大氣污染控制工程第章城市機動車污染控制課件

1、第十一章城市機動車污染控制Slide 1第1頁，共58頁。主要內(nèi)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Slide 2第2頁，共58頁。Section 1機動化交通的環(huán)境影響Slide 3第3頁，共58頁。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(shù)量將超過8億輛隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國汽車保有量連年高速增長Slide 4第4頁，共58頁。表11-1 世界部分城市機動車所產(chǎn)生的空氣污染物的排放貢獻率城市年度機動車所產(chǎn)生的空氣污染物的排放貢獻率 %COVOCsNOxPM10紐約200240.0

2、25.820.23.2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(nèi)環(huán))200495-6080-天津200326463413Slide 5第5頁，共58頁。汽車排放法規(guī)歷程第一時期（相當(dāng)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(shù)主要是發(fā)動機改造。第二時期（相當(dāng)于美國20世紀80年代到90年代初）：汽車排放控制技術(shù)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(dāng)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)

3、的發(fā)展方向。Slide 6第6頁，共58頁。1876年世界上第一臺內(nèi)燃機誕生，至今已130余年；1943年：美國洛杉磯市出現(xiàn)光化學(xué)煙霧（photo-chemical smog）1952年：加州工大A.H.Smit博士提出Smog生成機理：HC NO2 O3 PAN（過氧?；跛猁}）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：北京實施國法規(guī)2000年：全國實施歐法規(guī)（與歐洲相差8年）

4、2008年：北京實施國法規(guī)，實現(xiàn)了國際接軌2010年: 全國實施國法規(guī)（汽油車）汽車排放法規(guī)歷程Slide 7第7頁，共58頁。1988 1992 1995 2000 2005 20081988 1992 1995 2000 2005 20080.70.40.150.100.020.0214.19.07.05.03.52.0EURO 0 1 2 3 4 5EURO 0 1 2 3 4 5NOx g/（kWh）PM g/（kWh）中國： 2000 2003 2007 2010 2013 中國： 2000 2003 2007 2010 2013 我國的內(nèi)燃機技術(shù)落后歐洲至少5年汽車排放法規(guī)歷程Sl

5、ide 8第8頁，共58頁。國家標準Slide 9第9頁，共58頁。Section 2汽油車污染排放的形成與控制Slide 10第10頁，共58頁。四沖程汽油機工作原理空氣、油廢氣進氣壓縮做功排氣Slide 11第11頁，共58頁。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= Va/Vc汽缸總?cè)莘e/燃燒室容積汽油機=610，柴油機=1624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Slide 12第12頁，共58頁。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

6、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Ambient AirReal FuelEngine/EmissionTechnology尾氣管排放物Slide 13第13頁，共58頁。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(fēng)泄漏HC的1020%Slide 14第14頁，共58頁。汽車動力系統(tǒng) Theoretical CombustionFuel+OxygenCarbonDioxideEnergy動力Ignition點火WaterVaporet-有效功與實際消耗熱量之比汽油車: 0.30.4

7、柴油車: 0.40.5Slide 15第15頁，共58頁。發(fā)動機的效率發(fā)動機指示熱效率it：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et：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 m。Slide 16第16頁，共58頁。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(nèi)壁的淬熄效應(yīng)過?？諝庀禂?shù)1的稀混合工況，混合不均勻造成局部區(qū)域1，不完全燃燒或CO2產(chǎn)生離解反應(yīng)。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(nèi)溫度下降很快，以至于溫度下降速率遠快于氣體中

8、各成分建立新的平衡過程的速率，即產(chǎn)生“凍結(jié)現(xiàn)象”，使實際CO濃度高于排氣溫度對應(yīng)的化學(xué)平衡濃度Slide 17第17頁，共58頁。Stoichiometry等當(dāng)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 Slide 18第18頁，共58頁。2.HC化合物形成HC約有100200種成分，來自未燃的燃油和潤滑油不完全燃燒產(chǎn)物，與有密切關(guān)系即使1也會產(chǎn)生壁面淬熄效應(yīng)壁面油膜和積炭吸附Slide 19第19頁，共58頁。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1時，油氣混合

9、不均勻，也會因不完全燃燒產(chǎn)生HC排放 怠速狀態(tài)是指發(fā)動機空轉(zhuǎn)時一種工作狀況。在發(fā)動機運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速被稱為怠速轉(zhuǎn)速，是維持發(fā)動機沒有做功時正常運轉(zhuǎn)的最低轉(zhuǎn)速。怠速即是發(fā)動機“出工不出力”。Slide 20第20頁，共58頁。2.HC化合物形成壁面淬熄效應(yīng)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(yīng)中斷，在壁面形成厚約0.10.2mm左右的不燃燒或不完全燃燒的淬熄層。壁面淬熄效應(yīng)產(chǎn)生的HC可占排氣管排放的3050%。縫隙氣體壓力高，溫度低，因而密度大，HC濃度極高Slide 21第21頁，共58頁。2.HC化合

10、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(chǎn)物中。Slide 22第22頁，共58頁。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： 1過濃條件下易產(chǎn)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(guān)系Slide 23第23頁，共58頁。汽油車 Other EmissionsEvaporative Emissions diurnal, running loss

11、es, hot soakCrankcase Losses due to blow-byRefueling Losses displaced vaporsOther Emissions brake linings, tire wear, fluid leaksSlide 24第24頁，共58頁。復(fù)習(xí)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(yīng)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。Slide 25第25頁，共58頁。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(guān)貧燃燃燒效率

12、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Slide 26第26頁，共58頁。減速時，汽油機節(jié)氣門關(guān)閉，而發(fā)動機在汽車反拖下繼續(xù)高速運轉(zhuǎn)，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(dǎo)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Slide 27第27頁，共58頁?？刂萍夹g(shù)前處理: 無鉛汽油(

13、0.013g/L), 低硫汽油和柴油(1200ppm50ppm)，國四機內(nèi)控制: 發(fā)動機設(shè)計 表面積/容積 越小越好; 電子控制技術(shù); 多氣門技術(shù)機外控制技術(shù): 熱反應(yīng)器, 催化反應(yīng)器(氧化, 還原-三效)Slide 28第28頁，共58頁。三、降低污染排放的發(fā)動機技術(shù)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(nèi)曲軸轉(zhuǎn)過的角度稱為點火提前角一般在壓縮沖程結(jié)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Slide 29第29頁，共58頁。三、降低污染排放的發(fā)動機技術(shù)1.改進點火系統(tǒng)點火提前角延遲導(dǎo)致排氣

14、溫度上升，排氣行程以及排氣管中HC氧化反應(yīng)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。Slide 30第30頁，共58頁。點火系統(tǒng)高能電子點火系統(tǒng)，系統(tǒng)電流提高到57A，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(diào)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(yīng)用。Slide 31第31頁，共58頁。2.閉環(huán)電子控制汽油噴射技術(shù)通過排氣管上的氧傳感器反饋的氧濃度信號，閉環(huán)控制

15、系統(tǒng)將發(fā)動機空燃比控制在理論空燃比1%之內(nèi)。動力性、經(jīng)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。Slide 32第32頁，共58頁。3.廢氣再循環(huán)(EGR)將部分燃燒產(chǎn)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。1520%燃燒產(chǎn)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(nèi)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(jīng)濟性很快惡化；混合氣過度稀釋產(chǎn)生失火，使HC排放量增加降低NOx約60%, 但油耗增加3%。Slide 33第33頁，共58頁。Slide 34第34頁，共58頁。四、汽油車尾

16、氣排放后處理技術(shù)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(shù)?？諝鈬娚溲b置、熱反應(yīng)器、氧化型催化轉(zhuǎn)化器、還原型催化轉(zhuǎn)化器、三效催化轉(zhuǎn)化器等。氧化型和還原型催化轉(zhuǎn)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(shù)所取代。Slide 35第35頁，共58頁。2.三效催化轉(zhuǎn)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)Slide 36第36頁，共58頁。2.三效催化轉(zhuǎn)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

17、劑防中毒很關(guān)鍵!必須使用無鉛汽油，降低汽油中硫含量Slide 37第37頁，共58頁。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(fēng)量減小竄氣大于PCV閥處理能力，進入汽缸再次燃燒Slide 38第38頁，共58頁。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Slide 39第39頁，共58頁。轉(zhuǎn)移損耗控制方法階段1控制汽油轉(zhuǎn)運中Slide 40第40頁，共58頁。轉(zhuǎn)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Slide 41第41

18、頁，共58頁。Section 3柴油發(fā)動機污染物的形成與控制Slide 42第42頁，共58頁。一、1.汽油, 柴油發(fā)動機的區(qū)別汽油發(fā)動機燃燒為預(yù)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 3.54.5MPa，溫度7501000K，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(chǎn)物少，因此熱效率和燃油經(jīng)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(chǎn)生碳煙，而汽油機預(yù)混燃燒一般不產(chǎn)生碳煙預(yù)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(xué)反應(yīng)速率，該過程為化學(xué)反應(yīng)控制的過程。擴散

19、火焰：燃料和空氣分別進入燃燒區(qū)，混合然后發(fā)生反應(yīng)（實際中應(yīng)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。Slide 43第43頁，共58頁。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)域趨于，受淬熄效應(yīng)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(shù)量級甚至更高顆粒物排放相當(dāng)高Slide 44第44頁，共58頁。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

20、。從=0.6開始， 減少，碳煙生產(chǎn)量增加0.6，NOx生產(chǎn)量隨 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，=1.1峰值=0.60.9，碳煙基本不產(chǎn)生， NOx生成量很少Slide 45第45頁，共58頁。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(shù)/10-6碳煙排放/gm-3Slide 46第46頁，共58頁。3.空燃比對柴油機排放的影響在中小負荷2，燃油噴霧邊緣形成了過稀混合氣，缸內(nèi)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

21、因是柴油機混合氣濃度不均勻。所以NOx生成要看平均和局部。局部缺氧使得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=1靠近，減少碳煙產(chǎn)生。NOx,HC,CO排放的體積分數(shù)/10-6碳煙排放/gm-3Slide 47第47頁，共58頁。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3070ppm 3. 加速, 定速時NOx高, 濃度約為: NOx: 8002500ppm 此時HC: 90200ppm4. 加速時碳煙最高, 約為0.30g/m3 Slide 48第48頁，共58頁。三、控制柴油機污染物排放的發(fā)動機技術(shù)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Slide 49第49頁，共58頁。三、控制柴油機污染物排放的發(fā)動機技術(shù)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(shù)，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(chǎn)主要措施，但燃燒延遲，CO和碳煙增加，動力性和燃燒效率降低Slide 50第50