环境污染与车辆尾气排放关联度调研

及排气尾管设计

学院（系）： 汽车工程学院

专业班级： 能源1401班

学生姓名： 李乐

指导教师： 欧阳莉

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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年 月 日

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作者签名： 年 月 日

导师签名： 年 月 日

摘要

随着汽车工业不断的迅速发展，汽车的保有量以及行驶里程数的增加，汽车尾气排放已经成为了大气污染的主要污染源，汽车尾气引起的大气污染问题也逐渐引起了人们的关注。汽车所产生的空气污染比任何其他单一活动产生的空气污染都多。全球因矿物燃料的燃烧而产生的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物的排放量，几乎一半来自汽油机和柴油机。因此，有效地控制汽车尾气，治理大气污染，是全人类必须解决的问题之一。本文针对汽车尾气排放控制与净化的问题，研究发动机排气系统，通过对排气尾管的结构进行优化设计来改善这一问题。主要方向是使用CuO/CeO₂复合氧化物催化剂来进一步减少尾气中的CO，然后运用CATIA和FLUENT等软件对尾管套管进行结构设计计算和建模，进行流体流场模拟分析，从而设计出能进一步减少尾气中CO的排气尾管。

关键词：汽车尾气；复合氧化物催化剂；排气尾管；建模分析

Abstract

With the rapid development of automobile industry, car ownership and the increasing mileage, vehicle emissions has become the main sources of air pollution, air pollution caused by automobile exhaust problem is increasingly serious. The air pollution by cars than any other single activity and causing air pollution, the world because of the burning of fossil fuels and emissions of carbon monoxide, hydrocarbons, nitrogen oxides, almost half from gasoline engine and diesel engine. Therefore, the effective control of automobile exhaust and air pollution is one of the problems that mankind must solve. Aiming at the problem of automobile exhaust emission control and purification, this paper studies the engine exhaust system and optimizes the design of the exhaust tail pipe to improve the problem. Main direction is the use of CuO/CeO₂composite oxide catalysts to further reduce the exhaust of CO, then using CATIA and FLUENT software was carried out on the tail pipe casing structure design calculation and modeling, fluid flow field simulation analysis, and designed to further reduce exhaust of tail pipe CO.

Keywords：Automobile exhaust; Composite oxide catalyst; Tail pipe;Modeling analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状 2

第2章 轻型车排放率模型及影响因素 4

2.1排放率速度回归模型 4

2.2轻型车排放率影响因素分析 7

2.2.1行驶工况与排放率分析 7

2.2.2不同时段的排放状况比较 9

2.3 本章小结 11

第3章 尾管设计的边界条件 12

3.1排水性 12

3.2尾管与后保险杠距离 12

3.3整车离去角 13

3.4防止高温尾管与人接触 14

第4章 尾管的结构设计 15

4.1材料选择 15

4.1.1活性炭纤维 15

4.1.2活性炭纤维的脱销性能 15

4.1.3活性炭纤维的再生性能 16

4.2催化剂的使用 16

4.2.1催化剂的介绍 16

4.2.2催化剂量的计算 17

4.3尾管的结构尺寸 19

4.3.1尾喉外形尺寸确定 19

4.3.2尾喉软件建模分析 20

第5章 结论与展望 23

参考文献 24

致谢 25

第1章 绪论

1.1研究背景与意义

20世纪90年代以来，我们国家的汽车保有量迅速增长，平均年增长率高达15%左右。根据公安部交通管理局统计，截止到2015年底，我们国家机动车保有量达到了2.79亿辆，这其中传统能源汽车达到了1.72亿辆，但是，我国目前机动车的污染控制水平仅仅相当于发达国家20世纪90年代中后期水平，大量的机动车污染物集中在城市道路排放，使一些城市空气质量恶化严重^[1]。环境保护部发布的《2015年中国机动车污染防治年报》显示，2014年我们国家机动车排放污染物有4500多万吨，这已经成为我门国家的空气主要污染源^[9]。年报还显示，高排放的“黄标车”目前仍然占机动车总量的6.8%，贡献超过45%的一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物以及74.6%的颗粒物，今后要加强机动车生产、使用、淘汰等全过程监管^[2]。

汽车保有量的增加，是促进城市环境日益恶化的原因之一。在我国的一些大城市，汽车尾气排放在大气污染中所占的比重越来越大，空气污染越来越严重，为了减少大气污染，控制汽车尾气污染物排放已成当务之急。目前，我国经常出现持续时间长、强度强、范围广的雾霾天气，雾霾天气状况与颗粒物的浓度密切相关，大气污染的主要污染源也是汽车所排放的尾气。随着汽车工业的迅速发展，汽车的保有量增加以及里程数增加，都导致了大气受到严重污染，统计数据显示，一辆汽车在一年中排出的废气总量比自身重量还要大了三倍之多^[3]。汽车就是一个流动的污染源，然而，随着汽车数量的迅速增加，汽车尾气的治理也变得愈加困难。英国空气洁净和环保协会发表的报告显示，英国每年死于空气污染的人数要多出因交通事故遇难的人数十倍^[4]。汽车尾气对人类的身体健康造成了非常大的负面影响，可能会引发各种呼吸道疾病，甚至是肺癌，因此，有效地控制汽车尾气排放是非常重要的。

汽车是非常重要的现代化的交通工具，而美好的环境又是大家生活中非常看重的一点，因为美好的环境可以极大的提升人们的生活质量，那么如何在发展经济、提高人们生活质量的同时，处理好汽车与环境的关系，是汽车工业发展过程中必须经历和改善的问题，这也是无法逃避的，因此，控制尾气排放以及治理尾气污染是汽车行业的一大目标，低排放甚至零排放使其车型业发展的方向^[6]。汽车污染除了尾气污染以外，还有由曲轴箱和燃油燃气系统蒸发各种污染物所造成的污染。尾管作为整个排气系统的尾部，对其进行优化设计研究，如果能做到降低汽车尾气中有害污染物的排放，将会为环境保护做出很大贡献^[5]。

1.2国内外研究现状

汽车尾气的净化处理可以分为机内净化和机外净化两个方面，机内净化是从有害物质的生成角度出发，可以通过发动机内部的调试来减少有害气体的产生，例如说，改进点火系统、化油器，减小喷油提前角，降低发动机的最高工作温度，控制燃烧条件等等。再就是改进曲轴箱通气系统，使未燃气体再循环进入进气歧管，避免直接排入大气造成污染。排气再循环也是机内净化的一个重要方法，将排气口与进气歧管通过控制阀连接，使排出的气体再次循环，从而降低有害气体的排放。机内净化只能减少有害物质的生成量，机外净化是在排气门之后，进入大气之前对尾气进行处理，减少有害气体的排放。主要是通过三元催还转化技术，利用催化剂对有害气体进行催化转化，减少一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物排放到空气中造成污染。

目前，针对尾气净化这方面，发达国家主要通过贵金属（Pt-Rh）三元催化剂来解决汽车尾气对环境造成的污染^[6]。而且，国内大部分高档汽车配备的尾气净化贵金属催化剂都来自国外，全球汽车尾气净化催化剂生产商主要有巴斯夫、丰田、优美科和庄信万丰等。为了满足严格的排放法规，巴斯夫公司提高了三元催化转化器的催化活性和颗粒捕集功能，设计一个或多个气体传感器以及车载诊断排放处理系统，日本也在研发类似的氮氧化物排放检测系统。另外，巴斯夫公司和庄信万丰在去除柴油机产生的有害尾气这一方面有很多研发投入，有稀薄燃烧以及天然气为主要原料的柴油发动机，催化剂的组分包括镧系金属、碱土金属、氢氧化物、氧化物以及稀土氧化物等，分子筛包括离子交换的铂和离子交换的铜。

日本近年来研制出了一种新型催化材料，它可以在提高催化能力的同时，大幅减少贵金属的用量^[7]。在废气催化转化器中应用大量的微孔陶瓷，将催化剂附着在上面，可以减少尾气中有毒物质的量，但是高温的发动机会使催化剂颗粒相结合，使其催化能力大幅降低。日本原子能研究所提出，使用钙钛矿作为催化剂，可以防止催化剂相结合。含少量钯的催化剂，可以保持长时间较强的催化能力，含钯的氧化铝催化剂，在同样的情况下，催化能力会下降10%。据称，此催化材料可以将贵金属的用量减少70%-90%^[8]。这种新材料可以减少贵金属的使用，因为在提取贵金属的过程中会产生大量的污染，所以新材料可以在降低成本的同时保护环境，这也是人们追求的目标。

我国控制汽车尾气污染的技术主要是在排气系统上安装催化转化装置，国内的学者以及研究人员已经研究和正在研究的技术有纳米稀土材料催化技术、超临界技术、低温等离子体技术、贵金属催化技术、贵金属-非贵金属催化技术。例如江苏威孚力达催化净化器有限责任公司研发的汽车尾气纳米稀土催化剂，在国内多种车型上匹配试验成功，产品的综合性能在国内处于领先地位；中国科学技术大学所研制的具有氧化和还原活性的催化剂，是以少量贵金属Pt为基础，加入一些过渡金属氧化物及稀土化合物如氧化铜和三氧化二镧来做为基本配方，这类催化剂对含铅汽油有很好的净化作用；中国科学院大连化学物理研究所研制出了一种非贵金属蜂窝陶瓷，该陶瓷具有双层孔结构，使用改性的氧化铝做催化剂载体，催化剂包括三部分：稀土Ce或含有Ce元素gt;35%的混合稀土元素的氧化物、铁的氧化物、由Co、Ni、Mn、Cu、Cr元素的氧化物，该催化剂的优点是耐热稳定性较好，而且氧化铝涂层也不易脱落，催化剂的寿命也比较高。催化技术是国内外公认的汽车尾气处理的主流技术，但催化技术有很严重的缺点，例如贵金属催化剂价格昂贵、催化剂和汽车不匹配、催化剂“中毒”不易解决、采用无铅汽油等问题，不能满足人们的高标准要求。

第2章 轻型车排放率模型及影响因素

2.1排放率速度回归模型

车辆排放率与其速度有着密切的关系，在书《汽车尾气排放分析及治理技术》中，选取捷达一车作为研究车型，分别在4月27日、4月28日、9月13日以及9月15日这四天进行实验，选取13组不同速度下的数据，再计算各速度下的平均排放率，考虑到在城市道路上的车速不会很快，所以只统计速度60km/h以内的数据。统计如下表：

表2.1

根据上表数据，我们采用Excel对上表进行分析，分别做出三种不同排放物的排放率曲线：

图2.1 NO排放率回归曲线

图2.2 HC速度排放率回归曲线

图2.3 CO排放率回归曲线

根据以上三个图表中线的走势，我们可以看出氮氧化物的排放率基本上随着速度的增加而逐步增大，碳氢化合物和一氧化碳线的走势在上升阶段类似，在下降阶段CO排放率的曲线走势下降得幅度更大一些，在速度为0-20km/h阶段内，呈现逐步增大的趋势；在20-50km/h阶段内，呈现逐渐下降的趋势；在50km/h以后，又有上升的趋势。这三个图表初步反映了车速与污染物平均排放率的关系。

除了车速以外，加速度对排放率的影响也很大，在试验中，观察加速的前五秒，一氧化碳的量急剧升高，而氮氧化物上升的比较慢，到后来五至十秒氮氧化物和碳氢化合物也急剧升高；减速到怠速工况时，一氧化碳和氮氧化合物要经过十秒左右达到稳定状态，而碳氢化合物一直保持在较高的状态，由此可见，加速度对于污染物的排放有着非常大的影响。在高速加速的情况下，三种污染物的排放率都很高，主要是因为这种情况下发动机温度高，有利于氮氧化物的产生，加速时由于混合气的浓度较大，导致一氧化碳和碳氢化合物增多；在高速减速的情况下，混合器浓度较小，一氧化碳和碳氢化合物要少一些，但是氮氧化物的排放依然处于较高的水平；在低速加速的情况下，由于燃烧不充分，以及混合气浓度较大，导致三种污染物的排放都比较多；在低速减速的情况下，因为发动机的燃烧温度较低，所以氮氧化物的排放较少，但是由于燃烧不充分，导致一氧化碳和碳氢化合物排放较多。综上所述，加速度也是影响污染物排放率的重要因素。

2.2轻型车排放率影响因素分析

2.2.1行驶工况与排放率分析

在研究污染物排放率的时候，车辆的行驶工况对此影响很大，为了是调研更加详细，我们选择捷达和奔腾B70两种车来做实验和对比。在实验过程中，我们把工况分为四种：怠速、加速、减速以及巡航，怠速工况即速度和加速度均为零；当加速度大于0.89m/s²或者加速度连续三秒钟大于0.45m/s²时，我们称之为加速工况；减速工况和加速工况设定相同，但符号相反；其它工况即为巡航工况。根据《汽车尾气排放分析及治理技术》一书中，对于研究车辆在道路上的工况分布情况，做出了如下图表：

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