧引起不完全燃烧所致。作为一种粗略的估计，可以认为φa每减小0.1，Xco增加0.03。在稀混合气中(φa>1)，Xco都很小，只有在φa＝1.0～1.1时，Xco才随φa有较复杂的变化。

汽油机怠速运转时，缸内残余废气很多，混合也不充分，为了保证可燃混合气稳定燃烧，需要加浓混合气，因而排放大量CO。这是化油器式汽油机总的CO排放量大的一个主要原因，因为车用内燃机怠速运转所占时间比例很大。为了提高汽油机全负荷运转时的功率输出，往往把可燃混合气加浓到φa＝0.8～0.9，导致CO排放量很大。全负荷不加浓或少加浓混合气，应认为是降低CO排放的实用措施之一，但要以牺牲动力性为代价。发动机加速时，为了保证加速圆滑，也要在短时间内加浓混合气，导致出现CO排放高峰；发动机急减速时不断油，除了导致HC排放大增外，也使CO排放增加。2HC的生成机理

汽油机未燃HC都是在缸内的燃烧过程中产生，并随排气排放。其未燃HC的生成与排放有如下三个渠道。

1)在气缸内的工作过程中生成并随排气排出，称为HC的排气排放物。主要是在燃烧过程中未燃烧或未完全燃烧的HC燃料。对于增压的四冲程汽油机，一般采用较大的气门重叠角。当进排气门重叠开启时，扫气作用虽然有助于降低发动机热负荷，但也使HC排放增加。

2)从燃烧室通过活塞组与气缸之间的间隙漏入曲轴箱的窜气，含有大量未燃烧料。曲轴箱窜气如果排入大气也构成HC排放物，称为曲轴箱排放物。

3)从汽油机和其他轻质液体燃料点燃式发动机的燃油系统，如燃油箱、化油器等处蒸发的燃油蒸气，如果排入大气同样构成HC排放物，称为蒸发排放物。汽车汽油配售、储存和加油系统如无特殊防蒸发排放措施，会产生大量蒸发排放物。汽油机未燃HC的生成机理主要如下：1）．壁面火焰淬熄2）．狭隙效应3）．润滑油膜的吸附和解吸4）．燃烧室中沉积物的影响5）．体积淬熄6）．碳氢化合物的后期氧化3氮氧化物生成机理1）生成一氧化氮的化学反应动力学在内燃机排放的氮氧化物中占压倒多数的是NO。在化学计量混合比(φa=1)附近，导致生成NO和使其消失的主要反应式为：O2→2OO＋N2→NO＋ON＋O2→NO＋ON＋OH→NO＋HNO既在火焰前锋面中生成，也在离开火焰的已燃气中生成。在内燃机中，燃烧是在高压下发生的，火焰中的反应带很薄(≈0.1mm)，很短命。此外，燃烧期间气缸内压力不断提高，结果使已燃气体温度提高到比刚结束燃烧的火焰带中达到的更高的温度。这就是为什么除了混合气很稀的地区外，只有很小一部分NO产生于火焰之中，而大部分NO则在离开火焰带的已燃气中生成。

NO既在火焰前锋面中生成，也在离开火焰的已燃气中生成。在内燃机中，燃烧是在高压下发生的，火焰中的反应带很薄(≈0.1mm)，很短命。此外，燃烧期间气缸内压力不断提高，结果使已燃气体温度提高到比刚结束燃烧的火焰带中达到的更高的温度。这就是为什么除了混合气很稀的地区外，只有很小一部分NO产生于火焰之中，而大部分NO则在离开火焰带的已燃气中生成。NO的生成主要与温度有关，图2-4表示正辛烷与空气的均匀混合气在4MPa压力下等压燃烧时，计算得到的燃烧生成的NO平衡摩尔分数XNOe与温度T及过量空气系数φa的关系(实线)。在φa>1的稀混合气区内，XNOe随温度的提高而迅速增大。在一定的温度下，XNOe随混合气的加浓而减小。特别是可燃混合气加浓到φa<l以后，由于氧不足，XNOe随φa的减小而急剧下降。NO的生成量在稀混合气区内主要是温度起支配作用，而在浓混合气区内主要是氧浓度起决定作用。

图2-4NO平衡摩尔分数XNOe与温度T及过量空气系数φa的关系

2）NO2的生成化学平衡计算表明，在一般火焰温度下，燃气中的NO2浓度与NO浓度相比可忽略不计，这由汽油机中的试验数据证实。不过在柴油机中，NO2可占排气中总NOx的10％～30％。排气中存留NO2的一个可能的机理，是在火焰中生成的NO可以通过下述反应式迅速转变为NO2，即:

NO+HO2→NO2+OH然后NO2又通过下述反应式重新转变为NO:

NO2+O→NO+O2除非在火焰中生成的NO2通过与较冷的气体相混合而被“冻结”；因此，汽油机长期怠速会产生大量NO2。这也发生在小负荷的柴油机中，这时燃烧室中存在很多低温区域，可以抑制NO2向NO的再转变。2.1.2影响汽油机污染物排放的因素

1、混合气浓度和质量的影响混合气浓度和质量的优劣主要体现在燃油的雾化蒸发程度、混合气的均匀性、空燃比和缸内残余废气系数的大小等方面。CO的排放浓度随混合气浓度的降低而降低。这是因为随着空气量的增加，氧气增多，燃料能充分地燃烧，CO排放减少。混合气的均匀性影响HC的排放。混合气均匀性越差则HC排放越多。混合气过浓或过稀均会发生不完全燃烧，废气相对过多则会使火焰中心的形成与火焰的传播受阻甚至出现断火，致使HC排放量增加。

由于混合气的浓度和质量直接影响燃烧时的气体温度和可利用的氧浓度，所以对NOX生成的影响是很大的。NOx的排放是φa≈1.1时达到最高值，无论混合气变稀或变浓，NOx排放均降低。这是因为当混合气偏浓时，由于缺氧即使燃烧室内温度很高，NOX的生成量会随着混合气浓度的升高而降低，此时氧浓度起着决定性作用；但当混合气偏稀时，NOX生成量随温度升高而迅速增大，此时温度起着决定性作用。由于燃烧室的最高温度通常出现在φa≈1.1，且此时也有适量的氧浓度，故NOX排放浓度达到最大。2、点火提前角点火提前角对汽油机HC和NOx排放的影响如图2-7所示。空燃比一定时，随点火提前角的推迟，NOx和HC同时减低，燃油消耗却明显变化。这是因为随点火提前角相对于最佳点火提前角（MBT）的推迟，后燃加重，热效率变差。但点火提前角推迟会导致排气温度上升，使得在排气行程以及排气管中HC氧化反应加速，使最终排出的HC减少。NOx排放减低的原因主要是由于随点火提前角的推迟，上止点后燃烧的燃料增多，燃烧的最高温度下降造成的。图中φ为当量比，指理论空燃比与实际空燃比的比值，φ越小标明混合气越稀。点火提前角对CO排放浓度影响很小，除非点火提前角过分推迟，使CO没有充分的时间完全氧化而引起CO排放量增加。

图2-7点火提前角对HC和NOx排放的影响3、汽油机运转参数1）汽油机转速

在汽油机怠速时，由于转速低、汽油雾化差、混合气很浓、残余废气系数较大，CO及HC的排放浓度较高。从排放控制的角度看，希望发动机的怠速转速规定得高一些。转速n的变化对NO排放的影响较复杂，如图2-8所示。在燃用稀混合气、点火时问不变的条件下，从点火到火焰核心形成的点火延迟时问受转速影响较小，火焰传播的起始角则随转速的增加而推迟。虽然随着转速增加，火焰传播速度也有提高，但提高的幅度不如燃用浓混合气的大。因此有部分燃料在膨胀行程压力及温度均较低的情况下燃烧，NO生成量减少。在燃用较浓的混合气时，火焰传播速度随转速的提高而提高，散热损失减少，缸内气体温度升高，NO生成量增加。由图中曲线可以看到，NO排放随转速n的变化而改变，特征的转折点发生在理论空燃比附近。

图2-8转速n的变化对NO排放的影响2）负荷如果维持混合气空燃比及转速不变，点火提前角调整到最佳点，则负荷增加对HC排放基本没有影响。因为负荷增加虽使缸内压力及温度升高，激冷层变薄，HC在膨胀及排气冲程的氧化加速，但压力升高使缝隙容积中的未燃烃的储存量增加，从而抵消了前者对HC排放的有利影响。在上述条件下，负荷变化对CO的排放量基本上也没有影响，但对NO的排放量有影响，如图2-9所示。汽油机是采用节气门控制负荷的，负荷增加，进气量就增加，降低了残余废气的稀释作用，火焰传播速度得到了提高，缸内温度提高，NO，排放增加。这一点在混合气较稀时更为明显。混合气过浓时，由于氧气不足，负荷对NO。排放影响不大。图2-9负荷变化对NO排放的影响（转速2000r/min，点火提前角30°）3）汽油机冷却水及燃烧室壁面温度提高汽油机冷却水及燃烧室壁面温度，可降低缝隙容积中储存的HC的含量，减少淬熄层厚度，减少HC排放。同时还可改善燃油的蒸发、混合和雾化，提高燃烧质量，降低排放。另外，冷却水及燃烧室壁面温度的提高，也使燃烧最高温度增加，从而NO排放也增加。4）积碳汽油机运转一段时间之后，会在活塞顶部、燃烧室壁面和进气门、排气门上形成多孔性积炭，这些积碳能吸附未燃混合气和燃料蒸气，在排气过程中再释放出来。因此，随着积碳的增加，HC排放量增加。图2-10表明，随着汽油机运转时间的增加，积碳增多，排气的HC含量增加。图中曲线1和2分别表示节气门全开、过量空气系数φ＝0.89、发动机转速n＝l200r/min时，排气中HC和CO的变化；曲线3和4分别表示节气门部分开启、过量空气系数φa＝1.01、发动机转速n＝2000r/min时排气的HO和CO的变化。从图中可以看出，汽油机的运转时间及沉积物的厚度对HC排放影响大，而对CO排放几乎没有什么影响。点5表示清除沉积物后HC的数值，可以看出，清除沉积物后，HC排放大大降低。图2-10汽油机运转时间对HC和CO排放的影响4、汽油机结构参数

1）气缸工作容积与行程缸径比的影响汽油机的气缸工作容积与行程缸径比对排气污染物的排放和油耗有很大的影响。图2-11和图2-12分别为汽油机的工作容积与行程缸径比对HC排放和NO排放的影响。图上的HC排放量是相对值。汽油机的气缸工作容积越大，则气缸面容比F/V变小，气缸相对散热面积较小，因此HC的排放和油耗越低，汽油机行程缸径比的影响更大，汽油机的行程越长，HC的排放和油耗越低。根据放热规律的对比分析，长行程汽油机的燃烧速度快，点火定时可以相对后移。长行程汽油机的最高放热率大、燃烧温度高。这些因素都有利于降低汽油机的HC排放和燃油消耗。长行程汽油机的这些优点在低负荷时更加明显。但是，长行程和大汽缸的汽油机的NOx排放量也大。

图2-11行程缸径比及工作容积对HC排放的影响

图2-12行程缸径比及工作容积对NO排放的影响

2）压缩比ε的影响压缩比增大，F/V增大，进入活塞顶环隙的混合气增多，HC的排放量增加。NOx排放受两方面的影响，一是压缩比升高后，发动机残余废气分数变少，且燃烧温度上升导致NOx增多，另一方面是热效率提高和F/V增大使NOx减少。压缩比对HC及NOx，排放的影响如图2-13所示。

图2-13压缩比对HC及NOx、排放的影响

3）.燃烧室形状的影响当工作容积和压缩比保持一定，变化燃烧室形状时，HC的排出量与面容比F/V成正比，即F/V增大，HC的排出量也增加。NOx的排放与HC正好相反，有与面容比F/V成反比的倾向，这是因为随F/V的增大，热损失变大，燃烧气体的最高温度降低。但对于NOx的排放含量，即使F/V相同，由于点火位置等的差异，燃烧速度及燃烧温度也受到很大的影响，故不能认为NOx的排放是F/V的函数。图2-14表示了不同燃烧室形状时的NO和HC排放，图中SQ/C表示挤流间隙的大小。

图2-14燃烧室形状对HC及NOx排放的影响

4）气门定时的影响气门定时对发动机HC和NOx排放的影响如图2-15所示。NOx受残留气体变化的影响，即受气门重叠的影响，随进气门早开、排气门迟闭，缸内残余废气增加使燃烧温度下降，NOx排放减少。排气门早开导致正在燃烧的HC排出，从而使HC排放增多。

图2-15气门定时对发动机HC及NOx排放的影响

5）活塞顶环隙容积的影响进入活塞和缸壁构成的小间隙（活塞顶环隙）的混合气，由于壁面淬熄效应和狭缝效应的影响，很难燃烧掉，从而影响HC的排放量。图2-16表示了其影响的试验结果，图中d表示活塞顶环隙的宽度，l表示活塞顶环隙的深度，可见随着活塞顶环隙容积的增大，进入环隙的混合气增多，HC的排放量增加。6.环境的影响1）进气温度的影响一般情况下，冬天气温可达零下20℃以下，夏天在30℃以上，爬坡时发动机罩内进气温度超过80℃。随着环境温度的上升，空气密度变小，而汽油的密度几乎不变，汽车供给的混合气的空燃比随吸入空气温度的上升而变浓，排出的CO将增加。因此，冬天和夏天发动机排放情况有很大的不同。2）大气压力的影响可以认为空气密度和进气压力成正比，空燃比和空气密度的平方根成正比，所以进气管压力降低时，空气密度下降，则空燃比下降，CO排放量将增大，NOx降低。3）大气湿度的影响大气湿度对NOx排放的影响特别大，因此在排放试验规范中使用湿度修正系数。大气湿度对排放特性的影响可以从下面两个方面考虑：第一，由于大气湿度的变化，使空燃比的变化超过了反馈控制区域；第二，由于大气湿度的增加，燃烧室内气体的热容量增大，使最高燃烧温度降低。空燃比随大气湿度的变化关系为：空燃比＝A（1一Hm）/（ρF）（3-21）式中：A——发动机吸入的空气量；

ρ——空气的密度；

F——燃料消耗量；

Hm——绝对湿度。可见随绝对湿度日。增大，空燃比减小。大气湿度增大后，还使水分带走了燃烧放出的热量，最高燃烧温度降低，NOx的排放降低。不只是水，只要是与燃烧无关的成分引人燃烧室，NOx的排放都将下降，图2-18表明了随着热容量的增大，NOx排放降低。图2-18NOx排放随热容量的变化2.2柴油车排放污染物形成机理及其影响因素2.2.1柴油机排放污染物的形成机理柴油机污染物与空燃比的变化关系如图2-19所示。尽管柴油机混合气不均匀，会有局部过浓区，但由于过量空气系数较大，氧气较充分，能对形成的CO在缸内进行氧化，因而CO一般较少。只是在接近冒烟界限时急剧增加，HC也较少，当φa增加时，HC浓度将随之上升。在φa稍大于1的区域，虽然总体是富氧燃烧，但由于混合不均匀，存在着局部高温氧区域，因而会产生大量碳烟。随着φa增大，碳烟浓度将快速下降。

图2-19典型的车用直喷式柴油机污染物排放量与平均过量空气系φa的关系1CO的排放形成机理和汽油机一样，CO的生成主要是和混合气的混合质量及其浓度有关。柴油机总的来说是在稀混合气下运转，其平均过量空气系数φa大多数工况下在1.5～3之间，CO排放量要比汽油机低得多，只有在负荷很大接近冒烟界限(φa=1.2～1.3)时才急剧增加(图2-19)。但是，柴油机的特征是燃料与空气混合不均匀，燃烧空间中总有局部缺氧的地方，有温度低的地方，以及反应物在燃烧区停留时间不足以彻底完成燃烧过程产生最终产物CO2，造成CO排放。这可以解释图2-19上φa很大(即负荷很小)时CO排放反而上升的原因，尤其是在高速运转时更明显。2HC的排放生成机理汽油机HC的生成机理也适用于柴油机，但也有区别。柴油机一般把燃油高压喷入燃烧室中，直接在缸内形成可燃混合气并很快燃烧。燃油停留在燃烧室中的时间比汽油机短得多，因而受到上面已经描述过的生成未燃HC的种种机理作用的时间也短，所以柴油机未燃HC排放较少。柴油机的HC排放量随过量空气系数增加而增加(见图2-19)。过量空气系数增大，则混合气变稀，燃油不能自燃，或火焰不能传播，HC排放增加。所以，在怠速或小负荷工况时，HC排量高于全负荷工况。缸内缺火会引起很大量的HC排放，柴油机冷启动期间会发生缺火，排气冒白烟，它基本上是由微粒状的未燃柴油构成。3微粒生成机理

1）．排气微粒的理化特性柴油机排气微粒的组成取决于柴油机的运转工况，尤其是排气温度。①当排气温度超过500℃时，排气微粒基本上是很多碳质微球的聚集体(含有少量氢和其他元素)，称为碳烟(Soot，DrySoot缩写DS)。②当排气温度低于500℃时(柴油机绝大多数工况都是这样)，烟粒会吸附和凝聚多种有机物，称为有机可溶成分(SolubleOrganicFraction，缩写SOF)。沿着柴油机的排气管道和测试取样系统，可观测到微粒粒度不断增大，且由于存在于气相中的有机化合物逐渐冷凝在微粒上，使其SOF含量增加。

微粒的组成如图2.20所示，排气微粒通常用溶剂萃取法等分析方法分成DS和SOF两部分。一般来说，SOF占PM质量的15％～30％，但观测到的总变化范围要大得多(10％～90％)。发动机负荷越小，SOF比例就越大，这与温度状态的影响一致。DS的H/C原子比在0.1～0.2之间，而SOF为1.2～1.6。在不同柴油机工况下，SOF的平均相对分子质量为360～400，这正好落在柴油(200)与润滑油(440~490)之间。由放射性示踪研究表明，碳烟中基本不含润滑油成分，后者全部进入SOF，在不同机型和不同工况下占SOF质量的15％～80％。燃油产生的物质有80％进入DS，20％进入SOF。微粒中的SOF含有对健康和环境有害的成分，包括各种未燃碳氢化合物、含氧有机物(醛类、酮类、酯类、醚类、有机酸类等)和多环芳烃(PolynuclearAromaticHydrocarbon，缩写PAH)及其含氧和含氮衍生物等。

图2-20微粒的组成

微粒的凝聚物中还包括少量无机物，如SO2、NO2和硫酸盐等。微粒中还有少量来自燃油和润滑油的钙、铁、硅、铬、锌、磷等的化合物。

2）．烟粒的生成机理柴油机排放的烟粒主要由燃油中含有的碳产生，并受燃油种类、燃油分子中的碳原子数及其氢碳原子比的影响。尽管对燃烧烟粒的生成方面进行了大量的基础研究，关于柴油机燃烧过程中烟粒的生成机理至今仍不很清楚，因为这涉及成分很复杂的燃油，在三维空间的强湍流混合气中高温高压下发生的不可再现的过程。

图2-21碳烟微粒生成图柴油机烟粒的生成和长大过程一般可分两个阶段：(1)烟粒生成阶段这是一个诱导期，期间燃料分子经过其氧化中间产物或热解产物萌生凝聚相。在这些产物中有各种不饱和的烃类，特别是乙炔及其较高阶的同系物CnH2n-2和PAH。这两类分子已被认为是火焰中形成碳烟粒子最可能的前兆物。这些气相物质的凝聚反应导致出现最早可辨认的碳烟粒子(常称为晶核)。这种最早期的粒子粒度非常小(d<2nm)，即使生成数量众多，也只能在其生成区，即火焰的最活性区占微乎其微的权重。(2)烟粒长大阶段这包括表面生长和聚集两个方面。表面生长指用烟粒表面粘住来自气相的物质，然后合并在一起。

3）烟粒的氧化燃烧过程(主要是扩散燃烧期)中生成的碳烟颗粒是可燃的。它其中很大一部分在燃烧的后续过程中会被烧掉(氧化)。碳烟在缸内燃烧时呈黄色火焰。碳烟的氧化速率主要和温度有密切关系，同时还和剩余氧，以及在高温下的逗留时间有关。

图2-22碳烟的变化过程4NOx的生成机理前面汽油机是从化学反应角度探讨了NOx的生成机理，因此其分析方法和过程及其结论对于柴油机也适用。和汽油机一样，生成NO的因素有以下三点：（1）高温；随着高温的形成，NO平衡浓度也提高，而且生成速度也加快了。特别是有氧存在时的温度是重要的。（2）富氧：在氧气不足的情况下，即使温度高，NO也被抑制了。（3）持续燃烧：因为No的生成反应速度比燃烧反应慢，所以即使再高温下，如果停留时间短的话，NO的生成量也可以被抑制。当A/F稍大于理论空燃比附近时，燃烧室温度最高，并且还有过剩的O2，所以生成的NO浓度最大。当A/F小于理论混合比时，由于缺氧，NO的生成量虽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。2.2.2影响柴油机排放的因素1）负荷

在小负荷时，由于喷油量少，缸内气体温度低，氧化作用弱，因此CO排放浓度高。随着负荷增加，气体温度升高，氧化作用增强，可使CO排放减少。当大负荷或全负荷时，由于氧浓度变低和喷油后期的供油量增加，反应时间短，使CO排放又增加。HC排放量随负荷的增加而减少。在怠速和小负荷时，喷油量小，可以假定燃油喷注达不到壁面，且喷注核心燃料浓度也小。这时燃料燃烧而引起的该区局部温度上升是很小的，因而反应速率慢。随着燃油分子向包固该区的空气中扩散，由于其浓度很低，使得燃油氧化反应弱。因此，在怠速和小负荷时，HC的排放浓度是最高的。随负荷增加，燃烧温度升高，氧化反应随着温度的升高加块，结果使HC的排放量减少了。涡轮增压柴油机缸内温度比非增压机更高些，故随着负荷的增加，HC排放量更低些。NOx的排放随负荷的增加先增加后降低。即小负荷时，混合气中有较充足的氧，但燃烧室内温度较低，故NOx排放也较低；随负荷的增加，燃烧温度升高，NOx排放增加；当负荷进一步增加时，燃烧室内气体温度虽然升高，但混合气的氧含量降低，这又抑制了NOx的生成，NOx排放降低。2）转速柴油机转速的变化，会使与燃烧有关的气体流动、燃油雾化与混合气质量发生变化，而这些变化对NOx及HC的排放都会产生影响。不过，转速变化对直喷式柴油机NO及HC排放的影响不很明显。图2-23所示的为6135型低增压柴油机转速对排放物的影响。试验是在平均有效压力为0.75MPa、喷油提前角比正常的推迟10°CA下进行的，可见，转速变化时，NOx及HC变化不大。转速变化对CO排放的影响较大。由图2-23可知，CO排放量在某一转速时最低，而在低速及高速时都较高。柴油机在高速时，充气系数较低，在很短的时间内要组织良好的混合气及燃烧过程较为困难，燃烧不易完善，故CO排放量高。而在低速特别是怠速空转时，由于缸内温度低，喷油速率不高，燃料雾化差，燃烧不完善，故CO排放量也较高。

图2-236135型低增压柴油机转速对排放物的影响3）进气涡流

适当增加燃烧室内空气涡流的强度，可改善燃油与空气的混合，促进混合气的形成，提高混合气的均匀性，减少不完全燃烧，同时燃烧室内局部区域混合气过浓或过稀的现象减少。另外，涡流能加速燃烧，使汽缸内最高燃烧压力和温度提高，这些有利于未燃烃的氧化。但空气涡流过强，则相邻两喷注之间形成互相重叠和干扰，使混合气过浓或过稀的现象更加严重，反而使HC排放增加，如图2-24所示。另外，随着缸内空气涡流的加速，燃烧的加快，NOx排放也可能增加。

图2-24涡流强度对HC浓度和油耗率的影响2.外界环境

外界环境用进气的温度、压力和湿度表示。进气温度的升高，将引起柴油机压缩温度及局部反应温度升高，这有利于NOx的生成。直接或间接喷射柴油机的NOx排放、平均有效压力如图4-14所图中虚线表示预燃室柴油机的试验结果，实线表示直喷式柴油机的试验结果。由图可见，随进气温度的增加，NOx排放增大。由于冬夏季的气温可相差几十度，因此，当发动机的技术状态不变时，夏季的NOx排放比冬季大。柴油机在中等负荷时，进气温度的升高，可缩短滞燃期，提高燃烧温度，促进HC的氧化，同时减少淬熄现象，于是HC排放量减少。发动机转速为1000r/min时，空燃比为55和25的两工况时的滞燃期、HC排放的试验结果如图2-25所示，可见在空燃比为55的稀混合气条件下，进气温度对HC排放的影响非常明显。图2-25进气温度对NOx排放的影响图2-26进气温度对HC排放的影响

在进气温度及供油量不变的情况下，提高进气压力，相当于增加空燃比，由此降低了燃气温度，抑制了NOx的生成。进气湿度的增加使进入气缸的水增加，由于水在燃烧反应中吸热，因而燃烧温度降低，NO生成量减少。图2-26所示的为进气湿度对NO排放物的影响。图4-16进气湿度对NO排放物的影响3供油系统

1）喷油提前角喷油提前角对柴油机NOx、碳烟和HC排放的影响较大。减小喷油提前角，可以使燃烧推迟，燃烧温度降低，NOx排放较少。提前喷油和推迟喷油也会使碳烟下降。这是因为：如果喷油提前角过大，则燃油在较低的温度和压力下喷入气缸，结果使滞燃期延长，使着火前的喷油量较多，燃烧温度高，燃烧过程结束的时间也早，从而增加了NOx排放量，减少了碳烟的排放量。如果喷油提前角推迟到最小滞燃期后，由于扩散火焰部分发生在膨胀过程中，火焰温度低，使碳烟的生成速率降低。图2-27表示一项试验结果。由此图可见，喷油提前角推迟20ºCA，就使NOx排放下降约20％，同时使油耗上升5％左右。现代柴油机为了降低NOx排放，实际喷油提前角已减小到0～50ºCA范围，而传统的车用柴油机则在10～200ºCA的范围内。

图2-27车用柴油机喷油提前角θinj对NOx排放和燃油消耗率be的影响

(实线：2600r/min全负荷，虚线：1600r/nin全负荷)

但过分推迟喷油提前角，如图2-28中由上止点继续推迟时，NOx排放反而上升。这主要是由于滞燃期的过分延长，使燃烧初期的放热速率反而大幅度上升的原因。

图2-28直喷式柴油机喷油时间对排放和油耗的影响2）喷油速率

喷油速率的变化对NOx、HC及CO的排放有一定的影响。喷油器在单位时间内（或单位喷油泵凸轮轴转角内）喷入燃烧室内的燃油量称为喷油速率。提高喷油速率，缩短喷油持续时间，并且在固定喷油终点时可推迟喷油，从而能降低NOx的含量，又不会导致动力性、燃油经济性降低。但喷油速率过高及尾喷油量增加都会使HC排放量增加，并且提高喷油速率并不是指整个喷油过程的喷油速率都要提高。具体地说，初期喷油速率不过高，以抑制着火落后期内混合气生成量，降低初期燃烧速率，以达到降低燃烧温度、抑制NOx生成及降低噪声的目的。中期应急速喷油，即采用高喷油压力和高喷油速率，以加速扩散燃烧速度，防止微粒排放和热效率的恶化。后期要迅速结束喷射，以避免低的喷油压力和喷油速率使雾化质量变差，导致燃烧不完全和炭烟及微粒排放增加。图2-30为直喷柴油机的试验结果，图中1、2、3分别表示喷油速率为5.7、7.2、8.3mm3/ºCA时的NO排放，在小功率的条件下，喷油速率对NO排放的影响较小，随着发动机功率的增加喷油速率的影响增大。图2-30喷油速率对NOx排放的影响1-5.7mm3/ºCA；2-7.2mm3/ºCA；3-8.3mm3/ºCA5．EGR（废气再循环）

EGR可大大增加气缸中的残余废气分数。当可燃混合气中废气分数增大时，既减小了可燃气的放热量又增大了混合气的比热容，这两者都使最高燃烧温度下降，从而使NOx排放降低。图2-32表示一台自然吸气直喷式车用柴油机，其EGR率Xe在0～15％之间变化时NOx和HC排放的变化情况。首先，NOx排放随负荷的下降而明显下降；其次，在标定转速3400r/min下的φNO要小于最大转矩转速2100r／min下的值。EGR率Xe从0增加到15％时，φNO最多可下降一半左右(2100r／min全负荷工况)。

图2-32EGR对柴油机排放的影响

(标定转速3400r/min，标定功率60kW，最大转矩转速2100r/min)本章小结

汽油机污染物主要是CO，HC和NOx。柴油机污染物主要是PM和NOx。

CO的生成主要是和混合气的混合质量及其浓度有关。主要原因是：燃料不完全燃烧、混合气混合不均匀和CO2和H2O在高温时裂解。汽油机HC主要是在缸内未燃的燃油，随排气排放形成HC。NOx的生成与温度氧浓度和反应时间有关。PM通常分成DS和SOF两部分，此外还有少量无机物。PM的生成主要是高压高温和局部缺氧。影响汽油车排放物的主要因素是：混合气浓度和质量、点火提前角、汽油机运转参数、汽油机结构参数、燃料性质和环境的影响。影响柴油车排放物的主要因素是：柴油机的运转参数、外界环境、供油系统、EGR和增压。

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汽车排放与控制

第三章汽车发动机排放控制技术北京建筑工程学院学习目标

通过学习汽车排放的特性，找出汽车排放特性的影响因素，了解汽车排放的污染来源，理解提高汽车排放特性的措施，分析控制汽车排放污染的策略，了解国内外汽车排放控制技术的发展。知识要点

汽车排放特性及其影响因素提高汽车排放特性的方法和控制汽车排放的策略国内外汽车排放控制技术的演变3.1.1汽油机的排放特性1稳态排放特性图3-1是一台2L排量4气门车用汽油机的CO、HC和NOx排放特性图。横坐标是转速n，纵坐标是平均压力Pme。

图3-1汽油机的排放特性3.1汽车发动机的排放特性

发动机排放污染物的浓度是随发动机的工况(负荷与转速)变化的，各种排气污染物（CO、HC等）的排放量随发动机运转工况参数如转速n、平均有效压力pme等的变化规律，称为发动机的排放特性。根据工况的不同，排放特性可以分为稳态排放特性和瞬态工况排放。稳态排放特性是指转速和负荷保持不变时发动机的排放特性。2瞬态排放特性

1）冷起动工况2）暖机工况

3）加减速工况

3.1.2柴油机的稳态排放特性1稳态排放特性co排放特性

从图中可以看出，转速一定时，随负荷的增大，CO排放量减少。在中速、中负荷工况下，柴油机的CO排放量最少。在小负荷工况，CO排放量也略有增加。但在整个工况范围CO的排放量都很少。这是由于涡轮增压直喷柴油机的空燃比非常大，不易生成CO。

在小负荷时，由于柴油机循环供油量较少，燃烧室内存在较多过稀混合气区，使火焰传播困难，燃烧室内气流运动弱，混合气形成不均匀，CO难以完全燃烧形成CO2。另外，在大负荷工况下，柴油机每循环供油量较多，燃烧室内存在过多的过浓混合气区，氧气的缺乏使CO不能得到及时氧化，排放量有所增加。HC排放特性柴油机未燃HC排放要比汽油机少得多，柴油机是在气缸内直接喷油，然后压燃点火。这样使燃油停留在燃烧室中的时间比汽油机要短，遇到璧面淬冷或狭细效应等情况而不能燃烧的机会少。NOx排放特性柴油机NOX的排放需要引起注意。在小负荷和高转速的工况下，排放量较高。这是因为当柴油机负荷较小时，燃烧始点时的燃烧室内温度较低，滞燃期增长，混合时间加长，增大了氧气与高温燃气接触的机会，使NOX排放较高。

在转速很高时，气缸内存在较强的涡流水平，使高温燃气与氧分子接触的机会加大，燃烧速度加快，缸内温度比较高，使NOX大量生成，在高速小负荷工况时尤为突出。PM排放特性柴油机PM的排放变化规律如图d所示。当转速不变时，随负荷的增加，PM的排放量增加，这主要和过量空气系数的下降有关，当负荷增加时，喷油量增加，混合气变浓，PM排放增加。当负荷不变时，PM排放量先降低然后升高，在中间某一转速时达到最小值。

呈现由低速小负荷向高速大负荷增加的趋势，在接近全负荷时迅速增加；这是因为负荷一定时，随转速的升高，缸内气流涡流增大，混合气混合均匀，燃烧质量变好，PM排放减少，在高转速大负荷时，混合气变浓，PM增加。2瞬态排放特性

柴油机加速冒黑烟现象比较普遍，这说明柴油机加速工况排放特性变差。试验表明，柴油机在瞬态工况下一些排放物浓度比稳定工况高很多，有的竟高5倍以上。但在柴油机工作过程中，瞬态工况是难以避免的，如地下工程机械用柴油机，常处于瞬态工况下工作，而对这些柴油机的排放要求又较高。柴油机又较难起动，长时间的起动会造成污染物排放量有所增加。1）起动工况

2）加减速等瞬态工况在加速开始阶段由于供油拉杆由小负荷位置迅速移动到大负荷位置，喷油泵循环供油量增加，喷入缸内的燃油增加，而缸内气体温度升高缓慢，因此燃油汽化不能迅速得到足够的热量，滞燃期变长。加速工况循环供油量与转速随循环变化的曲线如图所示。

图3-3加速工况下转速，循环供油量随时间的变化曲线3.2发动机各系统与排放污染物的关系3.2.1发动机各系统对排放污染物的影响

图3-4汽油机排放的主要来源

汽车有害气体主要通过汽车尾气排放、曲轴箱窜气和燃油蒸发三个途径进入大气中，造成对大气的污染。1曲轴箱窜气。在发动机工作的压缩行程和做功行程，燃烧室的气体由活塞与气缸之间的间隙窜入曲轴箱，所窜气体会从机油管口处逸出，造成污染。其中约1%的CO、1%的NOx、20%的HC是通过曲轴箱窜气排入大气中。2燃油蒸发。油箱、化油器浮子室等盛油容器，由于温度升降产生呼吸作用，使油蒸气HC向大气排放；油管接口的渗漏蒸发也向大气中排放HC。其中约20%的HC是通过这种形式被释放。3汽车尾气排放。尾气排放是汽车最主要的大气污染源。其中约99%的CO、99%的NOx、60%的HC是通过排气管排放的；图3-5发动机各系统对排放的影响

发动机的进气系统会影响进入气缸气体的空燃比和空气的混合气质量，从而影响燃料燃烧，如进气涡流、发动机增压、进气道及气门结构、进气门数目、进气门直径等等。3.2.2解决排放污染物的方法1从源头抓起，减少单辆机动车排放量1）提高燃油质量2）鼓励低污染、低能耗、小排量汽车的使用3）定期保养和维修汽车4）研制新型发动机5）发展代用燃料汽车和新能源汽车

2从治理抓起，减少单车排放量1）采用过滤、吸附或催化转化等的净化方法治理排放污染。2）构建良好的交通体系降低汽车排放。例如智能交通系统（ITS），GPS实时路况导航等等，可以使车辆行驶畅通，降低排放。3）防止汽车超载超负荷运行。汽车在大负荷工况下，排放很差，特别是遇到上坡、急加速等情况，排放更差。应该防止机动车超载运营，既降低排放，又安全行驶。

3

完善相关政策法规，减少汽车污染物污染制定有关汽车尾气污染控制的详细条款，可确保汽车的正常使用及先进技术的研制开发，从而达到减少污染、保护环境的目的。1）

淘汰落后、污染重的汽车2）加强机动车污染物排放检测。实行OBDⅡ随车诊断技术，严格汽车排放标准。3）征收汽车交通堵塞税4）公交优先发展战略图3-7控制汽车排放污染的系统工程

总之，要解决汽车所带来的环境与能源问题，如图3-7所示，是个社会系统工程，还要全社会通力合作，倡导保护环境、节约能源的社会风尚。使有关各方面都能以保护环境、节约能源为己任，才能使我们在发展经济的同时保持着环境的良好发展。3.3提高汽车排放特性的措施3.3.1提高汽车排放特性的思路汽车排放控制技术可以归纳为三项：（1）前处理技术。即对燃料和空气进入发动机气缸前进行处理，以减少燃烧后排气中的有害成分。（2）机内净化。即按排气净化的原则来设计低污染的发动机，包括对燃烧、供给及点火等各系统的设计与改进，以减少排气中有害成分的生成。（3）后处理技术。在发动机将废气排入大气前，应用净化装置，在排气系统中进行处理，以减少排入大气中的有害成分。

提高汽车排放特性可以从汽车本身的技术角度出发采取相应的措施，但这些还是不够的，因为影响一个地区的汽车总排放量还有其他的一些因素，必须从系统的角度来考虑汽车的排放问题。影响汽车排放的因素有很多，主要体现在四个方面：汽车、人、道路和政府。如图3-8所示。

图3-8提高汽车排放特性的示意图3.3.2提高汽车排放特性的方法

从提高汽车排放特性的技术角度出发，主要体现在以下这些方法：如表所示3.3.3我国正在进行的有关汽车排放控制的方法1．提高汽车排放控制技术水平。

2.提高燃油质量，控制车辆排放。3.提高汽车排气污染管理水平。4.实行汽车污染控制的经济鼓励政策。5.开展空气净化工程——清洁汽车行动。

3.4汽车排放控制系统的演变过程

早在20世纪60年代美国就率先对汽车的排放进行控制。随着汽车数量的不断增加和排放法规的日益严格，排放控制技术也从简单到复杂，排放控制效果也十分奏效。环境污染与环保控制推动了汽车排放控制技术的发展和完善。表3-3是日本自20世纪60年代到80年代在各个阶段所采用的排放控制技术及其演变。年份排放控制对象、目标采取的排放控制技术1966CO改造汽油机1973CO，HC，NOx改进排气系统；采用催化转换器1975CO、HC相当于1973年的l/10，NOx相当于1973年的1/2①改造汽油机（进气系统、燃料供给系统、点火系统、排气系统）；②改造汽油机＋排气净化装置（废气再循环十二次空气喷射装置＋氧化催化转换器）1976CO、HC与1975年相同，NOx相当于1975年的1/2①电子控制燃料喷射装置；②废气再循环；③采取稀薄燃烧方式1978CO，HC与1975年相同，NOx相当于1973年的l/10①三效催化转换器（电子控制燃料喷射装置＋三效催化转换器）；②稀薄燃烧表3-3日本汽车排放控制技术及其演变

由于汽车排放的严格限制和先进的排放控制技术的应用，加之汽油质量不断提高，使用的低铅、无铅汽油比例不断增加，汽车排放污染物不断减少，空气质量得到提高。表3-4减少了28%，NOx减少了11%。年份1970198019902000汽车保有量/亿辆1.112l.6151.9272.2306.3排放量/（Mt·a－1）Pb15.6×10－25.6×10－20.3×10－20.0CO64.246.233.921.1NO。6.17.46.66.3微粒物0.901.11.10.70表3-4美国汽车有害物排放量

表3-5是德国奔驰公司在一台12缸M120汽油机上采用各项排放控制技术后HC、CO和NOx的具体降低效果。有害气措施HCCONOx原始值100％100％100％可变正时（VVT）96％100％85％EGR95％100％56％电子顺序喷射燃油79％85％50％催化转换器7％16％9％空气喷射5％8％4％延迟点火3％6％3％金属排气管隔热（mat-canningcatalysy）2.5％5％2.5％表3-5多种措施对有害气体排放量的降低效果

从20世纪90年代到现在，随着排放法规的日益严格和石油资源的匮乏，排放控制系统有了新的发展。其主要技术特征：1车载诊断系统（OBD）2改进燃油供给系3采用低涡流的进气道，减少进气阻力，改进进气系统。4采用稀薄燃烧、高能点火5在燃烧室内安装电热塞。它可以有效降低内燃机在冷起动或怠速时的HC、CO的排放量，而在冷起动和怠速时的HC和CO排放量要占总排放量的50%。本章小结

汽车工况不同，排放污染污染物也不同，瞬态工况的排放比稳态工况更差。影响发动机排放特性的主要因素有发动机的工况，发动机的使用状况和先进的排放控制技术。汽车污染物的总排放量与单辆机动车污染物排放量和车辆保有量成正比。控制单辆机动车排放量可以从两个方面入手来分析这些因素，一是从源头抓起，二是从治理抓起。而控制机动车的保有量则需要政策和法规的支持。提高汽车排放特性可以从汽车本身的技术角度出发采取相应的措施，但这些还是不够的，因为影响一个地区的汽车总排放量还有其他的一些因素，必须从系统的角度来考虑汽车的排放问题。汽车排放控制主要有前处理、机内净化和后处理技术。本章的教学目标是使学生理解汽车排放污染控制的技术方法及其演变过程。

谢谢！北京建筑工程学院汽车排放与控制第四章低排放燃料及汽车新能源北京建筑工程学院学习目标

了解车用燃料及其来源，理解传统石油燃料的改善目的和方法，理解含氧燃料对排放的影响，了解气体燃料在汽车上的应用，掌握汽车新能源的发展方向和途径。知识要点车用燃料及其来源改善石油燃料的重要性、汽油品质提高的方法、柴油品质提高的方法醇类燃料、生物柴油、二甲醚LPG、CNG、沼气、氢燃料混合动力、电动汽车、燃料电池4.1车用燃料及其来源车用燃料及其来源如图4-1所示，图中的左侧是传统内燃机——汽油机和柴油机，燃料在主要来源于石油。图4-1：车用燃料及其来源图

随着石油能源的不断减少可再生的代用能源越来越受到关注。能从煤、天然气、生物质能制得的含氧代用燃料如甲醇、乙醇等低醇、生物柴油、以及二甲醚为代表的醚类等燃料引起国内外学者广泛的重视表4-1给出了常见燃料物理化学特性。

性质甲醇乙醇二甲醚汽油轻柴油分子式CH3OHCH3CH2OHCH3OCH3C5～C12C10～C21分子量324646--氧含量/%5034.7334.800密度（20℃）/kg.L-10.7920.7890.6649（0.5MPa）0.72～0.780.81～0.83沸点/℃64.578.4-24.940～120180～370闪点/℃11～1213～14--45～-3865～88凝固点/℃-97.8-117.3--60～-56-1～3动力粘度/mm2·s-10.6111.20.150.28～0.593.0～8.0汽化潜热/kJ·kg-11.0880.854-0.31～0.340.25～0.3低热值/MJ·kg-119.91626.77828.843.9～44.442.5～着火温度/℃470434235350～468270～350火焰传播速度/m·s-10.523--0.38～0.58-理论空燃比/kg·kg-16.458.458.514.7～15.014.4～14.6十六烷值CN3～58＞555～2545～65辛烷值RON106～115110-80～9820表4-1几种燃料的物理化学性质比较日本汽车工业协会在协助政府和能源行业也对汽车燃料进行综合性探讨，如引进CO2排放量少的清洁燃料等。清洁能源车在日本市场上的普及量的变化如下图所示。4.2传统石油燃料的改善4.2.1改善石油燃料的重要性在影响机动车排放控制水平提高的诸多因素中，油品的质量是重要的影响因素之一。如图4-3所示，同一台发动机，燃用不同燃油其排放结果不同。从图中可以看出燃油的品质越低，尾气排放污染越严重。

图4-3同一台发动机燃用不同燃油的排放为了提高了油品质量在2005年我国制定了新的标准，对油品的质量做了新的要求：1降低了硫含量硫含量从500ppm下降到350ppm，第Ⅳ阶段可能下降到10ppm2提高了十六烷值十六烷值从（49-53）上升到（50-53）；3密度范围要求更小从（820-860kg/m3)到（825-840kg/m3)4对多环芳香烃提出限制要求（3%-11%m/m）由于中国的汽车排放标准是等效采用欧洲标准，所以有关汽油品质的标准也将逐步向欧洲标准看齐。表4-2和表4-3分别为欧洲市售无铅汽油标准和柴油的主要技术指标汽油标准1993(EN228-93)1998(EN228-98)2000(EN228-98)2005相应的汽车排放标准欧洲1号欧洲2号欧洲3号欧洲4号硫含量①/%≤0.10.050.0150.005苯含量②/%≤5511芳烃含量/②%≤无规定无规定4235烯烃含量②/%≤无规定无规定1818氧含量①/%≤2.52.52.72.3铅含量/（mg/L）≤1313