汽车排放污染的形成与影响因素*

朱忠伦

(安徽交通职业技术学院, 安徽 合肥 230051)

一、汽车排放污染物的种类及危害

1.汽车排放污染物的种类

汽车排放污染物主要是由发动机产生的。汽车尾气中由于燃烧不完全和燃烧反应产生的产物有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、硫化物、微粒(铅化物、碳烟等)等，还有发动机曲轴箱通风污染物(主要是HC)，以及燃料箱逸出的汽油蒸气、机油蒸发排放等。这些污染物对人体有害。柴油机的有害污染物主要来自废气排放及曲轴箱通风。虽然这些有害物质含量较少，但是在空气中达到一定浓度后，将对人和生物造成危害。

碳氢化合物与氮氧化合物混合起来在强太阳光照射下，会发生一系列复杂的光化学反应，生成臭氧(O3)等，形成一种毒性很大的白色烟雾，一般称为光化学烟雾，即二次有害排放物。

2.汽车排放污染物的危害

(1)一氧化碳的危害

一氧化碳是不完全燃烧的产物，是一种无色、无刺激、无味的气体。一氧化碳与血液中血红蛋白的亲和力是氧与血红蛋白亲和力的300倍，人体吸入后，会在血液中取代氧而形成牢固的血红蛋白，影响氧的输送。人体会由于缺氧感到疲劳，引起头晕、恶心等中毒症状，甚至导致窒息死亡。

(2) 碳氢化合物的危害

碳氢化合物是燃烧后生成多种碳氢化合物的总称，其中含有少量醛类和芳香烃。每种化合物的量很少，但其共同作用其危害就很明显。对人的鼻、眼、呼吸道粘膜有刺激作用，可引起结膜炎、鼻炎等。

(3) 氮氧化合物的危害

氮氧化合物有NO、NO2. NO3……统称为氮氧化合物。排气中排出的主要是一氧化氮，其次是二氧化氮(约占1%)。高浓度的一氧化氮对血液有毒性作用，能使神经麻痹，使中枢神经瘫痪及痉挛。二氧化氮有强烈的刺激性气味，是排气中恶臭物质成分之一，被吸入肺部时，能与肺部的水分结合生成可溶性硝酸，严重时会引起肺气肿。

(4)光化学烟雾的危害

光化学反应生成的过氧化物的主要物质臭氧 (O3)具有强烈的氧化性、特殊的异味和毒性，如果空气中O3的浓度到达一定程度，人在1h内就会死亡。光化学烟雾会阻碍视线、刺激眼睛、引起咳嗽，并能引发癌症，使动植物枯萎。

(5)硫化物的危害

在有害排放物中，还有燃油中的硫分燃烧后生成的硫化物，主要是SO2。它是无色气体，有强烈的刺激气味和腐蚀性，会刺激呼吸道粘膜，引起喉管发炎。SO2氧化后生成的SO3与空气中的水发生作用会生成硫酸和亚硫酸，雨雪降落时形成酸雨，造成土壤酸化，破坏农作物与森林，影响自然界的平衡。

(6)微粒的危害

汽油机中主要微粒有铅化物；柴油机中主要为碳黑和高分子量有害物，碳黑是废气中的固体与液体的凝结物。碳粒常夹有SO2及其他碳氢化合物，如致癌的多环芳香烃、苯丙蓖等。

二、汽车排气污染物的形成与影响因素

1.汽车排气污染物的形成

汽车排气中含有多种有害物质，其中主要有CO、HC、NOx及微粒。这些有害物质的排出量都取决于燃烧前混合气的形成状况，燃烧室的燃烧温度、压力和排气系统的反应条件。它们的生成条件互不相同，下面将定性地说明这些污染物的形成机理。

(1)一氧化碳的形成

一氧化碳(CO)是碳氢燃料在燃烧过程中的中间产物。一般认为，汽车排气中CO的产生是由于碳氢燃料在汽缸中燃烧不充分所致，是氧气不足而生成的中间产物。

柴油机由于过量空气系数大，循环温度低，CO排放量比汽油机低。

(2) 碳氢化合物的形成

HC是各种未燃的和未完全燃烧的碳氢化合物的总称。HC的生成原因较复杂，其主要来源是缸壁激冷效应、燃烧室缝隙效应、不完全燃烧及曲轴箱等泄漏。

(3) 氮氧化物的形成

NO是在燃烧室内处于高温状态下的燃烧产物。NO在排出后的一段时间，生成NO2和其他氮氧化物。NO在汽油机的排放中占绝大部分，因此主要说明NO的形成机理。对于NO的形成原因，经过大量研究，NO的生成目前广泛采用捷尔杜维奇(Zeldovich)反映理论。在燃烧的高温下，氧分子分解为氧原子。反映开始后，处于分子状态的氮与原子状态的氧碰撞生成NO。

(4) 微粒的形成

微粒是指发动机排出的废气中除气态和水以外，所有存在于接近大气条件的稀释排气中的分散物质，是以碳原子作为主要成分并含有占10%～30%氢原子的碳氢化合物所组成。

柴油机排出的微粒要比汽油机多得多，其中碳烟微粒排放要比汽油机高30～80倍。

2.使用因素对排气污染物的影响

(1)负荷的影响

对于汽油机，发动机满负荷时，由于供给较浓的混合气，燃烧不完全，生成的CO量增多；中等负荷时，混合气略稀，燃烧效率最高，CO、HC减少但NOx增多；在怠速和小负荷时，供给的混合气由稀变浓，NOx排放量减少而CO和HC显著增加。

(2)发动机转速的影响

汽油机怠速运转时，由于混合气过浓，混合不均燃烧不充分，CO、HC排放量较大，提高怠速转速可使CO、HC排放浓度下降。发动机的转速对不同空燃比混合气的NO的生成速度有不同的影响，当用稍浓混合气时，由于燃烧速度快，燃烧室内温度升高，NO生成速度较快。当转速达到最高转速的65%～75%时，排气中的NO达到最大值。

柴油机排放的有害成分。在怠速和低速工况，HC和CO排放较多，随着转速增加都有所下降，在最大转速时，CO继续下降而HC和NO增大，这是由于燃烧的时间短，混合气形成的时间也短，气缸内燃烧条件恶化，发动机工作强度大的缘故。

(3)燃料的影响

汽油成分对NOx排放影响较大，而对CO排放影响较小，对HC的排放总量影响不大，但排出的成分有很大变化。当燃料中的芳香烃含量增加时，排气中的芳香烃、酚类和芳醛增加，由燃烧引起的烯烃减少，而以甲醛为主的总醛类略有减少。

柴油成分主要对NOx排放有影响。随着柴油的十六烷值的降低，NOx的生成量增加。

(4)发动机热工况的影响

汽车在低温使用条件下，发动机从启动到暖机过程中，冷却液温度较低，HC和CO排放浓度最高，这是因为发动机在冷态运转，燃油雾化不良，燃烧不充分，缸壁激冷作用大。随冷却液温度提高，缸壁温度也提高，在气缸壁区域内的氧化反应的条件得到改善，排出的HC减少。NOx的排放量与燃烧的最高温度有关。当缸壁温度提高时，NOx的排放量也增加。

(5)运行工况的影响

在汽车使用过程中，发动机经常处于多变的工况下，发动机的负荷和转速随时间不断变化。汽油机在减速和转速不高的工况下，废气中不完全燃烧的物质HC较多，而柴油机由于混合气的空气充足，HC的浓度很小。汽油机废气中的CO含量也很高，怠速时可达7%，而柴油机的含量甚微。NO浓度在加速和高速时有明显的增大。

(6) 汽车技术状态的影响

汽车随着行驶里程的增加，技术状况逐渐变坏，将导致汽车的排气污染增加。由于技术状况变化引起排气污染增加的原因主要包括供油系的故障、汽油机点火系的故障、气缸内有积炭、气缸泄漏等。

汽油机点火提前角增大，循环压力和温度提高，废气中的NOx浓度明显增大；反之NOx浓度减少。点火提前角对CO的影响很小，而对HC的影响较大些。当点火迟后时，由于气缸及排气系统温度高，废气中的HC减少，如点火过迟，因燃烧速度慢，HC的浓度又有提高。

三、结论

汽车排放污染物主要有CO、HC、NOx和微粒等。这些有害物质的排出量都取决于燃烧前混合气的形成状况、燃烧室的燃烧温度、压力和排气系统的反应条件。它们的生成条件互不相同。其中CO是由于在空气不足时有部分燃料不能完全燃烧而生成的。如果空气量充足，由于CO2离解为CO和O2，特别是当温度大于2000K时，随着温度升高，CO数值增加；同时在温度很高的情况下还存在H2O的离解现象，离解为H2和O2，而H2能使CO2还原成CO与H2O，是不缺氧时仍有CO排出的另一原因。HC是各种未燃的和未完全燃烧的碳氢化合物的总称。HC的生成原因较复杂，其主要来源是缸壁激冷效应、燃烧室缝隙效应、不完全燃烧及曲轴箱等泄漏。NO的生成主要取决于温度、混合气浓度(氧的浓度)及滞留时间。大多数的微粒是在高温缺氧区的快速反应过程中产生的。

使用过程中，随着负荷、发动机转速、燃料、运行工况、汽车技术状态等方面的变化，汽车排放物的浓度变化很大。因此，保持良好的发动机技术状况，尽量使发动机工作处于等负荷的稳定工况和无猛加速的状况，这样有利于减少排放污染。

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