汽車尾氣排放控制現狀與對策建議

熊衛東，向亦華

(1.重慶車輛檢測研究院有限公司，重慶 401122；2.昆明云內動力股份有限公司，云南 昆明 650000)

1 引言

根據統計，截至2020年我國汽車(包括三輪和低速貨車)的保有量早已突破3.5億輛，人均保有量隨著經濟的快速發展也逐漸增加，目前世界汽車的增長量仍然在以每年2000萬輛以上的速度飛速增長。在中國幾乎所有的一、二線大城市均存在著相當程度的交通擁堵以及空氣污染現狀。汽車尾氣中存在著大量的CH化合物，一氧化碳以及NOX等。一氧化碳(CO)會和人類身體中血紅蛋白產生反應，導致中毒。NOX同樣也會導致人體中毒，甚至會出現休克導致生命危險，尾氣中的顆粒物會導致人們的肺部損害，嚴重威脅人們的身體健康。SO2等污染物會導致酸雨等，會腐蝕建筑物以及會導致人們皮膚發生癌變等等。隨著汽車生產數量的飛速增加，汽車的尾氣排放對生態環境的污染變得更加嚴重，為我國城市建設發展帶來了很大的影響。環境污染和我國的可持續發展戰略相悖，我國目前汽車尾氣排放的形式已經變為非常的嚴峻。汽車排放造成的環境污染已經嚴重影響人們的身體健康，人們也必須在享受汽車帶給人們便利的同時將交通便利和環境保護均衡發展。

2 近年汽車尾氣排放標準

世界各國為了面對車輛尾氣對人們的健康損害問題以及環境污染，都相繼制定了越來越嚴格的排放標準，力求最大程度降低其對環境的污染和對人們身體健康的危害。歐洲標準是相對比較早的標準，歐洲國家在1992年便制定了其第一代標準，2014年制定的最新的排放標準更為嚴格。我國在制定自己國家排放標準的時候在一定程度上參考了歐洲的排放標準，同樣制定了適用于自己國家的排放標準，其中國一標準于2000年左右開始正式實行，現在國內排放標準中主要實行的排放標準為國五和國四標準，其中國四標準為2014年左右正式推出，2017年正式推出的國六標準是截至目前中國最嚴格的排放標準，由于當前國內眾多主機廠和發動機廠的發動機硬件技術不夠完善以及從之前的國五排放標準過渡到正式的國六標準還存在著一定的過渡期限，我國隨著目前形勢的變化相繼推遲了國六標準的實施，其中最晚于2020年7月1日為重型柴油車國六排放階段的最遲實施階段。國六排放標準明確限制了汽車在常溫和低溫環境下排氣污染物的排放標準，實際道路行駛中排氣污染物排放(PEMS)，蒸發污染物，以及車載診斷系統的測量及要求。國六排放標準采用了相對燃料中性的基本原則，無論是以汽油作為發動機的燃料還是以柴油作為發動機的燃料，其相應的排放標準都一樣即重型柴油車和輕型汽油車的國六排放標準都保持一致，國五在排氣污染物的限值上對于不同的燃料其相應的排放標準有一定的區別。在具體實施的排放標準細則上面，國六排放標準相對于國五標準，氮氧化物的限值減少了大約77%，顆粒物的限值則減少大約67%，對顆粒物的排放有了具體的限值要求而且加嚴了其排放設備的耐久性和車載法測量排放的相關要求。

3 汽車尾氣排放物的組成及形成原因

3.1 汽車尾氣排放物的形成原因

汽車尾氣排放物的組成主要有汽車排氣管排放、燃油蒸發、儲油箱泄露等方式，汽車尾氣排放物的成分十分的復雜，包含數千種化學成分，人們在生活中經常看到小型車排氣管冒出的白色煙霧，重型柴油車冒出的黑色的煙霧。其中尾管在排煙的同時夾雜著令人厭惡的噪聲和刺激性的的氣味。汽車空擋時排出很大比例的一氧化碳，在汽車低速行駛時，排氣管會排出大量的黑煙——顆粒物，這是由于燃料在氣缸內不完全燃燒造成的。汽車在高速行駛的狀況會冒出白色的煙霧，這主要是由于燃料在高溫下燃燒排放出的NOX造成的。

汽車尾氣排放和汽車的飛速增長息息相關，我國在2018年以前每年的新車銷售量年年遞增，在2019年汽車增長量雖然稍微下滑，但是仍然保持著很高的增長量。汽車保有量高速增長帶來的不僅僅是交通擁堵，而且帶來的是大部分汽車無法在最佳的工況下行駛，這就會導致尾氣中的排氣污染物大幅增加，大氣中的尾氣污染物量也會明顯的增加。

汽車尾氣處理目前需要的技術越來越高，同時很多的汽車廠家相關技術還不成熟，都會給汽車排氣污染物的增加創造機會。

3.2 汽車排氣污染物的組成

根據大量學者的研究表明，汽車尾氣成分包含數種化學成分[1]，其主要的排氣污染物有：一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOX)、碳氫化合物(HC)等，這些排氣污染物污染物給環境帶來了巨大的壓力，對人體也有相當大的危害。因為汽車尾氣中的一氧化碳能和血液中的血紅蛋白相結合，速度比和氧氣結合的速度快很多[2]，所以當人體的吸入氣體中含有CO時人體血液中的血紅蛋白(Hb)便會更容易同CO結合，生成相關的化學物碳合血紅蛋白(COHb)，于是血紅蛋白便不能與O2結合，而血紅蛋白便失去輸送氧氣的功能，這種情況會導致人體缺氧，其中人腦中缺氧會是人馬上昏厥。因此，即使有很少量的一氧化碳吸入人體，也可能會對人造成可不可逆的傷害。同時，因為汽車尾氣排放的位置比較低，基本上在1.5 m以下，因此兒童肺中吸入的尾氣相當于成人的2倍！氮氧化物具有很強的破壞力。汽車尾氣排放中的氮氧化物主要是NO， NO2主要由NO氧化來。NO2具有很強的腐蝕性，當人體吸入一定量的NO2后，在肺泡內便會形成形成亞硝酸和硝酸等，這兩種化學成分具有很強的刺激性，會導致咳嗽甚至肺出現水腫等現象。而尾氣排放中的碳氫化合物，雖然目前人們對他對身體產生的影響還沒有了解，但碳氫化合物和氮氧化物在大氣中受比較強的紫外線照射后，便會產生一種復雜的光化學煙霧，光化學煙霧的破壞性極強，對人體健康會造成很大的危害[3]。

3.3 汽車尾氣排放物的形成原因

汽車排氣污染物對健康的危害性及大，其中尤其是一氧化碳(CO)，氮氧化物(NOX)以及碳氫(HC)及固體顆粒物等等。由于其對人體健康造成了嚴重的威脅，對這些尾氣的成分如果不加以嚴格控制的話，大氣中的污染便會加劇。

一氧化碳主要是燃料在發動機缸內不完全燃燒導致的，一氧化碳無色無味，但由于其能和血紅蛋白結合會對人體的生命造成嚴重的威脅。CO是一種相對比較穩定的化合物，在空氣中的停留時間也比較長。人在吸入過多的一氧化碳后便會出現頭痛、胸悶等現象，嚴重時可導致人死亡。一氧化碳從某種意義上講對人體的危害大于氮氧化物。

碳氫同樣是由于不完全燃燒產生的，汽油機和柴油機尾氣中含量較少，在天然氣發動機的尾氣中含量比較多。碳氫是一個總稱，其中含有很多種化學物質，當空氣中的碳氫含量特別高時。人會出現惡心、嘔吐等現象，尤其是其和NOX在大氣上空經過強烈的紫外線照射后會產生嚴重的光化學煙霧。對人體的皮膚和外部器官造成腐蝕，嚴重時可以導致癌癥。光化學煙霧會導致地球上的各種植物遭到破壞，因此尾氣中碳氫的危害極大。

氮氧化物主要由一氧化氮和二氧化氮組成，生成原理為高溫下N2被氧化，NO的毒性甚至比CO還要大，其和人體中血紅蛋白結合的能力很強，甚至比一氧化碳還要強，同樣會導致人體缺氧造成死亡。NO2能刺激人體的器官，主要由NO經過氧化得來，會造成人體的肺部以及器官發生病變，危害性及大。氮氧化物是產生光化學煙霧的主要成分，光化學煙霧破壞性強，還會導致大氣上空的臭氧層會被破壞，更多的紫外線未經過臭氧的吸收直接照射到地球上，導致人體的皮膚癌變的幾率大大增加。

固體顆粒物主要會對大氣產生影響，霧霾的產生便是固體顆粒物的影響結果，霧霾會對人體神經系統，呼吸系統產生極大的威脅。

4 汽車尾氣排放物的防治對策建議

4.1 汽車尾氣排放控制技術發展

人們在逐漸的認識到汽車尾氣對人體健康和環境的危害后[3]，在很長的一段時期內便致力于尋找提高汽車排放性能的技術。汽車尾氣主要從2個地方進行處理，即缸內燃燒控制以及后處理凈化2種方式。廢氣再循環作為一種將尾氣再次輸入缸內和新鮮的空氣和燃料進行第二次燃燒。其能有效降低發動機缸內的燃燒溫度，又能夠有效的降低氮氧化物的生成。除了廢氣再循環的方式，缸內活塞的形狀、點火提前角、噴油策略等措施均能降低發動機燃燒產生的排放。后處理凈化主要為通過裝載后處理裝置對尾氣進行凈化，經過凈化的尾氣再排入大氣中，降低尾氣中污染物的含量，后處理凈化是目前最為有效的尾氣凈化方法，往往汽車排氣污染物中有害物含量非常高，但是經過后處理凈化之后污染物，排放能達到一個很低的水平。例如最常用的三元催化劑便能有效降低氮氧化物、一氧化碳、碳氫的排放。在20世紀70年代開始發達國家開始使用催化裝置，在后處理方面的研究越來越多，截止目前，三元催化劑成為了有效遏制汽車排氣污染物的手段。

4.2 廣義上減少尾氣污染物排放的措施

從廣義的范圍減少尾氣中污染物排放的措施很多[4～8]，主要有以下幾種方法。

(1)優化燃料品質：燃料是發動機缸內燃燒燃燒的必須包含的要素，提高燃料品質能有效降低發動機燃燒后的污染物排放。

(2)開發新燃料：目前燃料主要為燃油，可以開發更多的燃料。例如壓縮天然氣、頁巖氣、替代燃料等等，其中甲醇作為一種排放極低的燃料值得廣大學者進一步研究，新的清潔燃料能大比例的降低發動機的尾氣中有害物質的排放。

(3)開發新的動力裝置：目前全球都在大力發展電動車，鋰電池成為了其中的翹楚。從環境保護的方面來講，電動汽車如果不考慮其全周期的排放，至少從尾氣排放來比較是目前最為環保的一種方式。燃料電池和混合動力裝置同樣是發展的趨勢，其中燃料電池汽車被外界普遍稱為汽車發展的終極方向會成為近年來的研究熱點。

(4)改善汽車發動機結構和燃燒性能：通過改善發動機結構優化燃燒，研發更為有效的后處理裝置等等均能有效降低汽車尾氣中的污染物排放

(5)開展低碳出行：提倡更多的綠色出行，國家可以采取加大電車的投入，若以后國家的交通水平能達到去任何一個地方公共交通均和私家車同樣便利的能力時，便不用過多的再考慮機動車的排放問題。

4.3 重型柴油車減少尾氣排放的措施

上述內容從廣義上介紹了減少汽車排氣污染物的措施[9～11]，結合筆者目前從事的行業，本次主要從重型柴油車排氣污染物來闡述。在國際上，為實現歐 IV 及同等水平的排放標準，一種方法是通過優化燃燒，再使用選擇性催化還原(SCR)來降低因燃燒產生。第二種方法便是廢氣再循環(EGR)+ 顆粒捕捉器(DPF)，這種組合方式能達到同時降低 NOX和 PM 的效果。

在我國，SCR 是最主要的技術路線。目前所有已經獲得核準的第四階段機型中，采用了選擇性催化還原(SCR)后處理技術的機型占比為 80%。SCR 技術中尿素水溶液經過熱解和水解反應生成氨氣(NH3)，在催化劑的作用下氨氣將柴油機尾氣中有害的氮氧化合物(NOX)轉化為無害的氮氣(N2)和水。SCR 技術具有燃油效率高優勢，也是國內大部分廠商所采用的技術路線。相比于 SCR 技術路線，EGR+DPF/DOC 技術路線的優勢在于初始成本低，對封裝要求低。劣勢在于升國四或國五時，需要對國Ⅲ主機進行技術改進，標定的程序更為復雜；對超低硫含量的燃油及高品質潤滑油的依賴；燃油經濟性差。因此，已核準的國四機型中，很少采用這種技術路線。

在 EGR+DPF/DOC 技術路線基礎上，有些廠家開發出一種 EGR+POC(顆粒氧化催化器，又稱部分流式過濾器)的技術路線。顧名思義，POC 是一種可以捕捉并消減 PM 的裝置。之所以稱為部分流式，是與 DPF 的壁流式相對比，前者對 PM 消減率相對較低，而 DPF 較高。POC 技術成本更加低廉，EGR+DOC+POC后處理系統方案，價格大約可以做到 SCR 價格的 1/3～2/3，POC 相比 DPF 也要便宜很多，升級成本誘惑力較大，因此，國內機型也有一部分選擇 POC 的技術路線。目前已核準的國四機型中，采用 POC 技術路線的機型占比為 16%。但是，POC 是不具備主動再生功能的，由于排氣中的供氧量一定，所能反應掉的顆粒也是有上限的，如果 POC 設計減排效率過高，那么收集到的顆粒物不能及時被氧化掉，剩余的顆粒物就會越積越多，起不到真正改善排放的作用。因此，型式核準主管部門對申報的 POC 機型也一直持較為謹慎的態度。到第五階段，目前國際上的排放技術路線較為明確，機內主要是通過高壓共軌、多次噴射、EGR、增壓中冷等技術來實現，機外凈化主要是SCR和DPF兩種方式，單體泵等技術將逐漸面臨淘汰。從環境保護部型式核準情況來看，目前國五重型柴油機高壓共軌所使用比率已經達到99.05%，已經成為主流技術路線，單體泵的使用率將繼續降低。在后處理技術路線上，SCR技術是行業內主要選擇，在國五重型柴油機機型中占據98.58%的份額，受限于技術、成本、油品和法規因素，DPF的使用率仍較低。

雖然SCR技術有諸多優點，但是因為需要加裝尿素箱，所以對系統布置空間要求較高，且最終產品成本也較高。因此，對于輕型卡車來說，由于空間和成本的限制，一般很少選擇SCR技術路線。從機動車環保網查詢的信息顯示，國四階段，輕型柴油車大部分選擇EGR+DOC的技術路線，到第五階段，共26個核準機型中，全部采用了EGR+DOC+DPF技術路線。

5 結語

我國實現可持續發展必須將環境保護放在首位，特別是進入21世紀以來，環境污染給人們帶來的壓力越來越大，飛速發展的汽車行業，快速增加的汽車保有量，雖然其給人們的出行提供了很大的便利，但是汽車尾氣中含有的污染物排放也越來越多，帶來了一系列的環境問題。如何將汽車尾氣對環境的污染降到最低成為了各個國家急需解決的難題。本文對我國汽車排氣污染物的現狀以及其形成機理和解決方法提出了自己的見解，最后根據筆者所從事行業從重型車排放分析了當前比較熱點的解決方案，希望在專家學者的共同努力下，我國能解決汽車尾氣污染帶來的一系列問題，實現綠色發展。