第5章 汽车的公害

1/72/75.1概述5.2排气公害5.3噪声公害5.4电波公害主要问题：汽车公害的形成原因、影响因素、控制措施和测定方法3/7概念表现：排气污染（第一公害）噪声危害电波干扰5.1概述4/7•大气污染中汽车排放分担率：CONOxHC我国63%22%73%发达国家66%43%31%5/7排放法规•美国、欧洲和日本的汽车排放法规是当今世界上的三个主要法规体系。根据实际情况，我国在充分吸收欧美的经验后,全面等效采用了欧盟(EU)指令、欧共体（ECE）技术内容和欧洲联盟理事会(EEC)法规的基础上形成了中国排放法规体系。1999年，国家颁布了4项等效采用欧洲排放法规的GB，相当于欧Ⅰ（1992）6/7法规名称车型CO(g/km)HC(g/km)NOx(g/km)HC+NOx(g/km)PM(g/km)实施日期欧洲I号汽油车和柴油车（形式认证/一致性认证）2.72/3.160.97/1.130.14/0.18形式认证1992.7.1一致性认证1992.12.31欧洲II号汽油车2.20.5形式认证1996.1.1非直喷柴油车1.00.70.08一致性认证1997.1.1直喷柴油车1.00.90.10欧洲III号汽油车2.30.20.15形式认证2000.1.1柴油车0.640.50.560.05一致性认证2001.1.1欧洲IV号汽油车1.00.10.080.025形式认证2005.1.1柴油车0.50.250.3一致性认证2006.1.17/7法规GB18352.1GB18352.2EuroⅢEuroⅣ执行日期2001200420002005NOx8753.5HC1.11.10.660.46CO4.542.11.5PM0.350.150.10.028/7欧洲从2000年已开始实施更加严格的欧Ⅲ排放法规，2005年实施欧Ⅳ排放法规,就NOx、HC、CO及微粒物质等4种排放限值而言,欧Ⅲ限值分别是欧Ⅱ的71%、60%、53%和67%，欧Ⅳ限值是欧Ⅲ的70%、70%、71%和20%。欧V标准，最早将在2008年年中正式实行。欧V标准的目标是使柴油轿车颗粒物排放量比目前的欧IV标准减少80%，氮氧化物减少20%；汽油轿车氮氧化物和碳氢化合物排放量各减少25%；面包车的颗粒物减少90%，氮氧化物减少20%。对照我国《机动车排气污染物防治技术政策》要求,我国现行的汽车污染物排放标准仍落后欧洲10年左右！9/7本节问题：1.汽车排气的主要成分及其危害？2.汽车排气污染物的生成机理？3.汽车排气污染物的影响因素？4.控制汽车排气污染的措施？10/71、废气成分汽车发动机排出的废气主要是由CO2、O2、H2、水蒸气、CO、HC、NOx、SO2、微粒等组成，其中CO、HC、NOx、SO2、微粒（铅化合物、碳烟、油雾、有机物）、臭气（甲醛、丙烯醛）等对人体有害。称为一次有害排放物11/7光化学烟雾——二次有害排放物碳氢化合物(HC)和氮氧化合物(NOx)在强太阳光的作用下，会发生一系列的光化学反应，生成臭氧(O3)和过氧乙酰基硝酸盐(PAN)等所谓光化学过氧化物以及各种游离基根、醛、酮等成分，形成一种毒性很大的白色烟雾（有时带紫色、黄褐色或浅蓝色）主要是由于汽车尾气和工业废气排放造成的，一般发生在湿度低、气温在24－32℃度的夏季晴天的中午或午后。12/7洛杉矶光化学烟雾事件洛杉矾位于美国西南海岸，西面临海，三面环山，是个阳光明媚，气候温暖，风景宜人的地方。早期金矿、石油和运河的开发，加之得天独厚的地理位置，使它很快成为了一个商业、旅游业都很发达的港口城市。然而好景不长，从20世纪40年代初开始，人们就发现这座城市一改以往的温柔，变得疯狂起来。每年从夏季至早秋，只要是晴朗的日子，城市上空就会出现一种弥漫天空的浅蓝色烟雾，使整座城市上空变得浑浊不清。这种烟雾使人眼睛发红，咽喉疼痛，呼吸憋闷、头昏、头痛。1943年以后，烟雾更加肆虐，以致远离城市100千米以外的海拔2000米高山上的大片松林也因此枯死，柑橘减产。仅1950－1951年，美国因大气污染造成的损失就达15亿美元。1955年，因呼吸系统衰竭死亡的65岁以上的老人达400多人；1970年，约有75％以上的市民患上了红眼病。这就是最早出现的新型大气污染事件--光化学烟雾污染事件。13/7伦敦烟雾事件1952年12月4日，伦敦城发生了一次世界上最为严重的“烟雾”事件：连续的浓雾将近一周不散，工厂和住户排出的烟尘和气体大量在低空聚积，整个城市为浓雾所笼罩，陷入一片灰暗之中。交通几乎瘫痪，在烟雾弥漫的第4天，一辆双层巴士只能借助于雾灯缓慢地在市区行驶。警察使用燃烧着的火炬，以便在烟雾中能看清别人，并能被人看到。期间，有4700多人因呼吸道病而死亡；雾散以后又有8000多人死于非命。这就是震惊世界的“雾都劫难”。14/7兰州烟雾事件1977年，兰州市大气污染十分严重，当时整个城市淹没在烟雾之中。据监测，市区最大一次浓度比1952年英国伦敦“烟雾事件”的浓度还要高。1978年6月，西固工业区出现光化学烟雾，居民出现流泪、恶心、头晕等症状。1979年7月9日，甘肃省环保研究所与北京大学协作，对西固地区化学烟雾进行现场集中测试，这是我国最早确认有光化学烟雾发生的地区。污染源主要是本地区石油化工及石油炼制业排放的氮氧化物、碳氢化合物等工业废气。15/72、汽车排气污染物的形成汽车发动机排出的有害成分主要是在燃烧过程或燃烧过程结束后在燃烧室内形成的。此外，在排气系统中也会发生相关的化学反应，这些有害物质的排出量取决于燃烧前混合气的形成状况、燃烧室的燃烧温度压力和排气系统的反应条件。排气中的CO、HC、NOx及微粒的生成条件互不同相同。16/717/7一、CO的形成OHOH222222222HmnCOOnCnHm2222COOCO222COHCOOH18/7还原）（（高温分解）（高温分解）2222222222121COOHCOCOHOHOHOCOCO19/7二、HC的形成HC是各种没有燃烧和没有完全燃烧的碳氢化合物的总称。HC的生成原因较复杂，很难通过燃烧反应式进行计算分析。HC的主要来源是缸壁激冷效应、燃烧室缝隙效应、不完全燃烧及曲轴箱、化油器等的泄露。混合气过浓、过稀、雾化不良、废气过多等也是生成HC的原因。20/7•1、排气中HC的形成原因比CO还要多，形成机理也比较复杂，但HC仍是不完全燃烧的产物（既有未燃的，也有燃料分解的产物）。•2、例如为了提高发动机的最大功率，常要发动机在a＜1的情况下工作；在低负荷时，由于汽缸内残余废气较多，为了不使燃烧速度过低，也在a＜1的条件下工作，从而都会因空气量不足产生不完全燃烧现象。•3、混合气过浓、过稀，燃料雾化不良或混入废气过多时，也会因灭火或半灭火状态而使未燃部分的燃料变成HC排出。•4、在汽车发动机中，不论是汽油机或柴油机都是通过火焰传播把混合气烧掉。但紧靠缸壁的那层气体（0.05～0.5mm），由于低温缸壁的冷却作用，火焰传播不到从而使这层混合气中的HC随废气由排气管排出。•5、从化学反应分析，燃料的氧化燃烧过程也是很复杂的，不是直接生成CO2和H2O，而是经过一连串的化学反应才达到的。在反应过程的不同阶段，存在着不同的中间生成物，这些中间产物若进一步氧化的条件不适宜，就可能成为部分氧化产物而使HC的排出量增加。•6、汽车排出的HC还有一部分是来自曲轴箱窜气和燃料的蒸发。曲轴箱窜出的气体大部分是未燃气体（约占80%），其中含有百万分之一万的HC。燃料蒸发所形成的HC是由于燃料饱和蒸汽的扩散，且温度（包括气温、油温）越高，蒸发损失越多，HC的浓度也增加。21/7三、氮氧化物NOx的形成燃烧效率（相当于，氧浓度起主要作用），变化规律由此式供给。由第一式供给，大部分此，生成开始碰撞形成连锁反应，从（在高温下氧分解）缺氧)16/2.11(1(22222FANOONONOONOONNNONOOOmaxTHCNO（温度起主要作用）燃烧温度之后，22/7除了燃烧气体的温度和氧的浓度外，停留在高温下的时间也是NO生成的重要影响因素。∵发动机燃烧过程的时间很短，不能达到全部反应的平衡过程。实际反应的速度跟不上化学平衡的需要，即每一瞬间的化学动力状态都与化学平衡状态有一定差距，因此要想达到化学平衡状态，需要相当长的时间。23/7四、微粒（PM）的形成微粒是指发动机排出的废气中除气态和水以外，所有存在于接近大气条件的稀释排气中的分散物质，是以碳原子作为主要成分并含有占10%～30%氢原子的碳氢化合物所组成。。柴油机排出的微粒要比汽油机高30～80倍。理论研究表明，柴油等重质燃料的气化包含化学裂解过程，这就是柴油机微粒排放多的重要原因。24/7碳烟微粒生成有两个途径。其一，在高温（2000K~3500K）富油缺氧区（如在扰流扩散火焰出现的喷注部），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，最终产生碳烟微粒；其二，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中产生的。25/75.2.3汽车排气污染物影响因素一、负荷（空然比）的影响发动机不同负荷所需要的空气与燃料的混合比也不同，因此分析负荷对排气中有害气体的影响实质上是空燃比的影响。•怠速——α=0.60~0.88全闭HC·CO↑•小负荷——0~25%开度，α：0.8~0.9HC·CO↑•中负荷——25~80%开度，α：0.9~1.1HC·CO↓NOx↑•接近满负荷——80~100%，α：0.8~0.9CO·HC↑NOx↓26/7二、发动机转速的影响•转速——进气，混合气形成、燃烧——排放•转速↑（紊流，改善燃烧）CO↓HC↓NOx↑（散热不够）•怠速↑CO↓HC↓27/7三、燃料的影响•汽油成分对NOx排放影响较大，而对CO排放影响较小，对HC的排放总量影响不大，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。28/729/7四、发动机热工况的影响•冷却水温度提高——缸壁温度↑——HC↓•——NOx↑•供油系温度提高——气阻（过稀）—HC↑•罩下温度提高——充气系数↓——HC↑CO↑•气温低——起动困难——HC↑•随温度↑——NOx↑CO↓30/7五、运行工况的影响•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％。•减速和转速不高，CO、HC（汽）↑HC（柴）↓•加速，NOx↑CO↑HC↑•强制怠速，n↑,浓，CO↑HC↑31/7在各种工况下汽油机、柴油机CO、HC、NO排放浓度工况排放物含量怠速﹒中转速有负荷的中等转速加速减速汽油机柴油机汽油机柴油机汽油机柴油机汽油机柴油机CO%7.0微量2.50.11.8微量2.0微量HC%0.50.0040.20.020.10.011.00.03NOppm30601050850650250203032/733/7六、汽车技术状态的影响•车龄↑HC↑CO↑•⑴供油系故障怠速产生变化，HC↑CO↑•空滤器堵塞，CO↑HC↑•供油提前角↓，HC↑NOx↓•⑵点火系故障点火提前角↑，PT↑NOx↑•点火提前角↓，NOx↓•点火提前角↓↓，HC↓•⑶配气相位•⑷积炭、磨损等，HC↑34/735/736/737/75.2.4汽车排气污染的控制措施一、政策性措施排放法规、使用制度、税收…二、结构工艺措施1、机内净化2、机外净化3、代用燃料4、混合动力38/7（1）汽油机机内净化电控燃油喷射（ＥＦＩ）稀薄燃烧系统分层燃烧系统高压缩比燃烧系统废气再循环涡轮增压技术多气门技术39/7（2）柴