汽车排放污染物的限制标准与控制措施

目前我国机动车保有量持续迅速增长,某些交通路口每小时车流量已超过2000辆,加上车况不是很理想,排放污染超标较多,污染日益严重。为了人民健康和交通安全,我国已制定了机动车污染物检测方法、排放标准等,并作为机动车安全检测站的一项重要检测项目。

1.汽车排放污染物限制标准

(1)汽油车排放污染物限制标准。

根据 《中华人民共和国环境保护法》和 《中华人民共和国大气污染防治法》,我国于1993年重新修订和颁布了 《汽油车怠速污染物排放标准》(GB14761.5)和 《车用汽油车排放污染物排放标准》(GB14761.2),详见表6-1。

表6-1 汽油车怠速污染物排放标准值

(2)柴油机排放污染物限制标准。

我国于1982年由原农机部颁布了第一个限制各类柴油车排气烟度的部颁标准NJ263—1982。之后于1983年颁布了 《汽油车怠速污染物排放标准》GB3842—1983,并于1993年对上述标准进行了补充和修订,重新颁布了 《柴油车自由加速烟度排放标准》GB 14761.6—1993和 《车用柴油机全负荷烟度排放标准》GB14761.7—1993,以强化对柴油机烟度排放的监督与管理。详见表6-2。

表6-2 我国柴油车烟度值排放限值

2.汽车排放污染物的控制措施

为了控制汽车排放物对环境的污染,各国根据大气污染的具体情况制定了关于环境保护的法律,对各种排放污染物规定限值和测量方法。对一定时期内汽车排放污染物的限值和测量方法的规定,就是汽车排放标准。目前全球汽车排放标准已形成三大体系,即美国体系、欧洲体系和日本体系。我国采用的是欧洲排放标准体系。为了使汽车排放污染物达到一定的排放水平,必须对汽车采取一定的控制措施。汽车排放污染物的控制措施主要从两个角度出发:一是能有效降低汽车排放污染物的生成量的措施;二是汽车污染物产生之后对污染物的排放量能有效控制的措施。

(1)使用清洁能源型交通工具进行替代。

1)使用环保、节能的交通工具。

2)在大城市建设地铁,施行电力牵引行驶等地下通道。

3)提高人们的环保意识,尽量坐公共交通工具出行。

4)加大对购买小排量、混合动力、新型能源汽车用户的政策支持力度。

(2)加强行政管理。

1)提高汽车排放标准,强化新车准入制度。对不符合排放标准的新车采取 “三不”措施:不准出厂、不准销售和不准上牌,促使各汽车企业加紧对节能减排汽车的研发力度。

2)完善机动车尾气检测体系。

3)加强汽车维护,保持汽车良好技术状态。

(3)提高燃油品质。

燃油品质是影响汽车排气污染的主要因素之一,应对燃油生产、加工、运输等环节加强管理。

(4)汽车燃油的改用。

1)采用无铅汽油代替有铅汽油。无铅汽油是一种在提炼过程中没有添加四乙基铅作为抗爆添加剂的汽油,无铅汽油中只含有来源于原油的微量的铅,含量为0.01g/L。它的辛烷值为95,比现有其他级别含铅汽油的辛烷值 (97)略低。使用无铅汽油能有效控制汽车废气中的有害物质,减少碳氢化合物、一氧化碳及氮氧化合物的生成量。

2)掺入添加剂,改变燃料成分。汽油中掺入15%以下的甲醇燃料,或者采用含10%水分的水—汽油燃料,都能在一定程度上减少或者消除碳氢化合物、一氧化碳及氮氧化合物和铅尘的污染。

3)选用恰当的润滑添加剂。在机油中添加一定量石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯粉末等固体添加剂,加入到发动机的机油箱中,可节约发动机燃油5%左右。此外,采用上述固体润滑剂可使汽车发动机气缸密封性能大大改善、气缸压力增加,令燃油燃烧完全。尾气排放中,一氧化碳和碳氢化合物含量随之下降,可减轻对大气环境的污染。

4)采用绿色燃料同样可减少汽车尾气有毒气体排放量。

5)采用多种燃料作为汽车燃料来源。汽车中可广泛使用新的配方汽油、电力、压缩的天然气体、太阳能以及生态燃料的蓄电池等。

6)大力推广车用乙醇汽油。开发乙醇代替汽油,既节约能源,又可使汽车排出的有害气体减少,是一项有利于保护环境和资源的措施。

(5)改善汽车发动机工作状况。

1)减小喷油提前角。减小喷油提前角,可降低发动机工作的最高温度,使NOX的生成量减少。

2)改善喷油器的质量,控制燃烧条件,可使燃料燃烧完全,从而减少CO、HC和炭烟的生成。

3)调整喷油泵的供油量,可降低发动机的功率,使雾化的燃料有足够的氧气进行完全燃烧,从而减少CO、HC和炭烟的生成。

(6)采用汽车尾气净化措施。

发动机尾气净化措施是指将汽车尾气由原有害气体变成为无 (少)害气体,再排放到大气中,从而减少对大气环境的污染。主要措施有:改进发动机燃烧过程的机内净化措施、在排气系统中采用化学或物理的方法对已生成的有害排放物进行净化的排放后处理措施以及对来自曲轴箱和供油系统的有害排放物进行净化的非排气污染控制措施。后两类也统称为机外净化措施。

1)机内净化措施。

机内净化措施主要对发动机本身改进来提高车辆技术降低汽车污染物的生产量,主要有电控多点燃油喷射技术、高能电子点火和控制、稀薄燃烧发动机、多气门、可变配气相位、进气旋流、优化燃烧系统设计、废气涡轮增压与中冷、电控高压共轨等多种方法。

从有害气体的生成机理出发,对发动机的燃烧方式本身进行改进,抑制其有害气体成分的产生,使排出的废气尽可能变得无害。采取这种措施,被认为是治理汽车发动机排气公害的根本方法。如采用汽油直接喷射实现分层燃烧的方法,不但可以减少排气污染,而且能提高燃料经济性,因此是汽油机中一种最有前途的净化方法。

鉴于混合气形成与燃烧的控制和进行情况,对排放中有害气体的生成有着直接的联系,因此对那些混合气形成与燃烧影响大的因素进行最佳的调节与控制,亦是一种机内净化的有效方法。其中包括对空燃比、点火时刻、进气温度随工况变化进行最佳调节与控制等。

此外,通过改变燃烧室的形状、减少燃烧室的面容比、提高燃烧室的壁面温度、减少点火提前角、增大点火能量等,都能减少有害气体的排放。

从有害气体生成机理的研究中发现,降低NOX和降低HC、CO所采取的措施往往是相互矛盾的,因而要求针对不同机型的主要矛盾,提出适当的治理措施。一般来讲,在汽油机上采取的措施,要兼顾各种有害成分的全面净化和发动机的性能。

2)机外净化措施。

如果对机内进行净化处理,改进发动机本身,尚不能符合排放规定时,就要采用附加的净化处理装置,将汽车排放污染物中有害物质尽可能转化成无害物质,再排放到大气中,从而减少对大气环境的污染。净化处理装置的种类比较多,有的是单独使用的;有的为达到满意的净化效果,是两个装置同时结合起来使用的。机外净化的措施主要有:二次空气供给装置、热反应器、三元催化转化器、废气再循环系统、曲轴箱强制通风装置、燃油蒸发控制、微粒捕集器等。

二次空气供给装置:二次空气供给装置用于降低从燃烧室排到排气管中未完全燃烧的HC和CO的排放量。它是利用燃烧后的高温,使废气中残留的HC和CO与空气相混合后再燃烧,达到排气净化的目的。

热反应器:热反应器也是一种用于降低HC和CO排放量的后处理装置。它安装在发动机排气道的出口处,通常与二次空气供给装置一起使用。二次空气与废气相混合初步氧化燃烧后,进入热反应器,使其利用本身的余热而保持反应所需要的高温,在热反应器中再进行氧化和燃烧,从而进一步降低这HC和CO的排放量。

三元催化转化器:当汽车废气通过转化器时,三元催化器中的催化剂将增强CO、HC和NOX三种气体的活性,促使其进行一定的氧化—还原化学反应。其中,CO在高温下氧化成为无色、无毒的CO2;HC化合物在高温下氧化成H2O和CO2;NOX还原成N2和O2。最终,三种有害气体变成了无害气体。三元催化转化器的转化效率很高,可以转化90%以上的有害物质,大大减少了汽车尾气对环境的污染。三元催化反应器的净化效率在空燃比为某一范围时,同时还具有氧化—还原作用,其对CO、HC和NOX净化率较高。因此使用三元催化反应器时,必须装氧传感器和空燃比反馈控制系统,通常与ECU控制系统结合在一起使用。

废气再循环系统:废气再循环系统是目前用于降低NOX排放的一种有效措施。它是将一部分废气引入进气管与新混合气混合后进入气缸燃烧,从而实现再循环,并对送入进气系统的废气进行最佳控制。它净化NOX的基本原理是:排气中的主要成分是H2O、CO和N2,这三种气体的热容量较高,当新混合气和部分排气混合后,热容量也随之增大。在进行相同发热量的燃烧时,与不混入时相比,可使燃烧温度下降,这就抑制了NOX的生成。采用废气再循环系统,会使混合气的着火性能和发动机输出功率下降,因此应选择NOX排放量多的发动机工作范围,进行适量的控制。

曲轴箱强制通风装置:曲轴箱强制通风装置的作用是将窜入曲轴箱内的混合气再循环进入进气歧管,使其再次燃烧,改变了过去将其直接排入大气造成污染的状况。

燃油蒸发控制系统:由油箱蒸发出来的燃油蒸气,经储气罐流入活性炭罐被活性炭吸附。当发动机工作时,在进气管真空度作用下控制阀开启,被活性炭吸附的燃油蒸气与从炭罐下部进入的空气一起被吸入进气管,最后进入气缸被燃烧掉,同时活性炭得到再生。

微粒捕集器:也称为柴油机排气微粒过滤器,简称DPF。作为微粒捕集器的过滤材料可以是陶瓷蜂窝载体、陶瓷纤维编织物、金属蜂窝载体、金属纤维编织物等,目前应用较多的是美国康宁公司和日本NCK公司生产的壁流式蜂窝陶瓷微粒捕集器。与一般催化剂载体不同的是,这种微粒捕集器的壁面是多孔陶瓷,相邻的两个通道中,一个通道的出口侧被堵住,而另一个通道的入口侧被堵住。这就迫使排气由入口侧敞开的通道进入,穿过多孔陶瓷壁面进入相邻的出口侧相邻通道,而微粒就被过滤在通道壁面上。这种微粒捕集器对炭烟的过滤效率可达90%以上,可溶性有机成分SOF(主要是高沸点HC)也能部分被捕集。