汽车排放控制技术

汽车排放控制技术

编写：王文斌

一、汽车排放的主要污染物

一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NOx）硫化物微粒（又碳烟、铅氧化物等重金属氧化物和烟灰等组成）。

就CO来说，如果把汽油发动机CO排放量当作1的话，则液化气发动机的CO 排放量为1/2，而柴油发动机的CO排放量为1/100。可以看出，柴油发动机与其有发动机相比，其CO排出量要小得多。而且，柴油发动机的HC排出量也较少，但NOx 排出量则和汽油机差不多。

以HC为主要成分（约占HC总排量的25%），并含有CO等其他成分的窜气，从曲轴箱排出；

在不同运行工况，从发动机废气排出不同成分的CO、HC（约占HC总排量的55%）及NOx等有害气体；

汽油从油箱、化油器浮子室及油泵接头处蒸发，散发出HC（约占HC总排量的20%）。

1、一氧化碳（CO）

在内然发动机中，CO是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、无味的气体。CO吸入人体后，非常容易和血液中的血红蛋白结合，它的亲和力是氧的300倍。因此，肺里的血红蛋白不与氧结合而与CO结合，致使人体缺氧，引起头痛、头晕、呕吐等中毒症状，严重是造成死亡。

2、碳氢化合物（HC）

HC是指发动机废气中的未燃部分，还包括供油系中燃料的蒸发和滴漏。单独的HC只有在浓度相当高的情况下才会对人体产生影响，一般情况下作用不大，但它却是产生光化学烟雾的重要成分。

3、氮氧化合物（NOx）

NOx是发动机大负荷工作时大量产生的一种褐色的有臭味的废气。发动机废气刚一排出时，气内存在的NO毒性较小，但NO很快氧化成毒性较大的NO2等其他氮氧化合物。这些氮氧化合物，我们统称为NOx。NOx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。亚硝酸盐则能与人体内的血红蛋白结合，形成变性血红蛋白，可在一定程度上导致组织缺氧NOx与HC受阳光中紫外线照射后发生化学反

应，形成光化学烟雾。当光化学烟雾种的光化学氧化剂超过一定浓度时，具有明显的刺激性。它能刺激眼结膜，引起流泪并导致红眼症，同时对鼻、咽、喉、器官积肥不均有刺激作用，能引起急性喘息症。光化学烟雾还具有损害植物、降低大气能见度、损坏橡胶制品等危害。

4、铅化合物

发动机废气中的铅化合物是为了改善汽油的抗暴性而加入的，他们以颗粒装排入大气中，是污染大气的有害物质。当人们吸入含有铅微粒的空气时，铅逐渐在人体内积累。当积累量达到一定程度时，铅将阻碍血液中红血球的生长，使心、肺等处发生病变；侵入大脑时则引起头痛，出现一种精神病的症状。

5、炭烟

炭烟是柴油发动机燃料燃烧不完全的产物，其内含有大量的黑色炭颗粒。炭烟能影响道路上的能见度，并因含有少量的带有特殊臭味的乙醛，往往引起人们恶心和头晕。为此，包括我国在内的不少国家都规定了最大允许的烟度值，并规定了测量方法。

6、硫氧化物

汽车内燃机尾气中硫氧化物的主要成分为二氧化硫（SO2）。当汽车使用催化净化装置时，就算很少量的SO2也会逐渐在催化剂表面堆积，造成所谓催化剂中毒，不但危害催化剂的使用寿命，还危害身体健康，而且SO2还是造成酸雨的主要物质。

7、二氧化碳

世界工业化进程引起的能源大量消耗，导致大气CO2的剧增。其中30%约来自汽车排气。CO2为无色无毒气体，对人体无直接危害，但大气中的CO2大幅度增加，因其对红外热辐射的吸收而形成的温室效应，会使全球气温上升、南北极冰层溶化；海平面上升；大陆腹地沙漠趋势加剧，是人类和动植物赖以生存的生态环境遭到破坏。因此近年来对CO2的控制也已上升为汽车排放研究的重要课题。

二、废气污染物的生成及其影响因素

1、一氧化碳（CO）

CO对于汽油机是烃燃料燃烧的中间产物，排气中的CO是由于烃的不完全燃烧所致。根据燃烧化学，理论上当过量空气系数是1即空燃比是个14.8时，燃烧完全燃烧，其产物为二氧化碳和水。当空气量不足，过量空气系数小于1时，有部分燃料不能完全燃烧生成CO和氢气。理论上当过量空气系数α=1（AF≈14.8）时，燃料完全燃烧，其产物为CO2和H2O。

当空气不足，AF＜14.8时，则有部分燃料不能完全燃烧。

2、碳氢化合物（HC）

HC汽油是由多种成分HC所组成，如果完全燃烧将生成CO2和H20。但是汽油的燃烧很复杂，任何发动机都可能发生不完全燃烧，在排气中都会有少量HC存在。

为了提高发动机的最大功率，常使发动机在α＜1（AF=12.5-13.0）浓棍合气情况下工作。在低负荷时，由于气缸内残余废气较多，为了不使燃烧速度过低，也在α＜1情况下工作。由于＜1是空气量不足，所以要发生不完全燃烧。

在汽油机中用电火花点火，由火焰传播把混合气烧掉，但紧靠燃烧室壁面附近的混合气层，由于缸壁得冷却形成激冷层，使火焰传播终止而熄灭，因此激冷层的混和气不能完全氧化燃烧，从而有许多未燃的HC也要排出来。

3、氮氧化物

温度：随着高温的形成，NO平衡浓度也高，而且生成速度也加快了，特别有氧存在时温度是重要的。

氧的浓度：在氧气不足的条件下，即使温度高，NO也被抑制了。

滞留时间：因为NO的生成反应比燃烧反应缓慢，所以即使在高温条件下，如果停留时间短的话，NO的生成量也可被抑制。

在内燃机中为了降低NO的生成量，就必须降低燃烧室火焰高峰温度；在产生NO 阶段，使O2处于低浓度；缩短燃烧气体在高温下停留的时间。

碳烟

柴油机排烟可分为自烟、蓝烟和黑烟三种。不同的烟色形成的原因不同，有的研究认为起决定作用的是温度；在250℃以下形成的烟通常是白色的；从250℃到着火温度形成蓝烟；黑烟只在着火后才出现。

适合在低温起动不久及怠速工况时发生。此时，气缸中温度较低，着火不好，未经燃烧的燃料和润滑油呈液滴状态，直径在1.3μm左右，随废气排出而形成白烟。当气缸磨损加大，窜气、窜油时，使白烟增多。

通常在柴油机尚未完全预热或低负荷运转时发生。此时，燃烧室温度较低，约600℃以下，燃烧着火性能不好，部分燃料和窜入燃烧室的润滑油未能完全燃烧，其中大部分是已蒸发的油，再凝结而成微粒状态，直径比白烟小，在0.4μm以下，随废气排出而成蓝烟。这种烟的蓝色是此种大小微粒由蓝色光折射而成的。排出蓝烟时，同时有燃烧不完全的中间产物排出，因而蓝烟常常带有刺激性臭味。

4、影响因素

空燃比(AF)：是指可燃混合气中空气与燃料的质量比。理论上，1kg汽油完全燃烧需要空气14.7kg。故对于汽油机而言，空燃比为14.7的可燃混合气可成为理论混合气。若可燃混合气的空燃比小于14.7，则意味着其中汽油含量有余（亦即空气量不足），可称之为浓混合气。同理，空燃比大于14.7的可燃混合气则可称为稀混合气，应当指出，对于不同的燃料，其理论空燃比数值是不同的。

过量空气系数（α）：α=燃烧1kg燃料所实际供给的空气质量／完全燃烧1kg燃料所需的理论空气质量由此定义表达式可知：无论使用何种燃料，凡过量空气系数α=1的可燃混合气即为理论混合气；α＜1的为浓混合气；α＞1的则为稀混合气。

进气空气温度T。的影响一般情况下，冬天气温可达-20℃以下，夏天在30℃以上，爬坡时发动机罩内To>80℃。随着环境温度的上升，空气密度ρ变小，而汽油的密度几乎可认为不变,因此使化油器供给的混合比R（即AF）随吸入空气温度的上升而变浓，图3为一定运转条件下，进气空气温度与混合比的关系，大致和绝对温度的方根成反比的理论相一致

1) 大气压力p的影响

大气压力随海拔高度而变化，由经验公式

P=P0（1-0.02257h）5.256（kPa）

式中h一海拔高度（km）。

当海平面p0=100kpa时，可作出海拔高度和大气压力变化关系的曲线，见图4。

当忽略空气中饱和水蒸气压时，空气密度可用下式表示：

ρ=1.293×273p/(273+T)750(kg/m3

进气管真空度的影响

当汽车急剧减速时，发动机真空度大于负68kpa以上时，停留在进气系统中的燃料，在高真空度下急剧蒸发而进入燃烧室，造成混合气瞬时过浓，致使燃烧状况恶化。CO浓度将显著增加到怠速时的浓度。

2) 发动机工况的影响

随转速升高HC排放很快下降，除混合气随流量增加接近理论混合比外，发动机的温度增加，也加快了燃烧反应。显示随负荷增高，HC排放降低，这是由于燃烧温度升高，同时燃烧室壁面激冷层逐渐减薄所致。

3) 怠速转速影响

怠速转速和排气中CO和HC浓度的关系。怠速转速600r/min时，CO浓度为1.4%，700r/min时，降为1%左右，这说明提高怠速转速，可有效地降低排气中CO浓度，但

是，怠速过高会加大挺杆响声，对液力变扭汽车，还可能发生溜车的危险。如果这些问题得到解决，一般从净化的观点，希望怠速转速规定高一点较好。

三、汽车排放物控制措施

1、汽油机排放控制技术

1)电子控制燃油喷射系统

汽油机降低排气污染和提高热效率的关键之一是精确控制空燃比，电子控制燃油喷射系统利用各种传感器检测发动机各种状态，经微机的判断计算使发动机在不同工况下均能获得合适空燃比的混合气。

EFI优点：满足发动机各种工况的对空燃比和点火提前角的需求从而使排放特性燃油经济性和动力性达到最佳状态各缸混合气分配均匀性好减少了节流损失提高了充气效率，具有良好的瞬态响应特性改善了汽车的加速性采用闭环反馈控制方式可满足三效催化燃比的严格要求由于采用压力喷射汽油雾化质量好有利完全和快速燃烧剂对空

2)推迟点火提前角

点火提前角对发动机的动力性经济性排放特性和噪声有重要影响，推迟点火提前角一直是最简单易行也是最普遍用的排放控制技术

点火提前角的推迟，HC和NO排放明显降低，HC的降低是因为排气温度上升，促进了排气过称中HC在气缸内和排气管内的氧化。NO降低是因为随点火提前角的迟后最高燃烧温度的下降。

3)废气再循环

废气再循环是控制NO的排放重要措施，排气中含氧量较低，主要由惰性气体氮气和二氧化碳构成，一部分排气经EGR就是废气再循环阀还流回进气系统，与新鲜混合气混合后，稀释了新鲜混合气中的氧的浓度，导致燃烧速度降低，同时还使新鲜混合气的比热容提高。这俩个原因都造成了燃烧温度的降低，从而有效的抑制了NO的生成。

4)燃烧系统优化设计

燃烧室设计的重要原则之一是面容比要小，尽可能紧凑，火花塞尽可能布置在燃烧是中央，以缩短火焰传播距离。

提高缸内混合气的涡流和湍流程度，有助于加强油气混合，保证快速燃烧和完全燃烧。

由于汽油机热效率低于柴油机的重要原因是压缩比，发动机以更高的压缩比早大部分工况下正常，而在发生爆燃时，爆燃传感器和电控系统可适当推迟点火提前角以消除爆燃。

采用涡轮增压可以明显提高进气冲量，减少泵气损失。不仅使汽油机燃烧消耗率减低和平均有效压力提高也降低了CO的排放量。

减少不参与燃烧的缝隙容积。

5)可变进气系统

可变进气系统发动机排气过程是一个周期性的脉动过程进排气系统中存在着强烈的压力波动。利用压力波来提高进气门关闭前的进气压力，可得到增大进气充量的效果，称为动态效应

可变气门定时

气门定时对发动机的动力性经济性及排放性能有较大的影响，固定的气门定时很难早较大转速和符合范围内适应发动机的要求，因此，近年来可变气门定时得到较大发展。改变进气门的定时对发动机性能的影响相对要比改变排气门定时明显。

6)层状充气发动机

为了保证可靠点火，在火花塞附近形成混合气，而在其他区域供给稀混合气，按这样的要求设计成的发动机称为层状充气发动机。

7)排气后处理技术

净化排气中各种污染成分的技术包括热反应器催化转化器微粒捕集器以及吸附净化方法

8)非排气污染物处理技术

净化排气以外的污染成分的技术，主要指燃油蒸发控制装置和曲轴箱强制通风装置

2、柴油机排放控制技术

为了减少柴油排放对大气的污染，开展柴油机有害排放物控制方法的研究，是从事柴油机设计者的首要任务，本文在这里简述几种降低有害排放物的控制技术。

1)高压共轨喷射系统

主要有高压泵，带调压阀的共轨管，带电磁阀的喷油器，ECV（电子控制单元）和各种传感器组成高压共轨系统不再用柱塞泵分缸脉动供油原理，而是用一个设置在喷油泵和喷油器之间的具有较大容积的共轨管把高压油泵输出的燃油蓄积起来并平抑压力波，再通过各高压油管输送到喷油器上，由喷油器上的电磁阀的动作控制喷油的

开始和终止。

电磁阀作用的时刻决定喷油定时，起作用的持续时间和共轨压力共同决定喷油量。由于这种系统采用压力时间式燃油计量原理，因此又可称为压力时间控制式控喷射系统。高压共轨喷射系统的特点是；喷油压力的建立与喷油过程无关；喷油压力，喷油过程和喷油持续期不受负荷和转速的影响；喷油定时与喷油计量完全分开，可以自由调整每缸的喷油量和喷油始点；能实现预喷射，快速停喷和多段喷射。

因此高压共轨喷射系统通过对喷油要素的优化控制柴油机燃烧更充分，从而减少燃烧中有害物的形成，使柴油机的有害排放，噪声排放和冷起动性能都得到很大改善。

2)废气再循环系统

废气再循环系统是将柴油机产生的废气的一小部分再送回气缸。由于柴油机中富余的氧气较多，当送回汽缸的废气与新鲜空气混合后，该过程导致气缸内氧气浓度降低，使燃烧速度减慢，燃烧温度下降，从而减少有害成分氮氧化物（NOX）的形成。

在脉冲式废气再循环系统中，废气被重新送回气缸内，因此废气的压力应高到足以使气流反向。要达到这样高的压力只有通过优化气门微升和定时，从而利用废气的压力波才能实现，在该废气再循环系统中，废气压力“脉冲”被有效利用。

增压中冷柴油机实现废气再循环还有另外两种方式，一种是将涡轮前的排气引入中冷器之后，称为高压废气反向。采用可变截面涡轮增压器，可以扩大废气再循环有效工作范围，降低氮氧化物（NOX）和微粒（PT），燃油耗也不升高，这可能是将高压废气再循环系统用于增压中冷柴油机的最好方法。

另一种是将涡轮后的排气引入压气机之前，称为低压废气再循环系统，它可有效降低氮氧化物（NOX），而废气循环工作范围较大，与柴油机匹配能有效地发挥其功能。

3)增压中冷技术

所谓增压，就是增加进入柴油机汽缸内的空气密度。中冷则是将压缩后的空气的温度降低。

因此，柴油机采用增压中冷系统后，滞燃期缩短，在稀烯火焰熄灭区内积压的燃油量较少，从而减少排气中有害成分碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOX）的生成。目前，增压方法主要有机械增压三种方式。其中废气涡轮增压器主要是由涡轮和压气机组成，它与柴油机没有机械传动联系，柴油机排出的废气经排气管进入涡轮，对涡轮作功，涡轮叶轮与压气机叶轮同轴，从而带动压气机吸入外界空气并压缩后送至柴油机进气管。

增压中冷柴油机在压气机出口和柴油机进气管入口之间增设中间冷却器（简称中冷器），使压缩后的空气的温度下降，密度增大。增压中冷可以在柴油机的热负荷不增加甚至降低，以及机械负荷加不多的前提下，大幅度地提高柴油机的功率，降低有害物的排放。

由于废气涡轮增压方式与机械增压和气波增压方式比较，结构简单，工作可靠，在柴油机上得到普遍采用，其他两种增压方式基本不使用。

4)微粒捕集器

柴油机微粒捕集器，可将排气中微粒捕捉不使其排出机外，再利用催化剂，氧化器，燃烧器等进行分解、燃烧。这利装置可将柴油机排气中有害物微粒减少70%~90%。用来捕集微粒的过滤器的材料和结构有许多种，常用的有整体式陶瓷，金属丝网，纺织纤维圈，陶瓷纤维，泡沫陶瓷等。

碰撞机理：柴油机废气流经捕集单元时，其流线发生了多次拐弯，在流线拐弯处，较大的微粒由于运动惯性大多脱离原来的流线与捕集单元相碰，并吸附或沉积于其上。

截流机理：柴油机废气流经捕集单元时发生两种情况，一是粒径比过滤材料孔隙大的微粒就被挡住并被粘附住，即发生筛滤效应；二是粒径比过滤材料孔隙小的微粒由于粘着与聚合作用而部分被截流。

扩散原理：柴油机废气中的微粒物由于气体分子热运动的碰撞而产生布朗运动，县城越小的微粒越显著，又会造成扩散效应。当废气流经捕集单元时，纤维状的捕集单元对微粒的运动起到了汇合的作用，从而有可能将微粒捕集。

重力沉降机理：当缓慢运行的柴油机废气流经捕集器时，废气逗留时间比较长，较大的粒子的可能在重力作用下发生脱离流线的位移而沉淀在捕集单元上。排气系统中安装微粒捕集器后将会使柴油机的排气背压提高。功率下降，捕集材料上沉积的微粒越多，排气背压越高。

5)催化净化装置

催化净化装置是一种内部装有催化剂的装置，装在发动机的排气管中。催化剂能使发动机排气中的有害成分加速转变成无害成分。催化净化方法有两种，一种是催化氧化法，它以铂，钯，黄金，钴，镍等金属及其氧化作为催化剂，使有害成分一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）氧化成无害成分二氧化碳（CO2）和水蒸气（H2O）。

另一种是催化还原法，它以碱金属，钴铬合金作为催化剂，使有害成分氮氧化合物（NOX）还原为氮气（N2）和氧气（O2）。

目前催化净化装置有氧化催化反应装置和三元催化反应装置。氧化催化反应装置

仅依靠氧化反应降低有害成分一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC），柴油机和汽油机都适用。三元催化反应装置则氧化与还原反应同时进行，能使一氧化碳（CO），碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOX）三种有害成分同时得到净化处理，它要求发动机的空燃比精确地控制在理论空燃比附近的最佳范围内，以保证同时对三种有害成分高效率净化，因此，三元催化反应装置一般与燃油电子喷射发动机一起使用，用氧传感器检测排气中的氧浓度，反馈控制发动机的空燃比范围。

由于柴油机排气中残留的氧量较多，使氧传感器的控制不灵敏，故三元催化反应装置一般不用于柴油机，而只用于汽油机。

6)采用代用燃料

当前，世界石油制品的消耗量逐年上升，石油资源日益枯竭。国际油价居高不下，积极寻找并研究代用燃料以成为降低有害物排放的另一个方向。二甲醛（DME）就是一种很有前途的代用燃料，其化学分子式为CH3—O—CH3，原来用于喷雾工业。

二0一三年四月六日