汽車排放污染與控制

摘要:汽車工業的發展和汽車數量的增加，使汽車排放對環境的危害日益加劇。研究汽車排放污染的防治技術成了當前的重要課題。本文分析了汽車排放污染與人類生存環境的關系，介紹了應從發動機燃燒、結構設計、燃料提供等技術及加強車輛維修保養、開發新型環保汽車等措施著手，控制汽車排放，減少大氣污染。

關鍵詞:汽車排放物成分危害控制

0 引言

隨著汽車工業的不斷發展和汽車保有量的急劇增加，汽車排放對大氣的污染日趨嚴重。據環保部門的研究結果，北京市機動車排放對大氣污染物中CO、HC、NO的分擔率分別為63.4%、73.5%和46%;上海市中心地區機動車排放對大氣中CO、HC、NO的分擔率分別為86%、96%和56%。許多國家的大中城市的空氣污染有五成以上來源于汽車所排出的廢氣。因此，必須嚴格控制汽車的排放污染，研究汽車排放污染的防治技術也成了當前的重要課題。

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、碳氫化合物HC、氮氧化物NOx和微粒(碳煙、鉛化合物等)等，它們對人類造成了很大的危害:

CO是發動機中因空氣供給不足或其他原因造成的不完全燃燒時所產生的一種無色、無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合，致使人體缺氧、引起頭痛、頭暈、嘔吐等中毒癥狀，嚴重時造成死亡。

HC是汽車發動機排氣中的未燃部分。單獨的HC只有在濃度相當高的情況下才會對人體產生影響。但是當Hc和NO2混合在一起，經強烈陽光照射后產生的高濃度臭氧，會對人的眼睛、呼吸器官及皮膚等產生強烈的刺激。

NOx是空氣中的N2與O2在高溫高壓條件下反應生成的。NO2有劇烈的毒性，會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受陽光照射后產生化學反應，形成光化學煙霧。光化學煙霧不僅對人體有害，還會損害植物、降低大氣能見度等。

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

2 汽油機排放控制技術

2.1 三元催化轉換技術 三元催化轉換器中裝有促使廢氣中有害物進行氧化或還原反應的催化劑(鉑、銠和鈀)。當廢氣流經催化器時，通過化學反應使有害氣體轉化為無害氣體。催化轉換器的凈化效果受混合氣濃度和工作環境溫度的影響。為提高轉化效率，可采用以下措施:

2.1.1 冷機時稀薄燃燒 發動機冷機時，催化劑活性較差，不利于降低HC的排放。這時，降低HC的排放成為主要課題。在采用的方法中，稀薄燃燒技術最為有效。為保證空燃比的稀薄化，在進氣口內設置渦流控制閥，改善發動機進氣系統，提高充氣效率;改進發動機燃燒系統，合理組織燃燒室內的氣體流動，促進火焰傳播，改善著火穩定性，使發動機在稀混合氣下維持穩定燃燒，從而降低HC的排放量。

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

為減少活塞環槽的磨損，一般情況下，對活塞表面實施氧化鋁鍍膜處理，但由于在活塞表面易形成許多細孔，被吸附的HC在發動機排氣行程時排出機外。為解決這一矛盾，在對活塞表面實施氧化鋁鍍膜處理時，只對活塞環槽進行處理，活塞頂面不進行處理，有利于進一步降低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 催化劑強制加熱 使用電加熱催化劑(EHC)和在排氣管內利用排放氣體的燃燒產生的熱量，促使催化劑升溫，即排氣燃燒器(EGC)能進一步提高催化劑的早期活性。EHC采用電流預熱的方法，可使金屬載體的催化器在發動機起動后的5～10s內達到催化劑的起燃溫度，從而減少起動后最初幾分鐘內的有害物的排放。EHC已達到實用化水平，但其電氣系統較復雜。EGC的原理是在發動機起動后，在濃空燃比狀態下產生的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，在排氣系統中設置排氣燃燒器，通過火花塞點火裝置，點燃未燃混合氣，利用燃燒產生的熱量提高催化劑的早期活性，同時還能燃燒凈化發動機起動后的未燃HC成分。EGC技術雖然處于研制階段，但其催化轉化效率高，大有超過EHC之勢。

2.2 廢氣再循環技術 廢氣再循環(EGR)是目前常用于控制內燃機NOx排放的有效措施之一。它把一定數量的廢氣引入發動機的進氣系統，使發動機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，使經再循環廢氣稀釋的混合氣的比熱增高，致使發動機最高燃燒溫度下降，由于再循環廢氣對新混合氣的稀釋，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 二次空氣供給裝置可將新鮮空氣送入排氣管內，利用廢氣中的高溫，使排氣中的HC和CO進一步氧化，達到排氣凈化的目的。

3 柴油機排氣凈化技術

柴油機排放污染主要是NOx和微粒，其排出的CO和HC僅為汽油機的1/10或更少。除廢氣再循環技術外，近年來，柴油機排放控制技術的發展主要圍繞以下幾個方面進行:

3.1 燃燒系統直噴技術 柴油機污染物的排放量很大程度上取決于氣缸內的燃燒過程，改進燃燒過程的各個環節(如燃燒噴射系統、進氣系統、進氣口形狀和燃燒室形狀等)都會改善燃燒過程。燃燒系統直噴技術的燃燒效率高，比非直噴式系統節油5%～10%，但要求發動機吸入較多的空氣。目前，這種技術基本上成熟，對控制柴油機排放污染起到了一定的作用。預計不久的將來，相比分隔式燃燒系統，直噴技術將占主導地位。

3.2 廢氣渦輪增壓與中冷技術 廢氣渦輪增壓技術是使發動機輕量化、提高輸出功率的有效措施，也是現代柴油機的代表性技術。經廢氣渦輪增壓后，進氣溫度提高，滯燃期縮短，混合氣適當變稀，這些因素使噪聲、CO和HC排放以及油耗都有所降低。但是，進氣溫度上升使NOx增多，空氣密度因溫升而下降，也使進氣量未達到期望的水平。于是出現了將增壓后空氣再進行冷卻的中冷技術，使進氣溫度降低，循環進氣量更大，NOx排放下降而功率進一步增加。采用廢氣渦輪增壓與中冷技術是降低NOx和微粒、改善柴油機經濟性和提高動力性的最佳措施。

3.3 燃油噴射高壓化和多次噴射技術 燃油噴射系統是柴油機的心臟，也是發展最快的系統。新型的柴油機共軌燃油噴射系統，噴油壓力普遍提高，其噴油壓力可達140MPa。柴油機噴油壓力越高，燃油和空氣的混合就越好，排煙就越少。與此同時，將電子技術應用于燃油噴射過程也是一個發展方向。有些廠商已將電子技術應用到燃油噴射的控制上，非常精確地控制噴油量和噴油時間，以適應不同的道路工況，并且有的還具有自適應能力，可以補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濟性之間的最佳配合。采用燃油多次噴射技術可以實現柔和燃燒，亦可減少柴油機碳煙與顆粒的排放。

3.4 排氣后處理技術 柴油機排氣后處理技術方案中，目前被認為較實用的有:氧化催化轉化器、微粒捕集器和NOx還原催化轉化器。其中，微粒捕集器是目前國際上最接近商品化的柴油機微粒后處理技術。

4 汽車使用維修方面

4.1 提高駕駛員素質與科學的交通管理相結合 汽車駕駛員的駕駛技術對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，駕駛員隊伍不斷擴大，駕駛員的業務素質也參差不齊。為了控制汽車使用過程中排放超標，駕駛員應做到在駕駛的過程中減少怠速運行時間、少用強制怠速、盡量減少制動次數、緩踩節氣門、在允許范圍內盡可能提高車速，同時還要合理選擇潤滑油、使用無鉛汽油、保持發動機正常水溫、嚴禁超載行駛。

隨著我國機動車數量的不斷增加，道路交通對機動車的排放也有很大影響。特別對大中城市而言，科學的交通管理和控制對減少機動車排放極為重要。在十分擁擠的交通環境中，汽車發動機大多在低速和怠速狀況下運行，燃油沒有充分燃燒，排放必然惡化。因此，治污和治堵是相輔相成的關系，應同步進行方能取得實效。在城市交通管理中，除了加快城市道路的建設外，還應采取合理的單行和限速措施，建立科學的路口信號控制系統。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 大力加強在用車輛的檢查維護 新開發的車型逐步采用車載診斷系統，對車輛上與排放相關的部件的運行狀況進行實時監控，確保實際運行中的汽車穩定達到設計的排放削減效果，并為在用車的檢查維護制度提供新的支持技術。

維護制度是最經濟、合理、科學、有效的控制在用車排放的措施。隨著新車的排放法規不斷加嚴，地方環保和車管部門應根據實際情況不斷調整各車型的檢測方法和檢測頻率，以保證所有機動車都得到很好的維護保養。

4.3 加速老舊車輛的更新換代 依據國家相關法律法規及汽車淘汰標準中有關污染物排放的條款規定，經修理和改造或采用排氣污染控制技術后排放污染物仍超過國家規定的排放標準的車輛應堅決淘汰。

5 研制可替代能源的環保型汽車

要保持汽車工業持續發展，必須高度重視推動汽車環保技術，開發出可替代能源的環保型汽車，其主攻方向是使用替代能源，降低廢氣排放，減少燃油消耗。這是世界各國都在努力的方向。

目前我國環保型汽車研究的主要目標是:電驅動系統的可靠性及免維護性;電源動力蓄電池和提高比能量及比功率，達到長壽命、低成本、充電快捷方便、密封免維護;天然氣內燃機驅動技術的可靠性，燃燒系統的合理性及儲氣裝置的優化設計和混合動力型電動汽車的研究與開發等;采取有效措施降低環保型汽車的研究、設計、制造費用成本，最大限度地實現高可靠性和大眾化價格等。

發展環保型汽車新產品，是有效治理人為環境污染的必要措施，是保護生態系統服務功能與實現可持續發展的重要途徑，對維持人類與自然環境的和諧統一有著重要的現實意義和深遠的歷史意義。

6 結束語

汽車排放控制是一項綜合而復雜的課題。 首先應該采取機內凈化措施，即通過改進發動機設計，采用電子控制、可變氣門正時和升程、可變進氣管等先進技術，優化燃燒條件，減少未完全燃燒混合氣的生成。其次對于發動機工作已產生的有害氣體，通過加裝三元催化轉化器和氧傳感器，將有害氣體HC、CO和NOx轉化為CO2、H2O和N2。為了進一步提高轉化效率，可以通過優化布置轉化器安裝位置，采用排氣歧管后置、安裝加熱器等措施。第三，在采用EGR系統減少NOx排量時，一定要與電子控制系統相結合，合理控制再循環到發動機燃燒室中的廢氣量。在汽車使用維修、燃料提供和新型車研制方面，經過科學的管理、深入的研究和大膽的構想，對排放控制也會產生積極意義。

參考文獻:

[1]汽車排放污染物控制實用技術.交通部公路司.人民交通出版社.