汽车尾气排放曹春阳 最新07版.docx
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汽车尾气排放曹春阳最新07版
摘要
汽车是能源消耗和污染物排放的主要来源。
随着我国汽车保有量的急剧增加,尾气排放问题日益严重。
当前我国汽车尾气排放水平仅相当于发达国家20世纪70年代中后期水平,汽车产生的大量尾气排放污染物集中在城市道路中排放。
同时由于我国城市道路交通路网及配套设施的相对落后,不但使交通拥堵问题日趋突出,而且使由于汽车排放而导致的环境污染也日益严重。
因此对城市汽车排放污染综合控制的研究已成为当前一项非常紧迫的工作。
论文介绍我国汽车尾气排放问题的现状,对比分析了国内与国外汽车尾气排放标准,介绍了汽车尾气排放物CO、HC、NOx、微粒(PM)及炭烟的生成机理,论述了汽车尾气污染物危害;以汽(柴)油机及城市运行的汽车为研究对象,用理论分析的方法对汽车排放污染物的影响因素进行研究,主要影响因素内容包括汽油品质,发动机负荷、发动机转速、外环境对尾气排放物。
最后提出汽车尾气治理的对策,包括机内控制技术、机外控制技术、外环境控制技术。
论文的研究对我国城市交通汽车排污综合控制研究进行了有益探索,希望能对促进我国城市大气环境污染的改善,确保城市交通的协调发展具有一定的理论和现实意义。
关键词:
城市交通;汽车排放;控制技术
Abstract
Carsareamajorsourceofenergyconsumptionandpollutantemissions.WiththedramaticincreaseincarownershipinChina'sincreasinglyseriousproblem,exhaustemissions.ThecurrentlevelofemissionsofautomobiletailgasinChinaisonlyequivalenttothelevelofdevelopedcountriesinthelatenineteenseventies,largeexhaustpollutantemissionsfrommotorvehiclesemissionsinthecityroad.Atthesametime,becauseofourcountrycityroadtrafficnetworkandinfrastructureisrelativelybackward,notonlymakesthetrafficcongestionproblemhasbecomemoreprominent,andtheenvironmentalpollutioncausedbyautomobileexhausthasbecomemoreandmoreserious.Therefore,studyontheintegratedcontrolofvehicleemissionpollutionincityhasbecomeanextremelyurgentwork.
ThepaperintroducesthestatusquoofChina'sautomobileexhaustemissionsproblem,comparisonandanalysisofthedomesticandforeignautomobileexhaustemissionstandards,introducedtheautomobileexhaustemissionsofCO,HC,NOx,particle(PM)andthemechanismofformationofcarbonsmoke,thispaperdiscussestheharmofautomobileexhaustpollutants;steam(Chai)carsrunoilmachineandthecityastheresearchobject,tostudythefactorsofautomobileemissionbythemethodoftheoreticalanalysis,themainfactorsincludethequalityofgasoline,theengineload,enginespeed,externalenvironmentontheexhaustemissions.Finallyputforwardthecountermeasureofvehicleexhaustgovernance,includingmachinecontroltechnology,themachinecontroltechnology,environmentalcontroltechnology.Thispaperhascarriedonthebeneficialexplorationtothecitytrafficofourcountryautomobileemissionresearchofintegratedcontrol,hopingtopromoteChina'sairpollutionincityimprovement,ensurethathasacertaintheoreticalandpracticalsignificanceofharmoniousdevelopmentofcitytraffic
Keywords:
citytraffic;vehicleemission;controltechnology
第1章绪论
我国汽车尾气排放的现状
在我国,汽车排放污染大的原因除人口密度大,汽车数量剧增外,最重要的是长时期的高度保护政策导致的我国汽车生产技术和环保标准落后、汽车性能差、使用年限过长、车用燃油品质差等问题,资料显示,我国的汽车尾气排放标准比大多数发达国家落后近10年[1],并且执行情况参差不齐。
即使是达到我国排放标准的汽车,其排放的一氧化碳数量也是欧洲车辆的两倍左右,碳氢化合物和氮氧化物排放数量是欧洲车辆的3倍以上。
与美国标准相比,我国一氧化碳排放量上限高出56%,氮氧化物高出32%,碳氢化合物则高出3倍以上。
而大气污染的成本及其造成的损失是极其高昂的。
据世界银行估计,因空气污染导致的医疗成本增加以及工人生病丧失生产力使中国GDP被抵消掉5%[2]。
曾经我国某城市对该市的机动车辆尾气污染程度作了如下简单调查:
该市目前拥有机动车辆13万辆,并以年增率15%的速度增加。
机动车年排放一氧化碳4.4万吨,相当于该市工业企业一氧化碳排放量的46倍。
市区主要交通道路中心点一氧化碳超标2倍以上的达65%,在车流量高峰的时候,有的监测点一氧化碳浓度高达每立方米70mg,超标6倍。
在车流量相对比较集中的火车站,氮氧化合物测点平均值为每立方米0.059mg,超标0.18倍。
因此,汽车尾气污染日趋严重,现代城市大气污染主要来源于汽车的尾气。
有资料表明,我国各大中型城市汽车尾气排放物造成空气污染占到50%左右[3],而且对在用车检测结果来看,尾气排放不合格的车辆占被检测车的50—60%[4]。
机动车保有量状况
我国近年来机动车产业发展迅速,2002年汽车产量325万辆(1995年为145万辆,摩托车1200万辆,农用车产量290万辆)2003年汽车产量达到400万辆。
因此,我国机动车保有量增长较快,平均年增长率接近15%这在城市表现的更为明显。
90年代以来,北京市机动车保有量平均年增长速度达到17.4%广州市情况与之相近。
同其他国家相比,我国机动车保有量状况有以下几个特点[5]:
(1)轻型车特别是轿车增长速度最快近年来年平均增长速度已经超过30%,但同发达国家相比,我国轿车比例仍然相对较低,仅占总保有量的16%~20%,轿车发展还有很大潜力;
(2)柴油车比例较低且大部分为重型车重型柴油车约占重型车总量的50%,而轻型柴油车的比例很低平均在15%以下;
(3)部分城市摩托车保有量增长较快,已成为机动车保有量的重要组成部分;
(4)重型车发展平缓保有量比例呈下降趋势;
(5)城市中出租车已经占到一定的比例,由于这部分车辆行驶里程较大,排放相对严重,应给予充分重视。
(6)目前我国汽车工业正处于一种良好的环境中,作为国家重要生产行业之一的汽车工业必将还会有很大的发展,我国机动车保有量在一定时期内仍将保持高速增长的势头。
机动车污染物排放的特征
随着机动车辆增多,污染物排放总量不断增加.从我国典型城市机动车污染物排放分担率(排放分担率能宏观上反映机动车排气对城市大气环境污染的影响)程度的结果分析,我国机动车污染物排放有以下特征[6]:
(1)机动车尾气排放已成为我国城市大气污染的主要来源北京和广州约80%的CO和40%的NOx均来源于机动车排放源,中国100万人口以上的大城市空气污染类型正由煤烟型向混合型或机动车污染型转化;
(2)目前我国机动车运行处于不充分燃烧状况,其主要原因是机动车运行速度低,运行工况差,发动机往往处于富燃料状态工作,CO污染物排放量大,CO浓度高;
(3)城市氮氧化物浓度均在上升,NOx超标已经相当严重;
(4)城市颗粒物污染不容忽视。
目前,中国许多城市的首要空气污染物是可吸人颗粒物,其浓度超标严重,由于可吸人颗粒物能够直接深人人体肺部故对健康危害最大,影响更为严重;
(5)城市光化学污染问题也日益突出;
(6)与国外城市相比我国单车排放量高于国外。
当汽车处于高速或加速状态时,CO的排放量最大。
现代化城市高楼林立、道路狭窄、交通拥挤,致使汽车经常处于低速运行或怠速状态。
所以汽车排放污染物的总量一般都很高,而且不易扩散导致城市上空经常形成稳定的污染层。
在人口和车辆密集的地段,污染尤为严重。
研究主要意义
单车排放量高、污染物排放分担率高、污染物排放量大,这些特征在我国城市交通路网中使得汽车污染对人体、动植物及环境的危害更加显著,汽车尾气的排放量极大地制约着城市交通的发展。
随着城市汽车保有量的增加,路网容量的日去饱和,城市交通的发展也日益艰难。
当然地下交通可作为大城市交通的首选,但毕竟不能取代路面交通。
因此如何尽量减少汽车污染物的排放量成为发展城市交通要解决的首要问题,汽车排放污染智力技术将成为控制城市环境污染和解决城市交通发展的关键。
因此,本文对汽车尾气排放控制技术进行了研究和分析,从汽车排放污染物的生成机理入手,对汽车排放污染物的影响因素进行了深入细致的分析研究,根据影响因素程度的不通,重点对机内、机外、外环境控制技术进行了研究。
是对我国汽车排放控制技术的有意探索,为我国城市交通排放污染治理提供了一种研究方法,这将对促进我国城市大气环境的综合治理,确保城市交通的协调发展具有一定的理论和现实
0
意义。
国内外汽车排放标准对比分析
国外汽车尾气排放标准
(1)美国汽车排放标准
美国是世界上最早执行排放法规的国家,也是排放法规最严格的国家。
美国的汽车排放法规分为联邦排放法规即环境保护局(EPA)排放法规和加利福尼亚州空气资源局(CARB)排放法规两个标准。
美国加州1960年开始立法控制汽车排气污染物,在1963年美国政府颁布《大气净化法》当年,加州便开始了控制曲轴箱燃油蒸发物排放;1966年加州颁布实施“7工况法”汽车排放法规,1968年联邦采用“7工况法”控制汽车的排放物;1970年加州开始控制轿车燃油蒸发物排放,美国联邦政府从1970年开始制定了一系列车辆排放控制法规,1972年采用LA-4C(FPT-72)测试循环,并增加对NOx的控制,1975年改用LA-4CH(FPT-75)测试循环;从1975年起到80年代,美国排放法规大幅度加严,特别强化对NOx的限值,同时也提高对HC和CO的控制。
1990年美国国会对《大气净化法》做了重大修订,对汽车排放提出了更高的要求。
1994年加利福尼亚州制定了低污染汽车排放法规,将轻型车分为了过渡低排放车(TLEV)、低排放车(LEV)、超低排放车(ULEV)和零排放车(ZEV),并且规定从1998年起销售到加州的轻型车必须有2%为无污染排放(零排放),2001年为5%,2003年达到10%。
同时计划在2004年进一步强化汽车排放法规(SULEV),限值为ULEV的1/4。
表1.1是联邦轿车排放标准。
表1.1美国联邦轻型车排放控制标准
实施年份
测试循环
CO
HC
NOx
1993
—
84
10.6
4.1
1995
7工况法
51
6.3
—
1999
7工况法
34
4.1
—
2001
FTP-72
28
3.0
3.1
2002
FTP-75
15
1.5
3.1
2004
FTP-75
7
0.41
2.0
2006
FTP-75
3.4
0.41
1.0
2007
FTP-75
3.4
0.25
0.4
表1.2美国轻型汽车排放限值(FIP-75测试循环)(g/km)
标准名称
实施年份
保证里程
CO
HC
N0x
Tier1
1994
80000
2.11
0.16(NMHC)
0.25
160000
2.61
0.19(NMHC)
0.37
Tier2
2004
80000
1.06
0.08(NMOG)
0.124
160000
1.06
0.08(NMOG)
0.124
(2)欧洲汽车排放标准
随着欧洲一体化进程以及汽车保有量的不断增加,欧洲国家从1993年开始推行了日趋严格的排放标准,而且从1996年起除了日本以外,欧洲共体和大部分汽车工业发达的国家都相续采用了联合国欧洲经济委员会(ECE)的排放标准,这是由于此排放标准具有了实质性的变化;ECE扩大了限值有害气体排放的种类,试验运转循环更加接近实际使用条件,规定了汽车尾气排放物能够达到环保指标的行程,确立了按汽车环保参数认证的汽车生产稳定性和质量监督统计的方法等。
汽车排放欧洲Ⅰ号标准(简称欧Ⅰ)是通过对ECER83进行了2此修改后形成的更加严格的排放法规,它于1993年正式生效。
汽车排放欧洲Ⅱ号标准(简称欧Ⅱ)从1996年开始正式在欧洲实施,该标准对使用无铅汽油和柴油汽车的排放限值变得更加严格,它既规定电喷汽油机和使用气体燃料以及双燃料汽车排放的测定方法外,又对生产一致性采用了新的检查办法。
2000年起开始实施欧Ⅲ标准。
2005年开始实施欧Ⅳ标准。
2008年起开始实施欧Ⅴ标准。
各阶段排放标准如表1.3。
表1.3欧洲汽车排放标准
年份标准
汽油机
柴油机
CO
NOx
HC
NOx
PM
1986年
1.5
4.6
1989年
14.0
0.5
1992年(欧Ⅰ)
2.8
1.0
8.0
0.36
1996年(欧Ⅱ)
2.3
0.3
8.0
0.25
2000年(欧Ⅲ)
2.3
0.15
0.2
5.0
0.10
2005年(欧Ⅳ)
1.0
0.08
0.1
5.0
0.02
2008年(欧Ⅴ)
2.0
0.02
我国汽车尾气排放标准
从下表1.2可以看出,我国汽车排放控制水平,轿车在2000年达到国1号法规,在2004年前后达到国2号水平法规,2010年左右争取与国际排放控制水平接轨。
2004年7月1日,全国范围内开始实施“国Ⅱ”排放标准。
2005年12月30日,北京实施“国Ⅲ”排放标准,之前已经上市并且通过“国Ⅲ”标准的车型可以延迟1年安装OBD。
2006年1月1日,北京在全国范围内率先实施“国Ⅲ”排放标准。
2006年7月31日,上海市环保局宣布,上海公交与出租车行业率先实施“国Ⅲ”排放标准。
2006年9月1日,中央国务院正式批准广州实行“国Ⅲ”标准。
2006年12月1日,北京全面禁止在京销售未安装OBD的新车。
2007年7月1日,全国范围内开始实施“国Ⅲ”排放标准。
2008年1月1日,“国Ⅳ”燃油在北京上市
2008年1月1日,在全国范围内对重型汽车上牌执行“国Ⅲ”排放标准
2008年7月1日,在全国范围内对轻型汽车上牌执行“国Ⅲ”排放标准
表1.2我国尾气排放标准里程图
年份
欧盟
韩国
印度
中国
新加坡
1995
欧1
—
—
—
欧1
1996
欧2
—
—
—
欧1
1997
欧2
—
—
—
欧1
1998
欧2
—
—
—
欧1
1999
欧2
—
—
—
欧1
2000
欧3
欧2
—
国1
欧1
2001
欧3
欧2
欧1
国1
欧2
2002
欧3
欧3
欧1
国1
欧2
2003
欧3
欧3
欧1
国1
欧2
2004
欧3
欧3
欧1
国2
欧2
2005
欧4
欧3
欧2
国3
欧2
2006
欧4
欧3
欧2
国3
欧2
2007
欧4
欧3
欧2
国3
欧2
2008
欧4
欧3
欧2
国3
欧2
2009
欧4
欧3
欧2
国3
欧2
2010
欧4
欧3
欧3
国4
欧2
研究的主要内容
1.影响汽车排放污染物的因素分析
影响汽车排放污染物的主要因素有:
结构因素、运行因素、发动机类型及外环境因素等四个方面。
具体分析研究各因素对排放污染物的影响,找出这些因素的改变而导致排放污染物变化的规律,从而有效地控制对汽车排放不利的影响因素;
2.汽车排放污染控制技术
根据国外及我国对汽车排放污染物的控制法规,主要是对排放污染物中CO,HC,NOx及PM排放量进行控制。
因而本文也主要是对这四种污染物的机内控制技术、机外控制技术、外环境控制技术加以研究。
第2章汽车尾气排放物的生成机理及危害
2.1汽车尾气排放物的生成机理
汽车污染物排放量主要和发动机混合气的形成、燃烧及排气过程中的化学反应有关,此外还与燃油的蒸发等因素有关。
由于汽油车和柴油车由于使用油料不同,发动机结构、混合气形成方式和燃烧方式不同,其污染物排放规律也不同。
表现在下列几方面:
(1)汽油具有很强的挥发性,而柴油很难挥发,因此汽油车污染物中有燃料蒸发排放物,其组分是碳氢化合物(HC)。
(2)汽油具有容易与空气混合,且混合后不易分离的特性。
汽油车燃料混合气的形成是在发动机燃烧室外进行的(在化油器和(或)进气管),在点燃之前又经过进气、压缩过程,有相对较长的混合时间,因此汽油与空气可以混合得很均匀,基本不存在局部过浓或过稀和液态油滴的情况,汽油的分子又小,决定了汽油车排放物中颗粒物较少。
进入发动机燃烧室的空气与汽油的比例基本控制在理论空燃比附近(所谓理论空燃比是指在理论计算上燃烧1千克的燃料所需要的空气量,对汽油来说通常在14.7左右),采用火花塞放电点火燃烧,燃烧速度很快;汽油机压缩比低、燃烧最高压力低、最高温度高,燃烧后产物发生高温离解的倾向比较严重,某些死区点不着火或在某些工况下断火,使汽油机排放物中有较多的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)。
同时发动机燃烧室内存在很高温,又导致了氮氧化合物(NOx)的产生的排放。
因此,汽油车排放的特点是一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)排放量高,而颗粒物排放量低,氮氧化合物(NOx)排放与柴油车基本相同(见表2.1)。
(3)柴油车燃料混合气的形成是在发动机燃烧室内进行的,柴油高压喷入燃烧室,压缩着火后进行边喷边燃烧的扩散燃烧方式。
这种工作方式,决定了柴油与空气的混合是不均匀的,不可避免地存在局部缺氧或局部富氧情况。
油料在高温缺氧时,易炭化形成碳烟。
柴油车负荷的调节是通过改变喷油量来控制的。
柴油车混合气始终处于比较稀的状态下,也就是说柴油机的燃烧室内始终存在富余的空气。
这些富余的空气在高温作用下容易产生氮氧化物(NOx),而一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)则不容易形成。
因此,柴油车排放特点是颗粒物和氮氧化物(NOx)排放量多而一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)排放量少(见表2.1)。
此外,柴油燃烧后会生成一些有臭味的有机气体,因此,柴油机排放中还有臭味。
表2.1汽油机和柴油机污染物排放比较
污染物种类
柴油机
汽油机
备注
CO(%)
0.1-6
0.0-0.50
汽油机为柴油机的20倍以上
HC(ppm)
<500
<3000
汽油机为柴油机的5倍以上
NOx(ppm)
1000-4000
2000-4000
二者相当
颗粒物(g/km)
0.5
0.01
柴油机为汽油机的50倍
因此下面对这几种有害排放物的生成机理进行分析。
2.1.1CO的生成机理
燃烧产物CO是最早为人们发现的污染物之一,他是汽车中有还浓度最大的成分,CO的生成主要是和混合气的混和质量及浓度有关。
燃料燃烧时不可能全部生成CO2,会由于一下原因产生部分的CO。
1.燃料不完全燃烧CO是烃类燃料在燃烧过程中由于缺氧而不能完全燃烧的中间产物,一般认为,燃烧反应经过的几个反应过程为:
理论上空燃比A/F=14.7时,烃类燃料能完全燃烧,生成CO2和H2O:
CnHm+(n+m/4)O2→nCO2+mH2O(2-1)
理论上空燃比A/F<14.7时,烃类燃料不能完全燃烧,会生成中间产物CO:
CnHm+(n/2+m/2)O2→nCO+m/2H2O(2-2)
当空燃比A/F>14.7时,氧气过剩,排气中不产生CO,而有剩余的氧气。
2.混合气混合不均与理论上在富氧状态下燃烧(A/F>14.7)时,排气中CO不存在,而代之产生O2.但实际混合气不可能绝对均匀,总会有过渡区,加上进气管壁面上有汽油油膜存在,油膜随着进气过程边流边蒸发,也会造成混合气不均匀,而且由于各气缸均匀性不等现象,这些都会产生CO。
3.CO2和H2O在高温时离解即使在稀混合气燃烧时,有足够的氧气,且混合气混合得很均匀,但由于发动机缸内燃烧后的温度很高,当温度超2000℃时,已经生成的CO2也会有一小部分会产生高温离解反应:
2CO→2CO+O2(2-3)
温度越高,离解反应越剧烈,生成的CO越多。
H2O在高温时也会分解成H2和O2,H2参加燃烧反应,也会使CO2还原成CO。
2H2O→2H2+O2(2-4)
CO2+H2→CO+H2O(2-5)
综上可见,一氧化碳在燃烧过程的原因主要可以归结为氧气的不足,一旦他兴城以后,如不能即使的在燃烧过程中获得氧气的补充就不能完全氧化状态排除机外。
2.1.2HC的生成机理
排气中的HC是由未燃烧的燃料烃、不完全氧化产物以及燃烧过程中部分被分解的产物所组成。
他是各种没有完全燃烧的碳氢氧化物的总称。
HC的生成原因比较复杂,其生成机理可以从以下几个方面进行讨论。
(1)室壁激冷效应汽油机室壁激冷效应是指当火焰传播时,由于接近燃烧室壁面的一层混合气被冷却,火焰到达燃烧室壁面之前就消失的一种现象,汽油机气缸内燃料和空气的质混合气是靠火焰传播而燃烧的。
火焰面前的1mm~2mm为预热层。
预热层中的燃料
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