第11章 城市機(jī)動(dòng)車污染控制

1、第十一章第十一章城市機(jī)動(dòng)車污染控制城市機(jī)動(dòng)車污染控制Emission control of Internal Combustion EnginesBRT(Be right there )主要內(nèi)容主要內(nèi)容Q1. 城市交通趨勢(shì)及影響城市交通趨勢(shì)及影響Q2. Spark Ignition EnginesQ3. Compressed Ignition EnginesQ4. Advanced technologySection 1城市交通趨勢(shì)及影響城市交通趨勢(shì)及影響世界機(jī)動(dòng)車增長(zhǎng)趨勢(shì)世界機(jī)動(dòng)車增長(zhǎng)趨勢(shì)城市機(jī)動(dòng)車污染現(xiàn)狀城市機(jī)動(dòng)車污染現(xiàn)狀隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)汽車保有量隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)汽車保有量

2、連年高速增長(zhǎng)連年高速增長(zhǎng) 汽車單車排放因子高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)率高污染分擔(dān)率高 嚴(yán)重影響城市大氣環(huán)境質(zhì)量嚴(yán)重影響城市大氣環(huán)境質(zhì)量中國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量增長(zhǎng)情況中國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量增長(zhǎng)情況近近10年來，全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量迅速增加，平均增長(zhǎng)速年來，全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量迅速增加，平均增長(zhǎng)速度約度約14% 重點(diǎn)大城市保有量增長(zhǎng)更快，北京市重點(diǎn)大城市保有量增長(zhǎng)更快，北京市92年以來平均年以來平均增長(zhǎng)速度超過增長(zhǎng)速度超過20% 機(jī)動(dòng)車收入彈性系數(shù)研究表明：收入增長(zhǎng)機(jī)動(dòng)車收入彈性系數(shù)研究表明：收入增長(zhǎng)1%，機(jī)動(dòng)，機(jī)動(dòng)車保有量增長(zhǎng)車保有量增長(zhǎng)1.0

3、21.94 我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平?jīng)Q定城市機(jī)動(dòng)車保有量將會(huì)在一我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)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)保持迅速增加定時(shí)期內(nèi)保持迅速增加中國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量增長(zhǎng)情況中國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量增長(zhǎng)情況0 02002004004006006008008001000100012001200140014001978197819851985198719871989198919911991199319931995199519971997年份年份數(shù)量數(shù)量/104輛輛中美機(jī)動(dòng)車排放因子比較中美機(jī)動(dòng)車排放因子比較 污 染 物 轎 車 輕 型 汽 油 車 重 型 汽 油 車 HC 7.24 9.64 13.17 北 京 C

4、O 72.37 45.19 195.55 NOX 1.84 2.84 4.5 HC 1.86 2.24 6.74 美 國(guó) CO 14.03 17.7 72.97 NOX 1.02 1.14 3.29 北京市機(jī)動(dòng)車排放污染分擔(dān)率北京市機(jī)動(dòng)車排放污染分擔(dān)率濃度分擔(dān)率濃度分擔(dān)率/% 污染物污染物 年份年份 排放量排放量/104t 排放分擔(dān)率排放分擔(dān)率/% 城區(qū) 中心區(qū) 1995 年 107.5 76.8 76.5 86.3 CO 1998 年 129.0 82.7 84.1 89.5 1995 年 9.38 40.2 68.4 72 NOx 1998 年 11.5 42.9 72.8 73.6 汽車

5、污染物產(chǎn)生來源汽車污染物產(chǎn)生來源 曲軸箱曲軸箱HC 的的 20%排氣管排氣管所有的所有的CO、NOX、Pb和和 HC的的 60%油箱和化油器蒸發(fā)油箱和化油器蒸發(fā)HC的的15%汽車排放法規(guī)體系汽車排放法規(guī)體系Q目前國(guó)際上汽車排放法規(guī)主要分為三大體系，即美國(guó)排放法規(guī)、歐洲排放法規(guī)和日本排放法規(guī)，其他各國(guó)基本上是按照或參考這三大體系來制定本國(guó)的排放法規(guī)。Q我國(guó)主要參照的是歐洲排放法規(guī)。美國(guó)汽車排放法規(guī)美國(guó)汽車排放法規(guī)20世紀(jì)的歷程世紀(jì)的歷程Q1955年美國(guó)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。Q1959年加利福尼亞州(以下簡(jiǎn)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)。 Q19

6、61年加州強(qiáng)制執(zhí)行第一項(xiàng)排放控制辦法。Q1963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)。Q1965年增補(bǔ)后的清潔空氣法納入了汽車排放標(biāo)準(zhǔn)。Q1966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)。Q1967年聯(lián)邦法律允許加州執(zhí)行自訂的排放標(biāo)準(zhǔn)。Q1970年美國(guó)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)。Q1971年美國(guó)環(huán)保署為主要污染物制訂國(guó)家環(huán)境大氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。Q1975年第一個(gè)催化轉(zhuǎn)換器在加州使用。Q1977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。 Q1980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?/p>

7、碳和氮氧化物。Q1988年加州要求從1994年開始裝備車上診斷儀。Q1990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年達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，2004年達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。Q1998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。Q1999年美國(guó)環(huán)保署提出二級(jí)法規(guī)。Q縱觀美國(guó)19551999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(guó)這么發(fā)達(dá)的輪子上的國(guó)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)歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)Q 歐洲汽車

8、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(guó)根據(jù)協(xié)議自愿采用并相互認(rèn)可的，排放指令則要求參與國(guó)強(qiáng)制執(zhí)行。 Q 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。Q 總質(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。 Q 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

9、表為：19921996年為歐I標(biāo)準(zhǔn)；19962000年為歐II標(biāo)準(zhǔn)；20002005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。 Q 就NOx、HC、CO及微粒物質(zhì)等4種排放限值而言,歐限值分別是歐的71%、60%、53%和67%，歐限值是歐的70%、70%、71%和20%, 我國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)我國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)Q 我國(guó)機(jī)動(dòng)車污染控制工作始于1979年中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法(試行) Q GB 18352.1-2001等排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施,明顯縮短了我國(guó)與國(guó)外汽車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的差距,使我國(guó)的汽車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到歐洲20世紀(jì)90年代的水平，我國(guó)目前

10、執(zhí)行的排放標(biāo)準(zhǔn)為相當(dāng)于歐II排放標(biāo)準(zhǔn)。Q 對(duì)照我國(guó)機(jī)動(dòng)車排氣污染物防治技術(shù)政策要求,我國(guó)現(xiàn)行的汽車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)仍落后歐洲810年左右。Q我國(guó)政府的目標(biāo)是在2010年將排放法規(guī)與國(guó)際接軌，汽車排放控制任務(wù)還很艱巨。Section 2Spark Ignition Engines汽車動(dòng)力系統(tǒng)汽車動(dòng)力系統(tǒng) Theoretical CombustionFuel+OxygenCarbonDioxideEnergy動(dòng)力動(dòng)力Ignition點(diǎn)火點(diǎn)火WaterVaporet汽油車汽油車: 0.250.3柴油車柴油車: 0.30.45EngineCylinder汽油機(jī)汽油機(jī)=610，而而柴油機(jī)柴油機(jī)=1624=

11、 (Vc+Vd)/VcActual CombustionQ LeadQ HydrocarbonsQ Carbon MonoxideQ Oxides of NitrogenQ Carbon DioxideQ ParticulatesQ Other pollutantsQ Water VaporAmbient AirReal FuelEngine/EmissionTechnology尾氣管排放物尾氣管排放物Stoichiometry等當(dāng)點(diǎn)等當(dāng)點(diǎn)101012121414161618182020Air - Fuel RatioAir - Fuel Ratio0 02 24 46 68 81010121

12、21414O O2 2Percent Percent MolesMoles0 04004008008001200120016001600200020002400240028002800NONOCOCO2 2COCOHCHCPPM PPM MolesMolesStoichiometryStoichiometry汽油汽油(C8H17)理理論空燃比論空燃比: 約約14.7CO:局部不均勻局部不均勻殘余殘余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燃料燃燒的理論空氣量量222222C H S OO3.78N4242 COH O

13、SO3.78N242xyzwywywxzxzyywxzxzQ322.44.78/(121.0083216) m /kg42ywxzxyzwHC: 不完全燃燒不完全燃燒壁面猝滅壁面猝滅油膜吸附油膜吸附 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: Thermal NOPrompt NOFuel NO汽油車汽油車 Other EmissionsEvaporative Emissions diurnal, running los

14、ses, hot soakCrankcase Losses due to blow-byRefueling Losses displaced vaporsOther Emissions brake linings, tire wear, fluid leaks主要污染物檢測(cè)方法主要污染物檢測(cè)方法Q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衔铮℉C）、氮氧化合物（NOx）以及柴油車排放的顆粒物（PM）這4類。Q國(guó)家環(huán)?？偩謱?duì)這些排放物推薦的檢測(cè)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。 Q隨著排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，對(duì)排放

15、檢測(cè)也提出了新的挑戰(zhàn)和要求。 討論討論1: 汽車污染產(chǎn)生汽車污染產(chǎn)生Q 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比對(duì)污染物排放有何影響汽油發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比對(duì)污染物排放有何影響?Q 汽車排放的污染物有哪些汽車排放的污染物有哪些? Q 汽油車污染排放包括哪些環(huán)節(jié)汽油車污染排放包括哪些環(huán)節(jié)?Q 這些環(huán)節(jié)排放哪幾種污染物這些環(huán)節(jié)排放哪幾種污染物? -目標(biāo)是提高燃燒效率目標(biāo)是提高燃燒效率, 降低排放降低排放New Cars Are Cleanerand More Efficient-85%-70%+100%HC-85%MPGNOxCOPercent change compared to new cars of the 1970 Mo

16、del Year注注: MPG:英里英里/加侖加侖排放性能的劣化排放性能的劣化 Conventional carburetor car HC emissions of LDGVHC emissions of LDGVy y = 0.0114 = 0.0114x x + 0.6433 + 0.6433R R2 2 = 0.1748 = 0.17480 00.50.51 11.51.52 22.52.50 0202040406060Accumulated Mileage(10Accumulated Mileage(104 4km)km)Emission Factor(g/km)(g/km)行駛工況

17、的影響行駛工況的影響 (IM240)汽油車行駛工況與排放汽油車行駛工況與排放Q 1. 怠速怠速, 減速時(shí)減速時(shí)CO, HC排放高排放高, 濃度約為濃度約為: CO: 1.0%6%; HC: 4003000ppm NOx: 10100ppmQ 2. 加速加速, 定速時(shí)定速時(shí)NOx高高, 濃度約為濃度約為: NOx: 10004000ppm CO: 0.53.0%; HC: 200600ppm 加速時(shí)加速時(shí), 碳煙約為碳煙約為: 0.005g/m3 討論討論2: 影響排放的因素影響排放的因素Q 汽車使用中哪些因素對(duì)排放影響大汽車使用中哪些因素對(duì)排放影響大?Q如何考慮汽車行駛工況對(duì)排放的影響如何考慮

18、汽車行駛工況對(duì)排放的影響? (如制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)如制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí), 計(jì)算排放量時(shí)計(jì)算排放量時(shí))主要控制技術(shù)主要控制技術(shù)Q 前處理前處理: 無鉛汽油無鉛汽油(0.013g/L), 低硫汽油和柴油低硫汽油和柴油(1200ppm50ppm) 廢氣再循環(huán)廢氣再循環(huán)(EGR): 20%循環(huán)循環(huán), 降低降低NOx約約60%, 但油耗增加但油耗增加3%Q 機(jī)內(nèi)控制機(jī)內(nèi)控制: 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì) 表面積表面積/容積容積 越小越好越小越好; 電子控制技術(shù)電子控制技術(shù); 多氣門技術(shù)多氣門技術(shù)Q 機(jī)外控制技術(shù)機(jī)外控制技術(shù): 熱反應(yīng)器熱反應(yīng)器, 催化反應(yīng)器催化反應(yīng)器(氧化氧化, 還原還原-三效三效)改進(jìn)點(diǎn)火系統(tǒng)改進(jìn)點(diǎn)火系統(tǒng)Q

19、電控燃油電控燃油噴射系統(tǒng)噴射系統(tǒng)廢氣再循環(huán)廢氣再循環(huán)(EGR)三效催化凈化技術(shù)三效催化凈化技術(shù)(TWC)Q 同時(shí)凈化同時(shí)凈化3種污染物種污染物: CO, HC, NOxQ 只能在很窄的空燃比窗口工作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)閉環(huán)電控燃油噴射技術(shù) 三效催化凈化技術(shù)三效催化凈化技術(shù)(TWC)Q 主要使用貴金屬主要使用貴金屬+陶瓷載體陶瓷載體, Pt, Rd, PdQ 壽命要求壽命要求80000160000km, 防中毒很關(guān)鍵防中毒很關(guān)鍵! 曲軸箱曲軸箱(crankcase)排放控制排放控制Evaporative emission control討論討論3: 控制技術(shù)控制技術(shù)

20、Q目前最主流的汽油車排放控制技術(shù)組合是什么目前最主流的汽油車排放控制技術(shù)組合是什么?Q三效催化技術(shù)有哪幾個(gè)關(guān)鍵三效催化技術(shù)有哪幾個(gè)關(guān)鍵?Q車用汽油哪些指標(biāo)對(duì)排放最重要車用汽油哪些指標(biāo)對(duì)排放最重要? -更新的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致更新的技術(shù)更新的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致更新的技術(shù)Section 3Compressed Ignition Engines汽油汽油, 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的區(qū)別柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的區(qū)別Q 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒為預(yù)混火焰汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒為預(yù)混火焰, 柴油為擴(kuò)散火焰柴油為擴(kuò)散火焰Q 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比高, 熱效率高熱效率高3050%Q 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)以噴油霧化方式燃燒柴油發(fā)動(dòng)機(jī)以噴油霧化方式燃燒, 產(chǎn)生碳煙較多產(chǎn)生碳煙較多Q 柴油車經(jīng)濟(jì)性好柴油車經(jīng)濟(jì)性好, 馬力大馬力大, 最先實(shí)現(xiàn)最先實(shí)現(xiàn)3升車升車Q 汽油車加速性好汽油車加速性好, 正在開發(fā)缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)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)反應(yīng)速率，該過程為化學(xué)反應(yīng)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)生反應(yīng)（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。Formation path of Soot Pollutants and Air-fuel ratioNOx,HC,CO排放的體積分?jǐn)?shù)排放的體積分?jǐn)?shù)/10-6碳煙排放碳煙排放/gm-3柴油車