汽车废气对空气的污染及预防

汽车废气对空气的污染及预防

随着汽车工业的快速发展，中国汽车产量显著增加，汽车污染已成为严重的社会风险。在汽车密集的城市,汽车排放污染对人们的生活环境造成了极大的影响,严重地威胁到人们的身体健康,同时也危害着一些动、植物的生存和生长,破坏了自然界的生态平衡。因此,解决汽车的排气污染成为亟待认真研究的重要课题。一、hc的变化情况汽油发动机排出的有害气体主要是一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)、二氧化硫(SO2)、浮游微粒等,其中CO含量最多,是污染大气的主要成分。汽车排出的有害气体大部分是由排气管排出的,小部分从其它部位(如曲轴箱、燃料供给系统)窜出。此外,燃料箱蒸发的燃油蒸气也会对空气造成污染。在汽车排放物中,还有苯丙芘,是强致癌物质。CO是燃料不完全燃烧后产生的一种无色、无味、无刺激性的有害气体,主要从排气管排出,也有少量由曲轴箱排出。人吸入CO后,血中结合氧的血红蛋白将失去携带氧的能力,人就会出现中毒现象,如反应能力、视敏度下降等。CO中毒的早期症状是流泪、咳嗽、头晕、恶心、呕吐、胸痛、呼吸困难,严重时会发生虚脱昏迷,甚至死亡。HC主要是由于氧气不足和低温激冷效应产生的。实践证明,汽油机在过量空气系数α<1时,氧气不足,燃料燃烧不完全,未燃烧的HC便随废气排出,使排气中的HC含量增加;当α>1时,混合气的燃烧速度降低,燃料燃烧不完全即被排出,也会使排气中的HC含量增加。混合气在气缸内处于低温区域时,附在燃烧室表面的激冷层也会燃烧不完全,使排气中的HC增加。所谓激冷层,是指附在燃烧室表面的较冷的一薄层混合气,尤其是在活塞头部与气缸壁间的狭小缝隙处的混合气,当火焰传播到这些空间时,由于温度较低,会使燃烧速度减慢,导致燃烧不完全。混合气燃烧时产生的NOx大多为NO,一部分NO经排气管排入大气后氧化生成NO2。由于NOx与血红蛋白的亲合力比CO强得多,因此对人体危害更大。NOx是混合气燃烧过程中,空气中的氮和氧在高温条件下化合生成的,其生成的数量与燃烧温度、氧气的浓度等因素有关。燃烧温度对NOx的生成影响很大,温度高于1300℃时开始生成NOx,随着温度的升高,NOx的生成量增加。氧气的浓度对NOx的生成影响也很明显,在使用浓混合气时,由于氧气浓度小,NOx的生成量少,当混合气浓度逐渐变稀时,氧气浓度增加,NOx的生成量逐渐达到最高值。发动机排出的有害气体主要通过以下三个途径释放:一是排气管,约有99%的CO、99%的NOx和60%的HC是通过排气管排出的;二是曲轴箱,约有1%的CO、1%的NOx和20%的HC是通过曲轴箱窜出的;三是燃料蒸发,约有20%的HC是通过燃料蒸发的形式释放到大气中的。汽车污染物的来源和污染物种类见图1。汽油车尾气排放的途径、成因及危害见表1。二、车辆尾气排放控制技术1.发动机废水排放控制技术面对日趋严格的排放法规,汽车尾气排放处理技术的发展日新月异,汽油机的排放控制技术主要有以下几种。1发动机燃烧系统发动机冷机时,由于催化剂的活性较差,不利于降低HC的排放。在所采用的方法中,稀薄燃烧技术最为有效。为了保证空燃比(A/F)稀薄化,在进气口内设置涡流控制阀,改进发动机进气系统,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第一、活塞环的位置燃烧火焰不能到达活塞第一道环岸脊(指第一道环槽至活塞顶之间的区域)与气缸壁之间,此区域内的未燃HC会直接从气缸内排出。提高第一道活塞环的位置,即减小第一道活塞环岸的高度,可以减小活塞环与气缸壁间的容积,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,但由于镀膜在活塞表面易形成许多细孔,吸附的HC在发动机排气行程时被排出机外。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。3表面催化剂整理以沸泡石等为主要成分,作为HC吸附剂,在催化剂活化前吸附HC,是减少未燃HC的有效办法。吸附剂最重要的性能是对HC的吸附率,吸附剂含碳原子越多,其吸附率越高。可以对三元催化层涂覆HC吸附催化剂,吸附的HC随着排气温度的升高而自动脱离,通过表面催化层进行净化。目前,HC从吸附层脱离的起始温度要比催化层的活化温度低,脱离初期对HC净化有一定困难,有待于今后通过材质改良、结构及温升特性的改进来进一步提高其净化性能。4提高温升特性为提高催化剂的早期活性,有效的方法是提高其温升特性和降低其活化温度。提高温升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,是降低催化剂活化温度的有效手段。5发动机倡议的最优燃烧方法使用电加热催化剂(EHC)和在排气管内利用排放气体燃烧产生的热量,即排气燃烧器(EGC),促使催化剂升温,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,发动机起动后,使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,但其催化转化效率很高,大有超过EHC之势。6再循环影响nox的生成条件废气再循环(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进气系统,使混合气中惰性气体的比例增加,由于这些惰性气体有较高的比热,使经过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,降低了混合气中氧的浓度,因而废气再循环破坏了NOx的生成条件,从而有效地抑制了NOx的生成。这种排气净化技术同样适用于柴油机。2.柴油的污染物排放柴油机排出的CO和HC仅为汽油机的1/10或更少,柴油机的排放污染物主要是NOx和浮游微粒。近年来,除废气再循环技术外,柴油机排放控制技术的发展主要围绕以下几个方面进行。1燃烧系统采用低压油柴油机污染物的排放量在很大程度上取决于气缸内的燃烧过程,因此,改进燃烧过程的各个环节(如燃油喷射系统、进气系统、进气口形状、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,这种技术已基本上成熟,对控制柴油机的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。2空气中冷系统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,这些因素使得噪声、CO和HC排放以及油耗都有所降低。但是,进气温度上升会使NOx增多,且空气密度因温升而下降,使得进气量未达到期望的水平。于是,出现了将增压后的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的排放下降,而输出功率进一步增加。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,提高其动力性的最佳措施。实践证明:这一技术可使柴油机的体积功率提高200%,NOx降低80%,微粒减少90%,耗油量降低16%。3燃油喷射者利用电子技术燃油喷射系统是柴油机的心脏,也是发展最快的系统。传统的泵喷嘴系统喷油压力较低,一般不超过50MPa,而现代燃油喷射系统除泵喷嘴外,还有新型的共轨系统,其喷油压力普遍提高,一般可达140MPa。柴油机的喷油压力越高,燃油与空气混合得就越好,排烟就越少。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,可以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,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、微粒排放量与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微粒的排放。4低通插装式大流量独立喷注目前,车用中、小型柴油机正向多气门方向发展,以加大循环充气量,改善动力性、经济性及排放性能。柴油机使用4气门(2进、2排)技术,可增大进气通过的最小截面积,增加循环进气量,提高柴油机的功率和转速;可实现喷油嘴正中布置,保证各喷嘴喷注的形态和混合条件相同,使喷注分布和混合气的形成更加合理;柴油机低速运转时,可通过关闭一个进气道来提高气缸内的漩流速度,并通过特殊设计充分利用进气惯性,以提高低速运转时的进气量。以上各点对减少有害排放物都是有利的,特别是低速涡流比和进气量的提高,部分解决了传统机型低速性能较差的缺点。5壁流式发酵陶瓷微粒捕集器尽管有多种柴油机排气后处理技术方案被提出并被研制开发,但目前公认的较实用的方案仅有氧化催化转化器、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。目前,应用最多的是美国康宁(Corning)公司和日本NGK公司生产的壁流式蜂窝陶瓷微粒捕集器。与一般催化剂载体不同的是,这种微粒捕集器的壁面是多孔陶瓷的,相邻的两个通道中,一个通道的出口侧被堵住,另个一通道的入口侧被堵住,这就迫使废气由入口敞开的通道进入,穿过多孔陶瓷壁面进入相邻的出口敞开的通道