我国汽车尾气排放控制和对策研究.doc

ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY本 科 毕 业 论 文 我国汽车尾气排放控制和对策研究The Analysis of Chinas Automobile Exhaust Emission Control and Countermeasures学院名称： 机械工程学院 专业班级： 汽车服务工程 学生姓名： Q G Z 学生学号： 201x01090xxx 指导教师姓名： x x x 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： 目 录中文、摘要1英文、摘要2第1章 绪论31.1 论文研究的背景31.2 论文研究的目的及意义31.3 论文的主要内容及结构安排3第2章 汽车尾气排放污染物的种类及其危害52.1一氧化碳的危害52.1.1 CO 的危害52.1.2 CO形成的影响因素62.2 氮氧化合物的危害72.2.1 NOx的危害72.2.2 NOx形成的影响因素82.3 碳氢化合物的危害92.3.1 HC的危害92.3.2 HC的形成的影响因素102.4 微粒的危害102.4.1微粒的危害102.4.2微粒生成的影响因素10第3章 汽车尾气排放控制技术123.1机内净化技术123.1.1燃烧室结构的改进技术123.1.2曲轴箱强制通风技术123.1.3电控燃油喷射技术133.1.4废气再循环控制（EGR）技术163.1.5稀薄燃烧技术173.2机外净化技术193.2.1三元催化转技术193.2.2热力学机外净化技术213.2.3燃油蒸发控制22第4章 我国汽车尾气排放控制技术的发展趋势244.1新型清洁燃料244.2稀燃催化技术244.3均质混合气压燃25结论26致谢27参考文献28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The Analysis of Chinas Automobile Exhaust Emission Control and CountermeasuresAbstract：With the development of society and the improvement of Peoples Live environmental problem is becoming the focus of the world .The pollution from automobile is more and more serious. More and more attention from the government and society are paid on vehicle emissions. For control pollution, every country control requirement about the emission pollution:constitute the compelling emission standards to control the emission from automobile. This article takes our country automobile exhaust emission control technology and development trends. Analyses the background of vehicle emissions and countermeasures and the present situation, pointed out the types of vehicle exhaust pollutant and the formation mechanism and influencing factors, mainly including CO, HC,Nox, and these pollutionts harm to human body. The analysis on reason for forming of automible emission, and analyzes the influencing factors. Describing the mobile emission control technology in existence. Now, the main control technologies at home and abroad are enging inside control technique and engine outside control technique inside control technique mainly includes the combustion chamber styucture of the improvement, the crankcase forced ventilation,Electronic Fuel Injection technilogy, waste gas recycling and valve technology, thin combustion technology, engine outside control technique mainly includes Three-way-Catalyst(TWC), thermodynamisics cake layer purification technology, fuel evaporation control technology . And in the future the gasonline engine emission control technology development direction was given.Key words：Gasonline; Emission Control; Purify In-engine; External Purification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、CO、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CO或HO。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+ O(不充足) CO2.1.1 CO 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2.1 CO对人体影响CO(ppm)CO(%)中毒程度对人危害1001600.010.016慢性中毒长期接触使人头痛、乏力、记忆力减退、失眠4000.04轻度中毒1小时后头痛、头晕、疲倦、恶心6008000.060.08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10004000100000.10.41.0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2.2 CO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-Hb10%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300030min即死亡2.1.2 CO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/F14.7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/F14.7）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2.2.1 NOx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+ ONO+O （可逆） NO排入大气后，又被氧化成NO。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501分钟内人体呼吸异常、鼻受到刺激803-5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）0.13-0.370.05-0.12月最小含量（ppm）0.01-0.040.01-0.04月最大含量（ppm）0.05-0.110.04-0.06年平均含量（ppm）0.03-0.070.02-0.052.2.2 NOx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2.3.1 HC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。2.3.2 HC的形成的影响因素（）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0.002m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。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。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。空气涡流的影响 适当增加空气涡流，可使油滴蒸发加快，空气卷入量增多，有利于改善混合气品质，以减少炭烟排放量。但是，对于减少炭烟排放有利的涡流，不一定有利于减少其他微粒和有害物的排放。其他因素的影响由于高温缺氧是造成坦言生成量增加的重要原因，所以凡是能提高充气效率以及增大进气量的措施，都可以减少炭烟排放。适当提高燃烧内的空气温度和壁温，可以改善燃料着火条件，减少微粒排放。另外，喷油定时、喷油规律、喷油压力以及喷油嘴喷射状况等各种喷油参数也会对炭烟的产生产生一定的影响。第3章 汽车尾气排放控制技术汽车尾气排放控制技术有很多，主要分为机内净化和机外净化技术。机内净化就是从有害排放物的产生机理及其影响因素出发，以改进发动机燃烧过程为核心，以达到减少和抑制污染物生成为目标的各种技术，主要包括燃烧室结构的改进、曲轴箱强制通风、废气再循环技术、稀薄燃烧技术、电控技术等。3.1机内净化技术3.1.1燃烧室结构的改进技术 燃烧室形状优化 燃烧室形状优化原则是尽可能紧凑，面积比S/V要小；火花塞装在燃烧室中央的位置，以缩短火焰的传播距离。其主要优点如下：（1）紧凑的燃烧室可使燃烧时间缩短，混合气燃烧迅速，提高热效率，可降低CO和HC的排放；（2）紧凑的燃烧室可有效提高机械辛烷值，防止爆震。汽油机可以进一步提高压缩比以改善热效率；（3）面积比S/V变小，可减轻燃烧壁面的淬熄效应，减少HC排放。(4)改善缸内气流运动提高气缸内混合气的湍流程度，有助于混合气快速和完全燃烧。这是因为静止或层流混合气的火焰传播速度一般不超过1m/s，而湍流时可达到100m/s以上。改善气流运动的主要方法有加强进气涡流和压缩涡流。进气涡流可以通过改进进气道形状来实现。3.1.2曲轴箱强制通风技术1.曲轴箱窜气的危害曲轴箱强制通风装置是将曲轴箱中的碳氢化合物强行导入发动机进气歧管和燃烧室重新燃烧，以免碳氢化合物进入大气造成污染。在发动机工作时，由于活塞环不能使活塞和气缸壁之间完全密封，一些未燃烧的空气燃油混合气和已燃烧的其他物质在压力和动力冲程的作用下，通过活塞环进如曲轴箱。这些气体主要是碳氢化合物，人们把它称为曲轴箱窜气。它不仅会造成大气污染，还有气体严重危害。窜气中包涵碳氢化合物、水蒸气、烟灰和尘土等。它们进入曲轴箱后首先和发动机机油混合，造成机油黏度和润滑性下降。水蒸气如果冷凝，会和其他物质形成盐酸，严重腐蚀发动机内部轴承表面，加速零件的磨损。为防止这一情况，之前的车辆是安装从曲轴箱引出的通风管道，使这些气体逸入大气。现在，各国排放法规都要求必须将这些混合气引回到燃烧室重新燃烧。2.曲轴箱强制通风控制策略一般来说，进气歧管真空度对窜气混合气的产生的影响对发动机转速更大因此，如果气缸盖罩和进气歧管只是简单的用以根管子连接，不会很有效的解决这一难题。因为歧管负压在低负荷时最强，而这时窜缸混合气少；在高负荷时最弱，而这时窜缸混合气多。这就是说，窜缸混合气多时，歧管所能吸收的却很少，反之亦然。故此，在曲轴箱和进气歧管之间安装曲轴箱强制通风阀（PCV），以便根据歧管真空度改变容许进入气缸重新燃烧的窜缸混合气量。相关原理如图3.1.3.1 PCV阀工作原理图（1）发动机停机或回火时。由于其自身重量和弹簧重量，PCV阀关闭。（2）怠速运转或减速时。负压很强，PCV阀上移打开。但是由于真空通道仍然狭窄，窜气混合气量还是很少。（3）正常运转时。真空度正常，真空通道扩宽，部分打开。（4）加速或高负荷时。PCV阀完全打开，真空通道也完全开启。3.1.3电控燃油喷射技术为了进一步降低排放，改善燃油经济性，燃油电控技术得到飞速发展。目前，国内外主要采用的有：怠速控制、减速断油控制、冷启动控制、电子点火控制等。这些都是目前燃油发动机排放控制的主流技术。1.电控燃油喷射技术的工作原理电控燃油喷射系统利用各种传感器检测发动机的各种工况，经电控单元的判断、计算，使发动机在不同的状态下都能获得合适的空燃比的混合气。在闭环控制系统中采用氧传感器反馈控制，可使空燃比的控制精度进一步提高。在汽车运行各种条件下空燃比得到适当的修正，使发动机在各种工况下获得最佳空燃比。过量空气系数直接决定燃料在气缸内燃烧的状况。当它大于1时，气缸内的空气在理论上是富氧，然山完全，生成污染物很少。是在过量空气系数约为1.1时，最有利于氮氧化合物的生成。电子控制燃油喷射系统可以用微机来控制每个循环的喷油时刻和喷油量，可按照各个工况要求对喷油量进行校正，精确控制过量空气系数，从而使污染降到最低。2.电控喷射系统的组成电控燃油喷射系统主要有空气供给系、燃油供给系、工况数据采集系、喷油控制系四个模块。空气供给系主要有空气滤清器、进气总管、进气歧管组成，主要功能是为发动机可燃混合气的形成提供必要的空气，并检测进气量。燃油供给系有燃油泵、燃油箱、燃油滤清器、燃油压力调节器和喷油器组成，主要功能是将燃油箱中的燃油输送给各喷油器，并建立喷油所需要的油压。工况采集系主要由空气流量传感器、氧传感器、节气门位置传感器、曲轴位置传感器、发动机转速传感器、进气温度传感器、冷却液温度传感器和数据线组成，其主要功能是把各种传感器采集到的发动机各种工况参数输送到控制单元。喷油控制系主要是ECU，把传感器采集到的信号进行判断计算，产生控制喷油器的合适脉冲，控制喷油时间从而控制喷油量。3.电控燃油控制的控制策略发动机怠速控制系统由各种传感器、信号控制开关、电控单元ECU、怠速控制阀和节气门旁通空气道等组成。ECU接收各相关传感器所发出的信号，通过分析判别后，对怠速控制阀（ ISCV）发出相应指令，进而控制节气门旁路中的空气流量。以下是对发动机不同工况的控制：（1）怠速控制 指对怠速空气量的控制。它要实现的功能除了稳定基本怠速以外还可以将一些过去要利用各种附加装置才能实现的功能集中起来，使进气系统更加简化，可以加速排放量提高燃油经济性。发动机怠速运行时，节气门处于全关位置，即进入发动机的空气量不再由节气门进行调节。怠速控制的实质就是通过怠速执行器调节进气量，同时配合喷油量及点火提前角的控制，改变怠速工况燃料消耗所发出的功率，以稳定或改变怠速转速。（2）启动控制：发动机启动时，怠速控制系统控制怠速执行器使旁通进气量最大以利于启动，启动之后，再根据冷却水温度来确定旁通进气量的大小。（3）暖机控制：暖机阶段， 怠速控制系统根据冷却水温度的变化不断调整旁通进气量的大小，使发动机在温度状态变化的情况下保持稳定的转速。（4）怠速反馈控制：当暖机过程结束，或者ECU检测到节气门全关信号，且车速低于2km/h，则怠速控制系统开始进行怠速反馈控制。电器负载增多时的怠速控制： 当同时使用的电器增多时，怠速控制系统也要相应增加旁通进气量，提高发动机的怠速转速。当发动机怠速负荷增大时，ECU控制怠速控制阀使进气量增大，从而使怠速转速提高，防止发动机转速不稳或熄火；当发动机怠速负荷减小时，ECU控制怠速控制阀使进气量减少，从而使怠速转速降低，以免怠速转速过高。怠速转速的控制过程如图3.2所示。图3.2怠速控制原理图4.电控燃油控制的分类控制（1）减速断油控制当汽车在高速运转时突然减速，发动机仍在惯性下高速运转。此时节气门已经关闭，进入气缸的空气量很少，若继续正常喷油，则会造成燃烧不完全，废气中HC和CO排量增加。减速断油控制是在汽车突然减速时，由ECU自动控制中断燃油喷射，直至发动机转速下降到设定的低速时再恢复喷油。其目的是为了减少燃油消耗，同时控制急减速时有害物质的排放。减速断油控制是电脑根据节气门位置、发动机转速、冷却液温度等参数作出判断，在满足一定条件时执行减速断油。该条件是：节气门位置传感器的怠速开关接通，冷却液温度正常，发动机的转速高于减速断油转速。（2）冷启动控制发动机在冷启动时油气混合不足，仍需要适当过量供油才能使发动机可靠启动。这将造成大量未燃HC进入排气管中的催化转换器。但是此时，催化剂正处于低温状态，远未达到起燃温度，这造成HC排量很高。冷启动控制对不同温度下的启动起始空燃比进行恰当的标定，然后ECU根据转速传感器、节气门位置传感器、冷却液温度传感器等确定的条件按照标定的空燃比进行喷油量控制。（3）电子点火控制混合气的时机和能量都会对燃烧过程产生巨大的影响，点火控制包括点火能量、点火提前角电子控制。点火提前角选取合理可以增大发动机功率，提高经济性，降低混合气在气缸内的燃烧温度，抑制了氮氧化物的生成。同时，还会使后燃增加，促进HC的氧化，降低其排放。提高点火能量可以提高着火的可靠性，扩大混合气的着火界限，提高点火能量的方法有增大电极电压、增大火花塞间隙、延长放电时间。该系统由微处理机、传感器及其接口、执行器等组成。它根据传感器测得的发动机参数进行计算、判断、点火时间的调节，保证发动机在最佳点火提前角下工作，降低油耗和排放。目前，出现了一种无分电器微机控制点火系统，改由ECU内部控制各缸配电。点火线圈产生的高压电直接送至火花塞发生点火，可消除火头与分电器盖边电极的火花放电现象，减少电磁干扰。3.1.4废气再循环控制（EGR）技术（1）EGR的组成和工作原理通过前面对排放污染物的产生机理我们知道，NOx是在高温燃烧下产生的。因此，控制燃烧室的最高温度可以减少它的生成量。废气再循环就是在这基础上产生的一种降低NOx的排放控制措施。主要有电控单元、EGR阀、EGR阀位置传感器等构成。传统做法是的把EGR的位置信号传给电控单元，电控单元经过计算控制EGR阀的开度。当部分排气经过EGR阀流回进气系统，一方面废气稀释了新鲜空气中的氧浓度，导致燃烧速度降低。另一方面，除怠速外的其他工况下的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物浓度都小于1%，废气中的主要成分为氮气、CO2、水蒸气，而且三原子气体的比热较高，从而提高了混合气的比热容，加热这种经过废气稀释后的混合气所需要的热量随之增大，在燃烧放出的热量不变时，最高温度可降低。两者都可以让燃烧温度降低，因而可以抑制当NOx的生成。相关原理如3.3图示。图3.3 EGR工作原理图1返回废气 2CO EGR 3EGR控制阀 4EGR返回管 5进气门 6排气门7排气 8活塞 9CO mix 10.吸入空气（）EGR的控制技术由于Nox排放量随负荷的增加而增加，因而EGR量也随着负荷的增加而增加。随着EGR率的增加，NO的排放量迅速下降。由于这是靠降低燃烧速度燃烧温度得到的，因而会导致全负荷时最大功率下降；中负荷时的燃油消耗量增大，HC排放量上升；小负荷特别是怠速时燃烧不稳定甚至失火。为实现EGR最佳效果，要保证再循环的废气在各缸间分配均匀，即保证各缸EGR率相同。因此，必须对EGR率进行适当控制，使之在不同情况下都可以理想工作。以下指不同情况下的工作状态：（1）怠速和小负荷时，Nox排放浓度低，不进行EGR。（2） 在发动机暖机过程时，冷却液温度和进气温度都较低，Nox排放也很低，混合气供给不均匀，为防止EGR破坏燃烧稳定性，启动暖机时也不进行EGR。（3） 大负荷、高速时，为保证发动机有较好动力性，此时温度虽高，但氧浓度不足，Nox排放也较，通常也不进行或减少EGR。3.1.5稀薄燃烧技术为降低发动机的废气排放和提高热效率，人们采用了各种方法来研究发动机的燃烧技术，以降低发动机的排放问题。汽油机上开发的有稀薄燃烧技术和缸内直喷技术。稀薄燃烧简单来说就是用增加发动机进气系数的方式达到完善的燃油燃烧环境。一般发动机节气门设计的开启角度以及开启时间都无法达到“微调”的工作状态，例如发动机转速变动范围较少时，传统的发动机各个传感器无法侦测到如此细微的差别，节气门的工作方式也不会随着发动机工作状态随时调整，而是由各个传感器输送信息于下次工作时作出修改指令。 稀薄燃烧则可以达到微调状态，发动机发生很小的工况变化就可以调节喷油量，以达到理想状态。直喷式汽油发动机采用类似于柴油发动机的供油技术，通过一个高压油泵提供所需的100bar以上的压力，将汽油提供给位于汽缸内的电磁燃油喷嘴。然后通过电脑控制喷射器将燃料在最恰当的时间直接注入燃烧室，通过对燃烧室内部形状的设计，让混合气能产生较强的涡流使空气和汽油充分混合。然后使火花塞周围区域能有较浓的混合气，其他周边区域有较稀的混合气，保证了在顺利点火的情况下尽可能的实现稀薄燃烧。FSI发动机油三种工作方式：分层燃烧、均质稀燃和均质燃烧。如图3.4所示 图3.4薄燃烧原理图1.汽油机稀薄燃烧实现的关键技术(1)提高压缩比。采用紧凑型燃烧室，通过改进进气口位置使缸内形成较强的空气运动涡流，提高气流速度；将火花塞置于燃烧室中央，缩短点火距离；提高压缩比至13:1左右，促使燃烧速度加快。(2)分层燃烧。如果稀燃技术的混合比达到25:1以上，按照常规是无法点燃的，因此必须采用由浓到稀的分层燃烧方式。通过缸内空气的运动在火花塞周围形成易于点火的浓混合气，混合比达到12;1左右，外层逐渐稀薄。浓混合气点燃后，燃烧迅速波及外层。分层燃烧有多种实现方式:一种是在中小负荷时，在压缩行程后期开始喷油，在火花塞附近形成较浓可燃混合气，在远离火花塞区域，形成稀薄分层的混合气；大负荷及全负荷时，在早期进气行程中将燃油喷入气缸，形成完全的均质化学计量比进行燃烧。另一种是采用分段喷油技术分层混合气，即在进气早期开始喷油，使燃油在气缸内均匀混合，在进气后再次喷油，最终在火花塞附近形成较浓的可燃混合气。(3)高能点火。高能点火和宽间隙火花塞有利于火核形成，火焰传播距离短，燃烧速度增快，稀燃极限大。有些稀燃发动机采用双火花塞或者多级火花塞装置来达到上述目的。比较著名的三菱缸内喷射汽油机（GDI）,它采用立式吸气口，从气缸盖的上方稀奇的独特方式产生强大的下沉气流。这种下沉气流在弯曲顶面活塞附近得到加强并在气缸内形成纵向旋转涡流。在高压旋转喷注器的作用下，压缩行程后期被直接喷注进缸内的燃料形成浓密的喷雾，喷雾在弯曲顶面活塞的顶面空间中不是扩散而是气化。这种混合气被纵向涡流带到火花塞附近，在火花塞四周形成较密的层状混合状态。这种混合气虽然从燃烧室整体来看十分稀薄，但由于呈现从浓密到稀的层状分布，因此能保证点火且稳定燃烧。大众的直喷式汽油发动机（FSI），则是采用了一个高压泵，汽油通过一个分流轨道到大达电磁控制的高压喷射气门。它的特点是在进气道中已经产生可变涡流，使进气形成最佳的涡流形式进入燃烧室内，以分层填充的方式推动，使混合气集中在位于燃烧室中央的火花塞周围。2.稀薄燃烧技术的优缺点（1）分层燃烧的好处在于热效率高、节流损失少、有限的燃料尽可能多地转化成工作能量。分层燃烧模式下节气门不完全打开，保证进气管内有一定真空度。这时，发动机的扭矩大小取决于喷油量，与进气量和点火提前角关系不大。(2)均质稀燃模式混合气形成时间长，燃烧均匀，通过精确控制喷油，可以达到较低的混合气浓度；点火时间选择范围宽，有很好燃油经济性；油气混合时间长，形成均质混合气。根据稀燃发动机运转状态，在分层稀薄燃烧到均质理论空燃比燃烧过程中空燃比连续变化。因此，三效催化转化器不能够净化排放气体中的NOx。这是因为三效催化转化器要利用排气中的HC或CO进行NOx还原反应的缘故。在稀薄燃烧中，在排放气体中残留很多氧气，不能进行NOx还原反应。为了使NOx吸储型催化剂获得高效功能，其温度必须保持在250-500范围内。当超过这一温度范围发动机会自动转换到均质理论空燃比燃烧，并通过三效催化转化器进行废气处理。然而这又与燃油经济性下降相关，为此，必须增加废气冷却装置。3.2机外净化技术机外净化就是在废气排入大气前，利用进化转换装置在排气系统中进行处理，以减少污染物排入大气为目的的各项技术，主要包括三元催化转化技术、热力学机外净化、燃油蒸发控制技术等。3.2.1三元催化转技术1.三元催化器的构成三元催化器，是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置，它可将汽车尾气排出的CO、HC和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的CO2、水和氮气。当高温的汽车尾气通过净化装置时，三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CO2气体；HC化合物在高温下氧化成水和CO2；NOx还原成氮气和氧气。三种有害气体变成无害气体，使汽车尾气得以净化三元催化器的工作原理是：当高温的汽车尾气通过净化装置时，三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CO2气体；HC化合物在高温下氧化成水(H20)和CO2；NOx还原成氮气和氧气。三种有害气体变成无害气体，使汽车尾气得以净化。2.三元催化器的性能指标(1)起燃温度特性 催化器转化效率的高