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?,F(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。