汽车废气污染与控制技术

武 威 职 业 学 院 汽车检测与维修 专业（专科） 毕业设计（论文） 题 目；汽车污染与控制技术 姓 名: 何全龙 学 号： 指 导 老 师： 完 成 日 期：2012年12月 日 教 学 系：汽车工程系 摘要本文第一部分叙述了汽车污染物的成分和危害性.第二部分写了汽车 排放物的影响因素。 第三部分写了汽车废气排放物的控制和治理。 第四分 写了柴油机废气排放物与汽油机差异。 第五部分写了柴油机废气净化和微 粒收集器， 且分析了汽车排放污染与人类生存环境的关系， 介绍了应从发 动机燃烧、结构设计、燃料提供等技术及加强车辆维修保养、开发新型环 保汽车等措施着手，控制汽车排放，减少大气污染。 经过 20 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 2002 年中国经济增长的 重要力量。 去年汽车制造商制造并销售了 325 万辆， 2001 年增长了 37%。 比 此外， 去年载客汽车的销售首次突破了 100 万大关， 猛增 56%， 达到了 112.6 万辆。 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 保护大气环境，实现可持续发展战略的需要。 介绍了国内外汽车排放控制技术、 低污染和零排放汽车研究， 分析了 汽车排放污染物产生及其控制对策。 关键词： 关键词：环保；控制技术;对策目录摘要.2前言.4第一章汽车排放污染物及其危害.5 1.1 汽车排放污染种类及来源.5 1.2 汽车排放物对人体的危害.6 1.3 汽车排放物对环境的危害 .7第二章 汽车废气排放物的影响因素 .72.1 可燃混合气空燃比的影响 .72.2 点火提前角的影响 .7 2.3 发动机转速和负荷的影响.8 2.4 发动机温度.8 2.5 火花塞间隙及分电器触点的影响.8 第三章 汽油车废气污染物的控制和治理.9 3.1 对于废气排放的控制和治理 .9 3.2 国内政策对废气排放的控制.11 第四章 柴油机废气排放物与汽油机的差异.12 第五章 柴油机的废气净化和微粒收集器. 13结论 .14参考文献 .15致谢 .16前言我国经济日益发展，人们的生活水平不断提高，经济飞速发展的同时，汽车保有量也在高速增长。随着汽车保有量的不断增长，城市的空气污染 问题日益突出，汽车排放污染以成为各大城市污染的主来源之一。 发动机燃料燃烧后的排放物中有 H2O、O2、HC、CO2、CO、H2、NOX、SO2、微粒物质等,我们把其中对人体有害和影响自然环境的成份称为污染 物,主要有 CO2、CO、NOX、SO2、HC、浮游微粒物质等。 本文分析了汽车排放污染的危害、影响、控制技术,在环境污染因素中 汽车排放污染日趋严重,全球环境恶化已经威胁到人类的生存和社会的发 展，环境问题已被公认为是当今社会所面临的最严重的挑战。 为了人民的健康，我国相继制定了排放法规， 用以控制汽车污染物排 放量。 我国同世界其它国家一样，环境污染问题已成为一个严重的社会问题。其中欧洲标准是我国借鉴的汽车排放标准,目前国产新车都会标明发 动机废气排放达到的欧洲标准.第一章 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， 使血液丧失对氧的输送能力而 产生缺氧中毒。当环境中 CO 的浓度超过 100 ppm(10010-6)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 浓度超 过 600 ppm 时，短期内会引起窒息死亡。汽车废气中排出多种氮氧化物(NOx)，其中一氧化氮(NO)与人体血液中血红素的亲和力比 CO 还强，两者结合后会产生与 CO 相似的症状，一般情况下对人体的眼睛、鼻子、咽 喉、支气管和肺部等会带来更大的损害，严重时至人于死地。 碳氢化合物(HC)为燃油未经完全燃烧后排出的气体， 具有一定的毒性和易燃易爆的特 性，其中的苯类物质又具有致癌作用。 臭氧在阳光下极易发生光化学反应，形成以臭氧和以醛类为主的光化学烟雾。当O达到一定浓度时，会令生物在短期内发生高温氧化而脱水死亡；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，严生的会导致中毒死亡。二氧化硫(SO2)为燃油中的 硫燃烧后的生成物，人体吸入 SO2 后，即产生咳嗽、咽喉肿痛、呼吸困难、胸闷、四肢乏 力，进一步会引起支气管炎、肺炎和心脏病等，严重的会导至人畜死亡。SO2 还极易与大 气中的水蒸气结合生成亚硫酸烟雾，达到一定积聚量后便形成酸雨，使水土酸化，破坏林 木、植物的生长。故此，应尽量减少燃油中的含硫量。 铅为一种有毒的金属， 它由燃油中的铅化物添加剂(如四乙铅)经高温燃烧后还原而成 的铅微粒。铅与血液中的血红素结合后，使血红素产生异变。当血液中的铅含量达到一定 的程度时，会积聚于肝、肾、大脑和脊髓中，严重地破坏人体的神经系统和造血功能。 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。第二章 汽车废气排放物的影响因素 汽车废气中 CO、HC 和 NOX 三种有害气体的影响因素比较多，主要为可燃混合气的空 燃比，点火提前角、发动机的负荷和转速、发动机温度以及发动机的内部结构等。2.1 可燃混合气空燃比的影响 空燃比(A/F)对 CO、和 NOx 的影响见图 1。HC在理论空燃比附近， 曲线有一个拐点，CO当A/F减少时可燃混合气过浓，燃油无法充分燃烧，CO 生成物便急剧增加；当 A/F 增 大时，氧含量充足，燃油可以充分燃烧，使 CO 生成量减少，而且比较稳定。2.2 点火提前角的影响 点火提前角对 CO 的生成量影响不大， 但对 HC 和 NOx 的影响较大。HC和 NOx 生成物都会急剧增加，其原因 与燃烧时的速度、 压力、 温度等有关，当点火提前角增大到一定值后， 由于燃烧时间过短， HC 和 NOx 生成量便有所下降。当然，正确的调整点火正时是非常必要的，过迟的点火提 前角会使发动机动力下降，油耗增大，工作不稳。2.3 发动机转速和负荷的影响由于 NOx 是高温燃烧时的生成物， 当发动机的转速和负荷提高时， 使气缸的燃烧温度 升高，NOx 生成量随之增大，CO 和 HC 的生成量稍有增加，但影响较小。 碳微粒的影响因素主要有空燃比、发动机的温度、转速和负荷以及燃烧室的形状，燃 油的雾化情况等。空燃比过浓，温度过低，均不利于燃油的雾化和燃烧，使碳微粒生成量 增加；发动机转速和负荷增大，使燃烧温度提高，有利于完全燃烧，使碳微粒的生成量减 少。SO2 和 Pb 微粒的生成主要与燃油中的含硫量和铅化合物的加入量有关。因此，往往对 燃油中的最大含硫量作了限制，推行使用无铅汽油。2.4 发动机温度 发动机温度低供给的燃油雾化不良，进入气缸的混合气遇到冷壁而发生冷凝，所以需供给浓混合气。结果由于空气量不足，CO 增加，但此时燃烧温度低，使NOX减少，而未燃烃 HC 增多。若发动机温度过高，会引发起发动机过热而出现爆燃及早燃等故障，使燃 烧温度异常升高，从而导致 NOX 增加。2.5 火花塞间隙及分电器触点的影响使用经验表明，火花塞电极之间间隙大于最佳值，则 HC 排放量将增加 12%-14%，对于四缸发动机，若一个火花塞不工作，HC 排放量将增加0.5-1 倍。分电器触点间隙过大或过小，对最佳点火提前角有明显影响若间隙变化 0.1mm 将使点火提前角偏离 6，则 HC 排放量可增加 3%。第三章 汽油车废气污染物的控制和治理随着环保意识的加强，欧、美、日等一些发达国家对废气排放污染的限制越来越严格，各汽车生产厂都投入巨额资金开展废气污染物的控制研究，早于90年代初，汽油车已基本上普遍采用了电控燃油喷射发动机，使废气中的有害气体大为减少，动力性和燃料经济性均有所提高，再加上其他多种措施的综合应用，使汽油车的废气污染得到了有效的控制。3.1 对于废气排放的控制和治理(1) 废气再循环。已查明 NOx 是燃油在高温燃烧中的生成物。废气再 循环就是根据发动机的不同工况，将废气中的一部分(3%15%)引入燃烧 室，用以降低气缸的燃烧和温度速度，从而进一步减少 NOx 的排放量。 (2)二次空气供给。二次空气供给系统是在排气管的上段设置一个反应器，通过空气泵、控制阀、单向阀和喷射管等引入适量的新鲜空气，在高温下，令 CO和HC在热反应器内继续燃烧(生成 H2O 和 CO2)，从而进一 步减少了 CO和HC的排放量。有的发动机则向三元催化器提供二次新鲜空 气，以使 CO和HC在催化器内获得更充分的氧化反应(燃烧)。 (3)三元催化净化装置。三元催化净化器的催化剂为铂、铑、钯和钌 等贵金属，其载体的形状分为粒状和片状。根据生产工艺的方便性，后者的应用较广泛。铂和钯为氧化剂，使CO和HC发生氧化反应，生成 CO2 和 H2O。铑为还原剂，使 NOx 脱氧，还原成N2并释放出 O。后者正好为 CO 和 HC 的氧化提供了充分的条件。 三元催化净化器的工作特性是要求发动机处于理论空燃比状态下工作时，才表现出良好的净化效果(见图 5)。现代电控燃油喷射发动机的电控系统为了实现对理论空燃比的监测和控制而应用了能检测废气中氧残留量的氧传感器， 电控系统接收到氧传感器反馈的信号后便及时调整喷油量，使发动机工作处于理论空燃比状态，从而实现了燃油喷射的“闭环”控制。三元催化净化器的最佳工作温度为 400800，如果同时不配合使用氧传感器时，则很快就会出现早期损坏，寿命大大缩短。稀土金属也同样具有贵金属的一些特性，用它制成的催化净化器，虽然效 果比贵金属差，但价格便宜得多。而我国的资源相当丰富，目前这方面的 开发研制已取得了令人振奋的效果。 (4)无铅汽油。汽油中加入千分之0.10.4g四乙铅后便可大大提高汽 油的抗爆性能，有利于减少机件的损坏，但铅对人体的毒害非常大，同时 也会使三元净化器中毒而早期失效，所以世界各国已严格限制含铅汽油的 生产和使用。我国一直在长期使用含铅汽油，可喜的是，我国已决定2000 年将全面禁止生产和销售含铅汽油，推动汽油标号升级。目前北京、上海、 广州、深圳等20多个城市已禁止含铅汽油的销售和使用，为全国推广无铅 汽油的使用迈出了第一步。(5)富氧燃料和燃油添加剂。甲醇、乙醇、异丁醇、叔丁醇、乙基叔丁基 醚等许多含氧化合物具有很高的辛烷值，是良好的抗爆剂。汽油中加入少 量的含氧化合物可以改善燃料的燃烧性能，可明显地减少CO和HC的生成。 但过量的加入会影响发动机的动力性。美国AST-MD4814-94标准规定含氧化 合物的体积加入量：甲醇类为2%；非甲醇类为2.75%。 (6)机内控制法。从排气净化的角度出发，为了促进燃烧完全应使用稀混合气并保证点火可靠，以及促进燃料的汽化，保证混合气各缸分配均匀和改善混合气在燃烧室内的燃烧状况。为此，需要对进气系统、燃烧室及 配气相位等方面进行改进目前采取的措施有：自动调节进气温度装置； 电子控制燃油喷射装置；改进化油器的结构，加装电控进气补气装置；废气再循环系统；降低燃烧室面容比和改进配气相位及点火装置；开发新型发动机、应用磁化等技术使燃料燃烧更充分；采用多级喷油和多气门技术。 (7) 机外控制法。采用低污染动力装置和促进燃烧完全的各种措施是解 决排气净化的根本措施，但还需要作大量工作，而且对于正在使用的汽车很难采用 在现有发动机的基础上加装净化装置是一种比较可行的方法 而 对这种排气净化装置的要求是：对发动机性能影响很小，且结构简单，体 积小，重量轻，使用方便，寿命长目前的方法有二次空气喷射法、在排 气出口加装热反应器、或加装催化转换装置、采用后燃法等 3.2 国内政策对废气排放的控制 （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（GB 1476.5）和车用汽油车排放 污染物排放标准（GB 1476.2）。（2） 欧洲汽车排放污染物标准 欧洲一号：我国 GB 14761-1999汽 ： 车排放污染物限值及测试方法与此等效。 欧洲二号： 我国 GB 14761-2001 汽车排放污染物限值及测试方法与此等效。欧洲三号在我国以实施。 （3）强化车辆管理，严格控制在用车数量。前已所述，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。 （4）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 （5）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。第四章 柴油机废气排放物与汽油机的差异柴油机的燃烧过程与汽油机不同，压缩比高，而且是在富氧状态下燃 烧，废气中的CO和HC含量较少，约为汽油机的1/10，NOx的含量与汽油机相当。但碳微粒的含量高，约为汽油机的3080倍，特别是加速和全负荷状态时，由于供油量急增，而进气量变化不大，燃烧工况从富氧转向缺氧， 加上燃烧时间缩短，因此处于不完全燃烧状态，使废气中产生大量的碳微 粒。因此治理柴油机废气排放的碳微粒已成为当前的首要任务。 柴油不含铅，但含有硫。硫燃烧后生成的SO2为胶状硫化物，与碳微粒 一道令净化器极易堵塞，因而无法在柴油车上应用净化器。 提高我国的炼油技术，降低柴油中的含硫量势在必行，而这方面也已 得到了国家的高度重视。第五章 柴油机的废气净化和微粒收集器前述所提到的许多废气排放控制方法均与发动机的设计和性能、 结构 有关，根据国内的生产水平，非一朝一夕能短期解决。汽油机单纯的加装 排气净化器，能起到一定的治理效果。但由于是“开环”控制，净化器早 期损坏严重，极需努力改进，向电控燃油喷射和“闭环”控制方向发展。 燃料的改进也有待于同步进行。 对于柴油机来说，由于碳微粒是汽油机的 3080 倍，治理碳微粒已 成为当前的重要任务。 由于碳微粒极易造成净化器的堵塞， 故目前柴油机 还无法应用排气净化器。 经国内外的长期研究， 能立竿见影地解决碳微粒 的办法是采用碳微粒收集器。 碳微粒收集器是一种特殊的微粒捕捉和滤除装置，它的形式有袋式、 陶瓷泡沫式和陶瓷蜂窝式等结构， 安装于消声器之后， 废气经过微粒收集 器后再排向大气，其微粒的滤除效果可达 60%90%，碳微粒又是一种高 级化工原料(碳黑)， 可收集作综合利用， 从而又可进一步提高企业的经济 效益。目前，国外正在研究一种微波加热装置，当碳微粒积聚到一定程度 时，可自动燃烧掉，免去人工收集之麻烦。 碳微粒收集器的废气净化效果非常明显， 能起到立竿见影作用， 对当 前柴油车的废气污染治理具有重要意义， 结合我国当前的技术水平， 很有 必要进行研制开发和推广应用。结论 目前环境污染带来的问题日渐严重，城市空气质量的恶化，全球大气 变暖，这些与我们密切相关的环境状况使我们忧虑，经济发展与生活环境 恶化之间的矛盾日渐突出。目前减少汽车排放污染的主要手段是提高燃油 的质量和对尾气排放进行控制，推行汽油无铅化和使用代用燃料。但仅仅 这些还是不够的，还应制订适合我国国情的汽车排放标准，建立完善的汽 车排放控制管理系统，对汽车排气污染进行深入全面的控制，同时广泛地 对汽车尾气污染的危害进行宣传，督促车主对车辆实行妥善的维修和保养， 改善车辆的使用状况，以达到减少尾气排放的目的。拥有一个清洁舒适安 全的自然环境，是全人类共同的心愿。采取有效的措施对汽车排放进行控 制，减少汽车排放对大气造成的污染，需要大家共同的努力。 保护环境，就是保护我们的家。控制汽车尾气的排放，防治大气污染 势在必行。让我们共同从小事做起，防治大气污染，让天空永远蔚蓝！致谢在毕业设计（论文）完成之际，我要特别感谢我的指导老师的热情关 怀和悉心指导。 在我撰写设计和论文的过程中， 老师们倾注了大量的心血 和汗水，无论是在设计、论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论 文的研究方法以及成文定稿方面，都得到了他们尽心地指导与帮助。 在论文的写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，同时还到许多 老师的支持和帮助，在此一并致以诚挚的谢意。 感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友参考文献 1 陈岩，阎伟车用汽油机排放控制探讨J山东内燃机，2000，92 上海市环境监测中心： 汽车尾气 作者： 温明军 温明鸿 樊 江 3 汽车运用基础.杨宏进主编.北京：人民出版社，2005.8 4 刘志强，吴文兵降低车用汽油机排放的技术措施J公路与汽运， 20035 刘巽俊内燃机的排放与控制M北京：机械工业出版社2003