【正文】 緒 論 就在我們享受汽車帶來的舒適方便的時候，汽車尾氣造成的大氣污染、汽車鳴笛造成的噪聲污染等影響了人們的生活，人們每天都在呼吸汽車尾氣和被迫接受噪音中生存。汽車污染嚴重影響了人們的日常生活。中國工程院院士、吉林大學教授郭孔輝首先闡述了中國汽車發(fā)展的喜與憂，指出汽車在給人們帶來便利的同時，也給環(huán)境帶來極大威脅?，F(xiàn)在我國二氧化碳排放已位居世界第二，而交通造成的二氧化碳污染和噪聲污染分別占各自污染總強度７０％－９０％以上。預計中國汽車保有量將在2022年達到３３５６萬輛，2022年達到５６６９萬輛，２０２０年 達到１３１０３萬輛。但我國的汽車尾氣排放標準比發(fā)達國家落后近１０年。 此外，根據上個世紀七八十年代美國、日本對城市空氣污染源的調查，城市空氣中９０％以上的一氧化碳、６０％以上的碳氫化合物和３０％以上的氮氧化物來自汽車排放。這些污濁的氣體使人類的生存環(huán)境受到極大威脅。汽車污染已成為世界性公害，其對于溫室氣體濃度增加的“貢獻”不容忽視。 而專家估計，到２０２５年前后，我國的二氧化碳總排放量很有可能超過美國，坐上世界二氧化碳排放量的“第一把交椅”！毫無疑問，汽車是我國城市空氣污染主要排放源之一。中國汽車工業(yè)維修 協(xié)會秘書長張京偉則從汽車維修、汽車使用過程中的空調制冷劑和汽車尾氣排放三個方面闡述了汽車對環(huán)境的污染：一方面，在汽車維修過程中，更換的廢機油、報廢的舊電瓶以及報廢的零部件處理不當將對周圍的環(huán)境造成很大的污染和破 壞；另一方面，在使用過程中，空調的制冷劑 —— 氯氟烴（ＣＦＣ）俗稱氟里昂的泄露及更換時的直接排放造成對大氣臭氧層的破壞，從而使各種有害光線大量的透入，造成對人類以及動、植物的傷害；本文主要 從宏觀汽車排放管理法規(guī)、污染評估及治理技術路紅，有害污染物的生成機理及機內凈化技術，三效催化轉化器等排氣后處理技術三 個方面，介紹了降低汽車排放的理論和實用技術，以及國外一些很有應用前景的排放控制技術研究前沿。從社會和經濟的角度對不同治理技術，包括電子控制燃油噴射系統(tǒng)、三效催化轉化器及其評價和匹配技術、催化劑的研制和試驗室評價等排放治理中的重大問題和關鍵技術進行了說細論述； 可見 ,汽車尾氣已經成為大氣污染的首要污染源。控制機動車排放污染，治理大氣污染已經成為刻不容緩的重要任務。 根據國家政府對汽車尾氣排放控制的總體規(guī)劃， 2022年達到歐洲 1號標準，2022年達到歐洲 2 號， 2022年達到歐洲 3號， 2022年與國際標準接軌。汽車 排污標準正變得愈來愈嚴格?？刂七@種高排放增長率的最有效途徑就是降低單車排放量。機動車中占最大比例的是汽車，汽車尾氣催化凈化正日益成為一項極其重要的環(huán)保產業(yè)。尤其是隨國家有關法規(guī)、標準的出臺和 2022 年北京申奧工作的展開，控制汽車污染，發(fā)展有效的汽車尾氣凈化技術顯得尤為重要。隨著國內經濟迅速發(fā)展，汽車工業(yè)已成為我國的支柱產業(yè)之一。因此必須采取有效措施進行治理。 第 1章 汽車尾氣排放污染的危害 汽車發(fā)動機排氣中包含許多成分，其基本成分是二氧化碳（ CO2）、水蒸氣（ H2O）、過剩的氧氣（ O2）以及存留下的氮氣（ N2）等，它們是燃料和空氣完全燃燒后的產物，從毒物學的觀點看排氣中的這些成分是無害的。除上述基本成分外，汽車發(fā)動機排氣中還含有不完全燃燒的產物和燃燒反應的中間產物，包括一氧化碳（ CO）、碳氫化合物（ HC）、氮氧化物（ NOx）、二氧化硫（ SO2）、固體顆粒（鉛及鉛化物、碳煙）及醛類等。這些成分的質量總和在汽車發(fā)動機排氣中所占的比例不大，例如汽油機只占 5％，柴油機還不到 1％，但它們中大部分是有害的，有強烈刺激性的臭味，或有致癌作用，因此被列為有害排放物。 汽車排放對人體的危害 汽車排放的主要污染物 中含有大量的 一氧化碳（ CO）、碳氫化合物（ HC）、氮氧化合物（ NOx）硫化物和微粒物（ 由 碳煙、鉛氧化物等重金屬氧化物和煙灰等組成）。 這些物質對人體健康存在著很大的威脅。 在內然發(fā)動機中， CO 是空氣不足或其他原因造成不完全燃燒時，所產生的一種無色、無味的氣體。 CO吸入人體后，非常容易和血液中的血紅蛋白結合，它的親和力是氧的 300 倍。因此，肺里的血紅蛋白不與氧結合而與 CO 結合，致使人體缺氧，引起頭痛、頭暈、嘔吐等中毒癥狀，嚴重是造成死亡。 CO 的 容許限度規(guī)定為 8h內 100ppm。如 1h內吸入 500ppm 的 CO，就會出現(xiàn)中毒癥狀，并危害中樞神經系統(tǒng)，造成感覺、反應、理解、記憶等機能障礙，嚴重時引起神經麻痹。如 1h內吸入 1000ppm 的 CO，就會發(fā)生死亡。 HC是指發(fā)動機廢氣中的未燃部分，還包括供油系中燃料的蒸發(fā)和滴漏。單獨的 HC只有在濃度相當高的情況下才會對人體產生影響，一般情況下作用不大，但它卻是產生光化學煙霧的重要成分。 NOx是發(fā)動機大負荷工作時大量產生的一種褐色的有臭味的廢氣。發(fā)動機廢氣剛一排出時，氣內存在的 NO毒性較小， 但 NO很快氧化成毒性較大的 NO2等其他氮氧化合物。這些氮氧化合物，我們統(tǒng)稱為 NOx。 NOx進入肺泡后能形成亞硝酸和硝酸，對肺組織產生劇烈的刺激作用。亞硝酸鹽則能與人體內的血紅蛋白結合，形成變性血紅蛋白，可在一定程度上導致組織缺氧。 的 NO2作用 1h 即可對人產生有害影響，而 NO2作用 1h 可對自然界中的某些敏感植物產生毒害作用。 NOx與 HC 受陽光中紫外線照射后發(fā)生化學反應，形成光化學煙霧。當光化學煙霧種的光化學氧化劑超過一定濃度時，具有明顯的刺激性。它能刺激眼結膜，引起流淚并導致紅眼癥， 同時對鼻、咽、喉、器官積肥不均有刺激作用，能引起急性喘息癥。 發(fā)動機廢氣中的鉛化合物是為了改善汽油的抗暴性而加入的，他們以顆粒裝排入大氣中，是污染大氣的有害物質。當人們吸入含有鉛微粒的空氣時，鉛逐漸在人體內積累。當積累量達到一定程度時，鉛將阻礙血液中紅血球的生長，使心、肺等處發(fā)生病變；侵入大腦時則引起頭痛，出現(xiàn)一種精神病的癥狀。 炭煙是柴油發(fā)動機燃料燃燒不完全的產物，其內含有大量的黑色炭顆粒。炭煙能影響道路上的能見度，并因含有少量的帶有特殊臭味的乙醛，往往引起人們惡心和頭暈 . 廢氣中的硫化物 易被濕潤的 粘膜表面吸收生成亞硫酸、硫酸。對眼及呼吸道粘膜有強烈的刺激作用。大量吸入可引起肺水腫、喉水腫、聲帶痙攣而致窒息。輕度中毒時，發(fā)生流淚、畏光、咳嗽，咽喉灼痛等；嚴重中毒可在數(shù)小時 內發(fā)生肺水腫；極高濃度吸入可引起反射性聲門痙攣而致窒息。皮膚或眼接觸發(fā)生炎癥或灼傷。 慢性影響：長期低濃度接觸，可有頭痛、頭昏、乏力等全身癥狀以及慢性鼻炎、咽喉炎、支氣管炎、嗅覺及味覺減退等。少數(shù)工人有牙齒酸蝕癥。 除以上幾種物質外，還有臭氣。它由多種成分組成，除了、有臭味外，主要就是燃料的不完全燃燒產物，如甲醛、丙烯醛等。當汽 車停留在街道路口時，產生這些物質較多，它能刺激眼睛的粘膜。 汽車排放污染對環(huán)境的破壞 NO2作用 1h可對自然界中的某些敏感植物產生毒害作用。 NOx與 HC受陽光中紫外線照射后發(fā)生化學反應，形成光化學煙霧。光化學煙霧還具有損害植物、降低大氣能見度、損壞橡膠制品等危害。 HC 也 是產生光化學煙霧的重要成分 。 光化學煙霧是由于汽車尾氣和工業(yè)廢氣排放造成的，一般發(fā)生在濕度低、氣溫在 24－ 32℃ 度的夏季晴天的中午或午后。汽車尾氣中的烯烴類碳氫化合物和二氧化氮（ NO2）被排放到大氣中后，在強烈的陽光 紫外線照射下，會吸收太陽光所具有的能量。這些物質的分子在吸收了太陽光的能量后，會變得不穩(wěn)定起來，原有的化學鏈遭到破壞，形成新的物質。這種化學反應被稱為光化學反應，其產物為含劇毒的光化學煙霧。 CO2 是一種無色氣體，略帶刺激性氣味，本身并沒有毒性，它的危害在于作為溫室氣體造成地球表面溫度升高，也就是所謂的溫室效應。 會使全球氣溫上升、南北極冰層溶化；海平面上升；大陸腹地沙漠趨勢加劇，是人類和動植物賴以生存的生態(tài)環(huán)境遭到破壞。因此近年來對 CO2的控制也已上升為汽車排放研究的重要課題。 有資料表明，在全球 CO2的排放 中，有 14％來自于以內燃發(fā)動機為動力的交通工具。 為了擺脫溫室效應的嚴重后果，世界各國正在開發(fā)各種高性能的汽車發(fā)動機，以降低燃料消耗和 CO2排放 . 由汽車尾氣排放引起的鉛污染問題凸現(xiàn)。由于我國主要使用含鉛汽油，在1995— 1998年期間，上海因汽車燃用含鉛汽油向環(huán)境中排放了鉛 1381 噸。 2022年廣州市由汽車尾氣向環(huán)境中排放了鉛 噸，占全國總排放量的 ％。北京郊區(qū)安蘭公路兩側 30米內的蔬菜含鉛量達 － ／ kg，明顯超出正常的含鉛背景值范圍。 2022年上海市對 10個交通路口的監(jiān) 測發(fā)現(xiàn)，多數(shù)監(jiān)測點出現(xiàn)鉛含量超標的現(xiàn)象，最大超標倍數(shù)為 倍 第 2 章 汽車尾氣污染物的主要成分及其生成機理 廢氣污染物的主要成分 汽車排放的主要污染物是：一氧化碳（ CO）、碳氫化合物（ HC）、氮氧化合物（ NOx）硫化物和微粒物（ 由 碳煙、鉛氧化物等重金屬氧化物和煙灰等組成）。 就 CO 來說，如果把汽油發(fā)動機 CO 排放量當作 1 的話，則液化氣發(fā)動機的 CO 排放量為 1/2，而柴油發(fā)動機的 CO 排放量為 1/100?？梢钥闯?，柴油發(fā)動機與其有發(fā)動機相比，其 CO排出量要小得多。而且，柴油發(fā)動機的 HC排出量也較少，但 NOx排出量則和汽油機差不多，且會排出令人討厭的黑煙。 汽車有害氣體主要從下述途徑排入大氣： 以 HC為主要成分（約占 HC總排量的 25%），并含有 CO等其他成分的竄氣，從曲軸箱排出； 在不同運行工況，從發(fā)動機廢氣排出不同成分的 CO、 HC（約占 HC總排量的55%）及 NOx等有害氣體； 汽油從油箱、化油器浮子室及油泵接頭處蒸發(fā)，散發(fā)出 HC（約占 HC 總排量的 20%）。 廢氣污染物的生成機理 汽車內燃機排氣所造成的公害，對汽油機而言， CO、 HC和 NOX是主要的有害成分，而光化學煙霧是由 HC和 NOX轉化而成的；對柴油機而言， CO和 HC比汽油機少得多， NOX約為汽油機的，而炭煙卻比汽油機大得多，是主要的有害成分。 空燃比 (AF)：是指可燃混合氣中空氣與燃料的質量比。理論上， 1kg 汽油完全燃燒需要空氣 。故對于汽油機而言，空燃比為 為理論混合氣。若可燃混合氣的空燃比小于 ，則意味著其中汽油含量有余（亦即空氣量不足），可稱之為濃混合氣。同理，空燃比大于 的可燃混合氣則可稱為稀混合氣，應當指出，對于不同的燃料，其 理論空燃比數(shù)值是不同的。 過量空氣系數(shù)（ α ）： α= 燃燒 1kg 燃料所實際供給的空氣質量／完全燃燒1kg 燃料所需的理論空氣質量 由此定義表達式可知：無論使用何種燃料，凡過量空氣系數(shù) α=1 的可燃混合氣即為理論混合氣； α ＜ 1 的為濃混合氣； α ＞ 1的則為稀混合氣 。 一氧化碳的產生機理 對于汽油機，根據燃燒化學反應，在不同空燃比 AF 下，燃燒產物各成分的計算值如圖 1所示。 理論上當過量空氣系數(shù) α=1 （ AF≈ ）時，燃料完全燃燒，其產物為CO2和 H2O。 當空氣不足， AF＜ ，則有部 分燃料不能完全燃燒，生成 CO。 所以， CO的排出濃度基本上受空燃比所支配，圖 2為汽油機空燃比與排氣濃度變化關系，與圖 1是一致的。 理論上當 α =1 以上時，排氣中不存在 CO，而代之產生 O2。實際上由于混合、分配不均勻，在排氣中還含有少量 CO。即使混合氣混合的很均勻，由于燃燒后的溫度很高，已經生成的 CO2也會由于一小部分被分解成 CO和 O2， H2O也會部分被分解成 O2和 H2，生成的 H2也會使 CO2還原成 CO，所以，排氣中總會有少量 CO存在。 碳氫化合物（ HC）的產生機理 汽油是由多種成分 HC所組成，如果完全燃燒將生成 CO2和 H20。但是汽油的燃燒很復雜，任何發(fā)動機都可能發(fā)生不完全燃燒，在排氣中都會有少量 HC 存在。因為 為了提高發(fā)動機的最大功 率，常使發(fā)動機在 α ＜ 1（ AF=）濃棍合氣情況下工作。在低負荷時，由于氣缸內殘余廢氣較多，為了不使燃燒速度過低，也在 α ＜ 1情況下工作。由于＜ 1是空氣量不足，所以要發(fā)生不完全燃燒。 在汽油機中用電火花點火，由火焰?zhèn)鞑グ鸦旌蠚鉄?，但緊靠燃燒室壁面附近的混合氣層，由于缸壁得冷卻形成激冷層，使火焰?zhèn)鞑ソK止而熄滅，因此激冷層的混和氣不能完全氧化燃燒，從而有許多未燃的 HC也要排出來。 從燃燒化學考慮，汽油的氧化燃燒是很復雜的，不是一下子就能反應成 CO2和 H2O的，以辛烷 C8H18為例： C8H18+→8 CO 2+9 H2O 一個氣態(tài)的汽油分子 C8H18，完全氧化需要 個 O2分子，此外還夾著47 個 N2分子來干擾 C8H18與 O2的反應。不可能想象一個 C8H18分子同時碰到 個 O2分子而一下子生成 CO2和 H2O。一般氣態(tài)反應，兩個分子互相碰撞的機會較多，三個分子同時碰撞在一起的機會已