汽油機有害排放物及其控制裝置

祁力洋

摘要：本文首先介紹了汽車上汽油機對大氣污染的影響現(xiàn)狀，然后介紹了汽油機的有害排放物有哪些并指出了它們的危害，接著講解了主流汽油機的排放控制裝置有哪些，最后總結了全篇文章的作用及意義。

Abstract： This paper first introduces the current situation of the influence of gasoline engine on air pollution， then introduces the harmful emissions of gasoline engine and points out their harm， then explains the emission control device of mainstream gasoline engine， and finally summarizes the function and significance of the whole article.

關鍵詞：汽油機;有害排放物;控制裝置

Key words： gasoline engine;hazardous emissions;control device

中圖分類號：U464.171? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0044-02

1? 汽油機排放的有害物質

汽車汽油機有害排放物主要有尾氣排放物、燃油系統(tǒng)蒸發(fā)物和噪聲。其中尾氣排放物，對汽油機主要指CO、HC和NOX;而對柴油機而言，除CO、HC、NOX，以外，還有煙度及微粒。

1.1 一氧化碳（CO）

一氧化碳是汽油機燃料中燃燒不完全的物質，是一種沒有顏色沒有臭味的產物。它的熔化溫度為是-199.0°C，沸騰溫度是-191.5°C，點火溫度是651.0°C[1]。其和人體血液當中的血紅素的結合力與氧氣相比較，有300倍之多，所以一旦人體吸入一氧化碳以后，就會導致人體血液運送、吸收氧氣的功能受損，從而引發(fā)一系列中毒癥狀，比如頭暈、頭痛等。最終能夠致人于死亡的CO氣體的含量是占總氣體的0.3%左右。

汽油機排放一氧化碳的最顯著因素是由不能夠完全燃燒的CH燃料產生的。同樣的原因，燃燒當中產生的部分又熱又高溫的分解反應是同樣重要的因素。如果反應的溫度到達2000K及其以上的溫度度數(shù)時，即便是在大于1的過量空氣系數(shù)氣體混合物中反應，反應排放物里面的相對不活躍的二氧化碳和水的分子的一部分，按式（1）通過高溫分解反應為一氧化碳、氮氧化合物以及氫、氧、氫氧根等相對活性高的分子，并且在上訴所有分子共同存在的情況下到達一種平衡狀態(tài)，也就是

由于式（1）的右向熱分解反應均為吸熱反應，所以燃燒溫度越高，熱分解度越大，形成CO的可能性也就越大。因此，在控制CO時，有必要相應地控制燃燒溫度。

1.2 碳氫化合物（HC）

HC作為反應產生的物質，整體上可分為醛類等含有氧分子的碳氫化合物和不含有氧分子的碳氫化合物兩大類。

碳氫化合物在普通陽光照射條件下就能引發(fā)光化學反應，產生O3、多環(huán)芳香族碳氫化合物等自身保有非常強的氧化性質的產物，從而生成光化學的煙霧。其不但能夠使大氣能見度降低，使植物受到傷害如橡膠裂開，損害我們的眼睛、喉嚨，并且在碳氫產物中的PAH是可以導致癌癥的東西[2]，也可生成副產物碳煙。

碳氫化合物生成的最重要因素是有不完全反應產生的碳氫化合物、因為供給燃料的系統(tǒng)發(fā)生滲透作用生成的碳氫化合物和汽油從汽油機還未反應就排放出的碳氫化合物等三種。它們三者中引發(fā)不完全反應的緣由是汽油機內的O2量供應缺乏、汽油機機體溫度很低、形成的汽油和空氣的氣體不均勻或者是汽油機里面部分位置有過濃的混合氣體等。

1.3 氮氧化合物（NOX）

氮氧化合物同樣是一種反應排出的物質，一氧化氮、二氧化氮都叫做氮氧化合物。形成的氣體中95%左右都是一氧化氮，但反應后面的部分和排出氣體的行程中，有小比例的一氧化氮可以發(fā)生氧化反應從而生成二氧化氮。

氮氧化合物，很大程度上損害了我們生存的空氣、動植物的生活乃至我們自身的體質。一氧化氮如果存在在我們生活的空氣當中，它會和臭氧迅速發(fā)生氧化反應生成二氧化氮，對我們生存的大氣層會產生毀滅性的損害。除了這些，二氧化氮是一種有害的紅褐色氣體，它存在非常濃烈的異常氣味，對于我們的身體器官有著非常重大的損傷。并且，氮氧化合物和碳氫化合物相同都是產生光化學煙霧的主要原因。

2? 汽油機的排放控制設備

2.1 催化轉化設備

催化轉化設備是通過使用催化劑，把汽油機排出產物里面的一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化合物變成對于我們自身來說完全沒有危害的產物的一種凈化汽油機生成物設備，也可以叫它催化凈化轉化設備[3]。催化轉化設備是在催化劑的作用下通過氧化反應、還原反應、水性氣體反應和水蒸氣改質反應，將排氣中的CO、HC及NOX三種有害氣體轉換成無害氣體CO2、N2、H2和H2O。

依據(jù)催化凈化轉化設備的工作原理，能夠分為下面兩種設備。

2.1.1氧化催化轉化設備

氧化催化轉化設備的作用是讓廢氣里面的一氧化碳、碳氫化合物發(fā)生氧化反應變成二氧化碳、水蒸氣。氧化催化轉化設備最重要的原料是鈀（Pt）、鉑（Pd）之類的貴重金屬。氧化HC和CO的條件，是將Pt、Pd獨立或二者組合為催化劑。實際使用的Pt/Pd組合之比是在2.3/1附近，一般多使用Pt/Pd之比等于2/1或2.5/1的催化劑[4]。貴金屬Pd易受Pb（鉛）的侵蝕，而貴金屬Pt容易受熱劣化。

影響催化反應的基本因素是反應物質的濃度、溫度以及空間速度（單位時間內的氣體流量）。因此，為了提高反應效率，需要適當控制這些因素。一般催化劑的工作溫度為300℃以上[5]，空間速度為每小時數(shù)萬升以下。作為反應物的濃度，很重要的因素就是氧氣的濃度和被氧化物質（CO、HC、H2）濃度之間的平衡關系。因此，讓氧化催化轉化設備把汽油機產生的碳氫化合物、一氧化碳等生成物進行氧化反應的條件，另外對于尾氣處理設備來說，使用催化設備或者是熱的排放物轉換設備的時候，都應該向汽油機尾氣處理系統(tǒng)提供吸入的未經處理的空氣，并稱之為2次空氣。

2次空氣的供給方式，分為空氣噴射方式和排氣管內壓力脈動方式兩種。其中，排氣管內壓力脈動方式是采用逆向單向閥通過排氣管內的負壓直接吸入大氣空氣的方法。空氣噴射方式是利用空氣泵按一定壓力將一定量的空氣噴入排氣管內?？諝獗檬怯砂l(fā)動機曲軸驅動的，所以其供給的空氣量與發(fā)動機轉速成正比，而與發(fā)動機負荷無關。因此，為了根據(jù)發(fā)動機不同工況的要求，應控制最適合的2次空氣量。為此設置2次空氣控制閥兩個、溢流閥、單向閥等空氣流量控制。2次空氣經空氣泵濾清器、空氣泵、單向閥、空氣回流管噴入排氣管，或經2次空氣控制閥噴入催化轉化設備。當所供給的空氣過多時，經2次空氣控制閥、溢流閥流入空氣濾清器并隨進氣進入氣缸。這種2次空氣供給方式主要適用于要求2次空氣量較多的6缸機以上的大排量發(fā)動機。

2.1.2 三元催化轉化設備

三元催化轉化設備是能同時凈化汽車尾氣排放中的CO、HC和NOX的后處理設備。可是此三元催化轉化設備的實現(xiàn)處理尾氣的條件與空氣和燃料的比例有關，也就是說產生有價值的處理尾氣的結果是在理想空氣和燃料的比例變化很小的范圍內才可以，因此反應過程中對空氣和燃料的比例的把控很嚴格。由于目前已開發(fā)應用催化劑技術和氧傳感器以及電控燃料噴射技術，使汽油機使用時的空燃比可嚴格控制在理論空燃比上，所以目前在汽油機上廣泛應用三元催化轉化設備。

三元催化轉化設備最重要的是由殼體、墊層、載體和催化劑等部分構成的。這里面，催化反應藥劑主要包括主催化成分（也稱活性成分）和催化反應輔助成分。把催化反應藥劑固定的放在載體上面組成催化反應的主要場所。最常見的活性成分包括Rh（銠）、Pd（鈀）、Pt（鉑）及其他貴重金屬，它們的成本很高，但它們也是催化成分里面擔當催化目地的最重要的組成部分;可是鈀容易受到鉛的腐蝕，而且鉑在高溫條件下非常容易改變自己的性質，因此在現(xiàn)實生活的使用中是把鉑和鈀同時按比例摻和在一起的。針對汽油機的催化反應藥劑，都是在藥劑表面上進行催化氧化反應的，因此以提高主活性成分的實際反應程度為目的，都是把鎳、銅、釩、鉻等不硬的金屬當作輔助藥劑添加在里面。在催化轉化設備中采用催化助劑的目的，是為了改善催化劑的催化性能，提高主催化劑的選擇性和耐久性。

具有代表性的催化助劑是二氧化鈰，它具有在氧化（稀?。﹤任匮鯕?、在還原（濃）側放出氧氣的特性;還具有擴大高效率凈化HC、CO、NOX三成分的空燃比范圍的效果。

2.2 降低低溫碳氫化合物排放設備

有三元催化轉化設備處理完排出的氣體之后，汽油機對外產生的碳氫化合物大都是在冷態(tài)下產生的溫度還沒有到達催化藥劑能夠進行凈化之前的。它的凈化方式主要有在藥劑的作用下進行氧化反應、使催化轉化設備提前預熱、二次燃燒裝置、采用HC捕捉器等[6]。

3? 總結

由于我國在發(fā)展汽車行業(yè)時越來越重視汽車污染物對大氣的影響，所以本文主要針對汽油機有害排放物及系統(tǒng)的控制方法進行了詳細的分析。指出了現(xiàn)階段對汽車汽油機排放的有害污染物的成分的研究方向，對怎樣控制排放的污染物進行了詳細介紹。是汽車汽油機污染物控制在研究領域的改善與進一步探究。

參考文獻：

[1]嚴銳.淺談汽油機汽車有害排放物降低措施[J].科教文匯（上旬刊），2009（06）：275-276.

[2]戴村供.車用汽油機有害排放物的形成、影響因素及控制探討[J].中國科技信息，2006（24）：20，22.

[3]黃堅.改善內燃機的燃燒以降低油耗和減少有害物排放的技術措施[J].科技資訊，2006（20）：247-248.

[4]邱先文.降低車用稀燃汽油機有害排放物NOX的排氣再循環(huán)的研究[D].天津大學，2003.

[5]刁維芹.汽油機有害排放物的形成機理及排氣凈化措施[J].農業(yè)機械，2002（05）：63.

[6]陳家瑞.汽車構造[M].三版.北京：機械工業(yè)出版社，2009：197-203.