汽車尾氣對環(huán)境污染及改進(jìn)措施

徐夢杰　王惜慧

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院廣東廣州510640）

汽車尾氣對環(huán)境污染及改進(jìn)措施

徐夢杰王惜慧

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院廣東廣州510640）

隨著城市化和機(jī)械化的快速步伐，我國汽車尾氣污染日益嚴(yán)重。如果缺乏有效的措施來控制汽車的尾氣污染，眾多的城市居民將深受其害。文章通過對比分析對汽車尾氣污染現(xiàn)狀及控制措施做出了一些探討，發(fā)現(xiàn)鼓勵能源高效利用和提倡環(huán)保節(jié)能的汽車，清潔燃料和更好的交通管理似乎是控制國家的汽車污染物排放的最有效的方法。同時這些措施應(yīng)通過有效的監(jiān)管，定價和稅收政策，健全土地利用規(guī)劃和建立環(huán)境兼容的公共交通系統(tǒng)等手段來協(xié)調(diào)統(tǒng)籌。

機(jī)動車；汽車污染機(jī)內(nèi)凈化機(jī)外凈化

1885年，Kral Benz造出了第一輛汽車，隨后近百年來汽車工業(yè)發(fā)展迅猛，尤其近代機(jī)械化進(jìn)程加快，汽車已成為人們的主要交通工具，然而，汽車尾氣污染也變得日益嚴(yán)重，對人們生產(chǎn)生活造成了很大影響，我國亟需一個環(huán)保無污染的良好汽車工業(yè)環(huán)境。

1　汽車尾氣對環(huán)境污染

我國嚴(yán)重的空氣污染已經(jīng)導(dǎo)致了每年47萬人生命的喪生和2400萬人的健康問題，并引起了20%的肺癌病例。空氣污染也帶來了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，一些研究顯示，每年由PM10污染引起的健康方面的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到1.065億美元，約占中國每年國內(nèi)生產(chǎn)總值的2.1%。

無論柴油還是汽油都是碳?xì)浠衔铮偃绮缓s質(zhì)的話，完全燃燒后會生成CO2和H2O,而CO2是溫室氣體，隨著“溫室效應(yīng)”的加劇會引起海平面上升、干旱等災(zāi)害，必須科學(xué)使用化石燃料，控制碳含量的增長。事實上燃燒室中的燃料不可能完全反應(yīng)，由于內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速高，使得氧化反應(yīng)時間短，空氣和燃料在極短時間內(nèi)完全混合是不可能的，這樣就會產(chǎn)生中間產(chǎn)物CO和碳?xì)浠衔铩６移嚫哓?fù)荷工況或者啟動加濃時，不完全燃燒產(chǎn)物將劇增。燃燒室里的高溫還會使得氮氣氧化生成NOx，柴油機(jī)擴(kuò)散燃燒的特性決定了其混合不均更為嚴(yán)重，其缺氧、高溫、高壓的燃燒環(huán)境使得柴油機(jī)PM排放增加。這些污染物對環(huán)境的危害簡述如下。

1.1一氧化碳CO

汽車尾氣中的CO是燃燒不充分所致，是氧氣不足或低溫形成的中間產(chǎn)物。CO是一種無色無味有毒的氣體，它與血液血紅蛋白的結(jié)和力比氧的大二百至三百倍。二者結(jié)合生成碳?xì)溲t蛋白，容易造成人體供氧不足，引起頭痛、眩暈、乏力等中毒病狀甚至致人死亡。

1.2氮氧化物NOx

NOx均有不同程度的毒性，損害人體呼吸道。而且NOx不但會引起光化學(xué)煙霧，而且還是酸雨形成的誘因之一，同時它還會造成臭氧層空洞，“溫室效應(yīng)”加劇，可見NOx對環(huán)境損害極大。

NOx在高溫、富氧、有足夠的反應(yīng)時間時生成最多，其生成機(jī)理如下：

1.3碳?xì)浠衔?/p>

HC柴油機(jī)在燃燒和膨脹過程中，壓力室中的燃油受熱后以液態(tài)或氣態(tài)低速進(jìn)入氣缸，因混合或燃燒條件極為不利而難以充分燃燒，從而導(dǎo)致HC產(chǎn)生。其中的芳烴和醛類化合物具有刺激性氣味和致癌作用，損害人體粘膜和皮膚等組織。HC也是造成光化學(xué)煙霧的原因之一。

1.4微粒PM

柴油機(jī)排放的微粒主要由碳煙、可溶性有機(jī)物和硫酸鹽組成，PM主要引起心肺疾病，比如使得呼吸道受刺激、咳嗽、呼吸困難、肺功能障礙、哮喘、心臟病、慢性支氣管炎、心律失常等等，還有誘變致癌作用，尤其是對老人、兒童傷害更大[1]。

2　防治汽車尾氣污染的措施和建議

2.1提高汽車燃油質(zhì)量，改善燃油煉制技術(shù)

改進(jìn)燃油煉制技術(shù)、改善燃油品質(zhì)不但能降低尾氣排放，而且對推廣使用清潔柴油機(jī)技術(shù)是非常關(guān)鍵的，燃油品質(zhì)差，不利于先進(jìn)的發(fā)動機(jī)技術(shù)的推廣應(yīng)用。在燃油中加入某些添加劑也有利于降低排放。辛烷值高的汽油抗爆性能好，反之則會引起爆燃，NOx排放增加；汽油中的烷烴熱穩(wěn)定性好，烯烴具有較高的辛烷值，但熱穩(wěn)定性差，易在汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)形成膠狀沉淀物，芳烴的燃燒溫度高也會導(dǎo)致NOx增多，硫會降低三元催化器和氧傳感器的效率，所以對于低排放無鉛汽油，鉛的質(zhì)量濃度要從微量降低到零；嚴(yán)格規(guī)定硫含量；大幅度降低烯烴含量，以減少汽油機(jī)內(nèi)的沉淀物，限制芳烴特別是苯含量，以降低排氣的毒性。柴油的粘度增加會使其霧化性能變差，燃燒惡化，碳煙排放增加，較高的密度會引起微粒排放增加，另外芳烴燃燒時會使柴油機(jī)嚴(yán)重冒煙，是柴油的有害成分，對于低排放柴油來說，首先要提高十六烷值，十六烷值下降會導(dǎo)致柴油機(jī)冷啟動性能變差，排氣冒白煙，使得排氣增加。同時還要降低其硫含量。

2.2使用潔凈能源，發(fā)展新能源汽車

有研究表明燃?xì)馄嚨退傩阅芎茫m宜在交通擁堵、行駛緩慢的城市工況中使用[2]。采用綠色燃料有利于減少汽車尾氣有毒氣體的排放量，例如生物燃料中的植物柴油和燃料乙醇已引起廣泛關(guān)注。把“植物柴油”按定比添加到柴油中，能夠大幅度減少汽車尾氣中的污染物含量。有學(xué)者把甲醇與豆油、燒堿等經(jīng)過一定的物理化學(xué)作用處理后取得了“大豆柴油”。經(jīng)過試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)運行時的硫化物、碳?xì)浠衔铩⒁谎趸己蜔焿m等排放物大大減少，故而生物燃料被贊為綠色燃料。大力推廣車用乙醇汽油也很有益處，醇類燃料主要以摻燒、純燒、改質(zhì)三種手段在發(fā)動機(jī)上應(yīng)用，其對降低汽車污染排放的效果明顯，如表1所示。

表1　E85汽車怠速排放與同型汽油車排放對比

太陽能是取之不盡、用之不竭的能源，且清潔，無污染，被譽(yù)為理想的能源。在出租車上安裝太陽能供電的頂燈，不僅可以減少油耗，降低出租車運營成本，而且能減少出租車尾氣污染物排放，有利于改善城市的空氣質(zhì)量。

電車由于繞過了化石燃料燃燒的過程，因而相對于傳統(tǒng)汽車不但噪聲小，而且排放低，具有很大的優(yōu)勢。雖然電動車被認(rèn)為是理想的清潔車型，但是短時間內(nèi)電動車還存在一定技術(shù)瓶頸，例如電池自重大，成本高，續(xù)航里程短，充電時間長等不足，近年來，融合了純電動汽車和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車優(yōu)點的混合動力電動汽車，以其排放低、油耗低、續(xù)航里程長和生產(chǎn)成本相對較低等優(yōu)勢，成為國際汽車界的研究熱點。在城市道路工況中，汽車制動消耗的能量占整車牽引所需有效總能量的30%-60%。豐田公司所開發(fā)的混合動力汽車Prius，利用再生制動功能，能夠在1015循環(huán)工況和LA4循環(huán)工況中使整車的油耗分別降低24%和20%[3]。所以再生制動系統(tǒng)應(yīng)用對提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性，實現(xiàn)節(jié)能減排具有重要意義。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，在汽車上采用多種燃料作為汽車燃料來源，推廣代用燃料包括天然氣、液化石油氣、植物油、醇類燃料、氫氣等新能源有利于滿足環(huán)境保護(hù)法規(guī)和實現(xiàn)節(jié)能目的，最終減少尾氣對大氣的污染。

2.3加強(qiáng)城市建設(shè)，緩解交通壓力

我國的城市交通系統(tǒng)建設(shè)較為落后，人均公路里程不能滿足現(xiàn)有需要，城市道路行駛速度較低，無法充分利用公路的功能。而車速較低時汽車尾氣中的碳?xì)浠衔锖土蚧锖窟h(yuǎn)遠(yuǎn)高于車速較高時的含量，且城市道路兩旁通常密布高樓大廈，有礙于空氣順暢流通，使得汽車尾氣更難擴(kuò)散。故而完善公共交通設(shè)施、提供優(yōu)質(zhì)的交通服務(wù)、鼓勵人們搭乘公共交通工具顯得尤為重要。有關(guān)部門應(yīng)采取合適措施解決目前我國相關(guān)城市的交通擁堵和空氣污染的問題，防治好汽車尾氣污染，為人們營造舒適的生活工作環(huán)境。

（1）淘汰尾氣排放嚴(yán)重的不達(dá)標(biāo)汽車；（2）嚴(yán)格執(zhí)行汽車行業(yè)國家標(biāo)準(zhǔn)、燃油控制標(biāo)準(zhǔn)。實施國家汽車污染控制法規(guī)，使汽車企業(yè)的競爭變?yōu)榄h(huán)保的競爭，通過環(huán)保手段淘汰一些技術(shù)落后的違規(guī)汽車廠，最終認(rèn)真執(zhí)行法規(guī)的、技術(shù)水平高的汽車企業(yè)占領(lǐng)市場，進(jìn)而改善汽車工業(yè)污染嚴(yán)重的局面；（3）推行車輛交通分流；（4）完善地鐵系統(tǒng)或有軌電車系統(tǒng)；（5）鼓勵發(fā)展新能源，嚴(yán)禁浪費不可再生資源；（6）加強(qiáng)宣傳、教育，提高人們的環(huán)保意識；（7）提倡消費者購買節(jié)能環(huán)保效果好的小型汽車。

2.4汽車發(fā)動機(jī)機(jī)內(nèi)凈化

機(jī)內(nèi)凈化是從污染物的生成機(jī)理和影響因素出發(fā)，以改進(jìn)內(nèi)燃機(jī)燃燒過程為核心，達(dá)到抑制和減少有害排放物生成的各種技術(shù)。發(fā)動機(jī)內(nèi)部凈化處理措施主要有廢氣再循環(huán)、蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)、曲軸箱通氣系統(tǒng)等。另外值得注意的是：適當(dāng)減少噴油提前角，能夠降低燃燒室的燃燒溫度，減少NOx生成。此外優(yōu)化噴油器的性能，改善燃燒條件（燃燒速度、空燃比、燃燒溫度)，能促進(jìn)燃料燃燒完全，減少尾氣中CO、HC和碳煙的含量。高溫缺氧是造成碳煙生成量增加的重要原因，提高噴油壓力，適當(dāng)增加空氣渦流，有利于改善混合氣品質(zhì)，減少碳煙排放。柴油機(jī)尾氣中NOx與微粒間存在一條權(quán)衡曲線關(guān)系，如圖1所示。

圖1　NOx與微粒間的關(guān)系

二者的生成條件是相互矛盾的，針對這一特性一般采用折衷的技術(shù)措施同時降低NOx和PM含量，例如高壓噴射、電子控制、增壓中冷、改進(jìn)燃燒室結(jié)構(gòu)、采用多氣門等方法。雖然廢氣再循環(huán)技術(shù)能有效降低柴油機(jī)NOx的排放，但是增加碳煙排放，EGR率為25%時，NOx排放量能減少一半以上，但是EGR率過高會引起燃油燃燒不良，燃燒速率變慢，造成油耗和碳煙排放增加。德國曼公司就是采用廢氣再循環(huán)技術(shù)來降低尾氣中的NOx排放，同時利用微粒捕集器減少碳煙的排放這種搭配模式來滿足歐四標(biāo)準(zhǔn)。采用“熱EGR”技術(shù)能夠同時減少尾氣中的NOx和碳煙排放，尤其是在中低負(fù)荷工況時減排效果更好，并且油耗較低。

2.5發(fā)動機(jī)機(jī)外凈化

發(fā)動機(jī)機(jī)外凈化是主要應(yīng)用后處理手段將汽車尾氣由原有害氣體，變成為無害氣體，再排放到大氣中、最終減少空氣污染的措施。

汽油機(jī)可采用三元催化器、富氧降NOx催化轉(zhuǎn)化器等，通過催化劑使得CO氧化成CO2，HC氧化成CO2和H2O，NOx被還原成為N2等從而減少污染物的排放，其化學(xué)反應(yīng)如下：

柴油機(jī)可利用顆粒物捕集器過濾廢氣中的PM，而過濾材料的選擇和過濾體再生技術(shù)非常重要，尤其是后者。

2.6改進(jìn)汽車維修保養(yǎng)

完善的汽車維修保養(yǎng),可以使其各個系統(tǒng)零件都達(dá)到最佳工作狀態(tài),不但延長了汽車使用壽命,提高了使用性能,而且降低了尾氣中污染物排放，所以一定要重視汽車的維修保養(yǎng),這是治理汽車污染排放的關(guān)鍵之一。汽車排放不達(dá)標(biāo)的原因有很多,如供電系統(tǒng),燃油系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)等任一系統(tǒng)出現(xiàn)故障,都會使排放惡化,只有維修才能根本解決上述問題。反之,摒棄維修保養(yǎng),無論什么故障,統(tǒng)統(tǒng)規(guī)定不達(dá)標(biāo)汽車安上污染凈化裝置是不科學(xué)的,這不僅掩蓋了汽車本身的問題,而且也造成經(jīng)濟(jì)損失。

2.7借鑒國外好的防治措施

某些國家在防治汽車污染上有一些值得借鑒的創(chuàng)新之舉：在無車日期間，奧地利維也納在某些路口限制行駛汽車,提倡更加環(huán)保的步行和自行車交通方式,行走在寧靜、清新的林蔭小道,使人們體會到大自然的魅力和汽車污染的危害。早在2005年，日本就建立了智能交通系統(tǒng)，結(jié)合先進(jìn)技術(shù)如中途不停車自動收費系統(tǒng)、駕駛導(dǎo)向系統(tǒng)等提高了人們使用公共交通系統(tǒng)的積極性，對交通堵塞、空氣污染起到了緩解作用。

其中v=車，f=燃料，g=車齡，p=污染物，E=通過車型（v）、燃料種類(f）、和車齡（g）計算的污染物總量，NV=包含不同車型和車齡的行車總量，S=某一車型占行車的比例，VKT=不同車齡、車型的平均行車?yán)锍獭Ｍㄟ^公式（1）可以看出要減少排放量只能通過減少車的數(shù)量、車的平均里程和每一輛車的排放量三種措施。Rahul指出采用BRT快速公交系統(tǒng)能夠提高汽車的行車速度，最終減小排放污染速率和道路擁堵時間[4]，但據(jù)廣州市交委的數(shù)據(jù)顯示，BRT快速公交、一般公交車和社會車輛平均行駛速度均相差不大。考慮到如今緊張的道路資源，公交專用道有著相對較低的建設(shè)成本并且占用路面資源較少的優(yōu)點，所以應(yīng)適當(dāng)擴(kuò)建公交專用道，同時，在新建道路時就應(yīng)予以規(guī)劃好BRT公交專用道的建設(shè)。國外一些地區(qū)還頒布了一些經(jīng)濟(jì)措施來強(qiáng)制使用公共交通，這一措施在新加坡、倫敦和斯德哥爾摩成功實施，它極大的改變了周邊的污染水平，使得CO2排放量降低了10%到20%[5]。這些地區(qū)的成功主要源于他們發(fā)達(dá)的公共交通設(shè)施，鑒于此，中國一些地區(qū)公共交通設(shè)施還需要完善，在這方面中國還有一段路需要走。

表2　我國輕型汽車標(biāo)準(zhǔn)與歐洲標(biāo)準(zhǔn)的實施日期比較

2.8嚴(yán)格控制汽車排放標(biāo)準(zhǔn)

在設(shè)計研發(fā)新車型時就應(yīng)重視控制汽車排放污染，提高車輛本身的排放控制技術(shù)水平，減少每一輛車的排放污染，才是最根本的解決汽車尾氣排放的方法。加嚴(yán)排放標(biāo)準(zhǔn)能夠有效削減單車的尾氣排放量:5～7輛國Ⅱ汽車相當(dāng)于1輛國0汽車的排放，10～14輛國Ⅲ汽車相當(dāng)于1輛國0汽車的排放；20輛國Ⅳ汽車相當(dāng)于1輛國0汽車的排放。可見制定并切實實施國家機(jī)動車污染控制標(biāo)準(zhǔn)是控制源頭排放的有效手段。如表2所示，隨著標(biāo)準(zhǔn)的不斷加嚴(yán)，我國的汽車排放控制與世界先進(jìn)水平的差距在不斷減小，但還是存在一定差距，這需要相關(guān)人員盡快提高汽車排放控制水平，以緩解我國日益嚴(yán)峻的污染形勢。

3　結(jié)語

如今汽車污染已成為世界公害，汽車尾氣中含有很多有害物質(zhì)及溫室氣體，加劇了城市熱島效應(yīng)和臭氧層空洞。必須控制和治理好汽車尾氣排放，以減少環(huán)境污染。首先，要依靠國家政策，制定相關(guān)法律、法規(guī)嚴(yán)格控制汽車污染;提倡發(fā)展新能源汽車，加強(qiáng)城市建設(shè)，合理規(guī)劃道路，鼓勵綠色出行。其次，相關(guān)企業(yè)、高校和研究所應(yīng)努力創(chuàng)新，改進(jìn)汽車發(fā)動機(jī)技術(shù)和煉油技術(shù)，并加快實現(xiàn)專利成果的應(yīng)用。最后還需要社會大眾認(rèn)識到汽車尾氣的危害，通過每一個公民的共同努力來減少汽車污染。

[1]周龍保,內(nèi)燃機(jī)學(xué):第三版.機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[2]徐啟俊,珠江三角洲地區(qū)推廣LPG汽車的效益分.煤氣與熱力,2012.

[3]Linus Nordholm.Development of validation methods for HEV[D]. Lund University.2006.

[4]Rahul Goel，Evolution ofon-road vehicle exhaust emissions in Delhi,Atmospheric Environment.2015.

[5]Eliasson,J.A costebenefit analysis of the Stockholm congestion charging system.Transp.Res.A Policy Pract.43.Transportation Research Part A,2009.

徐夢杰（1991—），男，河南開封，碩士研究生，從事納米流體在直噴汽油機(jī)冷卻系統(tǒng)上的應(yīng)用研究。