汽车前沿技术科普系列--图说汽车尾气净化技术

1. 以图解的形式，技术讲解的深度介于专著和大众科普之间，可作为专业人士快速学习了解汽车尾气净化技术的一本专业普及读物。 2. 解读技术前沿，分析技术原理，相关章节穿插一些案例，指导实际应用，指明发展趋势。 3. 对各类典型的汽车尾气净化手段（如机内净化、尾气后处理等）进行分类论述，详述各个分支的技术现状和前沿进展。 4. 四色印刷，直观明了。

截至2022年底，中国的汽车保有量接近3.2亿辆，平均每5个人就拥有1辆汽车。汽车已经进入千家万户，深入了我们的日常生活。正因如此，汽车尾气造成的影响在近年来受到人们的广泛关注。众所周知，以汽油或柴油为燃料的汽车会在行驶时排放各种各样的污染物，它们会与其他污染源共同造成“雾霾”等极端天气，还可能诱发各类疾病，危害人体健康。此外，各类汽车每年向大气排放近60亿吨二氧化碳，约占全球碳排放总量的17%，导致严重的“温室效应”。如何净化这些流动分散、成分复杂的大气污染物？通过阅读本书，读者们或许能为这个问题找到初步答案。
从历史角度看，在19世纪末汽车诞生后，汽、柴油车很快占据了全球路面交通运输行业的主导地位。随着汽车工程师对车用内燃机的不懈优化，现代发动机在效率、操控感和减排性能方面获得了长足进步。然而，针对汽车尾气的排放法规也日益严苛，为了满足法规要求，这些高性能发动机还需在“尾气后处理系统”的配合下才能在汽车上使用。本书将详细介绍从汽车诞生以来人们在发动机设计和尾气后处理上所做的努力，并对相关技术的发展趋势进行展望。基于笔者的材料学背景，一些在此过程中发挥核心功用的材料（如汽油抗爆震剂、贵金属、稀土和分子筛等）将被专门论述，希望能借此为读者提供与车辆工程专业书籍不同的视角。
在“双碳”大目标的驱动下，传统燃油汽车最终摆脱不了被取代的命运。近期来看，汽、柴油的份额正在逐步被其他所谓“低碳”“零碳”燃料挤占；远期来看，内燃机可能有朝一日彻底被电动机替代。考虑到我们正处于这一重大变化的初始阶段，本书在最后章节详细讨论了天然气、醇类、氢（氨）、生物柴油等“替代燃料”的减排效果和降碳潜力，并分析了各类电动汽车可能在“双碳”事业中扮演的角色。相信读者们可以看出，对传统燃油车的各项替代策略都远非完美，它们还需要在与汽、柴油车共存的日子里继续发展，不断完善。
囿于笔者水平，书中疏漏和不足之处在所难免，敬请广大读者朋友及业内专家多多指正。

刘爽

刘爽，于2010年和2015年先后获得清华大学材料科学与工程学士学位和博士学位。2015年加入中国海洋大学材料科学与工程学院开展独立研究，2018年赴Columbia University化工系访问交流。目前为中国海洋大学副教授、博导。主要研究大气污染物（尤其是汽车尾气污染物）的催化净化。 2018年入选中国科协第四届“青年人才托举工程”，2019年入选“山东省高等学校优秀青年创新团队”带头人，2022年起主持“山东省优秀青年基金”。现任Journal of Rare Earths、《中国稀土学报》杂志青年编委，主持或参与系列国家自然科学基金、国家重点研发等项目。在ACS Catal.、Appl. Catal. B、J. Catal.等催化领域权威杂志发表SCI论文40余篇（引用1900余次，H因子26，ESI高被引论文2篇），获多项国家发明专利授权。

本书以通俗的文字配合丰富的彩图，一方面围绕汽车发动机和后处理装置两条主线，全面系统地介绍了汽车尾气净化技术随时代的变迁；另一方面对该领域涉及的关键材料予以详细论述，并深入探讨了“替代燃料”和“替代引擎”在减排降碳方面的应用。
本书兼具故事性和前瞻性，同时包含较为翔实、新颖的信息和数据，既可作为汽车、环保爱好者的科普图书，也可作为相关专业领域学生的教材和技术人员的参考资料。通过阅读本书，读者可对“汽车尾气净化”这个大行业有一个宏观而清晰的认识。

第1章 汽车尾气的来源、危害和控制方法 001
1.1　尾气污染物，从何而来？ 002
1.1.1 汽油车、柴油车——有所不同的“污染源” 002
1.1.2 各类污染物都是怎么来的？ 003
1.2　汽车尾气污染有多严重？ 005
1.2.1 汽车尾气对大气环境的影响 005
1.2.2 汽车尾气对人体健康的危害 009
1.3　如何实现汽车尾气减排？ 012
1.3.1 世界各国排放法规简介 012
1.3.2 汽车尾气污染物控制技术简介 015
参考文献 022

第2章 机内净化——控制尾气污染物“产出” 025
2.1　汽油车机内净化技术 026
2.1.1 汽油喷射与点火系统优化 026
2.1.2 汽油燃烧系统优化 035
2.1.3 汽油机气路系统优化 039
2.2　柴油车机内净化技术 044
2.2.1 柴油喷射系统优化 044
2.2.2 柴油燃烧系统优化 051
2.2.3 柴油机气路系统优化 058
2.3　机内净化技术展望 061
参考文献 064

第3章 后处理技术——防止尾气污染物“逃逸” 067
3.1　汽油车后处理技术 068
3.1.1 三效催化 068
3.1.2 冷启动催化减排 073
3.1.3 汽油车颗粒物过滤 078
3.1.4 汽油车尾气后处理技术展望 084
3.2　柴油车后处理技术 086
3.2.1 柴油催化氧化 086
3.2.2 柴油车颗粒物过滤 090
3.2.3 柴油车催化脱硝 095
3.2.4 柴油车催化脱氨 104
3.2.5 柴油车尾气后处理技术展望 105
参考文献 109

第4章 尾气减排关键材料——污染物的“克星” 113
4.1　燃油品质提升相关材料 114
4.1.1 燃油抗爆震剂 114
4.1.2 裂化与重整催化剂 120
4.1.3 燃油脱硫材料 126
4.1.4 现代车用燃油组成 130
4.2　尾气后处理相关材料 131
4.2.1 催化剂载体材料 131
4.2.2 贵金属材料 137
4.2.3 稀土材料 145
4.2.4 分子筛材料 151
参考文献 156

第5章 面向未来的尾气净化——减排与降碳 160
5.1　传统化石燃料的现状与未来 161
5.2　汽车的“替代燃料” 170
5.2.1 替代燃料的分类与效果 170
5.2.2 类汽油替代燃料：天然气与液化石油气 174
5.2.3 类汽油替代燃料：甲醇与乙醇 181
5.2.4 类汽油替代燃料：氢与氨 187
5.2.5 类柴油替代燃料：生物柴油与二甲醚 194
5.2.6 车用替代燃料展望 201
5.3　汽车的“替代引擎” 202
5.3.1 电池电动汽车与混合动力汽车 202
5.3.2 燃料电池汽车 207
参考文献 211