我国汽车尾气排放控制和对策研究.docx

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我国汽车尾气排放控制和对策研究

ANYANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

本科毕业论文

我国汽车尾气排放控制和对策研究

TheAnalysisofChina'sAutomobileExhaustEmissionControlandCountermeasures

学院名称：

机械工程学院

专业班级：

汽车服务工程

学生姓名：

QGZ

学生学号：

201x01090xxx

指导教师姓名：

xxx

指导教师职称：

副教授

2014年5月

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

我国汽车尾气排放控制与对策研究

摘要：

随着市场经济的快速发展和社会进步，人们在生活水平提高的同时，坏境问题日益成为人们日益关注的焦点。

汽车尾气排放问题也越来越被世界各国政府所重视。

为了治理环境污染，各国相继针对汽车尾气排放制定强制性排放标准，以减少和控制污染物的排放量。

本文以我国汽车尾气排放控制技术以及发展趋势为主。

解析了汽车尾气排放与对策的背景及现状，同时指出汽车尾气污染物的种类和形成机理及影响因素，主要包括CO、HC、Nox，以及这些污染物对人们的危害。

阐述了现有汽车尾气排放控制的响应的技术措施，重点是机内控制技术和机外控制技术。

机内控制技术主要包括燃烧室结构的改进技术、曲轴箱强制通风、电控燃油喷射技术、废气再循环、多气门技术、稀薄燃烧技术，机外控制技术主要包括三元催化技术、热力学机外净化技术、燃油蒸发控制技术，并对以后汽车尾气排放控制技术的发展进行了展望。

关键词：

汽油机排放控制机内净化机外净化

TheAnalysisofChina'sAutomobileExhaustEmissionControlandCountermeasures

Abstract：

WiththedevelopmentofsocietyandtheimprovementofPeoplesLiveenvironmentalproblemisbecomingthefocusoftheworld.Thepollutionfromautomobileismoreandmoreserious.Moreandmoreattentionfromthegovernmentandsocietyarepaidonvehicleemissions.Forcontrolpollution,everycountrycontrolrequirementabouttheemissionpollution:

constitutethecompellingemissionstandardstocontroltheemissionfromautomobile.

Thisarticletakesourcountryautomobileexhaustemissioncontroltechnologyanddevelopmenttrends.Analysesthebackgroundofvehicleemissionsandcountermeasuresandthepresentsituation,pointedoutthetypesofvehicleexhaustpollutantandtheformationmechanismandinfluencingfactors,mainlyincludingCO,HC,Nox,andthesepollutionts’harmtohumanbody.Theanalysisonreasonforformingofautomibleemission,andanalyzestheinfluencingfactors.Describingthemobileemissioncontroltechnologyinexistence.Now,themaincontroltechnologiesathomeandabroadareenginginsidecontroltechniqueandengineoutsidecontroltechniqueinsidecontroltechniquemainlyincludesthecombustionchamberstyuctureoftheimprovement,thecrankcaseforcedventilation,ElectronicFuelInjectiontechnilogy,wastegasrecyclingandvalvetechnology,thincombustiontechnology,engineoutsidecontroltechniquemainlyincludesThree-way-Catalyst（TWC）,thermodynamisicscakelayerpurificationtechnology,fuelevaporationcontroltechnology.Andinthefuturethegasonlineengineemissioncontroltechnologydevelopmentdirectionwasgiven.

Keywords：

Gasonline;EmissionControl;PurifyIn-engine;ExternalPurification

第1章绪论

1.1论文研究的背景

世界上第一辆现代汽车被制造出来后，人们的生活发生着翻天覆地的变化。

汽车成为人们的大众消费品。

据不完全统计，我国在几年前拥有驾驶证的人就已经超过了两亿，而且还在以年增长人数为万人数增长，同时，截至2010年，我国居民拥有汽车达到一亿多辆，且年增长达到一千五百多万辆，其中十八个大中城市汽车保有量就超过了百万辆。

截止到2011年年末，全国私人汽车共有九千三百多万辆。

目前我国汽车基本是以汽油、柴油等为燃料，这些燃料燃烧后会产生许多复杂混颗粒物，且大多数化合物会对环境造成严重污染。

汽车尾气的危害众所周知，不但能够破坏我们现有的环境，还能对我们自身身体健康产生极大不良影响。

首先，汽车排放的尾气含有大量CO2，是造成温室效应的重要因素，近年来城市的热岛效应不断增强，这与日益增多的汽车尾气排放量是呈正相关的。

其次，汽车尾气中所含有的CO极易与人体血液中血红蛋白结合，从而使得血红蛋白的携氧运输的能力大大减弱，使得神经中枢系统缺氧，严重的将直接致人死亡。

再次，汽车尾气中常有大量含铅物质，且颗粒较小的铅可以被人体肺部吸收，积累到一定程度会对人的心脏、肺等造成严重损害，尤其对于儿童智力发展有着不可低估的伤害。

同时，汽车尾气中含有的氰化物和NOx能够在强烈太阳光紫外线的照射下产生一种复杂的光化学反应，最后形成光化学污染，影响人们的身体健康。

由此看出，我国汽车产业的蓬勃发展，对我国城市建设和生态环境带来了前所未有的压力和挑战。

1.2论文研究的目的及意义

研究本课题的目的就是要充分认识汽车污染物分类和生成机理以及影响汽车污染物形成的因素，了解我国现阶段对于汽车尾气排放所执行的控制标准和执行现状。

其意义是可以通过了解分析汽车污染物的分类、形成原因、影响因素等对我国汽车排放控制方面有更深一步的认识，进而在解决我国汽车尾气排放控制问题时找到合理有效的方法。

这对于我国汽车工业的可持续发展以及人民的健康生活有着不可代替的意义和作用。

1.3论文的主要内容及结构安排

论文共分四章。

第1章绪论，提出了本论文研究的背景、主要内容，课题研究的意义及目的。

第2章汽车尾气排放污染物的种类、危害，主要是通过对污染物的分类、形成进行了解，并对影响因素进行分析。

第3章汽车尾气排放控制技术方法及其原理，通过叙述现阶段各种尾气排放控制方法，分析其工作原理和影响因素。

第4章我国汽车尾气排放控制技术发展趋势，通过介绍各种在汽车尾气排放控制方面的新技术对其发展趋势作出合理预测。

第2章汽车尾气排放污染物的种类及其危害

汽车尾气排放污染物的成分复杂，除氮、氧、CO₂、氢和水蒸气等无害气体外，其他均为有害成分。

它们一方面是从排气管排出的废气和其他部位漏出的燃料蒸汽，另一方面来自曲轴箱窜气。

主要包括不完全燃烧的CO，未燃烧的HC，高温燃烧生成的NOx，燃烧生成的SO2、微粒物等。

汽车尾气造成的空气污染的危害深远而广泛，已成为威胁人类社会持续发展的一大威胁。

2.1一氧化碳的危害

　　CO是不完全燃烧的产物之一。

若能组织良好的燃烧过程，即具备充足的氧气充分混合，足够高的温度和较长滞留时间，中间产物CO最终会燃烧完毕，生成CO₂或H₂O。

因此，控制CO排放不是企图抑制它的形成，而是努力之完全燃烧。

它的主要形成过程是：

C+O₂（不充足）→CO

2.1.1CO的危害

CO是一种对血液和神经系统毒性很强的污染物。

空气中的一氧化碳，通过呼吸系统进入人体血液内，与血液中的血红蛋白、肌肉中的肌红蛋白、含二价铁的呼吸酶结合，形成可逆性的结合物。

正常情况下，经过呼吸系统进入血液的氧，将与血红蛋白结合，形成氧血红蛋白被输送到机体的各个器官和组织，参与正常的新陈代谢活动。

如空气中CO浓度过高，大量的进入血液的CO，优先与血红蛋白结合，形成碳氧血红蛋白。

CO与血红蛋白结合，不仅降低血球携带氧的能力，而且还延缓氧血红蛋白的解析和释放，导致机体组织因缺氧而坏死，严重者可能危及人的生命。

人体内正常水平COHb含量为0.5%左右，安全值约为10%。

当COHb含量达到25%～30%，显示中毒症状，几小时后陷入昏迷。

当COHb含量达到70%，即刻死亡。

血液中COHb含量达到30%～40%，血液呈现樱红色，皮肤、指甲、口唇部均有显示。

同时，还出现头痛、恶心、呕吐、心悸等症状，甚至突然昏倒。

深度中毒者出现惊厥，脑和肺部出现水肿，心肌受到损害等症状，如不及时抢救，极易导致死亡。

美国卫生部门把COHb不超过2%作为制定空气中的CO限值标准的依据。

考虑到老人、儿童和心血管疾病患者的安全，我国环境卫生部门规定：

空气中CO日平均浓度不得超过1毫克/立方米（0.8ppm）；一次测定最高容许浓度为3毫克/立方米（2.4ppm）。

具体的CO对人体危害见表2.1，2.2所示

表2.1CO对人体影响

CO（ppm）

CO（%）

中毒程度

对人危害

100

160

0.01

0.016

慢性中毒

长期接触使人头痛、乏力、记忆力减退、失眠

400

0.04

轻度中毒

1小时后头痛、头晕、疲倦、恶心

600

800

0.06

0.08

中度中毒

1小时后心悸、呼吸困难甚至昏厥，0.5-1小时后呼吸困难、昏迷

1000

4000

10000

0.1

0.4

1.0

重度中毒

出现昏迷、阵发性抽搐、很快昏迷、抢救不及时会短时间失去知觉甚至死亡

表2.2CO对人体危害

CO浓度（1/1000000）

对人体影响

5-10

对呼吸道患者有影响

30

人滞留8h，视力及神经机能出现障碍，血液中CO-Hb=5%

40

人滞留8h，出现气喘

120

人1h滞留，中毒，血液中CO-Hb>10%

250

人2h接触，头痛，血液中CO-Hb=40%

500

人3h接触，剧烈心痛、眼花、虚脱

3000

30min即死亡

　2.1.2CO形成的影响因素

CO是人们最早发现的污染物之一，它是汽车尾气排放中有害浓度最大的成分。

它的生成主要和混合气质量及浓度有关。

首先，燃料不完全燃烧是CO形成的主要因素。

CO是烃类燃料在燃烧过程中由缺氧而不能完全燃烧形成的中间产物，一般认为空燃比A/F=14.7时，烃类燃料会完全燃烧，生成CO2和水；空燃比A/F<14.7时，混合气过浓，燃料不能完全燃烧，生成中间产物CO；空燃比A/F>14.7时，烃类燃料完全燃烧，尾气排放中不含有CO，而有剩余的氧气。

其次，混合气混合不均也是造成CO形成的重要原因。

理论上在富氧燃烧（A/F>14.7）时，排气中CO不会存在，而会剩余过多的氧气。

但在实际中混合气不可能绝对均匀，总会有过浓区和稀薄区。

加上进气管壁面上有油膜存在，油膜随着进气过程边流动边蒸发，也会造成混合气不均，且由于各缸工作不平衡等现象，都会造成CO的产生。

再者，CO2和水蒸气在高温时分解也可能造成CO产生。

即使在稀薄燃烧时，有足够氧气供应，且混合气混合均匀，但由于发动机缸内燃烧后温度很高，超过2000度时，已经形成的CO2也会有一部分产生高温离解反应。

而且，温度愈高，离解反应愈剧烈，生成的CO会愈多。

水蒸气在高温时也会分解成氢气和氧气，氢气参加燃烧反应，会使CO2还原成CO。

由此可见，CO在燃烧过程中形成的主要原因可归结为氧的不足，一旦它形成后，如不及时在燃烧中获得氧的补充就会以不完全氧化状态排出机外。

同时，以下因素也会对CO的产生有较大影响。

1.负荷的影响。

随着发动机负荷由大到小不断变化，进气管压力也由小到大。

在发动机小负荷和大负荷工况时，所提供的混合气较浓，此时，CO排放浓度较高。

2.怠速的影响。

适当提高怠速转速可降低CO排放量。

因为随着怠速的提高，进气节流度将减小，进入的气体量将增加，燃烧较充分，从而CO排放量降低。

3.点火时刻影响。

点火时刻推迟可降低CO排放量，但推迟点火时刻，发动机燃油经济性会下降。

点火时刻过分推迟，CO排放量还会增加，这是发动机燃烧时间短氧化不完全的结果。

2.2氮氧化合物的危害

2.2.1NOx的危害

NOx是在燃烧过程中的高温条件下在燃烧室内形成的，它是在燃烧过程中氮和氧原子的许多基本反应的结果。

捷尓杜维奇链式反应机理认为NO的形成反应与分解有以下反应支配：

N+O₂＝NO+O（可逆）

NO排入大气后，又被氧化成NO₂。

它与空气中的水结合最终会转化成硝酸和硝酸盐，硝酸是酸雨的成因之一；它与其他污染物在一定条件下能产生光化学烟雾污染。

而酸雨危害是多方面的，包括对人体健康、生态系统和建筑设施都有直接和潜在危害。

酸雨可使儿童免疫功能下降，慢性咽炎、支气管哮喘发病率增加，同时可使老人眼部、呼吸道患病率增加。

酸雨还可使农作物大幅度减产，特别是小麦，在酸雨影响下可减产13%至34%。

大豆、蔬菜也易受酸雨危害导致蛋白质含量和产量下降。

酸雨对植物危害也较大，常使森林和其他植物大面积死亡。

此外，NOx还可对中枢神经系统、心血管系统等产生危害。

具体的NO2对人的健康的影响如表2.3以及一些大城市对空气中NO的含量测定见表2.4

表2.3不同浓度的二氧化氮对人体健康的影响

浓度（ppm）

对人体影响

1.0

闻到气味

5.0

闻到很强的臭味

10-15

眼、鼻、呼吸道受到强烈刺激

50

1分钟内人体呼吸异常、鼻受到刺激

80

3-5分钟内引起胸痛

100-150

人在0.5-1小时会因为肺水肿而死亡

200以上

人会瞬间死亡

表2.4一些大城市对空气中NO的含量测定

一氧化氮

二氧化氮

日最大含量（ppm）

0.13-0.37

0.05-0.12

月最小含量（ppm）

0.01-0.04

0.01-0.04

月最大含量（ppm）

0.05-0.11

0.04-0.06

年平均含量（ppm）

0.03-0.07

0.02-0.05

2.2.2NOx形成的影响因素

NOx生成量很大程度上取决于温度，并呈指数关系。

它是由燃烧所产生高温使空气中的氧气和氮气分解化合生成的，燃烧温度越高，尾气中NOx的含量越大。

NOx含量也与氧气浓度有很大关系，氧浓度高时有利于生成NOx。

1.过量空气系数和燃烧温度的影响。

过量空气系数在1.1附近时，NOx生成量最高，过浓过稀都会降低。

当过量空气系数小于1时，燃烧实在还原气氛中进行，NO难以形成；燃料过稀时，会由于燃烧温度下降，使NO的生成速度减慢；只有在过量空气系数等于1.1附近，才能兼有高温和富氧两个必要条件，最有利于NO生成。

2.残余废气分数的影响。

残余废气分数定义为缸内残余废气质量与进气终了时气缸充气质量的比。

当可燃混合气中的废气分数增大时，即减小了的发热量又增加了混合气比热容，都使最高燃烧温度下降，从而使NO的排放量降低。

3.点火时刻的影响。

当点火提前角减小时，NO不断下降。

增大点火提前角使较大部分燃料在压缩上止点前燃烧，增大了最高燃烧压力值，从而导致较高的燃烧温度，并使已燃气体在高温下停留的时间较长，而这将会NO排放量增加。

2.3碳氢化合物的危害

2.3.1HC的危害

汽车未燃烃排放系指排放的没有燃烧或部分燃烧的HC的总称。

包括排气中的未燃烃，燃油供给系统和燃烧室的蒸发排放和泄露的HC。

排气中的HC是由未燃烧的燃烧烃、不完全氧化产物及燃烧过程中部分被分解的产物所组成。

HC浓度日变化规律当大气中碳氢化合物浓度达到一定值后，在气象条适应的情况下，便会发生光化学反应，产生的某些强氧化物质会对人体的视觉器官及呼吸系统产生巨大危害。

HC对人体有伤害的主要是苯类化合物，含笨的化合物一般都有毒，常见的有甲苯，二甲苯，苯类化合物一般都能使人致癌。

甲苯、丙烃醛等醛类气体浓度超过1/1000000时就会对眼睛、呼吸道和皮肤有较强的刺激作用；浓度超过25/1000000时，会引起头晕、呕吐，红白血球减少，贫血；浓度超过1000/1000000时，会急性中毒。

多环芳香烃是强致癌物，烃类成分也是引起化学烟雾的重要物质。

HC的生成原因较复杂，可从以下几方面分析。

1.室壁激冷效应

汽油机室壁激冷效应是指当火焰传播时，因接近燃烧室壁面的混合气被冷却，火焰到达燃烧室壁面前就消失的一种现象。

汽油机气缸内燃料和空气的均质混合气是靠火焰传播而燃烧的，火焰面前的1mm-2mm为预热层。

预热层中燃料和部分氧化产物不能够进一步转化为燃烧产物，而以未燃烃和含氧碳氢化合物的形式排出。

汽油机在正常的工作情况下，排气中的HC主要来自室壁激冷效应的未燃烃。

2.燃烧室缝隙效应

火焰不能在激冷缝隙内传播的现象称为燃烧室缝隙效应。

一般在小于1mm的缝隙内，如活塞顶部与第一道气环间空隙混合气因火焰无法传入其中而不能完全燃烧，是HC排放的来源之一。

3.燃料燃烧不完全

在发动机工作时，燃料不完全燃烧与着火前混合气条件、燃烧室内燃烧条件、膨胀行程温度条件及排气系统反应条件均有密切的关系。

HC既有未燃的燃料，也有燃烧不完全的产物和部分被分解的产物，所以一切妨碍燃料燃烧的条件都是HC形成的原因。

混合气过浓、过稀、燃烧雾化不良或混入废气过多时，使未燃部分的燃料以HC的形式排出。

2.3.2HC的形成的影响因素

（１）空燃比对碳氢化合物排放量的影响。

当空燃比低于18：

1时，未燃HC排放量随着混合气浓度的下降而降低。

因为随着空气燃油混合比的增大，缸壁冷面和冷隙缝中的碳氢化合物含量将减少。

气缸内含氧量增加，HC可充分燃烧。

空气燃油混合比约为17:

1时，发动机运行在理想状态，未燃烧的HC排放量达到最低。

当空气燃油混合比高于18:

1时，混合气过于稀薄，容易发生火焰传播不完全甚至断火，未HC排放量也将增加。

（2）负荷对于HC排放量的影响。

当发动机在小负荷工况时，供给发动机的混合气较浓，缸壁冷面和冷隙缝作用较强，HC含量较高。

若压力低于20Kpa，还可能发生火焰传播不完全，使HC含量明显增加。

当进气管压力升高时，混合气浓度变稀，HC排放量也会相应降低。

（3）发动机转速对HC排放量的影响。

发动机转速升高，增强了气缸中的扰流混合和涡流扩散，从而改善了气缸内的燃烧效果，增强了缸壁冷面的氧化状况，使HC排放量降低。

2.4微粒的危害

2.4.1微粒的危害

由于燃烧不完善，产生的碳粒子及气相物统称为炭烟。

汽车发动机排出的炭烟微粒主要由碳粒子、未燃的碳氢化合物、硫化物、氧化物及含金属成分的挥发等组成。

通常将颗粒直径大于0.002μm的任何固体或液体粒子称为微粒（PM）。

汽车排放出的炭烟微粒是由燃油、润滑油以及其中的添加剂未完全燃烧的产物，再加上运动零件磨损下来的金属屑、未过滤掉的空气中杂质以及它们的燃烧产物所构成。

如不加区分可将它们概括称之为总炭烟微粒。

柴油机排放物含的一些多环芳香烃，如苯并芘、蒽丁二稀及醛类等有毒物质。

国际癌症研究机构等单位1998年发表的研究报告指出。

柴油机微粒排放中的一些物质如苯并芘、苯蒽等具有形成肿瘤及致癌的潜在危险。

国际上及我国一些大城市呼吸系统疾病及肺癌死亡率上升与汽车有毒排放物有密切的关系。

2.4.2微粒生成的影响因素

汽油机的排气微粒主要有三种来源：

含铅汽油中的铅、有机微粒、来自汽油中的硫所产生的硫酸盐。

硫酸盐的排放主要涉及排气系统中有氧化催化剂的车用发动机。

汽油中的硫在燃烧中转化为SO2，被排气系统中催化剂氧化成SO3后，与水结合成硫酸雾。

因此，汽油机硫酸盐的排放量直接取决于汽油中的硫含量。

炭烟排放只在用很浓的混合气时才会遇到，对调整好的汽油机不是主要问题。

此外，当发动机技术状态不良导致润滑油消耗很大时，会使排气冒蓝烟，这是未燃烧润滑油微粒构成的气溶胶。

１．负荷与转速的影响

发动机负荷于转速影响微粒的形成，在高速小负荷时，单位油耗的微粒排放量较大，且随着负荷的增大，微粒排放量降低；而在低速大负荷时，微粒排放量又由于燃空比的增加而有所上升。

微粒排放量随负荷有这样的变化趋势，是由于小负荷时燃空比和温度均较低，气缸内稀薄混合区较大，且处于燃烧界限之外而不能燃烧，造成了冷凝聚合的有利条件，从而有较多的微粒生成；在大负荷时，燃空比和温度均较高，造成了裂解和脱氢的有利条件，使微粒排放量又有了上升；在接近全负荷时微粒排放急剧增加，这时虽然总体过量空气系数仍大于1，但是由于燃烧室内可燃混合气不均匀，局部会有过浓，导致微粒大量生成。

２．燃料的影响

柴油中的芳香烃含量及柴油的馏程对柴油机的微粒排放量有明显的影响。

实验表明：

燃油中芳香烃含量及馏程越高，在相同的试验条件下，微粒排放量越大；而烷烃含量越高，微粒排放量越少。

燃油的十六烷值对烟粒排放也有明显影响。

试验表明：

柴油机的排烟浓度随十六烷值的提高而增大。

其原因可能是由于十六烷值较高的燃油稳定性较差，在燃烧过程中炭粒的生成速率较高所致。

３．空气涡流的影响