第十一章 城市机动车污染控制

Slide1,第十一章城市机动车污染控制,第一节城市交通趋势及影响第二节汽油发动机污染物的形成及控制第三节柴油发动机污染物的形成及控制第四节新型动力车第五节交通规划与交通管理,Slide2,EmissioncontrolofInternalCombustionEngines,Slide3,第一节,城市交通趋势及影响,第一节城市交通趋势及影响,Slide4,一、机动车保有量的增长,Slide5,二、交通源对城市空气污染的影响,1.能源消耗与污染物排放全世界所生产的全部能源中，有20%以上用于交通运输。全球因燃烧矿物燃料而产生的CO、HC、和NOx的排放量，将近50%来自于汽油机和柴油机。2.汽车排放法规的历程机动车排放法规的发展大体可分成三个时期：（1）排放法规的起步和完善时期；（2）汽车排放控制技术发展最快，大气质量改善最为明显的时期；（3）低排放时期。,第一节城市交通趋势及影响,Slide6,中国机动车保有量增长情况,近10年来，全国机动车保有量迅速增加，平均增长速度约14%重点大城市保有量增长更快，北京市1992年以来每年平均增长速度超过20%机动车收入弹性系数研究表明：收入增长1%，机动车保有量增长1.021.94%我国经济发展水平决定城市机动车保有量将会在一定时期内保持迅速增加,第一节城市交通趋势及影响,Slide7,中国机动车保有量增长情况,第一节城市交通趋势及影响,Slide8,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%,Slide9,第二节,汽油发动机污染物的形成及控制,Slide10,一、汽油机的工作原理与污染来源,1.汽油机的工作原理通常使用的汽油发动机为火花点火的四冲程（进气冲程、压缩冲程、作工冲程、排气冲程）汽油机。典型的汽车发动机通常装有4个、6个或8个缸。,第二节汽油发动机污染物的形成及控制,Slide11,发动机气缸,汽油机=610，而柴油机=1624,压缩比（气缸总容积Va与燃烧室容积Vc之比）=Va/Vc,Slide12,2.汽油机的污染来源汽油机排气中的有害物质是燃烧过程产生的，主要有CO、NOx、HC，以及少量的铅、硫、磷等。目前排放法规限制的是CO、HC、NOx和柴油车颗粒物等4种污染物。通过提高发动机的热效率或者其它减少汽车发动机燃料消耗的方法，对于减少汽车污染物的排放总量是很重要的。,第二节汽油发动机污染物的形成及控制,Slide13,二、燃烧过程中污染物的形成,1.CO的形成CO是燃料不完全燃烧的产物。决定CO排放量的主要因素是空燃比、空气和燃料的混合程度以及内壁的淬灭效应。2.HC的的形成汽车排放的HC约有100200种成分，来自未燃的燃油和润滑油。,第二节汽油发动机污染物的形成及控制,Slide14,2.HC的形成,HC:不完全燃烧壁面淬熄油膜和积炭吸附,Slide15,2.NOx的的形成,NOx:热力型瞬时型燃料型,Slide16,4.发动机运行条件对污染物排放的影响,1.怠速,减速时CO,HC排放高,浓度约为:CO:1.0-6%;HC:400-3000ppmNOx:10-100ppm2.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,第二节汽油发动机污染物的形成及控制,Slide17,三、降低污染物排放的发动机技术,不断提高汽油发动机的燃烧效率，减少污染物的排放，是发动机技术30多年来持续进步的重要推动力。这些技术包括：改进点火系统、降低发动机燃烧室的面容比、采用多气阀气缸设计、提高燃烧过程的压缩比、改善燃料供给系统、采用汽油喷射技术、引入废气再循环、使用电子控制的发动机管理系统等。,第二节汽油发动机污染物的形成及控制,Slide18,三、降低污染物排放的发动机技术,改进点火系统随点火提前角的推迟，NOx和HC同时降低，但燃油耗率恶化。采用高能电子点火系统，提高点火系统初级电流，以加强火花强度并延长火花持续时间，从而加强了发动机的燃烧过程，可降低HC的排放。,第二节汽油发动机污染物的形成及控制,Slide19,三、降低污染物排放的发动机技术,闭环电子控制汽油喷射技术通过安装在排气管上的氧传感器反馈的氧浓度信号，闭环控制系统可控制发动机的空燃比，从而减少污染物的排放量。废气再循环将部分燃烧尾气返流至进气管，可降低NOx的生成量，但会牺牲燃油经济性。,第二节汽油发动机污染物的形成及控制,Slide20,改进点火系统,第二节汽油发动机污染物的形成及控制,Slide21,电控燃油喷射系统,第二节汽油发动机污染物的形成及控制,Slide22,废气再循环,第二节汽油发动机污染物的形成及控制,Slide23,四、汽油车尾气排放后处理技术,氧化型催化转化器；还原型催化转化器；三效催化转化器。,第二节汽油发动机污染物的形成及控制,Slide24,1.三效催化净化技术,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，才能使三种污染物同时得到净化。通常采用闭环电控燃油喷射技术。该系统只有在汽油喷射发动机上才能实现。,第二节汽油发动机污染物的形成及控制,Slide25,1.三效催化净化技术,主要使用贵金属（铂,钯,铑）+陶瓷载体,第二节汽油发动机污染物的形成及控制,Slide26,五、曲轴箱的污染物排放与控制,曲轴箱的污染物来自于压缩和作功冲程中从缸体中逸出的气体。处理办法主要是将窜漏的气体再循环进入发动机的进气管。目前，大多数汽车采用封闭式曲轴箱通风装置，确保曲轴箱气体不向大气泄露。,第二节汽油发动机污染物的形成及控制,Slide27,六、燃油蒸发排放控制,油箱和化油器是汽油蒸发排放的两大主要来源。温度越高，蒸发排放量越大。为减小周围热源对蒸发排放的影响，油箱和化油器可以采取防热、隔热措施。可同时采用活性炭将从油箱和化油器等部位蒸发出来的HC进行吸收。,第二节汽油发动机污染物的形成及控制,Slide28,七、汽油车排放污染控制的最新发展,车载诊断技术进行监控；稀燃发动机技术。一辆配备现代排放控制技术的汽车，其尾气排放的CO、HC、NOx，均比没有采用排放控制系统的传统汽车减少90%以上。,第二节汽油发动机污染物的形成及控制,Slide29,第三节,柴油发动机污染物的形成与控制,Slide30,一、四冲程柴油机的工作原理,1.柴油机与汽油机的区别汽油发动机燃烧为预混火焰,柴油为扩散火焰柴油发动机压缩比高,多点同时点火，热效率高柴油发动机油气混合时间短不均匀,产生碳烟较多柴油车经济性好,马力大汽油车加速性好,正在开发缸内直喷发动机技术,第三节柴油发动机污染物的形成及控制,Slide31,2.柴油机的燃烧过程柴油发动机的燃烧过程可分为四个时期：着火落后期、速燃期、缓燃期和后燃期。3.柴油机排放污染物的来源柴油机排放的CO、HC一般只有汽油机的几十分之一。中小负荷时NOx的排放量也远低于汽油机，大负荷时与汽油机大致处于同一数量级甚至更高。柴油机的颗粒物排放量相当高，约为汽油机的3080倍。柴油车基本上不存在曲轴箱泄露和燃油蒸发排放。,第三节柴油发动机污染物的形成及控制,Slide32,二、柴油机污染物的形成过程柴油机燃烧中CO和NOx的产生机理与汽油机相同。1、HC的生成机理柴油机HC的排放低于汽油机。（1）混合气过稀以致在燃烧室内不能满足自燃及扩散火焰传播的条件（2）混合气过浓而不能着火及燃烧（3）燃烧过程后期低速离开喷油器的燃油混合不良和燃烧不良，也会产生部分HC。,第三节柴油发动机污染物的形成及控制,Slide33,二、柴油机污染物的形成过程2、颗粒物及碳烟的生成机理柴油机颗粒物的直径大约在0.110m，其中对人体和大气环境危害最大的是2.5m以下的颗粒物。碳烟是烃类燃料在高温缺氧条件下裂解而成的。已经生成的碳烟，只要能遇到足够的氧化氛围和高温环境，也会通过氧化反应，部分甚至完全氧化掉。,第三节柴油发动机污染物的形成及控制,Slide34,二、柴油机污染物的形成过程3、空燃比对柴油机排放的影响柴油机总是在1的稀混合条件下运转，CO排放一般很低，不到汽油机的1/10，只有在高负荷时才急剧增加。在中小负荷时，HC排放略有上升，但仍比汽油机低很多。柴油机NOx的生成量低于汽油机。柴油机碳烟的产生量与空燃比有很大关系。2以后，碳烟量急剧上升。,第三节柴油发动机污染物的形成及控制,Slide35,三、控制柴油机污染物排放的发动机技术1、废气再循环可明显降低NOx，但会造成碳烟和耗油率的恶化。一般仅用于柴油轿车和一些轻型车上，重型柴油车较少采用。2、改进供油系统采用高压喷射，喷油规律及结构参数优化，预喷射法，多段喷射法，缩小喷油嘴孔径并增加孔数，推迟喷油提前角等。,第三节柴油发动机污染物的形成及控制,Slide36,3、采用增压和中冷技术该方法是提高柴油机功率、燃油经济性以及降低污染物排放量最有效的措施之一。4、采用分隔式燃烧室将燃油喷入副燃烧室，进行一次混合燃烧，然后冲入主燃烧室进行二次混合燃烧。该方法可使NOx的排放量减少30%50%。5、电控柴油喷射由传感器、执行器和电控单元组成，在任何工况下都能选择最佳喷油量、喷油压力、喷油提前角、喷油速率参数。,第三节柴油发动机污染物的形成及控制,Slide37,四、柴油车排放后处理技术1、氧化催化剂柴油机氧化催化剂能氧化排气颗粒物中的大部分可溶性有机物、气态的HC和CO、臭味和其它一些有毒有机物。2、颗粒捕集器用一种内部空隙极小、能捕获微粒物的过滤介质来捕集排气中的微粒，再采取不同的方法来燃烧，使捕集器再生后循环使用。3、柴油机稀燃NOx催化剂目前利用尾气中的HC还原NOx，净化效率达到20%。为获得更高的还原效率，必须考虑从外部添加还原剂。,第三节柴油发动机污染物的形成及控制,Slide38,一.电动汽车,电动汽车是以车载蓄电池为动力的汽车，一般由车载电源（电池和充电器等）、驱动电机及控制器、底盘和车身组成。电动汽车除动力系统不同于普通汽车外，具有与一般汽车相同的安全性和动力性。电动汽车的最大特点是在行驶过程中不排放任何有害气体，是目前唯一的零排放汽车。,第四节新型动力车,第四节新型动力车,Slide39,一.电动汽车,1.环境效益电动车没有直接的空气污染，间接的污染来自上游的发电厂。电动汽车的效率为14%17%，要比传统汽车的效率高出25个百分点。因此，间接来说，使用电动汽车，还可以减少温室气体的排放量。,第四节新型动力车,Slide40,一.电动汽车,2.电池技术电池是电动汽车的关键部分。目前可供选择的电池技术相当多，有固态、液态和气态电解液电池，高温及中温电池，代用金属电池、代用液体电池等，但真正符合市场需求的电池仍然没有。目前在对电动汽车的定位上，仍是较短行程且载重量较小的机动车。,第四节新型动力车,Slide41,一.电动汽车,3.电动汽车的成本电动汽车具有比汽油车更低的行驶成本和更长的使用寿命。若将电动汽车所需的总成本分摊到整个生命周期中，电动汽车并不比普通汽车贵多少。,第四节新型动力车,Slide42,二.燃料电池汽车,燃料电池汽车（FCV）是在汽车上直接将化学能转化为电能作为驱动力的汽车，其发电效率可达55%以上。燃料电池汽车所使用的电池与蓄电池不同，是通过捕捉原子化合成分子时释放出的电子而直接将化学能转化为电能的。燃料电池的优点是无需充电，比能量高；缺点是成本高，燃料储藏和运输较为困难。,第四节新型动力车,Slide43,二.燃料电池汽车,燃料电池车只需消耗汽油车所需能源的一半，驱动过程本身并不排放任何污染物，应用前景非常诱人。早期的燃料电池汽车靠来自天然气或甲醇的氢来驱动。未来的燃料电池也许可以靠太阳能分解水产生的氢作为燃料。,第四节新型动力车,Slide44,二.燃料电池汽车,1.燃料电池燃料电池是将氢和氧转化为电能的装置，但并不储存电能。由燃料（氢、煤气、天然气等）、氧化剂（氧气、空气、氯气等）、电极（孔烧结镍电极、过孔烧结银电极等）组成。根据所采用电解质的类型，目前常用的燃料电池可分为：质子交换膜（PEM）电池（采用固体聚合电解质）、固体氧化物电池（采用陶制电解质）、含磷酸性或碱性电池（采用液体电解质）等。,第四节新型动力车,Slide45,二.燃料电池汽车,1.燃料电池目前需解决的技术问题：减轻整体重量、减小体积、降低成本。如何将燃料电池、峰值动力装置、马达、电子发生器和燃料储存系统设计进一个较小的空间内等。,第四节新型动力车,Slide46,二.燃料电池汽车,2.氢的来源和储运氢来源于随车反应器对燃料的转换。甲醇较为便宜，有较高的能源密度，容易储存和运输。用甲醇制氢来驱动汽车时，必须随车安装一个小的化学重整装置，会因此降低推进系统的效率。天然气被认为是氢的一个重要来源，但天然气并不能为随车反应器直接进行转换。,第四节新型动力车,Slide47,二.燃料电池汽车,3.燃料电池车的成本目前，燃料电池的成本依然很高，每千瓦大约数千美元，其成本与使用的电池类型有很大关系。以汽车一个使用周期的成本为基准，目前，使用太阳能制氢的燃料电池汽车比传统的汽油汽车稍贵一点，使用由生物质制成的甲醇为燃料的燃料电池汽车比汽油车要便宜得多，使用天然气制氢的汽车是最廉价的。,第四节新型动力车,Slide48,二.燃料电池汽车,4.环境效益以氢为燃料的PEM汽车是真正的零排放汽车。甲醇燃料电池汽车会产生痕量的NOx和CO。另外，燃料电池汽车整体上的噪音要比内燃机低。,第四节新型动力车,Slide49,三.混合动力汽车,1.混合动力车的种类（1）混合动力电动车（HEV）的技术原理是内燃机在燃烧效率相对稳定的行驶条件下发电，并将电能储存进电池，借助电动马达驱使车辆行驶。混合动力车的废气排放少、能耗低、噪音小，可长距离行驶。该车集成了两套不同的动力系统和各自相关的燃料储备/辅助系统，在车辆制动时可回收多余能量。其结构比单一电池驱动或单一内燃机汽车的构造更复杂。,第四节新型动力车,Slide50,三.混合动力汽车,1.混合动力车的种类（2）双模式混合动力车装的是2540kW的发动机，具有更长的行驶能力和更高的速度。但在非零排放模式下行驶时，其排放和燃油消耗也很高。（3）接近传统内燃机汽车的是内燃机-电力混合动力车，但不能在全电力模式下行驶，不能看作是零排放汽车。,第四节新型动力车,Slide51,三.混合动力汽车,2.混合动力技术（1）平行构造的混合动力车这种车型的发动机和电动马达都能驱动车轮，电动马达的输出直接作为发动机的输出功率补充。,第四节新型动力车,Slide52,三.混合动力汽车,2.混合动力技术（2）连续构造的混合动力车该车型利用燃油发动机发电，再用电动马达驱动汽车。来自内燃机的机械能都可转化为电能。如果电能暂时过剩，则送到蓄电池或极电容储存。目前市场上的铅蓄电池和其它蓄电池，每天都只能充一次电。因此，这种车面临的主要问题是电池的使用寿命。,第四节新型动力车,Slide53,三.混合动力汽车,2.混合动力车环境效益和能耗分析混合动力车改变了峰值功率供应功能，因而具有改进排放和降低能耗的可能性。在实际状况下，混合燃料汽车污染物的排放量会比理论值高，其原因是驾驶不规范造成的。,第四节新型动力车,Slide54,三.混合动力汽车,4.混合动力车的成本和市场分析如果混合动力车能够达到市场化的生产规模，其初期成本会大为降低。如果考虑电池的使用寿命和较低的能耗，混合动力车的整个使用周期的成本也许接近于汽油车。再考虑能源和环境因素，混合动力车将比汽油车更低。,第四节新型动力车,Slide55,第五节交通规划与交通管理,Slide56,一.城市交通的综合规划,城市