汽車廢氣污染和控制技術(shù)
本世紀(jì)發(fā)生的8次重大的世界公害有5次是由于工業(yè)廢氣而引發(fā)的大氣污染(其中3次為工業(yè)廢水引發(fā)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(yuǎn)。其中40年代初的美國(guó)洛杉磯光化學(xué)煙霧事件就是由于當(dāng)時(shí)的250萬(wàn)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(qiáng)烈的陽(yáng)光下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的光化學(xué)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(yè)的發(fā)展，世界汽車年產(chǎn)量已達(dá)5 000余萬(wàn)輛，廢氣污染在嚴(yán)重地威脅著人類的生態(tài)環(huán)境。美、歐、日等發(fā)達(dá)國(guó)家已先后制訂了嚴(yán)格的汽車排放法規(guī)，汽車生產(chǎn)商也先后投入巨額資金對(duì)汽車廢氣污染進(jìn)行控制和改進(jìn)，目前已取得了相當(dāng)?shù)某删停档梦覀兘梃b。
我國(guó)的汽車工業(yè)還十分落后，廢氣污染十分嚴(yán)重。例如，廣州市目前的機(jī)動(dòng)車(包括摩托車)數(shù)量約為90余萬(wàn)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(gè)城市的總量相當(dāng)，每天排放到大氣的有害物質(zhì)所產(chǎn)生的大氣污染十分嚴(yán)重，已出現(xiàn)了類似洛杉磯40年代初期所發(fā)生的光化學(xué)煙霧征兆，同時(shí)已成為全國(guó)上呼吸道和肺癌的高發(fā)病率區(qū)，嚴(yán)重地威脅著市民的身體健康和生態(tài)環(huán)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?xì)浠衔铩⒌趸衔?NOx)、二氧化硫、鋁、碳微粒和其他雜質(zhì)粉塵等，這些物質(zhì)對(duì)人類和整個(gè)生態(tài)環(huán)境危害極大。
一氧化碳(CO)與人體血液中的血紅素有很強(qiáng)的親和力，使血液?jiǎn)适?duì)氧的輸送能力而產(chǎn)生缺氧中毒。當(dāng)環(huán)境中CO的濃度超過(guò)100 ppm(100×10-6)時(shí)，人體就會(huì)產(chǎn)生頭暈、乏力等不適感;隨著CO濃度的增加，會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生頭痛、嘔吐、昏迷等癥狀;當(dāng)CO濃度超過(guò)600 ppm時(shí)，短期內(nèi)會(huì)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(qiáng)，兩者結(jié)合后會(huì)產(chǎn)生與CO相似的癥狀，一般情況下對(duì)人體的眼睛、鼻子、咽喉、支氣管和肺部等會(huì)帶來(lái)更大的損害，嚴(yán)重時(shí)至人于死地。
碳?xì)浠衔?HC)為燃油未經(jīng)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(zhì)又具有致癌作用。
HC與NOx在陽(yáng)光下極易發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，形成以臭氧(O3)和以醛類為主的光化學(xué)煙霧。當(dāng)O3達(dá)到一定濃度時(shí)，會(huì)令生物在短期內(nèi)發(fā)生高溫氧化而脫水死亡;醛類有機(jī)物帶有毒性，對(duì)眼睛和呼吸系統(tǒng)有強(qiáng)烈的刺激作用，嚴(yán)生的會(huì)導(dǎo)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(chǎn)生咳嗽、咽喉腫痛、呼吸困難、胸悶、四肢乏力，進(jìn)一步會(huì)引起支氣管炎、肺炎和心臟病等，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)至人畜死亡。SO2還極易與大氣中的水蒸氣結(jié)合生成亞硫酸煙霧，達(dá)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(zhǎng)。故此，應(yīng)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(jīng)高溫燃燒后還原而成的鉛微粒。鉛與血液中的血紅素結(jié)合后，使血紅素產(chǎn)生異變。當(dāng)血液中的鉛含量達(dá)到一定的程度時(shí)，會(huì)積聚于肝、腎、大腦和脊髓中，嚴(yán)重地破壞人體的神經(jīng)系統(tǒng)和造血功能。
碳微粒和其他雜質(zhì)粉塵是柴油機(jī)的主要排放物，由于其粒徑極小，約為0.01～0.2um，能長(zhǎng)期懸浮于空氣中，易于通過(guò)呼吸系統(tǒng)而沉積于肺泡內(nèi)，極具致癌作用。
鉛、碳微粒和其他雜質(zhì)粉塵等因粒徑極小，SO2又具有膠粘性，特別是鉛微粒，因無(wú)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(diǎn)火提前角、發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速以及發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。
2.1 可燃混合氣空燃比的影響
空燃比(A/F)對(duì)CO、HC和NOx的影響見(jiàn)圖1。在理論空燃比附近，CO曲線有一個(gè)拐點(diǎn)，當(dāng)A/F減少時(shí)，可燃混合氣過(guò)濃，燃油無(wú)法充分燃燒，CO生成物便急劇增加;當(dāng)A/F增大時(shí)，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(wěn)定。
HC曲線在A/F為17～18附近有一個(gè)拐點(diǎn)，此時(shí)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(dāng)A/F少于17時(shí)，混合氣過(guò)濃，燃燒不徹底，當(dāng)A/F大于18時(shí)，混合氣過(guò)稀，燃燒速度緩慢同樣會(huì)出現(xiàn)燃燒不徹底現(xiàn)象，HC都會(huì)增加。
NO曲線在A/F為15～16附近有一個(gè)波峰，此時(shí)生成的NO量最多，除此之外，過(guò)濃或過(guò)稀的空燃比都會(huì)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(diǎn)火提前角的影響
點(diǎn)火提前角對(duì)CO的生成量影響不大，但對(duì)HC和NOx的影響較大。
隨著點(diǎn)火提前角的增大，HC和NOx生成物都會(huì)急劇增加，其原因與燃燒時(shí)的速度、壓力、溫度等有關(guān)，當(dāng)點(diǎn)火提前角增大到一定值后，由于燃燒時(shí)間過(guò)短，HC和NOx生成量便有所下降。當(dāng)然，正確的調(diào)整點(diǎn)火正時(shí)是非常必要的，過(guò)遲的點(diǎn)火提前角會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力下降，油耗增大，工作不穩(wěn)。
2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的影響
由于NOx是高溫燃燒時(shí)的生成物，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷提高時(shí)，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(fā)動(dòng)機(jī)的溫度、轉(zhuǎn)速和負(fù)荷以及燃燒室的形狀，燃油的霧化情況等。空燃比過(guò)濃，溫度過(guò)低，均不利于燃油的霧化和燃燒，使碳微粒生成量增加;發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)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(guān)。因此，往往對(duì)燃油中的最大含硫量作了限制，推行使用無(wú)鉛汽油。
3 汽車廢氣污染物的控制和治理
隨著環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，歐、美、日等一些發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)廢氣排放污染的限制越來(lái)越嚴(yán)格，各汽車生產(chǎn)廠都投入巨額資金開(kāi)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(fā)動(dòng)機(jī)，使廢氣中的有害氣體大為減少，動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性均有所提高，再加上其他多種措施的綜合應(yīng)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(fā)動(dòng)機(jī)也正在研制，但進(jìn)入實(shí)用階段尚為時(shí)過(guò)早。目前，國(guó)外對(duì)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(huán)。已查明NOx是燃油在高溫燃燒中的生成物。廢氣再循環(huán)就是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)一步減少NOx的排放量。
(2)二次空氣供給。二次空氣供給系統(tǒng)是在排氣管的上段設(shè)置一個(gè)反應(yīng)器，通過(guò)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(yīng)器內(nèi)繼續(xù)燃燒(生成H2O和CO2)，從而進(jìn)一步減少了CO和HC的排放量。有的發(fā)動(dòng)機(jī)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(nèi)獲得更充分的氧化反應(yīng)(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(jù)生產(chǎn)工藝的方便性，后者的應(yīng)用較廣泛。
鉑和鈀為氧化劑，使CO和HC發(fā)生氧化反應(yīng)，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(fā)動(dòng)機(jī)處于理論空燃比狀態(tài)下工作時(shí)，才表現(xiàn)出良好的凈化效果。現(xiàn)代電控燃油噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的電控系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)對(duì)理論空燃比的監(jiān)測(cè)和控制而應(yīng)用了能檢測(cè)廢氣中氧殘留量的氧傳感器，電控系統(tǒng)接收到氧傳感器反饋的信號(hào)后便及時(shí)調(diào)整噴油量，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作處于理論空燃比狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了燃油噴射的“閉環(huán)”控制。三元催化凈化器的最佳工作溫度為400～800℃，如果同時(shí)不配合使用氧傳感器時(shí)，則很快就會(huì)出現(xiàn)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(jià)格便宜得多。而我國(guó)的資源相當(dāng)豐富，目前這方面的開(kāi)發(fā)研制已取得了令人振奮的效果。
(4)無(wú)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(jī)件的損壞，但鉛對(duì)人體的毒害非常大，同時(shí)也會(huì)使三元凈化器中毒而早期失效，所以世界各國(guó)已嚴(yán)格限制含鉛汽油的生產(chǎn)和使用。
我國(guó)一直在長(zhǎng)期使用含鉛汽油，可喜的是，我國(guó)已決定2000年將全面禁止生產(chǎn)和銷售含鉛汽油，推動(dòng)汽油標(biāo)號(hào)升級(jí)。目前北京、上海、廣州、深圳等20多個(gè)城市已禁止含鉛汽油的銷售和使用，為全國(guó)推廣無(wú)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(guó)家對(duì)柴油中的含硫量要求非常嚴(yán)格，限值為0.05%～0.10%。而我國(guó)的煉油技術(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)較為落后，限值為0.5%左右，與國(guó)外的差距甚大。因此，努力提高我國(guó)的煉油技術(shù)，降低柴油中的含硫量已成為煉油行業(yè)的重要任務(wù)。
(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(guò)量的加入會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。美國(guó)AST-MD4814-94標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(zhì)方面，國(guó)外也早已開(kāi)發(fā)生產(chǎn)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(chǎn)品，具有良好的企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，是精細(xì)化工行業(yè)的發(fā)展方向。
4 柴油機(jī)廢氣排放物與汽油機(jī)的差異
柴油機(jī)的燃燒過(guò)程與汽油機(jī)不同，壓縮比高，而且是在富氧狀態(tài)下燃燒，廢氣中的CO和HC含量較少，約為汽油機(jī)的1/10，NOx的含量與汽油機(jī)相當(dāng)。但碳微粒的含量高，約為汽油機(jī)的30～80倍，特別是加速和全負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，由于供油量急增，而進(jìn)氣量變化不大，燃燒工況從富氧轉(zhuǎn)向缺氧，加上燃燒時(shí)間縮短，因此處于不完全燃燒狀態(tài)，使廢氣中產(chǎn)生大量的碳微粒。因此治理柴油機(jī)廢氣排放的碳微粒已成為當(dāng)前的首要任務(wù)。
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(wú)法在柴油車上應(yīng)用凈化器。
提高我國(guó)的煉油技術(shù)，降低柴油中的含硫量勢(shì)在必行，而這方面也已得到了國(guó)家的高度重視。
5 柴油機(jī)的廢氣凈化和微粒收集器
前述所提到的許多廢氣排放控制方法均與發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和性能、結(jié)構(gòu)有關(guān)，根據(jù)國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)水平，非一朝一夕能短期解決。汽油機(jī)單純的加裝排氣凈化器，能起到一定的治理效果。但由于是“開(kāi)環(huán)”控制，凈化器早期損壞嚴(yán)重，極需努力改進(jìn)，向電控燃油噴射和“閉環(huán)”控制方向發(fā)展。燃料的改進(jìn)也有待于同步進(jìn)行。
對(duì)于柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，由于碳微粒是汽油機(jī)的30～80倍，治理碳微粒已成為當(dāng)前的重要任務(wù)。由于碳微粒極易造成凈化器的堵塞，故目前柴油機(jī)還無(wú)法應(yīng)用排氣凈化器。經(jīng)國(guó)內(nèi)外的長(zhǎng)期研究，能立竿見(jiàn)影地解決碳微粒的辦法是采用碳微粒收集器。
碳微粒收集器是一種特殊的微粒捕捉和濾除裝置，它的形式有袋式、陶瓷泡沫式和陶瓷蜂窩式等結(jié)構(gòu)，安裝于消聲器之后，廢氣經(jīng)過(guò)微粒收集器后再排向大氣，其微粒的濾除效果可達(dá)60%～90%，碳微粒又是一種高級(jí)化工原料(碳黑)，可收集作綜合利用，從而又可進(jìn)一步提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。目前，國(guó)外正在研究一種微波加熱裝置，當(dāng)碳微粒積聚到一定程度時(shí)，可自動(dòng)燃燒掉，免去人工收集之麻煩。
碳微粒收集器的廢氣凈化效果非常明顯，能起到立竿見(jiàn)影作用，對(duì)當(dāng)前柴油車的廢氣污染治理具有重要意義，結(jié)合我國(guó)當(dāng)前的技術(shù)水平，很有必要進(jìn)行研制開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用。
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