機(jī)動(dòng)車污染及控制思路講解

1、 環(huán)境工程1401 朱孔偉 機(jī)動(dòng)車污染及控制思路 機(jī)動(dòng)化交通的環(huán)境影響 汽油車污染排放的形成與控制 新型動(dòng)力車 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)污染 物的形成與控制 目錄 directory 3 機(jī)動(dòng)化交通的環(huán)境影響 機(jī)動(dòng)車保有量的持續(xù)增長(zhǎng) 汽車排放法規(guī)的歷程 能源消耗與污染物排放 1 機(jī)動(dòng)車保有量的持續(xù)增長(zhǎng) 全球機(jī)動(dòng)車保有量的增長(zhǎng)比人口增長(zhǎng)快的多。1950年，全世界只有5000萬(wàn)輛汽車；到1995年， 全球汽車總量已經(jīng)超過6.5億，平均沒100人擁有10輛汽車。據(jù)估計(jì)，2010年前全世界機(jī)動(dòng)車數(shù) 量將超過8億輛（不包括兩輪和三輪機(jī)動(dòng)車）。目前世界上大部分汽車集中在富裕國(guó)家和地區(qū)， 如OECD（經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織）

2、成員國(guó)擁有世界汽車的70%,人均擁有汽車數(shù)量很高，而且這些 國(guó)家的汽車保有量仍在緩慢上升。同時(shí)，發(fā)展中國(guó)家也呈現(xiàn)出快速機(jī)動(dòng)化的趨勢(shì)，如亞洲許多國(guó) 家的摩托車保有量增長(zhǎng)率均超過兩位數(shù)。從2010年后，中國(guó)汽車工業(yè)也取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展 汽車排放法規(guī)的歷 程 5 交通源對(duì)城市空氣污染的影響 城市交通運(yùn)輸需要大量的能源。全世界所生產(chǎn)的全部能源中，20%以上 用于交通運(yùn)輸。從1971到1992年，全球交通部門的能源年平均增長(zhǎng)率為 2.7%，比工業(yè)和其他部門的增長(zhǎng)更快。這些能源消耗導(dǎo)致了城市、區(qū)域 和全球性的空氣污染全球因燃燒礦物燃料而產(chǎn)生的CO、HC、NOx的排放 量，將近50%來自汽油機(jī)和柴油機(jī)。在

3、發(fā)達(dá)國(guó)家的城市中，汽車排放成 為空氣污染的最主要的來源。1998年，美國(guó)交通排放源是造成78.6%的 CO、53.3%NOx、43.5%揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）以及25.4%的顆粒物 （PM10）排放的原因。在城市中心區(qū)域，特別是擁擠的街道兩旁，汽 車交通是造成空氣污染的最主要來源：大約CO濃度的90%-95%、NOx和 HC濃度的80%-90%，以及大部分顆粒物來自汽車交通，成為人類健康和 城市環(huán)境的最大威脅。 。 6 世界部分城市機(jī)動(dòng)車所產(chǎn)生的空氣污染物的排放 貢獻(xiàn)率 7 汽車排放法規(guī)的歷程 017 從控制汽油車曲軸箱排放的HC開 始，到控制怠速排放的CO、HC濃 度，逐步實(shí)施控制尾氣

4、的CO、HC 和NOx排放量 汽車排放控制技術(shù)發(fā)展最 快，大氣質(zhì)量改善效果最 為明顯時(shí)期，CO、HC、NOx 的排放限制為實(shí)施前的 1/10左右。 第一階段限值要 求CO、HC、NOx的 排放量降低30%- 60%，第二階段的 限值要求比第一 階段再降低50% 2汽油車污染排放的形成與控制 汽油機(jī)的工作原 理與污染源 燃燒過程中污染物的 形成 降低污染物排 放的發(fā)動(dòng)機(jī)技 術(shù) 汽油車尾氣排放后處 理技術(shù) 9 汽油機(jī)工作原理 進(jìn)氣沖程開始時(shí)，活塞位于上止點(diǎn)， 進(jìn)氣門打開，排氣門關(guān)閉，曲軸旋轉(zhuǎn) 帶動(dòng)活塞向下移動(dòng)，燃燒室容積加大， 空氣和燃料的混合物通過進(jìn)氣門進(jìn)入 缸體?；钊竭_(dá)下至點(diǎn)，進(jìn)氣結(jié)束 進(jìn)氣

5、門和排氣門關(guān)閉， 活塞上移，進(jìn)入燃燒 室的空氣和燃料室的 空氣和燃被壓縮，在 接近上止點(diǎn)，火花塞 點(diǎn)火，使缸內(nèi)氣體燃 燒 高壓燃料氣體推動(dòng)活 塞下移，對(duì)外做功。 排氣門打開，活塞上 升，燃燒后的女氣體 從氣缸中排出。排氣 沖程結(jié)束時(shí)，活塞位 于上止點(diǎn)，接著進(jìn)行 下一個(gè)循環(huán) 李姓名張姓名王姓名李姓名 進(jìn)氣過程壓縮過程做功過程排氣過程 10 汽油機(jī)的污染來源 概 汽油機(jī)排氣中的有害物質(zhì)是燃燒過程產(chǎn)生，主要有CO、NOx和 HC(包括酚、醛、酸、過氧化物等），以及少量的鉛、硫、磷的 污染。其中硫氧化物和含鉛化合物可以通過降低燃料中的含硫 化合物以及采用無(wú)鉛汽油 來有效控制。目前排放法規(guī)限制的是 CO

6、、HC、NOx和柴油顆粒物4種污染物。 計(jì)劃完成：56 實(shí)際完成數(shù)目：820萬(wàn) 回款數(shù)：640萬(wàn) 實(shí)際完成數(shù)目：820萬(wàn) 回款數(shù)：640萬(wàn) 排放源排放源相對(duì)排放比例相對(duì)排放比例(占該污染物總排放的比例）占該污染物總排放的比例）/% CO NOx HC 尾氣管 98-99 98-99 55-65 曲軸管 1-2 1-2 25 蒸發(fā)排放 0 0 10-20 汽油車污染來源及其相對(duì)排放比例 11 燃燒過程中污染物的形成 CO是燃料中碳?xì)洳煌耆紵漠a(chǎn)物 ，決定 CO排放量的主要因素是空燃比 、空氣和燃料的混合程度、內(nèi)壁的淬熄效應(yīng)等。汽油是多種碳?xì)浠衔锏?混合物，可以用CxHy來表示。雖然x和y的值

7、隨汽油產(chǎn)地和生產(chǎn)季節(jié)而異， 它們的典型值為x=8，y=17。燃料完全燃燒的化學(xué)方程如下 CxHy+(x+y/4)O2-xCO2+（y/2)H2O CO的生成機(jī)理比較復(fù)雜，若以R代表碳?xì)涓瑒t燃料分子RH在燃燒過程中生 成CO的大致過程如下 RH- 的產(chǎn)生量主要手受混合氣濃度的影響。在過?？諝庀禂?shù)1的 12 濃混合氣工況時(shí)，由于缺氧使燃料中的不能完成氧化成2，作為其中 間產(chǎn)物生成。在1的稀混合氣工況時(shí)，理論上不應(yīng)有產(chǎn)生，但實(shí)際燃燒 過程中，由于混合不均勻造成局部區(qū)域的1條件成立，有局部燃燒不完全 產(chǎn)生；另外，在排氣過程中，未燃碳?xì)浠衔锏牟煌耆难趸矔?huì)產(chǎn) 生少量的。燃燒終了時(shí)的濃度一般取決于燃

8、氣溫度，但由于發(fā)動(dòng)機(jī)膨 脹過程中缸內(nèi)的溫度下降很快，以至于溫度下降速率遠(yuǎn)快于氣體中各成分建立 新的平衡過程的速率，產(chǎn)生“凍結(jié)“現(xiàn)象，使實(shí)際的濃度要高于排氣溫度 相對(duì)應(yīng)的化學(xué)平衡濃度。 13 化合物的形成 汽車排放的越有汽車排放的越有100-200100-200種成分，包括芳香烴、烯烴、烷烴和醛類，它們來自未然的種成分，包括芳香烴、烯烴、烷烴和醛類，它們來自未然的 燃油的潤(rùn)滑油。在以預(yù)混火焰形式燃燒的汽油機(jī)中，與一樣，也是不完全燃燒的燃油的潤(rùn)滑油。在以預(yù)混火焰形式燃燒的汽油機(jī)中，與一樣，也是不完全燃燒的 產(chǎn)物，因而與過?？諝庀禂?shù)有密切的關(guān)系。但即使在產(chǎn)物，因而與過?？諝庀禂?shù)有密切的關(guān)系。但即使在

9、1 1的條件下，往往也會(huì)產(chǎn)生的條件下，往往也會(huì)產(chǎn)生 很高的排放，這是因?yàn)榇阆ê臀降仍蛞矔?huì)產(chǎn)生。很高的排放，這是因?yàn)榇阆ê臀降仍蛞矔?huì)產(chǎn)生。 （1 1）不完全的燃燒：汽油機(jī)中不完全燃燒的原因主要有：）不完全的燃燒：汽油機(jī)中不完全燃燒的原因主要有：怠速及高負(fù)荷工況時(shí)，可燃混怠速及高負(fù)荷工況時(shí)，可燃混 合氣濃度處于合氣濃度處于1 1的過濃狀態(tài)，加之怠速時(shí)殘余廢氣系數(shù)較大，造成不完全燃燒；失火的過濃狀態(tài)，加之怠速時(shí)殘余廢氣系數(shù)較大，造成不完全燃燒；失火 也是汽油機(jī)排放的重要原因；另外，汽車在加速和減速時(shí)，會(huì)造成暫時(shí)的混合氣體過也是汽油機(jī)排放的重要原因；另外，汽車在加速和減速時(shí)，會(huì)造成暫時(shí)的混合氣

10、體過 濃或過稀現(xiàn)象，也會(huì)產(chǎn)生不完全燃燒或失火。當(dāng)然，即使在濃或過稀現(xiàn)象，也會(huì)產(chǎn)生不完全燃燒或失火。當(dāng)然，即使在1 1時(shí)，由于油氣混合不均時(shí)，由于油氣混合不均 勻，也會(huì)因不完全燃燒產(chǎn)生排放。勻，也會(huì)因不完全燃燒產(chǎn)生排放。 （2 2）壁面淬熄效應(yīng)）壁面淬熄效應(yīng); ;所謂壁面淬熄效應(yīng)是指所謂壁面淬熄效應(yīng)是指溫度較低的燃燒室壁面對(duì)火焰的迅速冷卻，使溫度較低的燃燒室壁面對(duì)火焰的迅速冷卻，使 活化分子的能量被吸收，燃燒鏈反應(yīng)中斷，在壁面形成厚約活化分子的能量被吸收，燃燒鏈反應(yīng)中斷，在壁面形成厚約0.10.10.20.2左右的不燃燒或左右的不燃燒或 不完全燃燒的淬熄層，產(chǎn)生大量的不完全燃燒的淬熄層，產(chǎn)生大量

11、的 （3 3）縫隙效應(yīng)：燃燒室中）縫隙效應(yīng)：燃燒室中各種狹窄的縫隙，由于面容比（表面積與容積之比）很大，淬各種狹窄的縫隙，由于面容比（表面積與容積之比）很大，淬 熄效應(yīng)強(qiáng)烈，火焰無(wú)法傳入其中繼續(xù)燃燒；而在膨脹和排氣過程中，缸內(nèi)壓力下降，縫隙熄效應(yīng)強(qiáng)烈，火焰無(wú)法傳入其中繼續(xù)燃燒；而在膨脹和排氣過程中，缸內(nèi)壓力下降，縫隙 中的未燃混合氣返回汽缸，并隨排氣一起排出中的未燃混合氣返回汽缸，并隨排氣一起排出，雖然縫隙容積較小，但其中氣體壓力高，雖然縫隙容積較小，但其中氣體壓力高， 溫度低，因而密度較大，的濃度極高。溫度低，因而密度較大，的濃度極高。 14 0102 503 (3)壁面油膜和積碳的吸附：在

12、進(jìn)氣和壓縮的過程中，汽缸壁面上的潤(rùn)滑油膜，以及 沉積在活塞頂部、燃燒室壁面和進(jìn)排氣門上的多孔性積碳，會(huì)吸附未燃混合氣及燃 蒸氣，而在膨脹過程和排氣過程時(shí)壓力降低，部分HC脫附進(jìn)入燃燒產(chǎn)物中。 15 NOx的生成機(jī)理 請(qǐng)?jiān)谶@里輸入您 的文字；請(qǐng)?jiān)谶@ 里輸入您的文字； 請(qǐng)?jiān)谶@里輸入您 的文字；請(qǐng)?jiān)谶@ 里輸入您的文字。 請(qǐng)?jiān)谶@里輸入您 的文字；請(qǐng)?jiān)谶@ 里輸入您的文字； 請(qǐng)?jiān)谶@里輸入您 的文字；請(qǐng)?jiān)谶@ 里輸入您的文字。 在這里輸入您的 文字；請(qǐng)?jiān)谶@里 輸入您的文字； 請(qǐng)?jiān)谶@里輸入您 的文字；請(qǐng)?jiān)谶@ 里輸入您的文字。 請(qǐng)?jiān)谶@里輸入您 的文字；請(qǐng)?jiān)谶@ 里輸入您的文字； 請(qǐng)?jiān)谶@里輸入您 的文字；請(qǐng)?jiān)谶@ 里輸

13、入您的文字。 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程主要生成NO，另有少量的NO2，統(tǒng)稱NOx。對(duì)于一般的汽油機(jī)，其 a較小，一般NO2與NOx體積比=1%-10%，而對(duì)于柴油機(jī)，由于其a較汽油機(jī)大，一般NO2與 NOx體積比=5%-15%。 （1）熱力型NOx：在理論空燃比時(shí)整個(gè)燃燒體系達(dá)到的溫度最高，所以在理論空燃比小的 條件下NOx濃度最大。貧燃區(qū)過量的空氣吸收了部分熱量，使溫度有所降低，富燃區(qū)O2含 量少，平衡向左移生成的NOx也減少。影響NOx生成量的主要因素是溫度、氧氣濃度和 停留時(shí)間。 （2）瞬時(shí)型NOx:瞬時(shí)型NOx的生成過程是由一系列活化能不高的反應(yīng)組成，因此不需要 很高的溫度就可進(jìn)行。內(nèi)燃機(jī)中

14、，在a1的過濃條件下容易產(chǎn)生瞬時(shí) NOx。但就燃燒過程 中NOx生成總量來看，瞬時(shí)型NOx只占較小的比例。 （3）燃料型NOx；燃料中含氮化合物分解后生成HCN和NH3等中間產(chǎn)物，并逐步生成NOx 這一反應(yīng)過程在=1600C條件下就可進(jìn)行。 16 降低污染排放的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù) 01.改進(jìn)點(diǎn)火裝 置 02.閉環(huán)電子控 制汽油噴射技 術(shù) 03.廢氣再循環(huán) 17 汽車尾氣排放后處理技術(shù) 排氣后處理技術(shù)是指在發(fā)送機(jī)的排氣系統(tǒng)中進(jìn)一步削減污染物 排放的技術(shù)。常見的排氣 后裝置有空氣噴射裝置、熱反應(yīng)器、氧化型催化轉(zhuǎn)化器、還原型催化轉(zhuǎn)化器、三項(xiàng)催化轉(zhuǎn) 化器等。 1氧化、還原型催化轉(zhuǎn)化器 凈化前排氣-還原催化床+

15、氧化催化床-凈化后排氣 （引入二次空氣） CO+(1/2)O2-CO2 NO+CO-(1/2)N2+CO2 2NO+5H2-2NH3+2H2O 2NO+5CO+3H2O-2NH3+5CO2 3 3 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)污染物的形成與控制 四沖程柴油機(jī)的工作原理 柴油機(jī)污染物的形成過程 控制柴油機(jī)污染物排放 的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù) 柴油機(jī)排氣后處理技術(shù) 19 四沖程柴油機(jī)的工作原理 柴油機(jī)的燃燒過程可分為四個(gè)時(shí)期，及著火落后期、速燃期，緩燃期和后燃?xì)馄?（1)著火落后期：指噴油開始到壓力急劇升高之前的這段時(shí)期。著火落后期內(nèi),燃油要經(jīng)歷霧化、 蒸發(fā)、與空氣混合的物理過程，以及冷焰、藍(lán)焰、熱焰的低溫多階段化學(xué)過程，最后

16、形成多點(diǎn)同 時(shí)自信點(diǎn)火。 （2)速燃期；指著火后壓力急劇上升的時(shí)期 。由于在著火落后期內(nèi)作好燃燒準(zhǔn)備的大量可燃混合 氣同時(shí)著火燃燒，使缸內(nèi)溫度和壓力急劇升高。 （3）緩燃期：汽缸內(nèi)大量預(yù)混合氣被消耗后，燃燒放熱速率明顯降低。低負(fù)荷工況時(shí)燃油噴射 此時(shí)已經(jīng)完成，但高負(fù)荷時(shí)噴油仍在繼續(xù)。后續(xù)噴入的燃油一遍擴(kuò)散混合一遍著火燃燒，因此此 階段也稱為擴(kuò)散燃燒階段 （4）后燃期：由汽缸內(nèi)壓力開始急劇下降到燃料基本燃盡。 20 柴油機(jī)排放污染物的來源 項(xiàng)目示 添加文字說明 與與 汽油汽油 發(fā)動(dòng)機(jī)相比，柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)通常在較高的空燃比下運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)相比，柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)通常在較高的空燃比下運(yùn)行，HCHC和和COCO

17、可以得到比較可以得到比較 完全的燃燒。直接將液體柴油噴入汽缸中，避免了器壁淬熄和間隙淬熄現(xiàn)象完全的燃燒。直接將液體柴油噴入汽缸中，避免了器壁淬熄和間隙淬熄現(xiàn)象，所以，所以HCHC的排的排 出量通常很低。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放放熱出量通常很低。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放放熱HCHC與與COCO一般只有汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的幾十分之一。但其一般只有汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的幾十分之一。但其NOxNOx排排 放量，放量，在中小負(fù)荷時(shí)遠(yuǎn)低汽油機(jī)，大負(fù)荷時(shí)與汽油機(jī)大致處于統(tǒng)一數(shù)量級(jí)甚至更高。柴油在中小負(fù)荷時(shí)遠(yuǎn)低汽油機(jī)，大負(fù)荷時(shí)與汽油機(jī)大致處于統(tǒng)一數(shù)量級(jí)甚至更高。柴油 機(jī)的顆粒物排放量相當(dāng)高，約為汽油機(jī)的機(jī)的顆粒物排放量相當(dāng)高，約為汽油機(jī)的30-4

18、030-40倍倍 。所以柴油機(jī)主要以控制微粒和。所以柴油機(jī)主要以控制微粒和NOxNOx排放排放 未目標(biāo)。未目標(biāo)。 21 柴油機(jī)污染物的形成過程 22 顆粒物及碳煙的生成機(jī)理 柴油機(jī)污染物的形成過程 成分成分 質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)/% 干碳煙 40-50 可溶性有機(jī)成分 35 -45 硫酸鹽 5-10 柴油機(jī)微粒的組成 機(jī)理：碳煙時(shí)烴類燃料在高溫缺氧條件下裂解而形成的 23 控制柴油機(jī)污染物排放的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù) 廢氣再循 環(huán) 采用分 割式燃 燒室 電控 柴油 噴射 改進(jìn)供油 系統(tǒng) 采用增壓和 中冷技術(shù) 24 柴油機(jī)排氣后處理技術(shù) 1 2 3 催化氧化劑 柴油機(jī)稀燃 氮氧化物催 化劑 顆粒捕集器 4新型動(dòng)力車 電動(dòng)汽車 燃料電池汽車 混合動(dòng)力車 26 電動(dòng)汽車 電動(dòng)汽車的最大特點(diǎn)時(shí)是：在行駛過程中不排放任何有害氣體，是目前唯一的零 排放車 電動(dòng)車代替燃油汽車排放污染物變化的比例/% HCCONOxSO2 顆粒物顆粒物 法國(guó) -99 -99 -91 -