机动车尾气污染与防治

机动车尾气污染与防治2机动车及其尾气污染概述机动车尾气污染物的形成机理机动车尾气净化技术机动车污染物排放标准及油品标准目录123431机动车及其尾气污染概述1.1机动车定义及其分类机动车是由动力装置驱动或牵引、在道路上行驶的、供乘用或（和）运送物品或进行专项作业的轮式车辆，包括大型汽车、小型汽车、专用汽车、特种车、有轨电车、无轨电车、电瓶车、三轮摩托车、二轮摩托车、轻便摩托车、四轮农用运输车、三轮农用运输车、大型方向盘式拖拉机、小型方向盘式拖拉机、手扶拖拉机等。451.2我国机动车保有量情况根据公安部交管局的数据，截至2014年年底，我国机动车保有量达2.64亿辆，其中汽车1.54亿辆；机动车驾驶人突破3亿人，其中汽车驾驶人超过2.46亿人。近5年，汽车占机动车的比例迅速提高，从43.88％提高到58.62％，群众机动化出行方式经历了从摩托车到汽车的转变。全国有35个城市的汽车保有量超百万辆，北京、成都、深圳、天津、上海、苏州、重庆、广州、杭州、郑州10个城市超过200万辆。67891.3机动车尾气污染101.3.1机动车尾气主要污染物汽油机：CO、NOx和HC柴油机：NOx和颗粒物（黑烟）111.3.2机动车尾气污染物的危害01固体悬浮颗粒02CO无色无味剧毒气体，与血红蛋白亲合后生成碳氧血红蛋白，削弱血液向各组织输送氧的功能，危害中枢神经系统。03NOx主要是指一氧化氮、二氧化氮。对呼吸系统有害；是城市光化学烟雾的主要前体物；可在空中与水蒸气结合形成硝酸液滴，形成酸雨。05HC属挥发性有机化合物。易在太阳光照射下形成光化学烟雾，在一定浓度下对植物和动物有直接危害，对人体也有致癌作用。04铅及硫化物随呼吸进入人体肺部，引起呼吸系统疾病；直接接触皮肤和眼睛，引起皮肤炎和眼结膜炎；累积到临界浓度会引发恶性肿瘤。铅是有毒的重金属元素，人体中铅含量超标可引发心血管系统疾病；硫化物(主要指二氧化硫等)进入大气层后氧化成硫酸,在空中形成酸雨。122机动车尾气污染物的形成机理2.1尾气中污染物的产生发动机是能量转换器和动力发生源，其作用是把燃料中贮藏的化学能转换为热能，提供人们想得到的机械能。在燃料燃烧转换过程中，以空气作为氧化剂，在尾气中除了两种最终氧化物(CO2和H2O)外，还有CO、未燃尽的碳氢化合物(HkCi)以及高温燃烧时产生的NOx等有害气体。燃油在汽缸里燃烧的机理，可粗略地用如下反应式表达：13发动机四冲程发动机是最常见的一种，属于往复活塞式内燃机。汽油和柴油都是石油制品，是汽车发动机的传统燃料。非石油燃料称作代用燃料。燃用代用燃料的发动机称作代用燃料发动机，如乙醇发动机、氢气发动机、甲醇发动机等。汽油机柴油机气体燃料发动机四冲程发动机以汽油为燃料以天然气、液化石油气和其他气体为燃料以柴油为燃料14四冲程汽油机工作原理汽油机是将空气与汽油以一定的比例混合成良好的混合气，在吸气冲程被吸入汽缸，混合气经压缩点火燃烧而产生热能，高温高压的气体作用于活塞顶部，推动活塞作往复直线运动，通过连杆、曲轴飞轮机构对外输出机械能。四冲程汽油机在进气冲程、压缩冲程、做冲功程和排气冲程内完成一个工作循环。1516（1）进气行程（intakestroke)活塞在曲轴的带动下由上止点移至下止点。此时进气门开启，排气门关闭，曲轴转动180°。在活塞移动过程中，汽缸容积逐渐增大，汽缸内气体压力降低，汽缸内形成一定的真空度，空气和汽油的混合气通过进气门被吸入汽缸，并在汽缸内进一步混合形成可燃混合气。进入汽缸内的可燃混合气的温度，由于进气管、汽缸壁、活塞顶、气门和燃烧室壁等高温零件的加热以及与残余废气的混合而升高到340～400K。（2）压缩行程（compressionstroke)压缩行程时，进、排气门同时关闭。活塞从下止点向上止点运动，曲轴转动180°。活塞上移时，工作容积逐渐缩小，缸内混合气受压缩后压力和温度不断升高，到达压缩终点时，其压力可达800～2000kPa，温度达600～750K。17（3）做功行程（powerstroke)当活塞接近上止点时，由火花塞点燃可燃混合气，混合气燃烧释放出大量的热能，使汽缸内气体的压力和温度迅速提高。燃烧最高压力达3000～6000kPa，温度达2200～2800K。高温高压的燃气推动活塞从上止点向下止点运动，并通过曲柄连杆机构对外输出机械能。随着活塞下移，汽缸容积增加，气体压力和温度逐渐下降，在做功行程，进气门、排气门均关闭，曲轴转动180°。（4）排气行程（exhauststroke)排气行程时，排气门开启，进气门关闭，活塞从下止点向上止点运动，曲轴转动180°。排气门开启时，燃烧后的废气一方面在汽缸内外压差作用下向缸外排出，另一方面通过活塞的排挤作用向缸外排气。由于排气系统的阻力作用。排气终点温度为900～1100K。活塞运动到上止点时，燃烧室中仍留有一定容积的废气无法排出，这部分废气叫残余废气。1819汽油发动机和柴油发动机燃烧方式区别及优缺点二者工作循环同样有进气，压缩，燃烧（工作），排气四个过程。（1）汽油机在进气道，进入汽缸内的气体是有一定比例的汽油和空气（称做可燃混合气）；柴油机在进气道，进入汽缸内的气体是纯净的空气。（2）压缩过程，汽油机与柴油机是没有区别的，只是被压缩的气体成分不同。（3）燃烧过程，汽油机与柴油机的区别较大。汽油经压缩后给一个高压的电火花就能将其点燃，燃烧的速度比柴油快；柴油本身物质密度较大，要在高温和高压的条件下才能自行燃烧，经压缩后的纯净空气正好满足了这个条件，这时即刻向汽缸喷入高压油使其燃烧。柴油的热值比汽油高，产生的动力比汽油机大。20优缺点柴油机汽油机21不同工况下汽油机、柴油机污染物排放情况222.1主要污染物的产生机理2.1.1一氧化碳（CO）的形成CO是燃料中碳氢不完全燃烧的产物。决定CO排放的主要因素是空燃比、空气和燃料的混合程度等。（1）过剩空气系数α1时，缺氧使C不能完全氧化成CO2，CO作为中间产物生成。（2）α1时，理论上不应有CO产生，但由于混合不均匀造成局部燃烧不完全产生CO。CO2和H2O高温吸热发生热裂解反应生成CO。23空燃比（A/F）可燃混合气中空气质量与燃油质量之比为空燃比（A：air-空气，F：fuel-燃料），一般用每克燃料燃烧时所消耗的空气的克数来表示。各种燃料的理论空燃比是不相同的：汽油为14.7，柴油为14.3。空燃比大于理论值的混合气叫做稀混合气，气多油少，燃烧完全，油耗低，污染小，但功率较小。空燃比小于理论值的混合气叫做浓混合气，气少油多，功率较大，但燃烧不完全，油耗高，污染大。过剩空气系数α在理想条件下燃料完全燃烧时所必需的最少空气量称理论燃烧空气量，在实际条件下燃料完全燃烧或不完全燃烧所需的空气量是实际燃烧空气量。过剩空气系数α=实际燃烧空气量/理论燃烧空气量242.1.2碳氢化合物（HC）的形成汽车排放的HC约有100——200种成分，包括芳香烃、烯烃、烷烃、和醛类。它们来自未燃的燃油和润滑油。（1）不完全燃烧：α1和混合不均匀（2）壁面油膜吸附：油膜会吸附未燃混合气和燃料蒸气，而在膨胀和排气过程时压力降低，部分HC脱附进入燃烧产物中。25（3）壁面淬熄效应淬熄效应是指温度较低的燃烧室壁面对火焰的迅速冷却，使活化分子的能量被吸收，燃烧链反应中断，在壁面形成厚约0.1~0.2mm左右的不燃烧或不完全燃烧的淬熄层。特别是启动和怠速时，燃烧室壁温较低，形成很厚的淬熄层。壁面淬熄效应产生的HC可占排气管排放HC的30%~50%。另外，燃烧室中各种狭窄的缝隙淬熄效应十分强烈，火焰无法传入其中燃烧；而在膨胀和排气过程中，缸内压力下降，缝隙中的未燃混合气返回气缸，并随排气一起排出。262.1.3氮氧化合物(NOx)的形成汽油机排放的NOx中大部分是NO，而NO2含量很少。⑴燃料中的含氮化合物在燃烧过程中氧化生成NOx，即：含氮化合物+O2→NOx⑵燃烧过程中空气中的N2在高温（2100℃）条件下氧化生成NOx。机理为链反应机制：O2→O+O（极快）O+N2→NO+N（极快）N+O2→NO+O（极快）2NO+O2→2NO2（慢）272.1.4颗粒物及碳烟的形成⑴颗粒物的成分：直径大约在0.1～10μm范围内。柴油机微粒有三部分组成：干碳烟、可溶性有机物(SOF)和硫酸盐。⑵生成机理碳烟是烃类燃料在高温缺氧条件下裂解而形成的。当燃油喷射到高温的空气中时，轻质烃很快汽化，而重质烃会以液态暂时存在。小的重质烃液滴在高温缺氧条件下，直接脱氢碳化，成为焦炭状的液相析出型碳粒，粒度一般比较大。而气化了的轻质烃，经过一系列复杂途径，产生气相析出型碳粒，粒度相对较小。重馏分的未燃烃、硫酸盐以及水分等在炭粒上吸附在碳粒上，形成颗粒物排放。2829曲轴箱是容纳汽车曲轴的空腔结构，对于常见的发动机来说，就在发动机的下部。曲轴是一个带有曲柄的轴，在发动机工作的时候会绕着轴心转动。曲轴与连杆相连，通过连杆的作用将活塞的往复运动转换成自身的转动，从而驱动车辆。化油器（carburetor）是在发动机工作产生的真空作用下，将一定比例的汽油与空气混合的机械装置。化油器在汽车、高档摩托车上已经被电喷技术取代，但在中低端摩托车和通用发动机等设备上应用依然广泛。302015年6月北京日报讯：京津冀及周边地区机动车保有量为6000万辆左右，机动车排放污染物已成为区域大气污染物中PM2.5的重要来源。研究表明，北京市机动车排放的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物分别占到这几类大气污染物排放总量的86%、32%和56%，而PM2.5来源中机动车占本地排放源的31.1%。另外，天津、石家庄PM2.5来源中，机动车也已分别占本地排放源的20%和15%。因此机动车污染治理已经成为区域内共同的大气污染防治重点。国家环保部的报道显示，部分城市中机动车尾气的污染物对大气污染指标贡献率超过60%313机动车尾气净化技术所谓机动车尾气净化就是采取种种有效措施，减少污染物的排放或使排放废气中CO、HC、NOx等污染物，分别被氧化或还原，生成无毒的CO2、H2O和N2。为了减少汽车尾气排放，采取的途径主要有两种。一是在不改变燃料种类的情况下采用清洁燃烧技术（即机内净化）与尾气净化技术（即机外净化）。二是提高燃油品质及利用绿色环保燃料来减少汽车尾气中有害物的排放。323.1机内净化技术机内净化技术主要是提高燃料质量和改善燃料在发动机内的燃烧条件，尽可能地减少污染物的生成，其措施有：改进燃烧室结构，改进供油系统，改进进气系统，改进点火系统等，使燃油燃烧更充分。目前已运用的机内净化方法主要有：延迟点火法，废气再循环装置（EGR），增压中冷技术，电控燃油喷射技术，低温等离子体技术等。333.1.1废气再循环（EGR）装置废气再循环（EGR）的设计思想就是从发动机排气中，引回部分废气与新鲜空气共同进入发动机汽缸内参与燃烧，既能降低汽缸内的燃烧温度，又可有效控制高温富氧条件下NOx的生成，从而大大降低发动机废气中NOx含量。34EGR发动机工作原理图A、空气滤清器B、中冷器C、进气歧管D、EGR冷却器E、EGR峰值单向阀F、EGR控制阀353.1.2低温等离子体（NTP）技术低温等离子技术，主要是将空气在送入内燃机燃烧室之前等离子化，使空气中含有充足的原子氧和臭氧及其他激发态氧，从而大大提高燃料的燃烧速率；同时使等离子化空气中的氧粒子比其中性的氧分子反应能力强，这样可以使HC，CO得充分氧化，从而大大减少有害气体的生成，这样不仅可以节约能量，且在一定程度上能降低污染物的排放量。36等离子体被称作是除固态、液态和气态之外的第4种物质存在形态，是电子、离子、原子、分子、自由基等粒子组成的集合体。等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体（NTP）。低温等离子体的高速电子通过碰撞作用将其在电场中获得的能量传递给周围的原子或分子，使其激发离解或产生活性基团。在废气处理方面，低温等离子体通常利用辉光放电、电晕放电、沿面放电或介质阻挡放电（也称为无声放电）产生。而介质阻挡放电是一种灵活可