王良斌 葛云

（焦作大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南焦作 454003）

探析汽車排放污染與凈化技術(shù)

王良斌 葛云

（焦作大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南焦作 454003）

論述了汽車排放污染物的產(chǎn)生和對(duì)人體的危害；對(duì)目前較為成熟的汽車排放凈化技術(shù)進(jìn)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(dòng)機(jī)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?dú)猓∟2）和氧氣（O2），這些物質(zhì)對(duì)人體無害；微量成分有：一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化合物（NOX）、二氧化硫（SO2）、微顆粒物質(zhì)（鉛化物、炭煙、油霧等），而這些微量成分對(duì)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(fù)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(nèi)的機(jī)油形成的油霧。

在這些有害排放的物質(zhì)中，CO、HC和NOX對(duì)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(zhì)的排放量進(jìn)行的。

2.汽車排放污染物的產(chǎn)生和對(duì)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(dǎo)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(guān)，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(dòng)機(jī)尾氣中的CO濃度急劇增大。

在汽車尾氣排放的有害物質(zhì)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(dá)10%。

2.1.2 CO對(duì)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(jìn)入肺部被血液吸收，極易與血液中的血紅蛋白結(jié)合。碳氧血紅蛋白在人體內(nèi)一旦形成，就會(huì)阻礙血紅素?cái)y帶氧氣的能力，使體內(nèi)缺氧而發(fā)生中毒，造成人的感覺、反應(yīng)、理解、記憶等機(jī)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(yán)重時(shí)使人窒息死亡。大氣中CO濃度對(duì)人體的危害程度見表1所列。

表1 CO對(duì)人體的危害

2.2 碳?xì)浠衔铮℉C）

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(dòng)機(jī)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(jī)理也很復(fù)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(dòng)機(jī)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(duì)人體的危害

HC大部分對(duì)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(cè)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(duì)鼻、眼和呼吸道粘膜有刺激作用，可引起結(jié)膜炎、鼻炎、支氣管炎等癥狀，苯并芘被認(rèn)為是一種強(qiáng)致癌物質(zhì)。

2.3 氮氧化合物（NOX）

2.3.1 NOX的產(chǎn)生

NOX成分比較復(fù)雜，有NO、NO2、NO3、N2O、N2O3和N2O5等，從大氣污染角度來看，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)，因燃燒室內(nèi)燃燒溫度相對(duì)低，使NOX不易產(chǎn)生；可燃混合氣為理論空燃比（α＝1）時(shí)，因其燃燒效率高使燃燒室溫度相對(duì)較高，從而使NOX易產(chǎn)生。

2.3.2 NOX對(duì)人體的危害

NO對(duì)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(jié)合生成可溶性硝酸，嚴(yán)重時(shí)引起肺氣腫。大氣中NO2濃度大約在16×10-6時(shí)，10min內(nèi)，肺氣流阻力有明顯上升。大氣中不同濃度的NO2對(duì)人體的危害見表2所列。

表2 NO2對(duì)人體的危害

NOX不易在大氣中存留，遇雨水就被溶解，其累計(jì)濃度不會(huì)過高。因而NOX對(duì)大氣污染的程度不像CO那樣嚴(yán)重。

3.汽車排放污染物凈化技術(shù)

3.1 三元催化轉(zhuǎn)化裝置

三元催化轉(zhuǎn)化裝置是安裝在汽車排氣系統(tǒng)中的機(jī)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(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害的CO2、 H2O和N2。催化劑為鉑∶銠＝5∶1的混合物。當(dāng)高溫的燃燒廢氣通過三元催化轉(zhuǎn)化裝置時(shí)，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(shí)行空燃比閉環(huán)控制的電控燃油噴射發(fā)動(dòng)機(jī)，三元催化轉(zhuǎn)化裝置是必配裝置，這一成熟的尾氣排放控制技術(shù)方案，使汽車尾氣排放凈化率可達(dá)97%以上。在正常使用下，三元催化轉(zhuǎn)化裝置可保證8萬公里（國外已達(dá)16萬公里）內(nèi)無需進(jìn)行維護(hù)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(jī)內(nèi)凈化技術(shù)。

在燃燒室內(nèi)，高溫和富氧條件下生成較多的NOX，因而，適時(shí)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(dòng)機(jī)燃燒的廢氣在適當(dāng)?shù)墓r下適量地引入進(jìn)氣系統(tǒng)，并與新鮮空氣混合而再次進(jìn)入氣缸。一方面，廢氣對(duì)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(dòng)機(jī)的功率為代價(jià)來提高發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性的。不適時(shí)和過量的廢氣參與再循環(huán)，將會(huì)影響可燃混合氣的著火和燃燒質(zhì)量，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速、低速、小負(fù)荷以及冷機(jī)狀態(tài)時(shí)，再循環(huán)的廢氣會(huì)明顯地影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能。因此，廢氣再循環(huán)控制系統(tǒng)必須是一個(gè)由ECU嚴(yán)格控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)，以最小的發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失為代價(jià)，最大限度地抑制NOX的生成。

EGR可分為外部EGR和內(nèi)部EGR。通常把發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣經(jīng)過EGR閥進(jìn)入進(jìn)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(nèi)混合，與外部EGR相對(duì)應(yīng)，稱這種方法為內(nèi)部EGR。隨著可變氣門正時(shí)技術(shù)的迅速普及，內(nèi)部EGR技術(shù)重獲新生，內(nèi)部EGR和外部EGR互為彌補(bǔ)，使得EGR技術(shù)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(nèi)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(shí)儲(chǔ)存燃油箱的燃油蒸氣，在適當(dāng)?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(shí)也提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

活性碳罐內(nèi)填充具有較強(qiáng)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(jìn)氣歧管和活性碳罐連通。燃油蒸汽可以時(shí)時(shí)刻刻地被活性碳吸附在活性碳罐內(nèi)。只要電磁閥打開，活性碳罐內(nèi)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(nèi)參加燃燒。當(dāng)汽車運(yùn)行時(shí)，ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，通過調(diào)節(jié)電磁閥的開閉以及開度的大小，適時(shí)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(qiáng)制通風(fēng)（PCV）控制系統(tǒng)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)受其結(jié)構(gòu)原理所致，在工作過程中燃燒室內(nèi)的高壓氣體會(huì)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(dòng)機(jī)曲軸箱竄氣。曲軸箱內(nèi)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(nèi)的機(jī)油形成的油霧。曲軸箱內(nèi)混合氣體不僅對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行危害極大，若排入大氣中會(huì)造成空氣污染。

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中，把新鮮空氣引入曲軸箱內(nèi)，以便隨時(shí)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(jìn)氣歧管參與燃燒。這個(gè)任務(wù)由曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)（PCV）系統(tǒng)來完成。

4.結(jié)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(gè)全球性的重要課題。

（2）我國汽車排放污染治理，場(chǎng)面之大，問題之多之復(fù)雜，是機(jī)遇，更是挑戰(zhàn)，任重而道遠(yuǎn)。

（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(shù)、人的環(huán)保意識(shí)等綜合因素的優(yōu)化結(jié)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(shù)的使用和先進(jìn)的交通管理體系最后都?xì)w結(jié)于人。再先進(jìn)的凈化裝置，只要使用和調(diào)整不當(dāng)，沒有按要求進(jìn)行正常的維修，一切努力都將付諸東流。

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（責(zé)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(nèi)受控可變

U1、φ為泄漏信號(hào)的幅值和相位

U0為本振信號(hào)的幅值

僅考慮環(huán)路內(nèi)的動(dòng)態(tài)變量，則有：

UI受控于k3、k4，同時(shí)又控制k3、k4的變化；

VQ受控于k5、k6，同時(shí)又控制k5、k6的變化。

整個(gè)環(huán)路構(gòu)成一個(gè)動(dòng)態(tài)對(duì)消系統(tǒng)，始終能把載波泄漏信號(hào)對(duì)消掉。

4.試驗(yàn)結(jié)果

本設(shè)計(jì)中，對(duì)消環(huán)路內(nèi)的矢量產(chǎn)生器基于四象限信號(hào)分別受控后合成的思路實(shí)現(xiàn)，可達(dá)到較高的技術(shù)指標(biāo)，調(diào)試工作也相對(duì)簡(jiǎn)單。該設(shè)計(jì)已在某工程項(xiàng)目中得到應(yīng)用，取得了好的效果。設(shè)備中，本振信號(hào)頻率為70MHz，對(duì)消環(huán)路對(duì)隨機(jī)變化的泄漏信號(hào)可實(shí)時(shí)對(duì)消，環(huán)路工作穩(wěn)定，實(shí)測(cè)結(jié)果為：對(duì)隨機(jī)變化的泄漏信號(hào)動(dòng)態(tài)對(duì)消量達(dá)到52dB以上，滿足系統(tǒng)要求。

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（責(zé)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(xué)機(jī)電工程學(xué)院副教授，高級(jí)工程師；葛云（1962-)，男，浙江杭州人，焦作大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副教授。