机动车尾气污染与防治

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。
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1.3 机动车尾气污染
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1.3.1 机动车柴油机：NOx和颗粒物（黑烟）
机动车尾气污染与防治
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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
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1 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
（2）压缩行程（compression stroke)
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。
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（3）做功行程（power stroke)
（4）排气行程（exhaust stroke)
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
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2 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：
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。
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（1）进气行程（intake stroke)
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。
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
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°。
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，
（2）α >1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 。 CO 2 和 H 2 O 高温吸热发生热裂解反 应生成CO。
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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
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2.1.4 颗粒物及碳烟的形成
⑴颗粒物的成分：直径大约在0.1～10μ m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。
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3.1.2 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 ，
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优缺点 柴油机 汽油机
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不同工况下汽油机、柴油机污染物排放情况
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2.1 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 α <1 时，缺氧使 C 不能完全氧化成 CO 2 ， CO作为中间产物生成。
气体燃料 发动机
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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。
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。
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1.2 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
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
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2.1.2 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、
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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。
以柴油为 燃料 以汽油为 燃料
柴油机
以天然气、液化石油 气和其他气体为燃料
汽油机 四冲程 发动机
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2.1.3 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→NOx
⑵ 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）
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：α <1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。
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（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
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3.1.1 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。
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EGR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
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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。
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%
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3 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