廢氣排放之特性?! - 社會議題
By Steve
at 2005-04-20T00:00
HC、CO、NOX 代表何義?請詳細說明!
...................................................謝謝!!
車輛廢氣排放造成空氣污染之研究後勤學校／張明廉中校提要一、空氣污染雖工業發展而日益嚴重，尤其在大型都會區，運輸工具所排放之廢氣，使得人們健康遭受極嚴 重危害，在環保意識抬頭下，出亮廢氣排放所造成之空氣污染，以成刻不容緩解決之課題。二、我國的汽機車密度高居世界第一位，每平方公里約367輛，為美國的17倍，由於國民環保意識提高 ，生存環境品質要求也提昇，所以在車輛密度無法降機之前，低排放車輛是目前台灣唯一要走的路。壹、 前言 清新與潔淨的空氣品質是人類生活之基本要件，也是確保健康要素之一，但由於台灣經濟發展迅速 ，交通工具繁多，各式工廠林立，排放氣體所造成的污染，對空氣品質影響甚鉅。其中機動車輛為許多 污染物質的來源，雖然機動車輛排放標準不斷提高，但由於車輛數量不斷增加，車輛排放廢氣所帶來的 空氣污染問題，就與日俱增。 尤其在台灣地區，人口集中，都會區特性明顯，相對汽車所排出之污染濃度已超出正常濃度值甚多 ，對人、動(植)物等產生不良之影響，甚至直接或間接危害人體健康。同時台海是一個不產石油的國家 ，能源需求上要求避免風險集中，因此，在改善車輛污染的問題上，應瞭解排放之原因，並採適當之方 法以降低排放污染，同時亦儘可能採用天然氣、甲醇、電等乾淨的多元化能源取代石油，以期降低排放 污染及提高能源使用效率。貳、車輛廢氣排放污染之分析及危害 一、 柴油、汽油引擎之排氣成份 汽油引擎排氣中之有害成份以一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)、氮氧化物(NOx)、及氧化鉛(PbO)等 為主。柴油引擎排氣中之有害成份則以硫氧化物(S0x)及碳(C)為主，氮氧化合物次之【1】。 粒狀物質 柴油車所排放的粒狀物質一黑煙，除影響市容觀瞻，使人產生厭惡的感覺，更影響可見度，所以有 人說保養不好的柴油車開過去，就像墨魚一樣，一陣煙幕從車後冒出來，整條街烏煙瘴氣，什麼都 看不見。粒狀物質除了影響可見度外，如果它的粒徑在lu左右，則容易進入肺部，危害人體的健康 [2]。 硫氧化物(S02)普通汽油含硫量0.15%，高級汽油0.15%，普通柴油1%，高級柴油0.5%，故這些汽油及 柴油中的硫經過燃燒後變成硫化物，與人體的眼睛、呼吸道、胃、腸的黏膜或皮膚的水分相遇，就產 生具刺激性的酸，而對人體的健康造成莫大的影響。 一氧化碳(C0) 由於汽油燃燒不完全，造成一氧化碳的空氣污染問題，而一氧化碳的污染，汽油車則佔極大部份。一 氧化碳和血紅素結合成COHb的能力是氧和血紅素結合成HbO的300倍，故空氣中一氧化碳濃度過高時 ，則會與血紅素結合，而影響血紅素輸送氧氣的功能，且COHb在血紅素中達5-20%，即會對人體健 康產生影響，60%以上則可能死亡。一氧化碳對人體健康的影響程度，與曝露時間有密切的關係，(週 圍空氣中Co ppm )X(時間)即得一氧化碳中毒指數，故可知若四週空氣中二氧化碳濃度達25ppm時，停 留10小時，即可能有紳經系統方面中毒症狀產生。 碳氫化含物(HC) 碳氫化合物的污染問題，主要來源是汽油車，由油箱及化油器揮發而來的佔20%，由曲軸箱吹漏氣而 來的佔25%，由廢氣排放的佔55%，碳氫化合物濃度低時會對呼吸系統產生刺激，較高濃度時則會對 中樞神經系統產生影響。此外，還會和氮氧化物等發生光化學反應，產生臭氧、PAN、甲醛等，使人 眼睛刺痛、喉嚨痛、味覺能力降低。 氮氧化物(N02) 空氣中的氮原本應從引擎排出，但是因為汽缸內燃燒溫度很高，使得空氣中的氮反應變成氮氧化物， 從排氣管中會再氧化成一氧化氮。一氧化氮和血紅素結合成NOHb的能力非常強，是一氧化碳結合成 COHb的l000倍，是氧結合成HOb的30萬倍，故一氧化氮很容易與血紅素結合，使血液呈現暗褐色， 使血紅素運送氧氣的功能大為減低，而影響呼吸機能，造成中樞神經機能減退。 甲醛(HCHO) 甲醛會刺激眼睛、呼吸器官黏膜，不僅感覺不舒適，對呼吸機能亦有不良影響，藥用福馬林即為甲醛 水溶液。參、有害廢氣之防制與減量之道 一、 有害廢氣之防制對策及方法 氮氧化合物(NOx) 前面已提到柴油引擎之排氣中含有各種不同之有害成份，其中尤以NOx為害最大，NOx中大部份均為 NO，而NO一旦與HC共存下即轉變成CO2、N2、H2O，亦即為光化學煙霧發生之導因。NO之發生原 因及對策介紹如下： 發生原因：燃燒室內空氣中所含氮氣(N2)與氧氣(02)因高溫而化合成一氧化氮由排氣管中排出。 對策方法：降低燃燒室內最高溫度對減少NO最為有效，較具體之方法如下： 延遲噴油正時一僅對直噴式引擎有降低NO之效果，對預燃式引擎則無直接之效果。此項方法可 減少NO，卻無法避免黑煙增加及馬力降低等後果。 排氣還流一隨排氣還流百分比之增加，NO便顯著減少，唯同時會引起氧氣不足，故有黑煙及HC 增加之慮。 水噴射一水噴射對降低NO有極大之功效，而對引擎之馬力、黑煙、HC等影響不大，唯水蒸汽之 進入，勢必使汽缸套發生銹蝕、機油惡化，故對引擎之壽命有不良影響。 氧化還原法一利用氧化還原方式於廢氣排放，予以氧化還原成無害的二氧化氮排出。 碳氫化合物(HC)、一氧化碳(CO) 碳氫化合物大部份是因為引擎本身吹漏所造成，而一氧化碳是引擎燃燒不完全所造成，故現代車輛在 引擎設計上除了考量壓縮比、汽門數、汽門正時、點火正時、空燃比、燃燒室等外，尚加上一些如觸 媒轉化器、二次空氣噴射、含氧感知器等裝置，做為"後處理"或"回饋控制"，以期減少HC、 CO等污 染氣體之排放，除上述各機件改善方式外，同時做好車輛預防保養勤務工作，才是減少車輛HC、CO 等排放物之重點。實施方式詳述如下： 清潔或更換空氣濾清器：空氣濾清器的作用就是過濾吸入汽缸的塵沙污物，如積塵太多或有濕氣， 使空氣無法暢通，形成汽油與空氣的混合比太濃，產生燃燒不完全、引擎無力、排放出大量空氣污 染物，故空氣濾清器必須保持暢通，如有堵塞即應換新，且必須更換合乎規定的產品。 調整或更換化油器：化油器不良，將使汽油與空氣的混合比過濃或過稀，以致燃燒不正常而耗費燃 料，造成空氣污染。化油器不良的主要原因：化油器油面過高(低)，必須調整合於規定。阻風 門失常，必須調整至作用正常。化油器老化，造成各油道供油失調，氣化不良而耗油，必須換 新。 清潔、調整或更換火星塞：清除火星塞積垢及調整間隙，如果火星塞性能不良時，應即換新，否則 電阻大、火花小、不能完全燃燒，既耗油又無力，且造成空氣污染。 調整或更換汽門，調整汽門腳間隙：汽門磨損、密封不佳，或汽門開關不當，都無法使油料良好的 燃燒，應定期檢查或調整，如嚴重磨損，應即更換新品，特別注意正確調整汽門腳間隙，才能得到 適當的混合氣。 點火正時必須正確，白金閉角應合於規定：有強熱電火花，才能完全燃燒，使引擎馬力大、省油、 排氣污染少，所以點火正時必須正確，白金接點必須保持良好，電容器、發火線圈、分電盤蓋、分 火頭都必須保持正常，否則即應換新。 更換機油時，油面勿超過上限：機油油面太高時，容易積碳，影響混合氣的燃燒，使引擎無力耗油 ，且污染空氣。二行程機車預混式汽油與機油的混合比例應合於原廠規定，自混式請依原廠規定加 普通或高級汽油，以免因加入過多機油而排放大量粒狀污染物。 引擎若老舊或磨損以致耗費機油、汽油時，應即搪缸大修，才能減少污染，節省油料。 如果燃料及點火系統經常保持在良好狀態，必能省油並減少污染。 駕駛汽機車時，稍加注意，即可節省油料及減少污染。以下方法僅供參考： 冷車發動後，應先加溫引擎後再行駛。 行車時，油門操作要緩和勿急躁，最好保持定速行駛，切勿經常無故加放油門。 需停車時，應提早減速，勿突然減速煞車。 經正確保養、調整通過排氣檢驗的汽機車，即為當時車況最佳使用狀態，雖感到加速稍微無力，但 可節省燃料，減少空氣污染，不可以再調回，以免徒耗油料，磨損引擎，得不償失。 二、 廢氣排放減量之各種裝置 隨著車輛環保排放標準不斷提高，車輛之引擎也設計了許多裝置，來實施回饋或處理，以便使排放 污染降至最低，如觸媒轉化器、PCV、 EGR、含氧感知器、爆震感知器等，現就觸媒轉化器及EGR 詳述如後： 觸媒轉化器觸媒轉化器在外觀上和消音器不同，外表成皺紋狀，有別於消音器之平滑外觀，裝設位置 較靠近引擎部位，依功能分類有：氧化型觸媒轉化器、還原型觸媒轉化器，三元觸媒轉化器、雙床式 觸媒轉化器。目前常用為三元觸媒轉化器，簡述如下[3]： 三元觸媒轉化器能將廢氣中的CO、HC、NOx反應成水、二氧化碳、氮氣，而達到淨化作用。反應式 如下： CO：2CO十O2→2COz HC：4HC十502→2H2O+4CO2 NOx：2NOx→N2十XO2 由上述反應式來看，進入燃燒室的空氣與燃料混合比，是決定三元觸媒轉化器是否發揮理想效果的重 要因素，所以只有在理論混合比附近才有較佳效果。因此觸媒轉化器除以鉑、鋁、銠為用來加速氧化 與還原作用外，常加入二氧化銫或氧化鎳來擴大使用範圍。 排氣再循環裝置(E.G.R.) 排氣再循環，係將排氣的一部份再送入進氣系統與新鮮混合氣混合，降低燃燒時之最高溫度，以減少 NOx的發生量之方法。因排氣中含有多量的CO2惰性氣體，在燃燒時不發生作用，但能吸收大量的熱 ，使最高燃燒溫度降低。要使E.G.R﹒能更有效的發揮其功能，減少NOx的發生量，確保引擎運轉性 能，必須根據進氣溫度、冷卻水溫、變速箱檔別及引擎之運轉狀態，適當進入進氣系統之E.G.R.量。 怠速或負荷輕時，因引擎溫度降低、NOx的發生量很少，需引入E.G,R.，以免影響性能，因此E.G.R﹒ 必須做很精密之控制。肆、車輛發展趨勢 根據1998年5月17日聯合報報導，我國的汽機車密度高居世界第一位，每平方公里平均367輛，為美 國的17倍，德國的3.7倍，日本的1.7倍，加上今日國民環保意識提高，生存環境品質要求是無法逃避的 嚴重課題，所以在車輛密度無法降低之前，低排放車輛（Low Emission Vehicle）是目前臺灣唯一出路， 現就各低排放車輛分述如下： 一、 瓦斯車（LPG） LPG引擎之介紹 由於近年來我國汽車快速成長，同時造成空氣污染之公害，而交通及環保單位為謀求解決之道時，在 不能停止生產汽車下，另在燃料上尋求辦法，促成台灣汽車近年來，研究LPG引擎(液化石油氣)的風 氣愈來愈盛[4]。 真正的液化石油汽車(液化瓦斯汽車)，並非時下坊間自行改裝瓦斯桶的汽車，它的安全性相當高，原 廠設計時就以液化石油氣為燃料，不會有「流動炸彈」的危險，且LPG車之燃料除不會積碳，可延長 引擎大修里程(壽命)外，部份零件壽命也可隨著延長。所謂LPG液化石油氣(LiquidPetroleum Gas)之簡稱 ，LPG是從油田噴出的天然氣及精製石油時在石油製造過程中回收之副產品。LPG經壓縮或冷卻很容 易液化。以下介紹LPG的特性： 溶解性：液化石油氣可溶解天然橡膠及塗漆，因此液化石油氣燃料系統所使用之橡膠必須使用耐油 性之聚氟橡膠或氮素橡膠。而且接合處之填封亦使用耐油性之材料。 無色、無臭及毒性：液化石油氣為無色，無臭之氣體，一般家庭液化石油氣，帶有臭味是特別加上 少許臭劑，其目的是讓使用者易於辨別，是否液化石油氣洩漏，以防意外。但是在汽車保養間修護 液化石油氣汽車時，若僅憑嗅覺反應是非常危險的，所以為確實檢查液化石油氣是否洩漏，必須使 用液化石油氣偵測器，在加氣站亦是如此。此外，液化石油氣雖不具毒性，但長時間吸入的話，會 使人神經麻痺而不省人事。 LPG引擎與汽油引擎之特性比較 LPG汽車與一般汽油引擎之間最大的差異，是在燃燒系統上。以日本為例，目前日本的LPG汽車是將 汽油的燃料裝置改為LPG燃料裝置，另外再加裝一個當LPG洩漏時，能予以截斷處置措施的安全電磁 閥裝置。 液化石油氣使用於汽車的優點 價格低廉，目前國內LPG較汽油引擎價格低廉，約為汽油價格的60%，對一般營運汽車而言，可以 降低其營運成本。 排氣污染減少，廢氣幾乎無臭，且有害的一氧化碳(co)含量減少，不排煙。 因為硫磺含量少(汽油之1/10以下，市售瓦斯之1/100以下)，燃燒時不產生金屬腐蝕，故消音器等機 件損壞少。 引擎內部一尤其燃燒室不積碳，火星塞使用壽命長。 引擎機油濃度不致被稀釋，汽缸磨損小，引擎機油更換時期可延長。 引擎大修間隔延長。 辛烷值高，不會產生爆震現象。 降低維修費用。 降低引擎噪音。 能源多元化。 二、 天然氣車輛（NGV） 鑑於全球環境問題嚴重惡化，尤其是NOx空氣污染(CO、黑煙等)，引起的傷害持續增加，因此自1937 年起日本大量投入經費，研發以天然氣為燃料的車輛，以達到淨化空氣及能源多元化的目標，至1997 年日本已突破1000輛天然氣車輛，同時預計於西元2000年，政府用車之10%採用天然氣燃料的車輛， 雖然NGV有改裝容易之優點，但仍有巡行里程短及加氣站不普及之缺點，故欲發展NGV尚須配合周 邊設施，以增加其便利性，如此將可成為都會區交通之利器。 電動車之動力來源為電池，故其汙染排放量為零，同時電池充電問題所造成的不便與限制，經美國曼 哈頓科學研究公司發明的「燃料電池Fuel Cell」克服，故燃料電池車(Fuel Cell Electric Vehicle,FCEV)乃 是針對環保問題所導入的車輛，它以甲醇為燃料產生電力，大量減少二氧化碳的排放量，是一部能與 地球和平共存的環保車。 FCEV是如何產生電力?主要藉由甲醇混合液反應後變成氫氣與二氧化碳的混合瓦斯，提供燃料電池產 生電力、水，並釋放少於汽油車一半的二氧化碳。FCEV不僅不需燃燒石油，只靠氫和氧的化學反應 就能取得電力資源，引擎效率更高於汽油車約兩倍，雖然甲醇的發熱量只有汽油車的一半，卻能擁有 相同的行駛里程。而且在平常的駕駛中，FCEV更能自動補充電力，提供汽車動力，由於燃料電池本 身就是發電裝置，便能驅動馬達迴轉，提供汽車動力，加速或爬坡時若電力不足可出電池補足，減速 或下坡時馬達便自動成為發電機，將動能轉變為電力回充在電池中，不像一般的電動車需要長時間的 外部充電。 雖然FCEV的甲醇來源耿於天然瓦斯，若大量生產必須透過生化科技從植物中獲取，同時甲醇的供應 站一即加油站的型態必須全面改造，實用化尚需一段時間，但FCEV被視為最具潛力、最具環保概念 的車型，將為地球帶來潔淨的新希望。伍、結論 基於世界環保聲浪日益高漲，地球的能源產量受限，汽車引用替代燃料，也因能源及環保因素而浮 出檯面，成為急迫待解決的問題，「新能源時代」之觀念應運而生，因此燃料電池車（FCEV)、瓦斯車 (LPG)、天燃氣車(NGV)等之低排放車輛，政府應提出具體政策及推廣方案，例如投入相當經費作研發 或補助、制定相關之安全規範、實施優惠減稅方案以提高誘因、制定替代能源政策、普遍設立加氣站… 等相關配套措施。同時針對台灣都會與城鄉等地區，推出運輸規劃與能源污染防制新方案如下： 一、 在都會地區方面 規劃建造捷運系統，以電力取代公車。 應用天然氣車輛(NGV)於公車上，如臺北市將引進500輛壓縮天然氣公車。 運用獎勵補助計程車改裝為一般汽油及使用液化石油(LPG)之變燃料汽油車。 二、 在城鄉地區方面 大眾運輸未普及之城鄉區，鼓勵民眾使用低污染(燃料噴射式)機踏車。 在機車使用率高的都市地區，鼓勵並補助民眾購買電動機車，並協助設立充電站。如此遠程及近程的 方案，同時實施下，台灣地區才能確實降低車輛污染物之排放「做到真正的環保，為台灣的青山綠 水，盡一份心力。參考資料一、 行政院環境保護署，民國80年，車輛排煙防制．保養．維修講習班講義P93~112。二、 桃園縣境保護局，民國85年，認識空氣污染專刊P17~20。三、 黃靖雄，民國85年，現代低公害省油汽車排氣污染控制技術及裝置，全華科技圖書公司P78~11O。四、 趙志勇，民國82年，液化瓦斯汽車輛組織構造與修護，全華科技圖書公司Pl~22。五、 劉英標，民國86年，汽車工程第十二期，中華民國汽車工程學會。P88~89。作者簡介張明廉上校，中正理工學院專三期、美兵校1980年初及班、1984年高級班、陸院76年班、戰院82年班畢業，現任教於陸軍後勤學校車輛組。
柴油引擎排放廢氣所造成的嚴重影響 觸柴油引擎排放廢氣所造成之影響如下所述： 1.黑煙（SOOT）：引擎所排出之黑煙會讓人噁心、難忍。 2.一氧化碳（CO）：人體如果吸入CO後會很快與體內血紅素結合，停止血液輸送，使人暈眩至死（前新聞報導1台5KW發電機，因供守靈之照明用，造成18個人暈眩，被人發現急救差點全部死亡，另利用車輛排煙管排氣自殺等等時有耳聞）。3.碳氫化合物（HC）：HC為苯、聯苯，如吸入人體會造成肝癌、肺癌，HC是癌症的根源，台灣因人口密集、生活富裕、車輛多，排放廢氣也多。因此在台灣每年衛生署的統計疾病死亡人數報告中，肺癌、肝癌皆是國內十大死因的疾病。4.氮氧化物（NOx）：引擎排放廢氣中之NOx為笑氣，如吸入人體會使人記憶力消失，並容易罹患老人癡呆症。這些病症的來源，有待醫學界深入探討。 除上述廢氣污染所引起病狀之外，HC加上NOx所產生的臭味也會令人難以忍受，柴油引擎在運轉時，也會產生很大的噪音污染，因此環保署已訂有相關管制標準，並藉由宣導讓全台民眾更加瞭解。http://www.environet.org.tw/publication/monthly18_...
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