基于外环境技术控制汽车污染

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1、 毕 业 设 计（论 文） 设计(论文)题目： 基于外环境控制技术的汽车 污染防治研究 学生姓名： 指导教师： 二级学院： 专业：术）班级： 学号： 提交日期答辩日期： 金陵科技学院学士学位论文 目录目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 论文的研究意义及背景11.2国内外汽车排放研究现状分析11.2.1国外汽车排放控制技术现状11.2.2国内汽车排放控制技术现状2第二章 汽车排放污染物的生成机理及危害42.1汽车排放污染物的生成机理42.1.1CO的生成机理42.1.2 HC的生成机理52.1.3 NOX的生成机理52.1.4微粒(PM)及炭烟的生成机理62.2汽车排放污染物

2、的危害6第3章 汽车排放污染物的影响因素分析73.1过量空气系数a的影响73.2点火提前角的影响73.3运转工况的影响83.4发动机类型的影响103.5外环境因素的影响113.5.1城市道路的影响113.5.2道路两侧布局的影响113.5.3不同时间段的影响12第4章汽车排放污染的扩散分析134.1城市交通污染物扩散的影响因素134.1.1道路边建筑物结构对扩散的影响134.1.2风向对扩散的影响134.1.3风速对扩散的影响144.1.4阳光照射对扩散的影响154.2汽车排放污染物扩散理论15第5章汽车排放污染控制技术175.1机内控制技术175.1.1推迟点火(喷油)时间175.1.2废气

3、再循环175.1.3燃烧系统的优化设计185.1.4提高点火能量和电控汽油喷射技术195.1.5增压及增压中冷195.2机外控制技术195.2.1热反应器195.2.2三效催化转化器205.2.3稀燃催化器215.2.4NOX的催化还原215.3外环境控制技术215.3.1城市道路交通规划管理215.3.2、城市道路交通控制管理225.3.3城市道路交通环境工程22第6章汽车排污控制技术的综合运用研究236.1汽车排放污染控制技术综合应用的研究内容236.2内燃机与外环境控制技术相结合的综合运用分析256.2.1控制技术短期应用分析256.3.2控制技术中长期应用分析26结 论281主要研究结

4、论28致 谢30参考文献31金陵科技学院学士学位论文 摘要基于外环境控制技术的汽车污染防治研究摘 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，环境排污问题日益严重。当前我国汽车排污控制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。目前国内外对汽车排放污染物的控制技术重点是机内控制技术和机外控制技术，本文将机内、机外控制技术和外环境控制技术综

5、合分析，力图构建“机内一机外一外环境”综合控制技术，并对如何运用该技术进行了一定程度的探讨。笔者认为对三大技术的综合运用可以从短期运用和中长期运用两个方面来分析。从短期运用的角度来看，应通过优先选择低排放的发动机和积极实施科学的城市交通控制管理来达到实时控制城市汽车排污的目的。在控制技术在中长期应用方案中，首先要以“外环境控制技术”的开发应用为主，同时也应着手考虑交通规划层次的技术对策和措施;其次是重点加强对“机内一机外控制技术”的开发应用，同时也应继续坚持机动车检测/维修计划和进一步强调交通规划的落实。第三阶段主要考虑的是交通规划方面的问题，同时兼顾交通管理措施的实施。通过这三阶段各措施的分

6、层落实，以求达到科学长效的排污控制目的，同时又能兼顾控制成本和控制效果的最优化。这一综合控制观点的提出以及对综合运用中各层次技术的开发运用观点，是对我国城市交通汽车排污综合控制研究进行的一点有益探索，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;综合运用I金陵科技学院学士学位论文 AbstractAbstractCar is energy consumption and pollutant discharge main origin. With Chinas auto possession the sharp in

7、crease, environment pollution is getting more and more serious. The current China automobile emission control level is only 1970 s level in developed countries, a large number of pollutant concentration car produce in urban road in emissions. At the same time because the urban road traffic network a

8、nd related facilities is relatively backward, not only make the problem of traffic congestion increasingly prominent, and as the car emissions and cause the pollution of the environment is getting more and more serious. So the city car emissions comprehensive control of pollution has become the stud

9、y a very urgent work. This paper analyzes the discharge of pollutants generation and diffusion mechanism, based on steam (wood) oil machine and city operation of the car as the object of study and using the method of theoretical analysis of auto emissions the influence factors and the diffusion mech

10、anism research; On this basis, according to the domestic and foreign car emissions of pollutants to control regulations, mainly to the discharge of pollutants in CO, HC, NOX and particle emission control technologies and comprehensive technology application to study. In present the automobile exhaus

11、t emissions control technology is key inside machine control technology and cake layer control technology, this paper will first inside machine control technology, control technology, the external environment of cake control technology from the horizontal comprehensive, trying to build machines a ca

12、ke environment outside a comprehensive control technology, and how to use this technology to a certain extent explored. The author thinks that machines-a cake outside environment three big technology integrated use can use and long-term use short-term from two aspects to analysis. From the point of

13、view of short-term use, should through the preferred option low emission of engine and actively carry out the scientific urban traffic control management to achieve real-time control city car drainage purposes. In the control technology in long-term solutions, the first to the environmental control

14、technology for the development and application of give priority to, also should consider to traffic planning level of technical countermeasures and measures; Second is the key to strengthen machines a cake layer control technology development application, also should continue to adhere to the motor

15、vehicle inspection/repair plan and further emphasize the implementation of transportation planning. The third stage is main consideration of traffic planning issues, both the implementation of the traffic management measures. Through the three stages of layered implement measures in order to achieve

16、 the effect of control science emission purpose, at the same time, and can control the cost and both the control effect of optimization. The comprehensive control point and all levels of comprehensive use of technology development viewpoint, it is to our urban traffic automobile emission control of

17、the research on a comprehensive useful exploration, in hopes of promoting the improvement of the urban atmospheric pollution, ensure the coordinated development of the urban traffic has certain theoretical and practical significance. Key words ：urban traffic; vehicle emission; control technology; co

18、mprehensive application III金陵科技学院学士学位论文 第一章 绪论第一章 绪论1.1 论文的研究意义及背景汽车是能源消耗和污染物排放的主要来源。根据城市大气污染物来源的分类统计，在我国主要大城市中，有80%左右的污染物来源于汽车排放废气。汽车排放废气中含有的主要污染物有:CO、HC、NOX、S02、Pb、微粒等。目前的研究表明，对人体有较大危害的汽车排放污染物主要是CO、HC、NOX及微粒。由汽车排放而导致的环境污染也日益严重，控制汽车排污问题己迫在眉睫。而我国目前的汽车排放污染控制水平仅相当于发达国家20世纪70年代中后期水平，而且近年来，我国汽车工业在国民经济中的

19、地位不断提升，“十一五”期间，我国机动车保有量呈快速增长态势，由1.18亿辆增加到1.9亿辆，平均每年增长10%。其中，汽车保有量由3088万辆增加到7721.7万辆，增加了150%,已连续两年成为世界汽车产销第一大国。根据城市大气污染物来源的分类统计，很多大城市汽车污染排放量都呈上升趋势，汽车尾气排放的HC、CO和NOX等有毒气体己经成为城市的第一空气污染源。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。当然地下交通可作为大城市交通发展的首选，但毕竟不能完全取代路面交通

20、。因此如何尽量减少汽车污染物的排放量和控制污染物的扩散将成为发展城市交通要解决的首要问题，汽车排放污染治理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，本文所进行的城市汽车排放污染控制技术的探讨，从汽车排放污染物的生成和扩散机理入手，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同，重点对机内、机外、外环境控制技术的开发应用进行了研究。首次将机内控制技术、机外控制技术、外环境控制技术从横向进行了综合，以寻求对我国城市汽车排污控制的综合技术方案。这一研讨工作，是对我国城市汽车排放控制技术的有益探索，为我国城市交通排污治理提供了一种新的理论研讨方法，这将对促进

21、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意义。1.2国内外汽车排放研究现状分析迄今为止，以内燃机为动力的汽车已经历了120多年的发展，汽车在给人们生活带来无比便利的同时，也使人类生存环境陷入了污染的困境。从1966年美国颁布的第一个汽车排放法规开始，治理汽车排放污染的工作逐渐在全球展开。目前，美国、日本和欧洲各国的汽车排放污染水平与1970年的排放水平相比己降低了70%以上。但由于全球汽车保有量的持续高速增长，汽车排放污染的现状仍然十分严峻。1.2.1国外汽车排放控制技术现状美国、日本和欧洲各国在汽车排放污染控制技术方面做了大量的研究工作。从世界上第一个机动车排放

22、标准于 1966年在美国加州新车上应用以来，40多年来全球在污染控制技术方面取得了很大进展。汽车排放污染控制越来越受到人们的关注，现在全球新车投放市场时都装有控制装置和三效催化器。各国汽车的技术装备也趋于一致，即多气门、多点燃油喷射系统、高能无触点电控点火、废气再循环、氧传感器等微处理控制的复杂的发动机系统并辅以三元催化器。这些发动机技术的开发和应用，在很大程度上有效地控制了汽车的排污。但随着排放要求的越来越严格和对发动机排放污染物生成机理研究的不断深入，对发动机排放技术的要求也越来越高。城市汽车排放污染外环境控制技术主要是指利用城市交通控制管理技术和城市交通环境工程技术来减少排放到大气中的污

23、染量。美国、日本和欧洲等国在汽车排放污染外环境方面的控制可概括为三个方面的内容：即车辆检测与维修计划、燃油净化与替代和机动车需求管理，同时也强调了机动车排放强制标准的作用。并且各国还根据本国实际情况制定了一些相关的技术策略。各国还根据本国实际情况制定了一些相关的技术策略，如美国加州为彻底改变大气质量差的状况，1990年9月加州大气资源局通过了低排放机动车方案和燃料净化计划；欧洲是世界机动车污染控制较严的地区之一，欧洲议会 1995年9月提出对机动车管理的设想，即两步骤管理法 (l995年一2000年一2005年)，分别制定了汽油车、柴油车逐年的排放标准；加拿大一直在计划如何完善在用车排放控制系

24、统，从而降低污染，1992年在哥伦比亚省实施了机动车检测/维修计划；中国台湾是世界上摩托车密度最高的地区，在机动车污染中摩托车分担率超过50%，针对这一现状，台湾环保局制定了综合防治机动车污染的摩托车控管战略；新加坡政府制定了既控制机动车增长，又不失灵活性的交通管理法综合政策，努力创建本地通畅的交通网络系统。这些控制方案对世界各地机动车污染控制都具有积极的意义，代表了当今的发展水平。1.2.2国内汽车排放控制技术现状我国对汽车排放污染控制技术方面的研究始于20世纪70年代，一般可分为机内净化，机外净化和燃料处理三个方面。近三十多年来，中科院生态环境研究中心，各高等院校以及各地的环保研究所在这些

25、方面进行了比较深入的研究，取得了一定的成果，在指导汽车制造、控制汽车污染方面发挥了很大的作用。最早的机内净化主要体现在化油器的改进上。自20世纪90年代以来，随着电控技术的广泛应用，各种电控装置逐渐替代了机、液调控装置。发动机电控系统的成功应用，使发动机燃烧状态和实时工况得到了完美的匹配，保证了现代发动机具有良好的动态响应性，同时还兼顾动力性、经济性、安全性、噪声和排放法规等多方面的要求。为了适应日益严峻的环境和能源问题，现在在机内控制的研究上重点是对燃烧方式进行研究，汽油机主要是对缸内直喷式稀薄燃烧方式进行研究，柴油机主要是对均质混合燃烧方式进行研究。从1986年开始，对蜂窝陶瓷载体制备技术

26、、涂层材料及工艺技术、催化剂优化配方及制备技术、催化剂生产中部分设备及整套工艺、技术规范、催化净化器总成技术、柴油机消除烟尘和催化燃烧再生技术等进行了长期应用研究和部分产品的开发研究，部分关键技术已接近国际先进水平。在城市汽车排放污染外环境控制技术研究方面，国外的研究要多一些，而国内的研究则起步较晚，且大多是借鉴国外经验。如聂国欣提出我国城市机动车排放污染控制对策为严格执行机动车排放标准和法规、优先发展公共交通事业优化公共交通体系、采用低污染或无污染燃料为动力的汽车、加强机动车环保新科技的开发和应用、强化机动车的检测与维修、鼓励在用车改造和加速淘汰老旧车。而刘强等则从城市交通规划中环境保护问题

27、的角度出发，提出要将不同交通方式间的分工与协调作为重点，协调满足交通需求、资源利用和环境保护三者间的关系。总的看来，我国城市汽车排放污染的控制技术措施，大多局限于提高和实施监督机动车污染排放的标准，以及具体的车辆技术对策，与交通有关的措施相当缺乏。综上所述，无论是国内还是国外在汽车排放污染控制技术的研究上还存在以下几个方面的不足：首先是对城市汽车排放污染综合控制方面的研究基本上是政策层面上的研究较多，技术层面上的研究要少一些：其次是研究单一控制技术的多，而将汽车对大气污染的影响和城市交通环境工程规划技术结合的少，在将城市汽车排放污染各控制技术综合运用方面的研究尚处于初始阶段。31金陵科技学院学

28、士学位论文 第二章 汽车排放污染物的生成机理及危害第二章 汽车排放污染物的生成机理及危害汽车排放包含的许多成分随着汽车种类及运转条件的改变而改变。从燃烧的角度看，汽车排放分完全燃烧产物、不完全燃烧产物和燃烧中间产物。完全燃烧产物的基本成分是二氧化碳 (C02)、水蒸气（H2O），过剩的氧(O2)及存下的氮（N2）等。排气中除完全燃烧产物外，还有不完全燃烧和燃烧反应的中间产物，包括一氧化碳(CO)、碳氢化合物似(HC)、氮氧化合物(NOX)、二氧化硫(SO2)、微粒物质(PM)、臭气(甲醛、丙烯醛等)等。这些不完全燃烧和燃烧反应的中间产物大部分是有毒的，或有强烈的刺激性、臭味和致癌作用。2.1汽

29、车排放污染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。由于汽油机和柴油机的燃烧特点不同，因而它们污染物的生成机理也不同。由于混合气形成和燃烧特点不同，柴油机排放中碳烟等微粒污染物比汽油机大几十倍，NOX的浓度与汽油机相比约少50%左右，而CO、HC的排放比较少。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，它是汽车排放中有害浓度最大的成分，CO的生成主要是和混合气的混合质量及其浓度有关。燃料燃烧时不可能全部生成CO2，会由于下列原因产生部分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

30、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:理论上当空燃比A/F=14.7时，烃类燃料能完全燃烧，生成CO2和H2O： C n H m+(n+m/4)O2nCO2+H2O而当A/F14.7时，氧气过剩，排气中不会有CO，而有剩余的氧气。2. .混合气混合不均匀理论上在富氧燃烧(A/F14.7)时，排气中CO不存在，而代之产生O2。但实际上混合气不可能绝对均匀，总会有过浓区，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动边蒸发，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燃烧时，有足够的氧气，且混合气混合

31、得很均匀，但由于发动机缸内燃烧后的温度很高，当温度超过2000时，已经生成的CO2也会有一小部分会产生高温离解反应: 2CO22CO+O2温度愈高，离解反应愈剧烈，生成的CO愈多。H20在高温时也会分解成H2和02，H2参加燃烧反应，会使CO2还原成CO。 2H2O2H2+O2 CO2+H2CO+H2O由上可见，一氧化碳在燃烧过程中形成的原因主要可以归结为氧的不足，一旦它形成以后，如不能及时在燃烧过程中获得氧的补充就会以不完全氧化状态排出机外。2.1.2 HC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，它是各种没有完全燃烧的碳氢化合物的总称。H

32、C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均质混合气是靠火焰传播而燃烧的，火焰面前的1mm到2mm为预热层。预热层中的燃料和部分氧化产物不能进一步氧化转化为燃烧产物，而以未燃烃和含氧碳氢化合物的形式排出。汽油机在正常工作情况下，排气中的HC主要来自室壁激冷效应的未燃烃。2.燃烧室缝隙效应火焰不能在激冷缝隙内传播的现象称为燃烧室缝隙效应。一般在小于1恤的缝隙内，如活塞顶部与第一道气环之间的空隙混合气因火焰无法传入其中而不能完全

33、燃烧，是HC排放的来源之一。3.燃料燃烧不完全在发动机工作过程中，燃料不完全燃烧与着火前的混合气条件、燃烧室内的燃烧条件、膨胀行程的温度条件及排气系统的反应条件均有密切的关系。HC既有未燃的燃料，也有燃料不完全燃烧的产物和部分被分解的产物，所以一切妨碍燃料燃烧的条件都是HC形成的原因。例如，为了提高发动机的最大功率，常使发动机在过量空气系数小于1的情况下工作;在低负荷时，由于气缸内的残余气体较多，为了不使燃烧速度，也要供给浓混合气，从而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，也会因灭火或半灭火状态而使未燃部分的燃料以HC的形式排出。2.1.3 NO

34、X的生成机理NOX是NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5等各种氮氧化合物的总称。在发动机排出的废气中，NO占绝大部分(约占99%)，而NO2含量极少(约占1%)，其他氮氧化物的含量甚微。NO排入大气后，又被氧化成NO2。NO是在燃烧过程中的高温条件下在燃烧室内形成的，它是在燃烧过程中氮和氧原子的许多基本反应的结果。捷尔杜维奇链反应机理认为NO的生成反应与分解反应主要由下列两个反应支配: O+N2NO+N（可逆） N+O2NO+O（可逆）NO生成量很大程度决定于的温度，并与温度呈指数关系。NO是由燃烧所产生的高温使空气中的氧气和氮气分解并化合生成的，燃烧温度越高，尾气中NOX的含量越大。2

35、.1.4微粒(PM)及炭烟的生成机理所谓微粒是指由内燃机排出的全部废气，在接近于大气条件下，除去非化合形态的凝聚水以后收集到的全部呈固体状和液体状的微颗粒，它包括原始及二次颗粒。原始颗粒直接来自发动机燃烧产物的颗粒;二次颗粒是在大气条件下，因气态、液态和固态的各化学成分之间发生化学或物理变化所产生的颗粒。微粒主要是由三部分组成，即碳烟（DS）、可溶性有机物(SOF)和硫酸盐。碳烟是微粒的主要组成部分。重馏分的未燃烃、硫酸盐以及水分等在碳粒上吸附凝集，形成微粒排放。2.2汽车排放污染物的危害一方面，汽车排放污染破劝伏气生态循环系统:汽车排放造成的大气污染会破环臭氧层，臭氧层的破坏造成太阳辐射过强

36、，引起温室效应，导致高温天气，使全球水蒸发加快，一进而改变气流的循环，从而气候变化加剧，引发热浪、咫风、洪涝及干旱。此外，汽油燃烧释放出的二氧化硫和氮氧化物在大气中分别转化成硫酸和硝酸，导致酸雨。酸雨不仅增加土壤酸度、破坏生态系统的平衡，而且还腐蚀建筑材料、金属构件和油漆等等，使建筑物、公路以及名胜古迹遭受损害。欧洲经济委员会的报告书称，因酸雨危害造成的经济损失额相当于全世界每人损失2到10美元。金陵科技学院学士学位论文 第三章 汽车排放污染物的影响因素分析第3章 汽车排放污染物的影响因素分析影响汽车有害排放物生成的因素很多也很复杂。但这些排放污染物毕竟是燃烧化学反应的产物，因而这些影响因素归

37、结起来，同影响化学反应的因素一样，主要是反应物的浓度和温度。各种参数和降低排放的技术大都是最终通过这两种基本因数来影响燃烧和有害物生成过程的。而对反应物的浓度和温度影响的因素，主要有过量空气系数、点火(喷油)提前角、运转工况和发动机的类型等等。3.1过量空气系数a的影响1.过量空气系数a对汽油机的影响汽油机中的有害排放物以及动力性和经济性随空燃比的变化如图31所示 CO、HC随着空燃比的增大，急剧下降，超过a=1后，逐渐达到最低值；但空燃比过稀时，因燃烧不稳定甚至失火次数增多，导致HC又有所回升。从降低CO和HC的角度来说，应该避免a1的区域运转，但汽油机的最大功率出现在=0.80.9，怠速和

38、起动时a加浓到0.8或更低，因而又是难以避免的。NOX的变化规律与HC和CO不同。在a=1.1附近，NOX生成量最高，过浓过稀都会降低。al时，燃烧是在还原性气氛中进行的，NO难经生成；a过稀时，会由于燃烧温度下降，使NO的生成速度减慢；只有在价a=1.1附近，才能兼有高温和富氧两个必要条件，最有利于NO的生成。图3一1汽油机空燃比对对排放污染物生成的影响3.2点火提前角的影响点火提前角不同，燃烧过程中燃气的最高燃烧温度和燃烧时间就不同，因而尾气排放浓度也不同。图32是改变点火提前角对燃烧过程的影响。图中为曲轴转角，p为缸内压力，当点火时间由a减少到b，缸内压力将从A变成B，由于燃气的最高温度

39、与压力大致成正比下降，因而可使NO生成量减少。同时由于燃烧时间从a延长到b，使HC反应的有效温度时间加长，也使HC排放量降低。图3一2点火提前角对燃烧过程的影响3.3运转工况的影响发动机在不同的工况下运行时，其过量空气系数九和燃烧温度不同，因而造成的有害排放物的生成量也下同。图33给出了一例日本10工况法试验时各种成分的排放特性。汽车在加速和高速运行时，由于燃烧温度高，因而NOX排放浓度较高。HC和CO在怠速和加速时排放浓度较高，这是因为此时的空燃比偏浓，同时怠速时的温度较低以及残余废气系数也较高。减速时，对于化油器式的汽油机，HC急剧上升同时CO排放也较高，这种现象在图3一4中可以更清楚地看

40、到。这是因为减速时汽油机节气门关闭，而发动机在汽车反拖下继续高速运转，进气管中突然形成高真空度状态，使管壁上的液态燃油(油膜)急剧蒸发，形成过浓混合气，同时化油器中由于油比气的惯性大，进气量比燃油要减得而快，导致混合气浓度瞬时增大。汽油喷射式发动机在减速时不再供油，而且进气管中油膜少，因此HC和CO排放较少(见图3一4中燃油喷射曲线)。而带有减速断油装置的改进型化油器情况会有所改善。汽油机在不同工况下的排气成分的大致范围如下表31所示。表3一1汽油机在不同工况下的排气成分的体积分数图3一3不同工况时的排放特性图34汽油机减速时HC和CO的排放特性至于稳定工况下一般规律为，汽油机低怠速时，HC、

41、CO激增，NOX很少，高负荷时反之，但之后HC、CO又有所增加。3.4发动机类型的影响1.汽油机与柴油机排放特性的对比表3一3为汽油机与柴油机排放浓度的对比。由此可知，柴油机的HC和CO排放仅有汽油机的1/5 1/10，甚至低于安装了催化转化器的汽油机；而NOX的排放量，柴油机中小负荷时远低于汽油机，大负荷时与汽油机接近;但柴油机的微粒排放却是汽油机基本没有的。表32汽油机与柴油机排放浓度的对比因此，汽油机以降低CO、HC和NOX为主要排放控制目标，而柴油机以降低微粒(炭烟)和NOX为主要控制目标。3.5外环境因素的影响由于城市用地和城市生活的集聚性，在我国目前汽车排放控制水平下，城市交通的高

42、度密集性必然会带来严重的城市交通污染问题。而汽车排放污染对城市的影响程度，在同等的车辆排放控制技术下，又与城市的道路条件、交通工程布局、交通时段等因素有着密切的关系。3.5.1城市道路的影响我国汽车分布的不平衡、道路及相关基础设施的落后、不断增加的汽车车辆量、不甚合理的城市交通结构和运行机制，使得汽车污染日益严重。我国的路网密度和人均拥有的公路里程仅为日本的1/27和1/10。道路建设的滞后，路况差，造成各城市主要交通道路机动车流量大，车速慢，道路交通拥挤状况十分严重，城市车辆行驶速度仅为十几km八z。尤其是在上下班时间，各种车辆混行，乱停车现象严重，加之交通管理落后，堵塞现象时有发生，汽车不

43、得不频繁启动和长时间低速行驶，测量结果表明，在上海中心城区，由于道路狭窄、人口密集、道路拥挤、路口阻塞严重、车辆行驶不畅等原因，致使机动车在典型道路上行驶时，怠速时间占总运行时间的 35.1%，加速时间占27.0%，减速时间占24.1%，匀速时间占13.8%。由于怠速和减速运行时间较长(约占总运行时间的60%)，匀速行驶状态时间较短。因此，汽车发动机燃料燃烧不充分及废气排放量大，导致道路两侧为污染物的高浓度区。再加上目前我国的城市交通规划主要以汽车的出行为考虑对象，只重视满足机动化出行的需求，规划建设大量的快速路、主干路、立交桥，而忽视对自行车和步行系统的建设，许多城市机动车道越修越宽，而自行

44、车道则是越修越窄，有的路段上甚至将自行车道和人行道合并，使自行车和步行这种零污染的交通方式大大萎缩，城市汽车污染也就越来越严重。3.5.2道路两侧布局的影响由于受历史原因和各城市自然地质地貌条件的影响，我国大多城市的公路路面较窄，道路曲折多弯，高楼大厦多，建筑密度大，造成地面的粗糙度增大，不利于气流的流动，同时又因为汽车尾气都是贴着地面排放的，扩散的能力相对就很弱，这些因素都阻碍了城市汽车排放污染物的扩散。此外街道空气的流动性差，污染物质在街道的累积，不利于交通尾气沿道路向郊区的输送，再加上城市道路两侧多是高大建筑物，使空气流速减缓，污染物难以及时扩散、净化，也加重了空气污染。如何把城市交通设

45、施两侧的工程布局与城市汽车排污控制有机的结合起来是交通规划部门要做的长期工作。3.5.3不同时间段的影响交通的顺畅程度对汽车排放污染物的排放状况有着重要的影响。本文借鉴了吉林大学沙学锋博士在其博士论文“城市道路机动车动态排放预测模型研究”中选取捷达车的排放数据结果，对交通高峰期、低峰期和平峰期三种状况下的排放量进行了对比分析。由其实验数据统计可知，早晚高峰期(16:48一17:31)时加减速频繁，怠速时间长，充分体现了交通高峰期的车流运行特征。交通堵塞，车流运行速度缓慢，NOX、HC、CO排放量增加，交通污染严重。夜间低峰期时(19:30一19:53)，NOX、HC、CO排放率与时间变化变化平

46、缓，且排放量显著降低。平峰期时(15:36一15;56)，NOX、HC、CO排放率与时间变化曲线比夜间低峰期要频繁，且变化趋势要急速一些，排放量也要大一些。总体来看，交通高峰期时的排放最高，低峰最低。高峰期时NOX的排放量是低峰的两倍多，比平峰期高大约25%；高峰期时HC排放量也是低峰的两倍多，是平峰期的两倍左右；高峰期时的CO分别比低峰和平峰期时高40%和30%左右。金陵科技学院学士学位论文 第四章 汽车排放污染物的扩散分析第4章汽车排放污染的扩散分析4.1城市交通污染物扩散的影响因素在城市道路汽车排放污染物的扩散过程中，最重要的一点是街道峡谷对局部流场的影响。所谓街道峡谷是指两侧有较密集建

47、筑物的街道，由于上层大气会在峡谷内产生一个或几个涡旋，因而使得峡谷内流场完全不同于上层大气。20世纪80年代，很多研究证实了街道中涡旋回流的存在，并且认为汽车排放污染物的扩散受街道建筑物的结构、风向、风速和日照等因素的影响。4.1.1道路边建筑物结构对扩散的影响图4一l是在900风向的来流风作用下，4种典型结构模型街道内测量的示踪气体无量纲浓度等值线图。由图可知几何结构对示踪气体扩散过程有很大的影响。图4一1A是街道两侧等高，H/B(高宽)=0.7时，示踪气体扩散的试验结果。由图可见街道峡谷迎风面示踪气体浓度较低，沿高度方向的梯度变化不大。在街道峡谷的背风面浓度较高，且沿高度方向梯度变化较大，

48、在背风面下角浓度最高。这是有街道峡谷内的空腔旋涡形成的气流携带了底部高浓度的示踪气体所至。高于街道南侧建筑物后，示踪气体的浓度很快降低。图41B是街道两侧H/B(高宽 )=1.0时，示踪气体扩散过程的实验结果。示踪气体浓度分布形式与图20一1A相似。由王建筑模型增高，示踪气体向街道外部扩散的时间与路程增加，排放源附近示踪气体累积，浓度升高。图41C是下风建筑物明显低于上风建筑物时，示踪气体浓度分布的典型表。街道峡谷内示踪气体浓度急剧上升。这是由于在较高的上风建筑物后的尾流区内产生气流死区，示踪气体扩散不利。背风面在很大范围内浓度较高。在下风建筑顶端浓度较低，随高度增加浓度降低较快。图41D代表

49、了下风建筑高于上风建筑时，示踪气体的典型浓度场。浓度场结构发生很大的变化。街道峡谷内部不踪气体浓度明显降低，且最高浓度点不在排放源附近，而是在上风建筑顶端的背风面上角。这是由于较高的下风建筑物前产生了气流位移区，较强的旋涡形气流迅速将排放源附近的示踪气体吹散，并带至背风上面。在这种几何结构的街道峡谷污染物扩散能力较强，污染物浓度不会太高。4.1.2风向对扩散的影响图42是同一街道模型(H/B=1.0)的相同截面，在正交风(900)，斜交风(350)和平行同风(O0)的条件下，示踪气体的无量纲浓度场等值线图。图42A中的风向为900，示踪气体浓度分布特征已由图4一1B说明。图41 不同结构的街道

50、峡谷无量纲浓度等值线图由图42B(风向为0o)可见，除在排放源近旁浓度较高外，街道峡谷内部其他空间点的浓度较低。因此，平行风有利于街道内污染物的扩散，道路两侧的行人受害较小。在斜交风(如图42，风向350)作用下，街道峡谷断面内的浓度分布形态类似于垂直作用下的分布形态(图42A)。这是由于在一定的角度范围内(150750)，斜交风在在街道峡谷内亦能形成旋涡流场，在此旋涡气流的垂直分量的作用下示踪气体向街道峡谷背风面扩散，同时又在街道峡谷内平行风分量的作用下沿街道纵向输送。因此，斜交风下的街道峡谷最终浓度是以上两种扩散过程的共同作用的结果。4.1.3风速对扩散的影响DePaul和Sheik(19

51、86)在芝加哥市区一个街道峡谷中进行了一个示踪实验，结果表明，当环境风速在2-5m/s之间并于道路正交时，街道峡谷中只有一个涡流存在；当风速降低到小于 1.52.0m/s时，峡谷中的涡流似乎消失了。Yemenite和Wieland(1986)发现任何垂直于街道峡谷的气流都会在街道峡谷中产生涡流，涡流横向速度与建筑物顶面处横向速度分量成正比。尽管街道峡谷中涡流现象非常复杂，但有一个规律是相同的，即上层大气中风速加大时，峡谷内污染物与上层大气的扩散交换也随之加剧，从而使得峡谷内的污染物浓度降低。4.1.4阳光照射对扩散的影响街道峡谷内一定方向的日照，使得峡谷一侧的建筑物受热后温度是升，而引起局部气

52、流不均匀升温，改变峡谷内的流场特征，从而对污染物产生明显的影响。Nakamura和 Coke(1988)对街道中风与温度的分布进行了详细的量测，结果表明，由于受日照的不均匀加热作用，一天中不同时段峡谷内气流在各处稳定程度和扩散能力的明显差别。建筑物上部气流的方向与街道峡谷底部中线处气流的方向之间的关系，可简单描述为气流相对子墙身的镜面反射，在低风速条件下，建筑顶部与峡谷底部风速之的关系很分散。图42 不同风向的街道峡谷无量纲浓度等值线图4.2汽车排放污染物扩散理论随着社会经济的发展，汽车保有量的增加，传统的发动机机内、机外控制技术只能降低发动机的单车排放量，却不能控制城市环境的污染总量。既然污

53、染是必然存在的，我们可以再考虑结合其它方法进行控制。大气污染存在时，如果我们能迅速的将其浓度降低或者将其进行疏导，就相当于对污染进行了治理。这也就是利用污染物扩散理论，对城市大气环境污染总量加以控制。城市道路的特点就是在道路两侧存在着密集高层的建筑物，道路两边建筑物与道路构成的狭长型地形称为街道峡谷。影响因素主要为城市大气特性，也即风速、风向和日照。风速：城市上空或街道峡谷中的风速越大越有利于污染物的扩散。风向：空气对污染物扩散的影响可分为两种。其一，对于顺街道风向，可直接将污染物带至下风处，这就要求街道风向可直通郊外；其二，当风向与街道夹角大于300时，有利于街道峡谷空气涡流的形成，由于空气

54、涡流得存在，从而有利于污染物的扩散。阳光照射：由于建筑物的存在，使得街道内受到阳光照射程度不同，当街道不太宽(如建筑高度与街道宽度之比大于3)时，则会改变峡谷内的流场特性，从而明显降低污染扩散速度。金陵科技学院学士学位论文 第五章 汽车排放污染控制技术第5章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，主要是对汽车排放污染物中CO、HC、NOX及PM的排放量进行控制。因而本章也就分别对这四种污染物的机内控制技术、机外控制技术以及外环境控制技术进行分析研究。5.1机内控制技术由于当前汽油机的排放控制技术比较成熟，因而大大降低了对机内净化的要求。其燃烧过程的组织仍以优化动力性和经济

55、性为目标，而用燃烧以外的排气后处理技术来降低己生成的有害成份，因而汽油机的机内净化技术措施并不是很多很复杂。与汽油机相比，柴油机由于其排气后处理技术尚未达到完全实用阶段，目前主要还是依靠机内净化技术来降低其排放污染。降低柴油机NOX和PM排放技术对策，总体上可以分为燃烧改善、燃料改善和排气后处理三类，前两类为机内净化技术。5.1.1推迟点火(喷油)时间在第3章中，通过对汽车排放污染物的影响因素分析，我们已经知道通过减小点火提前角，能够使NOX和HC同时降低。因此，推迟点火提前角一直是最简单也是最普遍采用的排放控制技术。但通过推迟点火提前角来降低排放的效果是有限的，在不使动力性及经济性明显恶化的

56、前提下，NOX可降低10%30%。实际应用中要通过综合考虑排放特性、动力性及经济性来确定最佳点火提前角。5.1.2废气再循环通过前面对排放污染物生成机理的分析研究我们知道，NOX是在高温燃烧条件下产生的。因此，控制燃烧时的最高温度可以控制NOX的生成量。废气再循环就是在此基础上产生的一种降低NOX的排放控制措施。其工作原理如图5一2所示。一部分排气经EGR阀流回进气系统，稀释了新鲜混合气中的氧浓度，导致燃烧速度降低，同时还使新鲜混合气的比热容提高。两者都造成燃烧温度的降低，因而可以抑制NOX的生成。图52废气再循环系统工作原理图53 EGR降低NOX的效果图如图5一3所示，随着EGR率的增加，

57、NO的排放量迅速下降。由于这是靠降低燃烧速度和燃烧温度得到的，因而会导致全负荷时最大功率下降;中等负荷时的燃油消耗率增大，HC排放上升；小负荷特别是怠速时燃烧不稳定甚至失火。为此，一般在汽油机大负荷、起动及暖机、怠速时不使用EGR，而其它工况时的EGR率一般不超过20%，由此可降低NOX排放量的50%70%。为了精确控制EGR率，一般采用电子控制EGR阀系统。为了增强降低NOX的效果，可采用中冷EGR。5.1.3燃烧系统的优化设计对于汽油机而言，由于电控燃油喷射加三效催化剂技术使汽油机的排放大大降低，因而从排放控制的角度对汽油机燃烧室设计的要求明显低于柴油机，但并不能忽视合理的燃烧室设计对控制

58、汽油机排放的效果。紧凑的燃烧室结构可以使燃烧快速充分地进行，并减少淬熄效应，由此可降低CO和HC的排放;改善缸内气流运动，有助于加强油气混合，同样使燃烧快速充分地进行;还可以改善燃烧时的循环波动，而循环波动也是HC排放以及动力性和经济性恶化的重要原因。现在常用汽油机的典型燃烧室有浴盆型燃烧室、楔型燃烧室、半球型燃烧室、多球型燃烧室等。5.1.4提高点火能量和电控汽油喷射技术对汽油机来说，提高点火能量可以提高着火的可靠性，减小循环波动率，扩大混合气的着火界限。特别是伴随着汽油机燃烧稀薄化，无触点的高能电子点火系统得到了广泛的应用。提高点火能量的措施能增大极间电压，极间电压一般为1020KV，但最

59、高的有35KV。而电控汽油喷射系统由于能够更精确、更柔性地满足各种工况的参数优化要求，从而可以实现汽油机排放特性、燃油经济性和动力性的综合优化。此外，三效催化转化器与电控喷射系统的组合，已成为当前和将来较长时间内汽油机排放控制的最主要的技术。5.1.5增压及增压中冷增压可以大幅度提高柴油机进气的的密度，在足够大的条件下保证燃烧完全，因而容易抑制住汽油机炭烟和微粒的产生，CO和HC也会进一步降低。增压还可以使柴油机的功率提高30%100%；由于燃烧充分，加之泵气过程做正功，因而燃油经济性也好。如图5一5所示，在NOX不变的条件下，通过提高增压度使增大，结果使排气烟度和燃油消耗率都得到了明显的下降

60、。但增压伴随的压缩终了温度的升高和富氧环境氛围，可能造成NOX排放量的升高。对此，可采用增压中冷的方法使进气温度降低，以抑制NOX排放的恶化。国外经验表明，为稳定达到欧洲1排放法规的要求，重型车用柴油机应安装废气涡轮增压装置，而为了稳定达到欧洲2的要求，则应安装带中冷的增压系统。5.2机外控制技术20世纪70年代以前，汽、柴油机的排放控制主要是采用以改善发动机燃烧过程为主的机内净化措施，随着排放法规的日益严格，人们开始考虑包括催化转化器在内的各种排气后处理措施。下表为各种机外净化技术的分类和应用。5.2.1热反应器汽油机工作过程中的不完全燃烧产物CO和HC在排气过程中可以继续氧化，但必须有足够

61、的空气和温度以保证其高的氧化速率。因此在汽油机上一般都在紧靠排气管出口处装有热反应器，它有较大的容积和绝热保温部份，使反应器的内部温度高达6001000。同时在紧靠排气门处喷入空气(即二次空气)，以保证CO和HC氧化反应的进行。这种系统若设计匹配合理，可得到50%以上的净化效果，但对NOX无净化作用。为保证较高的排气温度，一般要加浓空燃比以及推迟点火时间，因而会导致燃油消耗率升高。在20世纪70年代到80年代，热反应器在国外汽油车上采用较多，但随着净化效率更高的催化器特别是三效催化器的普及，新生产的汽车上已不采用热反应器5.2.2三效催化转化器汽油机的三效催化转化器是安装在发动机的排气管路中，

62、通过氧化与还原反应，将发动机排气中的三种有害污染物一CO、HC和NOX转化成无害的H2O、CO2和N2。三效催化转化器主要由载体、催化剂涂层、活性组份、防振垫层、壳体组成。三效催化剂闭环控制系统是目前世界上最广泛应用的排气净化系统。在这个系统中，汽油机排气中的三种主要污染物CO、HC和NOX能同时被高效率地净化。三效催化转化器(TWC)对废气中的三种主要污染物(HC、CO、NOX)都具有加速其氧化、还原反应速度的作用。其中铂和把对HC、CO的氧化肥很高的活性，锗对促进NOX的还原有较高的活性。催化转化器净化效率与温度有较密切的联系，催化转化器只有达到一定温度后才能工作，一般三效催化转化器最理想的催化温度为500700。其氧化还原反应式如下：CO、HC氧化催化反应式： 4HC+5O24CO2+2H2O 2CO+O22CO2NOX还原催化反应式： 2NO+2CON2+2