□李陸山 王 鵬 高一鵬
汽車的出現(xiàn)改變了人們的生活方式,為人們提供了方便快捷的服務,但是汽車又是一個巨大的污染源,隨著保有量的逐年遞增,汽車對環(huán)境的污染日益嚴重,已引起了世人普遍的關注。為了減少汽車排放物中的有害成份,降低對環(huán)境的污染,使汽車排放指標滿足日益嚴格的排放法規(guī)的要求,多年來許多汽車公司在降低排放污染上采取了一系列的技術措施,具體來講,可分為機內(nèi)凈化措施和機外凈化措施兩大類。
機內(nèi)凈化措施是根據(jù)有害排放物的生成機理,對發(fā)動機結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進行適當?shù)馗脑旌透倪M設計,采用一些新工藝、新材料和新技術,使發(fā)動機內(nèi)的混合氣燃燒充分,從而減少有害排放物的生成,例如目前國內(nèi)外轎車上普遍采用的電子控制多點燃油噴射技術就屬于此類。機外凈化措施是對已產(chǎn)生的有害排放物(排氣管排出的燃燒廢氣、曲軸箱竄氣以及燃油蒸氣),在進入大氣環(huán)境之前進行預處理的一種方法。本文限于篇幅,下面主要介紹一下目前汽車上普遍采用的機外凈化措施。
1.燃油蒸發(fā)吸附裝置
汽車不論在停放期間還是在行駛過程中,它的燃油系統(tǒng)都會有燃油蒸發(fā),如果不加以處理,任由燃油蒸氣直接進入大氣(約占車輛排放到大氣中的HC總量的20%),眾多的汽車便形成了可觀的HC排放污染。為了解決上述問題,汽車上普遍安裝了碳罐裝置,我國規(guī)定從1995年起所有新出廠的汽車一律安裝碳罐裝置。碳罐本身是一個抗油性的尼龍或塑料罐,里面裝滿了活性碳顆粒。碳罐有兩個入口(一個入口與油箱連接,不斷吸收燃油蒸發(fā)的蒸氣;另一個入口與外界大氣相通,特定時刻吸入空氣)和一個出口(與進氣管相連)。當發(fā)動機運轉(zhuǎn)時,由于進氣管存在著真空度,碳罐中吸附的油氣隨同從罐底流入的空氣一起被吸入氣缸燃燒。清除油氣后,碳罐中的活性碳顆粒又可重新吸附油氣,從而使碳罐可以循環(huán)使用。
2.曲軸箱強制通風(PCV)系統(tǒng)
此系統(tǒng)主要解決由于曲軸箱竄氣造成的HC污染。其工作原理是從空氣濾清器引入一股新鮮的空氣,然后進入曲軸箱同竄氣混合,當發(fā)動機工作時,利用進氣管的真空度將PVC閥(流量控制閥)打開,將上述混合氣吸入氣缸進行燃燒。PVC閥是一個根據(jù)發(fā)動機的不同工況,利用進氣管的真空度來改變其流通截面大小的控制閥。當發(fā)動機怠速或負荷較小時,進氣管的真空度大,流通截面減小,避免因過多抽氣而使氣缸內(nèi)混合氣過?。划敻哓摵蓵r,進氣管的真空度小,流通截面增大,以適應竄氣量大時的換氣要求。目前幾乎所有的現(xiàn)代汽車發(fā)動機都裝用了該系統(tǒng)。
3.排氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)
此系統(tǒng)的主要目的是降低排氣中的NOx含量。由NOx的生成機理可知,氣缸內(nèi)混合氣燃燒溫度若降低,就可以減少NOx的生成。EGR系統(tǒng)就是利用上述機理,從排氣管引出少量廢氣進入進氣管與新混合氣混合后進入氣缸燃燒,從而使燃燒溫度下降,抑制了NOx的生成。
由于采用EGR系統(tǒng),使混合氣的點火性能和發(fā)動機的輸出功率有所下降,因此要選擇適當?shù)陌l(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍,進行適量的EGR控制。EGR的控制指標通常采用EGR率來表示:
EGR率=引入廢氣量/(吸入空氣量+引入廢氣量)×100%
通常所使用的EGR率控制在5%~20%范圍內(nèi),過大將使發(fā)動機的功率及油耗損失太大。目前EGR系統(tǒng)已經(jīng)成為汽車上凈化NOx的主要措施之一。
4.進氣溫度控制和預熱裝置
汽車在外界溫度較低的條件下和發(fā)動機處于冷狀態(tài)下起動時,由于進入發(fā)動機的空氣溫度較低,燃油霧化質(zhì)量不高,為了解決起動難的問題,混合氣要相對變濃,這就使混合氣在氣缸中燃燒不完全,從而增加了排氣中的CO和HC的含量。采用進氣溫度控制和預熱裝置后,能保證在外界溫度較低的情況下,使發(fā)動機進氣溫度控制在40℃左右,從而改善了燃油的霧化和蒸發(fā),可獲得較稀且較均勻的可燃混合氣,可顯著降低排氣中的CO和HC的含量。
該裝置主要由溫度傳感器、熱空氣閥和真空室等部件組成。熱空氣閥用于控制由排氣管加熱(水溫預熱或電阻元件加熱)的空氣的進入通道,當進氣溫度較低時,溫度傳感器將進氣真空度引入真空室,驅(qū)動熱空氣閥開啟,使一部分預熱空氣摻入進氣流中,提高了進氣溫度。當進氣溫度較高時,熱空氣閥將關閉而中止熱空氣的加入。
5.氧化催化反應器
該反應器外形像消聲器,以沉積在面容比很大的載體表面的催化劑作為媒介質(zhì),通常采用貴金屬鉑和鈀作為催化劑,采用氧化鋁作催化劑載體材料。當發(fā)動機排出的氣體經(jīng)過反應器時,在催化劑的作用下,CO和HC與排氣中的余氧結(jié)合,生成無害的CO2和H2O,從而達到凈化目的。當溫度足夠高時,CO的轉(zhuǎn)化率可達98%,HC的轉(zhuǎn)化率可達95%,但是在溫度低于250℃~300℃時,轉(zhuǎn)化率將急劇下降,氧化催化反應器既可用于汽油機也可用于柴油機,用于汽油機時,為保證氧化質(zhì)量,通常要引入二次空氣。
6.三元催化反應器
氧化催化反應器只對CO和HC起作用,而對NOx的凈化卻毫無結(jié)果,而三元催化反應器不僅能促使CO、HC的氧化反應,也能促使NOx的還原反應,從而使排氣中的CO、HC、NOx三種有害成分都得到凈化。
三元催化反應器外觀和結(jié)構(gòu)與氧化催化反應器基本相同。常用的催化劑是鉑和銠,鉑能促使CO、HC的氧化,銠能加速NOx的還原。由于此催化反應特性與通過的排氣中所含的氧量有關,因此使用三元催化反應器時,必須裝氧傳感器和空燃比反饋控制系統(tǒng)。催化劑利用排氣本身的熱量便可激發(fā)表面活性,一旦活化開始,催化床便因放熱而自動保持高溫。保持三元催化反應器高凈化率、高使用壽命的理想運行條件的使用溫度約為400℃~800℃,使用溫度上限為1000℃,超過此溫度,催化劑就會過熱老化,甚至使催化劑失效。另外排氣中的鉛化物、碳煙、焦油等覆蓋在催化劑表面,也能使催化劑失效,所以裝有三元催化反應器的汽車應使用高品質(zhì)的無鉛汽油。在較好使用條件下,三元催化反應器的壽命可達8~10萬公里。
7.電控補氣系統(tǒng)
北京市提前實施相當于歐洲Ⅰ號的排放新標準,現(xiàn)行的化油器汽車只有通過加裝電控補氣系統(tǒng)同時配合三元催化反應器的使用才能達標。具體的做法是先將混合氣適當調(diào)濃,然后加裝一個氧傳感器,一個電控單元和一個補氣閥等元件。補氣閥一端通向空氣濾清器,另一端通向節(jié)氣門下方,電控單元借助氧傳感器等信號控制補入進氣系統(tǒng)的空氣量,使發(fā)動機氣缸內(nèi)油、氣混合比例達到最佳狀態(tài),從而創(chuàng)造出加裝三元催化反應器的條件。目前,一汽轎車、上海大眾和天津汽車都采用電控補氣系統(tǒng)加三元催化反應器的方法來改造原生產(chǎn)的化油器汽車,它們都使用德國HJS公司生產(chǎn)的電控補氣系統(tǒng)。
8.真空延時閥
該裝置主要作用是降低排氣中NOx的含量。前面在介紹EGR系統(tǒng)時就說過,降低發(fā)動機燃燒的溫度便可減少NOx的生成,真空延時閥可以降低車輛加速時發(fā)動機的最高燃燒程度,從而降低汽車NOx的排放。真空延時閥通常安裝在分電器與進氣管之間的真空管上。
9.顆粒收集器
微粒是柴油機排氣凈化的主要對象之一,對車用柴油機排氣中微粒的處理通常采用過濾的方法。當排氣通過由蜂窩狀陶瓷制成的顆粒收集器時,微粒便得以去除。使用一段時間后,顆粒收集器可通過高溫燃燒去除微粒,從而可以繼續(xù)使用。
10.二次空氣供給系統(tǒng)
二次空氣供給系統(tǒng)又稱空氣噴射反應系統(tǒng)(通用公司)、空氣凈化系統(tǒng)(福特公司)、空氣保護系統(tǒng)(美國汽車公司)和二次空氣噴射系統(tǒng)(克萊斯勒公司)。其工作原理是將一定量的空氣引入排氣歧管或氧化催化反應器中,使廢氣中的CO和HC進一步燃燒和氧化,減少廢氣中的CO和HC的含量。當發(fā)動機以較稀混合氣工作時,新鮮空氣才被引入排氣系統(tǒng);而在以濃混合氣工作時,新鮮空氣將被阻斷或被排入大氣。目前在國外轎車上二次空氣供給系統(tǒng)使用逐漸減少。