大氣污染控制工程第十一章 城市機(jī)動(dòng)車污染控制

第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第一節(jié)機(jī)動(dòng)化交通的環(huán)境影響世界機(jī)動(dòng)車增長趨勢(shì)1第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第一節(jié)機(jī)動(dòng)化交通的環(huán)境影響機(jī)動(dòng)車排放因子（即行駛單位里程排放污染物的重量，g/km·輛）2第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第一節(jié)機(jī)動(dòng)化交通的環(huán)境影響機(jī)動(dòng)車排放因子（即行駛單位里程排放污染物的重量，g/km·輛）機(jī)動(dòng)車排放因子的確定：臺(tái)架測(cè)試——在用車底盤測(cè)功機(jī)上模擬道路行駛工況(加速、減速、勻速、怠速)進(jìn)行排放測(cè)試。實(shí)際行駛工況測(cè)試。模式計(jì)算——MOBIL模式：基本排放水平：基本排放因子=新車排放因子+劣化率×行駛里程。實(shí)際排放水平：實(shí)際排放因子=（基本排放因子+老化致增的排放量-維修致減的排放量）×各種環(huán)境修正參數(shù)。公路隧道測(cè)試——將隧道視為圓柱狀活塞，一段時(shí)間內(nèi)活塞進(jìn)出污染物濃度差與通風(fēng)量的乘積為隧道機(jī)動(dòng)車污染物排放量。3第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第二節(jié)汽油車污染排放的形成與控制一、汽油機(jī)的工作原理與污染來源汽油機(jī)污染排放源：燃燒過程→CO、NOx、HC（柴油車→顆粒物）。曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)泄漏→HC。油品蒸發(fā)過程→HC。4第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第二節(jié)汽油車污染排放的形成與控制1.進(jìn)氣門。2.火花塞。3.排氣門。4.缸體。5.活塞。6.活塞銷。7.連桿。8.曲軸箱。9.曲軸。10.曲軸柄。一、汽油機(jī)的工作原理與污染來源CO、NOx、HC、其他HC5第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第二節(jié)汽油車污染排放的形成與控制一、汽油機(jī)的工作原理與污染來源6第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第二節(jié)汽油車污染排放的形成與控制二、燃燒過程中污染物的形成1、CO的形成——燃油的不完全燃燒過程生成。決定CO排放的因素為：空燃比。過剩系數(shù)a<1的濃混合氣工況下一定產(chǎn)生CO。過剩系數(shù)a>1的稀混合工況下因?qū)嶋H混合不均勻局部產(chǎn)生CO。溫度。高溫時(shí)CO2和H2O熱解離反應(yīng)生成CO。低溫排氣中的CO濃度凍結(jié)于燃燒過程而并不降低。7第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第二節(jié)汽油車污染排放的形成與控制二、燃燒過程中污染物的形成2、HC化合物的形成決定HC排放的因素為：空燃比（不完全燃燒）——當(dāng)?shù)∷佟⒏哓?fù)荷運(yùn)行時(shí)，因供氣不足（即a<1）而過濃燃燒，當(dāng)加速/減速運(yùn)行導(dǎo)致短時(shí)混合氣過濃或過??；a>1時(shí)的混合不均勻的局部生成。壁面淬熄效應(yīng)——低溫燃燒室壁面對(duì)高溫燃燒氣體的冷激作用使燃燒鏈反應(yīng)中斷，在壁面累積不完全燃燒的HC淬熄層?？p隙效應(yīng)——汽缸內(nèi)各種縫隙中淬熄累積的未燃混合氣（HC）隨膨脹過程和排氣作用返回汽缸，混入燃燒產(chǎn)物排出。壁面油膜與積炭吸附作用——進(jìn)氣、壓縮過程將未燃混合氣（HC）吸附于油膜和積炭中，

后隨膨脹與排氣過程脫吸而混入燃燒產(chǎn)物。8第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第二節(jié)汽油車污染排放的形成與控制二、燃燒過程中污染物的形成3、NOx

的形成汽油機(jī)主要生成NO，少量NO2。生產(chǎn)機(jī)理：熱力型NOx

：達(dá)到理論空燃比時(shí)燃燒溫度最高，NOx生成量最大；影響因素依然是溫度、氧濃度和停留時(shí)間。瞬時(shí)型NOx

和燃料型NOx

：生成量均較小。94、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件對(duì)污染物排放的影響：空燃比。a<1時(shí)（即濃混合氣，或富燃條件）——HC、CO濃度較低。a>1時(shí)（即稀混合氣，或貧燃條件）——HC、CO濃度較高。a=1時(shí)（即當(dāng)量燃燒條件）——NOx

濃度最高。工況：怠速、加速時(shí)，空燃比較低，CO排放較高。減速時(shí)，節(jié)氣門關(guān)閉使進(jìn)氣管中的形成近真空狀況，促使管壁上吸附的燃油蒸發(fā)，進(jìn)行過濃燃燒，使得CO、HC排放高。加速、高速時(shí)高溫燃燒，NOx

排放高。第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第二節(jié)汽油車污染排放的形成與控制二、燃燒過程中污染物的形成104、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件對(duì)污染物排放的影響：第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第二節(jié)汽油車污染排放的形成與控制二、燃燒過程中污染物的形成HC、CO及NOx的排放量與空燃比的關(guān)系（引自Seinfeld,1986）11實(shí)際空燃比小于理論空燃比時(shí)為濃混合氣CO、HC排放實(shí)際空燃比大于理論空燃比時(shí)為稀混合氣NOx排放氣少油多，燃油燃燒不完全，油耗較高，但輸出功率較大氣多油少，燃油燃燒較完全，油耗較低，但輸出功率較小4、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件對(duì)污染物排放的影響：第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第二節(jié)汽油車污染排放的形成與控制二、燃燒過程中污染物的形成124、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件對(duì)污染物排放的影響：第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第二節(jié)汽油車污染排放的形成與控制二、燃燒過程中污染物的形成13第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第二節(jié)汽油車污染排放的形成與控制三、降低污染物排放的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)——“燃燒中”。1、改進(jìn)點(diǎn)火技術(shù)——延遲點(diǎn)火與高能點(diǎn)火系統(tǒng)。點(diǎn)火提前角：從點(diǎn)火時(shí)刻起到活塞到達(dá)壓縮上止點(diǎn)的時(shí)間內(nèi)曲軸轉(zhuǎn)過的角度；活塞至上止點(diǎn)時(shí)為理論最小點(diǎn)火提前角（0o），實(shí)際點(diǎn)火提前角控制在5o～60o。延遲點(diǎn)火：降低點(diǎn)火提前角，可減少HC和NOx

的生成濃度。采用高能點(diǎn)火系統(tǒng)：提高點(diǎn)火電流強(qiáng)度。142、改化油器為電控汽油噴射技術(shù)第二節(jié)汽油車污染排放的形成與控制三、降低污染物排放的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)——“燃燒中”。第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制汽油車供油方式傳統(tǒng)的——化油器。使燃油汽化。使汽化燃油和空氣比例混合形成混合氣。改進(jìn)的電噴系統(tǒng)——由噴油油路、傳感器組和電子控制構(gòu)成，將汽油直接噴射入汽缸中，與空氣混合形成混合氣。最新的閉環(huán)電控（ECU）汽油噴射技術(shù)——在排氣管上安裝氧傳感器向閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋氧濃度信號(hào)，以調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比在理論空燃比±1%范圍。152、改化油器為電控汽油噴射技術(shù)第二節(jié)汽油車污染排放的形成與控制三、降低污染物排放的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)——“燃燒中”。第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制節(jié)氣門傳統(tǒng)的化油器工作原理喉管16第二節(jié)汽油車污染排放的形成與控制三、降低污染物排放的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)——“燃燒中”。第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制2、改化油器為電控汽油噴射技術(shù)17第二節(jié)汽油車污染排放的形成與控制三、降低污染物排放的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)——“燃燒中”。第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制ElectronicControlUnit2、改化油器為電控汽油噴射技術(shù)183、廢氣再循環(huán)（EGR）EGR——ExhaustGasRecirculation，在燃燒后將排出氣體的一部分導(dǎo)入進(jìn)氣側(cè)使其再度燃燒的技術(shù)。第二節(jié)汽油車污染排放的形成與控制三、降低污染物排放的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)——“燃燒中”。第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制EGR可減少NOx的形成：提高混合氣的熱容量。降低混合氣中O2的濃度。降低燃燒速度。193、廢氣再循環(huán)（EGR）EGR——ExhaustGasRecirculation，在燃燒后將排出氣體的一部分導(dǎo)入進(jìn)氣側(cè)使其再度燃燒的技術(shù)。第二節(jié)汽油車污染排放的形成與控制三、降低污染物排放的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)——“燃燒中”。第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制20第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第二節(jié)汽油車污染排放的形成與控制四、汽油車尾氣排放后處理技術(shù)——“燃燒后”。1、氧化、還原型催化劑轉(zhuǎn)化器利用排氣中的CO、HC和H2

還原凈化NO——還原催化床。利用排氣中殘留或二次進(jìn)風(fēng)的O2

氧化CO和HC——氧化催化床。二次空氣212、三效催化轉(zhuǎn)化器（TWC）采用以氧傳感器（ZrO2）為核心的空燃比反饋系統(tǒng)，將空燃比控制在14.7±0.25范圍內(nèi)，同時(shí)凈化三種污染物CO、HC、NOx。第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第二節(jié)汽油車污染排放的形成與控制四、汽油車尾氣排放后處理技術(shù)——“燃燒后”。222、三效催化轉(zhuǎn)化器（TWC）采用以氧傳感器（ZrO2）為核心的空燃比反饋系統(tǒng)，將空燃比控制在14.7±0.25范圍內(nèi)，同時(shí)凈化三種污染物CO、HC、NOx。第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第二節(jié)汽油車污染排放的形成與控制四、汽油車尾氣排放后處理技術(shù)——“燃燒后”。催化轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成：催化劑——貴金屬。助催化劑——稀土氧化物。載體——活性氧化鋁。預(yù)防催化劑中毒使用無鉛汽油。降低油品硫含量。232、三效催化轉(zhuǎn)化器（TWC）第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第二節(jié)汽油車污染排放的形成與控制四、汽油車尾氣排放后處理技術(shù)——“燃燒后”。發(fā)動(dòng)機(jī)三效催化轉(zhuǎn)化器24污染物排放源：竄氣——曲軸箱缸體逸出的氣體，主要為燃料混合氣和燃燒產(chǎn)物，以HC為主。發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加時(shí)，曲軸箱排放量亦隨之增加?？刂啤獜?qiáng)制式封閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)：新鮮空氣與竄氣一起經(jīng)PCV閥進(jìn)入進(jìn)氣歧管，返回汽缸燃燒，確保氣體不泄漏。第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第二節(jié)汽油車污染排放的形成與控制五、曲軸箱污染物排放與控制六、燃油蒸發(fā)排放控制來自：油箱與化油器。蒸發(fā)排放量：隨溫度升高而增大。汽油機(jī)本身的蒸發(fā)控制——吸附法：利用活性炭吸附HC。加油過程蒸發(fā)控制——封閉管道；改進(jìn)加油設(shè)備，選擇活性炭吸附罐。25第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第三節(jié)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)污染排放的形成與控制一、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理1、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的區(qū)別：汽油的預(yù)混燃燒——先混合后點(diǎn)火燃燒膨脹做功，即點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)。柴油的擴(kuò)散燃燒——空氣先被壓縮為高溫高壓態(tài)，柴油吸入后自動(dòng)燃燒做功，即壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)；相對(duì)燃燒較完全。2、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程：著火落后期——噴油后燃油迅速霧化、蒸發(fā)、混合、自行著火。速燃期——壓力急劇上升，燃燒放熱達(dá)到峰值，但混合不均。a較小的區(qū)域產(chǎn)生碳煙。a較大的區(qū)域產(chǎn)生NOx。緩燃期——擴(kuò)散燃燒使燃燒放熱小幅提高，但高溫缺氧產(chǎn)生碳煙。后燃期——噴油終了，壓力下降，燃料不完全燃燒，熱效率下降。26第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第三節(jié)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)污染排放的形成與控制二、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)污染物的形成過程1、HC的生成機(jī)理——混合氣過稀或過濃所致的燃燒不全。2、顆粒物及碳煙的生成機(jī)理：PM10組成：干碳煙DS+可溶性有機(jī)物SOF+硫酸鹽。生成過程：重質(zhì)烴類在高溫缺氧下脫氫碳化裂解，析出（粗粒）碳粒。輕質(zhì)烴類氣化后由氣相析出（細(xì)粒）碳粒?？刂仆緩剑罕３指邷睾透哐鯛顟B(tài)利于碳粒繼續(xù)氧化而消除。平衡碳煙與NOx

的trade-off關(guān)系，控制a=0.6～0.9。273、空燃比的影響：a>2時(shí)，碳煙和NOx排量均減??；CO和HC排量略升高。a<2時(shí)，碳煙、NOx和CO排量速增；HC排量下降。第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第三節(jié)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)污染排放的形成與控制二、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)污染物的形成過程28第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第三節(jié)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)污染排放的形成與控制三、控制柴油發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)——“燃燒中”。1、廢氣再循環(huán)（EGR）——輕型柴油車多采用冷卻廢氣再循環(huán)。采用（廢氣）渦輪增壓中冷技術(shù)：增壓可使柴油機(jī)在排量不變、重量不變的情況下增加輸出功率。采用中冷技術(shù)減少增壓引起的增溫（利用循環(huán)水或空氣冷卻）。2、改進(jìn)供油系統(tǒng)——采用高壓噴射、縮小噴油嘴孔徑、預(yù)噴射法、多段噴射、延遲噴射提前角、優(yōu)化噴射參數(shù)結(jié)構(gòu)。29第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第三節(jié)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)污染排放的形成與控制三、控制柴油發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)——“燃燒中”。3、采用分隔式燃燒室——副燃燒室先預(yù)混燃燒后入主燃燒室再混燃燒。DIIDI30第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第三節(jié)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)污染排放的形成與控制三、控制柴油發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)——“燃燒中”。4、電控柴油噴射技術(shù)技術(shù)構(gòu)成：傳感器。執(zhí)行器。電控單元（ECU）。功能：選擇最佳噴油量、噴油壓力、噴油提前角、噴油速率參數(shù)。改善柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。減少排放。31電控柴油噴射技術(shù)32第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第三節(jié)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)污染排放的形成與控制四、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放后的處理技術(shù)——“燃燒后”。1、尾氣催化氧化去除氣態(tài)HC、CO等及顆粒物中的可溶性有機(jī)物成分——氧化性催化轉(zhuǎn)換器（DOC），工作溫度200℃～350℃。去除NOx——SCR。332、過濾捕集法（DPF——DieselParticulateFilter）過濾介質(zhì)（陶瓷泡沫體、蜂窩體）捕集碳粒后燃燒/清除。難點(diǎn)——過濾器的再生。間歇加熱再生：電加熱與反吹。連續(xù)催化再生：濾料表面涂附催化劑或燃油中加入活性組分。第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第三節(jié)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)污染排放的形成與控制四、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放后的處理技術(shù)——“燃燒后”。3、稀燃氮氧化物催化劑——用尾氣中未燃盡的HC為還原劑凈化NOx。341、概念——混合動(dòng)力汽車（HybridElectricVehicle,HEV）指由兩個(gè)或多個(gè)能同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的單個(gè)驅(qū)動(dòng)系聯(lián)合組成的車輛。2、構(gòu)成：內(nèi)燃機(jī)——汽油、柴油、壓縮天然氣、乙醇燃料。電動(dòng)機(jī)——發(fā)電機(jī)、蓄電池。管理控制系統(tǒng)。第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第四節(jié)混合動(dòng)力車35第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第四節(jié)混合動(dòng)力車363、混合方式：第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制第四節(jié)混合動(dòng)力車并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)——內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)同時(shí)工作或單獨(dú)工作。混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)——內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性聯(lián)合，可據(jù)工況靈活調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)的功率輸出和電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)——由內(nèi)燃機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，