杜西嶺

摘要:汽車工業(yè)的發(fā)展和汽車數(shù)量的增加,使汽車排放對(duì)環(huán)境的危害日益加劇。研究汽車排放污染的防治技術(shù)成了當(dāng)前的重要課題。本文分析了汽車排放污染與人類生存環(huán)境的關(guān)系,介紹了應(yīng)從發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、燃料提供等技術(shù)及加強(qiáng)車輛維修保養(yǎng)、開發(fā)新型環(huán)保汽車等措施著手,控制汽車排放,減少大氣污染。

關(guān)鍵詞:汽車排放物成分危害控制

0 引言

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展和汽車保有量的急劇增加,汽車排放對(duì)大氣的污染日趨嚴(yán)重。據(jù)環(huán)保部門的研究結(jié)果,北京市機(jī)動(dòng)車排放對(duì)大氣污染物中CO、HC、NO的分擔(dān)率分別為63.4%、73.5%和46%;上海市中心地區(qū)機(jī)動(dòng)車排放對(duì)大氣中CO、HC、NO的分擔(dān)率分別為86%、96%和56%。許多國(guó)家的大中城市的空氣污染有五成以上來(lái)源于汽車所排出的廢氣。因此,必須嚴(yán)格控制汽車的排放污染,研究汽車排放污染的防治技術(shù)也成了當(dāng)前的重要課題。

1 汽車排放污染物的主要成分及其危害

汽車排放的污染物主要是一氧化碳CO、碳?xì)浠衔颒C、氮氧化物NOx和微粒(碳煙、鉛化合物等)等,它們對(duì)人類造成了很大的危害:

CO是發(fā)動(dòng)機(jī)中因空氣供給不足或其他原因造成的不完全燃燒時(shí)所產(chǎn)生的一種無(wú)色、無(wú)味但有劇烈毒性的氣體。CO被吸入人體后,與肺里的血紅蛋白結(jié)合,致使人體缺氧、引起頭痛、頭暈、嘔吐等中毒癥狀,嚴(yán)重時(shí)造成死亡。

HC是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的未燃部分。單獨(dú)的HC只有在濃度相當(dāng)高的情況下才會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生影響。但是當(dāng)Hc和NO2混合在一起,經(jīng)強(qiáng)烈陽(yáng)光照射后產(chǎn)生的高濃度臭氧,會(huì)對(duì)人的眼睛、呼吸器官及皮膚等產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激。

NOx是空氣中的N2與O2在高溫高壓條件下反應(yīng)生成的。NO2有劇烈的毒性,會(huì)刺激人的眼睛和呼吸道,引起喘息、支氣管炎及肺氣腫等。此外,NOx與HC受陽(yáng)光照射后產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),形成光化學(xué)煙霧。光化學(xué)煙霧不僅對(duì)人體有害,還會(huì)損害植物、降低大氣能見(jiàn)度等。

微粒的排放對(duì)汽油車來(lái)說(shuō)主要是鉛化合物、硫酸鹽和低分子物質(zhì)。鉛化合物被人吸入并積累到一定程度時(shí),會(huì)影響造血功能,造成貧血及使心、肺等器官發(fā)生病變。對(duì)于柴油車,微粒的排放主要是碳煙及其所吸附的高分子有機(jī)物。它除了本身對(duì)人的呼吸系統(tǒng)有害之外,還會(huì)妨礙車輛駕駛員和行人的視線,成為引發(fā)交通事故的因素。

2 汽油機(jī)排放控制技術(shù)

2.1 三元催化轉(zhuǎn)換技術(shù) 三元催化轉(zhuǎn)換器中裝有促使廢氣中有害物進(jìn)行氧化或還原反應(yīng)的催化劑(鉑、銠和鈀)。當(dāng)廢氣流經(jīng)催化器時(shí),通過(guò)化學(xué)反應(yīng)使有害氣體轉(zhuǎn)化為無(wú)害氣體。催化轉(zhuǎn)換器的凈化效果受混合氣濃度和工作環(huán)境溫度的影響。為提高轉(zhuǎn)化效率,可采用以下措施:

2.1.1 冷機(jī)時(shí)稀薄燃燒 發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)時(shí),催化劑活性較差,不利于降低HC的排放。這時(shí),降低HC的排放成為主要課題。在采用的方法中,稀薄燃燒技術(shù)最為有效。為保證空燃比的稀薄化,在進(jìn)氣口內(nèi)設(shè)置渦流控制閥,改善發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng),提高充氣效率;改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng),合理組織燃燒室內(nèi)的氣體流動(dòng),促進(jìn)火焰?zhèn)鞑?改善著火穩(wěn)定性,使發(fā)動(dòng)機(jī)在稀混合氣下維持穩(wěn)定燃燒,從而降低HC的排放量。

2.1.2 減少未燃HC 活塞的第一道環(huán)岸脊(指第一道環(huán)槽至活塞頂之間的區(qū)域)和氣缸壁之間,燃燒的火焰不能達(dá)到,此區(qū)域內(nèi)的未燃HC直接從氣缸內(nèi)排出。提高第一道活塞環(huán)的位置,即減小第一道活塞環(huán)岸的高度,可以減少活塞環(huán)與缸壁間的容積,從而減少未燃HC的排放。

為減少活塞環(huán)槽的磨損,一般情況下,對(duì)活塞表面實(shí)施氧化鋁鍍膜處理,但由于在活塞表面易形成許多細(xì)孔,被吸附的HC在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣行程時(shí)排出機(jī)外。為解決這一矛盾,在對(duì)活塞表面實(shí)施氧化鋁鍍膜處理時(shí),只對(duì)活塞環(huán)槽進(jìn)行處理,活塞頂面不進(jìn)行處理,有利于進(jìn)一步降低HC的排放。

2.1.3 提高催化劑的早期活性 為促使催化劑的早期活性,有效的方法是提高其升溫特性和降低其活性溫度。提高升溫特性的主要方法是采用雙重排氣管和使用“薄壁式”催化劑載體。合理選擇低溫特性好的貴重金屬,如在催化劑中提高鉑的含量,同時(shí)提高空燃比的稀薄化,是降低催化劑活性溫度的有效手段。

2.1.4 催化劑強(qiáng)制加熱 使用電加熱催化劑(EHC)和在排氣管內(nèi)利用排放氣體的燃燒產(chǎn)生的熱量,促使催化劑升溫,即排氣燃燒器(EGC)能進(jìn)一步提高催化劑的早期活性。EHC采用電流預(yù)熱的方法,可使金屬載體的催化器在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后的5～10s內(nèi)達(dá)到催化劑的起燃溫度,從而減少起動(dòng)后最初幾分鐘內(nèi)的有害物的排放。EHC已達(dá)到實(shí)用化水平,但其電氣系統(tǒng)較復(fù)雜。EGC的原理是在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后,在濃空燃比狀態(tài)下產(chǎn)生的CO等可燃成分與二次空氣供給的氧氣相混合,形成可燃混合氣,在排氣系統(tǒng)中設(shè)置排氣燃燒器,通過(guò)火花塞點(diǎn)火裝置,點(diǎn)燃未燃混合氣,利用燃燒產(chǎn)生的熱量提高催化劑的早期活性,同時(shí)還能燃燒凈化發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后的未燃HC成分。EGC技術(shù)雖然處于研制階段,但其催化轉(zhuǎn)化效率高,大有超過(guò)EHC之勢(shì)。

2.2 廢氣再循環(huán)技術(shù) 廢氣再循環(huán)(EGR)是目前常用于控制內(nèi)燃機(jī)NOx排放的有效措施之一。它把一定數(shù)量的廢氣引入發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng),使發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣中惰性氣體的比例增加。由于這些惰性氣體有較高比熱,使經(jīng)再循環(huán)廢氣稀釋的混合氣的比熱增高,致使發(fā)動(dòng)機(jī)最高燃燒溫度下降,由于再循環(huán)廢氣對(duì)新混合氣的稀釋,降低了混合氣中氧氣的濃度,因而廢氣再循環(huán)破壞了NOx的生成條件,從而有效抑制了NOx的生成。

2.3 二次空氣供給技術(shù) 二次空氣供給裝置可將新鮮空氣送入排氣管內(nèi),利用廢氣中的高溫,使排氣中的HC和CO進(jìn)一步氧化,達(dá)到排氣凈化的目的。

3 柴油機(jī)排氣凈化技術(shù)

柴油機(jī)排放污染主要是NOx和微粒,其排出的CO和HC僅為汽油機(jī)的1/10或更少。除廢氣再循環(huán)技術(shù)外,近年來(lái),柴油機(jī)排放控制技術(shù)的發(fā)展主要圍繞以下幾個(gè)方面進(jìn)行:

3.1 燃燒系統(tǒng)直噴技術(shù) 柴油機(jī)污染物的排放量很大程度上取決于氣缸內(nèi)的燃燒過(guò)程,改進(jìn)燃燒過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)(如燃燒噴射系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、進(jìn)氣口形狀和燃燒室形狀等)都會(huì)改善燃燒過(guò)程。燃燒系統(tǒng)直噴技術(shù)的燃燒效率高,比非直噴式系統(tǒng)節(jié)油5%～10%,但要求發(fā)動(dòng)機(jī)吸入較多的空氣。目前,這種技術(shù)基本上成熟,對(duì)控制柴油機(jī)排放污染起到了一定的作用。預(yù)計(jì)不久的將來(lái),相比分隔式燃燒系統(tǒng),直噴技術(shù)將占主導(dǎo)地位。

3.2 廢氣渦輪增壓與中冷技術(shù) 廢氣渦輪增壓技術(shù)是使發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化、提高輸出功率的有效措施,也是現(xiàn)代柴油機(jī)的代表性技術(shù)。經(jīng)廢氣渦輪增壓后,進(jìn)氣溫度提高,滯燃期縮短,混合氣適當(dāng)變稀,這些因素使噪聲、CO和HC排放以及油耗都有所降低。但是,進(jìn)氣溫度上升使NOx增多,空氣密度因溫升而下降,也使進(jìn)氣量未達(dá)到期望的水平。于是出現(xiàn)了將增壓后空氣再進(jìn)行冷卻的中冷技術(shù),使進(jìn)氣溫度降低,循環(huán)進(jìn)氣量更大,NOx排放下降而功率進(jìn)一步增加。采用廢氣渦輪增壓與中冷技術(shù)是降低NOx和微粒、改善柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和提高動(dòng)力性的最佳措施。

3.3 燃油噴射高壓化和多次噴射技術(shù) 燃油噴射系統(tǒng)是柴油機(jī)的心臟,也是發(fā)展最快的系統(tǒng)。新型的柴油機(jī)共軌燃油噴射系統(tǒng),噴油壓力普遍提高,其噴油壓力可達(dá)140MPa。柴油機(jī)噴油壓力越高,燃油和空氣的混合就越好,排煙就越少。與此同時(shí),將電子技術(shù)應(yīng)用于燃油噴射過(guò)程也是一個(gè)發(fā)展方向。有些廠商已將電子技術(shù)應(yīng)用到燃油噴射的控制上,非常精確地控制噴油量和噴油時(shí)間,以適應(yīng)不同的道路工況,并且有的還具有自適應(yīng)能力,可以補(bǔ)償零件磨損和零件制造偏差引起的變化,以取得NOx、微粒排放量和燃油經(jīng)濟(jì)性之間的最佳配合。采用燃油多次噴射技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)柔和燃燒,亦可減少柴油機(jī)碳煙與顆粒的排放。

3.4 排氣后處理技術(shù) 柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)方案中,目前被認(rèn)為較實(shí)用的有:氧化催化轉(zhuǎn)化器、微粒捕集器和NOx還原催化轉(zhuǎn)化器。其中,微粒捕集器是目前國(guó)際上最接近商品化的柴油機(jī)微粒后處理技術(shù)。

4 汽車使用維修方面

4.1 提高駕駛員素質(zhì)與科學(xué)的交通管理相結(jié)合 汽車駕駛員的駕駛技術(shù)對(duì)在用車的使用狀況及排放性能的影響很大。隨著汽車保有量的不斷增加,駕駛員隊(duì)伍不斷擴(kuò)大,駕駛員的業(yè)務(wù)素質(zhì)也參差不齊。為了控制汽車使用過(guò)程中排放超標(biāo),駕駛員應(yīng)做到在駕駛的過(guò)程中減少怠速運(yùn)行時(shí)間、少用強(qiáng)制怠速、盡量減少制動(dòng)次數(shù)、緩踩節(jié)氣門、在允許范圍內(nèi)盡可能提高車速,同時(shí)還要合理選擇潤(rùn)滑油、使用無(wú)鉛汽油、保持發(fā)動(dòng)機(jī)正常水溫、嚴(yán)禁超載行駛。

隨著我國(guó)機(jī)動(dòng)車數(shù)量的不斷增加,道路交通對(duì)機(jī)動(dòng)車的排放也有很大影響。特別對(duì)大中城市而言,科學(xué)的交通管理和控制對(duì)減少機(jī)動(dòng)車排放極為重要。在十分擁擠的交通環(huán)境中,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)大多在低速和怠速狀況下運(yùn)行,燃油沒(méi)有充分燃燒,排放必然惡化。因此,治污和治堵是相輔相成的關(guān)系,應(yīng)同步進(jìn)行方能取得實(shí)效。在城市交通管理中,除了加快城市道路的建設(shè)外,還應(yīng)采取合理的單行和限速措施,建立科學(xué)的路口信號(hào)控制系統(tǒng)。這樣可以明顯減少CO、HC、NOx和顆粒的排放量,降低油耗并保持較高的車輛通行量。

4.2 大力加強(qiáng)在用車輛的檢查維護(hù) 新開發(fā)的車型逐步采用車載診斷系統(tǒng),對(duì)車輛上與排放相關(guān)的部件的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,確保實(shí)際運(yùn)行中的汽車穩(wěn)定達(dá)到設(shè)計(jì)的排放削減效果,并為在用車的檢查維護(hù)制度提供新的支持技術(shù)。

維護(hù)制度是最經(jīng)濟(jì)、合理、科學(xué)、有效的控制在用車排放的措施。隨著新車的排放法規(guī)不斷加嚴(yán),地方環(huán)保和車管部門應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況不斷調(diào)整各車型的檢測(cè)方法和檢測(cè)頻率,以保證所有機(jī)動(dòng)車都得到很好的維護(hù)保養(yǎng)。

4.3 加速老舊車輛的更新?lián)Q代 依據(jù)國(guó)家相關(guān)法律法規(guī)及汽車淘汰標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)污染物排放的條款規(guī)定,經(jīng)修理和改造或采用排氣污染控制技術(shù)后排放污染物仍超過(guò)國(guó)家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)的車輛應(yīng)堅(jiān)決淘汰。

5 研制可替代能源的環(huán)保型汽車

要保持汽車工業(yè)持續(xù)發(fā)展,必須高度重視推動(dòng)汽車環(huán)保技術(shù),開發(fā)出可替代能源的環(huán)保型汽車,其主攻方向是使用替代能源,降低廢氣排放,減少燃油消耗。這是世界各國(guó)都在努力的方向。

目前我國(guó)環(huán)保型汽車研究的主要目標(biāo)是:電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性及免維護(hù)性;電源動(dòng)力蓄電池和提高比能量及比功率,達(dá)到長(zhǎng)壽命、低成本、充電快捷方便、密封免維護(hù);天然氣內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的可靠性,燃燒系統(tǒng)的合理性及儲(chǔ)氣裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)和混合動(dòng)力型電動(dòng)汽車的研究與開發(fā)等;采取有效措施降低環(huán)保型汽車的研究、設(shè)計(jì)、制造費(fèi)用成本,最大限度地實(shí)現(xiàn)高可靠性和大眾化價(jià)格等。

發(fā)展環(huán)保型汽車新產(chǎn)品,是有效治理人為環(huán)境污染的必要措施,是保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑,對(duì)維持人類與自然環(huán)境的和諧統(tǒng)一有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。

6 結(jié)束語(yǔ)

汽車排放控制是一項(xiàng)綜合而復(fù)雜的課題。 首先應(yīng)該采取機(jī)內(nèi)凈化措施,即通過(guò)改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì),采用電子控制、可變氣門正時(shí)和升程、可變進(jìn)氣管等先進(jìn)技術(shù),優(yōu)化燃燒條件,減少未完全燃燒混合氣的生成。其次對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)工作已產(chǎn)生的有害氣體,通過(guò)加裝三元催化轉(zhuǎn)化器和氧傳感器,將有害氣體HC、CO和NOx轉(zhuǎn)化為CO2、H2O和N2。為了進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)化效率,可以通過(guò)優(yōu)化布置轉(zhuǎn)化器安裝位置,采用排氣歧管后置、安裝加熱器等措施。第三,在采用EGR系統(tǒng)減少NOx排量時(shí),一定要與電子控制系統(tǒng)相結(jié)合,合理控制再循環(huán)到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中的廢氣量。在汽車使用維修、燃料提供和新型車研制方面,經(jīng)過(guò)科學(xué)的管理、深入的研究和大膽的構(gòu)想,對(duì)排放控制也會(huì)產(chǎn)生積極意義。

參考文獻(xiàn):

[1]汽車排放污染物控制實(shí)用技術(shù).交通部公路司.人民交通出版社.