基于外環(huán)境技術控制汽車污染

1、 畢 業(yè) 設 計（論 文）設計(論文)題目：基于外環(huán)境控制技術的汽車 污染防治研究 學生姓名： 指導教師：二級學院： 專業(yè)：術）班級：學號：提交日期答辯日期：目 錄摘要IAbstractII第一章緒論11.1 論文的研究意義及背景11.2國內(nèi)外汽車排放研究現(xiàn)狀分析1國外汽車排放控制技術現(xiàn)狀1國內(nèi)汽車排放控制技術現(xiàn)狀2第二章汽車排放污染物的生成機理及危害42.1汽車排放污染物的生成機理4的生成機理42.1.2 HC的生成機理52.1.3 NOX的生成機理5微粒(PM)及炭煙的生成機理62.2汽車排放污染物的危害6第3章汽車排放污染物的影響因素分析73.1過量空氣系數(shù)a的影響73.2點火提前角的影

2、響73.3運轉工況的影響83.4發(fā)動機類型的影響103.5外環(huán)境因素的影響11城市道路的影響11道路兩側布局的影響11不同時間段的影響12第4章汽車排放污染的擴散分析134.1城市交通污染物擴散的影響因素13道路邊建筑物結構對擴散的影響13風向?qū)U散的影響13風速對擴散的影響14陽光照射對擴散的影響154.2汽車排放污染物擴散理論15第5章汽車排放污染控制技術175.1機內(nèi)控制技術17推遲點火(噴油)時間17廢氣再循環(huán)17燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化設計18提高點火能量和電控汽油噴射技術19增壓及增壓中冷195.2機外控制技術19熱反應器19三效催化轉化器20稀燃催化器21X的催化還原215.3外環(huán)境控制技

3、術21城市道路交通規(guī)劃管理21、城市道路交通控制管理22城市道路交通環(huán)境工程22第6章汽車排污控制技術的綜合運用研究236.1汽車排放污染控制技術綜合應用的研究內(nèi)容236.2內(nèi)燃機與外環(huán)境控制技術相結合的綜合運用分析25控制技術短期應用分析25控制技術中長期應用分析26結論281主要研究結論28致謝30參考文獻31基于外環(huán)境控制技術的汽車污染防治研究摘 要汽車是能源消耗和污染物排放的主要來源。隨著我國汽車保有量的急劇增加，環(huán)境排污問題日益嚴重。當前我國汽車排污控制水平僅相當于發(fā)達國家20世紀70年代中后期水平，汽車產(chǎn)生的大量污染物集中在城市道路中排放。同時由于我國城市道路交通路網(wǎng)及配套設施的相

4、對落后，不但使交通擁堵問題日趨突出，而且由于汽車排放而導致的環(huán)境污染也日益嚴重。因此對城市汽車排放污染綜合控制的研究已成為當前一項非常緊迫的工作。目前國內(nèi)外對汽車排放污染物的控制技術重點是機內(nèi)控制技術和機外控制技術，本文將機內(nèi)、機外控制技術和外環(huán)境控制技術綜合分析，力圖構建“機內(nèi)一機外一外環(huán)境”綜合控制技術，并對如何運用該技術進行了一定程度的探討。筆者認為對三大技術的綜合運用可以從短期運用和中長期運用兩個方面來分析。從短期運用的角度來看，應通過優(yōu)先選擇低排放的發(fā)動機和積極實施科學的城市交通控制管理來達到實時控制城市汽車排污的目的。在控制技術在中長期應用方案中，首先要以“外環(huán)境控制技術”的開發(fā)應

5、用為主，同時也應著手考慮交通規(guī)劃層次的技術對策和措施;其次是重點加強對“機內(nèi)一機外控制技術”的開發(fā)應用，同時也應繼續(xù)堅持機動車檢測/維修計劃和進一步強調(diào)交通規(guī)劃的落實。第三階段主要考慮的是交通規(guī)劃方面的問題，同時兼顧交通管理措施的實施。通過這三階段各措施的分層落實，以求達到科學長效的排污控制目的，同時又能兼顧控制成本和控制效果的最優(yōu)化。這一綜合控制觀點的提出以及對綜合運用中各層次技術的開發(fā)運用觀點，是對我國城市交通汽車排污綜合控制研究進行的一點有益探索，希望能對促進我國城市大氣環(huán)境污染的改善，確保城市交通的協(xié)調(diào)發(fā)展具有一定的理論和現(xiàn)實意義。關鍵詞城市交通;汽車排放;控制技術;綜合運用Abstr

6、actCar is energy consumption and pollutant discharge main origin. With China's auto possession the sharp increase, environment pollution isgetting more and more serious. The current China automobile emission control level is only 1970 s level in developed countries, a large number of pollutant c

7、oncentration car produce in urban road in emissions. At the same time because the urban road traffic network and related facilities is relatively backward, not only make the problem of traffic congestion increasingly prominent, and as the car emissions and cause the pollution of the environment is g

8、etting more and more serious. So the city car emissions comprehensive control of pollution has become the study a very urgent work. This paper analyzes the discharge of pollutants generation and diffusion mechanism, based on steam (wood) oil machine and city operation of the car as the object of stu

9、dy and using the method of theoretical analysis of auto emissions the influence factors and the diffusion mechanism research; On this basis, according to the domestic and foreign car emissions of pollutants to control regulations, mainly to the discharge of pollutants in CO, HC, NOXand particle emis

10、sion control technologies and comprehensive technology application to study. In present the automobile exhaust emissions control technology is key inside machine control technology and cake layer control technology, this paper will first inside machine control technology, control technology, the ext

11、ernal environment of cake control technology from the horizontal comprehensive, trying to build "machines a cake environment outside a" comprehensive control technology, and how to use this technology to a certain extent explored. The author thinks that "machines-a cake outside enviro

12、nment" three big technology integrated use can use and long-term use short-term from two aspects to analysis. From the point of view of short-term use, should through the preferred option low emission of engine and actively carry out the scientific urban traffic control management to achieve re

13、al-time control city car drainage purposes. In the control technology in long-term solutions, the first to "the environmental control technology" for the development and application of give priority to, also should consider to traffic planning level of technical countermeasures and measure

14、s; Second is the key to strengthen "machines a cake layer control technology" development application, also should continue to adhere to the motor vehicle inspection/repair plan and further emphasize the implementation of transportation planning. The third stage is main consideration of tr

15、affic planning issues, both the implementation of the traffic management measures. Through the three stages of layered implement measures in order to achieve the effect of control science emission purpose, at the same time, and can control the cost and both the control effect of optimization. The co

16、mprehensive control point and all levels of comprehensive use of technology development viewpoint, it is to our urban traffic automobile emission control of the research on a comprehensive useful exploration, in hopes of promoting the improvement of the urban atmospheric pollution, ensure the coordi

17、nated development of the urban traffic has certain theoretical and practical significance. Key words：urban traffic; vehicle emission; control technology; comprehensive application 第一章緒論1.1 論文的研究意義及背景汽車是能源消耗和污染物排放的主要來源。根據(jù)城市大氣污染物來源的分類統(tǒng)計，在我國主要大城市中，有80%左右的污染物來源于汽車排放廢氣。汽車排放廢氣中含有的主要污染物有:CO、HC、NOX、S02、Pb、微

18、粒等。目前的研究表明，對人體有較大危害的汽車排放污染物主要是CO、HC、NOX及微粒。由汽車排放而導致的環(huán)境污染也日益嚴重，控制汽車排污問題己迫在眉睫。而我國目前的汽車排放污染控制水平僅相當于發(fā)達國家20世紀70年代中后期水平，而且近年來，我國汽車工業(yè)在國民經(jīng)濟中的地位不斷提升，“十一五”期間，我國機動車保有量呈快速增長態(tài)勢，由1.18億輛增加到1.9億輛，平均每年增長10%。其中，汽車保有量由3088萬輛增加到7721.7萬輛，增加了150%,已連續(xù)兩年成為世界汽車產(chǎn)銷第一大國。根據(jù)城市大氣污染物來源的分類統(tǒng)計，很多大城市汽車污染排放量都呈上升趨勢，汽車尾氣排放的HC、CO和NOX等有毒氣體

19、己經(jīng)成為城市的第一空氣污染源。單車排放量高、污染物排放分擔率高、污染物排放量大，這些特征在我國城市交通路網(wǎng)中使得汽車污染對人體、動植物及環(huán)境的危害更加顯著，汽車尾氣的排放量極大地制約著城市交通的發(fā)展。當然地下交通可作為大城市交通發(fā)展的首選，但畢竟不能完全取代路面交通。因此如何盡量減少汽車污染物的排放量和控制污染物的擴散將成為發(fā)展城市交通要解決的首要問題，汽車排放污染治理技術將成為控制城市環(huán)境污染和解決城市交通發(fā)展的關鍵。因此，本文所進行的城市汽車排放污染控制技術的探討，從汽車排放污染物的生成和擴散機理入手，對汽車排放污染物的影響因素進行了深入細致的分析研究，根據(jù)影響因素程度的不同，重點對機內(nèi)、

20、機外、外環(huán)境控制技術的開發(fā)應用進行了研究。首次將機內(nèi)控制技術、機外控制技術、外環(huán)境控制技術從橫向進行了綜合，以尋求對我國城市汽車排污控制的綜合技術方案。這一研討工作，是對我國城市汽車排放控制技術的有益探索，為我國城市交通排污治理提供了一種新的理論研討方法，這將對促進我國城市大氣環(huán)境的綜合治理，確保城市交通的協(xié)調(diào)發(fā)展具有一定的理論和現(xiàn)實意義。1.2國內(nèi)外汽車排放研究現(xiàn)狀分析迄今為止，以內(nèi)燃機為動力的汽車已經(jīng)歷了120多年的發(fā)展，汽車在給人們生活帶來無比便利的同時，也使人類生存環(huán)境陷入了污染的困境。從1966年美國頒布的第一個汽車排放法規(guī)開始，治理汽車排放污染的工作逐漸在全球展開。目前，美國、日本

21、和歐洲各國的汽車排放污染水平與1970年的排放水平相比己降低了70%以上。但由于全球汽車保有量的持續(xù)高速增長，汽車排放污染的現(xiàn)狀仍然十分嚴峻。國外汽車排放控制技術現(xiàn)狀美國、日本和歐洲各國在汽車排放污染控制技術方面做了大量的研究工作。從世界上第一個機動車排放標準于 1966年在美國加州新車上應用以來，40多年來全球在污染控制技術方面取得了很大進展。汽車排放污染控制越來越受到人們的關注，現(xiàn)在全球新車投放市場時都裝有控制裝置和三效催化器。各國汽車的技術裝備也趨于一致，即多氣門、多點燃油噴射系統(tǒng)、高能無觸點電控點火、廢氣再循環(huán)、氧傳感器等微處理控制的復雜的發(fā)動機系統(tǒng)并輔以三元催化器。這些發(fā)動機技術的開

22、發(fā)和應用，在很大程度上有效地控制了汽車的排污。但隨著排放要求的越來越嚴格和對發(fā)動機排放污染物生成機理研究的不斷深入，對發(fā)動機排放技術的要求也越來越高。城市汽車排放污染外環(huán)境控制技術主要是指利用城市交通控制管理技術和城市交通環(huán)境工程技術來減少排放到大氣中的污染量。美國、日本和歐洲等國在汽車排放污染外環(huán)境方面的控制可概括為三個方面的內(nèi)容：即車輛檢測與維修計劃、燃油凈化與替代和機動車需求管理，同時也強調(diào)了機動車排放強制標準的作用。并且各國還根據(jù)本國實際情況制定了一些相關的技術策略。各國還根據(jù)本國實際情況制定了一些相關的技術策略，如美國加州為徹底改變大氣質(zhì)量差的狀況，1990年9月加州大氣資源局通過了

23、低排放機動車方案和燃料凈化計劃；歐洲是世界機動車污染控制較嚴的地區(qū)之一，歐洲議會 1995年9月提出對機動車管理的設想，即兩步驟管理法 (l995年一2000年一2005年)，分別制定了汽油車、柴油車逐年的排放標準；加拿大一直在計劃如何完善在用車排放控制系統(tǒng)，從而降低污染，1992年在哥倫比亞省實施了機動車檢測/維修計劃；中國臺灣是世界上摩托車密度最高的地區(qū)，在機動車污染中摩托車分擔率超過50%，針對這一現(xiàn)狀，臺灣環(huán)保局制定了綜合防治機動車污染的摩托車控管戰(zhàn)略；新加坡政府制定了既控制機動車增長，又不失靈活性的交通管理法綜合政策，努力創(chuàng)建本地通暢的交通網(wǎng)絡系統(tǒng)。這些控制方案對世界各地機動車污染控

24、制都具有積極的意義，代表了當今的發(fā)展水平。國內(nèi)汽車排放控制技術現(xiàn)狀我國對汽車排放污染控制技術方面的研究始于20世紀70年代，一般可分為機內(nèi)凈化，機外凈化和燃料處理三個方面。近三十多年來，中科院生態(tài)環(huán)境研究中心，各高等院校以及各地的環(huán)保研究所在這些方面進行了比較深入的研究，取得了一定的成果，在指導汽車制造、控制汽車污染方面發(fā)揮了很大的作用。最早的機內(nèi)凈化主要體現(xiàn)在化油器的改進上。自20世紀90年代以來，隨著電控技術的廣泛應用，各種電控裝置逐漸替代了機、液調(diào)控裝置。發(fā)動機電控系統(tǒng)的成功應用，使發(fā)動機燃燒狀態(tài)和實時工況得到了完美的匹配，保證了現(xiàn)代發(fā)動機具有良好的動態(tài)響應性，同時還兼顧動力性、經(jīng)濟性、

25、安全性、噪聲和排放法規(guī)等多方面的要求。為了適應日益嚴峻的環(huán)境和能源問題，現(xiàn)在在機內(nèi)控制的研究上重點是對燃燒方式進行研究，汽油機主要是對缸內(nèi)直噴式稀薄燃燒方式進行研究，柴油機主要是對均質(zhì)混合燃燒方式進行研究。從1986年開始，對蜂窩陶瓷載體制備技術、涂層材料及工藝技術、催化劑優(yōu)化配方及制備技術、催化劑生產(chǎn)中部分設備及整套工藝、技術規(guī)范、催化凈化器總成技術、柴油機消除煙塵和催化燃燒再生技術等進行了長期應用研究和部分產(chǎn)品的開發(fā)研究，部分關鍵技術已接近國際先進水平。在城市汽車排放污染外環(huán)境控制技術研究方面，國外的研究要多一些，而國內(nèi)的研究則起步較晚，且大多是借鑒國外經(jīng)驗。如聶國欣提出我國城市機動車排放

26、污染控制對策為嚴格執(zhí)行機動車排放標準和法規(guī)、優(yōu)先發(fā)展公共交通事業(yè)優(yōu)化公共交通體系、采用低污染或無污染燃料為動力的汽車、加強機動車環(huán)保新科技的開發(fā)和應用、強化機動車的檢測與維修、鼓勵在用車改造和加速淘汰老舊車。而劉強等則從城市交通規(guī)劃中環(huán)境保護問題的角度出發(fā)，提出要將不同交通方式間的分工與協(xié)調(diào)作為重點，協(xié)調(diào)滿足交通需求、資源利用和環(huán)境保護三者間的關系?？偟目磥?，我國城市汽車排放污染的控制技術措施，大多局限于提高和實施監(jiān)督機動車污染排放的標準，以及具體的車輛技術對策，與交通有關的措施相當缺乏。綜上所述，無論是國內(nèi)還是國外在汽車排放污染控制技術的研究上還存在以下幾個方面的不足：首先是對城市汽車排放污

27、染綜合控制方面的研究基本上是政策層面上的研究較多，技術層面上的研究要少一些：其次是研究單一控制技術的多，而將汽車對大氣污染的影響和城市交通環(huán)境工程規(guī)劃技術結合的少，在將城市汽車排放污染各控制技術綜合運用方面的研究尚處于初始階段。第二章汽車排放污染物的生成機理及危害汽車排放包含的許多成分隨著汽車種類及運轉條件的改變而改變。從燃燒的角度看，汽車排放分完全燃燒產(chǎn)物、不完全燃燒產(chǎn)物和燃燒中間產(chǎn)物。完全燃燒產(chǎn)物的基本成分是二氧化碳 (C02)、水蒸氣（H2O），過剩的氧(O2)及存下的氮（N2）等。排氣中除完全燃燒產(chǎn)物外，還有不完全燃燒和燃燒反應的中間產(chǎn)物，包括一氧化碳(CO)、碳氫化合物似(HC)、氮

28、氧化合物(NOX)、二氧化硫(SO2)、微粒物質(zhì)(PM)、臭氣(甲醛、丙烯醛等)等。這些不完全燃燒和燃燒反應的中間產(chǎn)物大部分是有毒的，或有強烈的刺激性、臭味和致癌作用。2.1汽車排放污染物的生成機理汽車污染物排放量主要和發(fā)動機混合氣的形成、燃燒及排氣過程中的化學反應有關，此外還與燃油的蒸發(fā)等因素有關。由于汽油機和柴油機的燃燒特點不同，因而它們污染物的生成機理也不同。由于混合氣形成和燃燒特點不同，柴油機排放中碳煙等微粒污染物比汽油機大幾十倍，NOX的濃度與汽油機相比約少50%左右，而CO、HC的排放比較少。CO的生成機理燃燒產(chǎn)物CO是最早為人們發(fā)現(xiàn)的污染物之一，它是汽車排放中有害濃度最大的成分，

29、CO的生成主要是和混合氣的混合質(zhì)量及其濃度有關。燃料燃燒時不可能全部生成CO2，會由于下列原因產(chǎn)生部分CO。1.燃料不完全燃燒CO是烴類燃料在燃燒過程中由于缺氧而不能完全燃燒的中間產(chǎn)物，一般認為，燃燒反應經(jīng)過的幾個反應過程為:理論上當空燃比A/F=14.7時，烴類燃料能完全燃燒，生成CO2和H2O： C n H m+(n+m/4)O2nCO2+H2O而當A/F<14.7時，即混合氣過濃時，燃料就不能完全燃燒，會生成中間產(chǎn)物CO： C n H m+(n/2+m/4)O2nCO+m/2 H2O當A/F>14.7時，氧氣過剩，排氣中不會有CO，而有剩余的氧氣。2.混合氣混合不均勻理論上在

30、富氧燃燒(A/F>14.7)時，排氣中CO不存在，而代之產(chǎn)生O2。但實際上混合氣不可能絕對均勻，總會有過濃區(qū)，加上進氣管壁面上有汽油油膜存在，油膜隨著進氣過程邊流動邊蒸發(fā)，也會造成混合氣不均勻，而且由于各氣缸均勻性不等現(xiàn)象，這些都會產(chǎn)生CO。3.CO2和H2O在高溫時離解即使在稀混合燃燒時，有足夠的氧氣，且混合氣混合得很均勻，但由于發(fā)動機缸內(nèi)燃燒后的溫度很高，當溫度超過2000時，已經(jīng)生成的CO2也會有一小部分會產(chǎn)生高溫離解反應: 2CO22CO+O2溫度愈高，離解反應愈劇烈，生成的CO愈多。H20在高溫時也會分解成H2和02，H2參加燃燒反應，會使CO2還原成CO。 2H2O2H2+O

31、2 CO2+H2CO+H2O由上可見，一氧化碳在燃燒過程中形成的原因主要可以歸結為氧的不足，一旦它形成以后，如不能及時在燃燒過程中獲得氧的補充就會以不完全氧化狀態(tài)排出機外。 HC的生成機理排氣中的HC是由未燃燒的燃料烴、不完全氧化產(chǎn)物以及燃燒過程中部分被分解的產(chǎn)物所組成，它是各種沒有完全燃燒的碳氫化合物的總稱。HC的生成原因比較復雜，其生成機理可以從以下幾個方面進行討論。1.室壁激冷效應汽油機室壁激冷效應是指當火焰?zhèn)鞑r，由于接近燃燒室壁面的一層混合氣被冷卻，火焰到達燃燒室壁面之前就消失的一種現(xiàn)象。汽油機氣缸內(nèi)燃料和空氣的均質(zhì)混合氣是靠火焰?zhèn)鞑ザ紵?，火焰面前?mm到2mm為預熱層。預熱層

32、中的燃料和部分氧化產(chǎn)物不能進一步氧化轉化為燃燒產(chǎn)物，而以未燃烴和含氧碳氫化合物的形式排出。汽油機在正常工作情況下，排氣中的HC主要來自室壁激冷效應的未燃烴。2.燃燒室縫隙效應火焰不能在激冷縫隙內(nèi)傳播的現(xiàn)象稱為燃燒室縫隙效應。一般在小于1恤的縫隙內(nèi)，如活塞頂部與第一道氣環(huán)之間的空隙混合氣因火焰無法傳入其中而不能完全燃燒，是HC排放的來源之一。3.燃料燃燒不完全在發(fā)動機工作過程中，燃料不完全燃燒與著火前的混合氣條件、燃燒室內(nèi)的燃燒條件、膨脹行程的溫度條件及排氣系統(tǒng)的反應條件均有密切的關系。HC既有未燃的燃料，也有燃料不完全燃燒的產(chǎn)物和部分被分解的產(chǎn)物，所以一切妨礙燃料燃燒的條件都是HC形成的原因。

33、例如，為了提高發(fā)動機的最大功率，常使發(fā)動機在過量空氣系數(shù)小于1的情況下工作;在低負荷時，由于氣缸內(nèi)的殘余氣體較多，為了不使燃燒速度，也要供給濃混合氣，從而都會因空氣不足以致不能完全燃燒。此外，混合氣過濃、過稀、燃料霧化不良或混入廢氣過多時，也會因滅火或半滅火狀態(tài)而使未燃部分的燃料以HC的形式排出。 NOX的生成機理NOX是NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5等各種氮氧化合物的總稱。在發(fā)動機排出的廢氣中，NO占絕大部分(約占99%)，而NO2含量極少(約占1%)，其他氮氧化物的含量甚微。NO排入大氣后，又被氧化成NO2。NO是在燃燒過程中的高溫條件下在燃燒室內(nèi)形成的，它是在燃燒過程中氮和氧

34、原子的許多基本反應的結果。捷爾杜維奇鏈反應機理認為NO的生成反應與分解反應主要由下列兩個反應支配: O+N2NO+N（可逆） N+O2NO+O（可逆）NO生成量很大程度決定于的溫度，并與溫度呈指數(shù)關系。NO是由燃燒所產(chǎn)生的高溫使空氣中的氧氣和氮氣分解并化合生成的，燃燒溫度越高，尾氣中NOX的含量越大。微粒(PM)及炭煙的生成機理所謂微粒是指由內(nèi)燃機排出的全部廢氣，在接近于大氣條件下，除去非化合形態(tài)的凝聚水以后收集到的全部呈固體狀和液體狀的微顆粒，它包括原始及二次顆粒。原始顆粒直接來自發(fā)動機燃燒產(chǎn)物的顆粒;二次顆粒是在大氣條件下，因氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)的各化學成分之間發(fā)生化學或物理變化所產(chǎn)生的顆粒。

35、微粒主要是由三部分組成，即碳煙（DS）、可溶性有機物(SOF)和硫酸鹽。碳煙是微粒的主要組成部分。重餾分的未燃烴、硫酸鹽以及水分等在碳粒上吸附凝集，形成微粒排放。2.2汽車排放污染物的危害一方面，汽車排放污染破勸伏氣生態(tài)循環(huán)系統(tǒng):汽車排放造成的大氣污染會破環(huán)臭氧層，臭氧層的破壞造成太陽輻射過強，引起溫室效應，導致高溫天氣，使全球水蒸發(fā)加快，一進而改變氣流的循環(huán)，從而氣候變化加劇，引發(fā)熱浪、咫風、洪澇及干旱。此外，汽油燃燒釋放出的二氧化硫和氮氧化物在大氣中分別轉化成硫酸和硝酸，導致酸雨。酸雨不僅增加土壤酸度、破壞生態(tài)系統(tǒng)的平衡，而且還腐蝕建筑材料、金屬構件和油漆等等，使建筑物、公路以及名勝古跡遭

36、受損害。歐洲經(jīng)濟委員會的報告書稱，因酸雨危害造成的經(jīng)濟損失額相當于全世界每人損失2到10美元。第3章汽車排放污染物的影響因素分析影響汽車有害排放物生成的因素很多也很復雜。但這些排放污染物畢竟是燃燒化學反應的產(chǎn)物，因而這些影響因素歸結起來，同影響化學反應的因素一樣，主要是反應物的濃度和溫度。各種參數(shù)和降低排放的技術大都是最終通過這兩種基本因數(shù)來影響燃燒和有害物生成過程的。而對反應物的濃度和溫度影響的因素，主要有過量空氣系數(shù)、點火(噴油)提前角、運轉工況和發(fā)動機的類型等等。3.1過量空氣系數(shù)a的影響1.過量空氣系數(shù)a對汽油機的影響汽油機中的有害排放物以及動力性和經(jīng)濟性隨空燃比的變化如圖31所示CO

37、、HC隨著空燃比的增大，急劇下降，超過a=1后，逐漸達到最低值；但空燃比過稀時，因燃燒不穩(wěn)定甚至失火次數(shù)增多，導致HC又有所回升。從降低CO和HC的角度來說，應該避免a<1的區(qū)域運轉，但汽油機的最大功率出現(xiàn)在=0.80.9，怠速和起動時a加濃到0.8或更低，因而又是難以避免的。NOX的變化規(guī)律與HC和CO不同。在a=1.1附近，NOX生成量最高，過濃過稀都會降低。al時，燃燒是在還原性氣氛中進行的，NO難經(jīng)生成；a過稀時，會由于燃燒溫度下降，使NO的生成速度減慢；只有在價a=1.1附近，才能兼有高溫和富氧兩個必要條件，最有利于NO的生成。圖3一1汽油機空燃比對對排放污染物生成的影響3.2

38、點火提前角的影響點火提前角不同，燃燒過程中燃氣的最高燃燒溫度和燃燒時間就不同，因而尾氣排放濃度也不同。圖32是改變點火提前角對燃燒過程的影響。圖中為曲軸轉角，p為缸內(nèi)壓力，當點火時間由a減少到b，缸內(nèi)壓力將從A變成B，由于燃氣的最高溫度與壓力大致成正比下降，因而可使NO生成量減少。同時由于燃燒時間從a延長到b，使HC反應的有效溫度時間加長，也使HC排放量降低。圖3一2點火提前角對燃燒過程的影響3.3運轉工況的影響發(fā)動機在不同的工況下運行時，其過量空氣系數(shù)九和燃燒溫度不同，因而造成的有害排放物的生成量也下同。圖33給出了一例日本10工況法試驗時各種成分的排放特性。汽車在加速和高速運行時，由于燃燒

39、溫度高，因而NOX排放濃度較高。HC和CO在怠速和加速時排放濃度較高，這是因為此時的空燃比偏濃，同時怠速時的溫度較低以及殘余廢氣系數(shù)也較高。減速時，對于化油器式的汽油機，HC急劇上升同時CO排放也較高，這種現(xiàn)象在圖3一4中可以更清楚地看到。這是因為減速時汽油機節(jié)氣門關閉，而發(fā)動機在汽車反拖下繼續(xù)高速運轉，進氣管中突然形成高真空度狀態(tài)，使管壁上的液態(tài)燃油(油膜)急劇蒸發(fā)，形成過濃混合氣，同時化油器中由于油比氣的慣性大，進氣量比燃油要減得而快，導致混合氣濃度瞬時增大。汽油噴射式發(fā)動機在減速時不再供油，而且進氣管中油膜少，因此HC和CO排放較少(見圖3一4中燃油噴射曲線)。而帶有減速斷油裝置的改進型

40、化油器情況會有所改善。汽油機在不同工況下的排氣成分的大致范圍如下表31所示。表3一1汽油機在不同工況下的排氣成分的體積分數(shù)圖3一3不同工況時的排放特性圖34汽油機減速時HC和CO的排放特性至于穩(wěn)定工況下一般規(guī)律為，汽油機低怠速時，HC、CO激增，NOX很少，高負荷時反之，但之后HC、CO又有所增加。3.4發(fā)動機類型的影響1.汽油機與柴油機排放特性的對比表3一3為汽油機與柴油機排放濃度的對比。由此可知，柴油機的HC和CO排放僅有汽油機的1/5 1/10，甚至低于安裝了催化轉化器的汽油機；而NOX的排放量，柴油機中小負荷時遠低于汽油機，大負荷時與汽油機接近;但柴油機的微粒排放卻是汽油機基本沒有的。

41、表32汽油機與柴油機排放濃度的對比因此，汽油機以降低CO、HC和NOX為主要排放控制目標，而柴油機以降低微粒(炭煙)和NOX為主要控制目標。3.5外環(huán)境因素的影響由于城市用地和城市生活的集聚性，在我國目前汽車排放控制水平下，城市交通的高度密集性必然會帶來嚴重的城市交通污染問題。而汽車排放污染對城市的影響程度，在同等的車輛排放控制技術下，又與城市的道路條件、交通工程布局、交通時段等因素有著密切的關系。城市道路的影響我國汽車分布的不平衡、道路及相關基礎設施的落后、不斷增加的汽車車輛量、不甚合理的城市交通結構和運行機制，使得汽車污染日益嚴重。我國的路網(wǎng)密度和人均擁有的公路里程僅為日本的1/27和1/

42、10。道路建設的滯后，路況差，造成各城市主要交通道路機動車流量大，車速慢，道路交通擁擠狀況十分嚴重，城市車輛行駛速度僅為十幾km八z。尤其是在上下班時間，各種車輛混行，亂停車現(xiàn)象嚴重，加之交通管理落后，堵塞現(xiàn)象時有發(fā)生，汽車不得不頻繁啟動和長時間低速行駛，測量結果表明，在上海中心城區(qū)，由于道路狹窄、人口密集、道路擁擠、路口阻塞嚴重、車輛行駛不暢等原因，致使機動車在典型道路上行駛時，怠速時間占總運行時間的 35.1%，加速時間占27.0%，減速時間占24.1%，勻速時間占13.8%。由于怠速和減速運行時間較長(約占總運行時間的60%)，勻速行駛狀態(tài)時間較短。因此，汽車發(fā)動機燃料燃燒不充分及廢氣排

43、放量大，導致道路兩側為污染物的高濃度區(qū)。再加上目前我國的城市交通規(guī)劃主要以汽車的出行為考慮對象，只重視滿足機動化出行的需求，規(guī)劃建設大量的快速路、主干路、立交橋，而忽視對自行車和步行系統(tǒng)的建設，許多城市機動車道越修越寬，而自行車道則是越修越窄，有的路段上甚至將自行車道和人行道合并，使自行車和步行這種零污染的交通方式大大萎縮，城市汽車污染也就越來越嚴重。道路兩側布局的影響由于受歷史原因和各城市自然地質(zhì)地貌條件的影響，我國大多城市的公路路面較窄，道路曲折多彎，高樓大廈多，建筑密度大，造成地面的粗糙度增大，不利于氣流的流動，同時又因為汽車尾氣都是貼著地面排放的，擴散的能力相對就很弱，這些因素都阻礙了

44、城市汽車排放污染物的擴散。此外街道空氣的流動性差，污染物質(zhì)在街道的累積，不利于交通尾氣沿道路向郊區(qū)的輸送，再加上城市道路兩側多是高大建筑物，使空氣流速減緩，污染物難以及時擴散、凈化，也加重了空氣污染。如何把城市交通設施兩側的工程布局與城市汽車排污控制有機的結合起來是交通規(guī)劃部門要做的長期工作。不同時間段的影響交通的順暢程度對汽車排放污染物的排放狀況有著重要的影響。本文借鑒了吉林大學沙學鋒博士在其博士論文“城市道路機動車動態(tài)排放預測模型研究”中選取捷達車的排放數(shù)據(jù)結果，對交通高峰期、低峰期和平峰期三種狀況下的排放量進行了對比分析。由其實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知，早晚高峰期(16:48一17:31)時加減速

45、頻繁，怠速時間長，充分體現(xiàn)了交通高峰期的車流運行特征。交通堵塞，車流運行速度緩慢，NOX、HC、CO排放量增加，交通污染嚴重。夜間低峰期時(19:30一19:53)，NOX、HC、CO排放率與時間變化變化平緩，且排放量顯著降低。平峰期時(15:36一15;56)，NOX、HC、CO排放率與時間變化曲線比夜間低峰期要頻繁，且變化趨勢要急速一些，排放量也要大一些?？傮w來看，交通高峰期時的排放最高，低峰最低。高峰期時NOX的排放量是低峰的兩倍多，比平峰期高大約25%；高峰期時HC排放量也是低峰的兩倍多，是平峰期的兩倍左右；高峰期時的CO分別比低峰和平峰期時高40%和30%左右。第4章汽車排放污染的擴

46、散分析4.1城市交通污染物擴散的影響因素在城市道路汽車排放污染物的擴散過程中，最重要的一點是街道峽谷對局部流場的影響。所謂街道峽谷是指兩側有較密集建筑物的街道，由于上層大氣會在峽谷內(nèi)產(chǎn)生一個或幾個渦旋，因而使得峽谷內(nèi)流場完全不同于上層大氣。20世紀80年代，很多研究證實了街道中渦旋回流的存在，并且認為汽車排放污染物的擴散受街道建筑物的結構、風向、風速和日照等因素的影響。道路邊建筑物結構對擴散的影響圖4一l是在900風向的來流風作用下，4種典型結構模型街道內(nèi)測量的示蹤氣體無量綱濃度等值線圖。由圖可知幾何結構對示蹤氣體擴散過程有很大的影響。圖4一1A是街道兩側等高，H/B(高寬)=0.7時，示蹤氣

47、體擴散的試驗結果。由圖可見街道峽谷迎風面示蹤氣體濃度較低，沿高度方向的梯度變化不大。在街道峽谷的背風面濃度較高，且沿高度方向梯度變化較大，在背風面下角濃度最高。這是有街道峽谷內(nèi)的空腔旋渦形成的氣流攜帶了底部高濃度的示蹤氣體所至。高于街道南側建筑物后，示蹤氣體的濃度很快降低。圖41B是街道兩側H/B(高寬 )=1.0時，示蹤氣體擴散過程的實驗結果。示蹤氣體濃度分布形式與圖20一1A相似。由王建筑模型增高，示蹤氣體向街道外部擴散的時間與路程增加，排放源附近示蹤氣體累積，濃度升高。圖41C是下風建筑物明顯低于上風建筑物時，示蹤氣體濃度分布的典型表。街道峽谷內(nèi)示蹤氣體濃度急劇上升。這是由于在較高的上風

48、建筑物后的尾流區(qū)內(nèi)產(chǎn)生氣流死區(qū)，示蹤氣體擴散不利。背風面在很大范圍內(nèi)濃度較高。在下風建筑頂端濃度較低，隨高度增加濃度降低較快。圖41D代表了下風建筑高于上風建筑時，示蹤氣體的典型濃度場。濃度場結構發(fā)生很大的變化。街道峽谷內(nèi)部不蹤氣體濃度明顯降低，且最高濃度點不在排放源附近，而是在上風建筑頂端的背風面上角。這是由于較高的下風建筑物前產(chǎn)生了氣流位移區(qū)，較強的旋渦形氣流迅速將排放源附近的示蹤氣體吹散，并帶至背風上面。在這種幾何結構的街道峽谷污染物擴散能力較強，污染物濃度不會太高。風向?qū)U散的影響圖42是同一街道模型(H/B=1.0)的相同截面，在正交風(900)，斜交風(350)和平行同風(O0)的

49、條件下，示蹤氣體的無量綱濃度場等值線圖。圖42A中的風向為900，示蹤氣體濃度分布特征已由圖4一1B說明。圖41 不同結構的街道峽谷無量綱濃度等值線圖由圖42B(風向為0o)可見，除在排放源近旁濃度較高外，街道峽谷內(nèi)部其他空間點的濃度較低。因此，平行風有利于街道內(nèi)污染物的擴散，道路兩側的行人受害較小。在斜交風(如圖42，風向350)作用下，街道峽谷斷面內(nèi)的濃度分布形態(tài)類似于垂直作用下的分布形態(tài)(圖42A)。這是由于在一定的角度范圍內(nèi)(150750)，斜交風在在街道峽谷內(nèi)亦能形成旋渦流場，在此旋渦氣流的垂直分量的作用下示蹤氣體向街道峽谷背風面擴散，同時又在街道峽谷內(nèi)平行風分量的作用下沿街道縱向輸

50、送。因此，斜交風下的街道峽谷最終濃度是以上兩種擴散過程的共同作用的結果。風速對擴散的影響DePaul和Sheik(1986)在芝加哥市區(qū)一個街道峽谷中進行了一個示蹤實驗，結果表明，當環(huán)境風速在2-5m/s之間并于道路正交時，街道峽谷中只有一個渦流存在；當風速降低到小于 1.52.0m/s時，峽谷中的渦流似乎消失了。Yemenite和Wieland(1986)發(fā)現(xiàn)任何垂直于街道峽谷的氣流都會在街道峽谷中產(chǎn)生渦流，渦流橫向速度與建筑物頂面處橫向速度分量成正比。盡管街道峽谷中渦流現(xiàn)象非常復雜，但有一個規(guī)律是相同的，即上層大氣中風速加大時，峽谷內(nèi)污染物與上層大氣的擴散交換也隨之加劇，從而使得峽谷內(nèi)的污

51、染物濃度降低。陽光照射對擴散的影響街道峽谷內(nèi)一定方向的日照，使得峽谷一側的建筑物受熱后溫度是升，而引起局部氣流不均勻升溫，改變峽谷內(nèi)的流場特征，從而對污染物產(chǎn)生明顯的影響。Nakamura和 Coke(1988)對街道中風與溫度的分布進行了詳細的量測，結果表明，由于受日照的不均勻加熱作用，一天中不同時段峽谷內(nèi)氣流在各處穩(wěn)定程度和擴散能力的明顯差別。建筑物上部氣流的方向與街道峽谷底部中線處氣流的方向之間的關系，可簡單描述為氣流相對子墻身的鏡面反射，在低風速條件下，建筑頂部與峽谷底部風速之的關系很分散。圖42 不同風向的街道峽谷無量綱濃度等值線圖4.2汽車排放污染物擴散理論隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，汽車

52、保有量的增加，傳統(tǒng)的發(fā)動機機內(nèi)、機外控制技術只能降低發(fā)動機的單車排放量，卻不能控制城市環(huán)境的污染總量。既然污染是必然存在的，我們可以再考慮結合其它方法進行控制。·大氣污染存在時，如果我們能迅速的將其濃度降低或者將其進行疏導，就相當于對污染進行了治理。這也就是利用污染物擴散理論，對城市大氣環(huán)境污染總量加以控制。城市道路的特點就是在道路兩側存在著密集高層的建筑物，道路兩邊建筑物與道路構成的狹長型地形稱為街道峽谷。影響因素主要為城市大氣特性，也即風速、風向和日照。風速：城市上空或街道峽谷中的風速越大越有利于污染物的擴散。風向：空氣對污染物擴散的影響可分為兩種。其一，對于順街道風向，可直接將

53、污染物帶至下風處，這就要求街道風向可直通郊外；其二，當風向與街道夾角大于300時，有利于街道峽谷空氣渦流的形成，由于空氣渦流得存在，從而有利于污染物的擴散。陽光照射：由于建筑物的存在，使得街道內(nèi)受到陽光照射程度不同，當街道不太寬(如建筑高度與街道寬度之比大于3)時，則會改變峽谷內(nèi)的流場特性，從而明顯降低污染擴散速度。第5章汽車排放污染控制技術根據(jù)國外及我國對汽車排放污染物的控制法規(guī)，主要是對汽車排放污染物中CO、HC、NOX及PM的排放量進行控制。因而本章也就分別對這四種污染物的機內(nèi)控制技術、機外控制技術以及外環(huán)境控制技術進行分析研究。5.1機內(nèi)控制技術由于當前汽油機的排放控制技術比較成熟，因

54、而大大降低了對機內(nèi)凈化的要求。其燃燒過程的組織仍以優(yōu)化動力性和經(jīng)濟性為目標，而用燃燒以外的排氣后處理技術來降低己生成的有害成份，因而汽油機的機內(nèi)凈化技術措施并不是很多很復雜。與汽油機相比，柴油機由于其排氣后處理技術尚未達到完全實用階段，目前主要還是依靠機內(nèi)凈化技術來降低其排放污染。降低柴油機NOX和PM排放技術對策，總體上可以分為燃燒改善、燃料改善和排氣后處理三類，前兩類為機內(nèi)凈化技術。推遲點火(噴油)時間在第3章中，通過對汽車排放污染物的影響因素分析，我們已經(jīng)知道通過減小點火提前角，能夠使NOX和HC同時降低。因此，推遲點火提前角一直是最簡單也是最普遍采用的排放控制技術。但通過推遲點火提前角

55、來降低排放的效果是有限的，在不使動力性及經(jīng)濟性明顯惡化的前提下，NOX可降低10%30%。實際應用中要通過綜合考慮排放特性、動力性及經(jīng)濟性來確定最佳點火提前角。廢氣再循環(huán)通過前面對排放污染物生成機理的分析研究我們知道，NOX是在高溫燃燒條件下產(chǎn)生的。因此，控制燃燒時的最高溫度可以控制NOX的生成量。廢氣再循環(huán)就是在此基礎上產(chǎn)生的一種降低NOX的排放控制措施。其工作原理如圖5一2所示。一部分排氣經(jīng)EGR閥流回進氣系統(tǒng)，稀釋了新鮮混合氣中的氧濃度，導致燃燒速度降低，同時還使新鮮混合氣的比熱容提高。兩者都造成燃燒溫度的降低，因而可以抑制NOX的生成。圖52廢氣再循環(huán)系統(tǒng)工作原理圖53 EGR降低NO

56、X的效果圖如圖5一3所示，隨著EGR率的增加，NO的排放量迅速下降。由于這是靠降低燃燒速度和燃燒溫度得到的，因而會導致全負荷時最大功率下降;中等負荷時的燃油消耗率增大，HC排放上升；小負荷特別是怠速時燃燒不穩(wěn)定甚至失火。為此，一般在汽油機大負荷、起動及暖機、怠速時不使用EGR，而其它工況時的EGR率一般不超過20%，由此可降低NOX排放量的50%70%。為了精確控制EGR率，一般采用電子控制EGR閥系統(tǒng)。為了增強降低NOX的效果，可采用中冷EGR。燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化設計對于汽油機而言，由于電控燃油噴射加三效催化劑技術使汽油機的排放大大降低，因而從排放控制的角度對汽油機燃燒室設計的要求明顯低于柴油機

57、，但并不能忽視合理的燃燒室設計對控制汽油機排放的效果。緊湊的燃燒室結構可以使燃燒快速充分地進行，并減少淬熄效應，由此可降低CO和HC的排放;改善缸內(nèi)氣流運動，有助于加強油氣混合，同樣使燃燒快速充分地進行;還可以改善燃燒時的循環(huán)波動，而循環(huán)波動也是HC排放以及動力性和經(jīng)濟性惡化的重要原因?，F(xiàn)在常用汽油機的典型燃燒室有浴盆型燃燒室、楔型燃燒室、半球型燃燒室、多球型燃燒室等。提高點火能量和電控汽油噴射技術對汽油機來說，提高點火能量可以提高著火的可靠性，減小循環(huán)波動率，擴大混合氣的著火界限。特別是伴隨著汽油機燃燒稀薄化，無觸點的高能電子點火系統(tǒng)得到了廣泛的應用。提高點火能量的措施能增大極間電壓，極間電

58、壓一般為1020KV，但最高的有35KV。而電控汽油噴射系統(tǒng)由于能夠更精確、更柔性地滿足各種工況的參數(shù)優(yōu)化要求，從而可以實現(xiàn)汽油機排放特性、燃油經(jīng)濟性和動力性的綜合優(yōu)化。此外，三效催化轉化器與電控噴射系統(tǒng)的組合，已成為當前和將來較長時間內(nèi)汽油機排放控制的最主要的技術。增壓及增壓中冷增壓可以大幅度提高柴油機進氣的的密度，在足夠大的條件下保證燃燒完全，因而容易抑制住汽油機炭煙和微粒的產(chǎn)生，CO和HC也會進一步降低。增壓還可以使柴油機的功率提高30%100%；由于燃燒充分，加之泵氣過程做正功，因而燃油經(jīng)濟性也好。如圖5一5所示，在NOX不變的條件下，通過提高增壓度使增大，結果使排氣煙度和燃油消耗率都得到了明顯的下降。但增壓伴隨的壓縮終了溫度的升高和富氧環(huán)境氛圍，可能造成NOX排放量的升高。對此