第十三章城市机动车污染控制

第十三章城市机动车污染控制EmissioncontrolofInternalCombustionEngines主要内容1.城市交通趋势及影响2.汽油发动机污染物的形成与控制3.柴油发动机污染物的形成与控制4.新型动力车Section1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截至2012年6月底，中国机动车总保有量达2.33亿辆，其中汽车1.14亿辆，摩托车1.03亿辆。全国机动车驾驶人达2.47亿人，其中汽车驾驶人1.86亿人。中国机动车保有量保持较快增长，上半年增量超过800万辆，山东和广东机动车保有量超过两千万。截至6月底，全国机动车保有量为2.33亿辆，与2011年底相比，增加826万辆，增长3.67%。全国8个省的机动车保有量超过1000万辆。全国汽车保有量超过1.1亿辆，上半年增量为历史同期最高。全国17个城市的汽车保有量超过1百万辆，其中北京超过500万两，成都、天津、深圳、上海等5个城市的汽车保有量超过200万辆。私人汽车保有量达8613万辆，占全部汽车保有量的75.62%，比2011年底上升1.21个百分点。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%Section2汽油发动机污染物的形成与控制汽车动力系统TheoreticalCombustionFuel+OxygenCarbonDioxideEnergy动力Ignition点火WaterVaporηet汽油车:0.25~0.3柴油车:0.3~0.45指示热效率是指发动机实际循环指示功与所消耗的燃油热量之比。指示燃油消耗率和指示热效率是评定发动机实际工作循环经济性能的重要指标。发动机的性能指标一般分为两类，一类是以活塞上获得的功率为计算基础的指标，称为指示指标。另一类是以曲轴输出功率为计算基础的指标，称为有效指标。发动机的指示指标包括动力性和经济性。动力性主要指功率、扭矩和转速；经济性主要指燃料和润滑油消耗率及热效率，以及运转性能指标(冷启动性、噪声和排气品质)等。汽油机ε=6~10，而柴油机ε=16~24压缩比：汽缸总容积Va与燃烧室容积Vc的比值。ε=Va/Vc一个奥托循环包括四个冲程：1.进气冲程；2.压缩冲程；3.作功冲程；4.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EngineCylinderActualCombustionLeadHydrocarbonsCarbonMonoxideOxidesofNitrogenCarbonDioxideParticulatesOtherpollutantsWaterVapor尾气管排放物Stoichiometry等当点汽油(C8H17)理论空燃比:约14.7CO:混合不均匀造成局部区域α1，使局部燃烧不完全而产生CO；排气过程中，残余HC的不完全燃烧而产生CO。HC:不完全燃烧：怠速及高负荷工况时，可燃混合气处于α1的过浓状态。壁面淬灭：温度较低的燃烧室壁面对火焰的迅速冷却(冷激)，在壁面形成厚度约0.1~0.2mm的不燃烧或不完全燃烧的火焰淬熄层，产生大量的HC。油膜和积碳吸附：吸附未燃混合气及燃料蒸汽，在膨胀和排气过程中，因压力降低，部分HC脱附进入燃烧产物。NOx:ThermalNOPromptNOFuelNO影响热力型NOx生成量的主要因素：温度、氧气浓度和停留时间。对汽车发动机，热力型NOx是NOx的主要来源。思考题1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?影响HC产生的因素有哪些？影响热力型NOx生成量的主要因素有哪些？什么叫壁面淬灭？什么叫缝隙效应？汽油车行驶工况与排放问题：汽车使用中哪些因素对排放影响大?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)改进点火系统汽油机点火提前角：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。发动机在压缩冲程结束前点火，可以得到最大的压缩比、最高的温度和压力。但因降低温度有利于减小NOx的浓度，所以常常采用延迟点火的办法，点火时间甚至可以延迟到活塞达到上止点后。电控燃油喷射系统通过氧传感器，闭环电子控制的汽油喷射系统可以将发动机的空燃比控制在理论空燃比±1%的范围。汽油喷射发动机在所有工况下的动力性、经济性和排气净化性能均可进行优化控制，各项性能指标都超过使用化油器的汽油机。汽油喷射发动机与传统化油器供油系统的对比如右图所示。废气再循环(EGR)废气再循环法降低了燃烧的最高温度和氧气的浓度，从而降低了NOx的生成量。废气循环量一般在15%~20%内。过剩空气系数过剩空气系数三效催化净化技术(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)多孔蜂窝陶瓷载体,负载铂Pt,钯Rd,铑Rh等贵金属。铅能使催化剂中毒，硫亦能降低催化转化效率。寿命要求80000～160000km,防中毒很关键!曲轴箱(crankcase)排放控制曲轴箱污染物排放控制的主要办法是将窜漏的气体再循环进入发动机的进气管,使其在发动机气缸中烧掉。目前，大多数汽车采用封闭式曲轴箱通风装置，如右图所示，窜缸气体的控制靠PCV(positivecrankcaseventilation)阀来实现，称为PCV系统。汽油蒸发排放控制(Evaporativeemissioncontrol)油箱和化油器是汽油蒸发排放的两大主要来源。右图为吸附法蒸发排放控制装置的原理图。吸附罐1将油箱和化油器等蒸发出来的HC收集起来。发动机运转时，排气压力上升将净化控制阀2顶开，吸附罐内的HC与活性炭分离而进入发动机烧掉。压力平衡阀3则由进气管真空度控制。思考题2:控制技术汽油车排放控制技术有哪些?三效催化技术是控制什么的？控制过程有什么要求?车用汽油哪些指标对排放最重要?汽油车行驶工况与污染物排放有什么关系？为什么废气再循环法可降低氮氧化物的生成量？Section3柴油发动机污染物的形成与控制汽油,柴油发动机的区别汽油发动机为预混燃烧,柴油为扩散燃烧燃料一边扩散混合一边燃烧的方式称为扩散燃烧；在燃烧空间外预先形成可燃混合气的方式称为预混燃烧。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汽油车加速性好气相碳烟的生成途径碳烟是烃类燃料在高温缺氧的条件下裂解而形成的。气相燃油分子在高温缺氧条件下发生部分氧化和热裂解生成不饱和烃类；不饱和烃类脱氢生成原子级的碳粒子，逐渐聚合成碳烟核心；凝聚作用使碳核增大，形成球状或链状的多孔型聚合物。空燃比对柴油车排放的影响柴油车总是在α1的稀混合气条件下运转，混合气的浓稀分布极不均匀；中小负荷时，喷雾边缘区形成过稀混合气，缸内温度过低，HC排放略有升高；α小于2后，因局部缺氧，碳烟急剧上升。NOx,HC,CO排放的体积分数/10-6碳烟排放/g·m-3α柴油车行驶工况与排放1.CO总是很低,不到汽油机的1/10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/m3Section4AdvancedTechnology最新控制技术冷启动排放控制催化剂需要一定的起燃温度前置催化转化器电加热催化剂车载诊断技术(OBD)自动检测诊断车辆排放系统状况自动提示故障存储信息有利于维修未来汽车技术电动汽车燃料电池汽车技术混合动力技术思考题3传统汽车技术还有哪些不足?现代汽车排放控制技术的难点?将来的汽车革命可能是什么?