汽车排放污染与控制

杜西岭

摘要:汽车工业的发展和汽车数量的增加,使汽车排放对环境的危害日益加剧。研究汽车排放污染的防治技术成了当前的重要课题。本文分析了汽车排放污染与人类生存环境的关系,介绍了应从发动机燃烧、结构设计、燃料提供等技术及加强车辆维修保养、开发新型环保汽车等措施着手,控制汽车排放,减少大气污染。

关键词:汽车排放物成分危害控制

0 引言

随着汽车工业的不断发展和汽车保有量的急剧增加,汽车排放对大气的污染日趋严重。据环保部门的研究结果,北京市机动车排放对大气污染物中CO、HC、NO的分担率分别为63.4%、73.5%和46%;上海市中心地区机动车排放对大气中CO、HC、NO的分担率分别为86%、96%和56%。许多国家的大中城市的空气污染有五成以上来源于汽车所排出的废气。因此,必须严格控制汽车的排放污染,研究汽车排放污染的防治技术也成了当前的重要课题。

1 汽车排放污染物的主要成分及其危害

汽车排放的污染物主要是一氧化碳CO、碳氢化合物HC、氮氧化物NOx和微粒(碳烟、铅化合物等)等,它们对人类造成了很大的危害:

CO是发动机中因空气供给不足或其他原因造成的不完全燃烧时所产生的一种无色、无味但有剧烈毒性的气体。CO被吸入人体后,与肺里的血红蛋白结合,致使人体缺氧、引起头痛、头晕、呕吐等中毒症状,严重时造成死亡。

HC是汽车发动机排气中的未燃部分。单独的HC只有在浓度相当高的情况下才会对人体产生影响。但是当Hc和NO2混合在一起,经强烈阳光照射后产生的高浓度臭氧,会对人的眼睛、呼吸器官及皮肤等产生强烈的刺激。

NOx是空气中的N2与O2在高温高压条件下反应生成的。NO2有剧烈的毒性,会刺激人的眼睛和呼吸道,引起喘息、支气管炎及肺气肿等。此外,NOx与HC受阳光照射后产生化学反应,形成光化学烟雾。光化学烟雾不仅对人体有害,还会损害植物、降低大气能见度等。

微粒的排放对汽油车来说主要是铅化合物、硫酸盐和低分子物质。铅化合物被人吸入并积累到一定程度时,会影响造血功能,造成贫血及使心、肺等器官发生病变。对于柴油车,微粒的排放主要是碳烟及其所吸附的高分子有机物。它除了本身对人的呼吸系统有害之外,还会妨碍车辆驾驶员和行人的视线,成为引发交通事故的因素。

2 汽油机排放控制技术

2.1 三元催化转换技术 三元催化转换器中装有促使废气中有害物进行氧化或还原反应的催化剂(铂、铑和钯)。当废气流经催化器时,通过化学反应使有害气体转化为无害气体。催化转换器的净化效果受混合气浓度和工作环境温度的影响。为提高转化效率,可采用以下措施:

2.1.1 冷机时稀薄燃烧 发动机冷机时,催化剂活性较差,不利于降低HC的排放。这时,降低HC的排放成为主要课题。在采用的方法中,稀薄燃烧技术最为有效。为保证空燃比的稀薄化,在进气口内设置涡流控制阀,改善发动机进气系统,提高充气效率;改进发动机燃烧系统,合理组织燃烧室内的气体流动,促进火焰传播,改善着火稳定性,使发动机在稀混合气下维持稳定燃烧,从而降低HC的排放量。

2.1.2 减少未燃HC 活塞的第一道环岸脊(指第一道环槽至活塞顶之间的区域)和气缸壁之间,燃烧的火焰不能达到,此区域内的未燃HC直接从气缸内排出。提高第一道活塞环的位置,即减小第一道活塞环岸的高度,可以减少活塞环与缸壁间的容积,从而减少未燃HC的排放。

为减少活塞环槽的磨损,一般情况下,对活塞表面实施氧化铝镀膜处理,但由于在活塞表面易形成许多细孔,被吸附的HC在发动机排气行程时排出机外。为解决这一矛盾,在对活塞表面实施氧化铝镀膜处理时,只对活塞环槽进行处理,活塞顶面不进行处理,有利于进一步降低HC的排放。

2.1.3 提高催化剂的早期活性 为促使催化剂的早期活性,有效的方法是提高其升温特性和降低其活性温度。提高升温特性的主要方法是采用双重排气管和使用“薄壁式”催化剂载体。合理选择低温特性好的贵重金属,如在催化剂中提高铂的含量,同时提高空燃比的稀薄化,是降低催化剂活性温度的有效手段。

2.1.4 催化剂强制加热 使用电加热催化剂(EHC)和在排气管内利用排放气体的燃烧产生的热量,促使催化剂升温,即排气燃烧器(EGC)能进一步提高催化剂的早期活性。EHC采用电流预热的方法,可使金属载体的催化器在发动机起动后的5～10s内达到催化剂的起燃温度,从而减少起动后最初几分钟内的有害物的排放。EHC已达到实用化水平,但其电气系统较复杂。EGC的原理是在发动机起动后,在浓空燃比状态下产生的CO等可燃成分与二次空气供给的氧气相混合,形成可燃混合气,在排气系统中设置排气燃烧器,通过火花塞点火装置,点燃未燃混合气,利用燃烧产生的热量提高催化剂的早期活性,同时还能燃烧净化发动机起动后的未燃HC成分。EGC技术虽然处于研制阶段,但其催化转化效率高,大有超过EHC之势。

2.2 废气再循环技术 废气再循环(EGR)是目前常用于控制内燃机NOx排放的有效措施之一。它把一定数量的废气引入发动机的进气系统,使发动机混合气中惰性气体的比例增加。由于这些惰性气体有较高比热,使经再循环废气稀释的混合气的比热增高,致使发动机最高燃烧温度下降,由于再循环废气对新混合气的稀释,降低了混合气中氧气的浓度,因而废气再循环破坏了NOx的生成条件,从而有效抑制了NOx的生成。

2.3 二次空气供给技术 二次空气供给装置可将新鲜空气送入排气管内,利用废气中的高温,使排气中的HC和CO进一步氧化,达到排气净化的目的。

3 柴油机排气净化技术

柴油机排放污染主要是NOx和微粒,其排出的CO和HC仅为汽油机的1/10或更少。除废气再循环技术外,近年来,柴油机排放控制技术的发展主要围绕以下几个方面进行:

3.1 燃烧系统直喷技术 柴油机污染物的排放量很大程度上取决于气缸内的燃烧过程,改进燃烧过程的各个环节(如燃烧喷射系统、进气系统、进气口形状和燃烧室形状等)都会改善燃烧过程。燃烧系统直喷技术的燃烧效率高,比非直喷式系统节油5%～10%,但要求发动机吸入较多的空气。目前,这种技术基本上成熟,对控制柴油机排放污染起到了一定的作用。预计不久的将来,相比分隔式燃烧系统,直喷技术将占主导地位。

3.2 废气涡轮增压与中冷技术 废气涡轮增压技术是使发动机轻量化、提高输出功率的有效措施,也是现代柴油机的代表性技术。经废气涡轮增压后,进气温度提高,滞燃期缩短,混合气适当变稀,这些因素使噪声、CO和HC排放以及油耗都有所降低。但是,进气温度上升使NOx增多,空气密度因温升而下降,也使进气量未达到期望的水平。于是出现了将增压后空气再进行冷却的中冷技术,使进气温度降低,循环进气量更大,NOx排放下降而功率进一步增加。采用废气涡轮增压与中冷技术是降低NOx和微粒、改善柴油机经济性和提高动力性的最佳措施。

3.3 燃油喷射高压化和多次喷射技术 燃油喷射系统是柴油机的心脏,也是发展最快的系统。新型的柴油机共轨燃油喷射系统,喷油压力普遍提高,其喷油压力可达140MPa。柴油机喷油压力越高,燃油和空气的混合就越好,排烟就越少。与此同时,将电子技术应用于燃油喷射过程也是一个发展方向。有些厂商已将电子技术应用到燃油喷射的控制上,非常精确地控制喷油量和喷油时间,以适应不同的道路工况,并且有的还具有自适应能力,可以补偿零件磨损和零件制造偏差引起的变化,以取得NOx、微粒排放量和燃油经济性之间的最佳配合。采用燃油多次喷射技术可以实现柔和燃烧,亦可减少柴油机碳烟与颗粒的排放。

3.4 排气后处理技术 柴油机排气后处理技术方案中,目前被认为较实用的有:氧化催化转化器、微粒捕集器和NOx还原催化转化器。其中,微粒捕集器是目前国际上最接近商品化的柴油机微粒后处理技术。

4 汽车使用维修方面

4.1 提高驾驶员素质与科学的交通管理相结合 汽车驾驶员的驾驶技术对在用车的使用状况及排放性能的影响很大。随着汽车保有量的不断增加,驾驶员队伍不断扩大,驾驶员的业务素质也参差不齐。为了控制汽车使用过程中排放超标,驾驶员应做到在驾驶的过程中减少怠速运行时间、少用强制怠速、尽量减少制动次数、缓踩节气门、在允许范围内尽可能提高车速,同时还要合理选择润滑油、使用无铅汽油、保持发动机正常水温、严禁超载行驶。

随着我国机动车数量的不断增加,道路交通对机动车的排放也有很大影响。特别对大中城市而言,科学的交通管理和控制对减少机动车排放极为重要。在十分拥挤的交通环境中,汽车发动机大多在低速和怠速状况下运行,燃油没有充分燃烧,排放必然恶化。因此,治污和治堵是相辅相成的关系,应同步进行方能取得实效。在城市交通管理中,除了加快城市道路的建设外,还应采取合理的单行和限速措施,建立科学的路口信号控制系统。这样可以明显减少CO、HC、NOx和颗粒的排放量,降低油耗并保持较高的车辆通行量。

4.2 大力加强在用车辆的检查维护 新开发的车型逐步采用车载诊断系统,对车辆上与排放相关的部件的运行状况进行实时监控,确保实际运行中的汽车稳定达到设计的排放削减效果,并为在用车的检查维护制度提供新的支持技术。

维护制度是最经济、合理、科学、有效的控制在用车排放的措施。随着新车的排放法规不断加严,地方环保和车管部门应根据实际情况不断调整各车型的检测方法和检测频率,以保证所有机动车都得到很好的维护保养。

4.3 加速老旧车辆的更新换代 依据国家相关法律法规及汽车淘汰标准中有关污染物排放的条款规定,经修理和改造或采用排气污染控制技术后排放污染物仍超过国家规定的排放标准的车辆应坚决淘汰。

5 研制可替代能源的环保型汽车

要保持汽车工业持续发展,必须高度重视推动汽车环保技术,开发出可替代能源的环保型汽车,其主攻方向是使用替代能源,降低废气排放,减少燃油消耗。这是世界各国都在努力的方向。

目前我国环保型汽车研究的主要目标是:电驱动系统的可靠性及免维护性;电源动力蓄电池和提高比能量及比功率,达到长寿命、低成本、充电快捷方便、密封免维护;天然气内燃机驱动技术的可靠性,燃烧系统的合理性及储气装置的优化设计和混合动力型电动汽车的研究与开发等;采取有效措施降低环保型汽车的研究、设计、制造费用成本,最大限度地实现高可靠性和大众化价格等。

发展环保型汽车新产品,是有效治理人为环境污染的必要措施,是保护生态系统服务功能与实现可持续发展的重要途径,对维持人类与自然环境的和谐统一有着重要的现实意义和深远的历史意义。

6 结束语

汽车排放控制是一项综合而复杂的课题。 首先应该采取机内净化措施,即通过改进发动机设计,采用电子控制、可变气门正时和升程、可变进气管等先进技术,优化燃烧条件,减少未完全燃烧混合气的生成。其次对于发动机工作已产生的有害气体,通过加装三元催化转化器和氧传感器,将有害气体HC、CO和NOx转化为CO2、H2O和N2。为了进一步提高转化效率,可以通过优化布置转化器安装位置,采用排气歧管后置、安装加热器等措施。第三,在采用EGR系统减少NOx排量时,一定要与电子控制系统相结合,合理控制再循环到发动机燃烧室中的废气量。在汽车使用维修、燃料提供和新型车研制方面,经过科学的管理、深入的研究和大胆的构想,对排放控制也会产生积极意义。

参考文献:

[1]汽车排放污染物控制实用技术.交通部公路司.人民交通出版社.