我国汽车排放控制技术的现状与发展.doc
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目录
摘要 4
第一章汽车排放污染物 5
1.1汽车排放污染种类及来源 5
1.2汽车排放污染物对人体的危害 5
1.3汽车排放物对环境的无害 6
第二章发动机排放物净化技术 7
2.1微粒排放净化措施 7
2.2废气再循环（EGR）系统 9
第三章发动机排气后处理技术的研究及发展进程 14
3.2过滤法 14
3.3低温等离子体技术 14
3.4Nox净化系统 15
3.5同时净化系统 15
第四章、采用新能源技术 17
4.1使用可替代能源 17
4.2降低废气排放 21
4.3减少燃油消耗 22
结论 24
参考文献 25
致谢 26
摘要：
随着经济条件的迅猛发展，汽车在全国范围内已越来越普及，在人们交通越来越便利的同时，汽车排放污染越来越成为威胁人们赖以生存的环境的主要危害之一。
因此，积极地研究汽车排放控制技术，研制环保型，低排放汽车，是实现可持续发展战略的需要。
本文主要从汽车发动机结构和新能源两方面来讲述机车排放控制技术的现状与发展。
关键词：
汽车排放物；汽车污染物；新能源技术
Abstract：
Thispaperfirstintroducesthetypicaldevelopmentpatternandcatch-upcountriesforourreference.AndthenpointsoutthatinchoosingacarindustryinChinathemainproblemsexistingintheprocessofthedevelopmentmodel.Pointsoutthattheintrinsicproblemshaveautoindustrypolicyandtheproblemsofautoindustrymanagementsystemofthegovernment.Basedonthis,putsforwardtheoveralldevelopmentoftheautoindustryinourcountrythetargetmode,namely,toestablishthecomparativeadvantagetheorybasedonthecomparativeadvantagedevelopmentstrategy,andintheopenundertheconditionofadvantageofbackwardnessadvantageofcomparativeadvantageand,throughthestructureoffactorendowmentsandcomparativeadvantageofdynamicchange,achieveindustrialupgrading.Thenanalyzestherealityandpotentialofcomparativeadvantageandtheadvantageofbackwardness.FinallypointedoutthatChina'sautomobileindustrythroughitsownsystem,strategyandpolicyadjustment,extensiveandin-depthparticipationininternationalcompetitionanddivisionoflaborcooperation,consciouslyintotheautomobileindustryglobalizationdivisionoflaborsystem.Atthesametimefromthemarketdevelopment,themainbody,theenvironment,strategy,circulationandsustainabledevelopmentgoalmodelofChina'sautomobileindustrydevelopmentaregivenspecificimplementation.
Keywords：
automobileindustry;developmentpatterns;objective;problem;countermeasure
25
第1章 汽车排放污染物及其危害
1.1汽车排放污染种类及来源
据研究表明,汽车排放物成分非常复杂，有一百种以上，其主要污染物包括：
一氧化物、二氧化碳、氮氧化物（NOx）和碳氢化合物（HC）。
此外还有铅尘和烟尘等污染物。
具体而言，汽车排放污染物的主要来源是：
CO:
矿物燃料燃烧后的一种副产物。
通常是因空气不足或其他原
因造成不完全燃烧时所产生的一种无色、无味气体。
一般汽油机排放的一氧化碳比柴油机高。
CO2:
矿物燃料燃烧后的一种副产物。
是完全燃烧或CO在空气中氧化而来的。
HC：
来自汽车燃油的不完全燃烧。
NOx：
主要是NO和NO2的混合物。
是空气中N2和O2在发动机燃烧室高温高压下反应的产物，压缩比越高，燃烧室的温度越高，生成量越大。
SOx（包括SO2）：
汽油和柴油中的硫在发动机燃烧室中氧化生成的产物。
b（铅）：
来自汽油中的四乙基铅。
汽车用的汽油中，通常加有四乙（基）铅或四甲（基）铅做抗暴剂，这些铅的70﹪随尾气排入大气。
PM（颗粒物）：
颗粒物是由于进气不充分或燃烧温度过低造成燃烧不完全形成的。
排气中颗粒有三个来源：
（1）燃料液相燃烧不完全产生的碳烟颗粒;
（2）润滑油燃烧产生的积碳颗粒。
（3）燃料中硫生成的SO3、SO2和添加剂钙生成的CaSO4颗粒。
VOC（易挥发有机化合物）：
蒸发性气体，是许多不同种类的烃类构成的混合物，来自汽车燃油箱的汽油蒸发。
1.2汽车排放物对人体的危害
一氧化碳（CO）与人体血液中的血红素有很强的亲和力，使血液丧失对样的输送能力而产生缺氧中毒。
当环境中CO浓度超过100ppm时，人体就会产生头晕，乏力等不适感；随着CO浓度的增加，会进一步产生头痛、呕吐、昏迷等症状；当CO的浓度超过600ppm时，短期内会引起窒息死亡。
汽车肺气中排出多种氮氧化物（NOx），其中一氧化氮与人体血液中血红素的亲和力比CO还强，两者集合会产生与CO的相似症状，一般情况对人体的眼睛、鼻子、咽喉、支气管和肺部等会带来更大的损害，严重时致人于死地
碳氢化合物（HC）为燃油未经完全燃烧后排出的气体，具有一定的易燃易爆性，其中苯类物质又具有致癌作用。
臭氧在阳光下极易发生光学反应，形成以抽样和以醛类为主的光化学烟雾。
当O3达到一定浓度时，会令生物在短期内发生高温氧化脱水而死亡；醛类有机物带有毒性，对眼睛和呼吸系统有强烈的刺激作用，严重的会导致死亡。
二氧化硫（SO2）为燃油中硫燃烧后的生成物，人体吸入后，即产生咳嗽，咽喉肿痛，呼吸困难，胸闷，四肢乏力，进一步产生支气管炎，肺炎和心脏病等，严重的会导致人猝死。
SO2还极易与大气中的水蒸气结合生成亚硫酸烟雾，达到一定聚量后便形成酸雨，使水土酸化，破坏林木，植物的生长。
VOC：
影响神经中枢系统：
出现头晕、头痛、无力、胸闷；影响消化系统：
出现食欲不振、恶心等。
1.3汽车排放物对环境的危害
城市气温急剧升高CO2、SO2这些气体被成为温室气体，一旦进入空气中，一方面可产生温室效应，促进气温升高;另一方面破坏地球的保护层—臭氧层。
让阳关直接照射地球表面，加速气温升高。
地球气候不正常NOX生成的硝酸与氧化硫生成的硫酸等一起生成酸雨，造成土囊酸化，进而影响生态平衡。
第2章国内政策对汽车排放的控制
2.1汽车排放污染物限制标准
根据<<中华人民共和国环境保护法>>和<<中华人民共和国大气污染防治法>>，我国于1993年重新修订和颁布了<<汽油车怠速污染物排放标准>>（GB1476.5）和<<车用汽油车排放污染物排放标准>>（GB1476.2）。
详见表
车型
车别
CO（℅）
HC（×10-6）
四冲程
二冲程
轻型车
重型车
轻型车
重型车
轻型车
重型车
1995年7月1日以前的定型汽车
3.5
4.0
900
1200
6500
7000
1995年7月1日以前的新生产汽车
4.0
4.5
1000
1500
7000
7800
1995年7月1日以前的在用汽车
4.5
5.0
1200
2000
8000
9000
1995年7月1日起的定型汽车
3.0
3.5
600
900
6000
6500
1995年7月1日起的新生产汽车
3.5
4.0
700
1000
6500
7000
欧洲汽车排放污染物标准欧洲一号：
我国GB14761-1999<<汽车排放污物限值及测试方法>>与此等效。
欧洲二号：
我国GB14761-2001<<汽车排放污染物限值及测试方法>>与此等效。
2.2国内政策的限制
强化车辆管理，严格控制在用车数量。
由于环境的污染程度不仅与每车排污有关，而且也与该环境中的在用车数量有关。
因此必须加强车辆管理，合理制度，疏导交通并提高车辆利用率，提高车辆平均速度，减稀车辆密度。
采用无污染电动汽车：
电动汽车以蓄电池电力为能源，而蓄电池的电力不仅可以来电网充电，而且还可以来自燃料电池、原子能或太阳能，因为零排放无污染的电动气车将是最有发展前途的汽车，也是今后城市交通发展的方向。
加大执法力度：
环境保护部门、公安、交通部门要联合执法，加大执法力度，严格检测标准，对那些老、旧、破、残的在用车，排污大户进行彻底整改，强制报废，以净化生态环境。
淘汰落后、污染重的汽车：
对于已报废的汽车和污染重的汽车，政府应该强行管制。
在每年对汽车进行年审的时候严格把关，不得再使用已报废的汽车；对于当地淘汰而被转入异地使用的旧车，要使其销售者和使用者付出高昂的成本；对于不能达标排放的汽车要征收污染排放税。
征收汽车交通堵塞税：
汽车空挡时的CO排放量最大，客车柴油机低速行驶时油耗高、烟度大，这就致使交叉路口的汽车尾气排放浓度特别高，危害严重。
而且随着经济的发展，私家车的增多，城市交通堵塞现象越来越严重，虽然路越修越宽，但是交通堵塞现象却不见好转。
因此，可实行对环境造成破坏性的活动进行征税，如对进入市区的车辆征收“交通堵塞税”，可有效缓解城市交通拥堵的状况，减少空气污染。
鼓励市民骑自行车或乘坐公共交通工具出行：
国家应优先发展公共交通，如修建地铁、开辟公交专用线和近郊旅游专线，使公共交通更加快捷、便宜和便利；企事业单位可对员工给予一定的交通补贴，以鼓励员工乘坐公共交通工具或骑自行车出行，减少汽车的使用，这样既可以减少汽车尾气污染，又能减少城市交通压力。
鼓励小排量汽车的使用：
国家有关部门应加快制定有关政策措施，研究制定汽车燃油经济性标准，建立汽车能效标识制度，引导、鼓励消费者购买和使用低能耗、低污染、小排量的汽车。
各地区要结合实际，积极制定具体措施，对节能环保型小排量汽车的生产商和使用者给予适当优惠或补贴，为节能环保型小排量汽车的使用创造良好的环境。
第3章汽车排放净化技术
3.1微粒排放净化措施
由于喷人燃烧室的嫩料与空气混合不完全，高温燃料及嫩气历经高温聚合及分解反应，产生了高分子量的HC，经过进一步的凝聚作用，产生了碳烟颗粒，虽大部分在随后的富氧区烧掉，但终究因混合不完全仍有约1%的碳烟颗粒没被烧掉，重的颗粒随即排出.可溶碳氢有机物来源于未燃的燃油和机油.碳氢有机物在冷凝过程中吸附在碳烟颗粒的表面，成为柴油机微粒排放的一部分。
为了达到日益严格的排放法规的要求，目前世界各国都在积极开发减少柴油机微粒排放的技术措施。
发动机的微粒排放净化措施包过机内净化措施和机外净化措施。
1机内净化措施
机内净化着眼于降低燃烧室内碳粒初始粒子的形成、通过改进发动机结构或增加附加装置达到微粒净化的目的.
a燃烧系统的优化
燃烧过程对微粒产生的影响最大，也是研究的热点，主要有以下几个研究方向
燃油喷射系统的优化与喷油有关的参数
主要有喷油量、喷油嘴端压力、喷油嘴结构和喷油提前角.喷油系统的性能直接影响嫩油的雾化和混合气的质量，最终影响微粒排放特性.例如，增加喷油嘴孔数、采用电控技术和提高喷射压力可以使燃油在燃烧室内更均匀地分布，减少燃油碰壁，将有利于减少微粒排放，但会引起N0，的增加;
嫩烧方式的改进为了减少微粒排放，日本、美国都在研究预混合燃烧方式的柴油机，这样，可使燃油与空气充分混合，尽量避免在高温缺氧情况下燃油裂解成碳粒的可能性;
进气旋流的优化在高压喷射的情况下采用低涡流比有利于减少微粒排放.这是由于涡流比大，提高了进气速度，而降低充气效率.但在发动机实际运行时，低转速时要求较高的进气旋流;而高速时要求有较低的进气旋流.采用可变涡流进气道技术可使运行中的涡流比在0.2一2.5之间变化，使发动机性能及微粒排放特性在整个范围内得到优化;d.四气门技术采用四气门结构，使活塞上的嫩烧凹坑和缸盖上的喷油嘴布置在燃烧室中央，改善了进气涡流和油雾分布，使燃烧状况明显优化，同时也改善了活塞和喷嘴的冷却条件，从而减少微粒排放:
采用陶瓷材料用陶瓷材料制成的燃烧室、活塞顶和缸套可以提高嫩烧室的绝热效果.用陶瓷材料制成气门摇臂等运动部件，可减少摩擦阻力、降低机油耗量，从而减少微粒排放.
b进气增压与空气冷却技术
进气增压与中冷可以增加进气量，这样姗料在最大扭矩时可以得到充分的氧，而避免达到临界空燃比。
使用变截面增压器（VCT）并配合先进的控制系统，可有效地降低微粒排放量.
c降低机油消耗量
在柴油机排放的微粒中，未燃机油占很大比重，所以必须降低机油消耗量.为此，须对活塞、活塞环、缸套等零部件进行优化设计并进行配合间隙的优化研究，特别是热变形条件下的研究，以达到降低机油消耗的目的.
d燃料的改进措施
降低含硫量在燃烧过程中，柴油中的硫约有98%转化为S02。
，其余的2%成为硫酸盐颗粒.部分SO:
被进一步氧化并与嫩烧过程中生成的H2O结合，形成H2SO3和硫酸盐，增加了微粒的排放量.当嫩料中的S从0.12%下降到0.05%时，微粒排放量将减少8%~10%，但进一步减少S对微粒的排放量不再有影响.美国1993年10月规定高速公路上行驶的汽车所用的柴油，其硫含量不得高于0.05%，1996年已全部供应低硫柴油.日本也于1997年全部供应低硫柴油;
降低燃油比重燃油比重直接影响非直喷式柴油机的微粒排放，即微粒排放量随燃油比重的增加而增加:
燃油的乳化采用油包水型乳化燃油，这样由于油中水的急剧汽化使油滴变得更加细小，有利于扩散然烧，可有效降低微粒排放.
2.机外净化措施
机外净化即排气后处理，将柴油机排气引人专门的后处理装置中，消除其中的部分微粒后再排人大气.主要的机外净化措施示于图1.机外净化措施中应用最广泛的是微粒的过薄技术，即用耐高温的过滤材料制成特定结构的过滤体，将排气中的微粒截留在过滤体内，从而达到净化的目的.过滤体的材料和结构应满足以下要求:
a.通过特性好，排气阻力尽可能小;b.抗热冲击性好，有较好的机械性能c.热稳定性好，能承受很高的热负荷;d.过滤效率高;e.适应再生的要求.
目前国内外应用最广泛的过滤材料有壁流式蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、陶瓷纤维等。
随着过滤体内微粒的不断积累，柴油机排气阻力增加、背压升高.当背压升高到一定程度时，将导致柴油机功率和过滤效率下降.所以必须及时清除过滤体内积存的微粒。
众所周知，当柴油机在最大负荷、转速的工况下，气缸排气口的温度可达到500一600℃，此时柴油机排气微粒开始迅速氧化、升温直至着火燃烧，以此减少微粒，从而达到过滤体的排气阻力和过滤效率恢复到原来的水平，即过滤体的“再生”.目前过滤体的再生方法主要是:
“热再生”，即利用全负荷再生、喷油助燃再生、电加热再生、电自加热再生、节流再生等，此外，也开发了如逆向喷气再生、振动再生等非加热再生方法，也就是利用外部热源使积存在过滤体内的微粒升温、自燃，以减少过滤体内的微粒.
柴油机排放后处理系统柴油机微粒后处理系统是利用泡沫陶瓷过滤微粒，并利用微波对滤体进行再生.2.1.1泡沫陶瓷过滤体将陶瓷原料配制成泥浆，并在聚醋或聚醚泡沫塑料内浸演成型，最后经烧制而成.泡沫陶瓷内部由许多小孔（称为“气室”）组成，每个气室通过窗口与多个邻室相连，由于微粒直径远小于气室直径，所以微粒的捕集发生在整个气室里.其优点是多孔结构使火焰易于传播。
3.2废气再循环（EGR）系统
柴油机与汽油机一样也有大量的NO生成，废气再循环（EGR）就是通过回引部分废气与新鲜空气共同参与燃烧反应，利用废气中含有大量的惰性气体（CO2、N2、H2O等）具有较高的比热容这一特性，来降低NOX的生成。
柴油机NOX生成的原因是：
燃烧过程的平均过量空气系数虽然比较大，但因混合气成分不均匀，局部燃烧温度仍很高，所以生成大量NOX不过，随着柴油机负荷的降低，NOX的排放迅速减小。
在汽油机上降低NOX最主要的方法是通过废气再循环（EGR），而柴油机也可以通过废气再循环（EGR）来降低NOX排放。
废气再循环（EGR）为什么能降低NOX呢?
因为NOX的生成条件是高温富氧，而废气的引入，一方面使混合气热容量增大，造成相同量的混合气升高同样温度所需热容量增大，从而降低最高燃烧温度；另一方面，废气对新鲜充量的稀释也相应降低了氧的浓度，从而有效的抑制了NOX的生成。
根据废气进入气缸是否通过发动机的进气系统，EGR系统可分为内部EGR系统和外部EGR系统。
内部：
EGR系统通过改变配气正时实现。
该系统不需要外加其他设备，结构简单，应用方便，而且可以避免再循环废气对管道的腐蚀，有利于提高系统耐久性。
由于是在进气行程内，直接开启排气阀使废气回流，因此难以精确控制EGR率；同时废气未经冷却直接回流，引起混合气温度升高，这一点又有利于NOX的生成。
因此内部EGR对NOX的抑制效果并不显著。
但是随着控制技术的不断提高，内部EGR因其简单、便利，日益受到青睐。
外部：
EGR利用专门的管道将废气引入进气歧管，使废气与新鲜空气在进入气缸前充分混合。
由于外部EGR不但可以通过电控系统精确控制EGR率、优化发动机性能，而且可以在外部系统中通过加装EGR冷却器，有效降低燃烧温度，因此目前较为常用的是外部EGR系统。
1增压柴油机EGR的实现
自然吸气柴油机所用的EGR系统与汽油机类似。
由于进排气之间有足够的压力差，EGR的控制比较容易。
在现代增压柴油机中，由于涡轮增压器效率的提高，增压器后的进气压力（增压压力），在很多工况下会高于增压器前的排气压力，造成EGR的困难，至少不会获得足够高的EGR率。
为此可采用下列措施：
①如图1a所示，在EGR阀5前，加一个排气脉冲阀6，利用排气脉冲加大EGR量。
②用节流阀7对进气进行节流（见图lb），可降低柴油机前的进气压力，可使EGR率大为提高。
但显然会增加柴油机的泵气损失，有损燃油经济性。
③在进气系统中，装一个文丘里管8（见图lc），可以提高EGR的有效压差，从而扩大EGR率的可调范围。
由于文丘里管喉口的压降，在喉口下游可得到部分的恢复，压力损失可以减，调节文丘里管的旁通阀9,可改变EGR的有效压差。
④用专门的EGR泵11（见图ld）强制进行EGR，当然具有最大的灵活性。
但由于EGR泵的流量要求很大，机械驱动泵显然过于庞大昂贵。
如图上所示涡轮增压器驱动一个外加的EGR泵11是一个实用方案。
⑤用可变喷嘴增压器VNT（VariableNozzleTurbocharger）,是实现增压柴油机有效EGR的一个新途径。
用普通涡轮增压器，实现足够的EGR往往有困难。
有实验结果表明；用普通的涡轮增压器时，只能在部分负荷下获得0.1左右的EGR率；用可变喷嘴涡轮增压器时，柴油机大负荷时，可以通过减小涡轮喷嘴流通面积来提高排气压力，进而增大大负荷领域的EGR率。
图1（增压中冷柴油机的EGR系统）
a用排气脉冲阀的EGR系统b用进气节流阀的EGR系统
c用文丘里管的EGR系统d用EGR泵的EGR系统
1—电控单元2—中冷器3—柴油机4—涡轮增压器5—EGR阀6—排气脉冲阀
7—进气节流阀8—文丘里管9—文丘里管旁通阀10—EGR冷却器11—EGR泵
2废气再循环排气的冷却
实验证明，把再循环的排气加以冷却，即采用所谓冷EGR，可使进入缸内的新鲜空气的损失减少，从而避免了大负荷燃油经济性和排气烟度的恶化。
冷EGR系统布置如图3-1c、图3-1d所示。
EGR冷却器10可以用柴油机的冷却水冷却，但冷却温降有限，最好用空气直接冷却。
现已成功投产的EGR冷却器，可在不同工况下，使EGR温度下降50-150℃，使NO下降10%左右。
d柴油机EGR的控制
（1）控制方式
柴油机的EGR控制比较复杂，尤其是增压柴油机，一般都采用电子控制。
其控制方式可以是开环控制，也可以是闭环控制。
开环控制。
开环控制一般基于脉谱（MAP）的控制，即通过实验确定典型工况下，达到排放要求的最佳EGR率。
这种方法控制简单，目前应用较为普遍。
但其准确性依赖于各种工况下MAP图的精确制取，同时动态响应慢。
较典型的开环控制为对混合气的成份加以考虑，根据不同转速、负荷条件，由进气和排气中的氧气浓度来确定最优的EGR率，例如在图1a中，电控单元1根据柴油机转速、负荷，以及进气和排气中的氧气浓度、温度等传感器的输入信号，按标定的EGR脉谱对EGR阀5、节流阀7、旁通阀9等执行机构进行控制。
EGR阀5可以是一个真空阀。
电控单元1通过对一个独立真空源产生的真空度加以调制，来控制真空阀的开度。
EGR阀也可以是一个电磁阀，可由电控单元通过PWM信号直接控制。
闭环控制。
闭环控制可以选择基于排气背压的闭环控制，也可选择基于排气氧气传感器紫的闭环控制。
基于排气氧气传感器的闭环控制，选取对发动机性能影响最大的两个参数——进气中的氧气浓度和排气中的氧气浓度加以考虑。
基于过量空气系数的EGR控制，是通过过量空气系数来间接测量NOx的排放量，其受EGR率的影响大，可作为EGR闭环控制的反馈信号。
闭环控制可以实时根据工况的变化自动调整EGR量，使EGR达到最佳。
因此，它比开环控制的效果更好，但其结构也较复杂。
（2）控制时间
汽油发动机在发动机中小负荷时将一定量的废气引入燃烧室参与燃烧，怠速、全负荷时不起作用。
柴油发动机在发动机怠速、中小负荷时将一定量的废气引入燃烧室参与燃烧，全负荷不起作用。
柴油机EGR系统的结构
以一汽大众柴油轿车为例，其柴油机EGR系统的结构主要分为两类：
①废气再循环电磁阀与机械阀分开方式（见图2）
②废气再循环电磁阀与机械阀合二为一，直接由发动机控制单元控制（见图3）
图2（EGR与机械阀分开方式）图3（EGR阀与机械阀合并方式）
1-发动机控制单元2-废气再循环阀（电磁）1-发动机
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