探析汽車排放污染與凈化技術

王良斌 葛云

（焦作大學機電工程學院，河南焦作 454003）

探析汽車排放污染與凈化技術

王良斌 葛云

（焦作大學機電工程學院，河南焦作 454003）

論述了汽車排放污染物的產(chǎn)生和對人體的危害；對目前較為成熟的汽車排放凈化技術進行了闡述。

汽車排放；燃燒；污染；危害；凈化；控制

1.汽車排放和排放污染物

汽車排放目前主要包括尾氣排放、燃油蒸發(fā)排放和曲軸箱竄氣排放。尾氣排放，即發(fā)動機排氣管中排出的燃燒廢氣排放；燃油蒸發(fā)排放，即燃油箱中燃油蒸發(fā)的燃油氣體排放；曲軸箱竄氣排放，即從燃燒室竄入曲軸箱的完全燃燒和未完全燃燒的高溫高壓氣體排放。

尾氣排放物可分為基本成分和微量成分?；境煞钟校憾趸迹–O2）、水（H2O）、氮氣（N2）和氧氣（O2），這些物質對人體無害；微量成分有：一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、氮氧化合物（NOX）、二氧化硫（SO2）、微顆粒物質（鉛化物、炭煙、油霧等），而這些微量成分對人體有害。燃油蒸發(fā)排放物為HC。曲軸箱竄氣排放物成分較為復雜，除了主要來源于氣缸的竄氣（HC、CO、NOX、CO2、N2、O2）和水蒸氣外，還有曲軸箱內的機油形成的油霧。

在這些有害排放的物質中，CO、HC和NOX對人體危害最大。目前，汽車上已有的和人們正在致力研究的排放凈化控制系統(tǒng)，都是圍繞如何降低這三種有害物質的排放量進行的。

2.汽車排放污染物的產(chǎn)生和對人體的危害

2.1 一氧化碳（CO）

2.1.1 CO的產(chǎn)生

CO是可燃混合氣中氧氣不足（過量空氣系數(shù)α＜1或可燃混合氣局部混合不均勻使局部α＜1）而導致不完全燃燒的產(chǎn)物。而可燃混合氣燃燒的不完全程度與可燃混合氣的稀濃程度尤為相關，稀的可燃混合氣燃燒后（α〉1）幾乎不產(chǎn)生CO，而濃的可燃混合氣（α＜1）則使發(fā)動機尾氣中的CO濃度急劇增大。

在汽車尾氣排放的有害物質中，CO濃度最大。通常，原始尾氣（凈化裝置之前的尾氣）中CO濃度為3%～4%，怠速工況最為惡劣高達10%。

2.1.2 CO對人體的危害

CO是一種無色、無刺激性的有毒氣體，經(jīng)人體呼吸道進入肺部被血液吸收，極易與血液中的血紅蛋白結合。碳氧血紅蛋白在人體內一旦形成，就會阻礙血紅素攜帶氧氣的能力，使體內缺氧而發(fā)生中毒，造成人的感覺、反應、理解、記憶等機能故障，出現(xiàn)頭疼、頭暈等損壞人的心臟及神經(jīng)系統(tǒng)的中毒狀態(tài)，嚴重時使人窒息死亡。大氣中CO濃度對人體的危害程度見表1所列。

表1 CO對人體的危害

2.2 碳氫化合物（HC）

2.2.1 HC的產(chǎn)生

汽車向大氣中排放的HC主要來源于發(fā)動機不完全燃燒的尾氣排放（約占55%～65%），其次是曲軸箱竄氣排放（約占20%～25%）和燃油蒸發(fā)排放（15%～20%）。

尾氣中的HC產(chǎn)生的原因很多，并且生成機理也很復雜。主要原因有：其一，過濃可燃混合氣的不完全燃燒；其二，過稀可燃混合氣的不穩(wěn)定燃燒；其三，燃燒室壁面上未燃燒的混合氣。

汽車發(fā)動機排放中所含的HC有百余種之多，但其濃度總量比CO要少。

2.2.2 HC對人體的危害

HC大部分對人體健康的直接影響并不明顯，但從汽車尾氣排放成分中檢測得知，在排出的HC中，含少量的醛類（甲醛、丙烯醛）和多環(huán)芳香烴（苯并芘）等。其中甲醛與丙烯醛對鼻、眼和呼吸道粘膜有刺激作用，可引起結膜炎、鼻炎、支氣管炎等癥狀，苯并芘被認為是一種強致癌物質。

2.3 氮氧化合物（NOX）

2.3.1 NOX的產(chǎn)生

NOX成分比較復雜，有NO、NO2、NO3、N2O、N2O3和N2O5等，從大氣污染角度來看，汽車發(fā)動機尾氣排放的NOX主要是NO和NO2，總稱為氮氧化合物NOX。

NOX是可燃混合氣在燃燒室燃燒過程中，高溫和富氧條件下生成的。燃燒的溫度越高和燃燒后剩余的氧氣濃度越高，則產(chǎn)生的NOX越多?？扇蓟旌蠚膺^稀或過濃時，因燃燒室內燃燒溫度相對低，使NOX不易產(chǎn)生；可燃混合氣為理論空燃比（α＝1）時，因其燃燒效率高使燃燒室溫度相對較高，從而使NOX易產(chǎn)生。

2.3.2 NOX對人體的危害

NO對人體的危害不大，但高濃度的NO能引起神經(jīng)中樞障礙。汽車尾氣排放中的NO在大氣中很易被氧化成NO2。NO2是一種棕色氣體，有特殊的刺激性臭味，被吸入肺部后，能與肺部的水分結合生成可溶性硝酸，嚴重時引起肺氣腫。大氣中NO2濃度大約在16×10-6時，10min內，肺氣流阻力有明顯上升。大氣中不同濃度的NO2對人體的危害見表2所列。

表2 NO2對人體的危害

NOX不易在大氣中存留，遇雨水就被溶解，其累計濃度不會過高。因而NOX對大氣污染的程度不像CO那樣嚴重。

3.汽車排放污染物凈化技術

3.1 三元催化轉化裝置

三元催化轉化裝置是安裝在汽車排氣系統(tǒng)中的機外凈化裝置，它將汽車尾氣中的CO、HC和NOx三種有害氣體通過氧化和還原化學反應轉變?yōu)闊o害的CO2、 H2O和N2。催化劑為鉑∶銠＝5∶1的混合物。當高溫的燃燒廢氣通過三元催化轉化裝置時，催化劑鉑使CO和HC在高溫條件下氧化成H2O和CO2，催化劑銠使NOX在高溫條件下還原成N2和O2。

目前，實行空燃比閉環(huán)控制的電控燃油噴射發(fā)動機，三元催化轉化裝置是必配裝置，這一成熟的尾氣排放控制技術方案，使汽車尾氣排放凈化率可達97%以上。在正常使用下，三元催化轉化裝置可保證8萬公里（國外已達16萬公里）內無需進行維護修理。

3.2 廢氣再循環(huán)控制系統(tǒng)

廢氣再循環(huán)（EGR：Exhaust Gas Return）控制系統(tǒng)就是抑制和減少可燃混合氣在燃燒過程中NOX生成的機內凈化技術。

在燃燒室內，高溫和富氧條件下生成較多的NOX，因而，適時且適度地降低燃燒室溫度和燃燒后剩余的氧氣濃度，就可以抑制和減少NOX的生成。EGR就是把發(fā)動機燃燒的廢氣在適當?shù)墓r下適量地引入進氣系統(tǒng)，并與新鮮空氣混合而再次進入氣缸。一方面，廢氣對新鮮空氣的稀釋降低了氧濃度；另一方面，被廢氣稀釋的可燃混合氣含有大量的CO2，而CO2不能燃燒卻吸收大量的熱，使氣缸中可燃混合氣燃燒的最高溫度降低。

由此可見，EGR是以適度降低發(fā)動機的功率為代價來提高發(fā)動機的排放性的。不適時和過量的廢氣參與再循環(huán)，將會影響可燃混合氣的著火和燃燒質量，從而影響發(fā)動機的動力性。特別是在發(fā)動機怠速、低速、小負荷以及冷機狀態(tài)時，再循環(huán)的廢氣會明顯地影響發(fā)動機性能。因此，廢氣再循環(huán)控制系統(tǒng)必須是一個由ECU嚴格控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)，以最小的發(fā)動機功率損失為代價，最大限度地抑制NOX的生成。

EGR可分為外部EGR和內部EGR。通常把發(fā)動機廢氣經(jīng)過EGR閥進入進氣歧管，與新鮮空氣混合在一起的方式稱為外部EGR。通過控制氣門重疊角的大小，使廢氣倒流，與吸入的可燃混合氣在燃燒室內混合，與外部EGR相對應，稱這種方法為內部EGR。隨著可變氣門正時技術的迅速普及，內部EGR技術重獲新生，內部EGR和外部EGR互為彌補，使得EGR技術更加完善和成熟。

3.3 燃油蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)

燃油是一種易揮發(fā)的液體，在常溫下燃油箱內充滿燃油蒸氣，燃料蒸發(fā)控制系統(tǒng)的作用就是收集并暫時儲存燃油箱的燃油蒸氣，在適當?shù)墓r下適量地將燃油蒸氣引入氣缸參加燃燒，從而防止燃油蒸氣直接排入大氣造成污染，同時也提高了發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性。

活性碳罐內填充具有較強吸附性的活性碳，活性碳罐通過管路與燃油箱連通，由ECU控制的電磁閥通過管路將進氣歧管和活性碳罐連通。燃油蒸汽可以時時刻刻地被活性碳吸附在活性碳罐內。只要電磁閥打開，活性碳罐內的燃油蒸汽在真空吸力作用下，被來自于活性碳罐下部的新鮮空氣帶入氣缸內參加燃燒。當汽車運行時，ECU根據(jù)發(fā)動機運行工況，通過調節(jié)電磁閥的開閉以及開度的大小，適時且適量地控制引入氣缸參加燃燒的燃油蒸氣量。

從1995年起，我國規(guī)定所有新出廠的汽車，必須裝備燃油蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)。

3.4 曲軸箱強制通風（PCV）控制系統(tǒng)

汽車發(fā)動機受其結構原理所致，在工作過程中燃燒室內的高壓氣體會有一部分途經(jīng)氣缸壁與活塞、活塞與活塞環(huán)、活塞環(huán)開口竄入曲軸箱，稱之為發(fā)動機曲軸箱竄氣。曲軸箱內的混合氣體，除了主要來源于氣缸的竄氣和水蒸氣外，還有曲軸箱內的機油形成的油霧。曲軸箱內混合氣體不僅對發(fā)動機運行危害極大，若排入大氣中會造成空氣污染。

發(fā)動機運行中，把新鮮空氣引入曲軸箱內，以便隨時掃除竄氣，并且新鮮空氣流裹卷著竄氣混合物一同被引入進氣歧管參與燃燒。這個任務由曲軸箱強制通風（PCV）系統(tǒng)來完成。

4.結束語

（1）隨著汽車保有量的增加，汽車排放污染治理將是一個全球性的重要課題。

（2）我國汽車排放污染治理，場面之大，問題之多之復雜，是機遇，更是挑戰(zhàn)，任重而道遠。

（3）汽車排放污染治理，必須綜合治理，是交通管理制度、凈化技術、人的環(huán)保意識等綜合因素的優(yōu)化結果。其中，人是第一位的。車，是人開的、是人修的、是人管理的。任何凈化技術的使用和先進的交通管理體系最后都歸結于人。再先進的凈化裝置，只要使用和調整不當，沒有按要求進行正常的維修，一切努力都將付諸東流。

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[2]龔金科.汽車排放污染及控制[M].北京：人民交通出版社，2005.

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[4]張金女，儲江偉，樸永守.汽車電子裝置與控制技術[M].哈爾濱：黑龍江科學技術出版社，2000.

[5]楊生輝，楊華.汽車排放污染物對人體的危害[J].汽車維護與修理，2000，（2）.

（責任編輯 張蓓）

由（8）、（9）、（22）、（23）式可知：

VI跟隨k1、U0、U1、kx、φ而變，而kx又隨k7、U0、k3、k4而變

VQ跟隨k2、U0、U1、ky、φ而變，而ky又隨k7、U0、k5、k6而變

k3、k4、k5、k6分別為衰減器A、B、C、D的衰減系數(shù)，在環(huán)路內受控可變

U1、φ為泄漏信號的幅值和相位

U0為本振信號的幅值

僅考慮環(huán)路內的動態(tài)變量，則有：

UI受控于k3、k4，同時又控制k3、k4的變化；

VQ受控于k5、k6，同時又控制k5、k6的變化。

整個環(huán)路構成一個動態(tài)對消系統(tǒng)，始終能把載波泄漏信號對消掉。

4.試驗結果

本設計中，對消環(huán)路內的矢量產(chǎn)生器基于四象限信號分別受控后合成的思路實現(xiàn)，可達到較高的技術指標，調試工作也相對簡單。該設計已在某工程項目中得到應用，取得了好的效果。設備中，本振信號頻率為70MHz，對消環(huán)路對隨機變化的泄漏信號可實時對消，環(huán)路工作穩(wěn)定，實測結果為：對隨機變化的泄漏信號動態(tài)對消量達到52dB以上，滿足系統(tǒng)要求。

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（責任編輯 張蓓）

X701

A

1008-7257（2015）03-0072-03

2015-04-20

王良斌（1959-），男，河南焦作人，焦作大學機電工程學院副教授，高級工程師；葛云（1962-)，男，浙江杭州人，焦作大學機電工程學院副教授。