汽車尾氣的危害及控制對策分析

曹心怡

【摘 要】分析了汽車尾氣污染物主要成分的生成機理與危害，指出減少汽車尾氣排放必須從加強現有燃油汽車發動機技術的改進和推廣使用新能源汽車兩個方面著手。

【關鍵詞】汽車尾氣；主要成分；危害；發動機技術；新能源汽車

汽車是“改變世界的機器”，一方面，汽車誕生一百多年以來，為人類生活和生產活動做出了重要的貢獻，極大地推動了經濟和社會的發展。另一方面，隨著汽車保有量的增加，汽車尾氣帶來的環境污染問題日益嚴重，成為城市環境質量惡化的主要污染源。大氣環境是人類賴以生存的寶貴資源，因此，減少溫室氣體排放、防止全球氣候變暖是世界各國共同關注的問題，已處于刻不容緩的地步。

一、汽車尾氣的主要成分與危害

根據有關分析，汽車排放的尾氣中各種氣體成分約有1000多種，其中對人體健康危害最大、對環境有破壞作用的有一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、氮氧化合物（NOX）、二氧化碳（CO2）和微粒物（PM）等，據測算，大氣中所含的CO的75%、HC和NOX的50%都來自于汽車排放的尾氣。

1.一氧化碳（CO）

一氧化碳（CO）是內燃機工作時燃料不完全燃燒所產生的，是氧氣不足而生成的中間產物。氧氣量充足時，理論上燃料燃燒后不會存在CO。但當氧氣量不足時，就會有部分燃料不能完全燃燒而生成CO。現在城市空氣污染中80%的CO來自于汽車尾氣排放。

CO是一種無色、無味窒息性的有毒的氣體，由于CO和血液中有輸氧能力的血紅蛋白（Hb）的親和力比氧氣和Hb的親和力大200～300倍，因而CO能很快和Hb結合形成碳氧血紅蛋白（CO-Hb），使血液的輸氧能力大大降低，使心臟、頭腦等重要器官嚴重缺氧，引起頭暈、頭痛、惡心等癥狀。輕度是使中樞神經系統受損，慢性中毒，嚴重時會使心血管工作困難，直至死亡。不同濃度CO對人體健康的影響見表1。為保護人類不受CO的毒害，將24小時內吸收CO的濃度限制在5×10-6以內。CO和H2結合是可逆的，如果吸入低濃度CO后置于新鮮空氣中或進入高壓氧艙，已經與H2結合的CO會被分離出來，通過呼吸系統排出體外。

2.碳氫化合物（HC）

汽車尾氣中的碳氫化合物（HC）包括未燃燒和未完全燃燒的燃油、潤滑油及其裂解產物和部分氧化物，如苯、醛、酮、烯、多環芳香族碳氫化物等200多種復雜成分。碳氫化合物（HC）其中包含了烷烴、烯烴、炔烴、環烴及芳烴，是許多其他有機化合物的基體。飽和烴危害不大，但不飽和烴危害性很大。當甲醛，丙烯醛等醛類氣體濃度超過1×10-6時，就會對眼、呼吸道和皮膚有強刺激作用，濃度超過25×10-6時，會引起頭暈、嘔心、紅白球減少、貧血，超過1000×10-6會急性中毒。苯是無色氣體，但有特殊氣味。應當引起特別注意的是帶更多環的多環芳香烴，如苯并芘及硝基烯，是強致癌物。烴類成分還是引起光化學煙霧的重要物質。

3.氮氧化合物（NOX）

氮氧化合物（NOX）是燃料高溫燃燒過程中剩余的氧與氮化合形成的產物，如NO、NO2、N2O3、N2O5等，統稱為NOX。車用發動機排氣中的氮氧化合物主要是NO（約占95%），其次為NO2（占5%）。根據倫敦20世紀90年代的檢測報告，大氣中74%的氮氧化合物來自汽車尾氣排放。

NO是一種無色無味的氣體，溶于水，有輕度的刺激性，但是毒性不大，高濃度時會造成中樞神經輕度障礙，NO可被氧化成NO2。NO2是一種棕紅色強刺激性的有毒氣體，其含量為0.1×10-6時即可嗅到，1×10-6～4×10-6就感到惡臭，它對人體健康的影響見表2。NO2可以引起急性呼吸道疾病，會使兒童的支氣管炎發病率增加，長時間處在NO2環境下可能會因肺內氣腫而死亡。NOX進入肺泡后能形成亞硝酸和硝酸，對肺組織產生劇烈的刺激作用。亞硝酸鹽則能與人體血液中的血紅蛋白Hb結合，形成變性血紅蛋白，使血液輸氧能力下降，可在一定程度下導致組織缺氧，對心臟、肝、腎都會有影響。NO2會使植物枯黃，但NO2較易擴散，遇水易溶解。

大氣中的氮氧化合物與碳氫化合物受陽光中紫外線照射后會發生一系列復雜的化學反應，生成臭氧和過氧乙酰基硝酸酯等光化學過氧化物以及各種游離基、醛硫酸煙霧等，形成有毒的光化學煙霧。光化學煙霧的表現特征是煙霧彌漫，煙霧呈藍色，大氣能見度降低。光化學煙霧中的光化學氧化劑超過一定濃度時，具有明顯的刺激性，它能刺激眼結膜，引起流淚并導致紅眼癥，同時對鼻、咽、喉等呼吸道黏膜也有刺激作用，能引起急性喘息癥，可以使人呼吸困難、眼紅喉痛、頭腦暈沉，造成中毒。另外，光化學煙霧也會傷害植物葉子，加速橡膠老化，使染料褪色，并損害油漆涂料、紡織纖維和塑料制品等。氮氧化合物與空氣中的水反應生成的硝酸和亞硝酸，是酸雨的成分。

4.顆粒物（PM）

顆粒物也稱微粒物，由汽車發動機排放出的顆粒物有三個來源，其一是不可燃物質，其二是可燃的但末燃燒的物質，其三是燃燒生成物。燃燒過程排出的顆粒物的組成中大部分是固態碳，火焰中形成的固體碳粒子稱為碳黑，碳黑可以在燃燒純氣體燃料時形成，但更多的則是在燃燒液體燃料時形成，顆粒物質的組成中除碳黑外還有碳氫化合物、硫化物和含金屬成分的灰分等。含金屬成分的顆粒物主要來自燃料中的抗爆劑、潤滑油添加劑以及運動產生的磨屑等。

顆粒物對人體健康的危害和顆粒的大小及其組成有關。顆粒愈小，懸浮在空氣中的時間愈長，進入人體肺部后停滯在肺部及支氣管中的比例愈大，危害愈大。小于0.1μm的顆粒能在空氣中作隨機運動，進入肺部并附在肺細胞的組織中，有些還會被血液吸收。0.1～0.5μm顆粒能深入肺部并粘附在肺葉表面的粘液中，隨后會被絨毛所清除。大于5μm的顆粒常在鼻處受阻，不能深入呼吸道。大于10μm的顆粒可排出體外。顆粒除對人體呼吸系統有害外，由于顆粒存在孔隙而能粘附SO2、未燃燒的HC、NO2等有毒物質或苯丙芘等致癌物，因而對人體健康造成更大危害。由于柴油機的微粒直徑大多小于0.3μm，而且數量比汽油機高出30～60倍，成分更為復雜，因而柴油機排出的微粒危害更大。

5.二氧化碳（CO2）

在汽車排放的尾氣中，除以上成分外，還含有大量的二氧化碳（CO2）。CO2為無色無毒氣體，對人體無直接危害，但大氣中的CO2大幅度增加，因其對紅外熱輻射的吸收而形成的溫室效應，會使全球氣溫上升，南北極冰層融化，海平而上升，大陸腹地沙漠化趨勢加劇，人類和動植物賴以生存的生態環境遭到破壞。地球上接連出現的“厄爾尼諾”和“拉尼挪”現象都與溫室效應加劇有關。

地球溫室效應是由于人類在長期生產和生活中，不斷向大氣層大量排放各種各樣有害氣體而造成的。引起溫室效應的有害氣體，稱為溫室效應氣體。溫室效應氣體中最主要的是二氧化碳，此外，還有氫氟碳化物（HFCs）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、全氟碳化物（PFCs）及六氟化硫（SF6）等40多種微量氣體。二氧化碳等有害氣體不能吸收太陽短波輻射，而讓太陽輻射熱順利通過大氣層到達地面；而且它們能夠吸收大部分地面長波輻射，而使地面輻射熱無法散發到外層空間去，只好在像溫室一樣的、被有害氣體污染的大氣層里不斷貯存和積累起來，從而導致地面和低層大氣溫度逐漸升高，這就是所謂的地球溫室效應。人類活動排放的溫室效應氣體，對全球變暖的貢獻率為90%～95%。據統計，大氣中CO2的增加，有大約30%來自汽車尾氣排放。因此，近年來對CO2的控制也已上升為汽車排放研究的重要課題，提高汽車的經濟性和使用小排量汽車是減少CO2排放的重要措施。

汽車排放造成的大氣污染還會破壞臭氧層，而臭氧損耗與氣候變化通過某些機制相互聯系。一些專家認為，臭氧層的破壞造成太陽輻射過強，也會導致高溫天氣。

二、減少汽車尾氣排放的措施

減少汽車尾氣排放，必須從加強現有燃油汽車發動機技術的改進和推廣使用新能源汽車兩個方面著手。

1.加強汽車發動機技術的改進

對內燃機汽車尾氣排放的控制和凈化，各國都進行了大量的研究工作，所采用的技術措施大致可分為發動機機內凈化技術和機外凈化技術。

機內凈化技術既通過對發動機本身的改進，改善燃燒過程，把燃燒污染物消滅在燃料化學能轉化為機械能的過程之中，防止或減少有害污染物在機內生成。這些技術中比較典型的有汽油蒸汽排放控制系統、廢氣再循環控制系統、氧傳感器及空燃比控制系統、二次空氣噴射控制系統等。目前，一種新型的汽油機燃燒方式應運而生，即發動機稀薄燃燒技術，而實現稀薄燃燒的理想方式是汽油缸內直接噴射。無論從提高汽油機動力性能的角度，還是從節省燃油和減少廢氣排放的角度來看，缸內直噴式汽油機在進氣管噴射技術的基礎上，又將汽油機技術向前推進了一大步，從而成為汽油機發展歷史上又一個重要的里程碑。為此，世界各國的各大汽車制造企業紛紛推出各自的缸內直噴發動機，如三菱公司的GDI（汽油缸內直噴）、大眾公司的FSI（燃油分層噴射）、通用公司的SIDI（點燃式缸內直噴）、豐田公司的D-4S、寶馬公司的HPI（高壓直噴）、保時捷公司的DFI（直接燃油噴射）等，這些缸內直噴發動機技術先進，且各有特點。

由于發動機本身的改進較難滿足日益嚴格的排放法規和降低成本等要求，因此，產生了在排放過程中減少有害物質的機外凈化。現代汽車增加了多種排放凈化裝置，汽油車使用最多的是三元催化轉化器TWC，柴油車使用最多的是顆粒捕捉器DPF等。

2.推廣使用新能源汽車

從汽車工業節能減排趨勢看，僅僅依靠燃油車的技術進步難以滿足更為嚴格的節能減排法規目標要求，發展新能源汽車也就成為解決日益嚴重的能源危機和環保壓力的唯一途徑，其中，發展電動汽車是汽車技術進步與產業升級的必然選擇。

新能源汽車是指采用非常規的車用燃料作為動力來源（或使用常規的車用燃料、采用新型車載動力裝置），綜合車輛的動力控制和驅動方面的先進技術，形成技術原理先進，具有新技術、新結構的汽車。新能源汽車沒有統一的分類標準。我國新能源汽車主要分為純電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車。

純電動汽車是指由電機驅動的汽車，電機的驅動電源來自車載可充電蓄電池或其他能量儲存裝置。純電動汽車的電機相當于內燃機汽車的發動機，蓄電池或其他能量儲存裝置相當于內燃機汽車油箱中的燃料。混合動力電動汽車是指能夠至少從兩類車載儲存的能量（可消耗的燃料、可再充電能/能量儲存裝置）中獲得動力的汽車。燃料電池電動汽車是以燃料電池系統作為動力源或主動力源的汽車。目前，純電動汽車是發展最快的新能源汽車，是新能源汽車中最重要的車型，也是新能源汽車發展的重點。混合動力電動汽車是內燃機汽車向純電動汽車發展過程中的過渡車型，目前技術相對成熟。

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