3649-论文汽车节能与环保的措施研究

XXX毕业论文汽车节能与环保的措施研究学生姓名：学号：班级：专业：学部：指导教师：二○一四年XX月

汽车节能与环保的措施研究ResearchonEnergy-savingandEnvironmentalprotectionMeasuresoftheAutomobile学生：班级：学号：学部：专业：指导教师：职称：工作单位：毕业设计（论文）完成时间：自年月至年月

摘要迅猛发展的汽车行业，给我国带来了更为严峻的能源危机和环境问题，较高的能源消耗给能源供给行业带来了巨大压力，尾气中的有害物质给人类的身体健康造成了极大的危害，给人类的生存环境带来了极大的威胁。本文即以汽车的节能和环保措施为研究对象，阐述了我国汽车能源消耗现状，提出了燃烧系统优化设计、供油系统优化、电子点火系统的运用、减少机械损失、新材料的使用、降低轮胎的滚动阻力、改善车辆的空气动力学性能、定期检测车况、汽车柴油机化等汽车节能措施；分析了汽车尾气组成及其污染危害，提出了汽车尾气机内、机外净化的环保措施，其中，机内净化技术包括：废气再循环系统、电子控制燃油喷射系统、低温等离子技术、发动机优化设计、燃油品质的提高，机外净化技术包括：三效催化技术、曲轴箱强制通风系统、燃油蒸发控制系统。关键词：汽车节能措施环保措施

AbstractTherapiddevelopmentoftheautomotiveindustrybringsourcountryamoresevereenergycrisisandenvironmentalissues.Higherenergyconsumptionbringstremendouspressuretoenergysupplyindustry.Theharmfulsubstancesofautomobileexhausthascausedgreathazardstohumansurvivalandposedagreatthreattotheenvironment.Thispaperhasstudiedontheenergysavingandenvironmentalprotectionmeasures,explainedthecurrentsituationofChina'sautomotiveenergyconsumption,proposedsomeenergy-savingmeasures,suchasoptimizingthecombustionsystemdesign,fuelsystemoptimization,theuseofelectronicignitionsystem,reducingmechanicallosses,theuseofnewmaterials,reducetirerollingresistance,improveaerodynamicperformanceofthevehicle,examiningtheconditionofthecar,automotivedieselenginesofcarsandsoon;analyzedthecompositionofautomobileexhaustanditshazards,proposedtheenvironmentalprotectionmeasuresinsideandoutsidetheengine.Theenvironmentalprotectionmeasuresinsidetheengineincluded:exhaustgasrecirculationsystem,electronicallycontrolledfuelinjectionsystem,low-temperatureplasmatechnology,engineoptimizeddesign,fuelqualityimprovement.Theenvironmentalprotectionmeasuresoutsidetheengineincluded:three-waycatalysttechnology,crankcaseventilationsystems,fuelevaporationcontrolsystems.Keywords：Automobile,Energy-savingmeasures,Environmentalprotectionmeasures

目录1绪论 绪论进入二十一世纪以来，我国汽车行业高速发展，不断提高的产业集中度，明显提升的产品技术水平，使我国已经成为世界汽车生产及消费大国。2013年，中国汽车产销量双双超过2000万辆，再次刷新全球产汽车产销记录。这是中国汽车产销量第一次突破2000万辆，也是连续第五年位居全球第一。迅猛发展的汽车行业，急剧增加的汽车生产量和保有量也带来了更为严峻的能源危机和环境问题。目前，我国的能源消耗总量位列全球第一，占全球总消耗量的1/5，每年平均增加速度是全球平均增速的三倍，其中石油消耗的增加最为明显，这与迅猛发展的汽车行业息息相关。环境问题更为突出，有资料显示，汽车尾气是目前我国城市大气污染的罪魁祸首，空气中29%可吸入颗粒物、40%可进入人体肺泡的可吸入颗粒物（PM2.5）、49%的二氧化氮是来自汽车尾气。这些有害物质给人类的身体健康造成了极大的危害，给人类的生存环境带来了极大的威胁。环境恶化、气候变暖、资源紧缺形势日益严峻，使得能源紧缺、环境污染成为亟待解决的突出问题。我国必须尽快落实相关政策和技术措施，提高全民节能、环保意识，以应对汽车行业迅猛发展所带来一系列的能源危机和环境问题。在此背景下，本文从汽车节能和环保两个方面开展工作，分析、研究了节能、环保技术措施的原理、技术要领及应用情况。本文对有效降低汽车能耗，缓解能源紧张状况，减少汽车污染物产生及排放量，保护人类的生存环境具有一定的现实意义。本文的研究成果可供汽车行业从事节能、环保方面工作的研究人员借鉴和参考。

2我国汽车能源消耗现状分析2.1汽车行业现状至进入21世纪以来，我国汽车行业得到了快速的发展，汽车产销量以每年超过千万辆的速度增长。图1为我国2011年1月~2013年8月月度汽车销售情况，图中数据显示我国汽车2011年销售了1853.34万辆，2012年销售了1930.35万辆，2012年一年就增加了77.01万辆。中国汽车工业协会的数据显示，2013年，中国汽车产销量双双超过2000万辆，再次刷新全球产汽车产销记录。这是中国汽车产销量第一次突破2000万辆，也是连续第五年位居全球第一。图1我国2011年~2013年8月月度汽车销售情况2.2汽车能源消耗现状目前，我国的能源消耗总量位列全球第一，占全球总消耗量的1/5，我国十年来累积增量的全球总增量的1/2左右，每年平均增加速度是全球平均增速的三倍。其中石油消耗的增加最为明显，2012年我国石油净进口量就达2.7亿吨，2013年达到3亿吨，石油对外依存度达60%，这与迅猛发展的汽车行业息息相关。到2012年底，我国不包括农用车在内的汽车保有量已达1.1亿辆，消耗汽、柴油1.6亿吨，平均每辆车油耗1.45吨/年。2012年我国汽车产量1930万辆，2013年产销量突破2000万辆，年新增汽柴油消耗就达2900万吨，需新增原油3500万吨左右，汽车行业巨大的能源需求量给我国能源供给行业带来了巨大压力。能源关系到汽车产业未来的生存和发展，解决车用能源问题成为迫在眉睫的问题，研发新能源汽车的同时，更应关注眼下，积极开展汽车的节能措施，大力推广节能技术和节能产品，降低汽车能源消耗量。

3汽车节能措施研究汽车节能措施主要包括：燃烧系统优化设计、供油系统优化、电子点火系统的运用、减少机械损失、新材料的使用、降低轮胎的滚动阻力、改善车辆的空气动力学性能、定期检测车况、汽车柴油机化。下面就详细分析这些措施的具体技术方法。3.1燃烧系统优化设计对汽车燃烧系统，包括燃烧室的形状、装置布局、喷射系统等，进行优化设计，可以使汽车燃烧过程快速、稳定、连续进行，全开油门的情况下容积效率高，经燃烧室壁损失的热量较小，污染物排放量低，并具有较好的抗爆燃性能，节能效果明显。尹必峰等[1]在现有4F20机械式燃油系统柴油机的基础上进行开发研究，用高压共轨电控燃油喷射系统替换直列泵式机械燃油供给系统，使用了新的燃烧室形状，并把压缩比由19.7减小至17.5，优化燃烧室内燃油油束的分布，有效改善了柴油机燃油经济性和排放性能。3.2供油系统优化采用增压技术、直喷燃烧系统、严格控制喷油过程参数（定时喷油、喷油持续时间、喷油率）等方式优化汽车的供油系统，有效降低燃油消耗，节约能源。李维等[2]研究开发了一套车用直喷柴油机燃用二甲醚的低压供油系统，供油压力达2.0MPa且波动较小，并能按照发动机负荷情况改变供油量。运用该供油系统后，汽车发动机起动迅速，工作稳定，气温较高时也不易发生气阻现象，供油系统故障明显减少，节能效果明显。3.3电子点火系统的运用将优化的电子点火系统替代原有的分电器，依据发动机的工作范围及排放、爆燃限值或驾驶性能等确定最佳的点火角，多维优化调节点火提前角。具体措施包括空气或火焰喷射燃烧系统、分层燃烧、高能点火系统等。点火能量是影响发动机性能的重要因素，高能点火系统就是提高点火能量以降低油耗、改善排放功能等。刘迎澍等[3]将一种汽油机用高能点火测试系统运用在CG125发动机上，试验结果显示，使用高能点火有效降低了油耗，提高了发动机的输出功率。3.4减少机械损失汽车运动部件的驱动功率损失和摩擦损失是造成机械损失的主要原因，为减少此类机械损失，可以采用以下两种方法：（1）减少活塞组、驱动装置、连杆与曲轴等的机械损失，以提高传动效率。（2）使用减摩剂如石墨、有机钼、有机硼等，或使用摩擦改进剂如磷酸酯、油酸环氧脂等，以降低运动部件的摩擦系数。刘玉峰等[4]对有机钼的减摩性能进行了研究，结果显示：含硫、磷的有机钼添加剂具有很好的减摩效果，成品油中有机钼添加剂在1.0%加量下减摩效果较好。3.5新材料的使用在汽车制造的过程中使用轻金属、非金属材料，改善车厢布局，缩小汽车外形尺寸，有效减轻车重，降低燃油消耗，节约能源。据了解，汽车自重每减少100公斤，每百公里可节省汽油0.3升，能耗降低明显。目前汽车上主要使用的新材料包括铝合金、镁合金、高强度低合金钢、陶瓷、塑料、纤维强化材料等，改进的汽车部件包括保险杠、车架纵梁、飞轮壳、车厢、油箱等。现代汽车上就使用了铝合金、镁合金、钛合金、铝基复合材料等[5]。3.6降低轮胎的滚动阻力硬路面上轮胎滚动阻力将消耗汽车发动机输出功率的30%~40%，而轮胎滚动阻力每降低5%，就可降低油耗1%，因此，降低轮胎滚动阻力系数是提高汽车燃油经济性，节约能源的重要措施之一。与斜交线轮胎（见图2）相比，目前使用较为广泛的子午线轮胎（见图3）的滚动阻力系数要低25%~30%，其运动阻力小、弹性好，节油效果显著。图2斜交线轮胎图3子午线轮胎米其林公司——世界上领先的轮胎制造商开发的节油轮胎可将轮胎花纹和路面之间的无效运动降到最低限度，减少轮胎本身的能量损失，可节省7%的燃油量。3.7改善车辆的空气动力学性能汽车所受空气阻力随车速增加而增大，空气阻力越大，克服该阻力需要消耗的功率也就越大，燃油消耗量也就越大。要节约能源，降低能耗，就应优化车身设计，改善其空气动力学性能，减少空气阻力。可采用的具体方法包括设计合理的车身外形或加装导流装置等。刘畅[6]应用数值模拟与风洞试验相结合地方法系统地研究了重型载货汽车的空气动力学特性。研究结果显示，重型载货汽车驾驶室变形、尾部加装尾锥装置都能得到较好的减阻效果，组合后气动阻力系数可降低20%左右。3.8定期检测车况定期借助现代诊断设备检测汽车使用性能，在不解体情况下判明汽车的技术状况。有资料显示，点火系统带病工作时的油耗较正常工况下高出80%左右，因此，保持良好的车况，可以有效节约能源，保护环境，保障交通安全。目前，汽车检测前沿技术包括：虚拟仪器检测技术、基于GPS技术的车辆检测、汽车四轮定位检测技术、汽车前照灯检测技术等。汽车专用装置检测技术也得到进一步的发展，从传统的计量仪器到各种专用测试设备，从单一测试到综合测试，其技术和手段逐步趋向智能化和系统化。3.9汽车柴油机化与汽油机相比，柴油机的热效率要高出很多，且能使用纯度较低、价格低廉的柴油作为燃料。因此，若将汽车上的汽油机改为柴油机就能有效降低能耗，节约能源。有资料显示，柴油机替换汽油机后，油耗可降低15%~25%，行驶里程可增加约35%左右。

4汽车尾气污染的危害4.1汽车尾气产生及排放情况汽车尾气污染，是指柴油、汽油等汽车燃料因含有杂质或添加剂，使其在不完全燃烧时会生成一些有害物质，如一氧化碳、未燃尽的碳氢化合物、氮氧化物等，排入空气后会对环境造成污染，对人体健康造成一定的危害。汽车尾气中污染物排放量，不仅与内燃机的构造、燃料的成分相关，还与汽车行驶速率、空燃比等有关[7]。（1）行驶速率表1为重型车在不同行驶速度下有害物质的排放情况，表中数据显示，汽车在空档或减速时一氧化碳、碳氢化合物的排放量较大，在加速或常速时氮氧化物和醛的排放量较大。表1重型车在不同行驶速度下有害物质的排放量（%）机型污染物空档加速常速减速汽油机一氧化碳3.9碳氢化合物0.50氮氧化物0.0030.1020.0650.002醛0.0030.002100.029柴油机一氧化碳微量0.1微量微量碳氢化合物0.040.020.010.03氮氧化物0.0060.0350.0240.003醛0.0010.0020.0010.003（2）空燃比图4为空燃比与尾气有害成分排放量的关系，在理想空燃比处一氧化碳、碳氢化合物的排放量较小，但氮氧化物排放量较大。图4空燃比与排气有害成分关系4.2汽车尾气污染的危害汽车尾气的主要污染物包括：一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、颗粒物、铅等[8]。（1）一氧化碳一氧化碳是发动机气缸中燃料未完全燃烧所产生的中间产物，占尾气总量的4%~6%左右，是汽车尾气的重要组成部分。若汽车尾气中一氧化碳浓度较高，会导致人体中毒，甚至死亡。因为一氧化碳进入人体后，会在血液中与血红蛋白结合形成碳基血红蛋白，人体缺少血红蛋白无法运送氧原子而导致缺氧。人体若长时间接触一氧化碳体积分数>0.1%的气体时就会中毒；>0.3%时，仅需30分钟人体就会死亡。（2）二氧化碳汽车尾气的主要成分是二氧化碳，其排放量过大会改变大气的热平衡，产生温室效应，造成病虫害的增加、土地干旱、土地沙漠化、海洋风暴增多、气候反常、冰山融化、海平面上升等一系列的严重后果。（3）碳氢化合物汽车尾气中的碳氢化合物成分复杂，包括数百种烯烃、烷烃、芳香烃等。其中烯烃会刺激人体的耳鼻喉，并有麻醉作用，吸附量较大会发生衍生反应生成对人体有害的化合物。同时，大气中的碳氢化合物在日光下能与氮氧化物发生化学反应，生成光化学烟雾，造成严重危害。20世纪40年代以来，美国洛杉矶、日本东京等城市的光化学烟雾事件就造成了大量人员伤亡和巨大的经济损失。（4）氮氧化物汽车尾气中的氮氧化物主要以一氧化氮、二氧化氮形式存在，它们对人体的呼吸系统危害较大。当人体处于二氧化氮浓度>9.4mg/m3的空气中，仅需10分钟就能使人体的呼吸系统失调。（5）颗粒物颗粒物具有较强的吸附能力，进入人体后，会通过碰撞、扩散、沉积等多种方式滞留在人体呼吸道的不同位置，引发各类呼吸系统疾病。当累积到一定浓度后还会引发恶性肿瘤。颗粒物也是目前我国各大城市日益严重的雾霾现象的罪魁祸首。（6）铅汽车用油大部分会含有防爆剂甲基铅、四乙基铅，其燃烧后会生成有毒的含铅化合物。城区空气中60%的铅是因含铅汽油燃烧而生成的。铅尘一般悬浮在1m左右的大气中，严重威胁着青少年儿童的身心健康。铅在人体中含量超过一定浓度时会引发心血管疾病，还会影响神经系统、肾、肝等器官的正常工作。

5汽车环保措施研究汽车环保措施主要为汽车尾气排放控制技术，可分为两类：机内净化技术和机外净化技术，下面就详细分析这两类方法的具体技术措施。5.1机内净化技术机内净化技术主要指改善燃烧条件、提高燃料质量，尽量减少有害气体的产生和尾气中的有害成分，主要措施包括改进进气系统、燃烧室结构、供油系统、点火系统等。5.1.1废气再循环系统（EGR）（见图5）就是指将发动机排出的部分废气送回至进气管，与新鲜的进气混合后再次进入气缸中。废气中含有大量的二氧化碳可以有效降低气缸的燃烧温度，减少氮氧化物的产生，达到净化尾气的目的。图5废气再循环系统刘明[9]以一台直列四缸直喷增压汽油机为实验机，将废气再循环系统引入直喷汽油机。结果显示，废气再循环系统对直喷汽油机的氮氧化物排放的抑制作用明显，在试验中所有工况下最大的EGR率能够平均降低氮氧化物排放82.3%，工况为2500r/min、7ms喷射脉宽、过量空气系数1.0时对氮氧化物排放的抑制作用最为明显，可达91.3%。5.1.2电子控制电子控制燃油喷射系统（EFI），简称汽油喷射，主要由信号输入装置、电子控制单元（ECU）、执行器等组成（见图6），是汽车汽油发动机取消化油器而采用的一种先进的喷油装置。该系统能使发动机更加充分的燃烧，有效提高工作效率，降低油耗，实现低公害排放的目的。图6电子控制燃油喷射系统的组成袁隆华[10]用电子控制燃油直接喷射技术对WJ1E68FM2型汽油机进行了改装，并完成了台架试验和6000km道路可靠性试验。结果显示，与化油器式汽油机相比，改造后的电喷WJ1E68FM2型汽油机在燃油经济性和排放指标两方面都有明显的改善。5.1.3低温低温等离子技术主要是将空气离子化后再送入内燃机燃烧室，使空气中含有充足的原子氧、臭氧及其他激发态的氧，以有效提高燃料的燃烧速率；同时，空气等离子化后，加强了空气中氧粒子的反应能力，使得碳氢化合物、一氧化碳等都充分氧化，从而有效减少有害气体的产生量，降低污染物排放量的同时还节约了能源。5.1.4发动优化发动机部分结构设计，可以降低污染物的产生或排放量，具体措施包括：（1）缩短启动时间：发动机启动温度低，空燃比较小，碳氢化合物和一氧化碳的产生、排放量较高。为减小污染，应提高点火能量，加大启动机的功率，缩短发动机的启动时间。（2）怠速工况优化：实际使用过程中汽油机大多处于怠速工况下，较大的残余废气量使得汽油机必须增加混合气的浓度，从而导致碳氢化合物和一氧化碳排放量增大。为减小污染，降低怠速工况下污染物的排放量，可提高怠速转速到800~1000转/分钟。（3）增大压缩比：在汽油辛烷值允许的条件下尽可能选用较高的压缩比，从而有效提高发动机功率，降低油耗，减少污染排放物量。（4）燃烧室形状优化：若燃烧室内缝隙较大，紧挨缸壁的边界层较厚，形状较复杂，表面积较大会产生大量未燃烧的碳氢化合物，加大汽车尾气污染物浓度。因此应选用结构紧凑、表面积较小的燃烧室，使燃烧更加充分、迅速。燃烧室还应带有一定强度的进气旋流，以使发动机具有较好的点火性能，并能使工作过程更加稳定，有效提高热传导效率，减少燃烧持续时间，降低氮氧化物产生及排放量。（5）优化燃烧室内火花塞位置：应在燃烧室的中心位置设置火花塞，以有效缩短火焰传播行程，使燃烧能迅速、充分的完成，从而降低未燃碳氢化合物的产生及排放量。（6）进气系统优化：每个汽缸设置3~5个气门，改用涡轮进气，以增加汽缸的充量密度，减少泵气损失，降低机械损失，提高发动机功率，减少碳氢化合物和二氧化碳的产生及排放量。5.1.5燃油若汽车燃油质量低劣，会导致尾气超标排放、环境污染、资源浪费等一系列问题，是汽车污染物排放的主要根源。因此，提高燃油品质是从根本上解决汽车的尾气污染问题。提高燃油品质的措施主要包括：（1）制定超前标准：根据我国国情，制定高品质燃油标准，限制低品质燃油进入我国市场。（2）精炼燃油：利用先进工艺炼制燃油，调整燃油的主要成分，提高燃油品质。（3）使用燃油清洁剂：在燃油中添加清洁剂，可以有效清洁燃油及燃烧系统，保护发动机，消除积碳，提高燃油雾化效果，减少尾气污染物产生及排放量，节约能源。有资料显示，高品质的燃油清洁剂可以有效去除汽车尾气中的碳氢化合物和一氧化碳，净化率分别为39.1%和39.2%。（4）加大政策扶持力度，坚决取缔不符合国家相关要求的炼油厂，整顿油品市场。5.2机外净化技术机外净化技术主要是指在发动机外部安装净化装置将尾气净化后再排放，包括：三效催化技术、曲轴箱强制通风系统、燃油蒸发控制系统。5.2.1三效三效催化技术是指使用一种能同时催化和控制尾气中一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物三种污染物的催化剂进行尾气净化的技术。其主要原理是利用催化剂使尾气中上述的三种污染物互相作用，发生氧化还原反应，转化成为无污染的二氧化碳、氮气或水蒸气等再排放。催化剂的种类包括贵金属催化剂、非贵金属催化剂、纳米催化剂、稀土金属催化剂等。而其中的稀土金属催化剂，因其可以有效减小表面活化能，提高反应速率，提高载体的机械强度和热稳定性，催化效果较为明显。催化剂载体包括载体骨架和骨架表面的活性涂层，载体骨架的材质多为陶瓷或金属，结构类型包括颗粒型载体、蜂窝状载体和泡沫陶瓷载体。骨架表面的活性涂层可以有效提高载体的比表面积，改善催化剂活性，提高热稳定性，使其活性组分分散均匀。刘孟祥[11]研发的三效催化转化器起燃温度255℃，三种废气的转化效率均>92%，各项性能指标均满足欧IV排放标准限值，使用寿命长达120000km以上。5.2.2曲轴发动机运行时，会有部分可燃混合气和废气经活塞环窜到曲轴箱内。可燃混合气凝结后会稀释机油，改变其性能。废气中的水蒸气凝结后会在机油中形成泡沫，破坏机油供给系统，特别是在冬季，这种现象尤为严重；而废气中的二氧化硫遇水及空气中的氧后会生成硫酸，改变机油性质，腐蚀零件。同时，可燃混合气和废气的进入使曲轴箱内的压力增加，导致机油从曲轴油封、曲轴箱衬垫等处渗出，污染环境。曲轴箱强制通风系统（PCV）（见图7）可以有效避免或减轻上述现象，该装置可以防止润滑油变质，减少摩擦机件的腐蚀；降压降温防热，通风后对机油有一定的冷却降压防漏作用；减少污染排放，回收可燃气体，提高燃油的经济性。图7曲轴箱强制通风系统5.2.3燃油蒸发(EVAP)控制系统是利用活性炭罐作为燃油蒸汽的存储器来吸收油箱中的汽油蒸汽，防止蒸汽进入大气中[12]。典型的电子控制燃油蒸发控制系统见图8。该系统利用活性炭吸附的原理，在汽油蒸汽扩散到空气前用活性炭吸附，当发动机运行时，再根据其运行状况，由进气管的真空度控制碳罐上的脱附阀开度，从而控制汽油蒸汽的脱附。被活性炭吸附的汽油蒸汽脱附后被送入发动机内燃烧。该系统有效阻止燃油箱内的汽油蒸汽泄漏到大气中，避免环境污染，回收的汽油蒸汽再次送入发动机内参与燃烧，提高了燃油的经济性，有效节约能源。图8电子控制燃油蒸发控制系统

6结论本文阐述了我国汽车能源消耗现状及汽车尾气污染的危害，分析、研究了汽车节能、环保技术措施，得出以下结论：（1）能源关系到汽车产业未来的生存和发展，解决车用能源问题成为迫在眉睫的问题，研发新能源汽车的同时，更应关注眼下，积极开展汽车的节能措施，大力推广节能技术和节能产品，降低汽车能源消耗量。（2）汽车节能措施包括：燃烧系统优化设计、供油系统优化、电子点火系统的运用、减少机