本书首先以汽车尾气污染和排放控制历程为切入点，介绍了汽车尾气控制技术的发展；其次介绍了汽车尾气催化的基础知识，包括催化器的功能、构成、载体、反应和封装；再次分别介绍了汽油车和柴油车的主要催化器类型技术和目前用于汽车尾气检测的测试规程；最后介绍了目前机动车排放控制的技术挑战和未来发展展望。
汽车工程专业系列丛书
汽车尾气净化处理技术
郭刚 徐立峰 张少君◎编著
韩维建◎主编
我国的汽车工业在近20年中得到了飞跃式的发展。在国内，汽车的保有量从2000年年底的约2000万辆增加到了2016年年底的1.94亿辆。目前，中国已经成为世界上最大的汽车销售市场，汽车已经深入到普通民众的生活中，极大地方便了人们的日常生活。
在带来极大便利的同时，汽车的普及也不可避免地带来了一些不利因素。绝大部分汽车仍然使用化石燃料，因而，汽车发动机产生的尾气给很多城市造成了严重的空气污染。
我国的汽车尾气处理起步较晚，从20世纪末开始通过加装三元催化剂的方法，减少有害尾气的排放。由于当时大量的汽车使用化油器，对发动机空燃比的控制不够精确，因此三元催化剂的效率有限。
汽车尾气后处理是一个系统工程，需要发动机、催化剂、传感器和其他部件一起配合，才能达到预期目标。具体来说，既需要合适的催化剂，也需要合适的催化剂工作环境，两者缺一不可。
本书旨在介绍有关催化剂和污染排放的一般知识，内容包括了汽车催化剂一般知识的介绍、汽油发动机和柴油发动机排放技术的介绍以及有关技术的回顾和现状，还包括了污染的形成、排放法规和排放测试的介绍。
如果专业人士都有一定的尾气排放知识，了解排放的要求和实现排放要求的技术手段，知晓各种技术的优缺点、技术和成本的平衡，那么在开发过程中将能做到未雨绸缪、少走弯路，提高开发的效率和降低开发成本。
本套丛书可作为汽车设计的参考工具，也可作为车辆工程、机械工程、环境工程等专业研究生的专门教材及学习参考书。相信本套丛书对汽车行业相关领域的研究生、企业研发人员和科研工作者会产生重要的启发作用。
汽车的设计与制造是一个非常复杂的系统工程，需要考虑零件、子系统、系统，及整车各个层面，综合运用材料科学、能源科学、信息科学和制造科学的相关知识、理论与方法。本套“汽车工程专业系列丛书”涵盖汽车制造系统和质量、汽车动力总成、汽车材料及轻量化、车身耐久性、汽车安全仿真与优化、汽车系统控制及智能化、汽车尾气排放处理、二氧化碳减排、电动汽车等多个方面的内容，涉及汽车轻量化、安全、环保、电子控制等关键技术。
本书旨在介绍汽车尾气排放的系统知识，其中的重点是有关催化剂和污染排放的知识，包括介绍汽车催化剂、汽油发动机和柴油发动机排放技术，另外，还包括对污染的形成、排放法规和排放测试的介绍。希望通过本书，汽车专业的学生可以对汽车后处理的各个方面有基本的了解，专门从事汽车后处理的专业人员也可以通过每章最后的参考文献做进一步的学习和了解。
本书可供汽车行业的专业人士以及所有对尾气排放工作感兴趣的人士参考。
主编简介
韩维建
现任美国福特汽车公司亚太区研究与技术主管，自从1995年加入福特以来，在多个国家和地区组织了众多的研究与技术项目。他在交通可持续发展系统分析、汽车轻量化、环境、能源、道路交通安全、政策制定，以及产学研结合等诸多领域都具有丰富的经验和研究成果。
韩维建博士在俄克拉何马州的塔尔萨大学获得机械工程博士学位和工程管理硕士学位，在四川大学获得金属材料工程学士学位。目前他是上海交通大学的兼职博士生导师，并在清华大学和重庆大学联合指导博士生。
韩维建博士曾获太平洋地区经济理事会环境银奖、云南省国际合作类科技进步奖、南京航空航天大学校长国际合作奖，在众多汽车专业领域发表国际性论文、演讲、讲座等逾60篇次。
作者简介
郭刚
现任福特汽车公司研究与创新中心技术专家，多年从事汽车后处理技术的研究与开发。其研究领域涉及汽油和柴油车辆排放技术、新型催化剂的开发与评价、催化剂的老化机理及快速老化程序开发、与排放有关的发动机控制技术、催化剂系统优化、催化剂数学模型等，拥有多项发明专利，发表20多篇专业论文，曾获得清华大学化学工程系学士学位、路易斯安那州立大学化学工程博士学位。
徐立峰
现任福特汽车公司研究与创新中心技术专家，20多年来从事多种车辆排放控制技术的研究和开发工作，是20多项美国汽车排放相关专利的发明人，曾获得福特汽车公司最高的亨利·福特科学技术奖和两次福特汽车公司的技术成就奖。他已在美国专业期刊上发表了近30篇专业论文，多次应邀在国际学术会议上做专题报告，获得上海交通大学材料科学及工程专业学士学位、密歇根州韦恩州立大学博士学位。
张少君
现任美国康奈尔大学阿特金森可持续未来中心研究员，擅长交通能源与空气质量研究，包括先进汽车排放测试技术、基于交通大数据的排放管理系统和电动汽车环境效益分析。他曾获得清华大学环境工程本科及博士学位，后进入福特汽车公司和密歇根大学从事博士后研究。目前，他在环境能源领域SCI期刊发表学术论文30余篇，并拥有多项交通排放模型的软件著作权。
中国的汽车工业在近20年中得到了飞跃式的发展。汽车在中国的保有量从2000年年底的约2000万辆增加到了2016年年底的约1.94亿辆。目前，中国已经成为世界上最大的汽车销售市场，汽车已经深入普通民众的生活，极大地方便了群众的日常生活，提高了城乡人民的生活质量。
汽车给生活带来极大便利的同时，也不可避免地带来了一些不利因素。目前，绝大部分汽车仍然使用化石燃料。化石燃料的燃烧产物对环境有着显著的影响，比如燃料燃烧生成的二氧化碳气体带来的温室效应，燃烧副产物一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物和颗粒物等污染物对居住环境及人类健康有着非常不利的影响，必须尽最大可能予以减少。
在20世纪中期，汽车在西方已经普及到普通家庭，但是汽车发动机产生的尾气未经过任何处理就直接排入大气，在西方的各个主要都市中造成了严重的空气污染。直到20世纪六七十年代，通过对美国洛杉矶地区光雾的研究，人们才意识到汽车尾气对环境的危害。20世纪70年代，美国颁布了《清洁空气法》。汽车尾气净化催化剂开始被广泛使用，尾气中的有害物质显著降低，汽车尾气对环境的影响大大降低。如今尾气催化剂已经作为标配，成为汽车的一个重要成分。以美国为例，从20世纪70年代起，政府对汽车排放的要求日趋严格，汽车尾气处理的技术也日趋先进。从20世纪70年代到90年代初，由于排放法规的变化，汽车尾气中排放的氮氧化物和碳氢化合物分别减少了90％和95%，而从20世纪90年代初到21世纪初，氮氧化物和碳氢化合物的排放又分别下降了约95％和98%，所以虽然车辆的数量和车辆行驶的里程大幅增加，但是空气质量并没有因此下降。
中国的汽车尾气处理起步较晚。我国从20世纪末开始对在用车加装三元催化剂，以减少有害尾气的排放。由于当时大量的汽车使用化油器，对发动机空燃比的控制不够精确，因而三元催化剂的效率有限。我国在2000年发布了第一个汽车排放的国标（国一），在随后的若干年颁布了越来越严格的标准（国二、国三、国四和国五），目前国五已经进入实施阶段，国六也已经被提上日程。随着燃油电喷装置的使用和发动机控制水平的提高，三元催化剂的效率日益提高。最新的国六标准和欧洲的欧六、美国的LEVⅢ/Tier 3标准非常接近。在短短十几年内，中国排放标准发展的程度相当于欧美国家半个世纪走过的道路。
如果所有车辆的排放都能满足目前的排放标准，那么由车辆尾气造成的污染将大幅度减小，空气质量将有显著提高，蓝天白云将重回中华大地。但是必须意识到，要达到最新的排放标准，需将发动机尾气中绝大多数的有害排放物加以转化。这是一项非常艰巨的任务，需要足够的知识、技术和资源来实现这个目标。汽车尾气排放中的污染物转化主要由位于汽车尾气管处的催化装置来实现。本书旨在介绍有关催化剂和污染排放的一般知识，内容包括汽车催化剂一般知识的介绍、汽油发动机和柴油发动机排放技术的介绍以及有关技术的回顾与现状，还包括污染的形成、排放法规和排放测试的介绍。希望通过学习本书，汽车有关专业的学生可以对汽车后处理的各个方面有基本的了解，而专门从事汽车后处理的专业人员则可以通过每章后面附有的参考文献做进一步的学习和了解。
汽车尾气后处理是一个系统工程，需要发动机、催化剂、传感器和其他部件一起配合，才能达到预期目标。具体来说，既需要合适的催化剂，也需要合适的催化剂工作环境，两者缺一不可。催化剂的工作环境主要指催化剂中气体的温度、流量和组成，它们主要由发动机的运行条件和发动机的特性决定。在介绍催化剂的知识时，本书尽量从系统的角度进行讨论，还涉及了一些其他方面的知识，比如发动机的控制、传感器的原理和作用、排放法规和排放测试的规定及仪器等。在实际工作中，只有将这些知识结合才有可能发挥催化剂的效力，使车辆达到排放法规的要求。在发动机及车辆的研究和开发过程中，排放是一个关键因素和制约点，必须在研发的早期予以考虑，否则将非常被动。如果相关的工程师都有一定的尾气排放知识，了解排放的要求和实现排放要求的技术手段，知晓各种技术的优缺点、技术和成本的平衡，那么在开发过程中将能做到未雨绸缪、有的放矢、少走弯路，提高开发的效率和降低开发成本。
本书由几位作者共同编著。郭刚博士负责全书的编写协调，并且负责编写第2章、第3章（3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.8）、第4章（4.1、4.2、4.3、4.6）和第6章（6.1、6.2、6.3、6.5）等内容；徐立峰博士负责编写第3章（3.6、3.7）、第4章（4.4、4.5）和第6章（6.4）等内容；张少君博士负责编写第1章和第5章。感谢韩维建博士的大力支持和指导。由于作者水平有限，错误在所难免，不足之处，恳请有关专家指正。
郭刚
管理类
我国的汽车工业在近20年中得到了飞跃式的发展。在国内，汽车的保有量从2000年年底的约2000万辆增加到了2016年年底的1.94亿辆。目前，中国已经成为世界上最大的汽车销售市场，汽车已经深入到普通民众的生活中，极大地方便了人们的日常生活。
在带来极大便利的同时，汽车的普及也不可避免地带来了一些不利因素。绝大部分汽车仍然使用化石燃料，因而，汽车发动机产生的尾气给很多城市造成了严重的空气污染。
我国的汽车尾气处理起步较晚，从20世纪末开始通过加装三元催化剂的方法，减少有害尾气的排放。由于当时大量的汽车使用化油器，对发动机空燃比的控制不够精确，因此三元催化剂的效率有限。
汽车尾气后处理是一个系统工程，需要发动机、催化剂、传感器和其他部件一起配合，才能达到预期目标。具体来说，既需要合适的催化剂，也需要合适的催化剂工作环境，两者缺一不可。
本书旨在介绍有关催化剂和污染排放的一般知识，内容包括了汽车催化剂一般知识的介绍、汽油发动机和柴油发动机排放技术的介绍以及有关技术的回顾和现状，还包括了污染的形成、排放法规和排放测试的介绍。
如果专业人士都有一定的尾气排放知识，了解排放的要求和实现排放要求的技术手段，知晓各种技术的优缺点、技术和成本的平衡，那么在开发过程中将能做到未雨绸缪、少走弯路，提高开发的效率和降低开发成本。
本套丛书可作为汽车设计的参考工具，也可作为车辆工程、机械工程、环境工程等专业研究生的专门教材及学习参考书。相信本套丛书对汽车行业相关领域的研究生、企业研发人员和科研工作者会产生重要的启发作用。
推荐序一
随着我国汽车工业的快速发展，先进的汽车设计理论和技术在车身开发中越来越受到重视。同时，汽车发展遇到了环保、能源、交通等各个方面的诸多问题，在这种新形势下，从业者掌握和熟练运用核心设计技术显得尤为重要。
汽车的设计与制造是一个非常复杂的系统工程，需要考虑零件、子系统、系统，乃至整车等各个层面，综合运用材料科学、能源科学、信息科学和制造科学的相关知识、理论和方法。本套“汽车工程专业系列丛书”涵盖了汽车制造系统和质量、汽车动力总成、汽车材料及轻量化、车身耐久性、汽车安全仿真与优化、汽车系统控制及其智能化、汽车尾气排放处理与二氧化碳减排等多个方面的内容，涉及汽车轻量化、安全、环保、电子控制等关键技术。
本套丛书的作者既有在汽车相关领域工作多年、有丰富经验的专家，也有学成回国、已崭露头角的后起之秀；内容安排上既有适合初学者学习的大量基础理论知识，也融入了编著者在相关领域多年来的研究体会和经验，从中我们能充分体会到现代汽车技术节能、环保和智能化的发展趋势。丛书结合大量实例，取材丰富、图文并茂。
本套丛书可作为汽车设计的参考工具，也可作为车辆工程、机械工程、环境工程等专业研究生的专门教材及学习参考书。相信该书对于汽车行业相关领域的研究生、企业研发人员和科研工作者会产生重要的启发作用，特作序推荐。
上海交通大学
推荐序二
作为《中国制造2025》战略部署的主要支点之一，汽车业的持续、快速、健康发展将为中国制造业强国目标奠定坚实的基础。面对中国汽车产业大而不强的现状，自主品牌汽车产业的发展壮大时不我待。重庆自主品牌汽车协同创新中心，立足于重庆地区汽车产业，依托国家“2011计划”，以我国自主品牌汽车发展重大需求为牵引，以体制机制创新为手段，探索我国汽车自主品牌的发展模式。中心面向国内自主品牌汽车产业，重点开展培养高端人才，汇聚优秀团队，研发核心技术，推广产业应用，整合优势资源，搭建交流平台等工作。重庆自主品牌汽车协同创新中心瞄准“节能环保、安全可靠、智能舒适”的国际汽车三大发展趋势，凝练学科发展方向，汇聚创新资源和汽车及相关领域的优势学科群，建立了全面涵盖汽车行业研究领域的创新团队。本套丛书由汽车中心特别顾问、福特汽车亚太区技术总监韩维建博士积极推动。丛书主编韩维建博士基于数十年国际一流汽车工程经验以及独到全面的行业技术趋势把握，整合及组建了编著团队进行丛书各个书籍的编著。编著团队的成员主要由具有多年国际汽车公司工作经验，并且在高校及企业科研一线工作的归国人员组成。丛书内容拥有立足成熟技术、紧跟国际前沿、把握领域创新的特点及优势，丛书的成功出版将为国内汽车行业及学科提供全面而翔实的参考材料。
书籍是知识传播的介质，也是人才培养及创新意识传承的基础。正如重庆大学建校宣言“人类之文野，国家之理乱，悉以人才为其主要之因”所阐释的，本套丛书秉承重庆自主品牌汽车协同创新中心人才培养方针，主要面向高校汽车相关学科本科及研究生的教学，同时也可为汽车行业工程人员参考。相信本套丛书会对我国汽车领域学科及行业产生积极良好的推动作用。
江苏省产业技术研究院
丛书总序
推荐序一
推荐序二
前言
第1章 汽车尾气污染及排放标准概述1
1.1 汽车污染物排放来源、类型及影响1
1.2 洛杉矶光化学烟雾污染5
1.3 早期汽车尾气排放治理和美国联邦《清洁空气法》10
1.4 汽车尾气催化器的诞生、发展与普及13
1.5 世界各国汽车排放法规与标准概述15
参考文献19
第2章 汽车催化剂基础22
2.1 催化剂基础知识22
2.1.1 化学平衡和反应速度22
2.1.2 活化能23
2.1.3 转化率和选择性24
2.2 汽车催化剂的特点和主要成分28
2.2.1 汽车催化剂的活性物29
2.2.2 汽车催化剂活性物载体31
2.2.3 汽车催化剂涂层36
2.2.4 汽车催化剂的载体及特性38
2.3 汽车催化器的封装和布局44
2.3.1 密距耦合催化剂45
2.3.2 下游催化剂46
2.4 汽车催化剂中的传递与反应机理47
2.5 催化剂的性能测试50
2.5.1 催化剂的理化性能50
2.5.2 催化剂的催化反应性能51
2.5.3 实验室催化剂性能测试53
2.6 汽车催化剂数学模拟55
参考文献56
第3章 汽油发动机车辆尾气后处理技术59
3.1 汽油发动机尾气的产生和组成59
3.2 三元催化剂中的主要化学反应60
3.3 发动机空燃比和污染物在催化剂中的转化率61
3.3.1 氧气传感器64
3.3.2 氧储存材料67
3.4 三元催化剂的发展历程68
3.4.1 氧化催化剂68
3.4.2 三元催化剂69
3.4.3 高耐久性的三元催化剂71
3.4.4 只含钯的三元催化剂73
3.4.5 现代三元催化剂75
3.5 降低冷启动排放78
3.6 冷启动排放催化剂82
3.6.1 碳氢化合物吸附催化剂83
3.6.2 冷启动氮氧化物吸附催化剂86
3.7 汽油车颗粒捕集器87
3.7.1 汽油缸内直喷发动机87
3.7.2 汽油直喷发动机颗粒88
3.7.3 汽油发动机产生颗粒物的组分89
3.7.4 汽油颗粒捕集器89
3.7.5 汽油颗粒捕集器和柴油颗粒捕集器的比较90
3.8 三元催化剂的耐久性和车载诊断系统93
3.8.1 催化剂的高温失活93
3.8.2 催化剂的中毒96
3.8.3 催化剂的快速老化99
3.8.4 车载诊断系统和催化剂的性能监测104
参考文献106
第4章 柴油发动机车辆尾气后处理技术111
4.1 柴油车尾气排放特征和尾气后处理目标112
4.2 柴油氧化催化剂114
4.2.1 早期柴油氧化催化剂114
4.2.2 现代柴油氧化催化剂115
4.2.3 一氧化碳和碳氢化合物的氧化116
4.2.4 DOC对柴油后处理系统的温度调节117
4.2.5 二氧化氮的生成119
4.3 选择性催化还原反应121
4.3.1 转化率和选择性122
4.3.2 氨的吸附、解吸和泄漏123
4.3.3 氨和氮氧化物的比例125
4.3.4 氨泄漏催化剂125
4.3.5 SCR催化剂的种类127
4.3.6 尿素和氨气129
4.3.7 混合器131
4.3.8 尿素的沉淀131
4.3.9 SCR催化剂的耐久性132
4.3.10 SCR催化剂的发展133
4.4 柴油稀燃氮氧化物吸附催化剂134
4.4.1 LNT简介134
4.4.2 LNT工作原理135
4.4.3 LNT中氮氧化物的储存材料138
4.4.4 硫对LNT的影响138
4.4.5 LNT的转化产物139
4.4.6 LNT应用中发动机的控制139
4.4.7 LNT的发展和应用140
4.5 柴油颗粒捕集器142
4.5.1 柴油颗粒142
4.5.2 柴油颗粒捕集器简介142
4.5.3 柴油颗粒捕集器工作原理143
4.5.4 DPF颗粒吸附机理145
4.5.5 柴油颗粒捕集器的再生146
4.5.6 柴油颗粒捕集器对尾气中颗粒物排放的影响149
4.6 柴油车尾气后处理系统设计与优化151
4.6.1 氮氧化物的转化，SCR还是LNT152
4.6.2 DPF和氮氧化物转化催化剂的相对位置154
4.6.3 SCR捕集器：结合SCR和DPF155
4.6.4 DFF还是cDPF156
4.6.5 几种常用的柴油后处理系统156
参考文献158
第5章 汽车尾气排放的测试规程164
5.1 美国汽车尾气排放测试规程165
5.1.1 轻型车台架测试规程165
5.1.2 重型车发动机测试规程169
5.1.3 重型车整车测试规程171
5.2 欧洲汽车尾气排放测试规程173
5.2.1 轻型车台架测试规程173
5.2.2 重型车发动机测试规程174
5.3 中国汽车尾气排放测试规程179
5.4 其他尾气排放测试规程180
5.4.1 轻型车测试规程发展（WLTP循环）180
5.4.2 重型车测试规程发展（WHSC和WHTC循环）181
5.4.3 实际道路排放测试182
参考文献186
第6章 汽车尾气后处理技术的挑战和展望188
6.1 实际道路排放控制189
6.2 颗粒物排放的测量191
6.3 温室气体排放193
6.4 替代燃料车辆的排放控制195
6.4.1 生物柴油196
6.4.2 天然气197
6.4.3 乙醇198
6.4.4 液化石油气199
6.4.5 氢气燃料201
6.5 其他后处理的发展方向202
参考文献204
