汽车污染物与发动机排放控制-论文.doc

毕 业 论 文 课 题 名 称汽车污染物与发动机排放控制 二级学院（系） /专 业机械工程学院/汽车检测与维修技术 班 级 学 号 学 生 姓 名 指导教师： 年月日 汽车污染物与发动机排放控制 I 装 订 线 摘 要 近年来随着世界经济的不断发展，汽车这一作为人们出行的主要的交通工具已经越来越普 及，逐渐地进入到大众的生活之中。当然随之也带来了一些列的问题，机动车发动机的有害排 放物也成为了造成大气污染的一个主要来源，会给人体健康造成了严重的危害。汽车尾气的污 染已成为世界共同面临的严重问题。 对此，各国也采取了相应的控制措施来缓解这方面的压力。本文讲述了各国应对的各项措 施，包括制定相关的各种排放法规为汽车的排放提供了强有力的依据以及强制各大汽车生产厂 家生产达到符合标准的污染物排放的汽车。机动车排气污染控制技术和措施包括发动机净化处 理技术控制技术，提高燃油的燃烧率，安装防污染处理设备；还包括行政管理手段，实行综合 整治，多措并举，减少或消除机动车尾气中有毒有害气体的排放，减轻对大气环境的污染。 事 实证明这些举措的实行不仅仅使得各种有害的污染物的排放量有了很大的降低，对缓解环境的 压力有了很大的帮助，而且也节约了能源。 关键词：关键词： 机动车；排气污染；控制；技术与措施。 汽车污染物与发动机排放控制 II 装 订 线 Abstract In recent years, with the continuous development of the world economy, the car gradually into public life as the main means of transportation has become increasingly popular for people to travel. Of course, it also brings some out of the question, the engine of a motor vehicle emissions caused by air pollution has become a major source for human health, causing serious harm. Automobile exhaust pollution has become a serious problem facing the world. Therefore, all countries have taken the corresponding control measures to alleviate the pressure of this respect. This paper describes the dealing measures; including the development of various related emission regulations for exhaust emission has provided the powerful basis and forced the major automobile manufacturers production reached the standard of pollutant discharge car. Motor vehicle exhaust pollution control technologies and measures including engine purification treatment technology and control technology, to improve the combustion rate of the fuel oil, install prevent pollution treatment equipment; also includes means of administrative management, comprehensive control, reducing or eliminating the poisonous and harmful gas in the tail gas of motor vehicle emissions, reduce the pollution of atmospheric environment. The fact that these initiatives implemented not only makes a variety of harmful pollutants emissions are much lower, to alleviate environmental pressure has been a great help, but also saves energy. Key words: motor vehicle; exhaust pollution; control; technology and measures. 汽车污染物与发动机排放控制 III 装 订 线 目 录 1 概述 1 2 常见的汽车污染物的类别及形成机理 2 2.1 一氧化碳 2 2.2 碳氢化合物 3 2.2.1 碳氢化物的来源及形成机理 3 2.2.2 影响碳氢化物生成的因素 5 2.3 氮氧化物.6 2.3.1 NOX的生成机理.6 2.3.2 影响 NOX生成的因素 7 2.4 其他污染物.8 3 常见的控制汽车尾气的技术以及方法 9 3.1 汽车尾气排放对环境的污染的防治.9 3.2 控制汽车污染物排放的常见的技术措施 9 3.2.1 机前净化措施 9 3.2.2 发动机内部净化措施 .10 3.2.3 发动机外部尾气净化措施 .13 3.2.4 加强行政管理 .14 4 关于汽车排放的相关法规（标准） .15 4.1 世界汽车排放法规的发展 .15 4.2 各国的排放法规（标准） .16 4.2.1 欧洲排放标准 .16 4.2.2 美国排放标准 .16 4.3 我国汽车排放法规(标准) .18 4.3.1 我国汽车排放法规的发展18 4.3.2 我国的排放标准 .19 4.4 未来汽车排放标准 .19 总结 .20 致谢 .21 参考文献.22 附录 .23 汽车污染物与发动机排放控制 共 26 页 第 1 页 装 订 线 1 概述 从第一台内燃机的发明和应用到汽车上，至今已经有百余年的时间了。随着经济的飞速发 展，汽车已经成为 21 世纪人们的不可缺少的重要的交通工具。但也不可避免地带来了一系列的 问题，其中最为重要的就是汽车排放的污染物对于环境和人体的危害。汽车排放的污染物中的 有害气体主要就是一氧化碳（CO） 、氮氧化物（NOx） 、碳氢化物（CH）等，它们的产生会对大气 中的臭氧层形成破坏产生酸雨、黑雨等现象，造成温室效应，引起严重的环境问题。而碳氢化 合物（HC） ，HC 和 NOx 在大气环境中受强烈太阳光紫外线照射后，会产生一种复杂的光化学反应， 生成一种新的污染物光化学烟雾。 这是一种严重的环境危害，汽油燃烧后产生的碳氢化合 物等在太阳紫外光线照射下发生化学反应，形成浅蓝色烟雾，使城市中大多市民患了眼红、头 疼病。 伴随着这些问题的产生，使得人们逐渐的对汽车排放的污染物对环境和热体的危害有了很 大的认识。于是一些相应的措施就被提出来了，其中的关于汽车污染物的排放的一些法律法规 相继出台，国际上的一些国家分别制定出关于汽车排放的标准。其中我们常听说的就是欧、 欧、欧、欧、欧、欧标准，不同的标准对于汽车污染物排放的要求也有所不同。中 国对于这方面的引入虽说比较晚，但是也认识到了汽车排放的污染物的严重危害，近些年也不 断完善了这一方面，紧跟国际步伐，制订出一套符合我国发展的一些相关的排放标准。我们所 熟知的就是国、国、国等等，这些标准的制订参照了欧洲的排放标准但又不是完全的照 搬而来，对其进行了一定的修改，使之适用我国的现状。 本文还讲述了汽车排放污染物中的几种主要的污染物的形成机理以及如何控制这些污染物 的形成的方法。比如近来比较主流的就是在汽车的排气管上加装三效催化转化装置，三效催化 转化装置可以将汽车尾气中的一些有害的气体转化成对环境危害相对较小的气体然后排放到大 气中。还有一些其他的方法也可以有效地减少有害气体的排放，对于保护环境有很大的帮助。 这些法规（标准）的制订以及各种控制方法的不断完善对于环境的保护夜了很大的作用， 这正是人们为了我们赖以生存的家园的美好环境作出的共同努力，我们有理由相信在今后会有 越来越多的新技术会应用到这方面，为保护环境作出更巨大的贡献。 汽车污染物与发动机排放控制 共 26 页 第 2 页 装 订 线 2 常见的汽车污染物的类别及形成机理 2.1 一氧化碳 形成及影响因素：一氧化碳是烃燃料燃烧的中间产物，主要是在局部缺氧或低温条件下， 由于烃不能完全燃烧而产生，混在内燃机废气中排出。当汽车负重过大、慢速行驶时或空挡运 转时，燃料不能充分燃烧，废气中一氧化碳含量会明显增加。一氧化碳是一种化学反应能力低 的无色无味的窒息性有毒气体，对空气的相对密度为 0.9670，它的溶解度很小。根据其化学反 应的方式可以用下面的化学式来表示。 RH RRO2 RCHO RCO CO2 式中，R 代表烃基，所生成的 CO 接着通过这样的速率较低的反应氧化生成 CO2 CO+OH CO2+H 理论上，当混合气空燃比大于理论空燃比时，在氧气过剩的稀混合气情况下，排气中不存 在 CO 而代之产生 CO2 。实际上，由于各缸混合比不一定均匀一致，燃烧室各处的混合也不均匀， 出现局部的缺氧区域，在排气中仍然有少量的 CO 产生。即便燃料和空气混合很均匀，由于燃烧 后的温度，已经生成的 CO2也会有一小部分被分解成 CO 和 O2，另外排气中的 H2和未燃烃 HC 也 可能将排气中的一部分 CO2还原成 CO。 图 2.1 汽油机 CO 排放量 x CO 与及过量空气系数a的关系 由上图可以看出： 汽车污染物与发动机排放控制 共 26 页 第 3 页 装 订 线 a 1 时 ，CO 的排放量都很小。 a =1.01.1 时，CO 的排放量变化较复杂。 知道了 CO 排放量 x CO 与及过量空气系数a的关系，那么就可以知道一氧化碳形成的 影响因素了。图 2.2 给出了一些影响 CO 的生成的因素。 图 2.2 影响一氧化碳生成的因素 2.2 碳氢化合物 2.2.1 碳氢化物的来源及形成机理 来源：汽车尾气的碳氢化合物来自三种排放源。对一般汽油发动机来说，约 60%的碳氢化合 物来自内燃机废气排放 20%25%来自曲轴箱的泄漏，其余的 15%20%来自燃料系统的蒸发。 碳氢化合物形成机理：HC 是既有未燃燃料，也有未完全燃烧的中间产物和部分被分解的产 物的混合物。不论在任何工况下运转，发动机排气中总含有一定量的 HC。并且，汽油机的 HC 排 放量远大于柴油机。碳氢化合物的形成一般有以下几种情况： (1)、火焰在壁面淬冷：火焰淬冷的形成方式有两种，即单壁淬冷和双壁淬冷。前者是火焰 接近气缸壁时，由于缸壁附近混合气温度较低，使气缸壁面上薄薄的边界层内的温度降低到混 合气自燃温度以下，导致火焰熄灭，边界层内的混合气未燃烧或未燃烧完全就直接进入排气而 形成未燃 HC，此边界层称为淬熄层，发动机正常运转时，其厚度在 0.050.4mm 之间变动，在 小负荷时或温度较低时淬熄层较厚；后者是在活塞顶部和气缸壁所组成的很小的环形间隙中， 火焰传不进去，使其中的混合气不能燃烧，在膨胀过程中逸出形成 HC 排放。 在正常运转工况下，淬熄层中的未燃 HC 在火焰前锋面掠过后，大部分会向燃烧室中心扩散 并完成氧化反应，使未燃 HC 的浓度大大降低。但是在发动机冷起动、暖机和怠速等工况下，因 燃烧室壁面温度较低，形成的淬熄层较厚，同时已燃气体温度较低及混合气较浓，使后期氧化 作用较弱，因此壁面火焰淬熄是此类工况下未燃 HC 的重要来源。 (2)、狭隙效应：在车用发动机的燃烧室内有如图 2.3 所示的各种狭窄的间隙，如活塞组与 汽车污染物与发动机排放控制 共 26 页 第 4 页 装 订 线 气缸壁之间的间隙、火花塞中心电极与绝缘子根部周围狭窄空间和火花塞螺纹之间的间隙、进 排气门与气门座面形成的密封带狭缝、气缸盖垫片处的间隙等，当间隙小到一定程度，火焰不 能进入便会产生未燃 HC。 在压缩过程中，缸内压力上升，未燃混合气挤入各间隙中，这些间隙的容积很小但具有很 大的面容比，进入其中的未燃混合气因传热而使温度下降。在燃烧过程中压力继续上升，又有 一部分未燃混合气进入各间隙。当火焰到达间隙处时，火焰有可能传入使间隙内的混合气得到 全部或部分燃烧（在入口较大时） ，但也有可能火焰因淬冷而熄灭，使间隙中混合气不能燃烧。 随着膨胀过程开始，气缸内压力不断下降。大约从压缩上止点后 15C 开始，间隙内气体返回气 缸内，这时气缸内温度已下降，氧的浓度也很低，流回气缸的可燃气再氧化的比例不大，一半 以上的未燃 HC 直接排出气缸。狭隙效应产生的 HC 排放可占其总量的 50%70%。 图 2.3 汽油机燃烧室内未燃 HC 的可能来源 1-润滑油膜的吸附及解吸；2-火花塞附近的狭隙和死区；3-冷激层；4-气门座死区；5-火焰熄 灭（如混和气太稀、湍流太强） ；6-沉积物的吸附及解吸；7-活塞环和环岸死区；8-气缸盖衬垫 缸盖孔死区 (3)、润滑油膜对燃油蒸汽的吸附与解吸：在进气过程中，气缸壁面和活塞顶面上的润滑 油膜溶解和吸收了进入气缸的可燃混合气中的碳氢化合物蒸汽，直至达到其环境压力下的饱和 状态，这种溶解和吸收过程在压缩和燃烧过程中的较高压力下继续进行。在燃烧过程中，当燃 烧室燃气中的 HC 浓度由于燃烧而下降至很低时，油膜中的 HC 开始向已燃气解吸，此过程将持 续到膨胀和排气过程。一部分解吸的燃油蒸汽与高温的燃烧产物混合并被氧化；其余部分与较 低温度的燃气混合，因不能氧化而成为 HC 排放源。这种类型的 HC 排放与燃油在润滑油中的溶 解度成正比。使用不同的燃料和润滑油，对 HC 排放的影响不同，使用气体燃料则不会生成这种 类型的 HC。润滑油温度升高，使燃油在其中的溶解度下降，于是降低了润滑油在 HC 排放中所占 的比例。由润滑油膜吸附和解吸机理产生的未燃 HC 排放占其总量的 25%左右。 (4)、燃烧室内沉积物的影响：发动机运转一段时间后，会在燃烧室壁面、活塞顶、进排气 汽车污染物与发动机排放控制 共 26 页 第 5 页 装 订 线 门上形成沉积物，从而使 HC 排放增加。对使用含铅汽油的发动机，HC 排放可增加 7%20%。沉 积物的作用机理可用其对可燃混合气的吸附及解吸作用来解释，当然，由于沉积物的多孔性和 固液多相性，其生成机理更为复杂。当沉积物沉积于间隙中，由于间隙容积的减少，可能使由 于狭隙效应而生成的 HC 排放量下降，但同时又由于间隙尺寸减小而可能使 HC 排放量增加。这 种机理所生成的 HC 占总排放量的 10%左右。 (5)、燃料不完全燃烧。混合气过浓过稀, 残余气体稀释, 使火焰传播不完全, 甚至断火。 例如在怠速、小负荷、过度工况的时候, 此外，点火系不好, 充气温度低和充量均匀性差, 残 余气体多。 (6)、碳氢化合物的后期氧化：在发动机燃烧过程中未燃烧的碳氢化合物，在以后的膨胀和 排气过程中不断从间隙容积、润滑油膜、沉积物和淬熄层中释放出来，重新扩散到高温的燃烧 产物中被全部或部分氧化，称为碳氢化合物的后期氧化，包括： a、气缸内未燃碳氢化合物的后期氧化：在排气门开启前，气缸内的燃烧温度一般超过 950C。若此时气缸内有氧可供后期氧化（例如当过量空气系数 a 1 时） ，碳氢化合物的氧化将 很容易进行。 b、排气管内未燃碳氢的氧化：排气门开启后，缸内未被氧化的碳氢化合物将随排气一同排 放到排气管内，并在排气管内继续氧化。其氧化条件为：管内有足够的氧气；排气温度高 于 600C；停留时间大于 50ms。 2.2.2 影响碳氢化物生成的因素 （1） 、混合气质量的影响： a、混合气的浓度过浓：当空燃比小于理论空燃比（14.8）时，因空气量不足使燃料不能 完全燃烧，随着空燃比的下降，HC 的浓度增加。 b、混合气过稀：当空燃比大于理论空燃比时，随空燃比增大，火焰传播中断现象越严重， 因此 HC 的浓度增大。 c、当混合气的浓度正好达到理论空燃比的时候，燃烧充分 HC 的排放浓度最有利。 （见图 2.4） 汽车污染物与发动机排放控制 共 26 页 第 6 页 装 订 线 图 2.4 CO、HC、NOx 的排放浓度与空燃比的关系 （2） 、运行条件的影响： a、负荷的影响：发动机试验结果表明：当空燃比和转速保持不变，并按最大功率调节点 火时刻时，改变发动机负荷，对 HC 的相对排放浓度几乎没有影响。但当负荷增加时，HC 排放量 绝对值将随废气流量变大而几乎呈线性增加。 b、转速的影响：发动机转速对 HC 排放浓度的影响则非常明显。转速较高时，HC 排放浓 度明显下降，这是由于气缸内混合气的扰流混合、涡流扩散及排气扰流、混合程度的增大改善 了气缸内的燃烧过程、促进了激冷层的后氧化，后者则促进了排气管内的氧化反应。 c、点火时刻的影响：点火时刻对 HC 排放浓度的影响体现在点火提前角上。点火延迟 （点火提前角减小）可使 HC 排放下降，这是由于点火延迟使混合气燃烧时的激冷壁面面积减小， 同时使排气温度增高，促进了 HC 在排气管内的氧化。但采用推迟点火，靠牺牲燃油经济性来降 低 HC 排放是得不偿失的。因此，点火延迟要适当。 d、壁温的影响：燃烧室的壁温直接影响了激冷层厚度和 HC 的排气后反应。据研究，壁面 温度每升高 1，HC 排放浓度相应降低 0.6310-61.0410-6。因此提高冷却介质温度有利于 减弱壁面激冷效应，降低 HC 排放。 e、燃烧室面容比的影响：燃烧室面容比大，单位容积的激冷面积也随之增大，未燃烃总 量必然也增大。降低燃烧室面容比是降低汽油机 HC 排放的一项重要措施。 2.3 氮氧化物 2.3.1 NOX的生成机理 O2 2O O N2 NO O N O2 NO O N OH NO H 汽车污染物与发动机排放控制 共 26 页 第 7 页 装 订 线 如图 2.5 反映了 NO 的平衡摩尔分数xNOe与过量空气系数a的关系 图 2.5 NO 的平衡摩尔分数xNOe与过量空气系数a的关系 由上图可以看出： a 1 的稀混合气区，xNOe随温度的升高而迅速增大。 a 1 时，温度起着决定性作用，NOX生成量随温度升高而迅速增大。最高温度通常出现在 a 1.1，且有适量的氧浓度，故 NOX排放浓度出现峰值。a进一步增大，温度下降的作用 占优势，NO 生成量减少。 （2） 、残余废气分数的影响：汽油机中燃烧室内的混合气由空气、已蒸发的燃油蒸气和已 燃气组成，后者是前一工作循环留下的残余废气，或由废气再循环系统（EGR）中从排气管回流 汽车污染物与发动机排放控制 共 26 页 第 8 页 装 订 线 到进气管并进入气缸的燃烧废气。残余废气分数 i定义为：缸内残余废气质量 mi与进气终了 气缸内充量质量 mc之比，即 i = m i / mc 式中：mc=memimr，me和 mr分别为进入气缸的空气和燃油质量。 残余废气分数主要取决于发动机负荷和转速。减小发动机负荷即减小节气门开度和提高转 速，均加大了进气阻力，使残余废气分数增大。压缩比较高的发动机残余废气分数较小。 通过废气再循环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 小了可燃气的发热量又增大了混合气的比热容，都使最高燃烧温度下降，从而使 NO 排放降低。 （3） 、点火时刻的影响：由于点火时刻对燃烧室内温度和压力有明显影响，故其对 NO 生成 的影响也很大。图 2.6 表示了三种空燃比下排气中 NO 的体积分数随点火提前角的变化趋势。 从该图可以看出：随着的减小，NO 排放量不断下降；当值很小时，下降速率趋缓。 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，并使已燃气在高温下停留的时间较长，这两个因素都将导致 NO 排放量增大。 因此延迟点火和使用比理论混合气较浓或较稀的混合气都能使 NO 排放降低，但同时也会导致发 动机热效率降低，严重影响发动机经济性、动力性和运转稳定性，因此应慎重对待。 图 2.6 排气中 NO 的体积分数随点火提前角的变化 2.4 其他污染物 除上述几种主要污染物外，汽车尾气污染还有 SO2、游离碳(黑烟)、四乙铅等物质，它们对 人体呼吸系统、循环系统、神经系统都非常有害。 汽车污染物与发动机排放控制 共 26 页 第 9 页 装 订 线 3 常见的控制汽车尾气的技术以及方法 3.1 汽车尾气排放对环境的污染的防治 欧盟的环保专家认为，要减少汽车污染对城市环境的危害，最有效的办法是调整城市交通 政策，大幅减少私家车数量，优先发展公交，提倡自行车交通；同时，还应加速发展、普及环 保型汽车，减少对石化燃料的依赖。 （1） 、控制汽车的数量:在许多大中城市中，汽车的数量实际已经“超载” 。政府可以用宏 观调控的方法提高汽车的价格，适当减少汽车的购买量，促进小型制造汽车的企业的转产，把 汽车的数量控制在生态平衡允许的范围内。同时要使公共汽车、地铁等公共交通工具迅速发展 起来，向市民提倡骑自行车、乘坐公共汽车和地铁；公务员更要以身作则，尽量使用公共交通 工具，少乘坐私家车，尽量降低汽车尾气排放量. （2） 、严格把关，提高汽油质量:到 21 世纪初，世界大多数城市都已禁止使用含铅汽油。 要提高汽车尾气污染物排放标准，严格把关，不能让未达到标准的汽油流入市场. （3） 、加快采用先进的汽车尾气处理技术，对不符合尾气排放标准的汽车进行淘汰或改造。 （4） 、推广以天然气为燃料的燃气汽车，并对燃气汽车进行改造，解决其存在的发动机动 了性能下降、储气瓶占用空间大等问题. （5） 、变废为宝. 方案 A：在气缸内的燃料和空气经过压缩，变成高温高压的气体，燃烧后能量仍很高。如果 将这些能量利用起来，转化成发动机的动力，既节省了燃料，又减少了废气排放量。 方案 B：汽车尾气中含有氮氧化物和硫氧化物，如果在尾气排放管上加装一个收集和转化装 置，将其转化成工业原料硝酸和硫酸，虽然收集量可能不多，但积少成多，这就在减少对大气 的污染的同时对资源进行了回收。 （6） 、加强宣传，提高人民环保意识,加强对环境保护重要性的宣传，提高人民环保意识， 让群众自觉使用公共交通工具，不购买尾气排放量不达标的汽车，坚决不购买、制造含铅、低 质汽油。 3.2 控制汽车污染物排放的常见的技术措施 3.2.1 机前净化措施 （1） 、汽车燃油的改用 a、提高燃油品质，采用无铅汽油，以代替有铅汽油，可减少汽油尾气毒性物质的排放量。 汽油发动机安装尾气净化装置的必备条件之一是汽车必须使用无铅汽油。 b、掺入添加剂，改变燃料成分。汽油中掺入 15%以下的甲醇燃料，或者采用含 10%水份的 汽车污染物与发动机排放控制 共 26 页 第 10 页 装 订 线 水汽油燃料，都能在一定程度上减少或者消除 CO、NOx、HC 和铅尘的污染效果。若采用“甲 醇燃料” ，即采用甲醇和其它醇类同汽油混合所制成的燃料。当甲醇占比例 30%40%，汽车尾气 排出的污染物可基本上消除汽车尾气污染。 c、选用恰当的润滑添加剂机械摩擦改进剂。在机油中添加一定量（比例为 3%5%） 石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯粉末等固体添加剂，加入到引擎的机油箱中，可节约发动机燃油 5%左 右。此外，采用上述固体润滑剂可使汽车发动机汽缸密封性能大大改善，汽缸压力增加，燃烧 完全。尾气排放中，CO 和碳氢含量随之下降，可减轻对大气环境的污染。 d、采用绿色燃料同样可减少汽车尾气有毒气体排放量。据美国的俄亥俄州某研究所用豆 油与甲醇、烧碱混合，然后去除其中的甘油，从而可获得“大豆些油” 。用“大豆柴油” ，以 3 ：7 的比例掺入到普通柴油中，可供柴油汽车之用。它可大大减少发动机工作时排放的硫化物、 碳氢化合物、一氧化碳和烟尘。故誉作“绿色燃料” 。 e、采用多种燃料作为汽车燃料来源。随着科学技术的发展和计算机的广泛应用，确保环 境保护法规的实施和节能措施：汽车中可广泛使用新的配方汽油、电力、压缩的天然气体、太 阳能以及生态燃料的蓄电池等等。然而在这种汽车上装上电脑，不断在行驶中早先调拨组合， 以使汽车发挥最佳性能。采用计算机控制点火系统，以便对发动机的不同工况作出快速反应， 可取得最佳 燃料经济性和发动机动力性能，可减少尾气对大气的污染。 f、节约能源，有利环境，大力推广车用乙醇汽油。根据有关专家指出，开发乙醇代替汽 油，即节约能源，又可消化陈粮，使汽车排出的有害汽体减少，是一项有利于保护环境和资源 的新课题。 （2） 、进气系统 通过进气运动形成尽可能均匀的混合气，对其冷启动的排放控制具有特别重要的意义。如 采用可变进气管、螺旋进气道等措施，加强进气涡流和压缩涡流，可使燃料和空气充分混合， 燃烧良好，降低有害排放。此外，增压可提高内燃机的功率、降低排放和油耗，成为低排放汽 油机的重要技术手段。其主要包括：机械增压（发动机曲轴直接驱动压气机压缩空气，适用于 小增压比汽油机） 、涡轮增压（发动机涡轮增压器压缩新鲜空气） 、气波增压（发动机废气直接 压缩新鲜空气） 。 3.2.2 发动机内部净化措施 机内净化措施主要是通过改进内燃机本身的设计和不断优化燃烧的工作过程来降低排放的 措施，主要有空燃比控制、燃烧控制、点火正时控制、可变配气相位等，这些措施大部分是通 过精确的发动机电子控制来实现的。 （1） 、采用电控燃油喷射系统：电控燃油喷射系统可以有效提高燃油的燃烧效率，这对于 减少几种有害的污染物的排放都有很大的提高。 优点：a、电控燃油喷射系统可以根据发动机的不同工况的要求，配制出合理数量和浓度的 汽车污染物与发动机排放控制 共 26 页 第 11 页 装 订 线 可燃混合气，喷入气缸。使得可燃混合气的燃烧效率大大提高，减少了碳氢和碳氧化合物的排 放量。 b、采用的是闭环反馈，满足三元催化剂对空燃比的要求。 c、采用压力喷射，汽油雾化的质量高。可燃混合物的燃烧效率得到了很大的提高。 （2） 、采用电控点火系统：保证汽油机在压缩接近上止点时，在气缸内适时、准确、可靠 地产生电火花，以点燃可燃混合气。其优点是可以使得点火时间与发动机的工作状况相适应。 （3） 、采用缸内直喷技术 GDI（Gasoline Direct-Injection ）：采用缸内直喷技术可以有 效地改善可燃混合气在气缸内形成的涡流形式，使得随着燃烧废气排出气缸的混合气的量大大 减少即碳氢化物的排放量得到了控制，同时也大大地提高了燃油的利用率。如图 3.1 所示。 图 3.1 缸外喷射和缸内直喷的对比 优点：a、部分负荷燃油经济性好； b、输出功率高； c、空燃比控制精确； d、瞬态响应能力好； e、快速冷启动和减速快速断油能力好。 （4） 、采用均质压燃 HCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition）汽油机（采用均 质压燃稀燃技术） 优点：a、动力性和燃油经济性好，压燃比高、多点同时着火接近等容燃烧； b、通过设计较稀的混合气或采用 EGR 控制可同时降低 NOx 和碳烟； c、燃烧系统结构简单，只需将气道喷射汽油机的压缩比提高到柴油机的水平。 （5） 、无节气门预混合稀燃发动机：取消机械节气门，利用废气控制加热进气来达到调节 汽车污染物与发动机排放控制 共 26 页 第 12 页 装 订 线 发动机负荷的目的。采用无节气门进气预热的方式来调节发动机的负荷比用机械节气门来调节 发动机的负荷可使发动机中低负荷下的热效率至少提高 10%以上，混合气温度的提高使燃料稀燃 限变宽，发动机可在很稀的当量比下稳定工作并且不会发生爆震，但燃烧的最高温度却大大低 于化学当量比燃烧的温度，使 NOx 排放大大降低。 （6） 、燃烧室和活塞表面涂催化剂 优点：a、加快燃烧速度，发动机动力性和燃油经济性提高； b、HC 和 CO 排放降低； c、冷启动性能提高、冷启动排放降低。 （7） 、曲轴箱通气系统的设计：把从气缸窜入曲轴箱的气体（主要是未燃气体）再循环进 入进气歧管，使其再次燃烧，改变了过去将其直接排入大气所造成的污染。如图 3.2 所示 图 3.2 曲轴箱强制通风 （8） 、排气再循环设计：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，以降低氮氧化物的排放量。如图 3.3 所示 图 3.3 废气再循环系统 汽车污染物与发动机排放控制 共 26 页 第 13 页 装 订 线 图中的 EGR 阀是由真空电磁阀控制，调节进气阀的开启高度和开启时间，控制 EGR 率，降 低 NOx 排放。 （9） 、电液或电磁气门：实现配气相位和气门升程的最优控制。可以有效地减少燃烧室中 的可燃混合气的窜气，减少碳氢化物等的排放。 （10） 、对发动机内部进行一些相关的调试也可以减少污染物的排放。 a、减少喷油提前角。减少喷油提前角，可降低发动机工作的最高温度（1500 摄氏度） ， 使 NOx 的生成量减少。 b、改善喷油器的质量，控制燃烧条件（空燃比、燃烧温度、燃烧时间） ，可使燃料燃烧 完全，从而可减少 CO、HC 和煤烟。 c、调整喷油泵的供油量，可降低发动机的功率，使雾化的燃料有足够的氧气进行完全 燃烧，从而也可以减少 CO、CH 和煤烟的生成。 3.2.3 发动机外部尾气净化措施 所谓机外净化即通过在汽车的排气系统中安装各种净化装置，采用物理的、化学的方法将 汽车尾气由原来的有毒气体，变成为无毒气体，再排放到大气中，从而可减少汽车排放污染物 对大气环境的污染。主要由以下几种方法。 （1） 、采用催化剂：将 CO 氧化成 CO2，氧化成 CO2和 H2O，NOx 被还原成为 N2等。采用的 催化剂有氧化锰，一氧化铜；氧化铬，一氧化镍，一氧化铜等金属氧化物和白金属（铂）等贵 金属。它们都可以净化 CO、HC。三元催化净化器安装在汽车发动机的排气装置上，当汽车废气 通过净化器的通道时，元催化器中的净化剂将增强 CO、HC 和 NOx 三种气体的活性，促使其进行 一定的氧化、还原化学反应，其中 CO 在高温下氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体；HC 化合物 在高温下氧化成水(H20)和二氧化碳；NOx 还原成氮气和氧气，使三种有害气体变成无害气体其 净化效率很高，可以净化 90以上的有害物质。这是目前最有效和最现实的措施，但转化效率 与发动机的空气燃油混合比有关。当空燃比接近理想值 14.7 时，转化效率最高，如图 3.4 所示 图 3.4 三元催化转化器的效率与空燃比的关系曲线 汽车污染物与发动机排放控制 共 26 页 第 14 页 装 订 线 （2） 、热力学后处理措施：主要有二次空气喷射及吸入系统、热反应器及二次燃烧。 a、二次空气喷射及吸入系统：新鲜空气被吸入或喷入发动机排气门后面，促使高温废 气中的 CO 和 HC 与新鲜空气中的 O2 进一步化合反应变成无害的 H2O 和 CO2，以降低废气中的 HC 和 CO。 b、热反应器及二次燃烧：热反应器安装在排气道出口处，一般和二次空气喷射同时使 用，使二次空气和未燃烧混合气混合后，利用本身的余热延长废气在高温状态的滞留时间，使 HC 和 CO 更好的进行后反应，从而使其排出浓度降低。二次燃烧总是在排气管中设置点火源，使 排气中的 CO，HC 燃烧而净化，但由于二次燃烧法不仅结构复杂，且要增加燃料消耗，至今很少 应用。 （3） 、其他的一些控制措施如水洗：通过水箱，使汽车尾气中的碳烟粒子经过水洗和过滤 及蒸气的淋浴，可支队粘在碳粒上的有毒物质，使碳粒子胀大而给予去除。但是由于功能的单 一以及一些其他方面的影响这种方法并不能够有效地抑制汽车排放的污染，现在也很少采用了。 3.2.4 加强行政管理 （1） 、淘汰旧车，采取报废迎新。 （2） 、鼓励开发并采用多种燃料的新型汽车，这是今后汽车的发展方向。以氢为燃料的电 池电动车、太阳能汽车、电动汽车、复式汽车、液化气汽车、甲醇汽车等。它们是低公害、前 途最佳的新型汽车。同时，目前也还可改装汽车发动机的汽车为柴油发动机汽车。虽然柴油发 动机燃料费用高，但 CO 生成量少。如果对 NOx、粉尘排放量作相对的限制的话，那么柴油发动 机汽车也是未来最佳汽车。 （3） 、严格执行国家质量技术标准，控制燃油标准。加强对汽车的排放标准的控制。 这些措施只是控制汽车污染物排放的一些控制方法，随着科技的不断发展会有越来越多的 技术手段不断地应用到控制汽车污染物排放上去。给环境保护带来更大的便利，使得我们赖以 生存的环境更加的美好。 汽车污染物与发动机排放控制 共 26 页 第 15 页 装 订 线 4 关于汽车排放的相关法规（标准） 4.1 世界汽车排放法规的发展 当今世界，汽车排放法规以欧洲、美国为先导，以欧洲、美国、日本和澳大利亚 4 大法规 为典型。从 1996 年起，除日本外，欧共体和其他汽车工业发达的国家 都逐渐采用了欧洲体系 标准即联合国欧洲经济委员会（ECE）标准。ECE 的国内运输 委员会负责制定汽车工业生产领 域的各种法规、指令和标准。其制定的 ECE 法规对 参加国来说是必须的，也是这些国家产品 认证的依据。 1970 年和 1982 年，ECE（UN/Economic Commission of Europe）对满载在 3.5t 以下 （ECE15）和超过 3.5t（ECE49）的汽车制定了相应的法规，当时法规只规定了对 CO 和 HC 排 放量的限制，这是最早的汽车排放法规。 1989 年，ECE 发布 ECE83 法规取代 ECE15，后经三次修订形成了更严格的 排放限值法规 ECE93欧(Euro),并于 1993 年生效。 随着欧洲一体化的加快，汽车保有量的急剧增长，以及汽车燃烧技术的发 展，ECE 于 1996 年再次对欧进行修订并形成了 ECE96欧(Euro) 法规， 并提出将在 2000 年2005 年实施更为严格的 ECE2000欧 （Euro ）及 ECE2005欧(Euro)。几 种标准的对比可见表 4.1 表 4.1 几种标准的对比 类别欧一欧二欧三欧四 实施时间到 1995 年底1995-20002000-20052005 年底起 HC（%）60.46 CO (%)4.542.11.5 NOx (%)8753.5 微粒(%)0.32 ECE 排放法规的发展特点 ECE 排放法规的发展过程存在着以下几方面的特点： A .法规限值的有害排放物的种类逐渐扩大,从早期仅限制 CO 和 HC 到后来增加 的 NOX 和 PM 等。 B .法规规定的有害物数量的限值越来越小,要求越来越严。 C .排放物检测的标准要求更高,更加规范,并制定了专门的检测方法。 汽车污染物与发动机排放控制 共 26 页 第 16 页 装 订 线 D .对不同工况的检测列入了新的规定。 E .强化对生产一致性检查的方法并逐渐向型式认证标准接近。 F .认证运转循环更加接近实际使用条件,规定了汽车尾气排放物能够满足环保指标的行程。 G .确立了按汽车环保参数认证的汽车生产稳定性和质量监督统计方法. 4.2 各国的排放法规（标准） 4.2.1 欧洲排放标准 欧洲汽车尾气排放标准是欧盟国家为限制汽车排放污染物对环境造成的危害而共同采用的 汽车尾气排放标准。当前对几乎所有类型的车辆排放的氮氧化物（NOx）、碳氢化合物（HC）、 一氧化碳（CO）和颗粒物（particulate matter；PM）都有限制，比如小轿车、卡车、火车、 拖拉机和类似机器、驳船，但不包括海轮和飞机。对每一种车辆类型，排放标准有所不同。欧 洲标准是由欧洲经济委员会（ECE）的排放法规和欧盟（EU）的排放指令共同加以实现的。排放 法规由 ECE 参与国自愿认可，排放指令是 EEC 或 EU 参与国强制实施的。在欧洲，汽车排放的标 准一般每四年更新一次。在 1992 年实行了欧洲一号标准，从 1996 年开始实行了欧洲二号标准， 从 2000 年开始，实行了欧洲三号标准，从 2005 年开始，实行了欧洲四号标准。相对于美国和 日本的排放标准来说，测试要求比较宽泛，因此，欧洲标准也是发展中国家大都沿用的汽车尾 气排放体系。欧洲的几种标准中关于各种污染物的限值如附录 1 所示轿车（passenger cars） 的欧洲排放标准（类别 M1*），克每公里（g/km）。 4.2.2 美国排放标准 1990 年的清洁空气法案修正案针对轻型车规定了两套标准，第一阶段（Tier 1）和第二阶 段（Tier 2）。第一阶段法规 1991 年 6 月 5 日最终定稿发行，并于 1997 年开始全面执行。第 二阶段标准 1999 年 12 月 21 日采纳，于 2004 年开始执行。 第一阶段标准 第一阶段轻型车标准适用于所有轻型机动车（LDV），例如乘用车（passenger car）、轻 型卡车（light duty truck)、运动型多功能越野车（SUV）、小型货车（minivan）和皮卡 （pick-up）。轻型车包括所有毛车重量（gross vehicle weight rating, GVWR）低于 8500 磅 （约 3856 公斤）的车辆；毛车重量指机动车重量加上评估的货物重量。轻型车进一步分为如下 子类： 乘用车 毛车重量低于 6000 磅（约 2722 公斤）的轻型卡车（LLDT） 毛车重量超过 6000 磅的重型轻型卡车（HLDT） 第一阶段的标准在 1994 年到 1997 年之间逐渐引入，应用于机动车整个寿命过程（10 万英 汽车污染物与发动机排放控制 共 26 页 第 17 页 装 订 线 里，约 16 万公里，1996 年有效）。法规还规定了一个中期标准，也就是当机动车行驶里程超过 5 万英里（约 8 万公里）时需要达到的标准。汽油车和柴油车标准的不同体现在柴油车 NOx 排放 限制更松一些，这个规定适用于 2003 车型年生产的机动车。 乘用车和轻型卡车排放按照 FTP75 程序（the Federal Test Procedure）测量，用 g/mile 来表示。除了 FTP75 程序，2000 年到 2004 年之间 SFTP 程序（the Supplement Federal Test Procedure）将逐渐引入。SFTP 包括另外的测试工况来测量大量高速道路行驶状况下的排放 （US06 工况）和城市中开空调状况下行驶的排放（SC03 工况）。见附录 2 所示：美国环保局乘 用车和轻型卡车第一阶段排放标准，FTP75，g/mile 国家 LEV 项目 1997 年 12 月 16 日，美国环保局确定了国家低排放机动车项目（NLEV）的法规（63 FR 926， 7 Jan 1998）。NLEV 是一个自愿项目，通过东北部的州与汽车生产厂商达成的协议来发 生作用。它为第二阶段标准引入前的过渡时期设定了更加严格的排放标准。美国东北部州从 1999 车型年，全国从 2001 车型年开始，新乘用车和轻型轻型卡车必须达到比美国环保局在 2004 车型