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城市機(jī)動(dòng)車(chē)污染控制

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%*城市機(jī)動(dòng)車(chē)污染現(xiàn)狀隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)汽車(chē)保有量連年高速增長(zhǎng)汽車(chē)單車(chē)排放因子高機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放總量大，城市機(jī)動(dòng)車(chē)污染分擔(dān)率高嚴(yán)重影響城市大氣環(huán)境質(zhì)量*截止2014.7，青島市機(jī)動(dòng)車(chē)保有量達(dá)197.3萬(wàn)輛，臨近200萬(wàn)關(guān)口。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，全市機(jī)動(dòng)車(chē)保有量從10年前的不到100萬(wàn)輛，增加了一倍，尤其是自2010年開(kāi)始，數(shù)量呈急增的“井噴”現(xiàn)象，四年時(shí)間內(nèi)增加車(chē)輛50萬(wàn)輛，道路交通治堵迫在眉睫，駕駛證考取難度逐年加大。*一、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)污染物的控制技術(shù)工作原理：進(jìn)氣沖程、壓縮沖程、做功沖程、排氣沖程

四沖程汽油機(jī)缸體結(jié)構(gòu)示意圖*汽油車(chē)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:400～3000ppm

NOx: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

*1.降低污染排放的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

（1）改進(jìn)點(diǎn)火系統(tǒng)

一般發(fā)動(dòng)機(jī)在壓縮沖程結(jié)束前點(diǎn)火，可以得到最大的壓縮比，最高的溫度和壓力。但是降低燃燒溫度有利于降低NOx的濃度，所以往往采用延遲點(diǎn)火的辦法，點(diǎn)火時(shí)間甚至可以延遲到活塞達(dá)到上止點(diǎn)后。*(2)閉環(huán)電子控制汽油噴射技術(shù)

由于三效催化轉(zhuǎn)化器的使用，需要對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比進(jìn)行精確控制，閉環(huán)電子控制的汽油噴射系統(tǒng)正好適應(yīng)了這一需求。閉環(huán)控制系統(tǒng)可以將發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比控制在理論空燃比±1％的范圍。*(3)廢氣再循環(huán)(EGR)廢氣再循環(huán)(EGR)是減少發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放的一種有效方法。廢氣循環(huán)量一般在15％～20％以?xún)?nèi)，超過(guò)這一范圍，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性將很快惡化，同時(shí)由于混合氣過(guò)度稀釋產(chǎn)生失火，使HC排放增加。***由圖中可以看出，要提高NOx凈化率，必須以犧牲燃油經(jīng)濟(jì)性為代價(jià)。值得注意的是，冷卻EGR和完善的電子閉環(huán)控制EGR技術(shù)的開(kāi)發(fā)，為該技術(shù)的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了優(yōu)越條件。前者有利于取得最佳的NOx和燃油消耗率的均衡關(guān)系，后者在不采用后處理的情況下，也能滿(mǎn)足一般法規(guī)對(duì)NOx的排放限值要求*2.汽油車(chē)尾氣排放后處理技術(shù)常見(jiàn)的排氣后處理裝置有氧化、還原型催化轉(zhuǎn)化器、三效催化轉(zhuǎn)化器等。（1）氧化、還原催化轉(zhuǎn)化器氧化型催化反應(yīng)器利用排氣中殘留的或二次空氣供給的氧，使CO和HC完全氧化。NOX還原催化反應(yīng)器利用排氣中的CO、HC和H2為還原劑來(lái)凈化NOX。

**（2）三效催化轉(zhuǎn)化器

三效催化轉(zhuǎn)化器能同時(shí)使CO、HC和NOX三種成分都得到高度凈化。圖11-11為不同空燃比下三種污染物的凈化效率

**典型的汽車(chē)尾氣催化轉(zhuǎn)化器使用多孔蜂窩陶瓷載體．表面涂附活性Al2O3，負(fù)載鉑、鈀、銠等貴金屬或其他催化劑。除陶瓷載體外，也有使用金屬載體的。由于汽車(chē)排氣溫度變化范圍大，運(yùn)行路況復(fù)雜，因此，對(duì)催化劑載體的機(jī)械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性要求都很高。

*三效催化劑一般由貴金屬、助催化劑(CeO2等稀土氧化物)和載體γ—A12O3組成。

*3.曲軸箱的污染物排放與控制曲軸箱的污染物排放來(lái)自于壓縮和作功沖程中從缸體中逸出的氣體,這種現(xiàn)象叫竄氣。曲軸箱排放的氣體由大約85％的未燃燒的空氣燃料混合氣和15％的燃燒產(chǎn)物組成，其中未燃燒HC是主要的污染物，竄漏氣體中HC體積分?jǐn)?shù)為(6～15)×10-3。對(duì)曲軸箱排放污染物進(jìn)行控制主要辦法是將竄漏的氣體再循環(huán)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管，然后在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中燒掉。

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4.燃油蒸發(fā)排放控制

油箱和化油器是汽油蒸發(fā)排放的兩大主要來(lái)源。溫度越高，蒸發(fā)排放量就越大。為減小周?chē)鸁嵩磳?duì)蒸發(fā)排放的影響，油箱和化油器可以采取防熱隔熱措施。為了滿(mǎn)足排放法規(guī)對(duì)燃油蒸發(fā)控制的要求，還必須采取有效的控制措施，目前最常用的是吸附法。圖11-14為吸附法蒸發(fā)排放控制裝置的原理圖。

*采用這種裝置，幾乎能將HC蒸氣完全吸附

*除了汽車(chē)本身的蒸發(fā)排放外，汽油轉(zhuǎn)運(yùn)和加油過(guò)程的蒸發(fā)排放也比較重要。這種排放是由于貯油罐和車(chē)輛燃料箱的上部保留著一部分燃料蒸氣。當(dāng)加油時(shí)，蒸氣的位置被汽油所占據(jù)而逸出。**減少燃料分配時(shí)HC排放的技術(shù)有兩個(gè)階段。第一階段控制是油氣回收。其效率約為95％，可將每升油的蒸發(fā)排放從1.14g降到0.06g。第二階段的控制是（1）改進(jìn)加油槍為負(fù)壓操作以捕獲蒸氣；（2）在汽車(chē)上安裝活性炭吸附罐，就像控制汽車(chē)蒸發(fā)排放一樣。

*4、汽油車(chē)排放污染控制的最新發(fā)展

國(guó)際上最先進(jìn)的汽車(chē)排放控制系統(tǒng)：采用OBD的排放控制技術(shù)，即車(chē)載診斷技術(shù)。對(duì)汽車(chē)上與排放相關(guān)的所有部件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦出現(xiàn)異常即通過(guò)指示燈報(bào)警，提醒車(chē)主及時(shí)進(jìn)行修理。*由于閉環(huán)電子控制燃油噴射系統(tǒng)和三效催化凈化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)將汽油車(chē)尾氣排放的污染物凈化到了相當(dāng)?shù)偷某潭?。近年?lái)的三效催化凈化技術(shù)主要是在改善冷啟動(dòng)凈化性能方面進(jìn)行提高，采取的技術(shù)措施包括催化轉(zhuǎn)化器電加熱裝置、安裝前置催化轉(zhuǎn)化器等。*稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù):稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)可以使用比常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)稀得多的混合氣，因而具有明顯的低油耗優(yōu)勢(shì)，如日本豐田公司的稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比達(dá)到了27。缸內(nèi)直接噴射過(guò)程的燃料蒸發(fā)使缸內(nèi)空氣溫度下降，有利于抗爆性的提高及充氣效率的改善，而且過(guò)渡反應(yīng)性能良好。由于采用了適合發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件的燃燒方式，故大大減少了燃燒過(guò)程污染物的產(chǎn)生，顯著提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。*二、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)污染物的控制柴油機(jī)的燃燒過(guò)程分為著火落后期：1-1.5ms速燃期緩燃期后燃期*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(chē)經(jīng)濟(jì)性好,馬力大,最先實(shí)現(xiàn)3升車(chē)汽油車(chē)加速性好,正在開(kāi)發(fā)缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)*柴油車(chē)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

*1.控制柴油機(jī)污染物排放的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)（1）廢氣再循環(huán)（2）改進(jìn)供油系統(tǒng)改進(jìn)供油系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)有：采用高壓噴射(最高噴油壓力可達(dá)150～180MPa)，噴油規(guī)律及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，預(yù)噴射法，多段噴射法，縮小噴油嘴孔徑并增加孔數(shù)，以及推遲噴油提前角等。

*應(yīng)用高壓噴射技術(shù)，以及縮小噴油嘴孔徑并增加孔數(shù)的效果，使得柴油噴霧顆粒進(jìn)一步細(xì)化，增強(qiáng)了燃油與空氣的接觸混合，著火落后期縮短，因而改善了燃燒過(guò)程，碳煙排放和熱效率都有了明顯改善。一般高壓噴射會(huì)使NOx排放增加，但如果配合采用推遲噴油時(shí)間或EGR等方法，可以使NOx排放也同時(shí)降低。預(yù)噴射法和其他改善噴油規(guī)律的方法具有類(lèi)似的效果，主要是在改善燃燒效果，提高熱效率并降低碳煙排放的同時(shí)，盡量避免NOx排放性能的明顯惡化。

*推遲供油提前角是降低各種類(lèi)型燃燒室NOx生成的主要措施。但是由于燃燒延遲了，CO和碳煙顆粒物的排放量都增加，動(dòng)力性和燃料效率將降低。最佳噴油提前角的確定，必須綜合考慮動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性，根據(jù)不同工況進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控。

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(3)采用增壓和中冷技術(shù)增壓和中冷技術(shù)是提高柴油機(jī)功率、燃油經(jīng)濟(jì)性以及降低污染物排放量的最有效措施之一。增壓技術(shù)最常見(jiàn)的是廢氣渦輪增壓，由于進(jìn)氣密度的大幅提高，柴油機(jī)功率可提高30％～100％，燃油經(jīng)濟(jì)性也明顯改善，CO、HC和碳煙的排放都有一定程度的降低，柴油機(jī)采用進(jìn)氣渦輪增壓后，由于進(jìn)氣溫度較高，提高了最高燃燒溫度，反而使NO的比排放[g/(kW·h)]增加。為此，可采用增壓中冷技術(shù)使進(jìn)氣溫度降低，防止NOx排放性能的惡化。

*(4)采用分隔式燃燒室分隔式燃燒室的NOx排放要比直噴式燃燒室低1/3～1/2，這是因?yàn)樵诜指羰饺紵抑校比紵业谋跍剌^高，滯燃期短，爆發(fā)壓力低，從而使火焰前峰溫度低，且分隔室中α小，處于缺氧條件下，這些均抑制了NOx的產(chǎn)生。由于分隔式燃燒系統(tǒng)利用二次渦流促進(jìn)主室的混合氣形成和燃燒，在主室中減少或避免高溫局部缺氧的不利影響，所以分隔式燃燒室的HC、CO和顆粒物排放也較低，此外噪聲也較低。但分隔式燃燒室的經(jīng)濟(jì)性差。

*(5)電控柴油噴射

由傳感器、執(zhí)行器、電控單元三部分組成。它可以實(shí)現(xiàn)圖11-23所示的一系列控制功能，因而可以在任何工況下都選擇最佳的噴油量、噴油壓力、噴油提前角、噴油速率等參數(shù)，從而改善柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能，是柴油機(jī)控制污染排放的有效手段。20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的共軌式時(shí)間控制系統(tǒng)，采用高壓共軌避免了早期產(chǎn)品壓力難以控制的缺點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)噴油參數(shù)的更精確控制。

**2.柴油車(chē)排氣后處理技術(shù)柴油車(chē)排氣凈化后處理技術(shù)主要有過(guò)濾捕集法和催化轉(zhuǎn)化法。催化轉(zhuǎn)化法主要分為氧化型催化轉(zhuǎn)化器和NOx還原催化轉(zhuǎn)化器。*柴油機(jī)排氣中的大量微粒主要靠過(guò)濾器、收集器等裝置來(lái)捕獲，然后通過(guò)清掃或燃燒的辦法去除，使顆粒捕集器再生使用。四效催化轉(zhuǎn)化器，即在同一催化反應(yīng)器中同時(shí)實(shí)現(xiàn)HC、CO、顆粒物和NOx四種污染物的凈化。*(1)氧化催化劑

柴油機(jī)氧化催化劑能氧化尾氣排放顆粒物中的大部分可溶性有機(jī)物、氣態(tài)的HC和CO、臭味和其他一些有毒有機(jī)物(如PAH，醛類(lèi)等)。因?yàn)椴徊都虘B(tài)的顆粒物，氧化催化劑不需要再生，可以長(zhǎng)期連續(xù)使用。這類(lèi)催化劑已成功應(yīng)用于輕型柴油車(chē)。在不影響燃料消耗和NOx排放的情況下，凈化揮發(fā)性HC和CO的效率可達(dá)80％，因此可在一定程度上減少柴油車(chē)的顆粒物排放.

*氧化型催化轉(zhuǎn)化器的最佳工作溫度范圍是200～350℃。

氧化催化劑活性成分可用Pt和Pd,多采用蜂窩狀陶瓷結(jié)構(gòu)作為載體材料.

*(2)顆粒捕集器

顆粒捕集器是利用一種內(nèi)部孔隙極微小、能捕獲微粒物的濾料來(lái)捕集排氣中的微粒，捕集到的絕大部分是干的或吸附著可溶性有機(jī)成分的碳粒。然后采取不同的方法來(lái)燃燒(氧化)／清除過(guò)濾器中收集的顆粒物，使顆粒捕集器再生后循環(huán)使用

.*主要問(wèn)題:如何有效去除捕集下來(lái)的炭黑并使過(guò)濾器再生。柴油機(jī)顆粒物中包含固態(tài)的碳，外裹一層分子量很大的碳?xì)浠衔?。這種混合物的燃點(diǎn)在500—600℃，遠(yuǎn)大于柴油機(jī)排氣的正常溫度范圍(150～400℃)。因此，需要設(shè)計(jì)特殊的方法來(lái)保證點(diǎn)火再生，但是一旦被點(diǎn)燃，這些物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的高溫又可能使濾料熔化和斷裂。顆粒捕集器開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題就是要在不損壞捕集器的前提下實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火和再生。*(3)柴油機(jī)稀燃氮氧化物催化劑

由于柴油機(jī)是在稀燃條件下運(yùn)行，普通汽油機(jī)的三效催化劑不能用于控制柴油機(jī)NOx的排放。這方面的技術(shù)目前正處于開(kāi)發(fā)階段，但由于柴油機(jī)排氣中O2濃度高，排氣溫度低，HC和CO等還原劑的濃度很低，而且柴油尾氣中的SO2和微粒可能使催化劑失活。因此，對(duì)催化凈化技術(shù)的要求很苛刻，開(kāi)發(fā)難度比較大。*

三、新型動(dòng)力車(chē)電動(dòng)汽車(chē)：以車(chē)載蓄電池為動(dòng)力的汽車(chē)，可以實(shí)現(xiàn)廢物零排放。燃料電池汽車(chē)：直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能?；瘜W(xué)電池的發(fā)電效率高達(dá)55%以上。優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需充電、比能量高；缺點(diǎn)：成本高，燃料貯藏和運(yùn)輸較為困難*混合動(dòng)力車(chē)：內(nèi)燃機(jī)在燃燒效率相對(duì)穩(wěn)定的行駛條件下發(fā)電，并將電能貯存進(jìn)電池，借助電動(dòng)機(jī)趨使車(chē)輛行駛。廢氣排放少、能耗低、噪聲小、不像純電動(dòng)車(chē)那樣受每次充電后行駛距離的限制，可以長(zhǎng)距離行駛。*四、減少空氣污染的交通管理措施交通限制、區(qū)域禁行、停車(chē)管理、道路收費(fèi)、貨車(chē)交通控制等（1）在一些特別擁堵的路段實(shí)行電子