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在此基础上,对国内外现有的汽车排放检测方法进行了分析,提出了我国实施检查和维护制度应采用的排放检测方法和标准。
此外,本论文还对未来汽车的保有量和排放污染进行了预测,并针对使用中的汽车还探讨了从维修保养、驾驶技术及日常用车习惯等方面减少汽车的排放污染。
这些研究工作,是对我国在用车排放控制的有益探索,将为今后进一步开展这方面的研究工作打下一定的基础。
1汽车排放污染检测与控制概述
1.1环境保护与汽车
研究表明,随着我国城市化进程的加快,城市里高楼林立,道路纵横,低空环境因污染物扩散阻力加大而难以有效改善。
据悉目前全国约1/5的城市大气污染严重,113个重点城市中1/3以上空气质量达不到国家二级标准。
特别是随着城市机动车数量的快速增长和工业企业外迁,机动车尾气逐渐成为部分大中城市大气污染的主要来源。
事实表明,近年来我国汽车工业快速发展,在拉动社会经济全面进步、改善人民生活质量的同时,也带来了空气严重污染等社会问题。
其中一个突出的现象就是一些城市已由过去的煤烟型污染转变成以机动车排放污染为主。
国内有些区域几乎常年出现灰霾天气,能见度明显下降。
研究表明灰霾天气与机动车排放的氮氧化物和碳氢化合物存在有明显的关系。
一些城市臭氧浓度逐步增高,个别城市发生光化学污染的几率明显增加。
而臭氧浓度增高与机动车排放的氮氧化物和碳氢化合物有密切关系。
早在1988年的监测结果表明:
北京市三环路内30条街道路中心和人行道大气中的CO超标率达到100%;
夏季69天中臭氧小时浓度值超标达530次,潜伏着发生光化学烟雾的危险。
从现状分析到环境监测数据佐证,均说明机动车尾气的排放已经成为我国大气污染的主要来源。
据资料介绍,大气所含CO、HC、NO污染物的75%、50%、50%来源于汽车排放。
北京市机动车排放污染物占大气污染物的比例为:
全年,C0:
39%、HC:
75%、NOX:
46%;
非采暖期CO:
61%、HC:
87%、NOX:
5%。
在汽车密度高的城市区和交通发达的工业区尤为严重。
空气污染不仅危害人类健康,而且破坏了大自然的生态平衡。
即使原来认为无害的CO2,现已认识到进人大气层后会产生温室效应,使地表温度和环境温度升高,促使海面上升,加速内陆沙漠化,森林和植物枯萎。
因此要限制汽油加铅量、采用先进技术、开发多能源内燃机,为控制污染、保护环境,各国政府组织了大量研究工作,采取了各种措施。
1.2我国大气污染状况现状
随着我国城市化步伐的加快,城市大气除受到以工厂排放和冬季取暖燃煤为主的污染外,以汽车尾气、建筑工地扬尘和城市垃圾为代表的新污染源逐年显著增加。
大多数地区,特别是人口稠密的城市都有来自各种污染源的混合污染物,工业与民用供热装置、工业生产过程、垃圾焚烧炉、汽车和其它燃油交通工具的尾气排放,使污染物的类型趋于更加复杂化和多元化。
这些污染物所造成的危害不但与其种类、浓度和释放量有关,而且在阳光紫外线的照射下,排放的污染物还能在大气中发生一系列的复杂反应,产生一些氧化性很强的产物,如臭氧、醛类、过氧酚基硝酸盐等,形成光化学污染二次污染。
例如,北京地区在逆温无风时,城市上空经常象被一个黑色的锅底所笼罩,它的形成就是二氧化硫和氮氧化物相互作用的结果。
随着我国汽车产量和保有量连续高速增长,它将对大气污染日益加剧。
就北京来说,其汽车保有盈已占全国的10%,它相当于日本东京或美国洛杉矶地区汽车保有量的1/8左右,其排出气体的污染程度是可想而知的,据北京环保所对北京三环路内检测数据表明,已超出大气质量法标准,汽车排放污染物已占全市总污染源排放量的一半左右,已成为污染大气环境的一个主要发生源。
控制汽车排放已是一个迫在眉睫需解决的问题。
我国汽车排放标准的限值控制较宽,轻型车排放标准只相当于欧洲70年代末控制水平;
排放标准是采用美国1970-1977年的炭罐收集法。
因此排放限值控制宽也是造成大城市汽车排放污染严重的因素之一。
我国汽车保养维修管理制度不规范、不完善。
据上海汽车研究所1994年3月一次对市区跟踪测试。
不少汽车的排放都在临界即将超标状态下工作,如稍加保养调整是完全可克服;
还有些车辆该大修的不大修,致使车辆在车况恶劣下运行。
我国大城市街道面积狭窄,再加上城市管理不规粗、执法不严,人行道上非法搭建、占地到处可见,使人、自行车、汽车在马路上混行,马路堵塞、汽车在息速下运行,加剧了污染物的排放。
1.3汽车排放控制技术的发展过程
表1.1美国汽车排放控制技术发展
Table1.1U.S.automobileemissioncontroltechnologydevelopment
1966-1973
曲轴箱强制通风系统(PCV),废气再循环系统(EGR),空气喷射净化
1974-1979
改进化油器,无触点点火,使用并改进催化剂
1980-1983
反馈(闭环)系统,进一步改进化油器和催化剂(包括三效催化剂),改进发动机,挥发性排放物控制
1984-1993
发动机改进,电子控制,燃油喷射,催化剂和EGR的进一步改进
1994-现在
进一步改进发动机,控制装置,供油,电预热催化剂和EGR,改进挥发性排放物控制,车载诊断(OBD)
目前从控制汽车排放限值来看,可分二大集团:
(1)以美日为首的高标准集团,除采用机内净化措施外,还采用加装催化转化器、无铅汽油,以使排放量降低80~95%。
(2)以大多数欧洲国家为主的低标准集团,只采用机内净化措施降低汽车排放量。
随着汽车产量和保有量的增长,目前世界上正发生三个过渡。
①以美日为首的控制汽车排放向纵深发展。
②一些欧洲国家,正向美国靠拢。
③由控制汽车排放无政府状态向低标准控制汽车排放限值标准过渡。
1.4国内外汽车排放标准
为了治理环境污染,各国根据环境污染的具体情况,制订有关环境保护的法律和大气污染治理目标,对各种污染源的排放提出控制要求,针对不同类型的机动车制订粗不同的排放标准,这些标准是要求强制执行的,因而也称为排放法规。
国际上在70年代初已实施汽油车关于气体污染物排放法规,1988年起实施微粒排放法规,我国1983年、1989年、1993年和1994年均制订了标准。
现实施和将实施的排放标准有:
轻型汽车污染物排放标准,车用汽油机排气污染物排放标准,汽油车燃油蒸发污染物排放标准,汽车曲轴箱污染物排放标准等,(北京市1994年7月1日还同时执行三个地方标准,替代GB14761.5一93、GB14761.6一93、GB147617一93)但只相当国外70年代末水平,而我国仍有25%的在用汽车有害排放物超标。
所以汽车排放污染物控制,我国还处于起步和准备阶段。
欧洲标准是由欧洲经济委员会(ECE)的排放法规和欧共体(EEC)的排放指令共同加以实现的,欧共体(EEC)即是现在的欧盟(EU)。
排放法规由ECE参与国自愿认可,排放指令是EEC或EU参与国强制实施的。
汽车排放的欧洲法规(指令)标准1992年前巳实施若干阶段,欧洲从1992年起开始实施欧Ⅰ(欧Ⅰ型式认证排放限值)、1996年起开始实施欧Ⅱ(欧Ⅱ型式认证和生产一致性排放限值)、2000年起开始实施欧Ⅲ(欧Ⅲ型式认证和生产一致性排放限值)、2005年起开始实施欧Ⅳ(欧Ⅳ型式认证和生产一致性排放限值)。
汽车排放的国标与欧标不一样。
国标是根据我国具体情况制定的国家标准。
欧标是欧共体国家成员通行的标准。
欧标略高于国标。
目前在我国新车常用的欧Ⅰ和欧Ⅱ标准等术语,是指当年EEC颁发的排放指令。
例如适用于重型柴油车(质量大于3.5吨)的指令“EEC88/77”分为两个阶段实施,阶段A(即欧Ⅰ)适用于1993年10月以后注册的车辆;
阶段B(即欧Ⅱ)适用于1995年10月以后注册的车辆。
汽车排放的欧洲法规(指令)标准的内容包括新开发车的型式认证试验和现生产车的生产一致性检查试验,从欧Ⅲ开始又增加了在用车的生产一致性检查。
汽车排放的欧洲法规(指令)标准的计量是以汽车发动机单位行驶距离的排污量(g/km)计算,因为这对研究汽车对环境的污染程度比较合理。
同时,欧洲排放标准将汽车分为总质量不超过3500公斤(轻型车)和总质量超过3500公斤(重型车)两类。
轻型车不管是汽油机或柴油机车,整车均在底盘测功机上进行试验。
重型机由于车重,则用所装发动机在发动机台架上进行试验。
目前,世界汽车排放标准并立,分为欧洲、美国、日本标准体系。
欧洲标准测试要求相对而言比较宽泛,是发展中国家大都沿用的汽车尾气排放体系。
并且,由于我国的轿车车型大多从欧洲引进生产技术,中国大体上采用欧洲标准体系。
2汽车排放污染物的成因及其危害
汽车排放的污染物主要来源于内燃机。
汽车尾气排放的主要污染物为:
一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物和铅等。
一氧化碳(CO)和人体红细胞中的血红蛋白亲和生成碳氧血红蛋白,从而削弱血液向各组织输送氧的功能,造成感觉、反应、理解、记忆力等机能障碍,重者导致生命危险。
氮氧化物(NO、NO2)都是对人体有害的气体,特别是对呼吸系统有危害。
据统计,机动车20万辆以上的城市,排放的氮氧化物所造成的空气污染占空气中氮氧化物(NOX)污染比例已上升到40%以上。
因此机动车污染已成为各城市的环境公害之一,做好机动车排污检测管理工作,是市政府有效遏制机动车污染的重要手段。
内燃机的排气成分随内燃机的类型及运转条件的改变而改变。
汽油机中,这些有害排放物约占废气总量的5%,而一辆机动车所排放的有害废气相当于四辆小轿车。
城市大气污染物中氮氧化合物居高不下,主要是由汽车尾气引起的。
特别在夏天阳光的照射条件下,NO2和O3,SO2可产生光化学反应,生成淡蓝紫色的光化学烟雾,其毒害更大。
在国内一些城市,汽车尾气污染已占大气污染比重的50%。
2.1一氧化碳的危害
一氧化碳是燃料不完全燃烧后产生的一种无色、无味、无刺激性的有害气体。
一氧化碳是汽油机排放浓度最高的有害气体,人吸入一氧化碳后,非常容易和血液中的血红蛋白结合,他的结和力是氧的300倍,因此肺里的血红蛋白不与氧结合而与一氧化碳结合,人就会出现中毒现象,如反应能力、视敏度下降等,一氧化碳中毒的中期症状是咳嗽、头晕、恶心、呕吐、胸痛、呼吸困难,严重时会发生虚脱昏迷甚至死亡。
CO的容许限度规定为8h内100ppm。
如1h内吸入500ppm的CO,就会出现中毒症状,并危害中枢神经系统,造成感觉、反应、理解、记忆等机能障碍,严重时引起神经麻痹。
如1h内吸入1000ppm的CO,就会发生死亡。
2.2碳氢化合物的危害
碳氢化合物是具有刺激性的气体,其浓度量小于一氧化碳,碳氢化合物中大部分对人体健康的直接影响并不明显。
汽车尾气中的碳氢化合物有200多种,其中C2H4在大气中的浓度达0.5ppm(十万分之一)时,能使一些植物发育异常。
碳氢化合物具有一定的毒性和易燃易爆的特性,其中的苯类物质又具有致癌作用,对人的呼吸系统、神经系统、造血系统都有严重的损坏作用。
碳氢化合物形成酸雨,污染湖泊、土壤,影响林业渔业、牧业生产,侵蚀石质和某些金属建筑物等。
2.3氮氧化合物的危害
氮氧化合物是在燃料混合均匀,燃料得到极大的充分燃烧时,在高温富氧的情况下生成的。
气缸充量中的氮在高温条件下与充量中的一定量的氧发生化学反应,生成氮氧化合物(一氧化氮和二氧化氮),一般温度高于1300℃时开始生成氮氧化合物,随温度升高,生成量增加。
氮氧化合物含量较少,但毒性很大,其毒性是含硫氧化物的3倍,氮氧化合物进入肺部后,能形成亚硝酸和硝酸,对肺组织产生剧烈刺激,增加肺毛细血管的通透性,最后造成肺气肿,亚硝酸则与血红蛋白结合,形成高铁血红蛋白,引起组织缺氧。
氮氧化合物的最大危害是形成光化学烟雾,氮氧化合物与碳氢化合物在日光照射下会生成化学烟雾。
光化学烟雾能使人眼红、头痛、手足抽搐,还能使植物枯死,橡胶破裂等。
3汽车排放污染物的影响因素
汽车内燃机排气所造成的公害,对汽油机而言,CO、HC和NOX是主要的有害成分,而光化学烟雾是由HC和NOX转化而成的。
空燃比(AF):
是指可燃混合气中空气与燃料的质量比。
理论上,1kg汽油完全燃烧需要空气14.7kg。
故对于汽油机而言,空燃比为14.7的可燃混合气可成为理论混合气。
若可燃混合气的空燃比小于14.7,则意味着其中汽油含量有余(亦即空气量不足),可称之为浓混合气。
同理,空燃比大于14.7的可燃混合气则可称为稀混合气,应当指出,对于不同的燃料,其理论空燃比数值是不同的。
过量空气系数(
):
=燃烧1kg燃料所实际供给的空气质量/完全燃烧1kg燃料所需的理论空气质量由此定义表达式可知:
无论使用何种燃料,凡过量空气系数
=1的可燃混合气即为理论混合气;
<1的为浓混合气;
>1的则为稀混合气。
3.1影响一氧化碳生成的因素
当混合气混合不均匀时,汽油机是预先混和混合气的,所以即使在α>
1时混合气也不可能绝对的均匀,总会有过浓区,加上进气管壁面上有汽油膜的存在,油膜也会随着进气边流动边蒸发,也会造成混合气不均匀,而且各缸的均匀性也不相等,所以实际上即使在α>
1时也会产生CO。
CO2和水在高温时离解,即使在稀混合气燃烧时,有足够的氧气,但是由于发动机缸内温度很高,当温度超过2000℃时CO2时就会发生高温离解反应;
H2O在高温时也会分解成H2和O2,H2参加反应,使CO2还原成CO。
(1)进气温度的影响
一般情况下,冬天气温可达-20℃以下,夏天在30℃以上,爬坡时发动机罩内T>
80℃。
随着环境温度的上升,空气密度变小,而汽油的密度几乎可认为不变,因此使化油器供给的混合比R(即AF)随吸入空气温度的上升而变浓,一定运转条件下,进气空气温度与混合比的关系,大致和绝对温度的方根成反比的理论相一致。
即空燃比随吸入空气温度的上升而变浓,排出的一氧化碳将增加。
因此,冬天和夏天发动机排放情况会有很大的不同。
(2)大气压力的影响
通过试验证明,如果进气管压力降低,空气密度就会下降。
那么空燃比就会下降,CO排放量也就将增大。
(3)进气管真空度的影响
当汽车急剧减速时,发动机真空度在68kPa以上时,停留在进气系统中的燃料,在高真空度下的作用下,急剧蒸发而进入燃烧室,造成混合气瞬时过浓,使燃烧状况恶化,CO浓度也将增加到怠速时的浓度。
(4)怠速转速的影响
通过试验证明,在怠速转速为600r/min时,CO14%,700r/min时,降为1%左右,这说明随着怠速转速的提高,可以有效地降低排气中CO浓度。
(5)发动机工况的影响
发动机负荷一定,一氧化碳的排放量随转速增加(空气流量增加)而降低,到一定的车速后,变化不大。
这是由于化油器供给发动机的空燃比随流量增加接近于理论空燃比的结果。
3.2影响碳氢化合物形成的因素
(1)燃烧室内沉积物的影响
发动机使用一段时间后,就会在燃烧室壁面、活塞顶、进排气门上形成沉积物,沉积物具有多孔性和固液多相性,它的生成机理更为复杂。
沉积物沉积于间隙中,由于间隙容积的减少,可能使由于狭隙效应而生成的HC排放量下降,但同时又由于间隙尺寸减小而可能使HC排放量增加。
这种由燃烧室内沉积物所产生的占排放总量的10%左右。
(2)混合气质量的影响
混合气质量的优劣主要体现在燃油的雾化蒸发程度、混合气的均匀性、空燃比和缸内残余废气系数的大小等方面。
混合气的均匀性越差,则HC排放越多。
当空然比略大于理论空然比时,HC有最小值。
混合气过浓或过稀均会发生不完全燃烧,废气相对过多则会使火焰中心的形成与火焰的传播受阻甚至出现断火,致使HC的排放量增加。
(3)运行条件的影响
①负荷的影响。
发动机试验结果表明,当空燃比和转速保持不变,并按最大功率调节点火时刻时,改变发动机负荷,对HC的相对排放浓度几乎没有影响。
但当负荷增加时,HC排放量的绝对值将随着废气流量的变大而几乎呈线性增加。
②转速的影响。
发动机转速对HC排放浓度的影响非常明显。
当转速较高时,HC排放浓度明显下降,这是由于气缸内的混合气扰流混合改善了燃料的燃烧过程,促进了排气管内的氧化反应。
③点火时刻的影响。
点火时刻对HC排放浓度的影响体现在点火提前角上。
点火提前角减小,可使HC下降,这是由于点火延迟使混合气燃烧时的激冷壁面面积减小,同时使排气温度增高,促进了HC在排气管内的氧化。
④壁温的影响。
燃烧室的壁温直接影响着激冷层的厚度和HC的排气后反应。
⑤燃烧室面容比的影响。
燃烧室面容比大,单位容积的激冷面积也随之增大,未燃烃总量必然也增大。
降低燃烧室面容比是降低汽油机HC排放的一项重要措施。
3.3影响氮氧化物形成的因素
(1)过量空气系数和燃烧室温度的影响
由于过量空气系数
直接影响燃烧时的气体温度和可利用的氧浓度,所以对NOX生成的影响是很大的。
当
小于1时,由于缺氧,即使燃烧室内温度很高,NOX的生成量仍会随着的降低而降低,此时氧浓度起着决定性作用;
但当
大于1时,NOX的生成量随温度升高而迅速增大,此时温度起着决定性作用。
由于燃烧室的最高温度通常出现在
≈1.1,且此时也有适量的氧浓度,因此NOX排放浓度出现峰值。
如果
进一步增大,温度下降的作用占优势,则导致NO生成量减少。
(2)残余废气分数的影响
汽油机中燃烧室内的混合气由空气、已蒸发的燃油蒸气和已燃气组成,后者是前一工作循环留下的残余废气,或由废气再循环系统(EGR)中从排气管回流到进气管并进入气缸的燃烧废气。
残余废气分数xi定义为:
缸内残余废气质量mi与进气终了气缸内充气质量mc之比:
xi=mi/mc
式中:
mc=me+mi+mr,me和mr分别为进入气缸的空气和燃油质量。
残余废气分数主要取决于发动机负荷和转速。
减小发动机负荷即减小节气门开度和提高转速,均加大了进气阻力,使残余废气分数增大。
压缩比较高的发动机残余废气分数较小。
通过废气再循环可大大增加气缸中的残余废气分数。
当可燃混合气中废气分数增大时,既减小了可燃气的发热量又增大了混合气的比热容,都使最高燃烧温度下降,从而使NO排放降低。
(3)点火时刻的影响
由于点火时刻对燃烧室内温度和压力有明显影响,因此其对NO生成的影响也很大。
图2-10表示了三种空燃比下排气中NO的体积分数随点火提前角
的变化趋势。
从该图可以看出:
随着
的减小,NO排放量不断下降;
值很小时,下降速率趋缓。
增大点火提前角使较大部分燃料在压缩上止点前燃烧,增大了最高燃烧压力值,从而导致较高的燃烧温度,并使已燃气在高温下停留的时间较长,这两个因素都将导致NO排放量增大。
因此延迟点火和使用比理论混合气较农或较稀的混合气都能使NO排放降低,但同时也会导致发动机热效率降低,严重影响发动机经济性、动力性和运转稳定性,因此应慎重对待。
3.4汽油机微粒
汽油机中的排气微粒有三种来源:
含铅汽油中的铅、有机微粒(包括炭烟)和来自汽油中的硫所产生的硫酸盐。
车用汽油机用含铅量0.15g/L的含铅汽油运转时,微粒排放量在100~150mg/km范围内,其主要成分为铅化物,铅质量分数占25%~60%,微粒尺寸分布为80%的直径小于0.2m,这种微粒是由排气中的铅盐冷凝生成的。
因此,以质量计的排放量在发动机冷起动时较高。
目前,由于含铅汽油的淘汰及贵金属三元催化剂的应用,铅微粒当然也不再排放。
硫酸盐排放主要涉及排放系统中有氧化催化剂的车用发动机。
汽油中的硫在燃烧中转化为SO2,被排气系统中催化剂氧化成SO3后,与水结合生成硫酸雾。
因此,汽油机硫酸盐的排放量直接取决于汽油中的硫含量。
炭烟排放只在使用很浓的混合气时才会遇到,对调整良好的汽油机不是主要问题。
此外当发动机技术状态不良(例如气缸活塞组严重磨损)导致润滑油消耗很大时,会使排气冒蓝烟,这是未燃烧润滑油微粒构成的气溶胶。
此时发动机性能明显恶化,需立即检修。
4汽油机机内
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