汽车排放污染及其控制技术概述

—一一　Ａｎａ１ｙｓｉＳ　ｏｆ　ＶｅｈｉＣ１ｅ　Ｅｍｉ　ｓｓｉｏｎ　ＰｏＩ１ｕｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｔｓ　Ｃｏｎｔｒｏ１　Ｔｅｃｈｎｏ１ｏｇｙ　张雪文蔡建交　Ｚｈａｎｇ　Ｘｕｅｗｅｎ　Ｃａｉ　Ｊｉａｎｊｉａｏ　（益阳职业技术学院，湖南益阳４１３０４９）　（Ｙｉｙａｎｇ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｈｕｎａｎ　Ｙｉｙａｎｇ　４１３０４９）　摘技术。　要：本文阐述了汽油机排放污染物的主要成分及其危害、排放污染物的浓度影响因素以及国内外汽油机常见排污控制　关键词：汽油机；排放污染；影响因素；控制技术　中图分类号：Ｕ２７０．１　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７１－４７９２．（２０１０）６．０１７８．０３　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ　ｔｈｅ　ｇａｓｏｌｉｎｅ　ｅｎｇｉｎｅ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｐｏｌｌｕｔａｎｔ　ｐｒｉｎｃｉｐａｌ　ｃｏｎｓｔｉｔｕｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈａｒｍ，ｔｈｅ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｐｏｌｌｕｔａｎｔ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｄｏｍｅｓｔｉｃ　ａｎｄ　ｆｏｒｅｉｇｎ　ｇａｓｏｌｉｎｅ　ｅｎｇｉｎｅ　ｃｏｍｍｏｎ　ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｇａｓｏｌｉｎｅ　Ｅｎｇｉｎｅ；Ｅｍｉｓｓｉｏｎ　Ｐｏｌｌｕｔａｎｔ；Ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ　Ｆａｃｔｏｒ；Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　０引言　烈刺激作用；浓度超过２５×１０　时，会引起头晕、呕心、红白　球减少、贫血；超过１０００ｘ　１０　会急性中毒。　１．３氮氧化物（ＮＯｘ）　汽车的排放污染主要产生于发动机燃料燃烧后所排放　的废气中，以及供油系燃料蒸发泄露和发动机废气溢出所散　发的有害气体。汽油机的主要污染物成分是一氧化碳（ＣＯ）、　碳氢化合物（ＨＣ）和氮氧化合物（ＮＯｘ）。另外，发动机燃烧后　所排出的大量二氧化碳（ＣＯ：）所导致的温室效应也不容忽　视。　氮氧化物是燃烧过程形成的多种氮氧化物，如ＮＯ、　Ｎ（）２、　０，、Ｎ２０，等，总称为ＮＯｘ。ＮＯ通过呼吸道及肺进人血　液，产生与ＣＯ相似的严重后果。在内燃机中主要是ＮＯ，约　９５％；其次为ＮＯ：，占５％。ＮＯ是无色无味气体，只有轻度刺　激性，毒性不大，高浓度时会造成中枢神经有轻度障碍，ＮＯ　可被氧化成ＮＯ：。ＮＯ：是一种棕红色强刺激性的有毒气体，　１汽车排放污染物的主要成分及其危害　１．１一氧化碳（ＣＯ）　ＣＯ是发动机巾因空气供给不足或其他原因造成的不完　其含量为０．１×１０　时即可嗅到，１×１０　～４Ｘ　１０　就感到恶　臭。ＮＯ　吸人人体后，和血液中血红素蛋白ＩＴｏ结合，使血液　输氧能力下降，它对心脏、ｌ肾、肝都会有影响。ＮＯｚ使植物枯　黄，是地面附近大气中形成臭氧的主要因素。　１．４微粒　微粒（也称颗粒）对人体健康的危害与其大小及组成有　全燃烧时所产生的一种无色、无味但有剧烈毒性的气体。由　于ＣＯ和血液中有输氧能力的血红素蛋白（１ａｂ）的亲和力比　氧气和Ｈｂ的亲和力大２００￣３００倍，因而ＣＯ能很快和Ｈｂ　结合形成碳氧血红素蛋白（ＣＯ—Ｈｂ），使血液的输氧能力大大　降低，造成心脏、头脑等重要器官严重缺氧。轻者可使中枢神　经系统慢性中毒而受损，引起头晕、恶心、头痛等症状；严重　时会使心血管工作困难，直至死亡。　１．２碳氢化合物（ＨＣ）　碳氢物（也称烃）包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油　及其裂解的产物和部分氧化物。单独的ＨＣ只有在浓度相当　高的情况下才会对人体产生影响，但是当ＨＣ和ＮＯ　（二氧化　氮）混合在一起，经强烈阳光照射后产生的高浓度臭氧，会对　关。微粒愈小，悬浮在空中的时间愈长，进人人体肺部后停滞　在肺部及支气管中的比例愈大，危害愈大。小于０．１ｕｍ的微　粒能在空中作随机运动，进入肺部附在细胞的组织中，有些　还会被血液吸收；０．１～０．５　ｕｍ的微粒能深入肺部并粘附在　肺表面的粘液中，随后会被绒毛所清除；大于５ｕｍ的微粒常　在鼻处受阻，不能深入呼吸道；大于１０ｕｒｎ的微粒可排除体　外　微粒除对人体呼吸系统有危害外，由于其存在孑Ｌ隙而能　人的眼睛、呼吸器官及皮肤等产生强烈的刺激。当甲醛、丙稀　粘附在ＨＣ、ＮＯ：等有毒物质或苯丙芘等置癌物中，因而对人　体健康造成更大危害。　醛等气体浓度超过ｌｘ　１０　时，就会对眼、呼吸道和皮肤有强　】Ｚ８　２排放污染物浓度的影响因素　憾菇渡｛鼬　汽车废气中ｃｏ、Ｈｃ和Ｎ０ｘ三种有害气体的影响因素　聃蚺｝　转速和负荷、燃料以及发动机的内部结构等。　空比响空燃比（Ａ／Ｆ）对　、ＣＯ　Ｈ　和　Ｃ　ＮＯｘ蝴的影响如图一所示。鲫一。　涵鬻　・　，●ｏｏＯ　－　冉　－　朋．　‘　●　Ｊ　瑚　Ｉ∞０　。　瑚　－、　‘＿．，一　●日　一Ｉ：　Ｉ●　●　●　既ｌ￡“羽　图一空燃比对有害气体的影响　理论上燃料完全燃烧时所需要的空燃比为Ａ／７＝１４．７。汽　油机在正常的火焰传播与燃烧时，混合气的空燃比通常为　１　Ｏ～１　８。由于混合气成分的不同，使燃烧速度产生很显著的　差异，结果产生不同的排气成分。汽油机空燃比与排气有害　成分的关系如图一所示。从图中可以看出，供给浓混合气时，　ＮＯ减少而ＣＯ、ＨＣ增多；供给略稀的ｆ昆合气时（经济混合比　附近），ＣＯ、ＨＣ减少而ＮＯ增多；供给稀混合气时，ＮＯ、ＣＯ　减少而ＨＣ增多。从发动机负荷分析表明，发动机满负荷时，　燃烧不完全，生成的ＣＯ量增多；中等负荷时，｝昆合气略稀，　燃烧效率最高，ＣＯ、ＨＣ减少但ＮＯｘ增多；在怠速和小负荷　时，ＮＯｘ排放量减少而ＣＯ和ＨＣ显著增多。　２．２点火提前角的影响　点火提前角对ＣＯ的生成量影响不大，但对ＨＣ和ＮＯｘ　的影响较大，见图二和图三。　／　ｄ０ｏ　／　青　窑３ｏｏ　／　荏　Ｏ　．，　ＬＯＤ　／　，。　一ｌＯ　点火擗前翔　…　．柏　图二点火提前角对Ｈｃ的影响　触　汽　籼ｆ　＼　排　放　２蛳｝　，ｌｏ　’、　染　污　。　及　舯｝Ｅｏ　　ｌ２　＿４　ｉ　ｊ．６　１、＼．Ｂ　雄　…　控制　其　技　未　图三点火提前角对ＮＯｘ的影响　概　述　由图二和图三可知，随着点火提前角的增大，ＨＣ和　ＮＯｘ生成物都会急剧增加，其原因与燃烧时的速度、压力、　温度等有关。当点火提前角增大到一定值后，由于燃烧时间　过短，ＨＣ和ＮＯｘ生成量便有所下降。当然，正确调整点火正　叫定　Ｆ吊　赞州，　州恩火谨刚＿用　及　Ｌ驯　ｌ、陴，　油耗增大，工作不稳。　２．３发动机转速和负荷的影响　汽油发动机怠速运转时，由于？昆合气过浓，混合气燃烧　不充分，ＣＯ、ＨＣ排放量较大。提高怠速运转可使ＣＯ、ＨＣ排　放浓度下降，这是由于进气节流减少，充气量增加，残余气体　稀释有所减少，使燃烧得到改善的缘故。随着发动机转速的　增加，？昆合气变薄，燃烧室内气体的紊流增加，改善了混合和　燃烧，使排气中的ＣＯ、Ｈｃ含量减少。发动机转速对不同空　燃比混合气的ＮＯ的生成速度有所影响。当用较浓混合气　时，由于散热时间短，燃烧室内温度升高，ＮＯ生成的速度有　所不同；反之，当用稀？昆合气时，由于燃烧过程相对于曲轴转　角增大，燃烧峰值温度反而下降，ＮＯ生成速度较慢。当转速　达到最大转速的６５％￣７５％时，废气中的ＮＯ达到最大值。　２．４燃料　汽油成分对ＮＯｘ排放影响较大，而对ＣＯ排放影响较　小，对ＨＣ的排放总量影响不大。汽油组成的芳烃、稀烃等成　分的含量对汽车排放有一定的影响。芳烃虽能提高汽油的辛　烷值，但同时会增加发动机的沉积物和ＣＯ的排放量。稀烃　疋工＿肌　ｒ　从　Ｌ　例日　二士二贫帆　＇　吼　ｆ　佃　ｒ月＾］：、仰　烃含量可大大降低汽车排放对大气的污染程度。　３汽油机废气污染物的控制技术　汽油机排放控制的主要技术措施可分为三类：改进发动　机燃烧过程以减少有害物质生成的机内净化技术、在排气系　统中采用化学或物理方法对已生成的有害物质进行净化的　机外处理技术，以及对来自曲轴箱和供油系统的有害物质排　放物进行净化的非排气污染控制技术。后两类也统称为机外　净化技术。　３．１机内净化技术　机内净化技术主要有ＥＦＩ电控汽油喷射系统、推迟点火　１　７９　一　提前角、ＥＧＲ废气再循环、燃烧系统优化设计（包括紧凑的　燃烧室形状、改善气缸内气流运动、合理提高压缩比、提高进　气充量、减小不参与燃烧的间隙容积、提高点火能量）、可变　进气系统（包括可变进气系统、可变进气门机构）、可变排量　发动机、稀薄燃烧及缸内直喷式汽油机等。　（１）燃烧系统优化　燃烧系统优化技术包括燃烧室形状优化、改善气缸内气　流运动、合理提高压缩比等。　①燃烧室形状优化　燃烧室形状优化原则是尽可能紧凑，面容比Ｓ／Ｖ要小，　火花塞装在燃烧室中央位置以缩短火焰的传播距离。　②改善缸内气流运动　静止或层流混合气的火焰传播速度一般不超过ｌｍ／ｓ，而　湍流时可高达１００ｍ／ｓ以上。因此，提高气缸内混合气的湍流　程度，有助于混合气快速和完全燃烧。　（２）废气再循环控制系统（ＥＧＲ）　废气再循环技术是一项广泛应用的技术，用来降低　ＮＯｘ的浓度。ＥＧＲ通过使一部分废气流回进气管来降低最　高燃烧温度，抑制ＮＯｘ的生成。但ＥＧＲ率过大会使燃烧恶　化，燃油消耗率增大，ＨＣ排放上升。电子控制废气再循环系　统可实现非线性控制，控制范围和自由度大，更符合净化的　实际需要。　（３）可变进排气正时系统（ＶＶＴ）　采用多气门技术，减少进气阻力，提高充量系数。还可采　用气门连续可变正时控制和升程控制技术实现发动机随转　速和工况的变化达到最佳的充气效率，这是使尾气排放达到　欧ＩＶ排放限值的重要技术。　（４）稀薄燃烧技术　由于闭环电喷系统是以牺牲经济性为前提，而稀薄燃烧　技术是为了兼顾汽车排放经济性而开发的，它主要采用稀　燃、速燃和层燃技术。采用稀薄混合气可较全面地降低有害　排放物和提高压缩比，既减少了污染物排放，又提高了汽车　的经济性。　（５）汽油机缸内直喷技术（ＦＳＩ）　汽油机缸内直喷技术是将汽油直接喷到燃烧室内与空　】８Ｑ　气混合、燃烧，同时具有汽油机和柴油机的优点。汽油机直喷　技术和稀薄燃烧技术相结合，直喷技术使均匀燃烧和分层　燃烧成为现实，可以极大地提高混合气的混合程度，更精确　地控制燃烧过程的空燃比，从而达到完全燃烧，可有效降低　未燃ＨＣ的排放。汽油机直喷技术可增大发动机的压缩比，　提高发动机的热效率。　３．２机外净化技术　（１）二次空气供给　二次空气供给系统是在排气管的上段设置一个反应器，　通过空气泵、控制阀、单向阀和喷射管等引入适量的新鲜空　气，在高温下，令ＣＯ和ＨＣ在热反应器内继续燃烧（生成　Ｈ　Ｏ和ＣＯ２），从而进一步减少了ＣＯ和ＨＣ的排放量。有的　发动机则向三元催化器提供二次新鲜空气，以使ＣＯ和ＨＣ　在催化器内获得更充分的氧化反应。　（２）三元催化净化装置　三元催化净化器的催化剂为铂、铑、钯和钌等贵金属，铂　和钯为氧化剂，使ＣＯ和ＨＣ发生氧化反应，生成ＣＯｚ和　ＨｚＯ。铑为还原剂，使ＮＯｘ脱氧，还原成Ｎ：并释放出０ｚ。Ｏｚ　又促进了ＣＯ和ＨＣ的氧化。　３．３非排气污染物控制　非排气污染物控制是为了控制汽车排放中占２０％的曲　轴箱窜气和占２０％的燃油系统蒸发，包括曲轴箱强制通风装　置和燃油蒸发控制系统。　参考文献　［１】曹红兵．汽车理论［Ｍ】．北京：机械工业出版社，２００７．　［２】王务林．汽车排放控制【Ｍ】．ｊＥ京：机械工业出版社，　２００７．　【３】汽车排放污染物的成份和危害性的分析［ＥＢ／ＯＬ】　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｑｔｄ．ｃｎ／ａｑｌｗ．　作者简介　张雪文（１９７４一），男，硕士，工程师，主要研究方向：车辆　工程。