汽車(chē)尾氣的危害及控制對(duì)策分析

曹心怡

【摘 要】分析了汽車(chē)尾氣污染物主要成分的生成機(jī)理與危害，指出減少汽車(chē)尾氣排放必須從加強(qiáng)現(xiàn)有燃油汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的改進(jìn)和推廣使用新能源汽車(chē)兩個(gè)方面著手。

【關(guān)鍵詞】汽車(chē)尾氣；主要成分；危害；發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)；新能源汽車(chē)

汽車(chē)是“改變世界的機(jī)器”，一方面，汽車(chē)誕生一百多年以來(lái)，為人類(lèi)生活和生產(chǎn)活動(dòng)做出了重要的貢獻(xiàn)，極大地推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展。另一方面，隨著汽車(chē)保有量的增加，汽車(chē)尾氣帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，成為城市環(huán)境質(zhì)量惡化的主要污染源。大氣環(huán)境是人類(lèi)賴(lài)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(guó)共同關(guān)注的問(wèn)題，已處于刻不容緩的地步。

一、汽車(chē)尾氣的主要成分與危害

根據(jù)有關(guān)分析，汽車(chē)排放的尾氣中各種氣體成分約有1000多種，其中對(duì)人體健康危害最大、對(duì)環(huán)境有破壞作用的有一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化合物（NOX）、二氧化碳（CO2）和微粒物（PM）等，據(jù)測(cè)算，大氣中所含的CO的75%、HC和NOX的50%都來(lái)自于汽車(chē)排放的尾氣。

1.一氧化碳（CO）

一氧化碳（CO）是內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)燃料不完全燃燒所產(chǎn)生的，是氧氣不足而生成的中間產(chǎn)物。氧氣量充足時(shí)，理論上燃料燃燒后不會(huì)存在CO。但當(dāng)氧氣量不足時(shí)，就會(huì)有部分燃料不能完全燃燒而生成CO。現(xiàn)在城市空氣污染中80%的CO來(lái)自于汽車(chē)尾氣排放。

CO是一種無(wú)色、無(wú)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(jié)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?lài)?yán)重缺氧，引起頭暈、頭痛、惡心等癥狀。輕度是使中樞神經(jīng)系統(tǒng)受損，慢性中毒，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使心血管工作困難，直至死亡。不同濃度CO對(duì)人體健康的影響見(jiàn)表1。為保護(hù)人類(lèi)不受CO的毒害，將24小時(shí)內(nèi)吸收CO的濃度限制在5×10-6以?xún)?nèi)。CO和H2結(jié)合是可逆的，如果吸入低濃度CO后置于新鮮空氣中或進(jìn)入高壓氧艙，已經(jīng)與H2結(jié)合的CO會(huì)被分離出來(lái)，通過(guò)呼吸系統(tǒng)排出體外。

2.碳?xì)浠衔铮℉C）

汽車(chē)尾氣中的碳?xì)浠衔铮℉C）包括未燃燒和未完全燃燒的燃油、潤(rùn)滑油及其裂解產(chǎn)物和部分氧化物，如苯、醛、酮、烯、多環(huán)芳香族碳?xì)浠锏?00多種復(fù)雜成分。碳?xì)浠衔铮℉C）其中包含了烷烴、烯烴、炔烴、環(huán)烴及芳烴，是許多其他有機(jī)化合物的基體。飽和烴危害不大，但不飽和烴危害性很大。當(dāng)甲醛，丙烯醛等醛類(lèi)氣體濃度超過(guò)1×10-6時(shí)，就會(huì)對(duì)眼、呼吸道和皮膚有強(qiáng)刺激作用，濃度超過(guò)25×10-6時(shí)，會(huì)引起頭暈、嘔心、紅白球減少、貧血，超過(guò)1000×10-6會(huì)急性中毒。苯是無(wú)色氣體，但有特殊氣味。應(yīng)當(dāng)引起特別注意的是帶更多環(huán)的多環(huán)芳香烴，如苯并芘及硝基烯，是強(qiáng)致癌物。烴類(lèi)成分還是引起光化學(xué)煙霧的重要物質(zhì)。

3.氮氧化合物（NOX）

氮氧化合物（NOX）是燃料高溫燃燒過(guò)程中剩余的氧與氮化合形成的產(chǎn)物，如NO、NO2、N2O3、N2O5等，統(tǒng)稱(chēng)為NOX。車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的氮氧化合物主要是NO（約占95%），其次為NO2（占5%）。根據(jù)倫敦20世紀(jì)90年代的檢測(cè)報(bào)告，大氣中74%的氮氧化合物來(lái)自汽車(chē)尾氣排放。

NO是一種無(wú)色無(wú)味的氣體，溶于水，有輕度的刺激性，但是毒性不大，高濃度時(shí)會(huì)造成中樞神經(jīng)輕度障礙，NO可被氧化成NO2。NO2是一種棕紅色強(qiáng)刺激性的有毒氣體，其含量為0.1×10-6時(shí)即可嗅到，1×10-6～4×10-6就感到惡臭，它對(duì)人體健康的影響見(jiàn)表2。NO2可以引起急性呼吸道疾病，會(huì)使兒童的支氣管炎發(fā)病率增加，長(zhǎng)時(shí)間處在NO2環(huán)境下可能會(huì)因肺內(nèi)氣腫而死亡。NOX進(jìn)入肺泡后能形成亞硝酸和硝酸，對(duì)肺組織產(chǎn)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(jié)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(dǎo)致組織缺氧，對(duì)心臟、肝、腎都會(huì)有影響。NO2會(huì)使植物枯黃，但NO2較易擴(kuò)散，遇水易溶解。

大氣中的氮氧化合物與碳?xì)浠衔锸荜?yáng)光中紫外線照射后會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，生成臭氧和過(guò)氧乙酰基硝酸酯等光化學(xué)過(guò)氧化物以及各種游離基、醛硫酸煙霧等，形成有毒的光化學(xué)煙霧。光化學(xué)煙霧的表現(xiàn)特征是煙霧彌漫，煙霧呈藍(lán)色，大氣能見(jiàn)度降低。光化學(xué)煙霧中的光化學(xué)氧化劑超過(guò)一定濃度時(shí)，具有明顯的刺激性，它能刺激眼結(jié)膜，引起流淚并導(dǎo)致紅眼癥，同時(shí)對(duì)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(xué)煙霧也會(huì)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(yīng)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(chēng)微粒物，由汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)排放出的顆粒物有三個(gè)來(lái)源，其一是不可燃物質(zhì)，其二是可燃的但末燃燒的物質(zhì)，其三是燃燒生成物。燃燒過(guò)程排出的顆粒物的組成中大部分是固態(tài)碳，火焰中形成的固體碳粒子稱(chēng)為碳黑，碳黑可以在燃燒純氣體燃料時(shí)形成，但更多的則是在燃燒液體燃料時(shí)形成，顆粒物質(zhì)的組成中除碳黑外還有碳?xì)浠衔铩⒘蚧锖秃饘俪煞值幕曳值取：饘俪煞值念w粒物主要來(lái)自燃料中的抗爆劑、潤(rùn)滑油添加劑以及運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磨屑等。

顆粒物對(duì)人體健康的危害和顆粒的大小及其組成有關(guān)。顆粒愈小，懸浮在空氣中的時(shí)間愈長(zhǎng)，進(jìn)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(jī)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入肺部并附在肺細(xì)胞的組織中，有些還會(huì)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(huì)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(duì)人體呼吸系統(tǒng)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(zhì)或苯丙芘等致癌物，因而對(duì)人體健康造成更大危害。由于柴油機(jī)的微粒直徑大多小于0.3μm，而且數(shù)量比汽油機(jī)高出30～60倍，成分更為復(fù)雜，因而柴油機(jī)排出的微粒危害更大。

5.二氧化碳（CO2）

在汽車(chē)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(wú)色無(wú)毒氣體，對(duì)人體無(wú)直接危害，但大氣中的CO2大幅度增加，因其對(duì)紅外熱輻射的吸收而形成的溫室效應(yīng)，會(huì)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(shì)加劇，人類(lèi)和動(dòng)植物賴(lài)以生存的生態(tài)環(huán)境遭到破壞。地球上接連出現(xiàn)的“厄爾尼諾”和“拉尼挪”現(xiàn)象都與溫室效應(yīng)加劇有關(guān)。

地球溫室效應(yīng)是由于人類(lèi)在長(zhǎng)期生產(chǎn)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(yīng)的有害氣體，稱(chēng)為溫室效應(yīng)氣體。溫室效應(yīng)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(yáng)短波輻射，而讓太陽(yáng)輻射熱順利通過(guò)大氣層到達(dá)地面；而且它們能夠吸收大部分地面長(zhǎng)波輻射，而使地面輻射熱無(wú)法散發(fā)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(lái)，從而導(dǎo)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(yīng)。人類(lèi)活動(dòng)排放的溫室效應(yīng)氣體，對(duì)全球變暖的貢獻(xiàn)率為90%～95%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大氣中CO2的增加，有大約30%來(lái)自汽車(chē)尾氣排放。因此，近年來(lái)對(duì)CO2的控制也已上升為汽車(chē)排放研究的重要課題，提高汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性和使用小排量汽車(chē)是減少CO2排放的重要措施。

汽車(chē)排放造成的大氣污染還會(huì)破壞臭氧層，而臭氧損耗與氣候變化通過(guò)某些機(jī)制相互聯(lián)系。一些專(zhuān)家認(rèn)為，臭氧層的破壞造成太陽(yáng)輻射過(guò)強(qiáng)，也會(huì)導(dǎo)致高溫天氣。

二、減少汽車(chē)尾氣排放的措施

減少汽車(chē)尾氣排放，必須從加強(qiáng)現(xiàn)有燃油汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的改進(jìn)和推廣使用新能源汽車(chē)兩個(gè)方面著手。

1.加強(qiáng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的改進(jìn)

對(duì)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)尾氣排放的控制和凈化，各國(guó)都進(jìn)行了大量的研究工作，所采用的技術(shù)措施大致可分為發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)和機(jī)外凈化技術(shù)。

機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)既通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)本身的改進(jìn)，改善燃燒過(guò)程，把燃燒污染物消滅在燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程之中，防止或減少有害污染物在機(jī)內(nèi)生成。這些技術(shù)中比較典型的有汽油蒸汽排放控制系統(tǒng)、廢氣再循環(huán)控制系統(tǒng)、氧傳感器及空燃比控制系統(tǒng)、二次空氣噴射控制系統(tǒng)等。目前，一種新型的汽油機(jī)燃燒方式應(yīng)運(yùn)而生，即發(fā)動(dòng)機(jī)稀薄燃燒技術(shù)，而實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒的理想方式是汽油缸內(nèi)直接噴射。無(wú)論從提高汽油機(jī)動(dòng)力性能的角度，還是從節(jié)省燃油和減少?gòu)U氣排放的角度來(lái)看，缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)在進(jìn)氣管?chē)娚浼夹g(shù)的基礎(chǔ)上，又將汽油機(jī)技術(shù)向前推進(jìn)了一大步，從而成為汽油機(jī)發(fā)展歷史上又一個(gè)重要的里程碑。為此，世界各國(guó)的各大汽車(chē)制造企業(yè)紛紛推出各自的缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，如三菱公司的GDI（汽油缸內(nèi)直噴）、大眾公司的FSI（燃油分層噴射）、通用公司的SIDI（點(diǎn)燃式缸內(nèi)直噴）、豐田公司的D-4S、寶馬公司的HPI（高壓直噴）、保時(shí)捷公司的DFI（直接燃油噴射）等，這些缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)先進(jìn)，且各有特點(diǎn)。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)本身的改進(jìn)較難滿(mǎn)足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)和降低成本等要求，因此，產(chǎn)生了在排放過(guò)程中減少有害物質(zhì)的機(jī)外凈化。現(xiàn)代汽車(chē)增加了多種排放凈化裝置，汽油車(chē)使用最多的是三元催化轉(zhuǎn)化器TWC，柴油車(chē)使用最多的是顆粒捕捉器DPF等。

2.推廣使用新能源汽車(chē)

從汽車(chē)工業(yè)節(jié)能減排趨勢(shì)看，僅僅依靠燃油車(chē)的技術(shù)進(jìn)步難以滿(mǎn)足更為嚴(yán)格的節(jié)能減排法規(guī)目標(biāo)要求，發(fā)展新能源汽車(chē)也就成為解決日益嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)保壓力的唯一途徑，其中，發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)是汽車(chē)技術(shù)進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)升級(jí)的必然選擇。

新能源汽車(chē)是指采用非常規(guī)的車(chē)用燃料作為動(dòng)力來(lái)源（或使用常規(guī)的車(chē)用燃料、采用新型車(chē)載動(dòng)力裝置），綜合車(chē)輛的動(dòng)力控制和驅(qū)動(dòng)方面的先進(jìn)技術(shù)，形成技術(shù)原理先進(jìn)，具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車(chē)。新能源汽車(chē)沒(méi)有統(tǒng)一的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)新能源汽車(chē)主要分為純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)和燃料電池電動(dòng)汽車(chē)。

純電動(dòng)汽車(chē)是指由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源來(lái)自車(chē)載可充電蓄電池或其他能量?jī)?chǔ)存裝置。純電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)相當(dāng)于內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)，蓄電池或其他能量?jī)?chǔ)存裝置相當(dāng)于內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)油箱中的燃料。混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)是指能夠至少?gòu)膬深?lèi)車(chē)載儲(chǔ)存的能量（可消耗的燃料、可再充電能/能量?jī)?chǔ)存裝置）中獲得動(dòng)力的汽車(chē)。燃料電池電動(dòng)汽車(chē)是以燃料電池系統(tǒng)作為動(dòng)力源或主動(dòng)力源的汽車(chē)。目前，純電動(dòng)汽車(chē)是發(fā)展最快的新能源汽車(chē)，是新能源汽車(chē)中最重要的車(chē)型，也是新能源汽車(chē)發(fā)展的重點(diǎn)。混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)是內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)向純電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展過(guò)程中的過(guò)渡車(chē)型，目前技術(shù)相對(duì)成熟。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王瓊.淺析汽車(chē)排放污染的控制途徑[J].中國(guó)化工貿(mào)易.2013（3）

[2]王靜.汽車(chē)排放污染的控制技術(shù)探究[J].黑龍江科學(xué).2015（1）

[3]朱忠倫.汽車(chē)排放污染的形成與影響因素[J].湖北科技學(xué)院學(xué)報(bào).2014（7）

[4]曹紅兵.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)與維修[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[5]馬德糧.新能源汽車(chē)技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2017