第11章 城市機(jī)動(dòng)車污染控制

第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制EmissioncontrolofInternalCombustionEnginesBRT(Berightthere)主要內(nèi)容1.城市交通趨勢(shì)及影響2.SparkIgnitionEngines3.CompressedIgnitionEngines4.AdvancedtechnologySection1城市交通趨勢(shì)及影響世界機(jī)動(dòng)車增長趨勢(shì)城市機(jī)動(dòng)車污染現(xiàn)狀隨著經(jīng)濟(jì)的快速開展，我國汽車保有量連年高速增長汽車單車排放因子高機(jī)動(dòng)車污染物排放總量大，城市機(jī)動(dòng)車污染分擔(dān)率高嚴(yán)重影響城市大氣環(huán)境質(zhì)量中國機(jī)動(dòng)車保有量增長情況近10年來，全國機(jī)動(dòng)車保有量迅速增加，平均增長速度約14%重點(diǎn)大城市保有量增長更快，北京市92年以來平均增長速度超過20%機(jī)動(dòng)車收入彈性系數(shù)研究說明：收入增長1%，機(jī)動(dòng)車保有量增長1.02％～1.94％我國經(jīng)濟(jì)開展水平?jīng)Q定城市機(jī)動(dòng)車保有量將會(huì)在一定時(shí)期內(nèi)保持迅速增加中國機(jī)動(dòng)車保有量增長情況中美機(jī)動(dòng)車排放因子比較北京市機(jī)動(dòng)車排放污染分擔(dān)率汽車污染物產(chǎn)生來源

曲軸箱HC的20%排氣管所有的CO、NOX、Pb和HC的60%油箱和化油器蒸發(fā)HC的15%汽車排放法規(guī)體系目前國際上汽車排放法規(guī)主要分為三大體系，即美國排放法規(guī)、歐洲排放法規(guī)和日本排放法規(guī)，其他各國根本上是按照或參考這三大體系來制定本國的排放法規(guī)。我國主要參照的是歐洲排放法規(guī)。美國汽車排放法規(guī)20世紀(jì)的歷程1955年美國聯(lián)邦大氣污染控制法授權(quán)調(diào)查大氣污染產(chǎn)生的原因和引起的后果。1959年加利福尼亞州(以下簡稱加州)通過法律規(guī)定車輛排放控制和大氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。1961年加州強(qiáng)制執(zhí)行第一項(xiàng)排放控制方法。1963年第一部聯(lián)邦清潔空氣法根據(jù)科學(xué)研究定義了大氣質(zhì)量評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。1965年增補(bǔ)后的清潔空氣法納入了汽車排放標(biāo)準(zhǔn)。1966年加州首次制訂了有關(guān)碳?xì)浠衔锖鸵谎趸嫉奈矚鈽?biāo)準(zhǔn)。1967年聯(lián)邦法律允許加州執(zhí)行自訂的排放標(biāo)準(zhǔn)。1970年美國環(huán)保署成立，清潔空氣法增補(bǔ)有關(guān)一氧化碳、碳?xì)浠衔锖偷趸锏臉?biāo)準(zhǔn)。1971年美國環(huán)保署為主要污染物制訂國家環(huán)境大氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。1975年第一個(gè)催化轉(zhuǎn)換器在加州使用。1977年清潔空氣法增補(bǔ)更嚴(yán)格的氮氧化物標(biāo)淮，該標(biāo)淮1988年起執(zhí)行。1980年汽車制造商開始使用三元催化轉(zhuǎn)換器，它能同時(shí)控制碳?xì)浠衔?、一氧化碳和氮氧化物?988年加州要求從1994年開始裝備車上診斷儀。1990年加州提出低排放和零排放車輛的要求，聯(lián)邦清潔空氣法進(jìn)一步修改，要求1994年到達(dá)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，2004年到達(dá)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。1998年汽車制造商同意在1999年先在東北部自愿制造低排放車輛，在2001年擴(kuò)大到49個(gè)洲。1999年美國環(huán)保署提出二級(jí)法規(guī)?？v觀美國1955～1999年40余載汽車排放控制法規(guī)制訂的歷程?？梢娖嚺欧趴刂频姆ㄒ?guī)制訂確實(shí)是個(gè)沒完沒了的過程。它不能一勞永逸，即使像美國這么興旺的輪子上的國家也仍在不斷的完善和改進(jìn)。另外，法規(guī)還有先導(dǎo)的作用，它能帶動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，有利人類。歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)歐洲汽車排放法規(guī)是由歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)〔ECE〕的排放法規(guī)和歐盟的排放指令來控制的。排放法規(guī)是ECE參與國根據(jù)協(xié)議自愿采用并相互認(rèn)可的，排放指令那么要求參與國強(qiáng)制執(zhí)行。歐洲汽車在排放控制上按車重將車型分為總質(zhì)量不大于3.5t和總質(zhì)量超過3.5t兩類?？傎|(zhì)量不大于3.5t的汽車包括柴油車和汽油車；而總質(zhì)量超過3.5t汽車只控制柴油車，不控制汽油車的排放.歐洲排放法規(guī)體系采取的是型式認(rèn)證制度，排放法規(guī)包括了新車的型式認(rèn)證試驗(yàn)和車輛的生產(chǎn)一致性檢查試驗(yàn)，2000年實(shí)施歐III排放法規(guī)后，又新增了在用車一致性的檢查。我們平常所談?wù)摰臍WI、歐II等實(shí)際是從1992年以后開始實(shí)施的，各排放階段執(zhí)行的時(shí)間表為：1992～1996年為歐I標(biāo)準(zhǔn)；1996～2000年為歐II標(biāo)準(zhǔn)；2000～2005年為歐III標(biāo)準(zhǔn)；2005年以后執(zhí)行歐IV標(biāo)準(zhǔn)。從法規(guī)的技術(shù)內(nèi)容上看歐I和歐II、歐III和歐IV相同。就NOx、HC、CO及微粒物質(zhì)等4種排放限值而言,歐Ⅲ限值分別是歐Ⅱ的71%、60%、53%和67%，歐Ⅳ限值是歐Ⅲ的70%、70%、71%和20%,

我國排放標(biāo)準(zhǔn)我國機(jī)動(dòng)車污染控制工作始于1979年?中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法(試行)?GB18352.1-2001等排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施,明顯縮短了我國與國外汽車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的差距,使我國的汽車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)到達(dá)歐洲20世紀(jì)90年代的水平，我國目前執(zhí)行的排放標(biāo)準(zhǔn)為相當(dāng)于歐II排放標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)照我國?機(jī)動(dòng)車排氣污染物防治技術(shù)政策?要求,我國現(xiàn)行的汽車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)仍落后歐洲8～10年左右。我國政府的目標(biāo)是在2021年將排放法規(guī)與國際接軌，汽車排放控制任務(wù)還很艱巨。Section2SparkIgnitionEngines汽車動(dòng)力系統(tǒng)TheoreticalCombustionFuel+OxygenCarbonDioxideEnergy動(dòng)力Ignition點(diǎn)火WaterVaporηet

汽油車:0.25~0.3柴油車:0.3~0.45Engine

Cylinder汽油機(jī)ε=6~10，而柴油機(jī)ε=16~24ε=(Vc+Vd)/VcActualCombustionLeadHydrocarbonsCarbonMonoxideOxidesofNitrogenCarbonDioxideParticulatesOtherpollutantsWaterVaporAmbientAirRealFuelEngine/EmissionTechnology尾氣管排放物Stoichiometry等當(dāng)點(diǎn)汽油(C8H17)理論空燃比:約14.7CO:局部不均勻剩余HC理論空燃比指的是：“在理想狀況下發(fā)動(dòng)機(jī)完成一次工作循環(huán)所消耗的空氣的量與消耗的燃油的量的比值〞燃料燃燒的理論空氣量燃燒方程式：燃料重量

=12x+1.008y+32z+16w理論空氣量：煤

4~7m3/kg，液體燃料10~11m3/kg

HC:不完全燃燒壁面猝滅油膜吸附怠速狀態(tài)是指發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)一種工作狀況。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如果完全放松油門踏板，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)就處于怠速狀態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)的轉(zhuǎn)速被稱為怠速轉(zhuǎn)速，是維持發(fā)動(dòng)機(jī)沒有做功時(shí)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的最低轉(zhuǎn)速。怠速即是發(fā)動(dòng)機(jī)“出工不出力〞。

NOx:ThermalNOPromptNOFuelNO汽油車OtherEmissionsEvaporativeEmissions

diurnal,runninglosses,hotsoakCrankcaseLossesdueto"blow-by"RefuelingLossesdisplacedvaporsOtherEmissionsbrakelinings,tirewear,fluidleaks主要污染物檢測方法汽車排放法規(guī)所控制的有害污染物主要為一氧化碳〔CO〕、碳?xì)浠衔铩睭C〕、氮氧化合物〔NOx〕以及柴油車排放的顆粒物〔PM〕這4類。國家環(huán)?？偩謱?duì)這些排放物推薦的檢測方法分別為：HC采用氫火焰離子法；CO采用非分光紅外線法；NOx為化學(xué)發(fā)光法；PM為濾紙過濾稱重法。隨著排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，對(duì)排放檢測也提出了新的挑戰(zhàn)和要求。討論1:汽車污染產(chǎn)生汽油發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比對(duì)污染物排放有何影響?汽車排放的污染物有哪些?汽油車污染排放包括哪些環(huán)節(jié)?這些環(huán)節(jié)排放哪幾種污染物?-----------------目標(biāo)是提高燃燒效率,降低排放NewCarsAreCleaner

andMoreEfficient-85%-70%+100%HC-85%MPGNOxCOPercentchangecomparedtonewcarsofthe1970ModelYear注:MPG:英里/加侖排放性能的劣化Conventionalcarburetorcar

HCemissionsofLDGVy=0.0114x+0.6433R2=0.174800.511.522.50204060AccumulatedMileage(104km)EmissionFactor(g/km)行駛工況的影響(IM240)汽油車行駛工況與排放1.怠速,減速時(shí)CO,HC排放高,濃度約為:

CO:1.0%～6%;HC:400～3000ppmNOx:10～100ppm2.加速,定速時(shí)NOx高,濃度約為:

NOx:1000～4000ppmCO:0.5％～3.0%;HC:200～600ppm

加速時(shí),碳煙約為:0.005g/m3

討論2:影響排放的因素汽車使用中哪些因素對(duì)排放影響大?如何考慮汽車行駛工況對(duì)排放的影響?(如制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí),計(jì)算排放量時(shí))主要控制技術(shù)前處理:無鉛汽油(0.013g/L),低硫汽油和柴油(1200ppm～50ppm)廢氣再循環(huán)(EGR):20%循環(huán),降低NOx約60%,但油耗增加3%機(jī)內(nèi)控制:發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)外表積/容積越小越好;電子控制技術(shù);多氣門技術(shù)機(jī)外控制技術(shù):熱反響器,催化反響器(氧化,復(fù)原--三效)改進(jìn)點(diǎn)火系統(tǒng)電控燃油噴射系統(tǒng)廢氣再循環(huán)(EGR)三效催化凈化技術(shù)(TWC)同時(shí)凈化3種污染物:CO,HC,NOx只能在很窄的空燃比窗口工作:閉環(huán)電控燃油噴射技術(shù)

三效催化凈化技術(shù)(TWC)主要使用貴金屬+陶瓷載體,Pt,Rd,Pd壽命要求80000～160000km,防中毒很關(guān)鍵!

曲軸箱(crankcase)排放控制Evaporativeemissioncontrol討論3:控制技術(shù)目前最主流的汽油車排放控制技術(shù)組合是什么?三效催化技術(shù)有哪幾個(gè)關(guān)鍵?車用汽油哪些指標(biāo)對(duì)排放最重要?----------------更新的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致更新的技術(shù)Section3CompressedIgnitionEngines汽油,柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的區(qū)別汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒為預(yù)混火焰,柴油為擴(kuò)散火焰柴油發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比高,熱效率高30％～50%柴油發(fā)動(dòng)機(jī)以噴油霧化方式燃燒,產(chǎn)生碳煙較多柴油車經(jīng)濟(jì)性好,馬力大,最先實(shí)現(xiàn)3升車汽油車加速性好,正在開發(fā)缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)預(yù)混火焰：氣體燃料和空氣在燃燒前充分混合，混合和擴(kuò)散速度遠(yuǎn)快于化學(xué)反響速率，該過程為化學(xué)反響控制的過程。擴(kuò)散火焰：燃料和空氣分別進(jìn)入燃燒區(qū)，混合然后發(fā)生反響〔實(shí)際中應(yīng)用最多〕，燃燒速率主要決定于較緩慢的混合和擴(kuò)散，由擴(kuò)散控制的燃燒。FormationpathofSoot

PollutantsandAir-fuelratioNOx,HC,CO排放的體積分?jǐn)?shù)/10-6碳煙排放/g·m-3柴油車行駛工況與排放1.CO總是很低,約0.1%2.減速,怠速時(shí)HC相對(duì)較高,濃度約為400ppm

此時(shí)NOx較低,約為30～70ppm

3.加速,定速時(shí)NOx高,濃度約為:

NOx:800～2500ppm

此時(shí)HC:90～200ppm4.加速時(shí)碳煙最高,約為0.30g/m3

Turbo-chargeandEmission

Inter-coolerOxidationcatalyst

ParticulateTrap

Secti