大氣污染控制工程第11章城市機動車污染控制課件

第十一章城市機動車污染控制第十一章城市機動車污染控制主要內容1.機動化交通的環(huán)境影響2.汽油車污染排放的形成與控制3.柴油發(fā)動機污染物的形成與控制4.新型動力車主要內容1.機動化交通的環(huán)境影響Section1機動化交通的環(huán)境影響Section1機動化交通的環(huán)境影響第一節(jié)機動化交通的環(huán)境影響一、機動車保有量的持續(xù)增長2010年全世界機動車數量將超過8億輛隨著經濟的快速發(fā)展，我國汽車保有量連年高速增長第一節(jié)機動化交通的環(huán)境影響一、機動車保有量的持續(xù)增長表11-1世界部分城市機動車所產生的

空氣污染物的排放貢獻率城市年度機動車所產生的空氣污染物的排放貢獻率%COVOCsNOxPM10紐約200240.025.820.23.2洛杉磯200271.836.554.56.5墨西哥城2000983577-薩克拉門托城市郡2005-38.562.25.7北京20058850524上海(內環(huán))2004>95-60~80-天津200326463413表11-1世界部分城市機動車所產生的

空氣污染物的排放貢獻汽車排放法規(guī)歷程第一時期（相當于美國20世紀70年代）：排放法規(guī)的起步和完善時期，采用控制技術主要是發(fā)動機改造。第二時期（相當于美國20世紀80年代到90年代初）：汽車排放控制技術發(fā)展最快，改善效果最明顯。實現(xiàn)了汽油無鉛化。第三時期（相當于美國20世紀90年代中到21世紀初）：低排放車時期。節(jié)能、低污染或無污染已成為今后世界汽車工業(yè)的發(fā)展方向。汽車排放法規(guī)歷程第一時期（相當于美國20世紀70年代）：排放1876年世界上第一臺內燃機誕生，至今已130余年；1943年：美國洛杉磯市出現(xiàn)光化學煙霧（photo-chemicalsmog）1952年：加州工大A.H.Smit博士提出Smog生成機理：

HC＋NO2→O3

＋PAN（過氧酰基硝酸鹽）1966年：加州實施世界上第一個“汽車排放法規(guī)”（7工況）1968年：日本實施“大氣污染防止法”（怠速檢測CO）1970年：歐洲開始實施排放法規(guī)（怠速檢測CO、HC）1984年：中國實施排放法規(guī)(汽油車怠速CO、HC、柴油車自由加速煙度)1999年：北京實施國Ⅰ法規(guī)2000年：全國實施歐Ⅰ法規(guī)（與歐洲相差8年）2008年：北京實施國Ⅳ法規(guī)，實現(xiàn)了國際接軌2010年:全國實施國Ⅳ法規(guī)（汽油車）汽車排放法規(guī)歷程1876年世界上第一臺內燃機誕生，至今已130余年；汽車排放71988199219952000200520081988199219952000200520080.70.40.150.100.020.0214.19.07.05.03.52.0EURO012345EURO012345NOxg/（kW·h）PMg/（kW·h）中國：20002003200720102013

中國： 20002003200720102013

我國的內燃機技術落后歐洲至少5年汽車排放法規(guī)歷程1988199219958國家標準國家標準Section2汽油車污染排放的形成與控制Section2汽油車污染排放的形成與控制四沖程汽油機工作原理空氣、油廢氣進氣壓縮做功排氣四沖程汽油機工作原理空氣、油廢氣進氣壓縮做功排氣一、汽油機工作原理和污染來源進氣沖程壓縮沖程：接近上止點點火壓縮比ε=Va/Vc汽缸總容積/燃燒室容積汽油機ε=6~10，柴油機ε=16~24做功沖程排氣沖程1.進氣門；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、汽油機工作原理和污染來源進氣沖程1.進氣門；2.火花塞；汽油機污染物來源CONOxHC少量鉛、硫、磷硫氧化物和含鉛化合物可通過降低燃料中的含硫量及無鉛汽油控制限制的是CO、NOx、HC和柴油車排放的顆粒物AmbientAirRealFuelEngine/EmissionTechnology尾氣管排放物汽油機污染物來源COAmbientAirRealFuel汽油機污染物來源

曲軸箱少量CO、NOX和25%的HC排氣管絕大部分的CO、NOX、Pb和HC的60%汽油箱通風泄漏HC的10~20%汽油機污染物來源曲軸箱排氣管汽油箱通風泄漏汽車動力系統(tǒng)TheoreticalCombustionFuel+OxygenCarbonDioxideEnergy動力Ignition點火WaterVaporηet-有效功與實際消耗熱量之比汽油車:0.3~0.4柴油車:0.4~0.5汽車動力系統(tǒng)TheoreticalCombustionF發(fā)動機的效率發(fā)動機指示熱效率ηit：指示功（銘牌功）Wi與發(fā)動機實際消耗的燃料熱量Q1之比。有效熱效率ηet：發(fā)動機的有效功We與所消耗燃料量Q1之比。汽車傳動系統(tǒng)的機械效率η

m。發(fā)動機的效率發(fā)動機指示熱效率ηit：指示功（銘牌功）Wi與發(fā)16二、燃燒過程中污染物的形成1.一氧化碳（CO）的形成CO排放量的主要因素是空燃比、空氣和燃料的混合程度、內壁的淬熄效應過剩空氣系數α<1的濃混合工況時，由于缺氧使燃料中的C不能完全氧化成CO2，CO作為中間產物生成。α>1的稀混合工況，混合不均勻造成局部區(qū)域α<1，不完全燃燒或CO2產生離解反應。HC化合物不完全氧化。燃燒終了時CO濃度一般取決于燃氣溫度，但發(fā)動機膨脹過程中缸內溫度下降很快，以至于溫度下降速率遠快于氣體中各成分建立新的平衡過程的速率，即產生“凍結現(xiàn)象”，使實際CO濃度高于排氣溫度對應的化學平衡濃度二、燃燒過程中污染物的形成1.一氧化碳（CO）的形成Stoichiometry等當點汽油(C8H17)理論空燃比:約14.7CO局部不均勻殘余HC理論空燃比：在理想狀況下發(fā)動機完成一次工作循環(huán)所消耗的空氣的量與消耗的燃油的量的比值Stoichiometry等當點汽油(C8H17)理論空燃比2.HC化合物形成HC約有100~200種成分，來自未燃的燃油和潤滑油不完全燃燒產物，與α有密切關系即使α≥1也會產生壁面淬熄效應壁面油膜和積炭吸附2.HC化合物形成HC約有100~200種成分，來自未燃的燃2.HC化合物形成不完全燃燒怠速及高負荷工況可燃混合氣濃度處于α<1的過濃狀態(tài)，加之怠速時殘余廢氣系數較大，造成不完全燃燒；失火-發(fā)動機缺缸、斷缸、斷火、不點火、燃燒不良

加速或減速暫時的混合氣過濃或過稀α>1時，油氣混合不均勻，也會因不完全燃燒產生HC排放

怠速狀態(tài)是指發(fā)動機空轉時一種工作狀況。在發(fā)動機運轉時，如果完全放松油門踏板，這時發(fā)動機就處于怠速狀態(tài)。發(fā)動機怠速時的轉速被稱為怠速轉速，是維持發(fā)動機沒有做功時正常運轉的最低轉速。怠速即是發(fā)動機“出工不出力”。2.HC化合物形成不完全燃燒怠速狀態(tài)是指發(fā)動機空轉時2.HC化合物形成壁面淬熄效應—溫度較低的燃燒室壁面對火焰的迅速冷卻，使活化分子的能量被吸收，燃燒鏈反應中斷，在壁面形成厚約0.1~0.2mm左右的不燃燒或不完全燃燒的淬熄層。壁面淬熄效應產生的HC可占排氣管排放的30~50%?？p隙—氣體壓力高，溫度低，因而密度大，HC濃度極高2.HC化合物形成壁面淬熄效應—溫度較低的燃燒室壁面對火焰的2.HC化合物形成壁面油膜和積炭的吸附在進氣和壓縮過程中，多孔性積炭會吸附未燃混合氣及燃燒蒸氣，而在膨脹過程和排氣過程時壓力降低，部分HC脫附進入燃燒產物中。2.HC化合物形成壁面油膜和積炭的吸附NOx:熱力型NOx：理論空燃比時燃燒溫度最高，在比理論空燃比略小的條件下NOx最大。T、[O]和t瞬時型NOx：α<1過濃條件下易產生。燃料型NOx：汽油可看做基本不含N。Fuel和Prompt可忽略3.NOx的生成機理NOx濃度與空燃比和停留時間的關系NOx:3.NOx的生成機理NOx濃度與空燃比和停留時間的汽油車OtherEmissionsEvaporativeEmissions

diurnal,runninglosses,hotsoakCrankcaseLossesdueto"blow-by"RefuelingLossesdisplacedvaporsOtherEmissionsbrakelinings,tirewear,fluidleaks汽油車OtherEmissionsEvaporative復習α<1的濃混合工況時，由于缺氧生成的CO和HC量大。α>1的稀混合工況，混合不均勻造成CO和HC的生成。失火，加速或減速HC的壁面淬熄效應HC的壁面油膜和積炭的吸附熱力型NOx：理論空燃比時燃燒溫度最高，在理論空燃比附近NOx最大，其它兩種可忽略。復習α<1的濃混合工況時，由于缺氧生成的CO和HC量大。4.發(fā)動機運行條件對污染物排放的影響污染物量與空燃比直接相關貧燃燃燒效率高，生成HC和CO濃度低富燃燃燒不完全，生成HC和CO濃度高加速和高速行駛，燃燒溫度高，NOx排放多在怠速和加速時，空燃比偏低，怠速時溫度較低，殘余廢氣比例較高，CO排放濃度較高4.發(fā)動機運行條件對污染物排放的影響污染物量與空燃比直接相關減速時，汽油機節(jié)氣門關閉，而發(fā)動機在汽車反拖下繼續(xù)高速運轉，進氣管中突然形成高真空度狀態(tài)，使管壁上的液態(tài)燃油（油膜）急劇蒸發(fā)，形成過濃混合氣而導致較高的HC和CO排放措施1：汽油噴射式發(fā)動機在減速時不再供油，而且進氣管中油膜少，因此HC和CO排放少措施2：帶有減速斷油裝置的改進型化油器4.發(fā)動機運行條件對污染物排放的影響減速時，汽油機節(jié)氣門關閉，而發(fā)動機在汽車反拖下繼續(xù)高速運轉，控制技術前處理:無鉛汽油(0.013g/L),低硫汽油和柴油(1200ppm～50ppm)，國四機內控制:發(fā)動機設計表面積/容積越小越好;電子控制技術;多氣門技術機外控制技術:熱反應器,催化反應器(氧化,還原--三效)控制技術前處理:無鉛汽油(0.013g/L),低硫汽油和三、降低污染排放的發(fā)動機技術

1.改進點火系統(tǒng)從點火時刻起到活塞到達壓縮上止點，這段時間內曲軸轉過的角度稱為點火提前角一般在壓縮沖程結束前點火，壓縮比最大，溫度最高點火提前角延遲NOx和HC排放量降低，燃油耗率惡化原因：隨點火提前角延遲，后燃加重，熱效率變差三、降低污染排放的發(fā)動機技術

1.改進點火系統(tǒng)從點火時刻起到三、降低污染排放的發(fā)動機技術

1.改進點火系統(tǒng)點火提前角延遲導致排氣溫度上升，排氣行程以及排氣管中HC氧化反應加速。NOx降低的主要原因是：隨點火提前角延遲，上止點后燃燒的燃料增多，燃燒最高溫度下降，NOx減少。三、降低污染排放的發(fā)動機技術

1.改進點火系統(tǒng)30點火系統(tǒng)高能電子點火系統(tǒng)，系統(tǒng)電流提高到5~7A，加強了點火強度，延長了火花持續(xù)時間，加強燃燒過程，降低HC排放。無觸點式晶體管點火系統(tǒng)，用信號發(fā)生裝置，克服了觸點裝置的缺點，便于采用電子方式實現(xiàn)點火提前角的調整。電控點火系統(tǒng)取消了分電器，采用線圈分配或二極管分配點火，簡稱直接點火（DIS），得到逐步應用。點火系統(tǒng)高能電子點火系統(tǒng)，系統(tǒng)電流提高到5~7A，加強了點火2.閉環(huán)電子控制汽油噴射技術通過排氣管上的氧傳感器反饋的氧濃度信號，閉環(huán)控制系統(tǒng)將發(fā)動機空燃比控制在理論空燃比±1%之內。動力性、經濟性和排氣凈化性能均可實現(xiàn)優(yōu)化控制，各項性能指標超過化油器的汽油機。2.閉環(huán)電子控制汽油噴射技術通過排氣管上的氧傳感器反饋的氧濃3.廢氣再循環(huán)(EGR)將部分燃燒產物返流至進氣管再吸入氣缸參加燃燒，稱作廢氣再循環(huán)，減小NOx排放。15~20%燃燒產物返流至進氣管再吸入汽缸燃燒，減少了排氣總量，稀釋了進氣，增加了燃燒室內氣體的熱容量，降低了燃燒的最高溫度和氧氣的相對濃度。超過這一范圍，動力性和經濟性很快惡化；混合氣過度稀釋產生失火，使HC排放量增加降低NOx約60%,但油耗增加3%。3.廢氣再循環(huán)(EGR)將部分燃燒產物返流至進氣管再吸入氣缸大氣污染控制工程第11章城市機動車污染控制課件四、汽油車尾氣排放后處理技術在發(fā)動機的排氣系統(tǒng)中進一步消減污染物排放的技術?？諝鈬娚溲b置、熱反應器、氧化型催化轉化器、還原型催化轉化器、三效催化轉化器等。氧化型和還原型催化轉化器分別用來凈化排氣中的HC+CO+NOx，但已被三效催化凈化技術所取代。四、汽油車尾氣排放后處理技術在發(fā)動機的排氣系統(tǒng)中進一步消減污2.三效催化轉化器同時凈化3種污染物:CO,HC,NOx只能在很窄的空燃比窗口(14.7±0.25)工作為滿足要求，通常采用以氧傳感器ZrO2為中心的空燃比反饋控制系統(tǒng)2.三效催化轉化器同時凈化3種污染物:CO,HC,NO2.三效催化轉化器主要使用多孔蜂窩陶瓷載體，表面涂附活性Al2O3，負載鉑Pt,鈀Rd,銠Pd等貴金屬或其它催化劑防中毒很關鍵!必須使用無鉛汽油，降低汽油中硫含量2.三效催化轉化器主要使用多孔蜂窩陶瓷載體，表面涂附活性Al五、曲軸箱(crankcase)排放控制壓縮和做功沖程中的氣體，從縫隙中逸出，叫竄氣控制方法是將竄氣再循環(huán)入發(fā)動機進氣管，在汽缸中燒掉怠速進氣管真空度高，PCV閥使強制通風量減小竄氣大于PCV閥處理能力，進入汽缸再次燃燒五、曲軸箱(crankcase)排放控制壓縮和做功沖程中的氣六、燃油蒸發(fā)排放控制油箱和化油器溫度高，蒸發(fā)排放量大防熱隔熱措施吸附法六、燃油蒸發(fā)排放控制油箱和化油器轉移損耗控制方法－階段1控制汽油轉運中轉移損耗控制方法－階段1控制汽油轉運中轉移損耗控制方法－階段2控制加油過程，負壓操作汽車上的吸附罐轉移損耗控制方法－階段2控制加油過程，負壓操作Section3柴油發(fā)動機污染物的形成與控制Section3柴油發(fā)動機污染物的形成與控制一、1.汽油,柴油發(fā)動機的區(qū)別汽油發(fā)動機燃燒為預混火焰,柴油為擴散火焰柴油發(fā)動機壓縮比高，壓縮終了汽缸3.5~4.5MPa，溫度750~1000K，大大超過柴油的自燃溫度柴油發(fā)動機大面積多點同時著火，初期放熱率、壓力升高率以及最高爆發(fā)壓力都比汽油機高，且空氣富余，不完全燃燒產物少，因此熱效率和燃油經濟性好于汽油機混合時間極短，混合氣濃度分布極不均勻，易產生碳煙，而汽油機預混燃燒一般不產生碳煙預混火焰：氣體燃料和空氣在燃燒前充分混合，混合和擴散速度遠快于化學反應速率，該過程為化學反應控制的過程。擴散火焰：燃料和空氣分別進入燃燒區(qū)，混合然后發(fā)生反應（實際中應用最多），燃燒速率主要決定于較緩慢的混合和擴散，由擴散控制的燃燒。一、1.汽油,柴油發(fā)動機的區(qū)別汽油發(fā)動機燃燒為預混火焰,一、3.柴油機排放污染物的來源在較高空燃比下，HC和CO燃燒完全直接將10MPa以上將霧化柴油噴入汽缸，避免器壁淬熄和間隙淬熄現(xiàn)象火焰外圍區(qū)域α趨于∞，受淬熄效應和油膜及積炭吸附影響很小，HC排放很低NOx在中低負荷遠低于汽油機，在高負荷與汽油機同數量級甚至更高顆粒物排放相當高一、3.柴油機排放污染物的來源在較高空燃比下，HC和CO燃燒二、2.顆粒物及碳煙的生成機理顆粒物成分：主要為干碳煙DS、可溶性有機成分SOF，硫酸鹽碳煙是烴類燃料在高溫缺氧條件下裂解而形成的。從α=0.6開始，α減少，碳煙生產量增加α>0.6，NOx生產量隨α增加而增加，在1.1達到峰值降低碳煙方法往往引起NOx上升，α=1.1峰值α=0.6~0.9，碳煙基本不產生，NOx生成量很少二、2.顆粒物及碳煙的生成機理顆粒物成分：主要為干碳煙DS、3.空燃比對柴油機排放的影響柴油機混合器濃稀分布極不均勻，需要空氣量更多相比汽油機CO、HC和NO曲線有向稀區(qū)平移趨勢NOx,HC,CO排放的體積分數/10-6碳煙排放/g·m-3α3.空燃比對柴油機排放的影響柴油機混合器濃稀分布極不均勻，需3.空燃比對柴油機排放的影響在中小負荷α>2，燃油噴霧邊緣形成了過稀混合氣，缸內溫度過低，造成HC排放略有上升，但仍比汽油機低的多NOx生成規(guī)律與汽油機相同，但量小。原因是柴油機混合氣濃度不均勻。所以NOx生成要看平均α和局部α。局部缺氧使得α≤2以后，碳煙排放急劇上升加強氣流混合可以改善局部缺氧，使冒煙極限向α=1靠近，減少碳煙產生。NOx,HC,CO排放的體積分數/10-6碳煙排放/g·m-3α3.空燃比對柴油機排放的影響在中小負荷α>2，燃油噴霧邊緣形47柴油車行駛工況與排放1.CO總是很低,約0.1%,不到汽油機1/102.減速,怠速時HC相對較高,濃度約為400ppm

此時NOx較低,約為30～70ppm

3.加速,定速時NOx高,濃度約為:

NOx:800～2500ppm

此時HC:90～200ppm4.加速時碳煙最高,約為0.30g/m3

柴油車行駛工況與排放1.CO總是很低,約0.1%,不到三、控制柴油機污染物排放的發(fā)動機技術1.廢氣再循環(huán)降低熱力型NOx冷卻廢氣再循環(huán)，可以明顯抑制發(fā)動機惡化三、控制柴油機污染物排放的發(fā)動機技術1.廢氣再循環(huán)三、控制柴油機污染物排放的發(fā)動機技術2.改進供油系統(tǒng)采用高壓噴射—細化噴霧顆粒，縮小噴油嘴孔徑并增加孔數，細化柴油噴霧顆粒，增強混合，著火落后期縮短，碳煙排放和熱效率改善，但NOx增加。推遲噴油提前角是降低NOx生產主要措施，但燃燒延遲，CO和碳煙