機動車尾氣污染監測方法及凈化技術探析

向立立，張 濤，朱治鋼

（四川經準檢驗檢測集團股份有限公司，四川 廣安 638000）

機動車為人們的日常出行帶來方便，但隨著機動車數量的不斷增加，尾氣污染狀況也日益嚴重，已經從區域性的污染發展為備受全球關注的公共危機，空氣污染類型也從傳統的煙塵污染轉為如今的煙塵與機動車尾氣混合污染。新時期下，機動車尾氣排放已經成為大氣環境的主要污染源，尤其是尾氣中的一氧化碳、碳氫化合物，對人類健康與空氣質量的危害不容小覷。環境保護部報告顯示：在經濟發達的一線城市，機動車尾氣污染占到大氣污染指數的60%以上。由此可見，機動車尾氣污染的監測與治理迫在眉睫。

1 機動車尾氣的污染成分與危害性

機動車尾氣包含氣體化合物、固體顆粒2部分，主要源自燃油機動車的燃燒汽油、柴油等石化燃料。機動車尾氣在低空環境中排放，擴散難度大，很容易聚集在大氣中成為污染源，給空氣環境造成污染，繼而危害人體健康與城市環境。

1.1 一氧化碳（CO）

CO是機動車尾氣中的主要氣體化合物，CO的產生與汽車燃油燃燒不充分密切相關。CO與人體血紅蛋白的親和力較強，吸入CO后，血紅蛋白會與之發生化學反應，形成會損傷血紅蛋白攜氧能力的碳氧血紅蛋白，從而使人體血液中的氧氣含量大幅度下降，血液失去正常的氧氣交換能力，最終危害人體健康。即使吸入少量的CO，也會伴有頭痛、乏力、惡心、眩暈和犯困等癥狀，長時間吸入CO，會嚴重損害神經系統，降低記憶力，如果在短時間內吸入大量的CO，還會致人于昏迷狀態，甚至窒息死亡[1]。

1.2 碳氫化合物（HC）

油箱泄漏、燃燒室的燃油燃燒不充分及燃油揮發是產生HC的主要原因。機動車尾氣的HC含量與車輛的發動、運轉情況有關。如果車輛的發動機處于高速運轉狀態，燃油的燃燒非常充分，則HC就會較低。反之，如果車輛剛剛啟動，或者處于怠速狀態，燃油未充分燃燒，則HC含量便會提高。機動車尾氣中的HC主要由多環芳烴、甲烷、乙炔、丙烯、苯類及相關衍生物、丁二烯和醛類等物質組成，以上物質均會不同程度地危害人體健康與空氣質量，尤其是甲烷，已經被認定為引起溫室效應的“元兇”，其他HC的成分都有一定的刺激性，在日照或者其他特定條件下會產生光化學反應，形成對人體有毒有害的光化學煙霧。短時間內吸入HC，便會危害人的呼吸系統與眼結膜，從而出現惡心、頭暈等癥狀。長時間的大量吸入HC，會對機體的免疫系統、神經系統造成嚴重危害，引起中毒反應，甚至有癌變風險。

1.3 氮氧化合物（NOx）與硫氧化合物（SOx）

燃油燃燒過程中產生的副產物中，含有大量NOx。NOx是一氧化氮（NO）與二氧化氮（NO2）的混合物，其主要成分還是NO，約為NO2的9倍。NO與CO對人體造成危害的原理基本相同，2者都會和血紅蛋白結合，并影響人體正常的血氧循環。由于NO具有一定的刺激性，吸入后，會對呼吸道黏膜、肺部和支氣管黏膜產生刺激，繼而引起炎癥。但NO在空氣中的穩定性遠不如CO，與氧氣結合后，NO會被氧化為NO2。SOx主要以SO2為主，燃油中的硫（S）經過燃燒后，和氧氣（O2）發生反應，繼而形成SO2，這也是引起酸雨的“元兇”，會嚴重危害農作物、植物和土壤環境。機動車尾氣凈化裝置的催化劑表面往往堆積了大量SO2，導致催化劑和尾氣的接觸不夠充分，最終對機動車尾氣凈化裝置功能造成損害[2]。

1.4 鉛（Pb）污染

汽油、柴油是機動車不可或缺的重要燃油，2者的物理化學穩定性較差，易燃易爆易揮發。為了增強汽油、柴油的穩定性，通常會在燃油中加入濃度為0.2%~0.5%的四乙基鉛。發動機發動后，四乙基鉛在燃燒室內隨著燃燒而產生氧化鉛，然后形成積灰。大量積灰會增加發動機內部的摩擦力，提高燃燒室溫度，加速燃燒室的磨損。因此，燃油中需要加入導出劑，讓Pb轉化為Pb的揮發物，并隨著尾氣的排放進入大氣。Pb已經被納入5種有毒重金屬，人體吸入Pb后，會對血紅素的形成造成嚴重抑制，使人出現貧血癥狀，Pb還會隨著血液的循環進入重要臟器，危害免疫系統、中樞神經系統，甚至還會引起鉛型腎病。

1.5 顆粒物污染

機動車尾氣排放的可吸入性的固體顆粒物，直徑約為0.03~0.50μm，其主要成分有高分子化合物、含碳顆粒物等。而高分子化合物有會吸附大氣中的各種病毒、細菌和具有揮發性的重金屬等物質。人吸入這些有毒有害的顆粒物后，會直接損傷呼吸系統，引起呼吸道、肺部的急性炎癥，甚至還可能造成肺細胞損傷與肺水腫。尾氣中的顆粒物不僅會長時間潴留于人的肺部，而且還會隨著血液循環進入其他臟器，附著在顆粒物上的細菌病毒、重金屬等有害物質會嚴重損傷臟器功能[3]。

2 機動車尾氣污染監測技術

2.1 自由加速

柴油機動車通常采用自由加速的方式監測尾氣污染，這是一種比較環保對車輛影響較小的監測技術，正式進行排放測量前，應采用3次自由加速過程或其他等效方法吹拂排氣系統，在發動機怠速下，迅速但不猛烈地踩下加速踏板，使噴油泵供給最大油量。在發動機達到允許的最大轉速前，保持此位置。一旦達到最大轉速，立即松開加速踏板，使發動機恢復至怠速。往復進行3次，以清掃排氣系統中的殘留污染物。然后接入取樣管，直接在1 s時間內將油門踏板踩到底，讓發動機達到斷油轉速的狀態，然后松開油門，連續3個循環工況即為自由加速。在機動車尾氣濃度的檢測中可應用透光衰減率，尾氣經負壓傳送到實驗室，煙度計中的平行光會穿透實驗室中尾氣煙碳微粒，使光能衰減，光能轉換器的電信號就會變弱。透光衰減率檢測操作方便、流程簡單，幾乎不會受到外界環境的影響，在實驗室內檢測或者在野外檢測均可。自有加速法相對于加載減速法來說，其檢驗效率較高，但檢測參數較少，無法測出車輛功率及氮氧化合物值，檢測結果的準確性不高。

2.2 室外遙感

該技術需要用到激光與紅外線光譜，通過可調諧半導體激光吸收光譜TDLAS技術來檢測機動車尾氣中的CO、CO2，用差分光譜DOAS技術檢測NO、HC，用綠激光透光率技術檢測煙度與光吸收系數以及尾氣中各成分的所占比。應用室外遙感技術，能夠在機動車行駛過程中檢測尾氣污染情況，檢測效率與自動化水平較高。但技術的應用環境受到一定限制，檢測設備對交通狀況有特殊要求，多用于道路監察，檢測的數據只能作為參考。

2.3 雙怠速法

這是一種無負荷檢測技術，檢測時，機動車需要保持“低怠速”或者“高怠速”的狀態，還需要將轉速傳感器、油溫儀安裝在發動機上，在進行排放測量時，發動機冷卻液或潤滑油溫度應不低于80℃，或者達到汽車使用說明書規定的熱機狀態，然后再測量發動機的轉速。根據GB 18285—2018《汽油車污染物排放限值及測量方法(雙怠速法及簡易工況法)》標準要求，機動車的怠速提升至額定轉速的70%或者規范要求的暖機轉速，并維持30 s后降至低怠速狀態，插入取樣探頭，深度不少于400 mm，并固定在排氣管上，然后維持高怠速狀態15 s，使用排放監測儀讀取30 s內機動車排放的平均值，得到高怠速污染物測量結果，并計算過量空氣系數，然后從高怠速降至怠速狀態15 s后，用排放監測儀再次讀取30 s內的平均值，該值即為怠速污染物測量結果。雙怠速法的應用局限性在于只能檢測機動車尾氣中CO與HC濃度的平均值。

2.4 基于底盤測功機的檢測技術

2.4.1 穩態工況（ASM）

ASM主要適用于汽油機動車的尾氣污染檢測，是一種負荷檢測方式。根據檢測結果，可準確評估機動車尾氣對空氣的污染情況，且檢測準確性較高，與實際的尾氣排放含量比較一致。高排放機動車在行駛過程中，可采用ASM技術檢測，尤其是雙怠速法中應用該技術，可進一步提高檢測結果的準確性，還能顯示出尾氣中氮氧化物的實際排放量。“穩態”由ASM5025、ASM2540這2個工況共同組成，指的是機動車癥狀底盤測功機上行駛所要保持的恒定車速，在25 km/h、40 km/h的時速下，根據機動車的基準質量施加扭矩，分析尾氣濃度。AMS操作簡單、成本低且技術完善，可相對準確地反映尾氣污染等級[4]。

2.4.2 瞬態工況（MAS）

該方法主要用來檢測機動車尾氣中的氮氧化物，全流式定容取樣稀釋系統、測功機系統和氣體排放測量系統共同組成了瞬態工況檢測系統。通過瞬態工況檢測，能夠精準地模擬出機動車的怠速、換擋、等速和減速等不同的行駛狀態，檢測結果的準確性高。機動車尾氣的檢測中，可適應普通狀態下車輛尾氣流量的條件，與新車認證的檢測結果密切相關。但瞬態工況檢測的成本較高，普及難度大，設備的維修比較復雜，通常只適合專業檢測機構，或者汽車廠家進行整車測試。

2.4.3 簡易瞬態工況（VMAS）

底盤測功機、流量計和氣體分析儀等共同構成了VMAS系統，其整個檢測時長為195 s，檢測循環包含等速、怠速、減速和加速等多種工況。使用氣體流量分析儀檢測機動車每秒所排放的尾氣量，然后將檢測結果與排放尾氣濃度、排放尾氣流量相乘，最終計算出規定時間內尾氣排放指標，真實呈現機動車行駛過程中的尾氣排放情況。VMAS也是介于ASM與MAS之間的一種檢測技術。

2.4.4 加載減速工況

該方法主要用于使用柴油的機動車尾氣檢測，駕駛員使用前進擋驅動車輛，逐漸加檔并將油門踏板置于全開位置，選擇最接近70 km/h的低擋位，但不能超過100 km/h，通過掃描機動車的輸出功率來檢測車輛的最大輪邊功率，最終得出轉鼓線的速度，主要用來測量機動車100%、80%轉鼓線速度穩定狀態下的煙度值，然后計算出80%轉鼓線速度穩定時的氮氧化物數值，最后根據規范標準評估機動車尾氣排放情況。

3 機動車尾氣污染凈化技術

機動車尾氣污染具有排放分擔率高、單車排放量大及污染物排放集中等特點。要想更好地處理機動車尾氣，只采用單一的凈化技術顯然是不現實的，隨著尾氣凈化技術的發展，采用多種凈化技術相結合的方法成了目前機動車尾氣后處理裝置的主流，所以，要根據機動車的燃料類型和現實條件選擇對應的凈化技術，并保證技術應用的全面性。

3.1 優化機動車燃油

3.1.1 用添加劑改變燃料成分

加入含量不超過15%的甲醇汽油燃料，或者使用含水量為10%的汽油燃料，都可以減輕CO、NOx、HC、鉛塵等污染。在汽油中加入30%~40%的甲醇，能夠有效減少機動車尾氣的排污量。

3.1.2 使用綠色燃料

研究顯示，豆油、燒堿和甲醇相互混合后，能夠去除甘油，得到大豆柴油。以3∶7的比例混合大豆柴油和普通柴油，作為柴油機動車的燃料，可以大量減少發動機運行狀態下所排放的HC、CO、煙塵和硫化物。

3.1.3 車用乙醇汽油

用乙醇替代汽油，既提高了陳糧的利用率，又能節約汽油資源。以1∶9的比例混合乙醇與汽油，大約20萬t的乙醇，就能配出200萬t的乙醇汽油。而20萬t乙醇所需要的陳糧只有7萬t。研發機動車專用的乙醇汽油，可以有效解決陳糧問題，緩解國內原油資源緊張狀態。與單純的汽油相比，乙醇汽油可以使機動車尾氣排放的CO量減少1/3，CH減少13.4%。

3.1.4 機械摩擦改進劑

按照一定比例（3%~5%）在機油中加入固體添加劑，比如石墨、聚四氟乙烯粉末和二硫化鉬等，然后將機油裝入引擎機油箱內，能夠節約5%左右的發動機燃油。加入固體添加劑后，還能改善機動車發動機氣缸的密封性，增加氣缸壓力，使之充分燃燒，以減少尾氣中CO與HC的含量，減輕對大氣造成的污染。

3.1.5 使用多種燃料

可將太陽能、壓縮的天然氣體、生態燃料蓄電池、新汽油和電力等能源作為機動車燃料，利用計算機控制點火系統，讓發動機在不同工況下迅速作出反應，降低尾氣污染。

3.2 機內凈化技術

這是一種針對初期污染的治理技術，根據尾氣污染物的形成原理，對機動車發動機的內部構造采取優化措施，嚴格控制燃料的燃燒條件，提高燃料利用率，減少有毒有害物質。常用的機內凈化技術有3種：①廢氣再循環系統（EGR）：收集一部分發動機的尾氣，和新鮮的混合氣一起輸入發動機的氣缸，以稀釋原先的混合氣，有效降低氧濃度。混合氣被吸收后，燃燒時的最低溫度明顯下降，能夠減少NOx含量。②燃油蒸發控制系統（EVAP）：收集汽油蒸汽，并將其輸送到發動機內，燃燒過程中能夠提高燃油的經濟性，減輕油氣造成的大氣污染。③曲軸箱強制通風系統（PCV）：回收一部分漏氣，輸送到發動機的汽缸內繼續燃燒，可大量減少尾氣中的污染物。除此之外，還可以采用進氣噴水蒸汽、推遲噴油提前角及缸內噴水等方式降低燃燒溫度；通過窄角直噴、預噴射和多段噴射技術實現分層燃燒，減少氮氧化物的生成量；采用進排氣系統、高壓噴射與增壓等措施，大量減少尾氣中的顆粒物[5]。

3.3 機外凈化技術

僅采用機內凈化技術還無法讓機動車尾氣排放達到國V標準，因此需要結合機外凈化技術，以提高節能減排效果。機外凈化技術主要是將凈化設備安裝在機動車的尾氣排放系統中，通過物理吸附、化學催化等方式收集尾氣中的有毒有害物質，或者將這些污染物轉化成對環境無害的物質，以達到減輕尾氣污染的目的。常用的尾氣凈化裝置有柴油氧化催化器（DOC）、氮氧化物催化器（LNC）、顆粒捕集器（DPF）、NOx存儲還原催化器（NSR）、顆粒物氧化催化器（POC）、吸附還原催化器（LNT）及選擇性催化還原器（SCR）等。綜合考慮機動車尾氣的污染成分、排放特點及機外凈化技術原理等因素，在處理機動車尾氣的過程中，很可能會出現催化劑中毒、補給器堵塞等問題，嚴重影響設備功能。所以，機外凈化技術的關鍵在于，要使用更加高效、經濟的催化劑，利用先進的技術手段實現催化劑的再生。

4 結束語

綜上所述，機動車尾氣的超標排放對大氣環境、城市環境造成嚴重污染，受到我國相關部門的高度重視。近年來，機動車尾氣污染監測越來越嚴格，尾氣排放標準也在不斷提高。了解機動車尾氣污染的類型及危害性，因地制宜采用科學的檢測與凈化技術，能夠大幅度減少尾氣排放，減輕尾氣污染，改善空氣質量，促進現代化城市的可持續發展。