汽車排放污染的形成與影響因素*

朱忠倫

(安徽交通職業技術學院, 安徽 合肥 230051)

一、汽車排放污染物的種類及危害

1.汽車排放污染物的種類

汽車排放污染物主要是由發動機產生的。汽車尾氣中由于燃燒不完全和燃燒反應產生的產物有一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物、硫化物、微粒(鉛化物、碳煙等)等，還有發動機曲軸箱通風污染物(主要是HC)，以及燃料箱逸出的汽油蒸氣、機油蒸發排放等。這些污染物對人體有害。柴油機的有害污染物主要來自廢氣排放及曲軸箱通風。雖然這些有害物質含量較少，但是在空氣中達到一定濃度后，將對人和生物造成危害。

碳氫化合物與氮氧化合物混合起來在強太陽光照射下，會發生一系列復雜的光化學反應，生成臭氧(O3)等，形成一種毒性很大的白色煙霧，一般稱為光化學煙霧，即二次有害排放物。

2.汽車排放污染物的危害

(1)一氧化碳的危害

一氧化碳是不完全燃燒的產物，是一種無色、無刺激、無味的氣體。一氧化碳與血液中血紅蛋白的親和力是氧與血紅蛋白親和力的300倍，人體吸入后，會在血液中取代氧而形成牢固的血紅蛋白，影響氧的輸送。人體會由于缺氧感到疲勞，引起頭暈、惡心等中毒癥狀，甚至導致窒息死亡。

(2) 碳氫化合物的危害

碳氫化合物是燃燒后生成多種碳氫化合物的總稱，其中含有少量醛類和芳香烴。每種化合物的量很少，但其共同作用其危害就很明顯。對人的鼻、眼、呼吸道粘膜有刺激作用，可引起結膜炎、鼻炎等。

(3) 氮氧化合物的危害

氮氧化合物有NO、NO2. NO3……統稱為氮氧化合物。排氣中排出的主要是一氧化氮，其次是二氧化氮(約占1%)。高濃度的一氧化氮對血液有毒性作用，能使神經麻痹，使中樞神經癱瘓及痙攣。二氧化氮有強烈的刺激性氣味，是排氣中惡臭物質成分之一，被吸入肺部時，能與肺部的水分結合生成可溶性硝酸，嚴重時會引起肺氣腫。

(4)光化學煙霧的危害

光化學反應生成的過氧化物的主要物質臭氧 (O3)具有強烈的氧化性、特殊的異味和毒性，如果空氣中O3的濃度到達一定程度，人在1h內就會死亡。光化學煙霧會阻礙視線、刺激眼睛、引起咳嗽，并能引發癌癥，使動植物枯萎。

(5)硫化物的危害

在有害排放物中，還有燃油中的硫分燃燒后生成的硫化物，主要是SO2。它是無色氣體，有強烈的刺激氣味和腐蝕性，會刺激呼吸道粘膜，引起喉管發炎。SO2氧化后生成的SO3與空氣中的水發生作用會生成硫酸和亞硫酸，雨雪降落時形成酸雨，造成土壤酸化，破壞農作物與森林，影響自然界的平衡。

(6)微粒的危害

汽油機中主要微粒有鉛化物；柴油機中主要為碳黑和高分子量有害物，碳黑是廢氣中的固體與液體的凝結物。碳粒常夾有SO2及其他碳氫化合物，如致癌的多環芳香烴、苯丙蓖等。

二、汽車排氣污染物的形成與影響因素

1.汽車排氣污染物的形成

汽車排氣中含有多種有害物質，其中主要有CO、HC、NOx及微粒。這些有害物質的排出量都取決于燃燒前混合氣的形成狀況，燃燒室的燃燒溫度、壓力和排氣系統的反應條件。它們的生成條件互不相同，下面將定性地說明這些污染物的形成機理。

(1)一氧化碳的形成

一氧化碳(CO)是碳氫燃料在燃燒過程中的中間產物。一般認為，汽車排氣中CO的產生是由于碳氫燃料在汽缸中燃燒不充分所致，是氧氣不足而生成的中間產物。

柴油機由于過量空氣系數大，循環溫度低，CO排放量比汽油機低。

(2) 碳氫化合物的形成

HC是各種未燃的和未完全燃燒的碳氫化合物的總稱。HC的生成原因較復雜，其主要來源是缸壁激冷效應、燃燒室縫隙效應、不完全燃燒及曲軸箱等泄漏。

(3) 氮氧化物的形成

NO是在燃燒室內處于高溫狀態下的燃燒產物。NO在排出后的一段時間，生成NO2和其他氮氧化物。NO在汽油機的排放中占絕大部分，因此主要說明NO的形成機理。對于NO的形成原因，經過大量研究，NO的生成目前廣泛采用捷爾杜維奇(Zeldovich)反映理論。在燃燒的高溫下，氧分子分解為氧原子。反映開始后，處于分子狀態的氮與原子狀態的氧碰撞生成NO。

(4) 微粒的形成

微粒是指發動機排出的廢氣中除氣態和水以外，所有存在于接近大氣條件的稀釋排氣中的分散物質，是以碳原子作為主要成分并含有占10%～30%氫原子的碳氫化合物所組成。

柴油機排出的微粒要比汽油機多得多，其中碳煙微粒排放要比汽油機高30～80倍。

2.使用因素對排氣污染物的影響

(1)負荷的影響

對于汽油機，發動機滿負荷時，由于供給較濃的混合氣，燃燒不完全，生成的CO量增多；中等負荷時，混合氣略稀，燃燒效率最高，CO、HC減少但NOx增多；在怠速和小負荷時，供給的混合氣由稀變濃，NOx排放量減少而CO和HC顯著增加。

(2)發動機轉速的影響

汽油機怠速運轉時，由于混合氣過濃，混合不均燃燒不充分，CO、HC排放量較大，提高怠速轉速可使CO、HC排放濃度下降。發動機的轉速對不同空燃比混合氣的NO的生成速度有不同的影響，當用稍濃混合氣時，由于燃燒速度快，燃燒室內溫度升高，NO生成速度較快。當轉速達到最高轉速的65%～75%時，排氣中的NO達到最大值。

柴油機排放的有害成分。在怠速和低速工況，HC和CO排放較多，隨著轉速增加都有所下降，在最大轉速時，CO繼續下降而HC和NO增大，這是由于燃燒的時間短，混合氣形成的時間也短，氣缸內燃燒條件惡化，發動機工作強度大的緣故。

(3)燃料的影響

汽油成分對NOx排放影響較大，而對CO排放影響較小，對HC的排放總量影響不大，但排出的成分有很大變化。當燃料中的芳香烴含量增加時，排氣中的芳香烴、酚類和芳醛增加，由燃燒引起的烯烴減少，而以甲醛為主的總醛類略有減少。

柴油成分主要對NOx排放有影響。隨著柴油的十六烷值的降低，NOx的生成量增加。

(4)發動機熱工況的影響

汽車在低溫使用條件下，發動機從啟動到暖機過程中，冷卻液溫度較低，HC和CO排放濃度最高，這是因為發動機在冷態運轉，燃油霧化不良，燃燒不充分，缸壁激冷作用大。隨冷卻液溫度提高，缸壁溫度也提高，在氣缸壁區域內的氧化反應的條件得到改善，排出的HC減少。NOx的排放量與燃燒的最高溫度有關。當缸壁溫度提高時，NOx的排放量也增加。

(5)運行工況的影響

在汽車使用過程中，發動機經常處于多變的工況下，發動機的負荷和轉速隨時間不斷變化。汽油機在減速和轉速不高的工況下，廢氣中不完全燃燒的物質HC較多，而柴油機由于混合氣的空氣充足，HC的濃度很小。汽油機廢氣中的CO含量也很高，怠速時可達7%，而柴油機的含量甚微。NO濃度在加速和高速時有明顯的增大。

(6) 汽車技術狀態的影響

汽車隨著行駛里程的增加，技術狀況逐漸變壞，將導致汽車的排氣污染增加。由于技術狀況變化引起排氣污染增加的原因主要包括供油系的故障、汽油機點火系的故障、氣缸內有積炭、氣缸泄漏等。

汽油機點火提前角增大，循環壓力和溫度提高，廢氣中的NOx濃度明顯增大；反之NOx濃度減少。點火提前角對CO的影響很小，而對HC的影響較大些。當點火遲后時，由于氣缸及排氣系統溫度高，廢氣中的HC減少，如點火過遲，因燃燒速度慢，HC的濃度又有提高。

三、結論

汽車排放污染物主要有CO、HC、NOx和微粒等。這些有害物質的排出量都取決于燃燒前混合氣的形成狀況、燃燒室的燃燒溫度、壓力和排氣系統的反應條件。它們的生成條件互不相同。其中CO是由于在空氣不足時有部分燃料不能完全燃燒而生成的。如果空氣量充足，由于CO2離解為CO和O2，特別是當溫度大于2000K時，隨著溫度升高，CO數值增加；同時在溫度很高的情況下還存在H2O的離解現象，離解為H2和O2，而H2能使CO2還原成CO與H2O，是不缺氧時仍有CO排出的另一原因。HC是各種未燃的和未完全燃燒的碳氫化合物的總稱。HC的生成原因較復雜，其主要來源是缸壁激冷效應、燃燒室縫隙效應、不完全燃燒及曲軸箱等泄漏。NO的生成主要取決于溫度、混合氣濃度(氧的濃度)及滯留時間。大多數的微粒是在高溫缺氧區的快速反應過程中產生的。

使用過程中，隨著負荷、發動機轉速、燃料、運行工況、汽車技術狀態等方面的變化，汽車排放物的濃度變化很大。因此，保持良好的發動機技術狀況，盡量使發動機工作處于等負荷的穩定工況和無猛加速的狀況，這樣有利于減少排放污染。

參考文獻：

[1] 許洪國.汽車運用工程基礎[M].北京：清華大學出版社,2003.

[2] 余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社,2003.

[3] 周清國.汽車性能與使用技術[M].北京：人民交通出版社,1995.

[4] 李勤現.代內燃機排氣污染物的測量與控制[M].北京：機械工業出版社,1998.

[5] 扶愛民.汽車運用基礎[M].北京：電子工業出版社,2005.

[6] 朗全棟.汽車技術使用[M].北京：高等教育出版社，2003.

[7] 韓愛民.汽車運用基礎[M].北京：中央廣播電視大學出版社，2006.

[8] 陳煥江.汽車運用基礎[M].北京：機械工業出版社，2012.