汽车排放控制技术

1 目录 【 【摘要摘要】 】.2 前言前言.3 一、汽一、汽车车排气的主要排气的主要污污染物及其危害染物及其危害 .4 （一）、汽车尾气主要污染物：.4 （二）、汽车排放污染物的形成.4 1、氮氧化合物（NOx）的形成.4 2、CO 的生成机理及影响因素.5 3、碳化氢的形成.5 （三）、汽车排放物的危害.6 二、汽二、汽车车排放控制系排放控制系统统 .7 （一）、传感器与闭环控制.7 1、三元催化转化器.7 2、氧传感器.8 3、闭环控制 .9 （二）、废气再循环控制（EGR）.9 （三）、活性碳罐蒸发污染控制.10 三、其他方面控制方法三、其他方面控制方法 .12 （一）、新型能源.12 2 1、燃料电池.12 2、二甲醚燃料.13 （二）、催化剂及载体的发展.13 1、催化剂.13 2、 催化剂的载体.14 3、稀燃发动机用的新概念三元催化剂.14 4、采用两个催化反应器.14 参考文献：参考文献：.16 汽车排放控制的技术的研究汽车排放控制的技术的研究 汽车污染途径及控制措施 【摘要】随着我国公路网建设的加快和国民经济的持续稳定发展,汽车工业得 到很快的发展。汽车制造业、汽车运输业和服务业在国民经济建设中发挥着重要 作用，汽车保有量的增长直接导致了石油燃料的大量消耗。并由此产生了大量 的有害排放物。尤其在一些大中城市，汽车排气造成的环境污染问题日趋严重。 目前，大气污染已逐渐成为世界性的问题,所以对汽车排气污染物的监控与 防治以处于刻不容缓的地步。 本文将介绍汽车排气污染物的成分及各自危害和现在汽车中常用的一些控制系 统，包括：三元催化转化装置、气再循环系统、活性碳罐蒸发污染控制工作过程及 3 原理。简要介绍了汽车新能源的开发与利用。 【关关键键词词】：排放控制 环境污染 二甲醚 前言前言 经过 30 年的改革开放，中国私人汽车数量迅速增加，汽车开始进入普通人 的家庭生活。汽车需求的迅猛增长是推动 2009 年中国经济增长的重要力量。 中汽协对 2009 年汽车市场的最新预测为：总销量在 1020 万辆左右，比上年 增长 8.7%，其中，乘用车 745 万辆，同比增长 10.2%(轿车增长 7.9%，交叉型乘用 车增长 23%)，商用车销量 275 万辆，同比增长 5%。 2001 年后加入世界贸易组织（WTO），中国已经将汽车的进口关税从 70-90% 降低到 44-51%，我国目前汽车进口关税税率总水平是 25%左右。随着汽车价格 的下降以及中国人较低的汽车拥有量，中国的汽车市场将会进一步繁荣。 随着 4 轿车进入家庭，主要城市及近郊的交通拥挤状况会进一步加剧，从而使汽车废气 排放问题更加严重。至 09 年 8 月底，我国机动车保有量为 18001.85 万辆。其中， 汽车(含三轮汽车和低速载货汽车)7185.70 万辆，摩托车 9238.76 万辆。 在城市环境污染物中，汽车所排放的氮氧化物占到了 45 至 60%，而一氧化 碳则占到了 85%。因此，中国城市居民所吸入的劣质空气主要是由汽车所排放的 废气造成的。 除非政府愿意牺牲这方面的经济支柱产业，限制上路汽车数量。因此，通过 技术手段解决控制汽车废气排放问题，是当务之急。 一一、汽车排气的主要污染物及其危害汽车排气的主要污染物及其危害 （一）、汽车尾气主要污染物： 汽车尾气通过排气管、曲轴箱、油箱和汽化器等处排出，排放的主要污染 物为一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NO X）、硫化物、铅 5 （Pb）（一般由使用含铅汽油的汽车排放）、苯及一些悬浮颗粒物（包括碳粒 等）。 据统计，每千辆汽车每天排出一氧化碳约 3000kg，碳氢化合物 200 400kg，氮氧化合物 50150kg。 （二）、汽车排放污染物的形成 1、氮氧化合物（NOx）的形成 氮氧化合物 NOX 包含 NO 和 NO2，但主要是 NO、NO2 所占质量分数不高，它 们是空气中的 N2 在燃烧高温下的产物，与燃料的组成无关。NO 是在燃烧火焰 前锋和火焰后的已燃区域中产生的。汽油机燃烧过程进行得很快，在火焰区域 内停留的时间很短；而早期的燃烧产物受到压缩而温度上升，因此在已燃区域 内会产生大量的 NO，而在火焰前锋内则生成量不大。 根据 NO 的生成机理可知，发动机气缸在燃烧过程和膨胀过程中，其早期气 缸内的温度和 O2 浓度的变化是影响 NOX 生成率的主要因素。发动机运转参数对 NO 生成率影响最大的有：燃空当量比、气缸内未燃混合气中已燃气体质量分数、 主要用于控制 NOX 生成率的排气再循还（EGR）量和点火正时等。 6 2、CO 的生成机理及影响因素 CO 的生成机理十分复杂，从实验中可以发现，CO 的生成率主要受燃空当量 比的影响，与空气系数 值有关，与燃料成分的关系较小。由于常规汽油机在 部分负荷时 略大于 1、全负荷时 略小于 1 的混合气中运转，因此会产生 大量的 CO 排放。CO 生成的主要机理如下：RHRRO2RCHORCOCO。 式中的 R 代表碳氢根，CO 在燃烧过程中生成以后，以较慢的速率氧化成 CO2；由于 CO 的生成是受化学反应动力学的影响，因此火花点火发动机在启动 加热和急加速、急减速时 CO 的排放比较严重，这就需要精确控制油量来进行抑 制。 3、碳化氢的形成 HC 的生成比较复杂，总的来说主要有以下几种途径： 1）在发动机气缸的压缩和燃烧过程中，由于气缸内压力升高，把部分未燃混合 气压入与燃烧室相通的狭缝中，由于燃烧时火焰不能进入狭缝，因此不能完全 燃烧，在膨胀和排气行程中，在气缸压力降低后，以未燃 HC 的形式进入排气管， 这是 HC 的主要来源； 2）气缸壁的激冷效应，在混合气燃烧过程中，当火焰逼近较冷的气缸壁时，离 气缸壁0.1 mm 薄层内的可燃混合气由于火焰的淬灭而并未燃烧，从而进入排 气管； 3）存在于气缸壁、活塞顶以及气缸盖底面上的一层润滑油膜中，有可能在燃烧 前后吸收或放出燃料中的 HC 成分； 4）在发动机做加速、减速等瞬态工况运行时，点火正时、空燃比以及排气再循 环值都没有处于最佳状态，有可能引起燃烧过程的不完善，如燃烧特别缓慢、 火焰大面积淬灭等，从而使 HC 排放增加。 （三）、汽车排放物的危害 汽车尾气最主要的危害是形成光化学烟雾。汽车尾气中的碳氢化合物和氮 氧化合物在阳光作用下发生化学反应，生成臭氧，它和大气中的其它成份结合 就形成光化学烟雾。其对健康的危害主要表现为刺激眼睛，引起红眼病；刺激 7 鼻、咽喉、气管和肺部，引起慢性呼吸系统疾病。光化学烟雾能使树木枯死， 农作物大量减产；能降低大气的能见度，妨碍交通。 汽车尾气中一氧化碳的含量最高，它可经呼吸道进入肺泡，被血液吸收， 与血红蛋白相结合，形成碳氧血红蛋白，降低血液的载氧能力，削弱血液对人 体组织的供氧量，导致组织缺氧，从而引起头痛等症状，重者窒息死亡。 汽车尾气中的氮氧化合物含量较少，但毒性很大，其毒性是含硫氧化物的 3 倍。氮氧化合物进入肺泡后，能形成亚硝酸和硝酸，对肺组织产生剧烈的刺 激作用，增加肺毛细管的通透性，最后造成肺气肿。亚硝酸盐则与血红蛋白结 合，形成高铁血红蛋白，引起组织缺氧。 汽车尾气中的碳氢化合物有 200 多种，其中 C2H4 在大气中的浓度达 0.5ppm（十万分之一）时，能使一些植物发育异常。汽车尾气中还发现有 32 种多环芳烃，包括 3,4-苯并芘等致癌物质。当苯并芘在空气中的浓度达到 0.012ug/m3 时，居民中得肺癌的人数会明显增加。离公路越近，公路上汽车流 量越大，肺癌死亡率越高。 汽车尾气中的二氧化硫和悬浮颗粒物，会增加慢性呼吸道疾病的发病率， 损害肺功能。二氧化硫在大气中含量过高时，会随降水形成“酸雨”。 汽车尾气中的铅化合物可随呼吸进入血液，并迅速地蓄积到人体的骨骼和 牙齿中，它们干扰血红素的合成、侵袭红细胞，引起贫血；损害神经系统，严 重时损害脑细胞，引起脑损伤。当儿童血中铅浓度达 0.60.8ppm 时，会影响儿 童的生长和智力发育，甚至出现痴呆症状。铅还能透过母体进入胎盘，危及胎 儿。 汽车用油大多数掺有防爆剂四乙基铅或甲基铅，燃烧后生成的铅及其化 合物均为有毒物质。城市大气中的铅60%以上来自汽车含铅汽油的燃烧。 人体中铅含量超标可引发心血管系统疾病，并影响肝、肾等重要器官的功能 及神经系统。由于铅尘比重大，通常积聚在1 米左右高度的空气中，因此 对儿童的威胁最大。 二二、汽车排放控制系统汽车排放控制系统 （一）、传感器与闭环控制 车用传感器是汽车计算机系统的输入装置，它把汽车运行中各种工况信息， 如车速、各种介质的温度、发动机运转工况等，转化成电讯号输给计算机，以 便发动机处于最佳工作状态。现代汽车技术发展特征之一就是越来越多的部件 采用电子控制。其中与废气排放控制有关的有氧传感器、爆震传感器、空气流 量传感器等。 1、三元催化转化器 三元催化反应器是用铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)、铈(Ce)及稀土金属等中的某 8 几种作催化剂，在排气经过反应器的很短时间内，将其中 HC、CO、NOx 同时 进行催化反应，使它们转化成 CO2、N2、NH3 及 N2O 等排入大气中。 三元催化反应器通常由圆筒形外壳、上面涂覆着催化剂的载体等构成。载 体一般有 -A12O3 小球、堇青石制成的整体蜂窝状多孔陶瓷及金属薄片制成的 载体等 3 种。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 二氧化碳、水和氮气。由于这种催化器可同时将废气中的工种主要有害物质 转化为无害物质。随着环境保护要求的日益苛刻，越来越多的汽车安装了废 气催化转化器以及氧传感器装置。它安装在发动机排气管中，通过氧化还原 反应，将汽车尾气排出的 CO、HC 和 NOxz 转化为二氧化碳、水和氮气 ， 故又称之为三元 (效)催化转化器 。 三元催化器的 工工作作原原理理是：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。三种有害气体变成无害气体，使汽车尾气得以净化。 a）丸状结构 .b）整块式载体结构 2、氧传感器 氧传感器是利用陶瓷敏感元件测量各类加热炉或排气管道中的氧电势， 由化学平衡原理计算出对应的氧浓度，达到监测和控制炉内燃烧空然比，保 证尾气排放达标 的元件。 9 在使用三元催化转换器 以减少排气污染的 发动机上，氧传感器是必不 可少的元件。由于混合气的空燃比一旦偏离理论空燃比，三元催化剂对C O、HC 和 NOx 的净化能力将急剧下降，故在排气管中安装氧传感器，用以 检测排气中氧的浓度，并向 ECU 发出反馈信号，再由 ECU 控制喷油器喷 油量的增减，从而将混合气的空燃比控制在理论值附近。 电喷车为获得高排气净化率，降低排气中（ CO）一氧化碳、 （HC）碳 氢化合物和（ NOx）氮氧化合物成份，必须利用三元催化器。但为了能有效 地使用三元催化器，必须精确地控制空燃比，使它始终接近理论空燃比。催 化器通常装在排气歧管与消声器之间。氧传感器具有一种特性，在理论空燃 比（14.7：1）附近它输出的电压有突变。这种特性被用来检测排气中氧气 的浓度并反馈给电脑，以控制空燃比。当实际空燃比变高，在排气中氧气的 浓度增加而氧传感器把混合气稀的状态（小电动势：O 伏）通知 ECU。当 空燃比比理论空燃比低时，在排气中氧气的浓度降低，而氧传感器的状态（ 大电动势：1 伏）通知（ECU）电脑。 ECU 根据来自氧传感器的电动势差别判断空燃比的低或高，并相应地控 制喷油持续的时间。但是，如氧传器有故障使输出的电动势不正常， （ECU）电脑就不能精确控制空燃比。所以氧传感器还能弥补由于机械及电 喷系统其它件磨损而引起空燃比的误差。可以说是电喷系统中唯一有“智能” 的传感器。 3、闭环控制 闭环控制是控制论的一个基本概念。指作为被控的输出以一定方式返回到 作为控制的输入端，并对输入端施加控制影响的一种控制关系。 发动机电喷系统的闭环控制是一个实时的氧传感器、计算机和燃油量控制装置 三者之间闭合的三角关系。氧传感器“告诉”计算机混合气的空燃比情况，计算 机发出命令给燃油量控制装置，向理论值的方向 调整空燃比(14.7：1)。这一 调整经常会超过一点理论值，氧传感器察觉出来，并报告计算机，计算机再发 出命令调回到 14.7：1。因为每一个调整的循环都很快，所以空燃比不会偏离 14.7：1，一旦运行，这种闭环调整就连续不断。采用闭环控制的电喷发动机， 由于能使发动机始终在较理想的工况下运行(空燃比偏离理论值不会太多)，使 排放污染尽量减少。 （二）、废气再循环控制（EGR） 废气再循环系统工作原理：发动机控制电脑即 ECU 根据发动机的转速、 负荷(节气门开度)、温度、进气流量、排气温度控制电磁阀适时地打开，进气 管真空度经电磁阀进入 EGR 阀真空膜室，膜片拉杆将 EGR 阀门打开，排气中 的少部分废气经 EGR 阀进入进气系统，与混合气混合后进入气缸参与燃烧。 少部分废气进入气缸参与混合气的燃烧，降低了燃烧时气缸中的温度，因 NOX 是在高温富氧的条件下生成的，故抑制了 NOX 的生成，从而降低了废气中的 10 NOX 的含量。但是，过度的废气参与再循环，将会影响混合气的着火、性能， 从而影响发动机的动力性，特别是在发动机怠速、 低速、小负荷及冷机时，再 循环的废气会明显地影响发动机性能。所以，当发动机在怠速、低速、小负荷 及冷机时，ECU 控制废气不参与再循环，避免发动机性能受到影响；当发动机 超过一定的转速、负荷及达到一定的温度时，ECU 控制少部分废气参与再循环， 而且，参与再循环的废气量根据发动机转速、负荷、温度及废气温度的不同而 不同，以达到废气中的 NOX 最低。 EGR 阀（废气再循环阀）通常在下列条件下开启：1.发动机暖机运转。2.转速 超过怠速。ECU 根据发动机冷却水温传感器、节气门位置传感器和空气流量传 感器来控制 EGR 系统。 （三）（三） 、活性碳罐蒸发污染控制、活性碳罐蒸发污染控制 燃油蒸发控制系统的作用是防止汽车油箱内蒸发的汽油蒸气排入大气。它 由蒸气回收罐（亦称活性炭罐）、控制电磁阀、蒸气分离阀及相应的蒸气管道 和真空软管等组成(图 1）。蒸气分离阀安装在油箱的顶部，油箱内的汽油蒸气 从该阀出口经管道进入蒸气回收罐。该阀的作用是防止汽车翻倾时油箱内的燃 油从蒸气管道中漏出。蒸气回收罐内充满了活性炭颗粒，故又称为活性炭罐。 活性炭可以吸附汽油蒸气中的汽油分子。当油箱内的汽油蒸气经蒸气管道进入 11 蒸气回收时，蒸气中的汽油分子被活性炭吸附。 蒸气回收罐上方的另一个出口经真空软管与发动机进气歧管相通。软管中 部有一个电磁阀控制管路的通断。当发动机运转时，如果电磁阀开启，则在进 气歧管真空吸力的作用下，新鲜空气将从蒸气回收罐下方进入，经过活性炭后 再从蒸气回收罐的出口进入软管的发动机进气歧管，把吸附在活性炭上的汽油 分子（重新蒸发的）送入发动机燃烧，使之得到充分利用；蒸气回收罐内的活 性炭则随之恢复吸附能力，不会因使用太久而失效。 进入进气歧管的回收燃油蒸气量必须加以控制，以防破坏正常的混合气成 分。这一控制过程由微机根据发动机的水温、转速、节气门开度等运行参数， 通过操纵控制电磁阀的开、闭来实现。在发动机停机或怠速运转时，微机使电 磁阀关闭，从油箱中逸出的燃油蒸气被蒸气回收罐中的活性炭吸收。当发动机 以中、高速运转时，微机使电磁阀开启，储存在蒸气回收罐内的汽油蒸气经过 真空软管后被吸入发动机。此时，因为发动机的进气量较大，少量的燃油蒸气 不会影响混合气的成分。 12 三三、其他方面控制方法其他方面控制方法 （一）（一）、新型能源新型能源 在能源和环保的压力下，新能源汽车无疑将成为未来汽车的发展方向。如 果新能源汽车得到快速发展，以 2020 年中国汽车保有量 1.4 亿计算，可以节 约石油 3229 万吨，替代石油 3110 万吨，节约和替代石油共 6339 万吨，相当 于将汽车用油需求削减 22.7%。2020 年以前节约和替代石油主要依靠发展先进 柴油车、混合动力汽车等实现。到 2030 年，新能源汽车的发展将节约石油 7306 万吨、替代石油 9100 万吨，节约和替代石油共 16406 万吨，相当于将汽 车石油需求削减 41%。届时，生物燃料、燃料电池在汽车石油替代中将发挥重 要的作用。 结合中国的能源资源状况和国际汽车技术的发展趋势，预计到 2025 年后， 中国普通汽油车占乘用车的保有量将仅占 50%左右，而先进柴油车、燃气汽车、 生物燃料汽车等新能源汽车将迅猛发展。 以下简要介绍燃料电池与二甲醚燃料的性能。 1、燃料电池 燃料电池汽车是电动汽车的一种，其电池的能量是通过氢气和氧气的化 学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能或的。燃料电池的化学反应过程不 会产生有害产物，因此燃料电池车辆是无污染汽车，燃料电池的能量转换效 率比内燃机要高 23 倍，因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽 车是一种理想的车辆。 燃料电池汽车的氢燃料能通过几种途径得到。有些车辆直接携带着纯氢 燃料，另外一些车辆有可能装有燃料重整器，能将烃类燃料转化为富氢气体。 单个的燃料电池必须结合成燃料电池组，以便获得必需的动力，满足车辆 使用的要求。 近几年来，燃料电池技术已经取得了重大的进展。世界著名汽车 制造厂，如戴姆勒克莱斯勒、福特、丰田和通用汽车公司已经宣布，计划在 2004 年以前将燃料电池汽车投向市场。目前，燃料电池轿车的样车正在进行试 验，以燃料电池为动力的运输大客车在北美的几个城市中正在进行示范项目。 在开发燃料电池汽车中仍然存在着技术性挑战，如燃料电池组的一体化，提高 商业化电动汽车燃料处理器和辅助部汽车制造厂都在朝着集成部件和减少部件 成本的方向努力，并已取得了显著的进步。 与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点： 1）零排放或近似零排放 ； 2）减少了机油泄露带来的水污染 ； 13 3）降低了温室气体的排放 ； 4）提高了燃油经济性 ； 5）提高了发动机燃烧效率； 6）运行平稳、无噪声。 2、二甲醚燃料 上世纪 90 年代中期，作为一种优良的汽车清洁能源，二甲醚（DME）引起国际汽车界 的重视。近年来欧美、日韩等发达国家十分看好二甲醚燃料汽车的市场前景和环保效益， 纷纷加快了二甲醚燃料发动机与汽车的研发。二甲醚作为燃料在汽车上应用，具备许多优 点： 1在高压缩比下压燃燃烧，具有与柴油机等效的热效率； 2作为含氧高的燃料，燃烧完全，可大幅降低 CO 的排放； 3由于不含 C-C 分子链，在燃烧过程不会分解出碳，因而，在各种情况下都 能实现无烟燃烧； 4在经过喷油系统改进后，推迟喷油提前期，可以降低 NOx 的排放； 5可以和柴油实现任意的混合使用。 目前的研究结果表明：二甲醚燃料是十分理想的洁净代用燃料，可实现柴 油发动机超低排放，满足欧三标准。 （二）、催化剂及载体的发展 通过催化反应降低汽车排放的核心是研制高性能的催化剂。全面提高催化 反应器的性能，还需促进载体及控制空燃比等技术的发展，提高催化剂低温活 性及高温耐热性，降低催化剂成本。 1、催化剂 早期主要使用铂(Pt)作催化剂，而后使用铂/铑(Pt/Rh)，因为铂贵而铑的资 源有限，现代除了继续使用铂/铑催化剂外，正研究和使用下列催化剂：(1)仅用 钯(Pd)作催化剂；(2)铂/钯/铑三金属催化剂；(3)铂/钯催化剂；(4)钯/铑催化剂； (5)稀土金属催化剂。各种催化剂各有优、缺点，都还不能具备十分完美的性能， 仍在研究发展中。 目前，比较多的欧洲汽车厂家使用铂/铑或钯/铑作催化剂。钯具有良好的使 14 HC 氧化的性能，但是对燃油中的硫中毒的现象较敏感，从而使 NOx 的转化性 能变差。 2、 催化剂的载体 早期是使用颗粒状载体，但由于机械强度较差及排气流动阻力大等原因已 更多地由堇青石制成的整体蜂窝状多孔陶瓷载体所代替。主要研究改进的方向 是使其材质致密化，减少壁厚，提高能负载催化剂的表面积与体积的比值。此 外减少其热容量，提高热传导性及高温耐热性也是提高催化剂低温性能及使用 寿命所必需的。 现代除了堇青石制的陶瓷载体外，还有用 Fe-Cr-Al 系等合金制造的金属载 体。它的特点是：壁薄、机械强度及耐久性好、排气流阻小、不会影响发动机 的功率、热传导性好、热容量小。因此能够在发动机启动时较快地达到催化剂 的点火温度，提高低温工况下催化剂的转化效率。金属载体的缺点是制造工艺 要求及成本高，目前在高性能、高级轿车上，使用金属载体催化反应器的较多。 3、稀燃发动机用的新概念三元催化剂 为了降低发动机 CO2 排放，稀燃技术得到更多的应用，同时降低比油耗。 然而通常在理论空燃比混合气工况下，效率较高的三元催化剂，在使用稀混合 气燃烧时，因排气中氧含量多，不能使 NOX 很好地还原转化，因此需要研究 开发适应稀燃发动机需要的新型催化剂。 日本丰田公司开发了一种新概念的三元催化剂。它可以在发动机用稀混合 气工作时，将 NOX 储存起来。然后在汽车加速等工况需要增加功率使用理论 空燃比混合气时，NOX 释放出来进行还原转化。丰田公司从 1994 年将这种新 型催化剂及稀燃系统用于排量为 1.6L 及 1.8L 发动机上，效果甚佳： 发动机台架试验结果表明，新的催化剂在排气温度为 300450的范围内 转化 NOX 的效率可达 90%，在耐久试验后，转化效率可达 60%。催化器要布 置在汽车底板的下面，保持排气温度在 250450的范围内。 汽车用稀混合气及