汽车排放污染及控制研究

1毕业综合训练课题名称 汽车排放污染及控制研究 学 院 江西科技学院 专 业 汽车检测与维修 班 级 10 级统专汽检（3）班 姓 名 汪增辉 学号 2010084222 指导老师 范 珍 珍 江西科技学院2毕业综合训练任务书学院 汽车工程学院 专业 汽车检测与维修 年级 10 级 班级 汽检（3）班 姓名 汪增辉 起止日期 题目 汽车排放污染及控制研究 1毕业综合训练任务及要求（根据题目性质对学生提出具体要求）（1）掌握汽车排放污染及控制的重要性（2）了解汽车排放的控制技术（3）掌握汽车污染的净化方法2毕业综合训练的原始资料及依据（包括做调研的背景，研究条件、应用环境等）近年来，随着我国使用汽车的人越来越多，汽车的污染问题成了人们心中的一个大问题，解决好汽车排放的污染问题，成为了大家共同关注的话题，本课题对汽车排放的污染问题进行分析与研究，并提出解决建议。3主要参考资料、文献李春明、焦传君，汽车构造2 版，北京：北京理工大学出版社，2008.8吴立安，汽车故障诊断与排除1 版，天津，天津科学技术出版社，2009.12张建俊，汽车检测技术2 版，北京，高等教育出版社，2008.1张金柱，汽车维修技术，北京，机械工业出版社，2005.7指导教师 范 珍 珍 2012 年 11 月 20 日3指导教师评语建议成绩：优 良 中 及格 不及格指导教师签字 年 月 日最终评定成绩：优 良 中 及格 不及格院长签章 年 月 日4目录前 言 5第一章车用汽油机机内净化技术 6（一）采用电控发动机。 .6（二）曲轴箱强制通风系统的设计。 .6（三）废气再循环系统的设计。 .6（四）蒸发排放控制系统的设计。 .7（五）其它机内净化方法。 .71.进气加热系统 72.可变气门正时机构的应用 7第二章 车用汽油机后处理净化 9(一 ) 三效催化剂 9（二）稀薄燃烧汽油机 NOx 去除催化剂 .10（三）热反应器 .10（四）空气喷射 .10第三章 汽车排放污染物测试技术 10（一）氢火焰离子法（FID ） 10（二）非分光红外线法（NDIR ） 11（四）汽油车怠速检测法 .11（五）柴油车自由加速烟度法 .12结束语 12参考文献 135前 言随着我国经济建设迅速发展,汽车运输业日益繁忙和各类机动车拥有量逐年大幅度增加,为控制随之而带来的环境污染, 国家对汽车尾气排放的要求越来越严。因此,对汽油机排气净化，机内、机外净化作了详细的研究，然后作出了对汽油机排气后处理技术的研究及发展进程。最大限度地降低汽车发动机排放的污染物,以满足国内外越来越严的排放标准, 已是广大汽车面临的日趋严峻的问题。6第一章车用汽油机机内净化技术所谓机内净化就是从有害排放物的生成机理及影响因素出发，以改进发动机燃烧过程为核心，达到减少和抑制污染物生成的各种技术。简单说就是降低污染物生成量的技术，如改进发动机的燃烧室结构、改进点火系统、改进进气系统、采用电控汽油喷射、采用废气再循环技术等。机内净化被公认为是治理车用汽油机排气污染的治本措施。（一）采用电控发动机。发动机电子控制系统是根据相应传感器的信号由汽车电脑精确的控制喷油和点火，使发动机处于最佳状态下工作，不仅使汽车的动力性得到了提高，从而也大大提高了汽车的排放性。（二）曲轴箱强制通风系统的设计。把从汽缸窜人曲轴箱的汽油与空气的混合气通过该系统再循环进人进气歧管，使其再次燃烧，改变了过去将其直接排人大气所造成的污染。（三）废气再循环系统的设计。发动机排气口用控制阀与进气歧管相连接，使排出的气体经过再次循环，将部分的废气引人进气歧管，和新鲜的混合气一起进人汽缸，降低了燃烧室的最高温度，从而降低氮氧化物的排放量。利用废气再循环降低 NOX 的排放，需要与电子控制结合，根据汽油机负荷、转速、冷却水温度传感器及启动开关信号，由 ECU 对废气再循环率随机进行控制，保证在对汽油机性能影响不大的条件下，降低 NOX 的排放。（四）蒸发排放控制系统的设计。燃油箱中的燃油随时都在蒸发汽化，当发动机停机时，燃油蒸汽将逸人大气，造成对环境的污染，蒸发排放控制系统就是将燃油箱中的燃油蒸气收集和储存在炭罐内，在发动机工作时再将其送人汽缸烧掉，可大大减少污染物的排放。（五）其它机内净化方法。鉴于混合气形成与燃烧的控制、进行情况与排放中有害气体的生成有着直接的联系，对那些混合气形成与燃烧影响大的因素进行最佳的调节与控制，也是一种机内净化的有效方法。其中包括对燃烧温度、燃烧时间、进气温度等随工况变化进行最佳调节与控制。1.进气加热系统 汽油机在低温下起动或运转时，进气温度低，燃油蒸发雾化不良。这时发动机要能顺利起动或运转，不得不供给较浓的混合气，造成燃油经济性和排放性能变差，因此必须采取进气加热措施。利用发动机排气或冷却水的热量加热7进气，可以改善低温时的混合气质量，降低 CO 和 HC 排放。(1)进气歧管的加热。热水加热式进气歧管，冷却水加温方法是在进气管下部或周围设置水套，将冷却水通人水套中对进气管进行加热，以促进燃料的汽化。(2)排气加热式进气歧管。汽油机的进排气歧管通常都布置在发动机的同一侧，可以方便地利用排气热量加热进气。其方法是让排气从进气歧管底部流过，其间用一块薄钢板相隔，排气热量即可以经过薄钢板传人进气管将混合气加热，为了不使发动机热车后进气温度过高，造成容积效率下降，在排气管中设置一个热控制阀，热控制阀由节温弹簧控制。发动机温度低时，节温弹簧力强，使热控制阀关闭，强迫排气流经薄钢板底部排出，以加热新鲜混合气。发动机热车后，节温弹赞膨胀，热控制阀打开，排气直接排出，停止加热。2.可变气门正时机构的应用汽车发动机要适应负荷和转速变化的运行条件，气门正时对充气系数、热效率和机械效率都有影响。可变气门正时的主要作用是在宽广的运行条件下改善充气系数、提高标定功率、怠速稳定性以及降低排放，从而使发动机动力性和燃油经济性得到协调统一。进气门和排气门对发动机充气交换过程的控制。其特性参数主要是 3 个: 气门开启相位、气门开启持续角度(指气门保持升起持续的曲轴转速)和气门升程。这 3 个特性参数对发动机的性能、油耗和排放有重要影响。通常将气门开启相位和气门开启持续角度统称为气门正时。随着发动机负荷和转速的改变，这 3 个特性参数( 特别是进气门开启相位和开启持续角度 )应对应不同的优化要求。（1）进气门开启相位提前，一方面为进气过程提供了较多的时间，有利于解决高转速时进气时间不足的问题;另一方面，气门重叠角增大，有更多的废气进人进气管，随后又同新鲜充量一起返回气缸，造成了较高的内部排气再循环率，可降低油耗及 NOx 排放。（2）进气门关闭相位推迟，一方面在高转速时有利于利用高速气流的惯性提高体积效率;另一方面在低转速时又会将已经吸人汽缸的新鲜充量又推回到进气管中。（3）气门升程增大，一方面在高负荷时有利于提高容积效率;另一方面在低负荷时又不得不将节气门关得更小，造成更大的泵气损失和节流损失。可见，出于不同的考虑，对气门特性参数提出了不同要求。为了提高标定8功率，要提早开启、推迟关闭进气门，并提高进气门升程;为了提高低速转矩，要提早关闭进气门;为了改善起动性能并提高怠速稳定性，则要推迟开启进气门，减小气门叠开。进气门特性参数对发动机的影响比排气门特性参数大;进气门关闭相位的影响比开启相位大。在传统的发动机中，由于这 3 个特性参数在运行过程中不能改变，所以只能根据对性能要求的不同侧重面进行折衷，这样就不能满足在所有工况下的最佳需求。造成了混合气不能得到精确控制以对燃烧排放的影响。过去往往将气门正时设计成对高速全负荷工况最为有利，以便求得最大的标定功率。近年 但是，固定的气门正时终究只能设计成对某一个转速或狭小的转速范围有利，低于这个转速或转速范围则要求进气门推迟开启、提早关闭;反之，则要求进气门提早开启、推迟关闭。可变气门操纵(VariableValve Actuation，缩写为 VVA)便是针对这种情况设计的气门特性参数可变的进、排气系统，用以实现对各种工况优化，从而达到燃料热能转变为机械能的效率，最终能够实现机械效率的提高，同时也大大降低了尾气有害气体的排放。其实在大力推行汽车节能技术方面，燃油节能添加剂、润滑油摩擦改进剂、高能电子点火装置、发动机高压缩比、废气涡轮增压技术、发动机冷却风扇新型驱动装置、混合动力传动系统、子午线轮胎、汽车传动系传动比的优化、降低空气阻力技术、闭缸节油技术与分层燃烧发动机等节能技术和产品都有明显的尾气净化效果。随着汽车排放控制的要求越来越高，在汽车上所应用的控制技术也将会越来越多。第二章 车用汽油机后处理净化机内净化技术以改善发动机燃烧过程为主要内容，对降低排气污染起到了较大作用，但其效果有限，且不同程度地给汽车的动力性和经济性带来负面影响。随着对发动机排放要求的日趋严格，改善发动机工作过程的难度越来越大，能统筹兼顾动力性、经济性和排放性能的发动机将越来越复杂，成本也急剧上升。因此，世界各国都先后开发废气后处理净化技术，在不影响或少影响发动机其它性能的同时，在排气系统中安装各种净化装置，采用物理的和化学的方法降低排气中的污染物最终向大气环境的排放。专门对发动机排气进行后处理的方法是将净化装置串接在发动机的排气系统中，在废气排入大气前，利用净化装置在排气系统中对其进行处理，以减少排入大气的有害成分。在发达国家，车用汽油机采用后处理装置较多。这些装9置主要有三效催化转化器、热反应器和空气喷射器等。目前，在发达国家生产的汽油车几乎都装备了三效催化转化器，并已有二十多年的商业化应用历史。随着我国经济的高速发展，城市机动车辆日益增多，其废气已严重污染了大气环境，对三效催化转化器的需求将更为迫切。(一) 三效催化剂三效催化剂是全世界普遍采用的汽油机排放控制后处理产品。在理论当量空燃比下，该产品可同时去除汽油车尾气中 CO、HC 和 Nox。其进一步的发展趋 势是降低贵金属用量，在高性能稀土储氧材、耐高温高比表面材料、贵金属及助剂的负载和耐久性涂层的制备等技术上取得突破性进展。快速有效地处理冷起动阶段的污染物是欧以后汽油车催化剂发展的主要方向。冷起动过程HC 处理技术分为两类：一类是加速催化转化器活化，主要措施有推迟发 动机点火、采用双层排气管、使用“薄壁式”催化剂载体、使用紧耦合氧化催化剂（COC） 、使用电加热催化器（EHC） 、使用燃油加热催化剂（EGC） 、歧 管催化剂等；另一类是在三效催化转化器前置 HC 吸附器，目前 HC 从吸附层脱离起始温度要比催化层的活性温度低，脱离初期对 HC 净化有一定困难，有待于今后 通过材质改良、结构及温升特性的改进来进一步提高其净化性能。（二）稀薄燃烧汽油机 NOx 去除催化剂为了降低温室气体的排放，汽油机下一个发展趋势是稀薄燃烧汽油机的研发，而稀薄燃烧的最大难题是其排气后处理问题，也就是富氧条件下（稀燃）的 NOx 净 化问题。主要处理技术有两种：一是选择催化还原，由于选择还原催化剂在富氧条件下处理的 NOx 时，催化转化率较低、耐水及热稳定性差，应用受到限制；二是 吸附还原催化剂，吸附还原催化转化剂在较宽的温度范围内具有高的 NOx 净化率（大于 80） ，不过对燃油中的含硫量要求较高。综合国内外的情况可以看出， 只有稀燃 NOx 催化剂取得突破性进展并满足严格的排放法规后，稀燃汽油机才能得到推广应用。（三）热反应器汽油机工作过程中的不完全燃烧产物 CO 和 HC 在排气过程中可以继续氧化，但必须有足够的空气和温度以保证其高的氧化速率，热反应器为此提供必要的温度条件。在排气道出口处安装用耐热材料制造的热反应器，使尾气中未10燃的碳氢化合物和一氧化碳在热反应器中保持高温并停留一段时间，使之得到充分氧化从而降低其排放量。（四）空气喷射空气喷射就是将新鲜空气喷射到排气门的后面，使尾气中的 HC 化合物和CO 在排气管内与空气混合，继续进行氧化的方法，又称二次空气法。当喷射的新鲜空气与尾气结合时，空气中的氧和 HC 化合物反应生成水，并成蒸汽状；而氧和 CO 反应生成 CO2。第三章 汽车排放污染物测试技术汽车排放法规所控制的有害污染物主要为前面提到的 4 类，国家环保总局对这些排放物推荐的检测方法分别为：HC 采用氢火焰离子法； CO 采用非分光红外线法；NOx 为化学发光法； PM 为滤纸过滤称重法 。（一）氢火焰离子法（FID）的工作原理是利用碳氢化合物在氢火焰的 2000左右高温中燃烧时可离子化成电子和自由离子，其离子数基本与碳原子数成正比。HC 在氢火焰中分解出的离子在离子吸收极板间的电压作用下形成电子流，其电流大小代表了样气中碳原子浓度，因此 FID 检测的结果是样气中的碳原子 ppm 值。（二）非分光红外线法（NDIR ）是目前测定 CO 的最好方法，其工作原理是基于测量气体对特定波长红外线的能量吸收。CO 能吸收波长为4.55.0m 的红外线，具有吸收峰值，样气中 CO 的浓度可通过红外线透过一定长度该气体后的透射能量得到。为了减小其他气体干扰，在样气室前设置滤波室来过滤掉其他干扰气体所对应的波长。(三 )化学发光法（ CLD）用于分析排气中的 NOx，CLD 只能直接测定NO。样气中和过量臭氧在反映室中混合并发生化学反应，生成 NO2，其中约10左右处于电子激发态，当激发态的 NO2 衰减到基态时发射波长0.63m 光子，化学发光强度与 NO 和臭氧浓度乘积成正比，还与测量条件有关，但当测量条件不变且臭氧浓度恒定并远高于 NO 浓度时，化学发光强度11与 NO 成正比。而测量 NOx 实际是测量 NO 和 NO2 的总和，因此在测量前首先要将排气中的 NO2 转化成 NO。除了以上的方法以外，我国对汽车的检测方法也可分为汽油车为怠速法（或双怠速法）和自由加速烟度法，分别是针对汽车和柴油车的。下面对这两种方法做简单的介绍。（四）汽油车怠速检测法 我国现行的在用汽油车的排放标准为 GB14761.593 汽油车怠速污染物排放标准 ，相应的测试方法为 GBT384593 汽油车排气污染物的测量（怠速法） 。什么是怠速工况？怠速工况是汽车多种工况的一种，指车辆变速箱位于空档、离合器为接合位置、发动机油门松开、低速空转的状态。在汽车启动后的稳定、暖机时，十字路口等红灯及交通堵车时，汽车为怠速工况。怠速检测主要用于在用车。对于新车主要用于车间新车下线后的检测。测试方法发动机由怠速工况加速至 0.7 额定转速，维持 60s 后降至怠速。将取样探头插入排气管中，维持 15s 后开始读取 30s 内的最高值和最低值，取平均值。怠速检测特点只能反映车辆怠速状态下空负荷排放情况，这时发动机为贫氧偏浓燃烧，主要产生 CO 和 HC，产生少量或不产生 NOx。操作方便快捷，价钱便宜。广泛使用于检测场车辆年检、环保部门进行路检以及修理厂对车辆的检修工作等方面。帮助环境监管人员、车辆维修人员判断发动机是否处于正常的工作状态。（五）柴油车自由加速烟度法 我国现行的在用柴油车的排放标准为 GB14761.61993柴油车自由加速烟度排放标准 ，相应的测试方法为 GBT38461993 柴油车自由加速烟度的测量（滤纸烟度法） 。自由加速工况与滤纸式烟度指柴油发动机于怠速、将油门迅速踏到底，维持 4s 后松开。在该工况下，从排气管抽取规定长度的排气柱所含的碳烟，用光电法确定清洁滤纸染黑的程度。滤纸式烟度计的工作原理由取样系统和测量系统组成。抽气泵将一定容量的柴油车排气吸入，排出的污染颗粒被阻隔在滤纸上，形成污斑。将一束光照射在滤纸上，上方放置硒光电池。污斑越黑，照射光的反射越少，光电池光电压较小，仪表有示值显示。滤纸越黑。烟度计示值越大。测试方法将取样探头固定于排气管内，插深于300mm 以上，并使其中心线与排气管轴线平行。将抽气泵开关置于油门踏板12上。完成滤纸走位、清除排气管残存的碳烟之后，将油门踏板迅速踏到底，维持 4s 后松开。按仪表指示读数。15 秒后执行同一操作，连续测量 4 次，取后3 次读数的算术平均值即为所测烟度值。自由加速烟度测试特点该方法具有检测操作简便易行、测试仪器价格便宜和便于携带、以及检测时间短等优点，广泛应用与柴油车的年检、路检。车辆正常的烟度排放范围 2001 年，前生产的柴油车，在车况正常情况下，其自由加速的大多数烟度值通常在 2.54.0Rb范围内。近年生产的柴油车，烟度值通常在 3.0Rb 以下。中等冒黑烟的车，烟度值在 5.0Rb 以上；严重冒黑烟的车，烟度值可超过 8.0Rb。随着排放标准越来越严格，对排放检测也提出了新的挑战和要求。对于象我国作为一个排放标准实施比较晚的国家，虽然经过了 20 多年的发展，但我们仍然还有很多不完善的地方，离欧美国家还有很大的差距。在检测技术上还要下更多的功夫，让那些没有达标的汽车永远休息，保证我们有一个良好的生存环境.结束语汽车排放控制是一项综合而复杂的课题。 首先应该采取机内净化措施，即通过改进发动机设计，采用电子控制、可变气门正时和升程、可变进气管等先进技术，优化燃烧条件，减少未完全燃烧混合气的生成。其次对于发动机工作已产生的有害气体，通过加装三元催化转化器和氧传感器，将有害气体HC、CO 和 NOx 转化为 CO2、H2O 和 N2。为了进一步提高转化效率，可以通过优化布置转化器安装位置，采用排气歧管后置、安装加热器等措施。第三，在采用 EGR 系统减少 NOx 排量时，一定要与电子控制系统相结合，合理控制再循环到发动机燃烧室中的废气量。在汽车使用维修、燃料提供和新型车研制方面，经过科学的管理、深入的研究和大胆的构想，对排放控制也会产生积极意义。抓住污染源头，降低污染物派总量，在源头上着力车用燃料有害物质控制，为