汽車廢氣污染和控制技術
本世紀發生的8次重大的世界公害有5次是由于工業廢氣而引發的大氣污染(其中3次為工業廢水引發的水源污染)，造成大量的人畜死亡，森林、植物被毀，影響極其深遠。其中40年代初的美國洛杉磯光化學煙霧事件就是由于當時的250萬輛汽車每天向大氣排放出大量的一氧化碳、碳化氫和氮氧化物等有害氣體，在強烈的陽光下發生光化學反應，產生大量的光化學煙霧而造成人畜死亡，成為重大的汽車廢氣污染公害事件。
隨著汽車工業的發展，世界汽車年產量已達5000余萬輛，廢氣污染在嚴重地威脅著人類的生態環境。美、歐、日等發達國家已先后制訂了嚴格的汽車排放法規，汽車生產商也先后投入巨額資金對汽車廢氣污染進行控制和改進，目前已取得了相當的成就，值得我們借鑒。
我國的汽車工業還十分落后，廢氣污染十分嚴重。例如，廣州市目前的機動車(包括摩托車)數量約為90余萬輛，僅為洛杉磯和東京的1/10，但其污染物的排出量卻與這兩個城市的總量相當，每天排放到大氣的有害物質所產生的大氣污染十分嚴重，已出現了類似洛杉磯40年代初期所發生的光化學煙霧征兆，同時已成為全國上呼吸道和肺癌的高發病率區，嚴重地威脅著市民的身體健康和生態環境。
1 汽車排放污染物的成份和危害性
汽車排放污染物中含有大量的一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物(NOx)、二氧化硫、鋁、碳微粒和其他雜質粉塵等，這些物質對人類和整個生態環境危害極大。
一氧化碳(CO)與人體血液中的血紅素有很強的親和力，使血液喪失對氧的輸送能力而產生缺氧中毒。當環境中CO的濃度超過100ppm(100×10-6)時，人體就會產生頭暈、乏力等不適感；隨著CO濃度的增加，會進一步產生頭痛、嘔吐、昏迷等癥狀；當CO濃度超過600ppm時，短期內會引起窒息死亡。
汽車廢氣中排出多種氮氧化物(NOx)，其中一氧化氮(NO)與人體血液中血紅素的親和力比CO還強，兩者結合后會產生與CO相似的癥狀，一般情況下對人體的眼睛、鼻子、咽喉、支氣管和肺部等會帶來更大的損害，嚴重時至人于死地。
碳氫化合物(HC)為燃油未經完全燃燒后排出的氣體，具有一定的毒性和易燃易爆的特性，其中的苯類物質又具有致癌作用。
HC與NOx在陽光下極易發生光化學反應，形成以臭氧(O3)和以醛類為主的光化學煙霧。當O3達到一定濃度時，會令生物在短期內發生高溫氧化而脫水死亡；醛類有機物帶有毒性，對眼睛和呼吸系統有強烈的刺激作用，嚴生的會導致中毒死亡。
二氧化硫(SO2)為燃油中的硫燃燒后的生成物，人體吸入SO2后，即產生咳嗽、咽喉腫痛、呼吸困難、胸悶、四肢乏力，進一步會引起支氣管炎、肺炎和心臟病等，嚴重的會導至人畜死亡。SO2還極易與大氣中的水蒸氣結合生成亞硫酸煙霧，達到一定積聚量后便形成酸雨，使水土酸化，破壞林木、植物的生長。故此，應盡量減少燃油中的含硫量。
鉛(Pb)為一種有毒的金屬，它由燃油中的鉛化物添加劑(如四乙鉛)經高溫燃燒后還原而成的鉛微粒。鉛與血液中的血紅素結合后，使血紅素產生異變。當血液中的鉛含量達到一定的程度時，會積聚于肝、腎、大腦和脊髓中，嚴重地破壞人體的神經系統和造血功能。
碳微粒和其他雜質粉塵是柴油機的主要排放物，由于其粒徑極小，約為0.01～0.2um，能長期懸浮于空氣中，易于通過呼吸系統而沉積于肺泡內，極具致癌作用。
鉛、碳微粒和其他雜質粉塵等因粒徑極小，SO2又具有膠粘性，特別是鉛微粒，因無法燃燒，一旦被吸附在催化劑的表面上，便令三元催化凈化器喪失催化功能，此即為三元催化凈化器的鉛中毒。
2 汽車廢氣排放物的影響因素
汽車廢氣中CO、HC和NOx三種有害氣體的影響因素比較多，主要為可燃混合氣的空燃比，點火提前角、發動機的負荷和轉速以及發動機的內部結構等。
2.1 可燃混合氣空燃比的影響
在理論空燃比附近，CO曲線有一個拐點，當A/F減少時，可燃混合氣過濃，燃油無法充分燃燒，CO生成物便急劇增加；當A/F增大時，氧含量充足，燃油可以充分燃燒，使CO生成量減少，而且比較穩定。
HC曲線在A/F為17～18附近有一個拐點，此時廢氣中的HC含量最低。除此之外，HC的生成量都有所增加。其原因是當A/F少于17時，混合氣過濃，燃燒不徹底，當A/F大于18時，混合氣過稀，燃燒速度緩慢同樣會出現燃燒不徹底現象，HC都會增加。
NO曲線在A/F為15～16附近有一個波峰，此時生成的NO量最多，除此之外，過濃或過稀的空燃比都會降低燃燒速度和燃燒溫度，使NO的生成量都有所下降。
2.2 點火提前角的影響
點火提前角對CO的生成量影響不大，但對HC和NOx的影響較大。
隨著點火提前角的增大，HC和NOx生成物都會急劇增加，其原因與燃燒時的速度、壓力、溫度等有關，當點火提前角增大到一定值后，由于燃燒時間過短，HC和NOx生成量便有所下降。當然，正確的調整點火正時是非常必要的，過遲的點火提前角會使發動機動力下降，油耗增大，工作不穩。
2.3 發動機轉速和負荷的影響
由于NOx是高溫燃燒時的生成物，當發動機的轉速和負荷提高時，使氣缸的燃燒溫度升高，NOx生成量隨之增大，CO和HC的生成量稍有增加，但影響較小。
碳微粒的影響因素主要有空燃比、發動機的溫度、轉速和負荷以及燃燒室的形狀，燃油的霧化情況等。空燃比過濃，溫度過低，均不利于燃油的霧化和燃燒，使碳微粒生成量增加；發動機轉速和負荷增大，使燃燒溫度提高，有利于完全燃燒，使碳微粒的生成量減少。
SO2和Pb微粒的生成主要與燃油中的含硫量和鉛化合物的加入量有關。因此，往往對燃油中的最大含硫量作了限制，推行使用無鉛汽油。
3 汽車廢氣污染物的控制和治理
隨著環保意識的加強，歐、美、日等一些發達國家對廢氣排放污染的限制越來越嚴格，各汽車生產廠都投入巨額資金開展廢氣污染物的控制研究，早于90年代初，汽油車已基本上普遍采用了電控燃油噴射發動機，使廢氣中的有害氣體大為減少，動力性和燃料經濟性均有所提高，再加上其他多種措施的綜合應用，使汽油車的廢氣污染得到了有效的控制。柴油車用的電控燃油噴射發動機也正在研制，但進入實用階段尚為時過早。目前，國外對于廢氣排放的控制和治理主要有如下幾種措施。
(1)廢氣再循環
已查明NOx是燃油在高溫燃燒中的生成物。廢氣再循環就是根據發動機的不同工況，將廢氣中的一部分(3%～15%)引入燃燒室，用以降低氣缸的燃燒和溫度速度，從而進一步減少NOx的排放量。
(2)二次空氣供給
二次空氣供給系統是在排氣管的上段設置一個反應器，通過空氣泵、控制閥、單向閥和噴射管等引入適量的新鮮空氣，在高溫下，令CO和HC在熱反應器內繼續燃燒(生成H2O和CO2)，從而進一步減少了CO和HC的排放量。有的發動機則向三元催化器提供二次新鮮空氣，以使CO和HC在催化器內獲得更充分的氧化反應(燃燒)。
(3)三元催化凈化裝置
三元催化凈化器的催化劑為鉑、銠、鈀和釕等貴金屬，其載體的形狀分為粒狀和片狀。根據生產工藝的方便性，后者的應用較廣泛。
鉑和鈀為氧化劑，使CO和HC發生氧化反應，生成CO2和H2O。銠為還原劑，使NOx脫氧，還原成N2并釋放出O。后者正好為CO和HC的氧化提供了充分的條件。
三元催化凈化器的工作特性是要求發動機處于理論空燃比狀態下工作時，才表現出良好的凈化效果。現代電控燃油噴射發動機的電控系統為了實現對理論空燃比的監測和控制而應用了能檢測廢氣中氧殘留量的氧傳感器，電控系統接收到氧傳感器反饋的信號后便及時調整噴油量，使發動機工作處于理論空燃比狀態，從而實現了燃油噴射的“閉環”控制。三元催化凈化器的最佳工作溫度為400～800℃，如果同時不配合使用氧傳感器時，則很快就會出現早期損壞，壽命大大縮短。
稀土金屬也同樣具有貴金屬的一些特性，用它制成的催化凈化器，雖然效果比貴金屬差，但價格便宜得多。而我國的資源相當豐富，目前這方面的開發研制已取得了令人振奮的效果。
(4)無鉛汽油
汽油中加入千分之0.1～0.4g四乙鉛后便可大大提高汽油的抗爆性能，有利于減少機件的損壞，但鉛對人體的毒害非常大，同時也會使三元凈化器中毒而早期失效，所以世界各國已嚴格限制含鉛汽油的生產和使用。
我國一直在長期使用含鉛汽油，可喜的是，我國已決定2000年將全面禁止生產和銷售含鉛汽油，推動汽油標號升級。目前北京、上海、廣州、深圳等20多個城市已禁止含鉛汽油的銷售和使用，為全國推廣無鉛汽油的使用邁出了第一步。
(5)低硫份柴油
硫主要存留于柴油中，燃燒后生成毒性極大的SO2。美、歐、日等國家對柴油中的含硫量要求非常嚴格，限值為0.05%～0.10%。而我國的煉油技術相對來說較為落后，限值為0.5%左右，與國外的差距甚大。因此，努力提高我國的煉油技術，降低柴油中的含硫量已成為煉油行業的重要任務。
(6)富氧燃料和燃油添加劑
甲醇、乙醇、異丁醇、叔丁醇、乙基叔丁基醚等許多含氧化合物具有很高的辛烷值，是良好的抗爆劑。汽油中加入少量的含氧化合物可以改善燃料的燃燒性能，可明顯地減少CO和HC的生成。但過量的加入會影響發動機的動力性。美國AST-MD4814-94標準規定含氧化合物的體積加入量：甲醇類為2%；非甲醇類為2.75%。
在改善柴油品質方面，國外也早已開發生產了多種柴油添加劑，適量地加入一定比例的柴油添加劑，能使柴油得到活化，提高其霧化能力，有利于減少碳微粒的生成。柴油添加劑屬高科技產品，具有良好的企業經濟效益和社會效益，是精細化工行業的發展方向。
4 柴油機廢氣排放物與汽油機的差異
柴油機的燃燒過程與汽油機不同，壓縮比高，而且是在富氧狀態下燃燒，廢氣中的CO和HC含量較少，約為汽油機的1/10，NOx的含量與汽油機相當。但碳微粒的含量高，約為汽油機的30～80倍，特別是加速和全負荷狀態時，由于供油量急增，而進氣量變化不大，燃燒工況從富氧轉向缺氧，加上燃燒時間縮短，因此處于不完全燃燒狀態，使廢氣中產生大量的碳微粒。因此治理柴油機廢氣排放的碳微粒已成為當前的首要任務。
柴油不含鉛，但含有硫。硫燃燒后生成的SO2為膠狀硫化物，與碳微粒一道令凈化器極易堵塞，因而無法在柴油車上應用凈化器。
提高我國的煉油技術，降低柴油中的含硫量勢在必行，而這方面也已得到了國家的高度重視。
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