徐夢(mèng)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(duì)環(huán)境污染及改進(jìn)措施

徐夢(mèng)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(guó)汽車尾氣污染日益嚴(yán)重。如果缺乏有效的措施來(lái)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(guò)對(duì)比分析對(duì)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(lì)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(guó)家的汽車污染物排放的最有效的方法。同時(shí)這些措施應(yīng)通過(guò)有效的監(jiān)管，定價(jià)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(lái)協(xié)調(diào)統(tǒng)籌。

機(jī)動(dòng)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(lái)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(duì)人們生產(chǎn)生活造成了很大影響，我國(guó)亟需一個(gè)環(huán)保無(wú)污染的良好汽車工業(yè)環(huán)境。

1　汽車尾氣對(duì)環(huán)境污染

我國(guó)嚴(yán)重的空氣污染已經(jīng)導(dǎo)致了每年47萬(wàn)人生命的喪生和2400萬(wàn)人的健康問題，并引起了20%的肺癌病例?？諝馕廴疽矌?lái)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(guó)每年國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的2.1%。

無(wú)論柴油還是汽油都是碳?xì)浠衔?，假如不含雜質(zhì)的話，完全燃燒后會(huì)生成CO2和H2O,而CO2是溫室氣體，隨著“溫室效應(yīng)”的加劇會(huì)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(zhǎng)。事實(shí)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(shí)間短，空氣和燃料在極短時(shí)間內(nèi)完全混合是不可能的，這樣就會(huì)產(chǎn)生中間產(chǎn)物CO和碳?xì)浠衔?。而且汽車高?fù)荷工況或者啟動(dòng)加濃時(shí)，不完全燃燒產(chǎn)物將劇增。燃燒室里的高溫還會(huì)使得氮?dú)庋趸蒒Ox，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(duì)環(huán)境的危害簡(jiǎn)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(wú)色無(wú)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(huì)引起光化學(xué)煙霧，而且還是酸雨形成的誘因之一，同時(shí)它還會(huì)造成臭氧層空洞，“溫室效應(yīng)”加劇，可見NOx對(duì)環(huán)境損害極大。

NOx在高溫、富氧、有足夠的反應(yīng)時(shí)間時(shí)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(guò)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(duì)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(duì)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(dòng)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(huì)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(huì)導(dǎo)致NOx增多，硫會(huì)降低三元催化器和氧傳感器的效率，所以對(duì)于低排放無(wú)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(huì)使其霧化性能變差，燃燒惡化，碳煙排放增加，較高的密度會(huì)引起微粒排放增加，另外芳烴燃燒時(shí)會(huì)使柴油機(jī)嚴(yán)重冒煙，是柴油的有害成分，對(duì)于低排放柴油來(lái)說(shuō)，首先要提高十六烷值，十六烷值下降會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)冷啟動(dòng)性能變差，排氣冒白煙，使得排氣增加。同時(shí)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?，適宜在交通擁堵、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(guò)一定的物理化學(xué)作用處理后取得了“大豆柴油”。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)的硫化物、碳?xì)浠衔?、一氧化碳和煙塵等排放物大大減少，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(dòng)機(jī)上應(yīng)用，其對(duì)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(duì)比

太陽(yáng)能是取之不盡、用之不竭的能源，且清潔，無(wú)污染，被譽(yù)為理想的能源。在出租車上安裝太陽(yáng)能供電的頂燈，不僅可以減少油耗，降低出租車運(yùn)營(yíng)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(guò)了化石燃料燃燒的過(guò)程，因而相對(duì)于傳統(tǒng)汽車不但噪聲小，而且排放低，具有很大的優(yōu)勢(shì)。雖然電動(dòng)車被認(rèn)為是理想的清潔車型，但是短時(shí)間內(nèi)電動(dòng)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(shí)間長(zhǎng)等不足，近年來(lái)，融合了純電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車優(yōu)點(diǎn)的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，以其排放低、油耗低、續(xù)航里程長(zhǎng)和生產(chǎn)成本相對(duì)較低等優(yōu)勢(shì)，成為國(guó)際汽車界的研究熱點(diǎn)。在城市道路工況中，汽車制動(dòng)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(dòng)力汽車Prius，利用再生制動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性，實(shí)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(jì)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(lái)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(shí)現(xiàn)節(jié)能目的，最終減少尾氣對(duì)大氣的污染。

2.3加強(qiáng)城市建設(shè)，緩解交通壓力

我國(guó)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(wú)法充分利用公路的功能。而車速較低時(shí)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(shí)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(lì)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(guó)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(yíng)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、燃油控制標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)施國(guó)家汽車污染控制法規(guī)，使汽車企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)變?yōu)榄h(huán)保的競(jìng)爭(zhēng)，通過(guò)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(chǎng)，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(lì)發(fā)展新能源，嚴(yán)禁浪費(fèi)不可再生資源；（6）加強(qiáng)宣傳、教育，提高人們的環(huán)保意識(shí)；（7）提倡消費(fèi)者購(gòu)買節(jié)能環(huán)保效果好的小型汽車。

2.4汽車發(fā)動(dòng)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(guò)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(dòng)機(jī)內(nèi)部?jī)艋幚泶胧┲饕袕U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(duì)這一特性一般采用折衷的技術(shù)措施同時(shí)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(shí)，NOx排放量能減少一半以上，但是EGR率過(guò)高會(huì)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(guó)曼公司就是采用廢氣再循環(huán)技術(shù)來(lái)降低尾氣中的NOx排放，同時(shí)利用微粒捕集器減少碳煙的排放這種搭配模式來(lái)滿足歐四標(biāo)準(zhǔn)。采用“熱EGR”技術(shù)能夠同時(shí)減少尾氣中的NOx和碳煙排放，尤其是在中低負(fù)荷工況時(shí)減排效果更好，并且油耗較低。

2.5發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)外凈化

發(fā)動(dòng)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(wú)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(guò)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(guò)濾廢氣中的PM，而過(guò)濾材料的選擇和過(guò)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(gè)系統(tǒng)零件都達(dá)到最佳工作狀態(tài),不但延長(zhǎng)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(huì)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(wú)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(guó)外好的防治措施

某些國(guó)家在防治汽車污染上有一些值得借鑒的創(chuàng)新之舉：在無(wú)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?kù)o、清新的林蔭小道,使人們體會(huì)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(dòng)收費(fèi)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(duì)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(guò)車型（v）、燃料種類(f）、和車齡（g）計(jì)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^(guò)公式（1）可以看出要減少排放量只能通過(guò)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(shí)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(huì)車輛平均行駛速度均相差不大?？紤]到如今緊張的道路資源，公交專用道有著相對(duì)較低的建設(shè)成本并且占用路面資源較少的優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)適當(dāng)擴(kuò)建公交專用道，同時(shí)，在新建道路時(shí)就應(yīng)予以規(guī)劃好BRT公交專用道的建設(shè)。國(guó)外一些地區(qū)還頒布了一些經(jīng)濟(jì)措施來(lái)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(shí)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(guó)一些地區(qū)公共交通設(shè)施還需要完善，在這方面中國(guó)還有一段路需要走。

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

2.8嚴(yán)格控制汽車排放標(biāo)準(zhǔn)

在設(shè)計(jì)研發(fā)新車型時(shí)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(guó)Ⅱ汽車相當(dāng)于1輛國(guó)0汽車的排放，10～14輛國(guó)Ⅲ汽車相當(dāng)于1輛國(guó)0汽車的排放；20輛國(guó)Ⅳ汽車相當(dāng)于1輛國(guó)0汽車的排放?？梢娭贫ú⑶袑?shí)實(shí)施國(guó)家機(jī)動(dòng)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(guó)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(guó)日益嚴(yán)峻的污染形勢(shì)。

3　結(jié)語(yǔ)

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(guó)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(lì)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(dòng)機(jī)技術(shù)和煉油技術(shù)，并加快實(shí)現(xiàn)專利成果的應(yīng)用。最后還需要社會(huì)大眾認(rèn)識(shí)到汽車尾氣的危害，通過(guò)每一個(gè)公民的共同努力來(lái)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(mèng)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。