汽车前沿技术科普系列--图说汽车尾气净化技术电子书

前言

第1章 汽车尾气的来源、危害和控制方法

1.1 尾气污染物，从何而来？

1.1.1 汽油车、柴油车——有所不同的“污染源”

图1-1 汽油车与柴油车燃料、尾气污染物和氧浓度的差异

1.1.2 各类污染物都是怎么来的？

图1-2 空燃比（A/F）及空气/燃料当量比（λ）对汽油车发动机功率和尾气成分的影响

图1-3 碳烟颗粒物在发动机中的形成过程

1.2 汽车尾气污染有多严重？

1.2.1 汽车尾气对大气环境的影响

图1-4 雾霾笼罩下的洛杉矶市中心

图1-5 洛杉矶光化学烟雾成因示意图

图1-6 洛杉矶地区各类空气污染物浓度在1960—2010年间的变化

表1-1 近年来世界部分地区汽车尾气污染物对其PM2.5贡献统计

续表

1.2.2 汽车尾气对人体健康的危害

图1-7 1968—1998年由于CO中毒导致意外死亡人数与汽车尾气排放之间的关系

图1-8 世界范围内因大气污染而产生的易感人群总量

图1-9 非洲婴儿死亡率与大气中PM2.5浓度的关系

1.3 如何实现汽车尾气减排？

1.3.1 世界各国排放法规简介

图1-10 部分国家和地区汽车尾气排放法规随时间的变化

图1-11 世界主流排放法规体系目前对轻型汽车四类典型尾气污染物[CO、NMHC（甲烷以外的HC）、NOx和PM]的排放限值及相应测试方法比较

1.3.2 汽车尾气污染物控制技术简介

图1-12 典型柴油车“机内净化”与“尾气后处理”系统联用示意图

（1）“机内净化”技术简介

图1-13 典型的汽油车电控燃油喷射（EFI）系统示意图

图1-14 废气再循环（EGR）系统工作原理示意图

图1-15 涡轮增压器工作原理示意图

（2）“尾气后处理”技术简介

图1-16 汽油车三效催化转化系统机理及效果示意图

图1-17 柴油车颗粒物过滤器（DPF）工作原理及效果示意图

图1-18 柴油车选择性催化还原（NH3-SCR）净化NOx工作原理

参考文献

第2章 机内净化——控制尾气污染物“产出”

2.1 汽油车机内净化技术

2.1.1 汽油喷射与点火系统优化

图2-1 卡尔·本茨发明的第一款“奔驰专利汽车”

图2-2 现代化油器燃油吸入原理（与建筑物间风哨原理相同）示意图

图2-3 早期的油绳（灯芯）式化油器（a）、浮筒（表面）式化油器（b），以及优化后的浮筒式化油器实物图（c）

图2-4 奔驰汽车公司于1939年开发的汽油直喷式航空发动机（总长2.15米）

图2-5 歧管喷射（a）与燃油直喷（b）发动机结构对比示意图

图2-6 博世公司推出的D-Jetronic燃油喷射系统

图2-7 与歧管（间接）喷射系统相比，GDI（燃油直喷）系统在动力（a）、油耗（b）以及NOx减排（c）方面的优势

图2-8 汽油车点火系统的早期演变过程

图2-9 空气/燃料当量比和点火正时对汽油发动机尾气污染物含量的影响（点火提前角αz较大说明点火时机较早，反之则较晚）

2.1.2 汽油燃烧系统优化

图2-10 汽油发动机均质燃烧（a）与分层燃烧（b）模式点火前状态比较

图2-11 GDI发动机的运行模式随转速及载荷转变示意图

图2-12 用于造成分层燃烧的壁面引导（a）、气流引导（b）及喷雾引导（c）系统示意图

图2-13 喷雾引导GDI发动机喷射正时对其燃烧和排放特性的影响

图2-14 喷雾引导GDI发动机单次喷射量对燃料穿透深度和PM排放的影响

2.1.3 汽油机气路系统优化

图2-15 空燃比与三效催化系统对汽油车尾气污染物含量的影响

图2-16 运行于化学计量状态下（λ=1）的汽油发动机所产生的尾气成分

图2-17 EGR率对几种典型汽油车尾气成分的影响

图2-18 典型的机械增压装置——双螺杆增压器的工作原理示意图

图2-19 涡轮增压系统工作原理示意图

图2-20

图2-20 汽油发动机不同载荷下废气涡轮增压系统对尾气污染物的影响

2.2 柴油车机内净化技术

2.2.1 柴油喷射系统优化

图2-21 鲁道夫·狄赛尔设计的“250/400”型柴油机（a）以及莱昂·勒瓦瓦瑟尔设计的“Antoinette 8V”型车用柴油机（b）

图2-22 直列泵基本结构示意图

图2-23 维克斯造船厂于1917—1919年为“L”级潜艇生产的高压供油引擎

图2-24 搭载有早期高压共轨系统的“8140.21号”发动机

图2-25 现代高压共轨系统工作原理示意图

图2-26 高压共轨、“时间控制”以及传统系统燃油喷射压力与发动机转速的关系

图2-27 高压共轨系统不同燃油喷射压力和发动机转速下颗粒物排放量比较（颜色越深，说明颗粒物排放越多）

图2-28 20世纪90年代中期生产的重型柴油机高压共轨系统喷油时间对其燃油效率（BSFC）、PM和NOx排放量的影响，以及与当时EGR系统效果的比较

2.2.2 柴油燃烧系统优化

图2-29 基于平面激光成像的准静止柴油喷雾燃烧概念模型

图2-30 内燃机温度与燃料/空气当量比对典型污染物生成的影响

图2-31 内燃机燃烧策略的演变过程示意图

图2-32 使用热球发动机的“兰兹斗牛犬”拖拉机构造示意图

图2-33 HCCI、CI与SI三种内燃机燃烧策略的异同

图2-34 几种燃烧策略污染物排放量的比较（传统柴油机的NOx和PM排放量存在此消彼长的“权衡”关系，此处展示的是NOx较多、PM较少的情况）

2.2.3 柴油机气路系统优化

图2-35 高压、低压废气再循环系统架构示意图

图2-36 EGR率对柴油车污染物排放和油耗的影响

图2-37 柴油车EGR系统与颗粒物过滤器的联用

图2-38 小型柴油机涡轮增压与EGR系统联用效果

2.3 机内净化技术展望

图2-39 各类内燃机燃烧技术所需燃料、点火/燃烧过程和应用场合比较

图2-40 马自达的SPCCI技术工作情景（a）以及具体效果（b）示意图

参考文献

第3章 后处理技术——防止尾气污染物“逃逸”

3.1 汽油车后处理技术

3.1.1 三效催化

图3-1 尤金·霍德里手持催化转化器原型

图3-2 1990年各类催化转化技术对汽油车尾气污染控制效果对比

图3-3 运行在高温富氧环境下三效催化剂的状态变化

图3-4 铂、铑、钯三类贵金属价格随年份波动示意图

图3-5 部分现代三效催化剂涂覆效果示意图（截面图）：蜂窝陶瓷前端可控涂覆含钯催化剂（a、b），蜂窝陶瓷后端涂覆含铑催化剂（c）以及储氧组分的分区域涂覆（d）

图3-6 现代三效催化装置示意图

3.1.2 冷启动催化减排

图3-7 化学反应过程中催化剂的作用示意图

图3-8 三效催化剂对典型汽油车尾气污染物起活温度示意图

图3-9 两种紧密耦合三效催化剂的布局方式

图3-10 电加热装置在三效催化系统中的布局和电加热前后HC减排效果

图3-11 典型HC吸附催化剂结构和使用原理示意图

图3-12 冷启动HC释放浓度和三效催化剂转化效率随温度变化示意图

3.1.3 汽油车颗粒物过滤

图3-13 轻型车辆新技术在市场中的应用效果和GDI产生的PM排放问题

图3-14 汽油车颗粒物过滤器（GPF）的基本构造与使用原理

图3-15 GDI产生的PM燃烧温度（a），GPF入口温度随汽车行驶的变化（b）以及GPF过滤PM效率随温度的变化（c）

图3-16 在GDI汽油车高速行驶时GPF内部氧浓度（a），CeO2随外界氧浓度变化储放氧（b）以及不同CeO2基材料催化GDI碳烟燃烧效率比较（c）

图3-17 巴斯夫公司展示的汽油车“四效催化”工作原理示意图

图3-18 一辆搭载GPF装置的汽车在行驶20万公里后过滤器内部的灰分分布

3.1.4 汽油车尾气后处理技术展望

图3-19 汽油车尾气后处理系统布局的现状与未来

图3-20 汽油车尾气后处理催化剂的现状与未来

3.2 柴油车后处理技术

3.2.1 柴油催化氧化

图3-21 柴油氧化催化剂（DOC）工作原理及效果示意图

表3-1 不同材料催化氧化能力对比（福特汽车公司1975年报道）*

图3-22 不同年份生产的柴油车尾气中NO2所占NOx比例

图3-23 DOC对柴油车尾气后处理系统的加热效果示意图

3.2.2 柴油车颗粒物过滤

图3-24 戴姆勒-奔驰公司早期开发的颗粒物过滤器系统（a）及其在长时间使用后出现的结构坍塌和孔道堵塞问题（b）

图3-25 三类现代DPF装置使用原理示意图

图3-26 铂催化剂氧化碳烟颗粒原理示意图（a），赵震团队开发的用于碳烟催化燃烧的三维有序大孔催化剂（b）以及张昭良团队开发的电气化催化碳烟燃烧技术（c）

图3-27 常见的PSA添加剂二茂铁（a），以及PSA系统（b）和CDPF系统（c）运行80000公里后灰分积累情况示意图

图3-28 DPNR系统在稀燃和富燃状态下工作原理示意图

3.2.3 柴油车催化脱硝

图3-29 催化反应过程中“选择性”相关概念示意图

图3-30 工业烟气脱硝系统及其工作原理示意图

图3-31 船用柴油发动机上的SCR催化系统

图3-32 典型车载NH3-SCR系统示意图

图3-33 传统V2O5基催化剂与分子筛催化剂柴油车NH3-SCR性能比较

图3-34 典型车载HC-SCR系统示意图

图3-35 LNT系统在稀燃和富燃状态下工作原理示意图

图3-36 LNT和SCR系统成本随发动机尺寸变化的趋势

图3-37 联用LNT和SCR系统净化柴油车NOx设计示意图

3.2.4 柴油车催化脱氨

图3-38 ASC系统的更新换代和由此带来的贵金属使用量和脱氨效果变化

图3-39 现代氨泄漏催化剂反应原理示意图

3.2.5 柴油车尾气后处理技术展望

图3-40 典型现代柴油车（重型卡车）发动机、尾气后处理系统及其效果示意图

图3-41 选择性催化还原过滤器（SCRF）结构及使用原理示意图

图3-42 大众汽车公司2019年提出的“双SCR系统”及其NOx净化效果示意图

参考文献

第4章 尾气减排关键材料——污染物的“克星”

4.1 燃油品质提升相关材料

4.1.1 燃油抗爆震剂

图4-1 历经数千年仍然完好无损的古罗马铅制水管

图4-2 加油站中的“汽油标号”实际指其辛烷值

图4-3 托马斯·米基利和他对世界环境产生巨大影响的两项发明：四乙基铅与氟利昂

图4-4 不同年代儿童期铅暴露与成年后犯罪率之间的关联

图4-5 历史铅用量及其与人体血铅含量之间的关系

图4-6 因使用MMT导致的汽油车氧传感器（a）及火花塞（b）锰氧化物沉积

4.1.2 裂化与重整催化剂

图4-7 炼油厂的原料、典型加工工艺与产品

图4-8 典型的现代FCC装置示意图

表4-1 FCC催化剂的发展历史

图4-9 典型的FCC催化剂照片、微观形貌及组成成分示意图

图4-10 典型的连续催化再生（CCR）重整装置示意图

图4-11 重整催化剂的宏观形貌（小球）、活性组分和反应效果的演变

图4-12 重整指数和产品汽油辛烷值对催化重整产率的影响

4.1.3 燃油脱硫材料

图4-13 1991年菲律宾皮纳图博火山喷发实景

图4-14 商用HDS催化剂CoMo/Al2O3的主要活性相示意图

图4-15 康菲公司开发的“S-Zorb”吸附脱硫工艺装置示意图

图4-16 FCAS-R09系列脱硫吸附剂扫描电子显微照片

4.1.4 现代车用燃油组成

表4-2 国内车用汽油组分的变化

表4-3 国内车用柴油组分的变化

4.2 尾气后处理相关材料

4.2.1 催化剂载体材料

图4-17 孔洞对材料表面积的增益作用（a）以及常见催化剂载体微观形貌（b）

图4-18 氧化铝在不同温度下物相、形貌、结构和表面积的变化

图4-19 汽车尾气净化催化剂陶瓷载体形貌的演变

表4-4 各类陶瓷载体材料的特点及主要生产厂家

图4-20 蜂窝陶瓷载体的挤出过程与模具头样例（a）和具有不同孔密度/孔壁厚度的蜂窝陶瓷产品（b）

图4-21 涂覆在堇青石载体表面催化剂浆料的干燥过程（a）和由此获得的催化剂载体/涂层电子显微图片（b）

4.2.2 贵金属材料

图4-22 地壳中各种元素的丰度对比（以Si原子数量×106为基准）和卢奇格斯杯

图4-23 “火药箱”点火器（a）和催化法生产硫酸使用的“接触室”（b）

图4-24 贵金属负载于三氧化二铝表面的高角环形暗场扫描透射显微图片，以及铂（Pt）、铑（Rh）、钯（Pd）独立的三效催化净化效果对比

表4-5 三效催化剂配方对其性能的影响（排放值越低说明性能越好）

图4-25 不同贵金属的塔曼温度及其在催化反应中的断键能力比较

图4-26 不同条件处理对铂-钯复合催化剂氧化C3H6（a）及CO（b）性能的影响（转化温度越高意味着催化剂性能越差）

图4-27 学术界提出的增强贵金属催化剂热稳定性的部分办法：核壳结构或孔道结构限域保护（a），以及脱溶导诱导的载体绑定和颗粒均一化（b）

图4-28 Pt1/FeOx单分散催化剂结构（a），铂原子在不同载体表面的迁移和单原子绑定过程（b），以及原子团簇型贵金属催化剂与商用三效催化剂性能对比（c）

4.2.3 稀土材料

图4-29 2016年世界稀土产量和应用领域分布

图4-30 世界各类稀土储量比例估算

图4-31 一些材料氧化还原能力对比以及二氧化铈储放氧过程示意图

图4-32 铈锆固溶体储放氧过程示意图（a）以及二氧化铈、铈锆固溶体控制三效催化剂周围尾气空燃比效果对比（b）

图4-33 具有不同微观结构的铈锆复合氧化物储氧性能比较（a）以及三氧化二铝改性前后铈锆固溶体在高温环境烧结行为差异（b）

图4-34 二氧化铈对负载于其表面贵金属的“绑定”作用

图4-35 三效催化剂中贵金属、储氧材料在载体表面分布示意图

4.2.4 分子筛材料

图4-36 典型辉沸石矿（a）与其晶体结构（b）

图4-37 不同分子筛骨架结构以及其中存在的二级结构单元

图4-38 介孔分子筛与传统分子筛相比在FCC催化过程中的优势

图4-39 沸石分子筛中的离子交换过程示意图

图4-40 NH3-SCR催化剂选用分子筛的发展历程（a）以及不同类型铜基分子筛脱硝效率和脱硝选择性对比（b）

参考文献

第5章 面向未来的尾气净化——减排与降碳

5.1 传统化石燃料的现状与未来

图5-1 不同时期世界各类能源消耗量比较

图5-2 各行业对世界几类主要大气污染物的贡献比较

图5-3 温室效应示意图（a）以及地球表面的典型温室气体（b）

图5-4 世界各类资源耗尽时间分析

图5-5 车用替代燃料和替代动力开发背后的驱动力

图5-6 2001—2020年欧洲、美国和中国新销售汽车所用燃料的演变

图5-7 各种汽车燃料能量密度对比

图5-8 国际能源署（IEA）提出的交通运输行业CO2减排路线图

图5-9 对一辆在高速公路行驶的柴油车进行的能量流分析

图5-10 2010年至2019年世界部分国家/地区轻型汽车燃油经济性的变化

5.2 汽车的“替代燃料”

5.2.1 替代燃料的分类与效果

图5-11 国际能源署（IEA）提出的“2℃情景”下交通运输行业能源变化构想

图5-12 各类常见燃料的来源一览

图5-13 各类可用于内燃机汽车的燃料特性一览

图5-14 可用于内燃机汽车的替代燃料简要分类

图5-15 美国各类替代燃料/动力汽车市场保有量随时间变化（按燃料种类分类）

5.2.2 类汽油替代燃料：天然气与液化石油气

图5-16 天然气与液化石油气的来源和差别

图5-17 天然气与煤炭作为燃料使用过程中温室效应比较

图5-18 两辆“欧Ⅴ”标准双燃料汽车使用汽油、CNG或LPG时CO2排放比较

图5-19 三效催化剂对于汽油车（a）和CNG汽车（b）尾气减排效果比较

图5-20 两辆“欧Ⅴ”标准双燃料汽车使用汽油、CNG或LPG时污染物排放比较

图5-21 全生命周期（即“油井到车轮”，WtW）评价传统燃油汽车和天然气汽车的温室效应，可见后者行驶过程中CO2减排的效应被天然气生产和CH4排放完全抵消

图5-22 稀燃CNG发动机操作窗口（a）、与传统汽/柴油机相比燃油效率（b）和CNG直喷发动机结构示意图（c）

图5-23 “稀燃”模式下不同贵金属催化剂氧化甲烷性能比较（a）以及不同钯基催化剂氧化甲烷稳定性比较（b）

5.2.3 类汽油替代燃料：甲醇与乙醇

图5-24 不同国家和地区2020年乙醇产量（a）以及巴西轻型汽车燃料随时间变化（b）

图5-25 不同原料生产的生物乙醇与汽油全生命周期温室效应比较（a）以及将车用汽油替换为生物乙醇后产生的温室效应变化率（b）

图5-26 在配备GDI发动机的FFV中使用不同混合燃料，冷启动阶段污染物排放对比

图5-27 不同国家和地区2018年甲醇产量（a）以及中国燃料甲醇的应用领域（b）

图5-28 不同来源的甲醇燃料与传统燃油之间温室效应比较

图5-29 在配备GDI发动机的FFV中使用不同燃料污染物排放对比

5.2.4 类汽油替代燃料：氢与氨

图5-30 硬式飞艇与油轮尺寸比较（a）以及“兴登堡”号飞艇的烧毁（b）

图5-31 麦肯锡咨询公司对于不同动力驱动汽车使用成本变化的预测

图5-32 全球氢气的生产方式和近年来氢气应用领域的变化

图5-33 使用不同燃料的内燃机汽车全生命周期温室效应比较

图5-34 燃料/空气当量比对氢内燃机汽车排放和效率的影响（a）以及氢内燃机汽车降低NOx排放、提升发动机效率的总体技术路线（b）

图5-35 不同含氢燃料的氢含量比较

图5-36 使用不同燃料的内燃机汽车全生命周期温室效应强度比较（a）以及利用不同能源（电力）生产的氨燃料在使用时导致的温室效应强度比较（b）

图5-37 氨燃料汽车发动机入口温度（a）和缸内空燃比（b）对尾气污染物成分影响

5.2.5 类柴油替代燃料：生物柴油与二甲醚

图5-38 生物柴油的化学结构、全球产量和所需生物原料

图5-39 不同原料生产的生物柴油与柴油全生命周期温室效应比较（a），以及一处在热带雨林边界的棕榈种植园（b）

图5-40 柴油中掺入生物柴油对其污染物排放的影响（a）以及不同原料生产的生物柴油使用时NOx排放量比较（b）

图5-41 生物柴油在全美柴油产量中的占比（a）以及近年来美国传统生物柴油和再生柴油产量的变化（b）

图5-42 传统生物柴油掺入再生柴油对其污染物排放的影响（RD50 B50代表混有50%再生柴油的传统生物柴油，RD100代表纯再生柴油）

图5-43 DME与柴油全生命周期温室效应比较

图5-44 二甲醚与柴油使用过程中污染物排放对比

5.2.6 车用替代燃料展望

图5-45 全球2019—2021年主要生物燃料的需求量比较

图5-46 不同时期世界发电总量与发电所用能源比较

5.3 汽车的“替代引擎”

5.3.1 电池电动汽车与混合动力汽车

图5-47 内燃机汽车、混合动力汽车和电池电动汽车的比较

图5-48 混合动力汽车和电池电动汽车全球保有量及重点区域销售量变化情况

图5-49 不同情境下中国内燃机汽车、混合动力汽车和电池电动汽车温室效应比较

图5-50 中国电力结构在2015—2020年间的变化

图5-51 CCUS技术示意图及全球相关设施数量在2010—2021年间的变化

图5-52 国际能源署根据“2050年零碳”情景对各类生物燃料产量变化的预测

5.3.2 燃料电池汽车

图5-53 电池电动汽车与燃料电池汽车的比较

图5-54 燃料电池汽车（以及加氢站）2021年的全球分布和应用场景划分

图5-55 不同情境下全球氢气生产过程（“油井到油箱”，WtT）温室效应比较

图5-56 世界不同汽车类型（ICEV、HEV、PHEV、BEV及FCEV）温室效应比较

参考文献