王良斌 葛云

（焦作大学机电工程学院，河南焦作 454003）

探析汽车排放污染与净化技术

王良斌 葛云

（焦作大学机电工程学院，河南焦作 454003）

论述了汽车排放污染物的产生和对人体的危害；对目前较为成熟的汽车排放净化技术进行了阐述。

汽车排放；燃烧；污染；危害；净化；控制

1.汽车排放和排放污染物

汽车排放目前主要包括尾气排放、燃油蒸发排放和曲轴箱窜气排放。尾气排放，即发动机排气管中排出的燃烧废气排放；燃油蒸发排放，即燃油箱中燃油蒸发的燃油气体排放；曲轴箱窜气排放，即从燃烧室窜入曲轴箱的完全燃烧和未完全燃烧的高温高压气体排放。

尾气排放物可分为基本成分和微量成分。基本成分有：二氧化碳（CO2）、水（H2O）、氮气（N2）和氧气（O2），这些物质对人体无害；微量成分有：一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NOX）、二氧化硫（SO2）、微颗粒物质（铅化物、炭烟、油雾等），而这些微量成分对人体有害。燃油蒸发排放物为HC。曲轴箱窜气排放物成分较为复杂，除了主要来源于气缸的窜气（HC、CO、NOX、CO2、N2、O2）和水蒸气外，还有曲轴箱内的机油形成的油雾。

在这些有害排放的物质中，CO、HC和NOX对人体危害最大。目前，汽车上已有的和人们正在致力研究的排放净化控制系统，都是围绕如何降低这三种有害物质的排放量进行的。

2.汽车排放污染物的产生和对人体的危害

2.1 一氧化碳（CO）

2.1.1 CO的产生

CO是可燃混合气中氧气不足（过量空气系数α＜1或可燃混合气局部混合不均匀使局部α＜1）而导致不完全燃烧的产物。而可燃混合气燃烧的不完全程度与可燃混合气的稀浓程度尤为相关，稀的可燃混合气燃烧后（α〉1）几乎不产生CO，而浓的可燃混合气（α＜1）则使发动机尾气中的CO浓度急剧增大。

在汽车尾气排放的有害物质中，CO浓度最大。通常，原始尾气（净化装置之前的尾气）中CO浓度为3%～4%，怠速工况最为恶劣高达10%。

2.1.2 CO对人体的危害

CO是一种无色、无刺激性的有毒气体，经人体呼吸道进入肺部被血液吸收，极易与血液中的血红蛋白结合。碳氧血红蛋白在人体内一旦形成，就会阻碍血红素携带氧气的能力，使体内缺氧而发生中毒，造成人的感觉、反应、理解、记忆等机能故障，出现头疼、头晕等损坏人的心脏及神经系统的中毒状态，严重时使人窒息死亡。大气中CO浓度对人体的危害程度见表1所列。

表1 CO对人体的危害

2.2 碳氢化合物（HC）

2.2.1 HC的产生

汽车向大气中排放的HC主要来源于发动机不完全燃烧的尾气排放（约占55%～65%），其次是曲轴箱窜气排放（约占20%～25%）和燃油蒸发排放（15%～20%）。

尾气中的HC产生的原因很多，并且生成机理也很复杂。主要原因有：其一，过浓可燃混合气的不完全燃烧；其二，过稀可燃混合气的不稳定燃烧；其三，燃烧室壁面上未燃烧的混合气。

汽车发动机排放中所含的HC有百余种之多，但其浓度总量比CO要少。

2.2.2 HC对人体的危害

HC大部分对人体健康的直接影响并不明显，但从汽车尾气排放成分中检测得知，在排出的HC中，含少量的醛类（甲醛、丙烯醛）和多环芳香烃（苯并芘）等。其中甲醛与丙烯醛对鼻、眼和呼吸道粘膜有刺激作用，可引起结膜炎、鼻炎、支气管炎等症状，苯并芘被认为是一种强致癌物质。

2.3 氮氧化合物（NOX）

2.3.1 NOX的产生

NOX成分比较复杂，有NO、NO2、NO3、N2O、N2O3和N2O5等，从大气污染角度来看，汽车发动机尾气排放的NOX主要是NO和NO2，总称为氮氧化合物NOX。

NOX是可燃混合气在燃烧室燃烧过程中，高温和富氧条件下生成的。燃烧的温度越高和燃烧后剩余的氧气浓度越高，则产生的NOX越多。可燃混合气过稀或过浓时，因燃烧室内燃烧温度相对低，使NOX不易产生；可燃混合气为理论空燃比（α＝1）时，因其燃烧效率高使燃烧室温度相对较高，从而使NOX易产生。

2.3.2 NOX对人体的危害

NO对人体的危害不大，但高浓度的NO能引起神经中枢障碍。汽车尾气排放中的NO在大气中很易被氧化成NO2。NO2是一种棕色气体，有特殊的刺激性臭味，被吸入肺部后，能与肺部的水分结合生成可溶性硝酸，严重时引起肺气肿。大气中NO2浓度大约在16×10-6时，10min内，肺气流阻力有明显上升。大气中不同浓度的NO2对人体的危害见表2所列。

表2 NO2对人体的危害

NOX不易在大气中存留，遇雨水就被溶解，其累计浓度不会过高。因而NOX对大气污染的程度不像CO那样严重。

3.汽车排放污染物净化技术

3.1 三元催化转化装置

三元催化转化装置是安装在汽车排气系统中的机外净化装置，它将汽车尾气中的CO、HC和NOx三种有害气体通过氧化和还原化学反应转变为无害的CO2、 H2O和N2。催化剂为铂∶铑＝5∶1的混合物。当高温的燃烧废气通过三元催化转化装置时，催化剂铂使CO和HC在高温条件下氧化成H2O和CO2，催化剂铑使NOX在高温条件下还原成N2和O2。

目前，实行空燃比闭环控制的电控燃油喷射发动机，三元催化转化装置是必配装置，这一成熟的尾气排放控制技术方案，使汽车尾气排放净化率可达97%以上。在正常使用下，三元催化转化装置可保证8万公里（国外已达16万公里）内无需进行维护修理。

3.2 废气再循环控制系统

废气再循环（EGR：Exhaust Gas Return）控制系统就是抑制和减少可燃混合气在燃烧过程中NOX生成的机内净化技术。

在燃烧室内，高温和富氧条件下生成较多的NOX，因而，适时且适度地降低燃烧室温度和燃烧后剩余的氧气浓度，就可以抑制和减少NOX的生成。EGR就是把发动机燃烧的废气在适当的工况下适量地引入进气系统，并与新鲜空气混合而再次进入气缸。一方面，废气对新鲜空气的稀释降低了氧浓度；另一方面，被废气稀释的可燃混合气含有大量的CO2，而CO2不能燃烧却吸收大量的热，使气缸中可燃混合气燃烧的最高温度降低。

由此可见，EGR是以适度降低发动机的功率为代价来提高发动机的排放性的。不适时和过量的废气参与再循环，将会影响可燃混合气的着火和燃烧质量，从而影响发动机的动力性。特别是在发动机怠速、低速、小负荷以及冷机状态时，再循环的废气会明显地影响发动机性能。因此，废气再循环控制系统必须是一个由ECU严格控制的闭环控制系统，以最小的发动机功率损失为代价，最大限度地抑制NOX的生成。

EGR可分为外部EGR和内部EGR。通常把发动机废气经过EGR阀进入进气歧管，与新鲜空气混合在一起的方式称为外部EGR。通过控制气门重叠角的大小，使废气倒流，与吸入的可燃混合气在燃烧室内混合，与外部EGR相对应，称这种方法为内部EGR。随着可变气门正时技术的迅速普及，内部EGR技术重获新生，内部EGR和外部EGR互为弥补，使得EGR技术更加完善和成熟。

3.3 燃油蒸发排放控制系统

燃油是一种易挥发的液体，在常温下燃油箱内充满燃油蒸气，燃料蒸发控制系统的作用就是收集并暂时储存燃油箱的燃油蒸气，在适当的工况下适量地将燃油蒸气引入气缸参加燃烧，从而防止燃油蒸气直接排入大气造成污染，同时也提高了发动机的燃油经济性。

活性碳罐内填充具有较强吸附性的活性碳，活性碳罐通过管路与燃油箱连通，由ECU控制的电磁阀通过管路将进气歧管和活性碳罐连通。燃油蒸汽可以时时刻刻地被活性碳吸附在活性碳罐内。只要电磁阀打开，活性碳罐内的燃油蒸汽在真空吸力作用下，被来自于活性碳罐下部的新鲜空气带入气缸内参加燃烧。当汽车运行时，ECU根据发动机运行工况，通过调节电磁阀的开闭以及开度的大小，适时且适量地控制引入气缸参加燃烧的燃油蒸气量。

从1995年起，我国规定所有新出厂的汽车，必须装备燃油蒸发排放控制系统。

3.4 曲轴箱强制通风（PCV）控制系统

汽车发动机受其结构原理所致，在工作过程中燃烧室内的高压气体会有一部分途经气缸壁与活塞、活塞与活塞环、活塞环开口窜入曲轴箱，称之为发动机曲轴箱窜气。曲轴箱内的混合气体，除了主要来源于气缸的窜气和水蒸气外，还有曲轴箱内的机油形成的油雾。曲轴箱内混合气体不仅对发动机运行危害极大，若排入大气中会造成空气污染。

发动机运行中，把新鲜空气引入曲轴箱内，以便随时扫除窜气，并且新鲜空气流裹卷着窜气混合物一同被引入进气歧管参与燃烧。这个任务由曲轴箱强制通风（PCV）系统来完成。

4.结束语

（1）随着汽车保有量的增加，汽车排放污染治理将是一个全球性的重要课题。

（2）我国汽车排放污染治理，场面之大，问题之多之复杂，是机遇，更是挑战，任重而道远。

（3）汽车排放污染治理，必须综合治理，是交通管理制度、净化技术、人的环保意识等综合因素的优化结果。其中，人是第一位的。车，是人开的、是人修的、是人管理的。任何净化技术的使用和先进的交通管理体系最后都归结于人。再先进的净化装置，只要使用和调整不当，没有按要求进行正常的维修，一切努力都将付诸东流。

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[5]杨生辉，杨华.汽车排放污染物对人体的危害[J].汽车维护与修理，2000，（2）.

（责任编辑 张蓓）

由（8）、（9）、（22）、（23）式可知：

VI跟随k1、U0、U1、kx、φ而变，而kx又随k7、U0、k3、k4而变

VQ跟随k2、U0、U1、ky、φ而变，而ky又随k7、U0、k5、k6而变

k3、k4、k5、k6分别为衰减器A、B、C、D的衰减系数，在环路内受控可变

U1、φ为泄漏信号的幅值和相位

U0为本振信号的幅值

仅考虑环路内的动态变量，则有：

UI受控于k3、k4，同时又控制k3、k4的变化；

VQ受控于k5、k6，同时又控制k5、k6的变化。

整个环路构成一个动态对消系统，始终能把载波泄漏信号对消掉。

4.试验结果

本设计中，对消环路内的矢量产生器基于四象限信号分别受控后合成的思路实现，可达到较高的技术指标，调试工作也相对简单。该设计已在某工程项目中得到应用，取得了好的效果。设备中，本振信号频率为70MHz，对消环路对随机变化的泄漏信号可实时对消，环路工作稳定，实测结果为：对随机变化的泄漏信号动态对消量达到52dB以上，满足系统要求。

参考文献：

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（责任编辑 张蓓）

X701

A

1008-7257（2015）03-0072-03

2015-04-20

王良斌（1959-），男，河南焦作人，焦作大学机电工程学院副教授，高级工程师；葛云（1962-)，男，浙江杭州人，焦作大学机电工程学院副教授。