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汽油车冷起动挥发性有机物排放及生成机理的研究

张铁臣  
【摘要】: 挥发性有机物(Volatile Organic Compounds, VOCs)是汽油车主要有害排放物之一,对人体健康和大气环境危害很大,而冷起动阶段汽油车VOCs排放恶劣。本文在国内外学者研究基础上,开发了一种汽车尾气采集系统,采集并检测了汽车尾气中VOCs,包括多环芳香烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs)、羰基化合物(Carbonyl Compounds)、细粒子(nano-particulate)等,重点研究了其在冷起动阶段各工况的排放特性;同时,利用KIVA-3V软件,对冷起动工况下碳氢化合物(HC)生成机理及排放规律进行了模拟研究。论文主要研究工作和结果如下: 1.基于常规的汽车尾气检测平台,开发了汽车尾气采集系统,该系统在按国III方法检测尾气常规排放的同时,可瞬时完成所需工况点的尾气采集,且能够连续采集多个工况点,便于对VOCs排放结果的分析、对比。根据汽油机尾气排放特点,针对不同组分的化学特性,设计了合理的尾气采集方案。 2.建立了汽油机VOCs主要有害排放物的前处理和检测方法,其中被检测PAHs的回收率大于90 %,相对标准偏差均低于15 %;醛酮类物质的平均回收率在96.07~99.99 %,各衍生物的相对标准偏差为0.193~0.409 %,具有较高的测试准确度,满足对于极低含量物质的检测。 3.汽油车起动工况下的VOCs排放量非常大,可达到10000ppm;按美国国家环保局(EPA)TO14、TO15标准,汽油车排放VOCs各组分中,芳香烃分担率很高,达50 %左右,其中以甲苯、二甲苯、三甲苯等所占比例较大;尾气中含有多环芳香烃,气态且环数较少的PAHs排放较高,如萘、苊、菲、芴等二环或三环组分,占PAHs的98 %左右;尾气中含大量细粒子,冷起动工况下直径小于1μm的粒子数量浓度可达到4.35x107个/cm3。 4.利用KIVA-3V软件,构建了一个新的异辛烷氧化反应的骨架机理和新的液滴碰撞模型(MIC),并将其添加到KIVA-3V软件的动力学反应模块中,模拟了不同缸内温度下HC的生成情况,研究了点火提前角、进气温度、点火能量等因素对冷起动HC生成和排放的影响。模拟计算结果显示,适当减小冷起动时的点火提前角,增加后燃,能迅速的提高缸内温度,可减少冷起动HC排放;提高进气温度和加大点火能量也是降低冷起动下HC排放的可用措施。


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