汽车排放污染物检测与评价

第七章汽车排放污染物检测与评价多媒体课件7.1汽车排放污染物的种类与危害汽车在道路上行驶而产生的损害人体健康和人类生活的污染现象称为汽车公害。汽车公害汽车排气对大气的污染（排放公害）噪声对环境的危害（噪声公害）汽车电气设备对无线电通讯及电视广播等信号的电波干扰（电波公害）制动蹄片、离合器摩擦片、轮胎的磨损物和车轮扬起的粉尘对环境的危害（粉尘公害）•汽车排放已成为城市大气污染的主要污染源•汽车排放对大气的污染已成为主要公害。我国在大城市，汽车排放的CO量占CO总排放量的63%排放的NOx和HC分别占22%和73%。美国大气污染物排放中CO的66%NOx的43%HC的31%微粒的21％均来源于汽车排放发动机排气管曲轴箱窜气燃油蒸发渗漏汽车排放的气体进入大气的途径汽车排放的气体进入大气的途径发动机排气管曲轴箱窜气燃油蒸发渗漏汽车排放的气体进入大气的途径7.1.1汽车排放物的种类汽车排放的气体进入大气的途径发动机排气管曲轴箱窜气燃油蒸发渗漏汽车排放的气体进入大气的途径汽车排放的气体进入大气的途径发动机排气管曲轴箱窜气燃油蒸发渗漏汽车排放的气体进入大气的途径排气管排气是汽车最主要的污染源，所排出的废气主要是发动机的燃烧产物（排气污染占汽油机总污染量的65%~85%)。若燃油与空气的混合气完全燃烧时，发动机燃烧废气的基本成分是二氧化碳（CO2）、水蒸气（H2O)、过剩的氧（O2）及残余的氮（N2）等。发动机实际工作时，排气的成分与之不同。除上述外，还包括一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOX)、微粒（碳烟、油雾等）、二氧化硫（SO2）、以及甲醛、丙稀醛等有害气体。在发动机的压缩行程和做功行程，燃烧室中的混合气通过活塞与气缸间的间隙窜入曲轴箱。若曲轴箱窜气从加机油管口盖处逸出，就会造成污染。其主要污染物是HC，也有部分CO、NOX等。温度变化使燃油箱中燃油的蒸发量发生变化，导致内部压力变化。温度升高时，蒸发量增大，燃油箱压力大，使燃油箱中的油蒸气向大气排放。另外，油管接头渗漏的燃油蒸发也排向大气。其污染物主要是HC。汽车发动机排出的废气也不都是对人体有害的N2、CO2、O2、H2和水蒸气等对人体和生物没有直接危害CO2仅对全球气候变暖有影响主要的污染物COHCNOxSO2铅化合物微粒炭烟油雾有害成分•在额定负荷下，发动机每做1kW·h的功所排出的有害气体的量有害产物g/kW·h容积百分数化油器式发动机四冲程柴油机二冲程柴油机化油器式发动机柴油机一氧化碳(CO)70~804.5~5.511≤6≤0.2氧化氮(按NO2)145~880.50.25碳氢化合物(按C6H14)100~100014~295.00.05≤0.01醛(按丙稀醛)3.40.14~0.20.340.030.002硫化氢0.280.951.00.0080.03苯嵌二萘0.020.0014~0.0020.0014--炭烟0.41.4~2.01.220.050.257.1.2汽车排放物的危害汽车排放的有害物质呼吸进入人体后，将使人的神经系统、消化系统和呼吸系统受到损害。CO进入人体后，人会因缺氧而出现各种中毒症状，如头晕、恶心、四肢无力，严重时甚至昏迷不醒，直至死亡。高浓度的HC对人体有一定麻醉作用。HC对大气的严重污染，主要在于HC与NOX在阳光下形成的光化学烟雾。发动机排出的NOX主要由NO和NO2组成。NO毒性不大，但浓度过高时会引起中枢神经障碍。NO2有刺激性气味，吸入肺部后与肺部的水可形成可溶性硝酸，严重时会引起肺气肿。NOX与HC在太阳光紫外线作用下，经一系列光化学反应可形成一种毒性较大的浅蓝色烟雾，其主要成分是臭氧、醛等烟雾状物质。光化学烟雾滞留在大气中时，会使人感到呼吸困难，头昏目眩、眼红咽痛，甚至引起中枢神经的瘫痪、痉挛。排入大气的铅化物，如被吸入人的肺部会影响造血功能，对消化系统和神经系统也有影响。碳烟是柴油机排放的主要有害成分。碳烟本身对人体健康的直接影响不大，对人体危害大的是碳烟颗粒夹附着的SO2和多环芳香烃、苯并笓等有害物质。它们不仅对人的呼吸系统有害，严重的还会使人致癌。7.1.3汽油车排放污染物的形成和主要影响因素一、汽油车排放污染物的形成。•汽车排出的污染物质主要指发动机排气管排出的废气和其他部位漏出的燃料蒸气以及从曲轴箱窜出的气体，其中大部分是由排气管排出的。•有害物质的排出量取决于燃烧前混合气的形成条件，燃烧室的燃烧条件和排气系统的反应条件。•排气中的CO、HC和NOx的生成条件各不相同•CO和HC是燃料不完全燃烧的产物•NOx在燃烧温度高且氧气充足的条件下形成较多。理论上，如果空气量充分，汽油机不会产生CO(过量空气系数φa)；φa=1混合气称为理论混合气。空燃比α汽油机工作过程中，排气中存在0.01％~0.5％的CO。•原因在汽油机燃烧室内的局部区域存在的过浓区α＜1；部分未燃碳氢化合物在排气过程中发生不完全燃烧；气温低或者滞留时间短暂等，燃烧不能完全进行，也会产生CO。1.一氧化碳(CO)的形成汽油机HC排放量远大于柴油机。汽油机向大气排出的HC中:•由排气管排出的燃料不完全燃烧的产物占大多数(55％~65%)•从曲轴箱通风口逸出的量占20％~25%•由燃油供给系和油箱蒸发的量占15％~20%不论在任何工况下运转，发动机排气中总含有一定量的HC。2.碳氢化合物(HC)的形成HC是未燃燃料、未完全燃烧的中间产物和部分被分解产物的混合物。发动机工作过程中，燃料不完全燃烧与着火前的混合气形成条件、燃烧室内的燃烧条件、膨胀行程的温度条件及排气系统的化学反应条件均有密切的关系。一切妨碍燃料燃烧的因素都是HC形成的原因。发动机燃用的混合气过浓、过稀或雾化不良，点火能量不足或点火过迟，火焰难以传播到的低温缸壁的激冷作用，都是影响HC形成的重要因素。发动机气缸内的混合气通过火焰传播而燃烧，但是紧靠缸壁的气体层（0.05~0.5mm），因低温缸壁的冷却作用，温度低而不能燃烧。火焰也不能在激冷缝隙内传播。其结果是，在小于1mm的缝隙内（如活塞顶部与第一道气环之间的空隙）混合气不可能完全燃烧，紧靠缸壁的混合气中的HC随废气排出。为了提高最大功率，发动机常在过量空气系数小于1的情况下工作。在低负荷时，气缸内残余气体较多，为了不使燃烧速度过低，也要供给浓混合气。这都会因空气不足以致不能完全燃烧。此外，混合气过浓、过稀、燃料雾化不良或混入废气过多时，可能产生燃烧火焰熄灭或半熄灭状态，而使部分未燃燃料（HC）从排放至大气中。二冲程汽油机中的扫气作用使部分混合气经气缸直接排放。这种汽油机的HC排放量可能比四冲程汽油机大几倍。•氮氧化物(NOx)是3.氮氧化物的形成在发动机排出的废气中NO占绝大部分(约占99%)NO2的含量较少(约占1%)NO排入大气后，进一步氧化成NO2NONO2N2ON2O3N2O4N2O5氮氧化物的总称NOX是在高温条件下，N2和O2反应生成的，其形成机理比较复杂。目前普遍认为，除燃烧气体的温度和氧的浓度外，在高温条件下的停留时间是NOX生成的重要影响因素。二、汽油车排放污染物的主要影响因素发动机运行工况一般指负荷与速度工况，即发动机怠速和在各种转速下的小负荷、中负荷和满负荷工作状况。发动机不同负荷时所要求的空气与燃料的混合比不同，因此负荷对排气中有害气体的影响实质上是空燃比的影响。1.负荷的影响过量空气系数与负荷的关系1-汽油机；2-柴油机负荷与混合气浓度的关系汽油机在正常火焰传播与燃烧时，混合气的空燃比（A/F）通常在10:1~18:1的范围内；燃料完全燃烧时所需要的空燃比或是燃烧效率最高时的理论空燃比为14.8:1（汽油机）。火焰温度Tf、输出功率Pe和燃料消耗率ge与空燃比的关系图eP汽油机工作时，火焰温度Tf、输出功率Ne和燃料消耗率ge与空燃比的关系CO、HC、NOX排放浓度与空燃比的关系供给浓混合气时，N0x减少而CO、HC增多供给略稀的混合气时(经济混合比附近)，CO、HC减少而NOx增多供给稀混合气时，NOx、CO减少而HC增多汽油机怠速时，由于转速低，进气系统内空气流速低，汽油雾化不良，汽油与空气混合不均匀，混合气在各缸内的分配也不均匀；同时缸内压力、温度低，汽油气化不良。为避免缺火，在怠速工况下，发动机燃用较浓混合气，从而使所排出废气中的CO和HC浓度大大增加。小负荷工况下（节气门开度25%以下），进入气缸的可燃混合气较少，缸内残余废气比例相对较大，不利于燃烧。发动机在小负荷工况下须燃用较浓混合气，使排出的废气中的CO、HC浓度较大。中等负荷（节气门开度25~80%）工况下，发动机燃用较稀的经济混合气，废气中的CO和HC的浓度均较小。大负荷（节气门开度80%以上）工况下，发动机燃用较浓的功率混合气，废气中的CO和HC浓度增大，而NOX浓度有所减小。市内行驶的汽车，由于混合交通或交通堵塞现象，汽车不得不频繁起步、停车，并长时间低速行驶，发动机经常处于怠速及小负荷的运行状态。这是造成城市大气污染严重的重要原因之一。2.发动机转速的影响发动机转速不直接对燃烧产物中的有害成分产生影响，而是通过对进气过程和混合气形成及燃烧过程的作用影响有害气体的形成及浓度。发动机转速增大时，燃烧室内混合气的紊流加强，改善了混合气的混合和燃烧，使排气中的HC、CO含量减少。在过量空气系数一定的条件下，汽油机废气中的CO随曲轴转速提高而下降汽油机曲轴转速对排气有害成分的影响在高速时，由于燃烧时间短，燃烧不完全，HC排放量略有增加；若气门重叠角较大，低速时吸入气缸的少量未燃混合气会直接排出使HC排放略有增加。提高怠速可使CO、HC排放浓度下降，这是由于进气节流减小，充气量增多，残余气体稀释程度有所减少，使燃烧得到改善的缘故。当用较浓混合气时，由于散热时间短，燃烧室内温度升高，NOX生成量增加；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，NOX生成量减少。在某一混合气浓度下，当转速达到最大转速的65%~75%时，废气中的NOX达到最大值。汽油机在怠速、减速和低转速工况下，由于混合气较浓且不均匀，废气中不完全燃烧的物质较多，HC和CO排放浓度大；而柴油机由于混合气中的空气充足，HC的浓度很小，CO含量甚微。3.不稳定工况的影响在使用过程中，汽车发动机的负荷和转速是随时间不断变化的。统计资料表明：一般市区行驶的汽车，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%。在加速和高转速时NOX浓度明显增大。发动机加速运行时，由于要求发出较大功率，须将气缸内燃气的温度提高。由于在短时间内供应了过量的燃料，混合气过浓，因此既会产生大量的NOX，又会引起燃料的不完全燃烧，导致CO和HC排放量增大。发动机工况对排气有害成分的影响其中，减速行驶时，HC排放浓度明显增加，加速行驶阶段，NOx排放浓度相对较高。•汽车总成的热工况是汽车技术状况变化的主要因素之一•发动机的热工况对废气有害成分的排放量有直接影响。•发动机冷却液的温度一般在85~95℃之间。4.发动机热工况的影响•在使用过程中，汽车运行的环境温度变化很大(－40~＋40℃)，汽车载荷、车速及发动机负荷、转速变化很大。•若发动机吸热与散热的热平衡关系受到破坏，就会产生过热或过冷现象。•而热工况对发动机排出的废气中有害成分浓度有直接影响。冷却液温度提高时，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，特别是使用浓混合气时更为显著。供油系过热，发动机会产生气阻现象，此时由于混合气过稀而熄火，废气中的HC浓度增加。HC排放量与冷却液温度的关系NOX的排放量与燃烧的最高温度有关当缸壁温度提高时，NOX的排放量也增加。汽油机冷却液温度从30℃提高到80℃时，NOX排放量增加（500~700）×10-6。进气温度与废气中有害成分浓度的关系随着空气温度的提高，NOX、CO的排放量增加，HC排放减少，在HC排放最低处NOX排