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1、朱明zhubob第一章 汽车废气分析第一节 废气污染物的主要成分及其危害目前，大气污染已不仅仅是在几个工业化国家中，它已逐渐发展成为世界性的问题，尤其是在一些大中城市。随着汽车保有量的增加（年递增率达到10%以上），汽车排气污染物造成的环境污染情况将日趋严重。所以对汽车排气污染物的监控预防治，已处于刻不容缓的地步。要搞好汽车排气污染物的监控与防治，首先必须做好防治工作。用废气分析仪和烟度计测定排气污染物的浓度，目的是控制排气污染物的扩散，使其限定在被允许的范围内，已达到保护生态环境和自然界生态平衡的目的。一、空气的组成空气是多种气体的混合物，其组成分为恒定的、可变的和不定的三部分。正常空气是由
2、氧20.95%、氮78.09%、0.93%氩和微量的氖、氦、氪、氙等稀有气体组成，这是恒定的成分。可变的组分是指空气中的二氧化碳和水蒸气，通常情况下二氧化碳含量为0.02%0.04%，水蒸气含量为4%以下，这部分在空气中的含量是随季节和气象的变化以及人们的生活和生产活动而发生变化的。不定的部分主要来源有两个：一个是自然现象形成的硫化物、氮氧化物、尘埃等；另一个是人类活动、工业生产和汽车排放等人为因素造成大气中增加的有害气体。二、废气污染物的主要成分汽车排放的主要污染物是：一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NOx）、硫化物和微粒物（有碳烟、铅氧化物等重金属氧化物和烟灰等组成）。就
3、CO来说，如果把汽油发动机CO排放量当作1的话，则液化气发动机的CO排放量为1/2，而柴油发动机的CO排放量为1/100。可以看出，柴油发动机与其有发动机相比，其CO排出量要小得多。而且，柴油发动机的HC排出量也较少，但NOx排出量则和汽油机差不多，且会排出令人讨厌的黑烟。汽车有害气体主要从下述途径排入大气：1.以HC为主要成分（约占HC总排量的25%），并含有CO等其他成分的窜气，从曲轴箱排出； 2.在不同运行工况，从发动机废气排出不同成分的CO、HC（约占HC总排量的55%）及NOx等有害气体； 3.汽油从油箱、化油器浮子室及油泵接头处蒸发，散发出HC（约占HC总排量的20%）。 三、废气
4、污染物的危害 1.一氧化碳（CO） 在内然发动机中，CO是空气不足或其他原因造成不完全燃烧时，所产生的一种无色、无味的气体。CO吸入人体后，非常容易和血液中的血红蛋白结合，它的亲和力是氧的300倍。因此，肺里的血红蛋白不与氧结合而与CO结合，致使人体缺氧，引起头痛、头晕、呕吐等中毒症状，严重是造成死亡。CO的容许限度规定为8h内100ppm。如1h内吸入500ppm的CO，就会出现中毒症状，并危害中枢神经系统，造成感觉、反应、理解、记忆等机能障碍，严重时引起神经麻痹。如1h内吸入1000ppm的CO，就会发生死亡。2.碳氢化合物（HC） HC是指发动机废气中的未燃部分，还包括供油系中燃料的蒸发
5、和滴漏。单独的HC只有在浓度相当高的情况下才会对人体产生影响，一般情况下作用不大，但它却是产生光化学烟雾的重要成分。3.氮氧化合物（NOx） NOx是发动机大负荷工作时大量产生的一种褐色的有臭味的废气。发动机废气刚一排出时，气内存在的NO毒性较小，但NO很快氧化成毒性较大的NO2等其他氮氧化合物。这些氮氧化合物，我们统称为NOx。NOx进入肺泡后能形成亚硝酸和硝酸，对肺组织产生剧烈的刺激作用。亚硝酸盐则能与人体内的血红蛋白结合，形成变性血红蛋白，可在一定程度上导致组织缺氧。3.5ppm的NO2作用1h即可对人产生有害影响，而0.5ppm的NO2作用1h可对自然界中的某些敏感植物产生毒害作用。N
6、Ox与HC受阳光中紫外线照射后发生化学反应，形成光化学烟雾。当光化学烟雾种的光化学氧化剂超过一定浓度时，具有明显的刺激性。它能刺激眼结膜，引起流泪并导致红眼症，同时对鼻、咽、喉、器官积肥均有刺激作用，能引起急性喘息症。光化学烟雾还具有损害植物、降低大气能见度、损坏橡胶制品等危害。4.铅化合物 发动机废气中的铅化合物是为了改善汽油的抗暴性而加入的，他们以颗粒装排入大气中，是污染大气的有害物质。当人们吸入含有铅微粒的空气时，铅逐渐在人体内积累。当积累量达到一定程度时，铅将阻碍血液中红血球的生长，使心、肺等处发生病变；侵入大脑时则引起头痛，出现一种精神病的症状。5.炭烟 炭烟是柴油发动机燃料燃烧不完
7、全的产物，其内含有大量的黑色炭颗粒。炭烟能影响道路上的能见度，并因含有少量的带有特殊臭味的乙醛，往往引起人们恶心和头晕。为此，包括我国在内的不少国家都规定了最大允许的烟度值，并规定了测量方法。6.硫氧化物汽车内燃机尾气中硫氧化物的主要成分为二氧化硫（SO2）。当汽车使用催化净化装置时，就算很少量的SO2也会逐渐在催化剂表面堆积，造成所谓催化剂中毒，不但危害催化剂的使用寿命，还危害身体健康，而且SO2还是造成酸雨的主要物质。7.二氧化碳 世界工业化进程引起的能源大量消耗，导致大气CO2的剧增。其中30%约来自汽车排气。CO2为无色无毒气体，对人体无直接危害，但大气中的CO2大幅度增加，因其对红外
8、热辐射的吸收而形成的温室效应，会使全球气温上升、南北极冰层溶化；海平面上升；大陆腹地沙漠趋势加剧，是人类和动植物赖以生存的生态环境遭到破坏。因此近年来对CO2的控制也已上升为汽车排放研究的重要课题。 除以上几种物质外，还有臭气。它由多种成分组成，除了、有臭味外，主要就是燃料的不完全燃烧产物，如甲醛、丙烯醛等。当汽车停留在街道路口时，产生这些物质较多，它能刺激眼睛的粘膜。除了燃烧条件有关外，臭气的产生还与燃料的组成有关。随着燃料中芳香烃的增加，排气中的甲醛略有减小，而芳醛少许增加，从而可以适当减少臭气，但却增加了更容易产生光化学烟雾的芳烃。 第二节 废气污染物的生成及其影响因素汽车排气（不加三元
9、催化器）的成分含量为：不参与燃烧的氮气占70.3%；完全燃烧的产物水蒸气占8.2%、二氧化碳占18.1%；污染物只占1%，污染物中有CO、HC、NOX。汽车内燃机排气所造成的公害，对汽油机而言，CO、HC和NOX是主要的有害成分，而光化学烟雾是由HC和NOX转化而成的；对柴油机而言，CO和HC比汽油机少得多，NOX约为汽油机的，而炭烟却比汽油机大得多，是主要的有害成分。空燃比(A/F)：是指可燃混合气中空气与燃料的质量比。理论上，1kg汽油完全燃烧需要空气14.7kg。故对于汽油机而言，空燃比为14.7的可燃混合气可成为理论混合气。若可燃混合气的空燃比小于14.7，则意味着其中汽油含量有余（亦
10、即空气量不足），可称之为浓混合气。同理，空燃比大于14.7的可燃混合气则可称为稀混合气，应当指出，对于不同的燃料，其理论空燃比数值是不同的。 过量空气系数（）：=燃烧1kg燃料所实际供给的空气质量完全燃烧1kg燃料所需的理论空气质量 由此定义表达式可知：无论使用何种燃料，凡过量空气系数=1的可燃混合气即为理论混合气；1的为浓混合气；1的则为稀混合气。一、一氧化碳（CO）对于汽油机，根据燃烧化学反应，在不同空燃比A/F下，燃烧产物各成分的计算值如图1所示。理论上当过量空气系数=1（A/F14.7）时，燃料完全燃烧，其产物为CO2和H2O。当空气不足，A/F14.7时，则有部分燃料不能完全燃烧，生
11、成CO。所以，CO的排出浓度基本上受空燃比所支配，图2为汽油机空燃比与排气浓度变化关系，与图1是一致的。理论上当=1以上时，排气中不存在CO，而代之产生O2。实际上由于混合、分配不均匀，在排气中还含有少量CO。即使混合气混合的很均匀，由于燃烧后的温度很高，已经生成的CO2也会由于一小部分被分解成CO和O2，H2O也会部分被分解成O2和H2，生成的H2也会使CO2还原成CO，所以，排气中总会有少量CO存在。可见，凡是影响混合比的因素，即为影响CO的因素。1进气空气温度T。的影响一般情况下，冬天气温可达-20以下，夏天在30以上，爬坡时发动机罩内To80。随着环境温度的上升，空气密度变小，而汽油的
12、密度几乎可认为不变,因此使供给的混合比R（即A/F）随吸入空气温度的上升而变浓，图3为一定运转条件下，进气空气温度与混合比的关系，大致和绝对温度的方根成反比的理论相一致。2大气压力p的影响 大气压力随海拔高度而变化，由经验公式 P=P0（1-0.02257h）5.256（kPa） 式中 h一海拔高度（km）。 当海平面p0=100kpa时，可作出海拔高度和大气压力变化关系的曲线。当忽略空气中饱和水蒸气压时，空气密度可用下式表示： =1.293273p/(273+T)750(kg/m3) 可以认为空气密度和P成正比，混合比和空气密度的平方根成正比，即混合比 R=R0。这样，可求得进气空气压力变化
13、时，引起混合比的变化，见图5。由图示出，当进气管压力降低时，空气密度下降，使混合比R(A/F)下降，从而使混合气过浓百分率提高，这将影响CO的排放。图中实验值稍高于理论值。3.进气管真空度的影响当汽车急剧减速时，发动机真空度大于负68kpa以上时，停留在进气系统中的燃料，在高真空度下急剧蒸发而进入燃烧室，造成混合气瞬时过浓，致使燃烧状况恶化。CO浓度将显著增加到怠速时的浓度。4怠速转速的影响图6表示了怠速转速和排气中CO和HC浓度的关系。怠速转速600r/min时，CO浓度为1.4%，700r/min时，降为1%左右，这说明提高怠速转速，可有效地降低排气中CO浓度.但是，怠速过高会加大挺杆响声
14、，对液力变扭汽车，还可能发生溜车的危险。如果这些问题得到解决，一般从净化的观点，希望怠速转速规定高一点较好。5发动机工况的影响图7为汽车负荷一定时，等速工况下排气成分实测结果由图可见。当车速增加时，CO很快降低，至中速后变化不大，这是由于化油器供给发动机的空燃比，随流量增加接近于理论混合比的结果。图中也给出了HC和NOx的变化关系。CO值随负荷的增加（进气管真空度p减小）而逐渐降低，由于供给混合气的空燃比逐渐变稀之故。当负荷加大到进气管真空度低于26.7kpa后，CO值开始升高是由于化油器加浓装置起作用的结果。二、碳氢化合物（HC）汽油是由多种成分HC所组成，如果完全燃烧将生成CO2和H20。
15、但是汽油的燃烧很复杂，任何发动机都可能发生不完全燃烧，在排气中都会有少量HC存在。因为1.为了提高发动机的最大功率，常使发动机在1（A/F=12.5-13.0）浓棍合气情况下工作。在低负荷时，由于气缸内残余废气较多，为了不使燃烧速度过低，也在1情况下工作。由于1是空气量不足，所以要发生不完全燃烧。 2.在汽油机中用电火花点火，由火焰传播把混合气烧掉，但紧靠燃烧室壁面附近的混合气层，由于缸壁得冷却形成激冷层，使火焰传播终止而熄灭，因此激冷层的混和气不能完全氧化燃烧，从而有许多未燃的HC也要排出来。 3.从燃烧化学考虑，汽油的氧化燃烧是很复杂的，不是一下子就能反应成CO2和H2O的，以辛烷C8H18为例： C8H18+12.5O28 CO2+9 H2O一个气态的汽油分子C8H18，完全氧化需要12.5个O2分子，此外还夹着47个N2分子来干扰C8H18与O2的反应。不可能想象一个C8H18分子同时碰到12.5个O2分子而一下子生成CO2和H2O。一般气态反应，两个分子互相碰撞的机会较多，三个分子同时碰撞在一起的机会已很少。所以汽油分子的反应过程必须是经过一连串的反应而达到最终生成物CO2和H2O
