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1、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，汽车尾气排放的污染也越来越成为威胁人们赖以生存的环境的主要途径之一。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，应当引起足够重视。分析了汽车排放污染物的主要成分、危害、生成机理以及影响因素，对汽油机的排放污染物的检测和控制方法作了一些具体的分析，以及汽油机排气净化，机内、机外净化作了详细的研究，排气后处理技术的研究及发展进程等。为未来汽车污染的有效控制以及新一代更为环保型汽车指明了有效的途径。关键字：汽油机，排放污染物，检测，控制Abstract With t
2、he rapid development of economic, the car has become increasingly popular in china, at the same time people are becoming more convenient, automobile emission pollution is also becoming one of the main environmental threat t peoples survival. Especially in some large and medium-sized cities, car exha
3、ust caused by environmental pollution problems gets more and more serious. At present, the air pollution has gradually become the worlds problem, which should pay enough attention. Analysis the car emissions major component, harm, and the formation mechanism and influencing factors, on the engine of
4、 the discharge of pollutants in the detection and control method for the specific analysis, and gasoline engine exhaust purification, machines, purification detailed research, exhaust after-treatment technology research and development process, etc. For the future of the pollution control and a new
5、generation of more environment-friendly car indicated the effective approach. Key words: Gasoline engine, Emissions pollutant, Test,Control目 录前言11汽车排放污染检测与控制概述21.1环境保护与汽车21.2我国大气污染状况现状21.3汽车排放控制技术的发展过程31.4国内外汽车排放标准42 汽车排放污染物的成因及其危害62.1一氧化碳的危害62.2碳氢化合物的危害62.3氮氧化合物的危害73汽车排放污染物的影响因素83.1影响一氧化碳生成的因素83.2影
6、响碳氢化合物形成的因素93.3 影响氮氧化物形成的因素93.4 汽油机微粒104汽油机机内净化124.1汽油机机内净化概述124.1.1汽油机的燃烧过程124.1.2 汽油机机内净化的主要措施134.2分层燃烧系统与电喷技术144.3废气再循环144.3.1废气再循环及其净化原理144.3.2废气再循环的控制策略154.3.3 EGR率对汽油机净化与性能的影响155汽油机后处理净化175.1发动机排气后处理175.2三元催化转化器175.2.1三元催化转化器的基本结构175.2.2 催化反应原理185.2.3 三元催化转化器的性能指标196低排放燃料及汽车新能源206.1汽油对排放的影响206
7、.2汽油的改善（提高汽油质量）206.2.1加速使用无铅汽油216.2.2提高汽油的抗爆指数，供应含氧燃料216.3采用代用燃料216.3.1气体燃料（天然气和液化石油气）226.3.2 醇类燃料226.3.3氢气226.4 采用先进技术236.5降低汽油车排污的简易方法246.5.1调整化油器246.5.2调整气门间隙246.5.3调整点火提前角、火花塞间隙、断电器触点间隙246.5.4合理驾驶257汽车排放测试267.1汽车排放测试系统267.1.1汽车排放污染物取样系统267.1.2 常用汽车排放污染物的检测方法267.2 汽车检测设备277.2.1仪器的选择277.2.2仪器的保养28
8、7.2.3仪器使用要规范操作287.3测量与分析287.3.1 微粒质量测量287.3.2 微粒成分分析28结 论30致 谢31参考文献32前 言随着汽车工业的不断发展，汽车的保有量不断增加，汽车在给人类带来方便的同时，也对人们的健康和社会环境造成了危害。据预测，到2020年，我国的汽车保有量将有望达到1.4亿量。随着我国国民经济的持续快速发展，大城市大气环境污染变得日益突出。因此，如何采取有效措施，最大限度地降低汽车发动机排放的污染物,以满足国内外越来越严的排放标准,已是广大汽车面临的日趋严峻的问题。而掌握汽车排放检测和控制技术无疑是治理排放污染、改善大气环境的前提条件。汽车排放控制已引起世
9、界各国的高度重视,国内外相关科技工作者也对此付出了极大的努力,在新车排放控制方面已经取得了有效的成果。为更好控制城市大气环境质量,目前,对在用车排放污染物控制和检测的研究已成为一项重要的工作。本论文通过分析汽油车排放污染物的种类、危害以及生成机理,对汽车排放的影响因素进行了理论和试验研究；在此基础上，对国内外现有的汽车排放检测方法进行了分析，提出了我国实施检查和维护制度应采用的排放检测方法和标准。此外，本论文还对未来汽车的保有量和排放污染进行了预测, 并针对使用中的汽车还探讨了从维修保养、驾驶技术及日常用车习惯等方面减少汽车的排放污染。这些研究工作，是对我国在用车排放控制的有益探索,将为今后进
10、一步开展这方面的研究工作打下一定的基础。1汽车排放污染检测与控制概述1.1环境保护与汽车研究表明，随着我国城市化进程的加快，城市里高楼林立，道路纵横，低空环境因污染物扩散阻力加大而难以有效改善。据悉目前全国约1/5的城市大气污染严重，113个重点城市中1/3以上空气质量达不到国家二级标准。特别是随着城市机动车数量的快速增长和工业企业外迁，机动车尾气逐渐成为部分大中城市大气污染的主要来源。事实表明，近年来我国汽车工业快速发展，在拉动社会经济全面进步、改善人民生活质量的同时，也带来了空气严重污染等社会问题。其中一个突出的现象就是一些城市已由过去的煤烟型污染转变成以机动车排放污染为主。国内有些区域几
11、乎常年出现灰霾天气，能见度明显下降。研究表明灰霾天气与机动车排放的氮氧化物和碳氢化合物存在有明显的关系。一些城市臭氧浓度逐步增高，个别城市发生光化学污染的几率明显增加。而臭氧浓度增高与机动车排放的氮氧化物和碳氢化合物有密切关系。早在1988年的监测结果表明：北京市三环路内30条街道路中心和人行道大气中的CO超标率达到100%；夏季69天中臭氧小时浓度值超标达530次，潜伏着发生光化学烟雾的危险。从现状分析到环境监测数据佐证，均说明机动车尾气的排放已经成为我国大气污染的主要来源。据资料介绍，大气所含CO、HC、NO污染物的75%、50%、50%来源于汽车排放。北京市机动车排放污染物占大气污染物的
12、比例为:全年，C0：39%、HC：75%、NOX：46%；非采暖期CO：61%、HC：87%、NOX：5%。在汽车密度高的城市区和交通发达的工业区尤为严重。空气污染不仅危害人类健康，而且破坏了大自然的生态平衡。即使原来认为无害的CO2，现已认识到进人大气层后会产生温室效应，使地表温度和环境温度升高，促使海面上升，加速内陆沙漠化，森林和植物枯萎。因此要限制汽油加铅量、采用先进技术、开发多能源内燃机，为控制污染、保护环境，各国政府组织了大量研究工作，采取了各种措施。1.2我国大气污染状况现状随着我国城市化步伐的加快，城市大气除受到以工厂排放和冬季取暖燃煤为主的污染外，以汽车尾气、建筑工地扬尘和城市
13、垃圾为代表的新污染源逐年显著增加。大多数地区，特别是人口稠密的城市都有来自各种污染源的混合污染物，工业与民用供热装置、工业生产过程、垃圾焚烧炉、汽车和其它燃油交通工具的尾气排放，使污染物的类型趋于更加复杂化和多元化。这些污染物所造成的危害不但与其种类、浓度和释放量有关，而且在阳光紫外线的照射下，排放的污染物还能在大气中发生一系列的复杂反应，产生一些氧化性很强的产物，如臭氧、醛类、过氧酚基硝酸盐等，形成光化学污染二次污染。例如，北京地区在逆温无风时，城市上空经常象被一个黑色的锅底所笼罩，它的形成就是二氧化硫和氮氧化物相互作用的结果。随着我国汽车产量和保有量连续高速增长，它将对大气污染日益加剧。就
14、北京来说，其汽车保有盈已占全国的10%，它相当于日本东京或美国洛杉矶地区汽车保有量的1/8左右，其排出气体的污染程度是可想而知的，据北京环保所对北京三环路内检测数据表明，已超出大气质量法标准，汽车排放污染物已占全市总污染源排放量的一半左右，已成为污染大气环境的一个主要发生源。控制汽车排放已是一个迫在眉睫需解决的问题。我国汽车排放标准的限值控制较宽，轻型车排放标准只相当于欧洲70年代末控制水平；排放标准是采用美国1970-1977年的炭罐收集法。因此排放限值控制宽也是造成大城市汽车排放污染严重的因素之一。我国汽车保养维修管理制度不规范、不完善。据上海汽车研究所1994年3月一次对市区跟踪测试。不
15、少汽车的排放都在临界即将超标状态下工作，如稍加保养调整是完全可克服；还有些车辆该大修的不大修，致使车辆在车况恶劣下运行。我国大城市街道面积狭窄，再加上城市管理不规粗、执法不严，人行道上非法搭建、占地到处可见，使人、自行车、汽车在马路上混行，马路堵塞、汽车在息速下运行，加剧了污染物的排放。1.3汽车排放控制技术的发展过程表1.1 美国汽车排放控制技术发展Table 1.1 U.S. automobile emission control technology development19661973曲轴箱强制通风系统（PCV），废气再循环系统（EGR），空气喷射净化19741979改进化油器，无触
16、点点火，使用并改进催化剂19801983反馈（闭环）系统，进一步改进化油器和催化剂（包括三效催化剂），改进发动机，挥发性排放物控制19841993发动机改进，电子控制，燃油喷射，催化剂和EGR的进一步改进1994现在进一步改进发动机，控制装置，供油，电预热催化剂和EGR，改进挥发性排放物控制，车载诊断（OBD）目前从控制汽车排放限值来看，可分二大集团:（1）以美日为首的高标准集团，除采用机内净化措施外，还采用加装催化转化器、无铅汽油，以使排放量降低8095%。（2）以大多数欧洲国家为主的低标准集团，只采用机内净化措施降低汽车排放量。随着汽车产量和保有量的增长，目前世界上正发生三个过渡。 以美日
17、为首的控制汽车排放向纵深发展。 一些欧洲国家，正向美国靠拢。 由控制汽车排放无政府状态向低标准控制汽车排放限值标准过渡。1.4国内外汽车排放标准为了治理环境污染，各国根据环境污染的具体情况，制订有关环境保护的法律和大气污染治理目标，对各种污染源的排放提出控制要求，针对不同类型的机动车制订粗不同的排放标准，这些标准是要求强制执行的，因而也称为排放法规。国际上在70年代初已实施汽油车关于气体污染物排放法规，1988年起实施微粒排放法规，我国1983年、1989年、1993年和1994年均制订了标准。现实施和将实施的排放标准有:轻型汽车污染物排放标准，车用汽油机排气污染物排放标准，汽油车燃油蒸发污染
18、物排放标准，汽车曲轴箱污染物排放标准等，(北京市1994年7月1日还同时执行三个地方标准，替代GB14761.5一93、GB14761.6一93、GB147617一93)但只相当国外70年代末水平，而我国仍有25%的在用汽车有害排放物超标。所以汽车排放污染物控制，我国还处于起步和准备阶段。欧洲标准是由欧洲经济委员会（ECE）的排放法规和欧共体（EEC）的排放指令共同加以实现的，欧共体（EEC）即是现在的欧盟（EU）。排放法规由ECE参与国自愿认可，排放指令是EEC或EU参与国强制实施的。汽车排放的欧洲法规（指令）标准1992年前巳实施若干阶段，欧洲从1992年起开始实施欧（欧型式认证排放限值）
19、、1996年起开始实施欧（欧型式认证和生产一致性排放限值）、2000年起开始实施欧（欧型式认证和生产一致性排放限值）、2005年起开始实施欧（欧型式认证和生产一致性排放限值）。 汽车排放的国标与欧标不一样。国标是根据我国具体情况制定的国家标准。欧标是欧共体国家成员通行的标准。欧标略高于国标。目前在我国新车常用的欧和欧标准等术语，是指当年EEC颁发的排放指令。例如适用于重型柴油车（质量大于3.5吨）的指令“EEC88/77”分为两个阶段实施，阶段A（即欧）适用于1993年10月以后注册的车辆；阶段B（即欧）适用于1995年10月以后注册的车辆。汽车排放的欧洲法规（指令）标准的内容包括新开发车的型
20、式认证试验和现生产车的生产一致性检查试验，从欧开始又增加了在用车的生产一致性检查。汽车排放的欧洲法规（指令）标准的计量是以汽车发动机单位行驶距离的排污量（g/km）计算，因为这对研究汽车对环境的污染程度比较合理。同时，欧洲排放标准将汽车分为总质量不超过3500公斤（轻型车）和总质量超过3500公斤（重型车）两类。轻型车不管是汽油机或柴油机车，整车均在底盘测功机上进行试验。重型机由于车重，则用所装发动机在发动机台架上进行试验。目前，世界汽车排放标准并立，分为欧洲、美国、日本标准体系。欧洲标准测试要求相对而言比较宽泛，是发展中国家大都沿用的汽车尾气排放体系。并且，由于我国的轿车车型大多从欧洲引进生
21、产技术，中国大体上采用欧洲标准体系。2 汽车排放污染物的成因及其危害汽车排放的污染物主要来源于内燃机。汽车尾气排放的主要污染物为:一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物和铅等。一氧化碳(CO)和人体红细胞中的血红蛋白亲和生成碳氧血红蛋白,从而削弱血液向各组织输送氧的功能,造成感觉、反应、理解、记忆力等机能障碍,重者导致生命危险。氮氧化物(NO、NO2)都是对人体有害的气体,特别是对呼吸系统有危害。据统计,机动车20万辆以上的城市,排放的氮氧化物所造成的空气污染占空气中氮氧化物(NOX)污染比例已上升到40%以上。因此机动车污染已成为各城市的环境公害之一,做好机动车排污检测管理工作,是市政府有效遏制机动
22、车污染的重要手段。内燃机的排气成分随内燃机的类型及运转条件的改变而改变。汽油机中,这些有害排放物约占废气总量的5%,而一辆机动车所排放的有害废气相当于四辆小轿车。城市大气污染物中氮氧化合物居高不下,主要是由汽车尾气引起的。特别在夏天阳光的照射条件下,NO2和O3,SO2可产生光化学反应,生成淡蓝紫色的光化学烟雾,其毒害更大。在国内一些城市,汽车尾气污染已占大气污染比重的50%。2.1一氧化碳的危害一氧化碳是燃料不完全燃烧后产生的一种无色、无味、无刺激性的有害气体。一氧化碳是汽油机排放浓度最高的有害气体，人吸入一氧化碳后，非常容易和血液中的血红蛋白结合，他的结和力是氧的300倍，因此肺里的血红蛋
23、白不与氧结合而与一氧化碳结合，人就会出现中毒现象，如反应能力、视敏度下降等，一氧化碳中毒的中期症状是咳嗽、头晕、恶心、呕吐、胸痛、呼吸困难，严重时会发生虚脱昏迷甚至死亡。CO的容许限度规定为8h内100ppm。如1h内吸入500ppm的CO，就会出现中毒症状，并危害中枢神经系统，造成感觉、反应、理解、记忆等机能障碍，严重时引起神经麻痹。如1h内吸入1000ppm的CO，就会发生死亡。2.2碳氢化合物的危害碳氢化合物是具有刺激性的气体，其浓度量小于一氧化碳，碳氢化合物中大部分对人体健康的直接影响并不明显。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
24、，能使一些植物发育异常。碳氢化合物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，对人的呼吸系统、神经系统、造血系统都有严重的损坏作用。碳氢化合物形成酸雨，污染湖泊、土壤，影响林业渔业、牧业生产，侵蚀石质和某些金属建筑物等。2.3氮氧化合物的危害氮氧化合物是在燃料混合均匀，燃料得到极大的充分燃烧时，在高温富氧的情况下生成的。气缸充量中的氮在高温条件下与充量中的一定量的氧发生化学反应，生成氮氧化合物（一氧化氮和二氧化氮），一般温度高于1300时开始生成氮氧化合物，随温度升高，生成量增加。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，氮氧化合物进入肺部后，能形成亚硝酸和硝
25、酸，对肺组织产生剧烈刺激，增加肺毛细血管的通透性，最后造成肺气肿，亚硝酸则与血红蛋白结合，形成高铁血红蛋白，引起组织缺氧。氮氧化合物的最大危害是形成光化学烟雾，氮氧化合物与碳氢化合物在日光照射下会生成化学烟雾。光化学烟雾能使人眼红、头痛、手足抽搐，还能使植物枯死，橡胶破裂等。3汽车排放污染物的影响因素汽车内燃机排气所造成的公害，对汽油机而言，CO、HC和NOX是主要的有害成分，而光化学烟雾是由HC和NOX转化而成的。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
26、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（）：=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=1的可燃混合气即为理论混合气；1的为浓混合气；1的则为稀混合气。3.1影响一氧化碳生成的因素当混合气混合不均匀时,汽油机是预先混和混合气的,所以即使在1时混合气也不可能绝对的均匀,总会有过浓区,加上进气管壁面上有汽油膜的存在,油膜也会随着进气边流动边蒸发,也会造成混合
27、气不均匀,而且各缸的均匀性也不相等,所以实际上即使在1时也会产生CO。CO2和水在高温时离解,即使在稀混合气燃烧时,有足够的氧气,但是由于发动机缸内温度很高,当温度超过2000时CO2时就会发生高温离解反应；H2O在高温时也会分解成H2和O2,H2参加反应,使CO2还原成CO。（1）进气温度的影响一般情况下，冬天气温可达-20以下，夏天在30以上，爬坡时发动机罩内T80。随着环境温度的上升，空气密度变小，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，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。即空燃比随吸入空
28、气温度的上升而变浓，排出的一氧化碳将增加。因此,冬天和夏天发动机排放情况会有很大的不同。（2）大气压力的影响通过试验证明,如果进气管压力降低,空气密度就会下降。那么空燃比就会下降,CO排放量也就将增大。（3）进气管真空度的影响当汽车急剧减速时,发动机真空度在68kPa以上时,停留在进气系统中的燃料,在高真空度下的作用下,急剧蒸发而进入燃烧室,造成混合气瞬时过浓,使燃烧状况恶化,CO浓度也将增加到怠速时的浓度。（4）怠速转速的影响通过试验证明,在怠速转速为600r/min时,CO14%,700r/min时,降为1%左右,这说明随着怠速转速的提高,可以有效地降低排气中CO浓度。（5）发动机工况的影
29、响发动机负荷一定，一氧化碳的排放量随转速增加（空气流量增加）而降低，到一定的车速后，变化不大。这是由于化油器供给发动机的空燃比随流量增加接近于理论空燃比的结果。3.2影响碳氢化合物形成的因素（1）燃烧室内沉积物的影响发动机使用一段时间后,就会在燃烧室壁面、活塞顶、进排气门上形成沉积物,沉积物具有多孔性和固液多相性,它的生成机理更为复杂。沉积物沉积于间隙中,由于间隙容积的减少,可能使由于狭隙效应而生成的HC排放量下降,但同时又由于间隙尺寸减小而可能使HC排放量增加。这种由燃烧室内沉积物所产生的占排放总量的10%左右。（2）混合气质量的影响混合气质量的优劣主要体现在燃油的雾化蒸发程度、混合气的均匀
30、性、空燃比和缸内残余废气系数的大小等方面。混合气的均匀性越差,则HC排放越多。当空然比略大于理论空然比时, HC有最小值。混合气过浓或过稀均会发生不完全燃烧,废气相对过多则会使火焰中心的形成与火焰的传播受阻甚至出现断火,致使HC的排放量增加。（3）运行条件的影响 负荷的影响。发动机试验结果表明,当空燃比和转速保持不变,并按最大功率调节点火时刻时,改变发动机负荷,对HC的相对排放浓度几乎没有影响。但当负荷增加时, HC排放量的绝对值将随着废气流量的变大而几乎呈线性增加。 转速的影响。发动机转速对HC排放浓度的影响非常明显。当转速较高时,HC排放浓度明显下降,这是由于气缸内的混合气扰流混合改善了燃
31、料的燃烧过程,促进了排气管内的氧化反应。 点火时刻的影响。点火时刻对HC排放浓度的影响体现在点火提前角上。点火提前角减小,可使HC下降,这是由于点火延迟使混合气燃烧时的激冷壁面面积减小,同时使排气温度增高,促进了HC在排气管内的氧化。 壁温的影响。燃烧室的壁温直接影响着激冷层的厚度和HC的排气后反应。 燃烧室面容比的影响。燃烧室面容比大，单位容积的激冷面积也随之增大，未燃烃总量必然也增大。降低燃烧室面容比是降低汽油机HC排放的一项重要措施。3.3 影响氮氧化物形成的因素（1）过量空气系数和燃烧室温度的影响由于过量空气系数直接影响燃烧时的气体温度和可利用的氧浓度，所以对NOX生成的影响是很大的。
32、当小于1时，由于缺氧，即使燃烧室内温度很高，NOX的生成量仍会随着的降低而降低，此时氧浓度起着决定性作用；但当大于1时，NOX的生成量随温度升高而迅速增大，此时温度起着决定性作用。由于燃烧室的最高温度通常出现在1.1，且此时也有适量的氧浓度，因此NOX排放浓度出现峰值。如果进一步增大，温度下降的作用占优势，则导致NO生成量减少。（2）残余废气分数的影响汽油机中燃烧室内的混合气由空气、已蒸发的燃油蒸气和已燃气组成，后者是前一工作循环留下的残余废气，或由废气再循环系统（EGR）中从排气管回流到进气管并进入气缸的燃烧废气。残余废气分数xi定义为：缸内残余废气质量mi与进气终了气缸内充气质量mc之比：
33、xi=mi/mc式中: mc=me+mi+mr，me和mr分别为进入气缸的空气和燃油质量。残余废气分数主要取决于发动机负荷和转速。减小发动机负荷即减小节气门开度和提高转速，均加大了进气阻力，使残余废气分数增大。压缩比较高的发动机残余废气分数较小。通过废气再循环可大大增加气缸中的残余废气分数。当可燃混合气中废气分数增大时，既减小了可燃气的发热量又增大了混合气的比热容，都使最高燃烧温度下降，从而使NO排放降低。（3）点火时刻的影响由于点火时刻对燃烧室内温度和压力有明显影响，因此其对NO生成的影响也很大。图2-10表示了三种空燃比下排气中NO的体积分数随点火提前角 的变化趋势。从该图可以看出：随着的
34、减小，NO排放量不断下降；当值很小时，下降速率趋缓。增大点火提前角使较大部分燃料在压缩上止点前燃烧，增大了最高燃烧压力值，从而导致较高的燃烧温度，并使已燃气在高温下停留的时间较长，这两个因素都将导致NO排放量增大。因此延迟点火和使用比理论混合气较农或较稀的混合气都能使NO排放降低，但同时也会导致发动机热效率降低，严重影响发动机经济性、动力性和运转稳定性，因此应慎重对待。3.4 汽油机微粒汽油机中的排气微粒有三种来源：含铅汽油中的铅、有机微粒（包括炭烟）和来自汽油中的硫所产生的硫酸盐。车用汽油机用含铅量0.15g/L的含铅汽油运转时，微粒排放量在100150mg/km范围内，其主要成分为铅化物，
35、铅质量分数占25%60%，微粒尺寸分布为80%的直径小于0.2m，这种微粒是由排气中的铅盐冷凝生成的。因此，以质量计的排放量在发动机冷起动时较高。目前，由于含铅汽油的淘汰及贵金属三元催化剂的应用，铅微粒当然也不再排放。硫酸盐排放主要涉及排放系统中有氧化催化剂的车用发动机。汽油中的硫在燃烧中转化为SO2，被排气系统中催化剂氧化成SO3后，与水结合生成硫酸雾。因此，汽油机硫酸盐的排放量直接取决于汽油中的硫含量。炭烟排放只在使用很浓的混合气时才会遇到，对调整良好的汽油机不是主要问题。此外当发动机技术状态不良（例如气缸活塞组严重磨损）导致润滑油消耗很大时，会使排气冒蓝烟，这是未燃烧润滑油微粒构成的气溶
36、胶。此时发动机性能明显恶化，需立即检修。4汽油机机内净化4.1汽油机机内净化概述机内净化是从有害排放物的生成机理出发,对内燃机的燃烧方式本身进行改造。如对内燃机的供油、点火及进排气系统进行改进和最优化匹配等,控制有害物的产生,使排出的废气尽可能是无害的。这是汽车排气净化的根本办法。4.1.1汽油机的燃烧过程按燃烧过程的物理-化学状态，将燃烧过程分为三个阶段：着火延迟期、明显燃烧期和补燃期。汽油机燃烧过程的展开示功图如图4-1所示。汽油和空气按一定的比例组成的混合气，进入气缸后被压缩受热。火花塞跳火放电时，两极电压在15000V以上，电火花能量4080mJ，局部温度可达2000以上，致使电极周围
37、的预混合气热反应加速，当反应生成的热积累使反应区温度急剧升高而使火花塞电极附近的混合气着火时，即形成火焰中心。从电火花跳火到形成火焰中心阶段称为着火延迟期，如图4-1中的12点，这是燃烧的第阶段。图4.1 汽油机的燃烧过程-着火延迟期；-明显燃烧期；补燃期；1-火花塞跳火；2-形成火焰中心；3-最高压力点燃烧第阶段是指火焰由火焰中心传播至整个燃烧室，约90%的燃料被烧掉。如图4-1中的23点，被称为明显燃烧期。在均质预混合气中，火焰核心形成后，即以此为中心，由极薄的火焰层（即火焰前锋）开始向四周未燃混合气传播，直到火焰前锋扫过整个燃烧室。这一期间的燃烧是急剧的，燃烧室的温度和压力急剧上升，通常
38、将缸内压力达到极大值时作为急燃室的终点。在此阶段中压力升高率和最高燃烧压力到达时刻是两个重要指标，会对发动机动力性、经济性和排放产生重大影响。从到达最高燃烧压力点3至燃料基本完全烧完为止，称为补燃期，即燃烧的第阶段。此时混合气燃烧速度已开始降低，加上活塞向下止点运动，缸内压力开始下降。由于90%左右的燃烧放热已完成，因而继续燃烧的是火焰前锋面扫过后未完全燃烧的燃料以及壁面及其附近的未燃混合气。4.1.2 汽油机机内净化的主要措施（1）大力推广汽油喷射电控系统。 电控汽油喷射是取代传统化油器供油方式的新技术。 我国目前生产的轿车用汽油机都采用汽油喷射电控系统。它利用各种传感器检测发动机的信 息反
39、馈，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然比的混合气，从而有效地改善燃油经济性和排气净化性能。（2）改善点火系统。采用新的电控点火系统和无触点点火系统，提高点火能量和点火可靠性，对点火正时实行最佳调节，以改善燃烧过程，降低有害排放物的量。 （3）积极开发分层充气及均质稀燃的新型燃烧系统。目前，美、日、德等国已开发出了不少新型燃烧系统，其净化性能及中、小负荷时的经济性均较好。（4）选用结构紧凑和面容比较小的燃烧室，缩短燃烧室狭缝长度，适当提高燃烧室壁温，以削弱缝隙和壁面对火焰传播的阻挡与淬熄作用，可以降低 HC、CO 的排放量。采用4气门或5气门结构，组织进气涡流、滚流或挤流，
40、并兼用电控配气定时、可变进气流通截面 等可变技术，可以有效地改善发动机的动力性、经济性和排气净化性能。（5）采用废气再循环控制。废气再循环是目前控制车用发动机NOX排放的常用和有效措施。内燃机的使用工况与排放性能密切相关。作为车用发动机，应选择有害排放物较低，而动力、经济性又较好的工况为常用工况。因此，在汽车中就需要使用电子控制系统，它可根 据驾驶员对车速的要求及路面状况的变化，对发动机转速和负荷进行优化控制。4.2分层燃烧系统与电喷技术采用汽油直接喷射分层燃烧的方法,不仅可以降低排气污染,还能提高燃油经济性,是汽油机最有前途的净化方法。分层燃烧的原理是让混合气的浓度有组织地分成各种层次,以适
41、应内燃机燃烧的各个阶段,使其充分燃烧,减少有害物质。具体过程是:当点火瞬间在火花塞间隙的周围局部,注入具有良好着火条件的较浓混合气；在燃烧室的大门部分区域则为较稀的混合气。所以,为了有利于火焰传播,必须具有从浓到稀的各种空(气)燃(料)比混合气过渡,才能使燃料得到充分燃烧,从而减少废气中的有害物质。“电喷技术”是实现分层燃烧的一种较好的方法。电喷发动机采用电子控制燃油喷射系统,由控制单元中的信号微处理器计算发动机在不同工况下的最佳空燃比,对混合气成分和点火定时实现最佳控制,可使排放量大幅度下降,有害物质较少。汽车由“电喷”代替“化油器”将是必然趋势。4.3废气再循环4.3.1废气再循环及其净化
42、原理分废气重新引入发动机进气系统，与混合气一起再进入气缸燃烧，如图4.2所示。图4.2 EGR系统工作原理废气混入的多少用EGR率表示，其定义如下：当发动机在负荷下运转时，EGR阀开启，使少量的废气进入进气歧管，与可燃混合气一起进入燃烧室。怠速时EGR阀关闭，几乎没有废气再循环至发动机。汽车废气是一种不可燃气体(不含燃料和氧化剂)，在燃烧室内不参与燃烧。它通过吸收燃烧产生的部分热量来降低燃烧温度和压力，以减少氧化氮的生成量。进入燃烧室的废气量随着发动机转速和负荷的增加而增加。4.3.2废气再循环的控制策略随着EGR率的增加，燃烧开始不稳定，燃烧波动增加，HC排放上升，功率下降，燃油经济学趋于恶
43、化。小负荷特别是怠速时进行EGR会使燃烧不稳定，甚至导致失火，使HC排放激增。全负荷追求最大动力性，使用EGR会使最大功率降低，动力受损。因此，必须对EGR率进行适当控制，使之在各种不同工况下，得到各种性能的最佳折中，实现NOX的控制目标。对EGR系统的控制要求如下：（1）由于NOX排放量随负荷增加而增加，因而EGR量亦应随负荷增加而增加。（2）怠速和小负荷时，NOX排放浓度低，为了保证稳定燃烧，不进行EGR。（3）在发动机暖机过程中，冷却液温和进气温度均较低，NOX排放浓度也很低，混合气供给不均匀，为防止EGR破坏燃烧稳定性，起动暖机时不进行EGR。（4）大负荷、高速时，为了保证发动机有较好
44、的动力性，此时虽温度很高，但氧浓度不足，NOX排放生成物较少，通常也不进行EGR或减少EGR率。（5）为了实现EGR的最佳效果，需保证再循环的排气在各缸之间分配均匀，即保证各缸的EGR率一致。4.3.3 EGR率对汽油机净化与性能的影响采用废气再循环能有效地降低汽油发动机的NOX排放。但EGR率过大会使燃烧恶化，燃油消耗率增大，HC排放上升。小负荷下进行EGR使燃烧不稳定，表现在缸内压力变动率大，工作粗暴，HC排放急剧增加。大负荷时进行EGR，会使发动机动力性受损。因此，在进行EGR时必须考虑其对发动机动力性、经济性的影响。 EGR率对NOX排放浓度和燃油消耗率的影响，如图4.3和图4.4所示
45、。在图4.3中，空燃比被作为参变量，结果是在各点的最佳点提前角条件下得到的。可见，随着EGR率的增大，对降低NOX排放越有利，但从图4.4可以看出，EGR率越大，燃油消耗率也将增加。故要提高NOX净化率，势必要增加燃油消耗率。图4.3 EGR率对NOX排放浓度的影响图4.4 EGR率对燃油消耗率的影响5汽油机后处理净化5.1发动机排气后处理专门对发动机排气进行后处理的方法就是将净化装置串接在发动机的排气系统中，在废气排入大气前，利用净化装置在排气系统中对其进行处理，以减少排入大气的有害成分。在发达国家，车用汽油机采用后处理装置较多。这些装置主要有三元催化转换器、热反应器和空气喷射器等。目前，在
46、发达国家生产的汽油车几乎都装备了三元催化转换器，并已有20多年的商业化应用历史。随着我国经济的高速发展，城市机动车辆日益增多，其废气已严重污染了大气环境，对三元催化转化器的需求将更为迫切。机外净化是通过附设在内燃机外部的装置对内燃机排出的废气在进入大气之前进行处理,使废气中有害成分的含量进一步降低。主要技术是在排气系统中安装三元催化转化器、微粒过滤器等。目前我国主要应用的方法为一段净化法,以称“氧化催化燃烧法”,是利用装在汽车排气管尾部的氧化催化燃烧装置,将汽车发动机排出的CO和HC在反应装置中与排气残留的氧或另外供给的空气中的O2结合生成无害的CO2和H2O。这种方法只能去除CO和HC,对N
47、OX没有去除作用。另外还有二段净化法,需要两个催化反应器分别完成对NOX的还原反应和对CO和HC的氧化反应,技术尚不成熟。目前国际上通用的是三元催化净化装置,采用能同时完成CO、HC的氧化和NOX还原反应的催化剂,将三种有害物质一起净化。采用此法可节省燃料,减少催化反应器数量,是一种技术层次高,治污效果明显的净化方法。5.2三元催化转化器5.2.1三元催化转化器的基本结构三效催化转化器由壳体、垫层和催化剂组成，其中，催化剂包括载体、涂层和活性组分。对车用的三元催化转化器主要有以下要求:（1）起燃温度低，有利于降低内燃机冷起动时的排气污染物排放；（2）较高的储氧能力，以补偿过量空气系数的波动；（3）耐高温，不易热老化；（4）对杂质不敏感，不易被化学毒化；（5）极少产生H2S、NH等物质；（6）价格合适。5.2.2 催化反应原理三元催化反应器的工作原理是:发动机通过排气管排气时, CO、HC和NOX三种气体通过三元催化反应器中的催化剂时,增强3种气体的活性,进行氧化-还原的化学反应。其中CO在高温下氧化成无色、无毒的CO2气体。碳氢化合物在高温下H2O和CO2。氮氧化合物还原成无害的N2和O2。3种有害气体变成无害气体,使尾气得以净化。三元催化净化的原理是在使用催化剂的情况下,除了利用排气中的CO、HC和H2作为还原剂,使NO还原成N2外
