启飞汽车

摘要
 
    汽车是人们生活中必不可少的代步工具，但汽车在为我们的生活带来便利的同时，汽车尾气也成了大气污染的主要贡献者之一，危害人们的身体健康。为了解决这些问题，汽车尾气排放后处理技术和新型动力车技术得到了大力发展，通过研究分析一些目前应用广泛、前景大好的技术对我国汽车尾气污染控制技术的发展做出展望。
 
一、汽车尾气危害
 
    随着科技的发展，城市严重依赖机动车交通，汽车保有量不断增长，全球的汽车保有量增长速率比人口增长速率还要快的多。中国汽车保有量在 2000 年年底约为 2000 万辆，而到 2016 年底已经增加到 1.94 亿辆。
目前大部分汽车仍然以化石燃料为主要动力能源，因此汽车尾气中含有 CO、HC、NOx、挥发性有机物和 PM10 等多种对环 境和人类健康有着不利影响的物质。汽车尾气还是温室效应和光化学烟雾的重要原因，多数发达国家城市空气污染的主要来源。
 
二、汽车尾气排放后处理技术——三元催化净化技术
 
    尾气后处理技术是指在发动机的排气系统中，通过催化转化、吸附或过滤及再生的方法，减少污染物排放的技术。现在最为成功的排气后处理装置就是三效催化转化器，三效催化转化器可以同时将汽车尾气中主要的有害物质 CO、HC 和 NOx 氧化还原为无害物质在排出，是汽油车上必不可少的装置。
 
1.三元催化转化器结构及原理
 
    三元催化转化器的主要组 成部分为壳体、减振密封垫、陶瓷载体及催化剂。
    陶瓷载体表面的催化剂可以氧化 和还原汽车尾气中的有害污染物 CO、 HC 和 NOx，将这些污染物转化为无害的 H2O、CO2 和 N2 等，从而净化尾气。
    催化剂分为氧化催化剂、还原催化 剂和助催化剂三种。工程实践表明，铂 （Pt）、钯（Pd）、铑（Rh）等贵金属是汽车尾气净化效果最好的催化剂。尾气中的 CO 和 HC 的还原性比较强，铂（Pt）可以催化 CO 和 HC 发生氧化反应，生成 H2O 和 CO2；NOx 具有一定氧化性， 铑（Rh）可以催化 NOx 的还原反应，生成 N2。
    主要方程式如下：
    2CO + O2 → 2CO2
    CO + H2O → CO2 + H2
    2CxHy +（2x+1/2y）O2 → yH2O + 2xCO2
    2NO + 2CO → 2CO2 + N2
    2NO + 2H2 → 2H2O + N2
    CxHy +（2x+1/2y）NO → 1/2yH2O + xCO2 + (x+1/4y)N2
    在三元催化转化器工作时，要严格控制汽油的喷射量，确保排气中氧浓度一定，保证排气中 CO、HC 和 NOx 的浓度成一定比例，才能将这三种有害气体同时被高效清除。

2.三元催化净化技术的展望
 
    目前三元催化转化器一般安装在汽车发动机出口处 1.2m 左右，在发动机开始工作前 200s 内，催化剂的床体温度低于250℃，达不到催化剂的起燃温度，无法对这期间排放的尾气进行净化，因此研发新型催化剂、高效 低成本的新型技术是这一技术的发展方向。
 
三、新型动力车
 
    汽车只要以化石燃料为动力来源，燃油过程中就一定会产生有害气体，要想彻底达到零排放，就需要找到新型燃料作为汽车的动力能源，因此新型动力车就产生了。目前电动汽车、燃料电池汽车和混合动力汽车为主流方向。
 
1.电动汽车
 
    电动汽车是以车载蓄电池为动力的汽车，除动力系统外其它性能都与普通汽车基本相同。电动汽车最大的优点就是在行驶的过程中不产生有害气体，而且还能减少温室气体的排放，是目前唯一零排放的车。
    电动汽车没有直接的空气污染，通过表 1 可以看出，不同国家使用电动汽车后，不同污染物的排放量降低和增加的是不同的。如日本采用的是天然气发电，所以硫氧化物的排放就会降低；而美国主要采用燃煤发电，就会导致硫氧化物的排放增加。 所以如果发电厂使用化石燃料发电，那么发电厂会产生空气污染；若用太阳能、原子能、风能、水能等自然能源发电，温室气体的排放也几乎为零，不会对空气产生任何影响。
 

 
    但电动汽车也有不足之处:需要投入大量的资金；续驶里程短，动力电池昂贵，同时电池容量不足，寿命也不长。因此电动汽车还不能发展和推广。虽然目前电动汽车的电池技术已经取得重大突破，但真正符合市场需求的电池还正在研发当中。
 
2.燃料电池汽车
 
    燃料电池汽车是一种以电化学反应方式将氢气与空气的化学能转变为电能进而作为驱动力的车辆。燃料电池与普通蓄电池不同，这种电池是通过捕捉原子化合成分子时释放的电子而直接将化学能转变为电能的。
    燃料电池汽车只需消耗普通汽油车所需能源的一半，而且驱动过程本身不产生污染气体和温室气体。早期的燃料电池车 是靠天然气或甲烷中的氢驱动的，或者直接利用石油，但如果靠太阳能分解水产生的氢，从燃料反应到车行驶的整个过程就都接近零排放，所以燃料电池汽车的发展前景非常诱人。但是燃料电池汽车现在依然存在很多问题，例如如何在不影响安全性的前提下尽可能的将燃料电池、峰值动力装置、电动机、电子发生器和燃料储存系统安装在一个小空间内；如何减轻整体质量减小体积，并降低成本等。
 
3.混合动力车
 
    混合动力车是将电力驱动和辅助动力结合起来，充分发挥两者优点并相结合而产生的优势车辆。
    混合动力汽车是新型清洁动力汽车中产业化和市场化前景最好的车型，其发展目标是达到彻底地零排放、无污染，不消耗化石燃料的车辆。目前混合动力汽车在欧美一些国家和日本已 实现产业化，我国也十分重视混合动力汽车的基础与工程应用的研究，但还没有形成产业化。
    混合动力汽车具有多种类型，下表是不同种类混合动力汽车的排放水平。
 

 
    混合动力汽车比传统内燃机汽车的排放低得多，如果尽可能的扩大车辆的全电力行驶能力，使发动机以恒定的速率和功率运行，在连续混合动力车中采用低排放的气体涡轮机等，还可以进一步降低排放。
混合动力车技术已经相对成熟，基本能达到市场化的生产规模，但其成本较高，价格可能不存在优势。但是，如果考虑电池较低能耗和较长的使用寿命，那么整个使用周期的成本接近汽油车，要是加上环境因素，可能成本还要低于汽油车。
 
四、结论
 
    汽车作为化石燃料的消耗者和大气环境污染的主要贡献者，传统的汽车生产制造技术已经不适应新能源时代的发展， 汽车尾气排放后处理净化技术的创新和从根本上解决汽车尾气排放的新型动力汽车技术的开发改进刻不容缓。我们应该研 发出方便我们生活的同时又绿色环保的技术，为解决我国汽车行业能源短缺和环境污染问题贡献新的力量。
 

作者：王乐雪 孙庆寅 孙琪 刘思彤 黄月琴  来源：科学技术创新
 

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