大气污染控制工程第章城市机动车污染控制课件

1、第十一章城市机动车污染控制Slide 1第1页，共58页。主要内容1. 机动化交通的环境影响2. 汽油车污染排放的形成与控制3. 柴油发动机污染物的形成与控制4. 新型动力车Slide 2第2页，共58页。Section 1机动化交通的环境影响Slide 3第3页，共58页。第一节 机动化交通的环境影响一、机动车保有量的持续增长2010年全世界机动车数量将超过8亿辆随着经济的快速发展，我国汽车保有量连年高速增长Slide 4第4页，共58页。表11-1 世界部分城市机动车所产生的空气污染物的排放贡献率城市年度机动车所产生的空气污染物的排放贡献率 %COVOCsNOxPM10纽约200240.0

2、25.820.23.2洛杉矶200271.836.554.56.5墨西哥城2000983577-萨克拉门托城市郡2005-38.562.25.7北京20058850524上海(内环)200495-6080-天津200326463413Slide 5第5页，共58页。汽车排放法规历程第一时期（相当于美国20世纪70年代）：排放法规的起步和完善时期，采用控制技术主要是发动机改造。第二时期（相当于美国20世纪80年代到90年代初）：汽车排放控制技术发展最快，改善效果最明显。实现了汽油无铅化。第三时期（相当于美国20世纪90年代中到21世纪初）：低排放车时期。节能、低污染或无污染已成为今后世界汽车工业

3、的发展方向。Slide 6第6页，共58页。1876年世界上第一台内燃机诞生，至今已130余年；1943年：美国洛杉矶市出现光化学烟雾（photo-chemical smog）1952年：加州工大A.H.Smit博士提出Smog生成机理：HC NO2 O3 PAN（过氧酰基硝酸盐）1966年：加州实施世界上第一个“汽车排放法规” （7工况）1968年：日本实施“大气污染防止法” （怠速检测CO）1970年：欧洲开始实施排放法规 （怠速检测CO、HC）1984年：中国实施排放法规 (汽油车怠速CO、HC 、柴油车自由加速烟度)1999年：北京实施国法规2000年：全国实施欧法规（与欧洲相差8年）

4、2008年：北京实施国法规，实现了国际接轨2010年: 全国实施国法规（汽油车）汽车排放法规历程Slide 7第7页，共58页。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）中国： 2000 2003 2007 2010 2013 中国： 2000 2003 2007 2010 2013 我国的内燃机技术落后欧洲至少5年汽车排放法规历程Sl

5、ide 8第8页，共58页。国家标准Slide 9第9页，共58页。Section 2汽油车污染排放的形成与控制Slide 10第10页，共58页。四冲程汽油机工作原理空气、油废气进气压缩做功排气Slide 11第11页，共58页。一、汽油机工作原理和污染来源进气冲程压缩冲程：接近上止点点火压缩比= Va/Vc汽缸总容积/燃烧室容积汽油机=610，柴油机=1624做功冲程排气冲程1.进气门；2.火花塞；3.排气门；4.缸体；5.活塞；6.活塞销7.连杆；8.曲轴箱；9.曲轴；10.曲轴柄Slide 12第12页，共58页。汽油机污染物来源CONOxHC少量铅、硫、磷硫氧化物和含铅化合物可通过降

6、低燃料中的含硫量及无铅汽油控制限制的是CO、NOx、HC和柴油车排放的颗粒物Ambient AirReal FuelEngine/EmissionTechnology尾气管排放物Slide 13第13页，共58页。汽油机污染物来源 曲轴箱少量CO、NOX和25%的HC排气管绝大部分的CO、NOX、Pb和 HC的 60%汽油箱通风泄漏HC的1020%Slide 14第14页，共58页。汽车动力系统 Theoretical CombustionFuel+OxygenCarbonDioxideEnergy动力Ignition点火WaterVaporet-有效功与实际消耗热量之比汽油车: 0.30.4

7、柴油车: 0.40.5Slide 15第15页，共58页。发动机的效率发动机指示热效率it：指示功（铭牌功）Wi与发动机实际消耗的燃料热量Q1之比。有效热效率et：发动机的有效功We与所消耗燃料量Q1之比。汽车传动系统的机械效率 m。Slide 16第16页，共58页。二、燃烧过程中污染物的形成1.一氧化碳（CO）的形成CO排放量的主要因素是空燃比、空气和燃料的混合程度、内壁的淬熄效应过剩空气系数1的稀混合工况，混合不均匀造成局部区域1，不完全燃烧或CO2产生离解反应。HC化合物不完全氧化。燃烧终了时CO浓度一般取决于燃气温度，但发动机膨胀过程中缸内温度下降很快，以至于温度下降速率远快于气体中

8、各成分建立新的平衡过程的速率，即产生“冻结现象”，使实际CO浓度高于排气温度对应的化学平衡浓度Slide 17第17页，共58页。Stoichiometry等当点汽油(C8H17)理论空燃比: 约14.7CO局部不均匀残余HC理论空燃比：在理想状况下发动机完成一次工作循环所消耗的空气的量与消耗的燃油的量的比值 Slide 18第18页，共58页。2.HC化合物形成HC约有100200种成分，来自未燃的燃油和润滑油不完全燃烧产物，与有密切关系即使1也会产生壁面淬熄效应壁面油膜和积炭吸附Slide 19第19页，共58页。2.HC化合物形成不完全燃烧怠速及高负荷工况可燃混合气浓度处于1时，油气混合

9、不均匀，也会因不完全燃烧产生HC排放 怠速状态是指发动机空转时一种工作状况。在发动机运转时，如果完全放松油门踏板，这时发动机就处于怠速状态。发动机怠速时的转速被称为怠速转速，是维持发动机没有做功时正常运转的最低转速。怠速即是发动机“出工不出力”。Slide 20第20页，共58页。2.HC化合物形成壁面淬熄效应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0.10.2mm左右的不燃烧或不完全燃烧的淬熄层。壁面淬熄效应产生的HC可占排气管排放的3050%。缝隙气体压力高，温度低，因而密度大，HC浓度极高Slide 21第21页，共58页。2.HC化合

10、物形成壁面油膜和积炭的吸附在进气和压缩过程中，多孔性积炭会吸附未燃混合气及燃烧蒸气，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。Slide 22第22页，共58页。NOx: 热力型 NOx：理论空燃比时燃烧温度最高，在比理论空燃比略小的条件下NOx最大。T、O和t瞬时型 NOx： 1过浓条件下易产生。燃料型 NOx：汽油可看做基本不含N。Fuel和Prompt可忽略3.NOx的生成机理NOx浓度与空燃比和停留时间的关系Slide 23第23页，共58页。汽油车 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页，共58页。复习1的稀混合工况，混合不均匀造成CO和HC的生成。失火，加速或减速HC的壁面淬熄效应HC的壁面油膜和积炭的吸附热力型 NOx：理论空燃比时燃烧温度最高，在理论空燃比附近NOx最大，其它两种可忽略。Slide 25第25页，共58页。4.发动机运行条件对污染物排放的影响污染物量与空燃比直接相关贫燃燃烧效率

12、高，生成HC和CO浓度低富燃燃烧不完全，生成HC和CO浓度高加速和高速行驶，燃烧温度高，NOx排放多在怠速和加速时，空燃比偏低，怠速时温度较低，残余废气比例较高，CO排放浓度较高Slide 26第26页，共58页。减速时，汽油机节气门关闭，而发动机在汽车反拖下继续高速运转，进气管中突然形成高真空度状态，使管壁上的液态燃油（油膜）急剧蒸发，形成过浓混合气而导致较高的HC和CO排放措施1：汽油喷射式发动机在减速时不再供油，而且进气管中油膜少，因此HC和CO排放少措施2：带有减速断油装置的改进型化油器4.发动机运行条件对污染物排放的影响Slide 27第27页，共58页。控制技术前处理: 无铅汽油(

13、0.013g/L), 低硫汽油和柴油(1200ppm50ppm)，国四机内控制: 发动机设计 表面积/容积 越小越好; 电子控制技术; 多气门技术机外控制技术: 热反应器, 催化反应器(氧化, 还原-三效)Slide 28第28页，共58页。三、降低污染排放的发动机技术1.改进点火系统从点火时刻起到活塞到达压缩上止点，这段时间内曲轴转过的角度称为点火提前角一般在压缩冲程结束前点火，压缩比最大，温度最高点火提前角延迟NOx和HC排放量降低，燃油耗率恶化原因：随点火提前角延迟，后燃加重，热效率变差Slide 29第29页，共58页。三、降低污染排放的发动机技术1.改进点火系统点火提前角延迟导致排气

14、温度上升，排气行程以及排气管中HC氧化反应加速。NOx降低的主要原因是：随点火提前角延迟，上止点后燃烧的燃料增多，燃烧最高温度下降， NOx减少。Slide 30第30页，共58页。点火系统高能电子点火系统，系统电流提高到57A，加强了点火强度，延长了火花持续时间，加强燃烧过程，降低HC排放。无触点式晶体管点火系统，用信号发生装置，克服了触点装置的缺点，便于采用电子方式实现点火提前角的调整。电控点火系统取消了分电器，采用线圈分配或二极管分配点火，简称直接点火（DIS），得到逐步应用。Slide 31第31页，共58页。2.闭环电子控制汽油喷射技术通过排气管上的氧传感器反馈的氧浓度信号，闭环控制

15、系统将发动机空燃比控制在理论空燃比1%之内。动力性、经济性和排气净化性能均可实现优化控制，各项性能指标超过化油器的汽油机。Slide 32第32页，共58页。3.废气再循环(EGR)将部分燃烧产物返流至进气管再吸入气缸参加燃烧，称作废气再循环，减小NOx排放。1520%燃烧产物返流至进气管再吸入汽缸燃烧，减少了排气总量，稀释了进气，增加了燃烧室内气体的热容量，降低了燃烧的最高温度和氧气的相对浓度。超过这一范围，动力性和经济性很快恶化；混合气过度稀释产生失火，使HC排放量增加降低NOx约60%, 但油耗增加3%。Slide 33第33页，共58页。Slide 34第34页，共58页。四、汽油车尾

16、气排放后处理技术在发动机的排气系统中进一步消减污染物排放的技术。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、三效催化转化器等。氧化型和还原型催化转化器分别用来净化排气中的HC+CO+NOx，但已被三效催化净化技术所取代。Slide 35第35页，共58页。2.三效催化转化器同时净化3种污染物: CO, HC, NOx只能在很窄的空燃比窗口(14.7 0.25)工作为满足要求，通常采用以氧传感器ZrO2为中心的空燃比反馈控制系统Slide 36第36页，共58页。2.三效催化转化器主要使用多孔蜂窝陶瓷载体，表面涂附活性Al2O3，负载铂 Pt,钯 Rd,铑 Pd等贵金属或其它催化

17、剂防中毒很关键!必须使用无铅汽油，降低汽油中硫含量Slide 37第37页，共58页。五、曲轴箱(crankcase)排放控制压缩和做功冲程中的气体，从缝隙中逸出，叫窜气控制方法是将窜气再循环入发动机进气管，在汽缸中烧掉怠速进气管真空度高，PCV阀使强制通风量减小窜气大于PCV阀处理能力，进入汽缸再次燃烧Slide 38第38页，共58页。六、燃油蒸发排放控制油箱和化油器温度高，蒸发排放量大防热隔热措施吸附法Slide 39第39页，共58页。转移损耗控制方法阶段1控制汽油转运中Slide 40第40页，共58页。转移损耗控制方法阶段2控制加油过程，负压操作汽车上的吸附罐Slide 41第41

18、页，共58页。Section 3柴油发动机污染物的形成与控制Slide 42第42页，共58页。一、1.汽油, 柴油发动机的区别汽油发动机燃烧为预混火焰, 柴油为扩散火焰柴油发动机压缩比高，压缩终了汽缸 3.54.5MPa，温度7501000K，大大超过柴油的自燃温度柴油发动机大面积多点同时着火，初期放热率、压力升高率以及最高爆发压力都比汽油机高，且空气富余，不完全燃烧产物少，因此热效率和燃油经济性好于汽油机混合时间极短，混合气浓度分布极不均匀，易产生碳烟，而汽油机预混燃烧一般不产生碳烟预混火焰：气体燃料和空气在燃烧前充分混合，混合和扩散速度远快于化学反应速率，该过程为化学反应控制的过程。扩散

19、火焰：燃料和空气分别进入燃烧区，混合然后发生反应（实际中应用最多），燃烧速率主要决定于较缓慢的混合和扩散，由扩散控制的燃烧。Slide 43第43页，共58页。一、3.柴油机排放污染物的来源在较高空燃比下，HC和CO燃烧完全直接将10MPa以上将雾化柴油喷入汽缸，避免器壁淬熄和间隙淬熄现象火焰外围区域趋于，受淬熄效应和油膜及积炭吸附影响很小，HC排放很低NOx在中低负荷远低于汽油机，在高负荷与汽油机同数量级甚至更高颗粒物排放相当高Slide 44第44页，共58页。二、2.颗粒物及碳烟的生成机理颗粒物成分：主要为干碳烟DS、可溶性有机成分SOF，硫酸盐碳烟是烃类燃料在高温缺氧条件下裂解而形成的

20、。从=0.6开始， 减少，碳烟生产量增加0.6，NOx生产量随 增加而增加，在1.1达到峰值降低碳烟方法往往引起NOx上升，=1.1峰值=0.60.9，碳烟基本不产生， NOx生成量很少Slide 45第45页，共58页。3.空燃比对柴油机排放的影响柴油机混合器浓稀分布极不均匀，需要空气量更多相比汽油机CO、HC和NO曲线有向稀区平移趋势NOx,HC,CO排放的体积分数/10-6碳烟排放/gm-3Slide 46第46页，共58页。3.空燃比对柴油机排放的影响在中小负荷2，燃油喷雾边缘形成了过稀混合气，缸内温度过低，造成HC排放略有上升，但仍比汽油机低的多NOx生成规律与汽油机相同，但量小。原

21、因是柴油机混合气浓度不均匀。所以NOx生成要看平均和局部。局部缺氧使得2以后，碳烟排放急剧上升加强气流混合可以改善局部缺氧，使冒烟极限向=1靠近，减少碳烟产生。NOx,HC,CO排放的体积分数/10-6碳烟排放/gm-3Slide 47第47页，共58页。柴油车行驶工况与排放1. CO总是很低, 约0.1% ,不到汽油机1/102. 减速, 怠速时HC相对较高, 浓度约为400ppm 此时NOx较低, 约为3070ppm 3. 加速, 定速时NOx高, 浓度约为: NOx: 8002500ppm 此时HC: 90200ppm4. 加速时碳烟最高, 约为0.30g/m3 Slide 48第48页，共58页。三、控制柴油机污染物排放的发动机技术1.废气再循环降低热力型NOx冷却废气再循环，可以明显抑制发动机恶化Slide 49第49页，共58页。三、控制柴油机污染物排放的发动机技术2.改进供油系统采用高压喷射细化喷雾颗粒，缩小喷油嘴孔径并增加孔数，细化柴油喷雾颗粒，增强混合，着火落后期缩短，碳烟排放和热效率改善，但NOx增加。推迟喷油提前角是降低NOx生产主要措施，但燃烧延迟，CO和碳烟增加，动力性和燃烧效率降低Slide 50第50