汽車廢氣污染和控制技術

        本世紀發生的8次重大的世界公害有5次是由于工業廢氣而引發的大氣污染(其中3次為工業廢水引發的水源污染),造成大量的人畜死亡,森林、植物被毀,影響極其深遠。其中40年代初的美國洛杉磯光化學煙霧事件就是由于當時的250萬輛汽車每天向大氣排放出大量的一氧化碳、碳化氫和氮氧化物等有害氣體,在強烈的陽光下發生光化學反應,產生大量的光化學煙霧而造成人畜死亡,成為重大的汽車廢氣污染公害事件。
  隨著汽車工業的發展,世界汽車年產量已達5 000余萬輛,廢氣污染在嚴重地威脅著人類的生態環境。美、歐、日等發達國家已先后制訂了嚴格的汽車排放法規,汽車生產商也先后投入巨額資金對汽車廢氣污染進行控制和改進,目前已取得了相當的成就,值得我們借鑒。
  我國的汽車工業還十分落后,廢氣污染十分嚴重。例如,廣州市目前的機動車(包括摩托車)數量約為90余萬輛,僅為洛杉磯和東京的1/10,但其污染物的排出量卻與這兩個城市的總量相當,每天排放到大氣的有害物質所產生的大氣污染十分嚴重,已出現了類似洛杉磯40年代初期所發生的光化學煙霧征兆,同時已成為全國上呼吸道和肺癌的高發病率區,嚴重地威脅著市民的身體健康和生態環境。
1 汽車排放污染物的成份和危害性
  汽車排放污染物中含有大量的一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物(NOx)、二氧化硫、鋁、碳微粒和其他雜質粉塵等,這些物質對人類和整個生態環境危害極大。
  一氧化碳(CO)與人體血液中的血紅素有很強的親和力,使血液喪失對氧的輸送能力而產生缺氧中毒。當環境中CO的濃度超過100 ppm(100×10-6)時,人體就會產生頭暈、乏力等不適感;隨著CO濃度的增加,會進一步產生頭痛、嘔吐、昏迷等癥狀;當CO濃度超過600 ppm時,短期內會引起窒息死亡。
  汽車廢氣中排出多種氮氧化物(NOx),其中一氧化氮(NO)與人體血液中血紅素的親和力比CO還強,兩者結合后會產生與CO相似的癥狀,一般情況下對人體的眼睛、鼻子、咽喉、支氣管和肺部等會帶來更大的損害,嚴重時至人于死地。
  碳氫化合物(HC)為燃油未經完全燃燒后排出的氣體,具有一定的毒性和易燃易爆的特性,其中的苯類物質又具有致癌作用。
  HC與NOx在陽光下極易發生光化學反應,形成以臭氧(O3)和以醛類為主的光化學煙霧。當O3達到一定濃度時,會令生物在短期內發生高溫氧化而脫水死亡;醛類有機物帶有毒性,對眼睛和呼吸系統有強烈的刺激作用,嚴生的會導致中毒死亡。
  二氧化硫(SO2)為燃油中的硫燃燒后的生成物,人體吸入SO2后,即產生咳嗽、咽喉腫痛、呼吸困難、胸悶、四肢乏力,進一步會引起支氣管炎、肺炎和心臟病等,嚴重的會導至人畜死亡。SO2還極易與大氣中的水蒸氣結合生成亞硫酸煙霧,達到一定積聚量后便形成酸雨,使水土酸化,破壞林木、植物的生長。故此,應盡量減少燃油中的含硫量。
  鉛(Pb)為一種有毒的金屬,它由燃油中的鉛化物添加劑(如四乙鉛)經高溫燃燒后還原而成的鉛微粒。鉛與血液中的血紅素結合后,使血紅素產生異變。當血液中的鉛含量達到一定的程度時,會積聚于肝、腎、大腦和脊髓中,嚴重地破壞人體的神經系統和造血功能。
  碳微粒和其他雜質粉塵是柴油機的主要排放物,由于其粒徑極小,約為0.01~0.2um,能長期懸浮于空氣中,易于通過呼吸系統而沉積于肺泡內,極具致癌作用。
  鉛、碳微粒和其他雜質粉塵等因粒徑極小,SO2又具有膠粘性,特別是鉛微粒,因無法燃燒,一旦被吸附在催化劑的表面上,便令三元催化凈化器喪失催化功能,此即為三元催化凈化器的鉛中毒。
2 汽車廢氣排放物的影響因素
  汽車廢氣中CO、HC和NOx三種有害氣體的影響因素比較多,主要為可燃混合氣的空燃比,點火提前角、發動機的負荷和轉速以及發動機的內部結構等。     2.1 可燃混合氣空燃比的影響
  空燃比(A/F)對CO、HC和NOx的影響見圖1。在理論空燃比附近,CO曲線有一個拐點,當A/F減少時,可燃混合氣過濃,燃油無法充分燃燒,CO生成物便急劇增加;當A/F增大時,氧含量充足,燃油可以充分燃燒,使CO生成量減少,而且比較穩定。   HC曲線在A/F為17~18附近有一個拐點,此時廢氣中的HC含量最低。除此之外,HC的生成量都有所增加。其原因是當A/F少于17時,混合氣過濃,燃燒不徹底,當A/F大于18時,混合氣過稀,燃燒速度緩慢同樣會出現燃燒不徹底現象,HC都會增加。
  NO曲線在A/F為15~16附近有一個波峰,此時生成的NO量最多,除此之外,過濃或過稀的空燃比都會降低燃燒速度和燃燒溫度,使NO的生成量都有所下降。     2.2 點火提前角的影響
  點火提前角對CO的生成量影響不大,但對HC和NOx的影響較大。   隨著點火提前角的增大,HC和NOx生成物都會急劇增加,其原因與燃燒時的速度、壓力、溫度等有關,當點火提前角增大到一定值后,由于燃燒時間過短,HC和NOx生成量便有所下降。當然,正確的調整點火正時是非常必要的,過遲的點火提前角會使發動機動力下降,油耗增大,工作不穩。     2.3 發動機轉速和負荷的影響
  由于NOx是高溫燃燒時的生成物,當發動機的轉速和負荷提高時,使氣缸的燃燒溫度升高,NOx生成量隨之增大,CO和HC的生成量稍有增加,但影響較小。
  碳微粒的影響因素主要有空燃比、發動機的溫度、轉速和負荷以及燃燒室的形狀,燃油的霧化情況等。空燃比過濃,溫度過低,均不利于燃油的霧化和燃燒,使碳微粒生成量增加;發動機轉速和負荷增大,使燃燒溫度提高,有利于完全燃燒,使碳微粒的生成量減少。
  SO2和Pb微粒的生成主要與燃油中的含硫量和鉛化合物的加入量有關。因此,往往對燃油中的最大含硫量作了限制,推行使用無鉛汽油。

 


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