采取有效技術對策降低汽車排放污染探討

摘 要：隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車尾氣排放對大氣環(huán)境的污染越來越嚴重，對人們賴以生存的環(huán)境造成了極大危害。因此，如何有效降低汽車排放污染已成為環(huán)境保護領域亟待解決的問題。基于此，本文重點對如何降低汽車排放污染進行分析研究。

關鍵詞：尾氣 大氣污染 控制對策

Abstract：With the rapid development of automobile industry， automobile exhaust pollution of the air environment is becoming more and more serious， causing great harm to people's living environment. Therefore， how to effectively reduce automobile emission pollution has become an urgent problem to be solved in the field of environmental protection. Based on this， this paper focuses on how to reduce vehicle emissions of pollution analysis.

Key words：tail gas， air pollution， control measures

汽車尾氣是引起大氣污染主要原因之一，汽車排放污染物不僅會對人產生危害并影響人們的健康，而且給生態(tài)環(huán)境造成了極大破壞。隨著全球氣候變暖、人口增長、經濟發(fā)展、交通擁堵等問題逐步凸顯，人類社會面臨的大氣污染問題越來越嚴峻。如何有效控制日益嚴重的尾氣污染狀況已成為亟待解決的問題。

1 車輛排放法規(guī)的標準體系

汽車排放標準在國內外有著不同的標準，例如：美國是世界上最早實施排放法規(guī)的國家，排放標準也是最嚴格的，1970年亞洲開始對汽車排放進行控制，1970年美國聯邦政府制定了一系列汽車排放法規(guī)，而歐洲則從1993年開始實施汽車排放標準，到了1996年，除了日本之外，歐洲大部分汽車工業(yè)發(fā)達的國家都采用了聯合國歐洲經濟委員會的排放標準。目前，美國的排放體系以及歐洲聯盟的排放體系都得到了廣泛的應用。制定汽車尾氣排放標準限值，達到相應排放標準的機動車才能進行銷售登記。目前，我國參照歐洲聯盟排放標準，結合我國道路、駕駛狀況，相繼制定出符合我國國情的相關排放標準。我國機動車排放控制標準中，2001年輕型汽車實施國1、2004、2018年全面實施國5排放標準、2020年7月1日實施國6排放標準。我國將力爭達到國際排放控制標準，實現我國汽車尾氣排放控制的相關法律法規(guī)，從而有效地提高我國汽車排放質量，保護生態(tài)環(huán)境。

2 引起機動車排放污染的原因及其危害

從我國的人口來看，我國汽車保有量很大，但是人均占有量與發(fā)達國家相比仍然處于較低水平，但是排放污染程度卻比發(fā)達國家要嚴重得多。機動車排放控制技術原因：我國現代正在使用的大部分機動車，其排放控制技術還停留在發(fā)達國家20世紀80年代左右的程度，單車排放因素較大，車輛本身及其相關零部件技術水平并未達到理想水平，燃油質量原因燃油質量對汽車排放狀況有直接影響。我國車用汽油以催化裂化汽油為主，烯烴含量較高，燃燒后殘?zhí)剂扛撸欧盼镂廴緡乐兀c理想烯烴含量33%有一定差距。汽車所需的能源有汽油、柴油等，主要由多種碳氫化合物組成，燃燒時產生二氧化碳和水，但由于燃燒不充分，產生二氧化碳、二氧化氮、二氧化硫等有害氣體，對人體健康和環(huán)境質量有直接影響。

3 降低汽車排放污染的綜合治理措施

3.1 降低尾氣排放的措施

3.1.1 選擇清潔發(fā)動機燃料

選用清潔燃料，將混合燃料的比例適當提高，使之成為優(yōu)質混合燃料。添加有效添加劑以提高其清潔性，使用新型燃燒室燃燒系統(tǒng)（如高壓縮比的直噴式汽油機或雙噴射式汽油機、改進進排氣裝置、改進氣缸布置結構及改進氣門間隙等）來減少有害氣體的排放，提高燃油經濟性和尾氣減排性能。選用先進控制技術及合理設計后處理裝置來滿足排放法規(guī)要求。使用先進電子控制系統(tǒng)對發(fā)動機的工作性能進行檢測（如選擇合適ECU來控制燃油噴射和噴油器時機等），以及合理調整供油提前角（在保證尾氣處理裝置正常工作情況下減少空燃比，一般在0.75～0.85范圍內比較合適）。

3.1.2 采用新型汽油直噴式汽油機

新型汽油直噴式汽油機是一種由電腦控制的噴射式汽油機，它采用了先進的噴油系統(tǒng)，并具有高壓縮比（一般在12.5：1～16.0：1之間），采用了新型的進氣道和進氣壓力控制裝置。由于采用先進的電控噴油系統(tǒng)，可對噴油量進行精確控制，提高進氣效率，改善發(fā)動機工作環(huán)境，降低油耗水平，減少有害氣體排放等。

3.1.3 應用先進的發(fā)動機電控系統(tǒng)

使用先進的電子控制系統(tǒng)，包括采用低轉速和高負荷下的自動控制發(fā)動機工作，通過合理控制噴油時機以及合理調整供油提前角等措施，提高發(fā)動機的燃油經濟性。在保證尾氣處理裝置正常工作的前提下減少空燃比可以降低其污染排放。采用低排放汽車控制系統(tǒng)技術來達到排放法規(guī)要求。合理選擇最佳燃油噴射時機（空燃比在0.75～1.0范圍內比較合適），采用合理設計的排氣再循環(huán)系統(tǒng)來減少發(fā)動機內部污染物和降低尾氣中一氧化碳含量。合理調整進、排氣門開啟和關閉時間可以降低排放CO3含量。

3.2 優(yōu)化燃燒系統(tǒng)結構和燃料混合方式

目前，在我國采用的主要是汽油直噴式發(fā)動機。由于柴油機本身結構的限制和柴油機使用過程中存在一定的技術難度，因此，在我國推廣柴油機是一項艱巨任務。目前國內的主要應用方式是將缸內直噴和增壓等幾種發(fā)動機技術綜合運用在一臺發(fā)動機上。這種方式主要適用于大功率和高轉速發(fā)動機，其優(yōu)點是提高燃油效率、降低尾氣中污染物含量，減少廢氣污染物排放。由于在缸內直噴時，汽油蒸氣被噴射到燃燒室內的每個角落里，在高溫下使其中的二氧化碳、一氧化碳和碳氫化合物得到充分燃燒并生成水和水蒸氣。但要實現缸內直噴式發(fā)動機的燃燒技術與傳統(tǒng)汽油機相比還有許多困難。一是由于燃油噴射壓力不夠高，二是為了使燃料更好地進入燃燒室內進行充分燃燒而無需提高噴射壓力。由于采用缸內直噴式發(fā)動機時，其噴油定時一般要求較高；為了能更好地控制噴油量，其噴油器必須具有較大的抽油量。此外還要考慮到節(jié)氣門開關時間過長也會影響到燃燒效率。因此，目前我國還不能實現高壓縮比和大噴油孔結構、高噴射壓力以及采用先進電子控制技術。為適應柴油機排放法規(guī)要求及燃油經濟性要求低的特點，提高缸內壓力、改善燃燒過程也非常重要。由于柴油機對廢氣成分較為敏感，如果廢氣中含碳量過高會引起排放超標、發(fā)動機動力下降或損壞等現象，因此對發(fā)動機排氣后處理裝置提出了較嚴格要求。隨著電子技術和精密機械加工能力的不斷提高和完善，柴油機尾氣處理裝置已出現了許多新的設計理念和結構技術。如采用先進的廢氣后處理技術、采用先進電子控制系統(tǒng)來提高尾氣處理裝置可靠性，采用新型高效催化劑來降低柴油機尾氣中CO、HC和NOx濃度等；采用低摩擦節(jié)氣門技術來改善燃燒與排出性能等等。通過采取優(yōu)化燃燒系統(tǒng)結構、選擇清潔燃料、合理調整供油提前角等措施來改善廢氣排放性能。由于燃油對廢氣的氧化會產生臭氧污染和形成二次污染物及碳氫化合物，因此選擇清潔汽油也是很重要的一環(huán)。根據不同車型可采用不同方法解決這種問題：如柴油發(fā)動機可以不采取混合方式，而燃油噴射系統(tǒng)可以選擇兩種不同的噴射類型：缸內直噴（SDI）、渦輪增壓（TDI）或其他混合模式（如渦輪增壓/機械增壓與缸內直噴/渦輪增壓）。為了達到良好的排放性能要求，采用雙燃料模式是很必要的。

3.3 提高燃燒技術

提高燃燒技術的關鍵在于改進發(fā)動機的燃燒過程。對汽油燃燒室，應加強霧化后燃燒。對柴油燃燒室，應加大噴油壓力，提高混合氣形成效率，通過改進進氣門結構，控制進氣門開度，降低燃油通過率，減少氣體的熱損失，采用低黏度油等措施以改善燃燒過程。優(yōu)化發(fā)動機設計、提高進氣效率是改善燃燒過程、降低尾氣污染排放的有效途徑。采用變排量發(fā)動機時，應改變發(fā)動機進氣系統(tǒng)和噴油參數。加大進氣量是降低排氣中NOx和HC排放量的有效方法。降低缸內溫度是控制NOx和HC排放的有效手段，采用缸內直噴發(fā)動機時，必須控制好噴油量及噴油壓力等參數。在保證進氣量的前提下，適當加大噴油器的噴油壓力，在保證缸內溫度滿足要求范圍情況下適當減小噴油量以提高氧濃度，在不影響燃油經濟性和尾氣排放的前提下適當提高噴油量以降低燃料消耗，通過提高壓縮比提高燃燒室有效容積率來加大缸內溫度等方式降低尾氣中NOx、HC生成量。通過優(yōu)化燃燒過程，從而有效降低顆粒物、NOx污染物排放，達到控制氮氧化物污染排放的效果。要保證充分燃燒及廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)良好的工作狀態(tài)，提高燃油經濟性，并減少NOx排放，增加發(fā)動機轉速，使廢氣經排氣管排出，從而使顆粒物、排氣中NO與HC生成量降低，采用EGR+HC凈化系統(tǒng)來對進氣中的HC進行凈化處理。對燃油噴射系統(tǒng)及噴油器進行優(yōu)化，在保證發(fā)動機正常工作狀態(tài)下盡可能減少噴油壓力并盡量提高噴油霧化質量來增加NOx的生成量和降低NOx排放；根據缸內燃燒實際情況進行EGR系統(tǒng)調整以使尾氣中HC與NO、CO、PM能得到較好的控制。采用廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)來對發(fā)動機燃燒過程進行改進能有效地降低排氣中HC和NO含量以改善排放。對三元催化反應器（TWC）結構及工作原理分析結果表明：改進后三元催化反應器能使NOx生成量減少50%和排氣中CO、PM排放減少30%和排氣中PM排放減少10%左右；改善后三元催化反應器能使缸內燃燒溫度控制在1100℃以上從而使燃油經濟性提高約20%、排氣中NO含量降低約15%。對三元催化劑載體進行改進能明顯地降低汽油機的NOX生成量、NOx生成量及HC生成量。改進后三元催化反應器不僅能明顯減小顆粒物生成量及CO產生量，還可以有效地增加NOx和PM的生成量及減少SOx和NOx的生成。使用低鉛汽油是有效地控制柴油中有害物質如鉛含量的方法。通過提高燃料中重金屬元素含量來降低柴油中重金屬雜質含量以減少有害氣體污染是目前世界各國關注的熱點問題。在使用低鉛汽油時，必須考慮高鉛汽油對大氣污染、對人類健康以及燃料質量控制帶來的不利影響。使用低鉛汽油必須在設計時充分考慮這一因素。

3.4 降低燃料消耗，減少污染物排放

3.4.1 燃料的選擇和優(yōu)化

從汽車燃料燃燒的角度來看，選用清潔燃料和低硫低氮燃料，對降低汽車排放污染有著重要意義。選擇低硫低氮的燃油，是減少汽車排放污染物所必需的。隨著環(huán)保法規(guī)標準的日趨嚴格，以及人們對車輛動力性和經濟性要求越來越高，在選用清潔燃油時應注意：選用高含硫汽油（如92#汽油），適當提高汽油機的壓縮比，適當提高燃油噴射壓力及燃油噴射角度和燃料混合比，合理控制混合氣中氧和氮濃度以及碳濃度。盡量采用含氧量較高的汽油，在充分燃燒情況下使汽車達到清潔排放標準。對尾氣NOx和HC的控制：要盡量降低NOx排放量，必須進行燃燒后處理。對尾氣NOx，一般采用選擇性催化還原法來減少其排放，對碳氫化合物，則可通過添加催化劑的方法來進行凈化。因此，在選用清潔燃料時應注意以下幾點：

3.4.2 燃燒裝置的改進

燃燒室中的混合氣由燃油供給，在汽油機中，燃燒室的形狀為橢圓形，由于受燃燒室形狀及結構尺寸的限制，燃用的汽油與空氣或柴油與空氣混合時，很難形成良好的霧化。提高燃油溫度及壓力使燃料在燃燒室內均勻分散。采用雙火花塞點火系統(tǒng)。在汽油機排氣系統(tǒng)中添加一種對氣體分子具有選擇性吸附作用的物質。降低發(fā)動機進氣溫度、增加進氣量。改進噴油霧化條件，減小對燃燒質量的影響。在柴油機上應用了壓燃點火系統(tǒng)，改變了柴油和空氣混合氣體成分的分布狀態(tài)與結構，提高了混合氣濃度，改善了燃燒過程中熱力學條件和燃燒過程對熱分解過程影響及空氣利用率等。從而減少NOx及HC等污染氣體排放。在柴油機上應用了壓燃點火系統(tǒng)后，降低氣缸內壓力及改變可燃混合氣密度分布狀態(tài)和空氣含量分布狀態(tài)、減少可燃混合氣成分濃度的變化范圍、提高壓縮比同時改善進氣質量等；同時也可降低活塞溫度、改善進氣壓力及提高燃料利用效率，增加燃油供給量而降低燃料消耗等等。在發(fā)動機上安裝了新的電子控制裝置以及其他一些技術措施。例如：電子控制裝置可以改變發(fā)動機氣缸內徑大小來改變燃油噴射位置以調整噴油器開啟時刻，利用空氣流量計測量燃油體積流量使噴油提前或推遲，通過電腦調節(jié)供油時間和供油強度等來改變燃燒過程中的噴油量，電子點火可以減少火花塞點火次數、提高壓縮比，增加混合氣濃度從而減少NOx污染物排放，利用進氣歧管控制噴射流量可以改善氣缸內溫度和氣體體積分布狀態(tài)、減少燃燒過程對熱分解過程影響等等。

3.4.3 汽車尾氣凈化技術

汽車尾氣再循環(huán)利用技術：汽車用尾氣再循環(huán)處理裝置，其基本原理是：將經過再循環(huán)后的汽車尾氣經過濾、洗滌、冷卻等處理程序后，進入排氣管。廢氣再循環(huán)技術：廢氣直接送到催化轉化器，把氧氣和氮氧化物還原成氮氣和水，或送入廢氣處理室中的催化劑把NOx還原成CO2、N2等無害物質。發(fā)動機排氣直接凈化技術：將經過過濾、洗滌和冷卻三道工序后的混合氣體送到催化劑床前，再用催化劑床進行催化燃燒。排氣中添加劑技術：在發(fā)動機排氣后噴入一種含特殊添加劑的氣體，然后通過噴射裝置使這種物質霧化并與尾氣混合產生反應，形成一種新的物質。通過上述這些措施降低NOx的排放可達70%左右。另外汽車尾氣凈化技術還有許多種方法可以降低汽車尾氣中顆粒物、碳氫化合物、一氧化碳和氮氧化物等的排放，但目前還沒有一種方法能完全實現上述排放目標。燃油催化氧化還原法：燃油催化氧化還原反應是在常溫下進行的，因此沒有任何催化劑參與。氧—氮復合氣體凈化技術：氧—氮混合氣體凈化技術，可以將尾氣中有害物質轉化為無害物質或將其轉化為對人體無害的CO2、N2。離子吸附法：這種方法利用了某些物質對空氣中粉塵的吸附作用而進行凈化。機械活性炭吸附技術：利用多孔活性炭對汽車尾氣進行吸收作用，達到凈化效果。

4 結語

隨著現代經濟的快速發(fā)展，對各類汽車的需求量不斷增加，社會形勢對汽車工業(yè)的發(fā)展起到了積極的推動作用。但另一方面，它所排放的大量有害氣體對人體健康和環(huán)境質量造成嚴重危害，并日益突出。隨著人們對環(huán)境保護意識的增強，越來越重視這一問題，必須采取有效的控制措施。汽車排放污染物的控制涉及到很多方面，包括汽車的設計、技術的控制、車輛的管理、國家的法律法規(guī)等等，都是一個系統(tǒng)的工程，需要各方面的人員共同努力，才能達到預期的效果，提高環(huán)境質量，減少污染的產生，保護生態(tài)環(huán)境。

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作者簡介

周振云：（1988.10—），男，河北廊坊人，漢族，本科學歷，中級工程師。研究方向：汽車、發(fā)動機、農機。