汽车环境污染与防治对策

汽车通常指由动力驱动，具有四个或四个以上车轮的非轨道承载车辆。传统燃油汽车的驱动动力为汽油或柴油发动机，汽油或柴油发动机是一种在发动机燃烧室内使燃料与空气发生燃烧反应，将燃料的化学能转变成热能，再通过曲柄连杆机构把热能转变为机械能的机器。传统燃油汽车用燃料的主要成分为碳和氢两种元素，碳氢燃料燃烧的主要产物为水和二氧化碳，以及少量和微量的一氧化碳、氮氧化物、颗粒物和碳氢化合物等。因此，排放二氧化碳和少量空气污染物是传统燃油汽车的固有特性。

为了防治传统燃油汽车带来的空气污染问题，从20 世纪60 年代开始，美国、欧盟和日本等先后制定了汽车排放标准，我国也在20 世纪80 年代初制定了汽车排放标准。随着全球汽车保有量的增加和人类对环境质量要求的不断提高，各个国家或地区的汽车排放标准不断变得严格，特别是近年来实施的汽车排放法规，对汽车排气污染物的要求空前严格，使传统汽车面临严峻挑战。2014 年3 月美国环保署(EPA)发布了关于机动车排放及汽油的Tier3 标准，从2017 年开始逐步实施，2025 年全面实施。2018 年日本开始实施“次期”汽车排放标准, 并采用全球轻型汽车测试循环（WLTC）。欧盟从2014 年9 月1 日起实施欧6 排放标准，从2016 年4 月开始采用实际道路排放（RDE）试验监测新车的NOx ，从2017 年9 月开始新车型采用WLTC 测量汽车排气污染物。我国轻型汽车国6（GB 18352.6—2016）和重型汽车国6（GB 17691—2018）标准分别于2016 年12 月23 日和2018 年7 月13 日发布，并于2020 年7 月1 日和2019 年7 月1 日实施。另外，1997 年12 月在日本京都通过的《联合国气候变化框架公约》的《京都议定书》开始生效，导致部分国家或地区限制传统燃油汽车二氧化碳排放的法规逐步出台。2015 年12 月12 日，巴黎气候变化大会上通过的《巴黎协定》则为2020 年后全球应对气候变化行动做出了更为具体的安排，致使汽车燃料燃烧的正常产物二氧化碳的排放量也成为限制对象。

这一系列排放法规及其相关政策的实施，致使传统燃油汽车面临的环境污染问题更加突出。对传统燃油汽车“行驶区域”进行限制的地方法规时有耳闻，其挑战是空前的和攸关生死存亡的，在一些国家或地区甚至设置了停止传统燃油汽车销售的时间表。值得欣慰的是传统汽车行业不负众望，开发出来一系列应对严格的环境污染物和温室气体排放标准的燃油汽车技术。另外，石油勘探和开采技术也取得了长足进展，石油的探明储量和可开采量不断增加，大幅度推迟了对石油枯竭日期的预期；加上传统燃油汽车经过改进或重新设计，易于使用多种气体及生物等新型可再生燃料。因此，认为传统燃油汽车很快退出汽车市场的观点过于悲观，传统燃油汽车节能、减排潜力巨大，需要不断挖掘和开发。

汽车排放法规及其相关政策的实施，也促进了从根本上解决传统燃油汽车的能源供给问题和环境污染问题相关研发工作的开展。行驶过程中无排放污染物的电动汽车和燃料电池汽车等相关技术的研发成为近20 年来汽车行业开发的重点和热点，并取得了前所未有的进步，在部分国家或地区，电动汽车和燃料电池汽车的年销售量快速增加。

为了使从事汽车行业的工程技术人员和高等院校相关专业（如汽车工程、内燃机工程和汽车运用工程等)的师生等及时了解汽车行业的上述变化与技术进展，笔者结合20 多年来讲授“汽车环境污染与控制技术”相关课程的经验和研究心得，编写了此书。本书从汽车本身的污染物控制技术、汽车使用者、宏观环境政策制定者、交通和汽车管理者等多角度论述了减少和防治汽车生命周期内环境污染的方法与技术，故将此书定名为《汽车的环境污染与防治对策》。该书首先介绍了汽车（包括传统燃油汽车、电动汽车和燃料电池汽车）生命周期内的环境危害、环境污染物的产生机理，以及排气污染物的测量、评价方法和减少污染物生成、排放的方法；其次，介绍了我国轻型汽车国6 标准（GB 18352.6—2016）、重汽型车国6 标准（GB 17691—2018）、欧6排放标准、美国环保署Tier3 标准和日本“次期”排放标准；再次，介绍了传统汽车面对上述排放法规的污染物控制技术，重点介绍了GDI 汽油车及清洁柴油车排气污染防治的*技术；*后，介绍了汽车环境污染的全生命周期评价方法，分析了汽车生命周期内环境污染的影响因素及其防治方法，并对电动汽车进行了案例分析。

本书编写过程中，注重运用一分为二的辩证观点，在介绍汽车环境污染控制新技术优点的同时，又指出其不足。力图使读者在潜移默化中掌握辩证分析方法，学会从不同角度对新技术和方法、技术方案进行全面分析的研究方法。另外，笔者对该书的章节和内容进行了反复推敲，特别注重内容的新颖性，力求对*的汽车环境污染控制技术和未来的发展趋势进行详细、全面、系统和深入介绍；对章节顺序的安排采用了由简单到复杂，逐步深入的结构体系；力图使该书图文并茂，易读、易懂和易用。

本书在编写过程中引用了大量有关文献和部分网上资料，借此机会谨致谢意。本书的主要内容曾在北京航空航天大学2018 年春季本科生课程“汽车排放与控制”教学中进行了试用，部分内容在北京航空航天大学2017 年和2018 年秋季的研究生课程“汽车排放与检测技术”教学中进行了试用，梳理了结构体系，弥补了疏漏与不足。初稿完成后，笔者的研究生胡守信和刘海峰同学对初稿进行了试读，改正了多处录入错误。

在向化学工业出版社提交书稿之前，笔者对书稿进行了多次修改与校对，但由于笔者水平所限，疏漏之处仍然在所难免，敬请各位读者特别是选用该书作为教材或主要参考书的教师多提宝贵意见。另外，使用本书作为“汽车环境污染与控制技术”“汽车排气污染与控制”等课程教材的主讲教师可与笔者联系（E-mail：lxh@buaa.edu.cn），索取教学用复习思考题及PPT 文件等资料。

北京航空航天大学

《汽车的环境污染及防治对策》首先介绍了汽车（包括传统燃油车、电动汽车和燃料电池汽车）生命周期内的环境危害、环境污染物的产生机理、排气污染物的测量及评价方法、减少污染物生成和排放的方法；其次，介绍了我国轻型汽车国6（GB 18352.6-2016）、重型车国6（GB 17691-2018）以及欧6排放标准、美国环保署Tier3标准、日本“次期”排放标准；再次，介绍了传统汽车针对上述排放法规的污染物控制技术，重点介绍了GDI汽油车及清洁柴油车排气污染防治的新技术；*后，介绍了汽车环境污染的全生命周期评价方法，分析了汽车生命周期内环境污染的影响因素及其防治方法，并对电动汽车进行了案例分析。

本书可作为高等学校车辆工程、载运工具运用工程(汽车)、动力机械及工程、环境工程等专业本科生及研究生“汽车排放与控制”“环境工程”“内燃机排放与控制”“交通污染与控制”等课程的教材或教学参考书，也可作汽车、内燃机、交通、环境保护和化工等行业工程技术人员的参考书使用。

李兴虎，北京航空航天大学教授，车辆工程和新能源工程专业博士生导师，主要研究方向为汽车环境保护技术、汽车内燃机燃烧污染及控制等，主持过的科研项目有国家重点研发计划项目、国家科技支撑计划子项目、高等学校骨干教师资助计划项目、北京市科技新星计划项目、北京市重点学科建设子项目等二十余项科研项目。

*章 汽车的环境污染及其基本防治对策/ 1

　*节　环境污染与汽车的环境污染 / 1

　　一、环境污染与环境污染物的概念 / 1

　　二、汽车生命周期内的环境污染 / 1

　　三、环境空气污染及室内空气污染 / 3

　　四、汽车排气中的空气污染物 / 5

　　五、汽车车室内的空气污染 / 6

　　六、汽车零件磨损等产生的非排气悬浮颗粒空气污染物 / 7

　　七、汽车的CO2 排放问题 / 8

　第二节　汽车排放的气体污染物的主要危害及防治对策 / 9

　　一、汽车排放的气体污染物的主要危害 / 9

　　二、汽车排放的气体污染物的主要防治对策 / 12

　第三节　汽车生命周期内的液体及固体污染 / 12

　　一、 废液及固体污染物的来源与种类 / 12

　　二、液体类污染物的主要特性与危害 / 13

　　三、废弃固体污染物的主要特性与危害 / 13

　第四节　汽车的噪声污染及防治方法 / 15

　　一、噪声的危害及道路交通噪声的现状 / 15

　　二、汽车噪声的来源 / 16

　　三、汽车的噪声标准 / 17

　　四、汽车噪声的防治方法 / 18

　第五节　报废汽车固、液废弃物污染的防治对策 / 20

　　一、汽车的材料组成 / 20

　　二、报废汽车环境污染的防治对策 / 22

　第六节　汽车的热、电磁波及光污染 / 24

　　一、汽车的热污染及防治对策 / 24

　　二、汽车的电磁波污染及防治对策 / 25

　　三、汽车的光污染 / 26

　第七节　电动汽车的优势与面临的问题 / 27

　　一、电动汽车的结构特点与种类 / 27

　　二、纯电动汽车的主要优势、不足及应用中面临的主要问题 / 28

　　三、燃料电池车的优势、不足及面临的问题 / 30

　　四、插电式混合动力汽车的主要优势及不足 / 33

　第八节　汽车环境污染的防治对策 / 34

　　一、汽车环境污染的宏观防治对策 / 34

　　二、汽车使用中的环境污染防治对策 / 36

　参考文献 / 37

第二章 汽车排气污染物的生成机理与防治原理/ 42

　*节　汽车内燃机的燃烧与燃烧污染物 / 42

　　一、汽车内燃机的燃烧与燃烧产物 / 42

　　二、燃料燃烧的基元反应 / 43

　　三、反应速率的概念 / 44

　第二节　CO 的生成机理与防治方法 / 45

　　一、CO 生成的主要化学反应 / 45

　　二、CO 生成量的近似计算 / 47

　　三、CO 生成的影响因素 / 48

　　四、CO 的防治措施 / 48

　第三节　HC 的生成机理与防治方法 / 48

　　一、汽油机排气中HC 的生成机理与防治方法 / 49

　　二、柴油机排气中HC 的生成机理与防治方法 / 53

　　三、 燃油蒸发和泄漏的HC 排放 / 54

　第四节　氮氧化物的生成与防治方法 / 54

　　一、NO 的生成机理 / 54

　　二、NO2 的生成机理 / 60

　　三、N2 O 的生成机理 / 61

　　四、氮氧化物的防治方法 / 62

　第五节　颗粒物的生成机理与防治方法 / 62

　　一、颗粒物的生成条件 / 62

　　二、颗粒物的生成过程与机理 / 63

　　三、颗粒物生成的计算模型 / 65

　　四、碳烟微粒生成的主要影响因素 / 66

　　五、碳烟微粒的氧化燃烧 / 68

　　六、基于φ-T 图的颗粒物排放防治方法 / 69

　第六节　光化学烟雾的生成机理与防治方法 / 70

　　一、光化学烟雾的生成条件 / 70

　　二、光化学烟雾生成的主要化学反应 / 70

　　三、光化学烟雾的防治措施 / 71

　参考文献 / 71

第三章 汽车排气污染物的测量方法/ 74

　*节　 汽车排气污染物的测量系统 / 74

　　一、排气污染物的评价指标 / 74

　　二、排气污染物测量的有关规定 / 74

　　三、排气污染物的发动机台架测量系统 / 75

　　四、排气污染物的整车测量系统 / 75

　　五、排气取样方法 / 77

　第二节　排气成分的分析方法 / 80

　　一、非分散式气体分析法 / 80

　　二、氢火焰离子化分析法 / 84

　　三、化学发光分析法 / 84

　　四、气相色谱分析法 / 86

　　五、紫外荧光分析法 / 88

　　六、傅里叶变换红外光谱分析法 / 90

　第三节　汽车排气中颗粒物的测量方法 / 92

　　一、PM 的测量方法 / 92

　　二、PM 的测量系统 / 92

　　三、颗粒物数量的测量系统 / 98

　第四节　实际行驶排放污染物的测量装置 / 101

　　一、PEMS 的主要组成及功能 / 101

　　二、PEMS 的主要性能参数 / 102

　　三、PEMS 的PM 和PN 测试装置 / 103

　第五节　柴油车排气烟度的测量方法 / 104

　　一、柴油机的排烟种类及评价方法 / 104

　　二、过滤式烟度计 / 104

　　三、不透光式烟度计 / 105

　参考文献 / 110

第四章 汽车排放标准及试验规范/ 112

　*节　汽车排放标准的发展历程 / 112

　　一、我国国家标准的发展历程 / 112

　　二、欧盟、美国和日本国家标准的发展历程 / 114

　　三、汽车排放标准的框架 / 116

　　四、汽车排放标准的常用术语 / 117

　第二节　全球统一的汽车测试循环 / 119

　　一、全球统一汽车测试循环推广的必要性 / 119

　　二、全球统一的轻型汽车测试循环 / 120

　　三、全球统一的重型发动机测试循环 / 122

　第三节　轻型汽车的型式检验、生产一致性、在用符合性检查及其限值 / 124

　　一、型式检验试验的类型与限值 / 124

　　二、生产一致性检查试验 / 128

　　三、在用符合性检查 / 129

　第四节　轻型汽车污染物排放试验的相关规定简介 / 129

　　一、Ⅰ型试验的主要规定及要求 / 129

　　二、Ⅱ型试验的主要规定及要求 / 130

　　三、Ⅲ型试验的主要规定及要求 / 132

　　四、Ⅳ型试验的主要规定及要求 / 133

　　五、Ⅴ型试验的主要规定及要求 / 135

　　六、Ⅵ型试验的主要规定及要求 / 138

　　七、Ⅶ型试验的主要规定及要求 / 139

　第五节　重型汽车的排放标准及测试规范简介 / 140

　　一、重型汽车污染物排放试验项目 / 140

　　二、车辆或发动机污染物的排放限值及测量方法 / 141

　　三、发动机非标准循环（WNTE）和整车实际道路排放测试规程 / 142

　　四、曲轴箱排放试验、排放控制装置的耐久性和排放质保期的主要规定 / 143

　　五、耐久性运行试验的主要规定 / 144

　第六节　欧盟、美国和日本的汽车污染物排放限值及测试规范简介 / 144

　　一、欧盟的排放限值及测试规范简介 / 144

　　二、美国联邦（加利福尼亚州除外）的汽车限值及测试规范简介 / 147

　　三、日本排放限值及测试规范简介 / 152

　参考文献 / 155

第五章 汽油车的排气污染与防治对策/ 157

　*节　汽油车排放污染物的防治方法 / 157

　　一、汽油机排气成分随空燃比的变化特性与汽油机工作模式 / 157

　　二、汽油车空气污染物的主要防治方法 / 159

　　三、EGR 的原理及EGR 系统的基本构成 / 161

　　四、热反应器 / 162

　　五、二次空气系统 / 164

　　六、燃料蒸发污染物净化装置 / 164

　　七、曲轴箱污染物净化装置 / 166

　　八、汽油及润滑油组分优化 / 167

　第二节　汽油车排气催化净化器的种类及其评价指标 / 168

　　一、排气催化净化器的种类 / 168

　　二、催化剂及其载体的种类 / 169

　　三、 载体的种类及主要结构参数 / 170

　　四、催化器的性能评价参数 / 172

　第三节　三效催化净化器 / 174

　　一、 三效催化净化器的组成 / 174

　　二、三效催化净化系统的构成 / 179

　　三、三效催化净化系统中空燃比的监测方法 / 180

　　四、装备三效催化净化系统汽油车的主要不足 / 183

　　五、汽油车冷启动后的净化措施 / 185

　第四节　缸内直喷汽油机的发展趋势及其气体污染物净化技术 / 188

　　一、缸内直喷汽油车的发展趋势 / 188

　　二、GDI 汽油机的燃烧模式及排放特点 / 189

　　三、GDI 汽油机汽车排气中气体污染物的后处理系统 / 190

　第五节　稀混合气GDI 汽油机排气污染物的净化技术 / 191

　　一、GDI 汽油机稀混合气燃烧模式的实现方法 / 192

　　二、稀混合气GDI 汽油机汽车的优势与不足 / 193

　　三、稀混合气GDI 汽油机汽车NOx 的控制方法 / 195

　第六节　GDI 汽车排气颗粒物的特性及其影响因素 / 200

　　一、GDI 汽车排气颗粒物产生的原因 / 200

　　二、GDI 汽车排气颗粒物的评价指标及特性参数 / 201

　　三、颗粒物的主要组成元素及其颗粒数量排放率 / 202

　　四、缸内直喷汽油机排气颗粒物的影响因素 / 204

　第七节　GDI 汽车排气颗粒物的防治对策 / 209

　　一、GDI 汽车排气颗粒物的防治对策 / 209

　　二、GPF 的结构参数及性能指标 / 210

　　三、GPF 的布置方案示例 / 212

　　四、GPF 推广应用情况及其面临的主要问题 / 213

　参考文献 / 215

第六章 柴油车的排气污染与防治对策/ 221

　*节　柴油机排放的特点与主要防治对策 / 221

　　一、柴油机排气污染物的种类及特点 / 221

　　二、柴油机PM 和NOx 的排放特点 / 221

　　三、柴油机HC 的排放特点 / 224

　　四、现代柴油车排污染物的主要防治对策 / 224

　第二节　柴油及润滑油特性对柴油车排气污染物的影响 / 226

　　一、柴油特性参数的影响 / 226

　　二、润滑油特性的影响 / 229

　第三节　柴油机的排气再循环及闭式曲轴箱通风系统 / 231

　　一、EGR 的NOx 降低效果及其对柴油机其他性能的影响 / 231

　　二、柴油机EGR 的种类及工作原理 / 231

　　三、闭式曲轴箱通风系统 / 233

　第四节　柴油车的氧化催化净化器 / 234

　　一、氧化催化净化器的种类及其应用情况 / 234

　　二、DOC 的污染物净化机理 / 236

　第五节　柴油车排气颗粒物的过滤净化技术 / 238

　　一、颗粒过滤器的结构及工作原理 / 238

　　二、DPF 滤芯的几何结构及其特性参数 / 239

　　三、DPF 的主要性能指标 / 242

　第六节　柴油车NOx 的净化技术 / 244

　　一、NOx 的净化原理与净化器的种类 / 244

　　二、NOx 吸附催化还原净化技术 / 244

　　三、NOx 的尿素选择催化还原净化技术 / 247

　　四、NOx 的HC 选择催化还原净化技术 / 249

　第七节　现代柴油车的排气后处理系统 / 250

　　一、现代柴油车的排气后处理技术 / 250

　　二、现代柴油车后处理系统示例 / 253

　参考文献 / 257

第七章 电动汽车的环境污染与防治对策/ 262

　*节　电动汽车环境污染的评价方法 / 262

　　一、电动汽车环境污染的特点与评价方法 / 262

　　二、汽车全生命周期的环境污染源及污染物排放量的计算流程 / 264

　　三、汽车制造用原材料的排放因子 / 266

　　四、汽车制造用燃料排放因子 / 268

　　五、电力生产过程的污染物排放因子 / 269

　　六、火力发电的环境污染及污染物排放因子 / 271

　　七、汽车全生命周期各阶段环境污染物排放量的计算方法 / 274

　第二节　汽车全生命周期环境污染的影响因素分析 / 276

　　一、汽车材料、制造、使用(行驶) 和报废阶段的CO2 排放 / 276

　　二、电力排放因子对汽车全生命周期各阶段CO2 排放比例的影响 / 277

　　三、材料组成对汽车全生命周期环境污染及CO2 排放的影响 / 278

　　四、行驶里程对汽车全生命周期CO2 排放量的影响 / 279

　　五、百公里能耗对汽车使用过程CO2 排放率的影响 / 280

　第三节　纯电动汽车的环境污染 / 28