第四章-排放性-小秋.ppt

第四章汽车的排放性汽车对大气污染状况及其控制性能 称为排放性 主要学习 汽车的排放法规新车排放法规在用车排放法规汽车的排放性及其影响因素CO THC和NOX的生成和污染污染物生成的影响因素 4 1概述汽车污染的三个主要来源1 排气管排出的废气CO HC NOx 碳烟 SO2 铅化物2 曲轴箱窜气 HC3 油箱 化油器 浮子室等处蒸发的汽油蒸汽 HC CO 无色无味有毒气体 极易与血红素结合 阻止血红素和氧的结合 人吸入过多的CO后 因缺氧而头痛 头晕等 严重时甚至死亡 NOx 是氮氧化物的总称 刺激人眼粘膜 引起结膜炎 角膜炎 严重时还会引起肺气肿 HC 对人眼及呼吸系统有刺激作用 对农作物也有害 HC和NOx在一定的地理 温度 气象条件下 经强烈的阳光照射 发生光化学反应 生成以臭氧 O3 醛类为主的过氧化产物 称为光化学烟雾 臭氧有很强的毒性 醛类对眼及呼吸道有刺激作用 此外 还妨碍生物的正常生长 炭烟是柴油机排气中的一种成分 往往粘附SO2等物质 对人和动物的呼吸道极为有害 铅化物 影响造血功能 对消化 神经系统也有刺激 微粒 一 排放污染物的危害 1 CO 无色无味有毒气体 极易与血红素结合 阻止血红素和氧的结合 人吸入过多的CO后 因缺氧而头痛 头晕等 严重时甚至死亡 不同浓度CO对人体的影响 10 6 2 HC 饱和烃的危害性不大 不饱和烃的危害性很大 特别是带更多环的多环芳香烃 如苯并芘 硝基烯是强致癌物 还会引起光化学烟雾 对人眼及呼吸系统有刺激作用 对农作物也有害 HC浓度对人体的影响 10 6 3 NOX 是多种氮氧化合物的总称 如 NO NO2 N2O3 N2O5等 在内燃机中 主要是NO 约占95 其次是NO2 占5 NO无色无味 只有轻度刺激性 毒性不大 高浓度时会造成中枢神经轻度障碍 NO可被氧化成NO2 NO2是一种棕红色强刺激的有毒气体 吸入人体后 可与血液中的血红蛋白素Hb结合 使血液输氧能力下降 对心脏 肝 肾都有影响 NO2会使植物枯黄 是地面附近大气中形成臭氧的主要因素 不同浓度的NO2 O3对人体的影响 10 6 4 光化学烟雾 HC和NOX在强阳光照射下生成臭氧 O3 和过氧酰基硝酸盐 PAN 即蓝色的光化学烟雾 是一种强刺激性有害气体的二次污染物 臭氧有很强的毒性 醛类对眼及呼吸道有刺激作用 此外 还妨碍生物的正常生长 5 微粒 颗粒 微粒越小 悬浮在空气中时间的越长 进入人体肺部后停滞在肺部及支气管中的比例越大 危害越大 且存在孔隙能粘附SO2和未燃的HC和NO2等有毒物质或苯并芘等致癌物 对人体健康危害更大 6 Pb 铅化物 空气中含铅浓度高 进入人体后 使人贫血 牙齿变黑 神经麻痹 腕臂不能曲伸 提高了便秘 血管病 脑溢血和慢性肾炎的发病率 对幼儿的中枢神经系统及造血系统破坏性更大 并造成肝脏技能障碍 使汽车三元催化器失效 7 CO2 虽对人体无害 但会造成温室效应 greenhouseeffect又称花房效应 对大气环境有严重的影响 是大气保温效应的俗称大气层中主要的温室气体可有二氧化碳 CO2 甲烷 CH4 一氧化二氮 N2O 氯氟碳化合物 CFCs 及臭氧 O3 大气能使太阳短波辐射到达地面 但地表向外放出的长波热辐射线却被大气吸收 这样就使地表与低层大气温度增高 因其作用类似于栽培农作物的温室 故名温室效应 自工业革命以来 人类向大气中排入的二氧化碳等吸热性强的温室气体逐年增加 大气的温室效应也随之增强 已引起全球气候变暖等一系列严重问题 引起了全世界各国的关注 科学家预测 今后大气中二氧化碳每增加1倍 全球平均气温将上升1 5 4 5 而两极地区的气温升幅要比平均值高3倍左右 因此 气温升高不可避免地使极地冰层部分融解 引起海平面上升 海平面上升对人类社会的影响是十分严重的 如果海平面升高1m 直接受影响的土地约5 106km2 人口约10亿 耕地约占世界耕地总量的1 3 如果考虑到特大风暴潮和盐水侵入 沿海海拔5m以下地区都将受到影响 这些地区的人口和粮食产量约占世界的1 2 一部分沿海城市可能要迁入内地 大部分沿海平原将发生盐渍化或沼泽化 不适于粮食生产 同时 对江河中下游地带也将造成灾害 当海水入侵后 会造成江水水位抬高 泥沙淤积加速 洪水威胁加剧 使江河下游的环境急剧恶化 温室效应和全球气候变暖已经引起了世界各国的普遍关注 目前正在推进制订国际气候变化公约 减少二氧化碳的排放已经成为大势所趋 环境影响 1 气候转变 全球变暖 2 地球上的病虫害增加 室效应可使史前致命病毒威胁人类 美国科学家近日发出警告 由于全球气温上升令北极冰层溶化 被冰封十几万年的史前致命病毒可能会重见天日 导致全球陷入疫症恐慌 人类生命受到严重威胁 3 气候反常 海洋风暴增多4 土地干旱 沙漠化面积增大 5 海平面上升 假若 全球变暖 正在发生 有两种过程会导致海平面升高 第一种是海水受热膨胀令水平面上升 第二种是冰川和格陵兰及南极洲上的冰块溶解使海洋水份增加 预期由1900年至2100年地球的平均海平面上升幅度介乎0 09米至0 88米之间 全球暖化南太小岛即将没顶全球暖化使南北极的冰层迅速融化 海平面不断上升 世界银行的一份报告显示 即使海平面只小幅上升1米 也足以导致5600万发展中国家人民沦为难民 而全球第一个被海水淹没的有人居住岛屿即将产生 位于南太平洋国家巴布亚新几内亚的岛屿卡特瑞岛 目下岛上主要道路水深及腰 农地也全变成烂泥巴地 美丽的马尔代夫可能在20年后永远消失 对人类生活的潜在影响 i 经济的影响全球有超过一半人口居住在沿海100公里的范围以内 其中大部份住在海港附近的城市区域 所以 海平面的显著上升对沿岸低洼地区及海岛会造成严重的经济损害 例如 加速沿岸沙滩被海水的冲蚀 地下淡水被上升的海水推向更远的内陆地方 ii 农业的影响实验证明在CO2高浓度的环境下 植物会生长得更快速和高大 但是 全球变暖 的结果可会影响大气环流 继而改变全球的雨量分布与及各大洲表面土壤的含水量 由于未能清楚了解 全球变暖 对各地区性气候的影响 以致对植物生态所产生的转变亦未能确定 iii 海洋生态的影响沿岸沼泽地区消失肯定会令鱼类 尤其是贝壳类的数量减少 河口水质变咸可会减少淡水鱼的品种数目 相反该地区海洋鱼类的品种也可能相对增多 至于整体海洋生态所受的影响仍未能清楚知道 iv 水循环的影响全球降雨量可能会增加 但是 地区性降雨量的改变则仍未知道 某些地区可有更多雨量 但有些地区的雨量可能会减少 此外 温度的提高会增加水份的蒸发 这对地面上水源的运用带来压力 科学家预测 如果地球表面温度的升高按现在的速度继续发展 到2050年全球温度将上升2 4 南北极地冰山将大幅度融化 导致海平面大大上升 一些岛屿国家和沿海城市将淹于水中 其中包括几个著名的国际大城市 纽约 上海 东京和悉尼 二 汽油机 柴油机的排放污染物汽油机 CO HC NOX柴油机 NOX 碳烟汽车尾气污染物主要包括 一氧化碳 碳氢化合物 氮氧化合物 二氧化硫 烟尘微粒 某些重金属化合物 铅化合物 黑烟及油雾 臭气 甲醛等 据统计 每千辆汽车每天排出一氧化碳约3000kg 碳氢化合物200 400kg 氮氧化合物50 150kg 美国洛杉矶市汽车等流动污染源排放的污染物已占大气污染物总量的90 汽车尾气可谓大气污染的 元凶 三 排放污染物的生成机理 1 CO 空气量不足时部分碳氢燃料未完全燃烧的中间产物 如果空气量充分时 1 理论上汽油机不会产生CO 其产物为CO2和H2O 但在实际运转的汽油机排气中都存在0 01 0 5 的CO 这是因为在高温下 CO2理解为CO和O2的可逆吸热反应 温度小于2000K时 该反应极其微弱 无离解现象 温度大于2000K时 随温度而升高 CO数量增加同时在高温下 H2O离解为H2和O2 而H2使CO2还原为CO与H2O 使不缺氧时也会排出CO 柴油机过量空气系数大 循环温度低 CO的排放比汽油机低很多 2 HC 主要来源是汽缸壁激冷效应 燃烧室缝隙效应 不完全燃烧及曲轴箱化油器等的泄露 汽缸壁激冷效应 发动机燃烧室内的混合气在可燃极限内通过火焰传播使燃料燃烧 但火焰传播到汽缸壁低温区附近的那层气体 由于低温汽缸壁的激冷作用 火焰传播终止 从而使这层混合气中的HC随废气排出 是HC产生的主要原因 燃烧室缝隙效应 火焰不能在激冷缝隙内传播的现象 一般在小于1mm的缝隙内 如活塞顶部与第一道气环之间的空隙混合气因火焰无法传入其中而不能完全燃烧 是HC排放的来源之一 一切妨碍燃料正常燃烧的条件都是HC产生的原因 因为使混合气中的部分或全部燃料以HC的形式排出 汽油机HC排放远大于柴油机 汽油机向大气排出的HC中55 65 由排气管排出 其次是曲轴箱通风口漏出 占20 25 3 NOX 高温 富氧的条件下生成的 N2 ONO NN O2NO O 高温时 发动机排出的废气中 NO占绝大部分 约99 左右 NO2的含量极少 约占1 高负荷工况NO2更少 可忽略不计 但NO在膨胀和排气时有微量的分解 排入大气后 遇氧氧化成NO2 4 微粒和碳烟 一 在高温 2000 3500K 富有缺氧区 如在扰流扩散火焰出现的喷主心部 已形成气相的燃油分子通过裂解和脱氢过程 经过核化或形成先期产物 快速产生较小分子的物质 在后期出现聚合反应 最终产生碳烟颗粒 二 在低于1500K的低温区 如燃烧室壁等非火焰区 则通过聚合和冷凝过程 缓慢产生较大分子量的物质 最后也生成碳烟微粒 两个途径交叉进行 但大多数的微粒是在高温缺氧区的快速反应过程产生的 富有缺氧区 缺氧范畴较多的区域 5 铅化物 汽油机的抗爆剂中四乙基铅或四甲基铅所含铅量的70 随废气排入大气中 其余30 沉积于内燃机燃烧室及排气通道中 其中约40 颗粒较大者迅速沉降于地面上 其余60 颗粒较小者能在大气中停留相当长的时间 随呼吸进入肺的深部组织 几乎全被吸收 6 CO2 燃料燃烧的过程中释放出CO2 此外 三元催化器将CO转化为CO2 2CO 2NO 2CO2 N24HC 10NO 4CO2 2H2O 5N2 四 汽车的排放性1CO的成因和影响因素CO的成因燃油的化学成分是烃类CmHn 燃烧时 CmHn m 2 O2 mCO n 2 H2有足够O2时 2H2 O2 2H2O 水蒸气 2CO O2 2CO2CO 2H2O 水蒸气 H2 CO2当空然比达到14 7 1时 理论上不应产生CO CO生成的影响因素 空燃比的影响在空燃比达到14 7之前 空燃比升高CO下降 空燃比增加1 CO下降3 在空燃比达到14 7后 CO不完全消失 主要原因是 空气和燃油混合不均匀 总体上是稀混合气 局部有浓混合气 导致CO生成 在高温时 燃烧生产的CO2和H2O有极小部分分解生产CO 2CO2 2CO O22H2O 2H2 O2CO2 H2 CO H2O负荷的影响随着车辆行驶阻力的增大 节气门开度加大 发动机负荷增大 进气管真空度减小 进气歧管压力增大 发动机在小负荷和大负荷工作时 混合气较浓 CO生成较多 中等负荷 CO生成较少 怠速转速的影响怠速转速增大 节气门开度增大 燃烧状况变好 CO下降 怠速转速每提高100r min CO排放量下降约10 点火提前角的影响点火提前角增大 CO排放量有所增大 原因是发动机排气温度降低 使小部分CO在排气系统中氧化为CO2的能力有所下降 点火提前角对燃油经济性有较大影响 点火提前角减少1度 燃油多消耗1 点火提前角的调整要兼顾到汽车的动力性 燃油经济性和排放性 2HC的成因和影响因素HC的成因燃料未燃烧 未完全燃烧和燃料分解的中间产物 HC的成分复杂 以主要成分C8H18为例 2C8H18 25O2 16CO2 18H2OC8H18最终氧化成CO2和H2O 须经过一系列的中间反应过程 燃烧时 1 存在大量的N2的干扰 2 气缸内部存在缸壁冷面和冷缝隙 3 火焰传播不良 这些原因使得燃油燃烧时不能全部生成CO2和H2O 导致HC排出 影响因素空燃比的影响 空燃比小于17时 随着空燃比的增大 HC排放量减少 原因是 缸壁冷面和冷缝隙减小 O2增加 有利于燃烧 排气温度上升 HC在排气系统中氧化 空燃比大于18时 随着空燃比的增大 HC排放量增大 原因是 混合气过稀 火焰传播不良 甚至断火 排气温度低 HC在排气系统中不能快速氧化 负荷的影响 进气歧管压力30kPa时 混合气变稀 HC生成较少 转速的影响 n r min 转速增高 HC排放降低 原因是 气缸中绕流混合和涡流扩散变好 使得混合气的燃烧变好 缸壁冷面降低 排气系统中绕流混合变好 HC氧化加强 发动机高速转动时 排气流速增大 HC在排气系统中滞留时间短 HC氧化少 HC降低不明显 怠速对HC的影响和对CO影响基本相同 点火时刻的影响 点火提前角增加 排气温度下降 HC氧化变少 同时缸壁冷面增加 导致HC增加 排气被压的影响 被压增大 气缸中残余废气增多 混合气稀释 在不使燃烧过程变坏时 HC排放下降 当燃烧过程变坏时 HC排放增多 3NOx的成因和影响因NOX的成因NOx包括N2O NO N2O3 NO2 N2O5等 在高温下 O2 2OO N2 NO NN O2 NO O高温富氧导致NOX产生 影响因素 空燃比对NOX生成的影响 混合气较浓时 燃烧温度低 氧含量少 NOX生成少 空燃比在16左右 燃烧温度高 氧含量多 NOX生成多 混合气较稀时 燃烧温度低 氧含量多 NOX生成少 点火时刻的影响任何负荷与转速下 加大点火提前 均使NOX浓度增加 负荷的影响 负荷增大 进气量增加 残余废气减少 火焰传播速度加快 温度增高 NOX增加 随着空燃比的增加 CO的排放浓度逐渐下降 HC的排放浓度两头高 中间低 CO2的排放浓度中间高 两头低 当空燃比小于14 7 1时 混合气变浓 由于空气量不足引起不完全燃烧 CO HC的排放量增大 空燃比越接近理论空燃比14 7 1 燃烧越完全 HC CO的值越低 O2越接近于零 而CO2的值越高 最大值在13 5 14 8 之间 而当混合气空燃比超过16 2 1时 混合气变稀 由于燃料成分过少 用通常的燃烧方式已不能正常着火 产生失火 使未燃HC大量排出 混合气过浓将产生大量的CO HC 混合气过稀将引起失火而生成过多的HC 小结 影响因素 1 负荷 汽油机在正常的火焰传播与燃烧时 混合气的空燃比通常为10 18 由于混合气成分的不同 是燃烧速度产生很显著的差异 结果产生不同的排气成分 由图中可知 供给浓混合气时 NO减少而CO HC增多 攻击略稀混合气时 经济混合比附近 CO HC减少而NO增多 供给稀混合气时 NO CO减少而HC增多 发动机满负荷时 生成的CO增多 中等负荷时 CO HC减少 NOX增多 怠速和小负荷时 NOX减少但CO HC增多 2 转速 汽油发动机怠速运转时 由于混合气过浓 混合与燃烧不充分 CO HC排放量较大 提高怠速转速可使CO HC排放浓度下降 这是由于进气节流减小 充气量增加 残余气体稀释程度有所减少 使燃烧得到改善的缘故 随着发动机转速的增加 混合气变稀 燃烧室内气体的紊流增强 改善了混合和燃烧 使排气中的HC CO含量减少 废气中的CO HC随曲轴转速提高而下降 图5 3 而HC排放量在高速时 由于燃烧时间短 易于产生未燃烃 发动机的转速对不同空燃比的混合气的NO的生成速度有不同的影响 当用较浓混合气时 由于散热时间短 燃烧室内温度升高 NO生成速度较快 反之 当用稀混合气时 由于燃烧过程相对的曲轴转角增大 燃烧峰值温度反而下降 NO生成速度较慢 当转速达到最大转速的65 75 时 废气中的NO达到最大值 在怠速和低速工况 HC和CO排放较多 随着转速增加都有所下降 在最大转速时 CO继续下降而HC和NO增大 这是由于燃烧的时间短 混合气形成的时间也缩短 气缸内燃烧条件恶化 发动机工作强度大的缘故 3 燃料 汽油成分对NOx排放影响较大 而对CO排放影响较小 见图5 5 对HC的排放总量影响不大 见图5 6 但排出的成分有很大变化 当燃料中的芳香烃含量增加时 排气中的芳香烃 酚类和芳醛增加 由燃烧引起的烯烃减少 而以甲醛为主的总醛类略有减少 柴油成分主要对NOx排放有影响 随柴油的十六烷值的降低 NOx的生成量增加 其原因时十六烷值较低的燃油具有较长的滞燃期 并使燃烧开始时在稀火焰区有较多的燃油 于是在循环早期燃烧时就产生较高的气体温度 为NO的形成提供了有利的条件 4 发动机工况 发动机热工况 发动机的热工况直接影响到废气有害成分的排放量 汽车在低温使用条件下 发动机从起动到暖机过程中 冷却液温度较低 HC和CO排放浓度最高 随冷却液温度提高 缸壁温度也提高 在气缸壁区域内的氧化反应的条件得到改善 排出的HC减少 图5 7 特别是浓混合气时更为显著 当缸壁温度提高时 NOx的排放量也增加 汽油机冷却液温度从30 提高到80 时 NOx增加500ppm 700ppm 随着空气温度的提高 NOx CO的含量增加 HC成分减少 在HC最低处NOx达到最大值 一般市内运行的汽车 发动机怠速和中等转速占总工作时间的35 加速占22 匀速占29 减速占14 4 发动机工况 运行工况 汽油机在减速和转速不高的工况下 废气中不完全燃烧的物质 HC 较多 而柴油机由于混合气的空气充足 HC的浓度很小 从CO的含量也可以看出 汽油机废气中的浓度也很大 怠速时可达7 而柴油机的含量甚微 NO浓度在加速和高转速时有明显增大 表5 6在各种工况下汽油机 柴油机CO HC NO排放浓度 发动机在加速运行时 由于要求发出较大功率 须将气缸内燃气的温度提高 因此既会产生大量的NOx 而且由于在短时间内 供应过量的燃料 又会引起一部分燃料不完全燃烧 导致CO和HC排放量增加 汽车在城市内行驶时 很多地方需要强制怠速 即发动机制动 在这种减速工况下 发动机转速较高 节气门开度小 进入气缸的混合气浓度很大 排气中的CO HC都很高 强制怠速对于柴油机来说 由于此时已停止供油 因此没有污染物排出 汽车随着行驶里程的增加 技术状况逐渐变坏 将导致汽车的排气污染增大 5 汽车技术状况 行驶里程 供油系统调整不当或在使用中发生了变化 例如化油器怠速调整通常在8000km 9000km里时产生变化 此时汽车的经济性下降1 6 排气有害物质增加2 3倍 采用汽油喷射系统可改善发动机动力性和经济性 同时还可减少对大气的污染 但采用进气总管单点喷射的结构仍存在各缸分配不均匀的问题 而进气歧管多点喷射结构因喷嘴孔细小 使用中可能堵塞 因此要注意清洗 点火提前角对CO的排放没有太大影响 过分推迟点火会使CO没有时间完全氧化而引起CO排放量增加 但适度推迟点火可减小CO排放 实际上当点火时间推迟时 为了维持输出功率不变需要开大节气门 这时CO排放明显增加 随着点火提前角的推迟 HC的含量降低 主要是因为增高了排气温度 促进了CO和HC的氧化 也由于减小了燃烧室内的激冷面积 点火提前角 随着喷油提前角的减小 由于循环的最高温度值降低 废气中的NOx浓度下降 HC增加 而CO浓度基本不变 喷油提前角 五 排放净化方式机内净化 改善可燃混合气的品质和燃烧状况 措施 曲轴箱强制通风装置PCV 把窜气强行导入发动机 曲轴箱通风所需空气由空滤器提供 降低HC排放 燃油蒸气排放控制装置ECS 利用碳罐收集和清除汽油蒸汽 停车时吸收蒸汽 工作时吸入进气系统 进气加温装置EFES 在暖机期间把经排气加温后的热空气送入进气管 调节进气温度 废气再循环装置EGR 将5 20 的废气再引入燃烧室 降低燃烧温度 降低NOx 空气喷射装置AIS 用空气泵将空气喷入排气歧管中 使废气中的HC和CO转化为CO2和H2O等无害物质 发动机的计算机控制 根据进气量确定基本喷油量 再根据其他传感器 如冷却液温度传感器 节气门位置传感器等 信号等对喷油量进行修正 使发动机在各种运行工况下均能获得最佳浓度的混合气 从而提高发动机的动力性 经济性和排放性 机外净化 用外部附加装置净化排气应用催化转化方法 使CO转化为CO2 HC转化为CO2和H2O NOX转化为N2和O2 4 2汽车排放法规与测试 4 2 1新车排放法规轻型汽车排放检测方法和限值标准是GB18352 2 2001和GB18352 3 2005 只有通过排放测试 才允许投放市场 试验方法 试验设备 1司机助手仪 2冷却风机 3底盘测功机滚筒 4被试汽车 5汽车排气管 6取样管路 7底盘测功机控制和数据采集系统 8打印机 9显示器 10尾气分析系统 11尾气采集系统 12发动机转速传感器 限值标准 国2限值标准 国3和国4限值标准 4 2 2在用车排放法规 轻型汽油车排放检测方法和限值标准是GB18285 2005 柴油车排放检测方法和限值标准是和GB3847 2005 汽车保有量迅速增长 机动车尾气排放造成的空气污染不断加重 在大城市中尤为突出 据统计 北京等特大城市由汽车排放造成的大气污染已占大气总污染的50 以上 有效控制汽车污染需要作好两方面的工作 一是从新车开始就控制好污染物的排放水平 对新生产车的排放状况进行型式认证检测 二是对在用车作好排放监管工作 实行车辆排放的I M制度 严格控制众多的在用汽车的排放状况 前者是机动车低污染的前提条件 后者是保证车辆在正常的排放状态下运行 我国在用车排放要求 2005年 4 2 3汽油车ASM排放测试 加速模拟工况法ASM AccelerationSimulationMode 试验方法ASM测试工况分为5025和2540两个测试工况 5025工况的含义是汽车以25km h匀速行驶 加载功率是在此行驶速度下后备功率的50 RM 148 2540工况的含义是汽车以40km h匀速行驶 加载功率是在此行驶速度下后备