本世紀發(fā)生的8次重大的世界公害有5次是由于工業(yè)廢氣而引發(fā)的大氣污染(其中3次為工業(yè)廢水引發(fā)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(fā)生光化學反應，產(chǎn)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(yè)的發(fā)展，世界汽車年產(chǎn)量已達5 000余萬輛，廢氣污染在嚴重地威脅著人類的生態(tài)環(huán)境。美、歐、日等發(fā)達國家已先后制訂了嚴格的汽車排放法規(guī)，汽車生產(chǎn)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?shù)某删停档梦覀兘梃b。

我國的汽車工業(yè)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(shù)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(chǎn)生的大氣污染十分嚴重，已出現(xiàn)了類似洛杉磯40年代初期所發(fā)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(fā)病率區(qū)，嚴重地威脅著市民的身體健康和生態(tài)環(huán)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(tài)環(huán)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(chǎn)生缺氧中毒。當環(huán)境中CO的濃度超過100 ppm(100×10-6)時，人體就會產(chǎn)生頭暈、乏力等不適感;隨著CO濃度的增加，會進一步產(chǎn)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(chǎn)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(jīng)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(fā)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(fā)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(tǒng)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(chǎn)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(jīng)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(chǎn)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(jīng)系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)動機的負荷和轉速以及發(fā)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(wěn)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(xiàn)燃燒不徹底現(xiàn)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(fā)動機動力下降，油耗增大，工作不穩(wěn)。

2.3　發(fā)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(fā)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(fā)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�？杖急冗^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(fā)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。

3　汽車廢氣污染物的控制和治理

隨著環(huán)保意識的加強，歐、美、日等一些發(fā)達國家對廢氣排放污染的限制越來越嚴格，各汽車生產(chǎn)廠都投入巨額資金開展廢氣污染物的控制研究，早于90年代初，汽油車已基本上普遍采用了電控燃油噴射發(fā)動機，使廢氣中的有害氣體大為減少，動力性和燃料經(jīng)濟性均有所提高，再加上其他多種措施的綜合應用，使汽油車的廢氣污染得到了有效的控制。柴油車用的電控燃油噴射發(fā)動機也正在研制，但進入實用階段尚為時過早。目前，國外對于廢氣排放的控制和治理主要有如下幾種措施。

(1)廢氣再循環(huán)。已查明NOx是燃油在高溫燃燒中的生成物。廢氣再循環(huán)就是根據(jù)發(fā)動機的不同工況，將廢氣中的一部分(3%～15%)引入燃燒室，用以降低氣缸的燃燒和溫度速度，從而進一步減少NOx的排放量。

(2)二次空氣供給。二次空氣供給系統(tǒng)是在排氣管的上段設置一個反應器，通過空氣泵、控制閥、單向閥和噴射管等引入適量的新鮮空氣，在高溫下，令CO和HC在熱反應器內繼續(xù)燃燒(生成H2O和CO2)，從而進一步減少了CO和HC的排放量。有的發(fā)動機則向三元催化器提供二次新鮮空氣，以使CO和HC在催化器內獲得更充分的氧化反應(燃燒)。

(3)三元催化凈化裝置。三元催化凈化器的催化劑為鉑、銠、鈀和釕等貴金屬，其載體的形狀分為粒狀和片狀。根據(jù)生產(chǎn)工藝的方便性，后者的應用較廣泛。

鉑和鈀為氧化劑，使CO和HC發(fā)生氧化反應，生成CO2和H2O。銠為還原劑，使NOx脫氧，還原成N2并釋放出O。后者正好為CO和HC的氧化提供了充分的條件。

三元催化凈化器的工作特性是要求發(fā)動機處于理論空燃比狀態(tài)下工作時，才表現(xiàn)出良好的凈化效果。現(xiàn)代電控燃油噴射發(fā)動機的電控系統(tǒng)為了實現(xiàn)對理論空燃比的監(jiān)測和控制而應用了能檢測廢氣中氧殘留量的氧傳感器，電控系統(tǒng)接收到氧傳感器反饋的信號后便及時調整噴油量，使發(fā)動機工作處于理論空燃比狀態(tài)，從而實現(xiàn)了燃油噴射的“閉環(huán)”控制。三元催化凈化器的最佳工作溫度為400～800℃，如果同時不配合使用氧傳感器時，則很快就會出現(xiàn)早期損壞，壽命大大縮短。

稀土金屬也同樣具有貴金屬的一些特性，用它制成的催化凈化器，雖然效果比貴金屬差，但價格便宜得多。而我國的資源相當豐富，目前這方面的開發(fā)研制已取得了令人振奮的效果。

(4)無鉛汽油。汽油中加入千分之0.1～0.4g四乙鉛后便可大大提高汽油的抗爆性能，有利于減少機件的損壞，但鉛對人體的毒害非常大，同時也會使三元凈化器中毒而早期失效，所以世界各國已嚴格限制含鉛汽油的生產(chǎn)和使用。

我國一直在長期使用含鉛汽油，可喜的是，我國已決定2000年將全面禁止生產(chǎn)和銷售含鉛汽油，推動汽油標號升級。目前北京、上海、廣州、深圳等20多個城市已禁止含鉛汽油的銷售和使用，為全國推廣無鉛汽油的使用邁出了第一步。

(5)低硫份柴油。硫主要存留于柴油中，燃燒后生成毒性極大的SO2。美、歐、日等國家對柴油中的含硫量要求非常嚴格，限值為0.05%～0.10%。而我國的煉油技術相對來說較為落后，限值為0.5%左右，與國外的差距甚大。因此，努力提高我國的煉油技術，降低柴油中的含硫量已成為煉油行業(yè)的重要任務。

(6)富氧燃料和燃油添加劑。甲醇、乙醇、異丁醇、叔丁醇、乙基叔丁基醚等許多含氧化合物具有很高的辛烷值，是良好的抗爆劑。汽油中加入少量的含氧化合物可以改善燃料的燃燒性能，可明顯地減少CO和HC的生成。但過量的加入會影響發(fā)動機的動力性。美國AST-MD4814-94標準規(guī)定含氧化合物的體積加入量：甲醇類為2%;非甲醇類為2.75%。

在改善柴油品質方面，國外也早已開發(fā)生產(chǎn)了多種柴油添加劑，適量地加入一定比例的柴油添加劑，能使柴油得到活化，提高其霧化能力，有利于減少碳微粒的生成。柴油添加劑屬高科技產(chǎn)品，具有良好的企業(yè)經(jīng)濟效益和社會效益，是精細化工行業(yè)的發(fā)展方向。

4　柴油機廢氣排放物與汽油機的差異

柴油機的燃燒過程與汽油機不同，壓縮比高，而且是在富氧狀態(tài)下燃燒，廢氣中的CO和HC含量較少，約為汽油機的1/10，NOx的含量與汽油機相當。但碳微粒的含量高，約為汽油機的30～80倍，特別是加速和全負荷狀態(tài)時，由于供油量急增，而進氣量變化不大，燃燒工況從富氧轉向缺氧，加上燃燒時間縮短，因此處于不完全燃燒狀態(tài)，使廢氣中產(chǎn)生大量的碳微粒。因此治理柴油機廢氣排放的碳微粒已成為當前的首要任務。

柴油不含鉛，但含有硫。硫燃燒后生成的SO2為膠狀硫化物，與碳微粒一道令凈化器極易堵塞，因而無法在柴油車上應用凈化器。

提高我國的煉油技術，降低柴油中的含硫量勢在必行，而這方面也已得到了國家的高度重視。

5　柴油機的廢氣凈化和微粒收集器

前述所提到的許多廢氣排放控制方法均與發(fā)動機的設計和性能、結構有關，根據(jù)國內的生產(chǎn)水平，非一朝一夕能短期解決。汽油機單純的加裝排氣凈化器，能起到一定的治理效果。但由于是“開環(huán)”控制，凈化器早期損壞嚴重，極需努力改進，向電控燃油噴射和“閉環(huán)”控制方向發(fā)展。燃料的改進也有待于同步進行。

對于柴油機來說，由于碳微粒是汽油機的30～80倍，治理碳微粒已成為當前的重要任務。由于碳微粒極易造成凈化器的堵塞，故目前柴油機還無法應用排氣凈化器。經(jīng)國內外的長期研究，能立竿見影地解決碳微粒的辦法是采用碳微粒收集器。

碳微粒收集器是一種特殊的微粒捕捉和濾除裝置，它的形式有袋式、陶瓷泡沫式和陶瓷蜂窩式等結構，安裝于消聲器之后，廢氣經(jīng)過微粒收集器后再排向大氣，其微粒的濾除效果可達60%～90%，碳微粒又是一種高級化工原料(碳黑)，可收集作綜合利用，從而又可進一步提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。目前，國外正在研究一種微波加熱裝置，當碳微粒積聚到一定程度時，可自動燃燒掉，免去人工收集之麻煩。

碳微粒收集器的廢氣凈化效果非常明顯，能起到立竿見影作用，對當前柴油車的廢氣污染治理具有重要意義，結合我國當前的技術水平，很有必要進行研制開發(fā)和推廣應用。

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