第11章 城市机动车污染控制

第十一章城市机动车污染控制EmissioncontrolofInternalCombustionEnginesBRT(Berightthere)主要内容1.城市交通趋势及影响2.SparkIgnitionEngines3.CompressedIgnitionEngines4.AdvancedtechnologySection1城市交通趋势及影响世界机动车增长趋势城市机动车污染现状随着经济的快速发展，我国汽车保有量连年高速增长汽车单车排放因子高机动车污染物排放总量大，城市机动车污染分担率高严重影响城市大气环境质量中国机动车保有量增长情况近10年来，全国机动车保有量迅速增加，平均增长速度约14%重点大城市保有量增长更快，北京市92年以来平均增长速度超过20%机动车收入弹性系数研究表明：收入增长1%，机动车保有量增长1.02％～1.94％我国经济发展水平决定城市机动车保有量将会在一定时期内保持迅速增加中国机动车保有量增长情况020040060080010001200140019781985198719891991199319951997年份数量/104辆中美机动车排放因子比较污染物轿车轻型汽油车重型汽油车HC7.249.6413.17北京CO72.3745.19195.55NOX1.842.844.5HC1.862.246.74美国CO14.0317.772.97NOX1.021.143.29北京市机动车排放污染分担率浓度分担率/%污染物年份排放量/104t排放分担率/%城区中心区1995年107.576.876.586.3CO1998年129.082.784.189.51995年9.3840.268.472NOx1998年11.542.972.873.6汽车污染物产生来源曲轴箱HC的20%排气管所有的CO、NOX、Pb和HC的60%油箱和化油器蒸发HC的15%汽车排放法规体系目前国际上汽车排放法规主要分为三大体系，即美国排放法规、欧洲排放法规和日本排放法规，其他各国基本上是按照或参考这三大体系来制定本国的排放法规。我国主要参照的是欧洲排放法规。美国汽车排放法规20世纪的历程1955年美国联邦大气污染控制法授权调查大气污染产生的原因和引起的后果。1959年加利福尼亚州(以下简称加州)通过法律规定车辆排放控制和大气质量标准。1961年加州强制执行第一项排放控制办法。1963年第一部联邦清洁空气法根据科学研究定义了大气质量评判标准。1965年增补后的清洁空气法纳入了汽车排放标准。1966年加州首次制订了有关碳氢化合物和一氧化碳的尾气标准。1967年联邦法律允许加州执行自订的排放标准。1970年美国环保署成立，清洁空气法增补有关一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物的标准。1971年美国环保署为主要污染物制订国家环境大气质量标准。1975年第一个催化转换器在加州使用。1977年清洁空气法增补更严格的氮氧化物标淮，该标淮1988年起执行。1980年汽车制造商开始使用三元催化转换器，它能同时控制碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物。1988年加州要求从1994年开始装备车上诊断仪。1990年加州提出低排放和零排放车辆的要求，联邦清洁空气法进一步修改，要求1994年达到一级标准，2004年达到二级标准。1998年汽车制造商同意在1999年先在东北部自愿制造低排放车辆，在2001年扩大到49个洲。1999年美国环保署提出二级法规。纵观美国1955～1999年40余载汽车排放控制法规制订的历程。可见汽车排放控制的法规制订确实是个没完没了的过程。它不能一劳永逸，即使像美国这么发达的轮子上的国家也仍在不断的完善和改进。另外，法规还有先导的作用，它能带动技术进步，有利人类。欧洲排放标准欧洲汽车排放法规是由欧洲经济委员会（ECE）的排放法规和欧盟的排放指令来控制的。排放法规是ECE参与国根据协议自愿采用并相互认可的，排放指令则要求参与国强制执行。欧洲汽车在排放控制上按车重将车型分为总质量不大于3.5t和总质量超过3.5t两类。总质量不大于3.5t的汽车包括柴油车和汽油车；而总质量超过3.5t汽车只控制柴油车，不控制汽油车的排放.欧洲排放法规体系采取的是型式认证制度，排放法规包括了新车的型式认证试验和车辆的生产一致性检查试验，2000年实施欧III排放法规后，又新增了在用车一致性的检查。我们平常所谈论的欧I、欧II等实际是从1992年以后开始实施的，各排放阶段执行的时间表为：1992～1996年为欧I标准；1996～2000年为欧II标准；2000～2005年为欧III标准；2005年以后执行欧IV标准。从法规的技术内容上看欧I和欧II、欧III和欧IV相同。就NOx、HC、CO及微粒物质等4种排放限值而言,欧Ⅲ限值分别是欧Ⅱ的71%、60%、53%和67%，欧Ⅳ限值是欧Ⅲ的70%、70%、71%和20%,我国排放标准我国机动车污染控制工作始于1979年《中华人民共和国环境保护法(试行)》GB18352.1-2001等排放标准的实施,明显缩短了我国与国外汽车污染物排放标准的差距,使我国的汽车污染物排放标准达到欧洲20世纪90年代的水平，我国目前执行的排放标准为相当于欧II排放标准。对照我国《机动车排气污染物防治技术政策》要求,我国现行的汽车污染物排放标准仍落后欧洲8～10年左右。我国政府的目标是在2010年将排放法规与国际接轨，汽车排放控制任务还很艰巨。Section2SparkIgnitionEngines汽车动力系统TheoreticalCombustionFuel+OxygenCarbonDioxideEnergy动力Ignition点火WaterVaporηet汽油车:0.25~0.3柴油车:0.3~0.45EngineCylinder汽油机ε=6~10，而柴油机ε=16~24ε=(Vc+Vd)/VcActualCombustionLeadHydrocarbonsCarbonMonoxideOxidesofNitrogenCarbonDioxideParticulatesOtherpollutantsWaterVaporAmbientAirRealFuelEngine/EmissionTechnology尾气管排放物Stoichiometry等当点汽油(C8H17)理论空燃比:约14.7CO:局部不均匀残余HC理论空燃比指的是：“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”燃料燃烧的理论空气量燃烧方程式：燃料重量=12x+1.008y+32z+16w理论空气量：煤4~7m3/kg，液体燃料10~11m3/kg222222CHSOO3.78N4242COHOSO3.78N242xyzwywywxzxzyywxzxzQ322.44.78/(121.0083216)m/kg42ywxzxyzwHC:不完全燃烧壁面猝灭油膜吸附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”。NOx:ThermalNOPromptNOFuelNO汽油车OtherEmissionsEvaporativeEmissionsdiurnal,runninglosses,hotsoakCrankcaseLossesduetoblow-byRefuelingLossesdisplacedvaporsOtherEmissionsbrakelinings,tirewear,fluidleaks主要污染物检测方法汽车排放法规所控制的有害污染物主要为一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NOx）以及柴油车排放的颗粒物（PM）这4类。国家环保总局对这些排放物推荐的检测方法分别为：HC采用氢火焰离子法；CO采用非分光红外线法；NOx为化学发光法；PM为滤纸过滤称重法。随着排放标准越来越严格，对排放检测也提出了新的挑战和要求。讨论1:汽车污染产生汽油发动机空燃比对污染物排放有何影响?汽车排放的污染物有哪些?汽油车污染排放包括哪些环节?这些环节排放哪几种污染物?-----------------目标是提高燃烧效率,降低排放NewCarsAreCleanerandMoreEfficient-85%-70%+100%HC-85%MPGNOxCOPercentchangecomparedtonewcarsofthe1970ModelYear注:MPG:英里/加仑排放性能的劣化ConventionalcarburetorcarHCemissionsofLDGVy=0.0114x+0.6433R2=0.174800.511.522.50204060AccumulatedMileage(104km)EmissionFactor(g/km)行驶工况的影响(IM240)汽油车行驶工况与排放1.怠速,减速时CO,HC排放高,浓度约为:CO:1.0%～6%;HC:400～3000ppmNOx:10～100ppm2.加速,定速时NOx高,浓度约为:NOx:1000～4000ppmCO:0.5％～3.0%;HC:200～600ppm加速时,碳烟约为:0.005g/m3讨论2:影响排放的因素汽车使用中哪些因素对排放影响大?如何考虑汽车行驶工况对排放的影响?(如制定标准时,计算排放量时)主要控制技术前处理:无铅汽油(0.013g/L),低硫汽油和柴油(1200ppm～50ppm)废气再循环(EGR):20%循环,降低NOx约60%,但油耗增加3%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)改进点火系统电控燃油喷射系统废气再循环(EGR)三效催化净化技术(TWC)同时净化3种污染物:CO,HC,NOx只能在很窄的空燃比窗口工作:闭环电控燃油喷射技术三效催化净化技术(TWC)主要使用贵金属+陶瓷载体,Pt,Rd,Pd寿命要求80000～160000km,防中毒很关键!曲轴箱(crankcase)排放控制Evaporativeemissioncontrol讨论3:控制技术目前最主流的汽油车排放控制技术组合是什么?三效催化技术有哪几个关键?车用汽油哪些指标对排放最重要?----------------更新的标准导致更新的技术Section3CompressedIgnitionEngines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,热效率高30％～50%柴油发动机以喷油雾化方式燃烧,产生碳烟较多柴油车经济性好,马力大,最先实现3升车汽油车加速性好,正在开发缸内直喷发动机技术预混火焰：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。FormationpathofSootPollutantsandAir-fuelratioNOx,HC,CO排放的体积分数/10-6碳烟排放/g·m-3柴油车行驶工况与排放1.CO总是很低,约0.1%2.减速,怠速时HC相对较高,浓度约为400ppm此时NOx较低,约为30～70ppm3.加速,定速时NOx高,浓度约为:NOx:800～2500ppm此时HC:90～200ppm4.加速时碳烟最高,约为0.30g/m3Turbo-chargeandEmissionInter-coolerOxidationcatalystParticulateTrapSection4Advan