在用汽车排放及其规律研究论文(doc 34页).doc

1、摘 要随着汽车行业的不断发展，汽车尾气排放污染日益严重，本文分析了汽车排放污染物的主要成分、危害、生成机理以及影响因素，现行汽车排放法规等，着重对在用国产汽车发动机怠速工况污染物的排放统计特征进行深入系统地研究，根据汽车检测线检测得到的大量样本实测数据，展开参数估计和假设检验，确定其最优拟合分布和相应的分布参数，进而建立轻型普通货车发动机的怠速工况污染物的排放分布密度函数和分布函数统计模型。对在用汽车的排放情况进行深入分析和研究，为控制车辆排放污染提供可靠的保证，对正确评价其对城市周围大气环境所造成的污染以及排放法规的修订必将起到重要的作用。关键词：汽车，发动机，怠速工况，排放物，统计规律Ab

2、stractWith the continuous development of automobile industry, car exhaust emission pollution is increasingly serious, this article analyzes the main components of the vehicle emission pollutants, harm, formation mechanism and influencing factors, the existing vehicle emission regulations, the pollut

3、ant emissions in a car engine idle speed conditions of statistical features in-depth study systematically, according to the sample of automobile test line detection to get a large number of measured data, parameter estimation and hypothesis test, determine the optimum fitting distribution and corres

4、ponding distribution parameters, then build a light-duty ordinary freight car engine idle speed condition emissions of pollutants distribution density function and distribution function of statistical model. To use the car emission situation in-depth analysis and research, to provide reliable guaran

5、tee to control vehicle emission pollution, to correctly evaluate its around the city atmospheric environment caused by pollution and emission regulations revision will play an important roleKeywords: Automobile, engine, idle speed condition, emissions, statistical law前 言11 汽车排放污染物的种类及其危害21.1 我国汽车发展概

6、况与环境污染21.2 汽车排放污染物的种类21.3 汽车排放污染物的危害31.3.1 CO的危害31.3.2 碳氢化合物的危害41.3.3氮氧化合物的危害41.3.4光化学烟雾的形成和危害41.3.5碳烟颗粒的危害51.3.6 CO2排放危害51.3.7 非常规污染物的危害52.汽车排放物的产生机理和影响因素72.1 CO的生成机理和影响因素72.2 HC的生成机理及影响因素72.3 NOX的生成机理及影响因素82.4 碳烟(颗粒)的生成机理及影响因素83. 汽车排气污染物检测93.1 常用汽车排放物的检测方法93.1.1 怠速法和双怠速法93.1.2 简易工况法103.1.3 我国普遍常用汽

7、车检测方法113.2 汽车排放检测仪器的选择123.3 汽车排气污染物检测标准134 汽车排放物排放样本数据的统计特征分析154.1汽车排放样本数据采集154.2排放样本实测数据的初步处理154.2.1数据分析的直方图154.2.2参数估计与假设检验204.3 数学统计模型的建立及应用244.3.1建立数学统计模型244.3.2 统计模型的应用25结 论27致 谢28参考文献29附 录3029前 言随着我国国民经济的持续快速发展，汽车产业也随之迅速发展，城市大气环境污染已经变的越来越严重，而其中汽车排放污染占到很大比重。因此，如何采取有效措施，最大限度地降低汽车发动机排放的污染物，以满足国内外

8、越来越严的排放标准，已是广大汽车面临的日趋严峻的主要问题。汽车排放控制已经引起世界各国的高度重视，国内外相关科技技术人员也对此做出了极大的努力，在新型汽车排放控制方面已经取得了良好的成果。为了更好控制大气环境质量，目前，对在用车排放污染物检测与控制的研究已成为一项重要的工作。因此采取有效的尾气排放控制措施，制定相应的排放法规，研究有效的汽车排气检测方法和分析技术，对于经济的可持续发展和城市环境治理有着重大的现实意义和深远影响，而研究和分析这些有害排放物的生成机理及影响其生成的因素和排放规律为此提供一些有益的依据。在城市交通条件下，汽车发动机经常处于怠速工况，因此，本论文通过分析汽油车排放污染物

9、的种类、危害以及生成机理，对在用国产车发动机怠速工况污染物的排放的统计特征进行深入系统地研究，根据汽车检测线检测得到的大量样本实测数据，展开参数估计和假设检验，确定其最优拟合分布和相应的分布参数，进而建立两种主要轿车发动机的怠速工况污染物的排放分布密度函数和分布函数统计模型。对在用汽车的排放情况进行深入分析和研究，为控制车辆排放污染提供可靠的保证，对正确评价其对城市周围大气环境所造成的污染以及排放法规的修订必将起到重要的作用。1 汽车排放污染物的种类及其危害1.1 我国汽车发展概况与环境污染近年来，随着汽车工业的不断发展,我国民用汽车保有量，尤其是大中城市的乘用车保有量一直保持高速增长, 中国

10、社科院发布的中国汽车社会发展报告2012-2013披露，到今年第一季度，中国私人汽车拥有量将破亿，未来10年左右每百户汽车拥有量将达到或接近60辆,从2000年开始，中国汽车市场进入到黄金10年,汽车保有量从1600万辆攀升到1亿多辆，过去五年，中国汽车产销量从930余万辆增加至1900多万辆。在城市中大气污染物来自不同的污染源，除汽车排放源外，还有工业源、生活源、第三产业污染源，包括点源、线源和面源1，已有的研究表明，一辆技术状况良好的汽车在运行中，每天约排放CO 3kg、HC 0.20.4kg、NOX 0.050.15kg，若汽车技术状况不良，排放的污染物将成倍增加，即使是在汽车排气控制严

11、格、技术水平先进的发达国家，汽车排气也仍然是大气污染物的一个重要来源，它的分担率较高。据研究，在大城市中，空气中的CO、HC、NOx等有害气体分别有87、61、55来自汽车排气。美国大气中CO的84、HC的70、NO、的42来源于汽车的排气；在欧洲，CO的76、HC的36和NOx的51来源于汽车排气2 ，对国内一些城市大气污染状况的调查研究结果也得到类似的研究结论。因而汽车排放所造成的污染日益加重,全国各地的雾霾天气越来越严重，机动车污染被认为是造成灰霾、光化学烟雾污染的重要原因。越来越多的证据显示，汽车排放对大气的污染已成为主要公害，由于汽车排放公害直接危害人类的健康，并破坏着自然界的生态平

12、衡，因此引起各个国家的重视，控制汽车排放污染刻不容缓。全国人大在3013年3月4日举行的新闻发布会上称，将针对主要污染物的总量控制、机动车污染防治等提出明确的应对措施。“国家应划出汽车保有量红线”被全国人大代表初次提出。1.2 汽车排放污染物的种类汽车排放的污染物主要来源于内燃机，主要是一氧化碳（CO），碳氢化合物（HC）,氮氧化物（NOX）及碳烟微粒(PM)等有害气体，他们会对人体健康造成危害，一氧化碳(CO)和人体红细胞中的血红蛋白亲和生成碳氧血红蛋白,从而削弱血液向各组织输送氧的功能,造成感觉、反应、理解、记忆力等机能障碍,重者导致生命危险。氮氧化物(NO、NO2)都是对人体有害的气体,

13、特别是对呼吸系统有危害。据统计,机动车20万辆以上的城市,排放的氮氧化物所造成的空气污染占空气中氮氧化物(NOX)污染比例已上升到40%以上。另外，汽车排出的二氧化碳虽对人体健康无害，但它会造成温室效应，对大气环境有严重的影响。内燃机的排气成分随内燃机的类型及运转条件的改变而发生改变。汽油机中，这些有害排放物约占废气总量的5%，而一辆机动车所排出的有害废气相当于四辆小轿车。城市大气污染物中氮氧化合物居高不下,主要是由汽车尾气引起的，特别是在夏天阳光的照射条件下,NO2和O2、SO2可产生光化学反应，生成淡蓝紫色的光化学烟雾，其毒害性更大。在国内一些城市，汽车尾气污染已占大气污染比重的50%。因

14、此机动车污染已成为各城市的环境公害之一,做好机动车排污检测管理工作,是市政府有效遏制机动车污染的重要手段1.3 汽车排放污染物的危害1.3.1 CO的危害一氧化碳是燃料不完全燃烧后产生的一种无色、无味、难溶于水，无刺激性的有害气体。一氧化碳是汽油机排放浓度最高的有害气体，人吸入一氧化碳后，非常容易和血液中的血红蛋白结合，他的结和力是氧的200300倍，因此肺里的血红蛋白不与氧结合而与一氧化碳结合，人就会出现中毒现象，如反应能力、视敏度下降等，一氧化碳中毒的中期症状是咳嗽、头晕、恶心、呕吐、胸痛、呼吸困难，严重时会发生虚脱昏迷甚至死亡。表1.1不同浓度对人体健康的影响CO浓度（）对人体健康的影响

15、5-10对呼吸道患者有影响30人滞留8h，视力及神经系统出现障碍40人滞留8h，出现气喘1201h接触，中毒2502h接触，头痛5002h接触，剧烈心痛、眼花、虚脱300030min即死亡1.3.2 碳氢化合物的危害碳氢化合物是具有刺激性的气体，其浓度量小于一氧化碳，碳氢化合物中大部分对人体健康的直接影响并不明显。汽车尾气中的碳氢化合物有200多种，其中C2H4在大气中的浓度达0.5ppm（十万分之一）时，能使一些植物发育异常。碳氢化合物具有一定的毒性和易燃易爆的特性，其中的苯类物质又具有致癌作用，对人的呼吸系统、神经系统、造血系统都有严重的损坏作用。碳氢化合物形成酸雨，污染湖泊、土壤，影响林

16、业渔业、牧业生产，侵蚀石质和某些金属建筑物等。1.3.3氮氧化合物的危害氮氧化合物含量较少，但毒性很大，其毒性是含硫氧化物的3倍，氮氧化合物进入肺部后，能形成亚硝酸和硝酸，对肺组织产生剧烈刺激，增加肺毛细血管的通透性，最后造成肺气肿，亚硝酸则与血红蛋白结合，形成高铁血红蛋白，引起组织缺氧。氮氧化合物的最大危害是形成光化学烟雾，氮氧化合物与碳氢化合物在日光照射下会生成化学烟雾。光化学烟雾能使人眼红、头痛、手足抽搐，还能使植物枯死，橡胶破裂等。表1.2不同浓度对人体健康的影响NO2的浓度（）对人体健康影响1闻到臭味5闻到强烈臭味5-1010min，眼、鼻、呼吸道受到刺激501min内呼吸困难803

17、min，感到胸闷、恶心150在30-60min内因肺水肿而死亡250很快死亡1.3.4光化学烟雾的形成和危害光化学烟雾指HC和NO、在阳光作用下发生化学反应而生成的刺激性产物。光化学烟雾一般发生在逆温层和低风速、空气接近停滞状态，阳光充足的气象条件下。光化学烟雾的危害：第一，光化学烟雾中的甲醛、过氧化苯甲醛硝酸酯等对人的眼睛有刺激；第二，光化学烟雾中的臭氧引起人的胸部压缩、刺激粘膜、头痛、咳嗽、疲倦等；第三，光化学烟雾中的臭氧对有机物质有损害作用；第四，哮喘病增多、植物毁坏。1.3.5碳烟颗粒的危害碳烟是燃料不完全燃烧的产物。汽车发动机的碳烟主要是指直径0.110um的多空性碳粒。燃烧中各种各

18、样的不完全燃烧产物，可以以多种形式附着在多孔的活性很强的碳粒表面，这些附着在碳粒表面的物质种类繁多，其中有些是致癌物质。碳烟会降低大气能见度，造成交通不便。所谓微粒是排气中的铅化物、碳烟和油雾的总称，在车用汽油中，为了改善汽油的品质，曾采用添加各种铅的化合物，这种含铅的化合物随发动机排出时成为污染大气的有害物质，如果人们吸入这种铅化物气体时，铅将在人体内逐渐积累造成危害。当成年人的血液中混入0.08g/ml以上的铅时，将引起铅中毒。另外，汽油中添加的铅还会使催化剂中毒，影响催化反应器的转化效率和使用寿命。1.3.6 CO2排放危害CO2是一种无色，略带刺激性气味的气体，本身并没有毒性，它的危害

19、在于做为温室气体造成地球表面温度升高，也就是所谓的温室效应。由于地球上的森林资源越来越少，而燃料燃烧后排入大气的CO2不断增加，温室效应就日益严重。因此CO2就被列为重点排放控制的对象。有资料表明，在全球CO2的排放中，有14%来自于以内燃机发动机为动力的交通工具。为了摆脱温室效应的严重后果，世界各国正在开发各种高性能的汽车发动机，以降低能源消耗和CO2排放，同时，还在研究其他汽车新能源动力装置。1.3.7 非常规污染物的危害（1）硫化物的危害二氧化硫是有刺激性气味，易溶于水的无色气体。在一定条件下可以被氧化生成三氧化硫，遇水变为硫酸。二氧化硫对于人的呼吸器官以及眼膜具有伤害作用，人吸入二氧化

20、硫以后，容易产生喉头水肿以及支气管炎。人若是长期吸入二氧化硫后容易造成慢性中毒，促使呼吸道疾病加重，容易伤害肝、肾、心脏。当吸入的浓度达到400-500ppm时人就会窒息造成死亡。大气中的二氧化硫对于动、植物以及建筑物都有一定的伤害，尤其是二氧化硫在一定条件下被氧化生成三氧化硫，在空气中与水蒸气相结合形成酸雾甚至酸雨，会对建筑物和金属物品造成严重腐蚀，并且会造成河流湖泊还有土壤的逐渐酸化。柴油机产生的二氧化硫比汽油机产生的要多，重型柴油机产生的更多，有些甚至会腐蚀一些后处理系统造成永久性失效。（2）甲醛的危害甲醛是一种有强烈刺激气味，无色，易溶于水的气体。甲醛具有高毒性，在我国有毒化学品优先控

21、制名单上高居第二位。是全社会公认的变态反应源，世界卫生组织已经将甲醛确定为致癌以及致畸性物质，并且也是潜在的强制突变物。人若是甲醛中毒会产生嗅觉异常、过敏、肝功能异常、肺功能以及免疫功能异常。当空气中的甲醛浓度达到0.06-0.07时，儿童会产生气喘。当甲醛在空气中达到0.1时，就会有异味、不适感觉 ，达到0.5时，会刺激眼睛，流泪，达到0.6时，会造成咽喉疼痛。当浓度更高时，就会造成呕吐恶心，胸闷气喘，甚至肺水肿。达到30时，人会死亡。 2.汽车排放物的产生机理和影响因素汽车内燃机排气所造成的公害，对汽油机而言，CO、HC和NOX是主要的有害成分，而光化学烟雾是由HC和NOX转化而成的。空燃

22、比(AF)：是指可燃混合气中空气与燃料的质量比。理论上，1kg汽油完全燃烧需要空气14.7kg。故对于汽油机而言，空燃比为14.7的可燃混合气可成为理论混合气。若可燃混合气的空燃比小于14.7，则意味着其中汽油含量有余（亦即空气量不足），可称之为浓混合气。同理，空燃比大于14.7的可燃混合气则可称为稀混合气，应当指出，对于不同的燃料，其理论空燃比数值是不同的。过量空气系数（）：=燃烧1kg燃料所实际供给的空气质量完全燃烧1kg燃料所需的理论空气质量 由此定义表达式可知：无论使用何种燃料，凡过量空气系数=1的可燃混合气即为理论混合气；1的为浓混合气；1的则为稀混合气。2.1 CO的生成机理和影响

23、因素CO 是一种由于缺氧而不完全燃烧的产物，其生成机理比较复杂。CO 的产生主要受可燃混合气的质量和浓度的影响。对内燃机来说，CO主要在浓混合气燃烧时形成，混合气浓度越大，排气中的CO含量就越高，当降低混合气浓度时，排气中CO就明显降低。在怠速工况下，混合气较浓，由于缺氧使燃料中的C不能完全氧化成CO2，从而有CO 作为其中间产物生成。除此之外，HC 在发动机排气过程中的不完全氧化也会产生少量的CO。一般来说，燃烧终了时的CO 浓度通常取决于燃气温度，但实际上由于发动机膨胀过程中气缸内的温度下降很快，从而使温度的下降速度远高于气体中各成分建立新的平衡过程的速度，而产生“冻结”现象，所以使实际的

24、CO 浓度会大于排气温度相对应的化学平衡浓度。2.2 HC的生成机理及影响因素HC指未燃烃，是指没有燃烧或未完全燃烧的碳氢化合物的总称。除排气中的未燃烃外，还包括燃料供给系统的蒸发排放及曲轴箱排出(漏出)的未燃烃，但排气中的未燃烃在HC的生成的总量中所占比例要大的多。其生成机理有:（1）不完全燃烧怠速运转时，汽油机中的可燃混合气处于过浓状态（过量空气系数0 (4.1)对式（1）移项整理，反复取两次自然对数后有 (4.2)令,，得到线性回归方程Y=a+bX (4.3)于是可得：服从威布尔分布的参数m=b，=，相关系数R。不同分布线性回归模型对应的相关系数见下表：表4.4 怠速CO排放参数估计及拟

25、合检验结果分布形式参数估计值分布拟合检验相关系数威布尔分布m=1.5062=1.8007R=0.9347指数分布=2.1098R=0.9565正态分布=0.4974=0.4123 R=表4.5 怠速HC排放参数估计及拟合检验结果分布形式参数估计值分布拟合检验相关系数威布尔分布m=1.3076=81.9921R=0.9919指数分布=0.0151R=0.9230正态分布=73.6696=49.5076 R=表4.6 怠速CO2排放参数估计及拟合检验结果分布形式参数估计值分布拟合检验相关系数威布尔分布m=0.6568=9.1878R=0.9056指数分布=0.1290R=0.7769正态分布=8.

26、0291=5.4364R=（2） 拟合检验在EXCEI中，使用图表功能求出服从威布尔分布的形状参数m和尺度参数，以及服从指数分布时的，通过插画散点图，添加回归直线，可以得出拟合相关系数，从而判断检验拟合的高低程度，以下各图即为各排放物服从最优分布时的线性回归检验图：图4.4 CO服从指数分布是的线性回归检验图图4.5 HC服从指数分布是的线性回归检验图图4.6 CO2服从指数分布是的线性回归检验图由以上各图表可知，对于怠速CO排放，用指数分布拟合所得相关系数最大，所以指数分布是最优拟合分布，对于怠速HC、CO2排放，用两参数威布尔拟合所得的相关系数在各种不同拟合分布中最大，所以威布尔分布被认为

27、是最优拟合分布。4.3 数学统计模型的建立及应用4.3.1建立数学统计模型根据以上研究，可以建立本文研究的田野BQ1021普通轻型车发动机怠速CO、HC、CO2排放最优统计模型，其分布密度函数和分布函数分别为：怠速CO分布密度函数f(x)和分布函数F(x)分别为： ，x0 (4.4) x0 (4.5)怠速HC分布密度函数f(x)和分布函数F(x)分别为： x0 (4.6) x0 (4.7)怠速CO2分布密度函数f(x)和分布函数F(x)分别为： x0 (4.8) x0 (4.9) 为判断本文所建立的统计模型的精确性，可将模型计算合格率与样本实测合格率加以比较，最终判断计算结果与样本实际测量之间

28、的误差，其CO和HC排放限制国标中已给出，虽然目前尚未有任何国家对在用汽车CO2排放限值做出规定，但可假定让实测车辆怠速排放的80%合格，得出相应的限值，计算模型合格率，表为汽车怠速排放物模型计算结果与样本实测结果及其之间的相对误差：表4.7 计算与实测的各排放物排放合格率及其相对误差CO(%)HC()(%)模型计算合格率/%81.5188.7472.75实际测量合格率/%84.5889.8780.18相对误差3.071.137.43实际上，威布尔分布可以提供许多不同形状的曲线，甚至可以涵盖很多种不同的数学分布。例如：当威布尔分布的形状参数m=1时，它是指数分布，当m=2时，它为瑞利分布，而当m=34时，非常近似为正态分布，用威布尔分布所建模型在数学形式上具有通用性，对应发动机的怠速排放物的样本数据，只要根据实际情况估计出具体的形状参数m和尺度参数，并带入模型表达式，就可以得到相应的排放分布规律及其数学模型。4.3.2 统计模型的应用由以上研究可以看出，所建立的汽车排放物的统计特征值和统计模型，其计算结果和实测结果误差很小，完全可以投入实际使用。由于怠速CO、HC排放实测合格率均在80%以上，尤其HC排放更高，可以说明GB18285-2005在用汽车排气污染物限值及测试方法中的相应限值（见表1）相对宽松，应当首先