机动车污染及控制思路讲解

1、 环境工程1401 朱孔伟 机动车污染及控制思路 机动化交通的环境影响 汽油车污染排放的形成与控制 新型动力车 柴油发动机污染 物的形成与控制 目录 directory 3 机动化交通的环境影响 机动车保有量的持续增长 汽车排放法规的历程 能源消耗与污染物排放 1 机动车保有量的持续增长 全球机动车保有量的增长比人口增长快的多。1950年，全世界只有5000万辆汽车；到1995年， 全球汽车总量已经超过6.5亿，平均没100人拥有10辆汽车。据估计，2010年前全世界机动车数 量将超过8亿辆（不包括两轮和三轮机动车）。目前世界上大部分汽车集中在富裕国家和地区， 如OECD（经济合作与发展组织）

2、成员国拥有世界汽车的70%,人均拥有汽车数量很高，而且这些 国家的汽车保有量仍在缓慢上升。同时，发展中国家也呈现出快速机动化的趋势，如亚洲许多国 家的摩托车保有量增长率均超过两位数。从2010年后，中国汽车工业也取得了突飞猛进的发展 汽车排放法规的历 程 5 交通源对城市空气污染的影响 城市交通运输需要大量的能源。全世界所生产的全部能源中，20%以上 用于交通运输。从1971到1992年，全球交通部门的能源年平均增长率为 2.7%，比工业和其他部门的增长更快。这些能源消耗导致了城市、区域 和全球性的空气污染全球因燃烧矿物燃料而产生的CO、HC、NOx的排放 量，将近50%来自汽油机和柴油机。在

3、发达国家的城市中，汽车排放成 为空气污染的最主要的来源。1998年，美国交通排放源是造成78.6%的 CO、53.3%NOx、43.5%挥发性有机化合物（VOCs）以及25.4%的颗粒物 （PM10）排放的原因。在城市中心区域，特别是拥挤的街道两旁，汽 车交通是造成空气污染的最主要来源：大约CO浓度的90%-95%、NOx和 HC浓度的80%-90%，以及大部分颗粒物来自汽车交通，成为人类健康和 城市环境的最大威胁。 。 6 世界部分城市机动车所产生的空气污染物的排放 贡献率 7 汽车排放法规的历程 017 从控制汽油车曲轴箱排放的HC开 始，到控制怠速排放的CO、HC浓 度，逐步实施控制尾气

4、的CO、HC 和NOx排放量 汽车排放控制技术发展最 快，大气质量改善效果最 为明显时期，CO、HC、NOx 的排放限制为实施前的 1/10左右。 第一阶段限值要 求CO、HC、NOx的 排放量降低30%- 60%，第二阶段的 限值要求比第一 阶段再降低50% 2汽油车污染排放的形成与控制 汽油机的工作原 理与污染源 燃烧过程中污染物的 形成 降低污染物排 放的发动机技 术 汽油车尾气排放后处 理技术 9 汽油机工作原理 进气冲程开始时，活塞位于上止点， 进气门打开，排气门关闭，曲轴旋转 带动活塞向下移动，燃烧室容积加大， 空气和燃料的混合物通过进气门进入 缸体。活塞到达下至点，进气结束 进气

5、门和排气门关闭， 活塞上移，进入燃烧 室的空气和燃料室的 空气和燃被压缩，在 接近上止点，火花塞 点火，使缸内气体燃 烧 高压燃料气体推动活 塞下移，对外做功。 排气门打开，活塞上 升，燃烧后的女气体 从气缸中排出。排气 冲程结束时，活塞位 于上止点，接着进行 下一个循环 李姓名张姓名王姓名李姓名 进气过程压缩过程做功过程排气过程 10 汽油机的污染来源 概 汽油机排气中的有害物质是燃烧过程产生，主要有CO、NOx和 HC(包括酚、醛、酸、过氧化物等），以及少量的铅、硫、磷的 污染。其中硫氧化物和含铅化合物可以通过降低燃料中的含硫 化合物以及采用无铅汽油 来有效控制。目前排放法规限制的是 CO

6、、HC、NOx和柴油颗粒物4种污染物。 计划完成：56 实际完成数目：820万 回款数：640万 实际完成数目：820万 回款数：640万 排放源排放源相对排放比例相对排放比例(占该污染物总排放的比例）占该污染物总排放的比例）/% CO NOx HC 尾气管 98-99 98-99 55-65 曲轴管 1-2 1-2 25 蒸发排放 0 0 10-20 汽油车污染来源及其相对排放比例 11 燃烧过程中污染物的形成 CO是燃料中碳氢不完全燃烧的产物 ，决定 CO排放量的主要因素是空燃比 、空气和燃料的混合程度、内壁的淬熄效应等。汽油是多种碳氢化合物的 混合物，可以用CxHy来表示。虽然x和y的值

7、随汽油产地和生产季节而异， 它们的典型值为x=8，y=17。燃料完全燃烧的化学方程如下 CxHy+(x+y/4)O2-xCO2+（y/2)H2O CO的生成机理比较复杂，若以R代表碳氢根，则燃料分子RH在燃烧过程中生 成CO的大致过程如下 RH- 的产生量主要手受混合气浓度的影响。在过剩空气系数1的 12 浓混合气工况时，由于缺氧使燃料中的不能完成氧化成2，作为其中 间产物生成。在1的稀混合气工况时，理论上不应有产生，但实际燃烧 过程中，由于混合不均匀造成局部区域的1条件成立，有局部燃烧不完全 产生；另外，在排气过程中，未燃碳氢化合物的不完全的氧化也会产 生少量的。燃烧终了时的浓度一般取决于燃

8、气温度，但由于发动机膨 胀过程中缸内的温度下降很快，以至于温度下降速率远快于气体中各成分建立 新的平衡过程的速率，产生“冻结“现象，使实际的浓度要高于排气温度 相对应的化学平衡浓度。 13 化合物的形成 汽车排放的越有汽车排放的越有100-200100-200种成分，包括芳香烃、烯烃、烷烃和醛类，它们来自未然的种成分，包括芳香烃、烯烃、烷烃和醛类，它们来自未然的 燃油的润滑油。在以预混火焰形式燃烧的汽油机中，与一样，也是不完全燃烧的燃油的润滑油。在以预混火焰形式燃烧的汽油机中，与一样，也是不完全燃烧的 产物，因而与过剩空气系数有密切的关系。但即使在产物，因而与过剩空气系数有密切的关系。但即使在

9、1 1的条件下，往往也会产生的条件下，往往也会产生 很高的排放，这是因为淬熄和吸附等原因也会产生。很高的排放，这是因为淬熄和吸附等原因也会产生。 （1 1）不完全的燃烧：汽油机中不完全燃烧的原因主要有：）不完全的燃烧：汽油机中不完全燃烧的原因主要有：怠速及高负荷工况时，可燃混怠速及高负荷工况时，可燃混 合气浓度处于合气浓度处于1 1的过浓状态，加之怠速时残余废气系数较大，造成不完全燃烧；失火的过浓状态，加之怠速时残余废气系数较大，造成不完全燃烧；失火 也是汽油机排放的重要原因；另外，汽车在加速和减速时，会造成暂时的混合气体过也是汽油机排放的重要原因；另外，汽车在加速和减速时，会造成暂时的混合气

10、体过 浓或过稀现象，也会产生不完全燃烧或失火。当然，即使在浓或过稀现象，也会产生不完全燃烧或失火。当然，即使在1 1时，由于油气混合不均时，由于油气混合不均 匀，也会因不完全燃烧产生排放。匀，也会因不完全燃烧产生排放。 （2 2）壁面淬熄效应）壁面淬熄效应; ;所谓壁面淬熄效应是指所谓壁面淬熄效应是指温度较低的燃烧室壁面对火焰的迅速冷却，使温度较低的燃烧室壁面对火焰的迅速冷却，使 活化分子的能量被吸收，燃烧链反应中断，在壁面形成厚约活化分子的能量被吸收，燃烧链反应中断，在壁面形成厚约0.10.10.20.2左右的不燃烧或左右的不燃烧或 不完全燃烧的淬熄层，产生大量的不完全燃烧的淬熄层，产生大量

11、的 （3 3）缝隙效应：燃烧室中）缝隙效应：燃烧室中各种狭窄的缝隙，由于面容比（表面积与容积之比）很大，淬各种狭窄的缝隙，由于面容比（表面积与容积之比）很大，淬 熄效应强烈，火焰无法传入其中继续燃烧；而在膨胀和排气过程中，缸内压力下降，缝隙熄效应强烈，火焰无法传入其中继续燃烧；而在膨胀和排气过程中，缸内压力下降，缝隙 中的未燃混合气返回汽缸，并随排气一起排出中的未燃混合气返回汽缸，并随排气一起排出，虽然缝隙容积较小，但其中气体压力高，虽然缝隙容积较小，但其中气体压力高， 温度低，因而密度较大，的浓度极高。温度低，因而密度较大，的浓度极高。 14 0102 503 (3)壁面油膜和积碳的吸附：在

12、进气和压缩的过程中，汽缸壁面上的润滑油膜，以及 沉积在活塞顶部、燃烧室壁面和进排气门上的多孔性积碳，会吸附未燃混合气及燃 蒸气，而在膨胀过程和排气过程时压力降低，部分HC脱附进入燃烧产物中。 15 NOx的生成机理 请在这里输入您 的文字；请在这 里输入您的文字； 请在这里输入您 的文字；请在这 里输入您的文字。 请在这里输入您 的文字；请在这 里输入您的文字； 请在这里输入您 的文字；请在这 里输入您的文字。 在这里输入您的 文字；请在这里 输入您的文字； 请在这里输入您 的文字；请在这 里输入您的文字。 请在这里输入您 的文字；请在这 里输入您的文字； 请在这里输入您 的文字；请在这 里输

13、入您的文字。 汽车发动机燃烧过程主要生成NO，另有少量的NO2，统称NOx。对于一般的汽油机，其 a较小，一般NO2与NOx体积比=1%-10%，而对于柴油机，由于其a较汽油机大，一般NO2与 NOx体积比=5%-15%。 （1）热力型NOx：在理论空燃比时整个燃烧体系达到的温度最高，所以在理论空燃比小的 条件下NOx浓度最大。贫燃区过量的空气吸收了部分热量，使温度有所降低，富燃区O2含 量少，平衡向左移生成的NOx也减少。影响NOx生成量的主要因素是温度、氧气浓度和 停留时间。 （2）瞬时型NOx:瞬时型NOx的生成过程是由一系列活化能不高的反应组成，因此不需要 很高的温度就可进行。内燃机中

14、，在a1的过浓条件下容易产生瞬时 NOx。但就燃烧过程 中NOx生成总量来看，瞬时型NOx只占较小的比例。 （3）燃料型NOx；燃料中含氮化合物分解后生成HCN和NH3等中间产物，并逐步生成NOx 这一反应过程在=1600C条件下就可进行。 16 降低污染排放的发动机技术 01.改进点火装 置 02.闭环电子控 制汽油喷射技 术 03.废气再循环 17 汽车尾气排放后处理技术 排气后处理技术是指在发送机的排气系统中进一步削减污染物 排放的技术。常见的排气 后装置有空气喷射装置、热反应器、氧化型催化转化器、还原型催化转化器、三项催化转 化器等。 1氧化、还原型催化转化器 净化前排气-还原催化床+

15、氧化催化床-净化后排气 （引入二次空气） CO+(1/2)O2-CO2 NO+CO-(1/2)N2+CO2 2NO+5H2-2NH3+2H2O 2NO+5CO+3H2O-2NH3+5CO2 3 3 柴油发动机污染物的形成与控制 四冲程柴油机的工作原理 柴油机污染物的形成过程 控制柴油机污染物排放 的发动机技术 柴油机排气后处理技术 19 四冲程柴油机的工作原理 柴油机的燃烧过程可分为四个时期，及着火落后期、速燃期，缓燃期和后燃气期 （1)着火落后期：指喷油开始到压力急剧升高之前的这段时期。着火落后期内,燃油要经历雾化、 蒸发、与空气混合的物理过程，以及冷焰、蓝焰、热焰的低温多阶段化学过程，最后

16、形成多点同 时自信点火。 （2)速燃期；指着火后压力急剧上升的时期 。由于在着火落后期内作好燃烧准备的大量可燃混合 气同时着火燃烧，使缸内温度和压力急剧升高。 （3）缓燃期：汽缸内大量预混合气被消耗后，燃烧放热速率明显降低。低负荷工况时燃油喷射 此时已经完成，但高负荷时喷油仍在继续。后续喷入的燃油一遍扩散混合一遍着火燃烧，因此此 阶段也称为扩散燃烧阶段 （4）后燃期：由汽缸内压力开始急剧下降到燃料基本燃尽。 20 柴油机排放污染物的来源 项目示 添加文字说明 与与 汽油汽油 发动机相比，柴油机发动机通常在较高的空燃比下运行，发动机相比，柴油机发动机通常在较高的空燃比下运行，HCHC和和COCO

17、可以得到比较可以得到比较 完全的燃烧。直接将液体柴油喷入汽缸中，避免了器壁淬熄和间隙淬熄现象完全的燃烧。直接将液体柴油喷入汽缸中，避免了器壁淬熄和间隙淬熄现象，所以，所以HCHC的排的排 出量通常很低。柴油发动机排放放热出量通常很低。柴油发动机排放放热HCHC与与COCO一般只有汽车发动机的几十分之一。但其一般只有汽车发动机的几十分之一。但其NOxNOx排排 放量，放量，在中小负荷时远低汽油机，大负荷时与汽油机大致处于统一数量级甚至更高。柴油在中小负荷时远低汽油机，大负荷时与汽油机大致处于统一数量级甚至更高。柴油 机的颗粒物排放量相当高，约为汽油机的机的颗粒物排放量相当高，约为汽油机的30-4

18、030-40倍倍 。所以柴油机主要以控制微粒和。所以柴油机主要以控制微粒和NOxNOx排放排放 未目标。未目标。 21 柴油机污染物的形成过程 22 颗粒物及碳烟的生成机理 柴油机污染物的形成过程 成分成分 质量分数质量分数/% 干碳烟 40-50 可溶性有机成分 35 -45 硫酸盐 5-10 柴油机微粒的组成 机理：碳烟时烃类燃料在高温缺氧条件下裂解而形成的 23 控制柴油机污染物排放的发动机技术 废气再循 环 采用分 割式燃 烧室 电控 柴油 喷射 改进供油 系统 采用增压和 中冷技术 24 柴油机排气后处理技术 1 2 3 催化氧化剂 柴油机稀燃 氮氧化物催 化剂 颗粒捕集器 4新型动力车 电动汽车 燃料电池汽车 混合动力车 26 电动汽车 电动汽车的最大特点时是：在行驶过程中不排放任何有害气体，是目前唯一的零 排放车 电动车代替燃油汽车排放污染物变化的比例/% HCCONOxSO2 颗粒物颗粒物 法国 -99 -99 -91 -