汽车尾气对环境污染及改进措施

徐梦杰　王惜慧

（华南理工大学机械与汽车工程学院广东广州510640）

汽车尾气对环境污染及改进措施

徐梦杰王惜慧

（华南理工大学机械与汽车工程学院广东广州510640）

随着城市化和机械化的快速步伐，我国汽车尾气污染日益严重。如果缺乏有效的措施来控制汽车的尾气污染，众多的城市居民将深受其害。文章通过对比分析对汽车尾气污染现状及控制措施做出了一些探讨，发现鼓励能源高效利用和提倡环保节能的汽车，清洁燃料和更好的交通管理似乎是控制国家的汽车污染物排放的最有效的方法。同时这些措施应通过有效的监管，定价和税收政策，健全土地利用规划和建立环境兼容的公共交通系统等手段来协调统筹。

机动车；汽车污染机内净化机外净化

1885年，Kral Benz造出了第一辆汽车，随后近百年来汽车工业发展迅猛，尤其近代机械化进程加快，汽车已成为人们的主要交通工具，然而，汽车尾气污染也变得日益严重，对人们生产生活造成了很大影响，我国亟需一个环保无污染的良好汽车工业环境。

1　汽车尾气对环境污染

我国严重的空气污染已经导致了每年47万人生命的丧生和2400万人的健康问题，并引起了20%的肺癌病例。空气污染也带来了严重的经济损失，一些研究显示，每年由PM10污染引起的健康方面的经济损失达到1.065亿美元，约占中国每年国内生产总值的2.1%。

无论柴油还是汽油都是碳氢化合物，假如不含杂质的话，完全燃烧后会生成CO2和H2O,而CO2是温室气体，随着“温室效应”的加剧会引起海平面上升、干旱等灾害，必须科学使用化石燃料，控制碳含量的增长。事实上燃烧室中的燃料不可能完全反应，由于内燃机转速高，使得氧化反应时间短，空气和燃料在极短时间内完全混合是不可能的，这样就会产生中间产物CO和碳氢化合物。而且汽车高负荷工况或者启动加浓时，不完全燃烧产物将剧增。燃烧室里的高温还会使得氮气氧化生成NOx，柴油机扩散燃烧的特性决定了其混合不均更为严重，其缺氧、高温、高压的燃烧环境使得柴油机PM排放增加。这些污染物对环境的危害简述如下。

1.1一氧化碳CO

汽车尾气中的CO是燃烧不充分所致，是氧气不足或低温形成的中间产物。CO是一种无色无味有毒的气体，它与血液血红蛋白的结和力比氧的大二百至三百倍。二者结合生成碳氢血红蛋白，容易造成人体供氧不足，引起头痛、眩晕、乏力等中毒病状甚至致人死亡。

1.2氮氧化物NOx

NOx均有不同程度的毒性，损害人体呼吸道。而且NOx不但会引起光化学烟雾，而且还是酸雨形成的诱因之一，同时它还会造成臭氧层空洞，“温室效应”加剧，可见NOx对环境损害极大。

NOx在高温、富氧、有足够的反应时间时生成最多，其生成机理如下：

1.3碳氢化合物

HC柴油机在燃烧和膨胀过程中，压力室中的燃油受热后以液态或气态低速进入气缸，因混合或燃烧条件极为不利而难以充分燃烧，从而导致HC产生。其中的芳烃和醛类化合物具有刺激性气味和致癌作用，损害人体粘膜和皮肤等组织。HC也是造成光化学烟雾的原因之一。

1.4微粒PM

柴油机排放的微粒主要由碳烟、可溶性有机物和硫酸盐组成，PM主要引起心肺疾病，比如使得呼吸道受刺激、咳嗽、呼吸困难、肺功能障碍、哮喘、心脏病、慢性支气管炎、心律失常等等，还有诱变致癌作用，尤其是对老人、儿童伤害更大[1]。

2　防治汽车尾气污染的措施和建议

2.1提高汽车燃油质量，改善燃油炼制技术

改进燃油炼制技术、改善燃油品质不但能降低尾气排放，而且对推广使用清洁柴油机技术是非常关键的，燃油品质差，不利于先进的发动机技术的推广应用。在燃油中加入某些添加剂也有利于降低排放。辛烷值高的汽油抗爆性能好，反之则会引起爆燃，NOx排放增加；汽油中的烷烃热稳定性好，烯烃具有较高的辛烷值，但热稳定性差，易在汽油机进气系统形成胶状沉淀物，芳烃的燃烧温度高也会导致NOx增多，硫会降低三元催化器和氧传感器的效率，所以对于低排放无铅汽油，铅的质量浓度要从微量降低到零；严格规定硫含量；大幅度降低烯烃含量，以减少汽油机内的沉淀物，限制芳烃特别是苯含量，以降低排气的毒性。柴油的粘度增加会使其雾化性能变差，燃烧恶化，碳烟排放增加，较高的密度会引起微粒排放增加，另外芳烃燃烧时会使柴油机严重冒烟，是柴油的有害成分，对于低排放柴油来说，首先要提高十六烷值，十六烷值下降会导致柴油机冷启动性能变差，排气冒白烟，使得排气增加。同时还要降低其硫含量。

2.2使用洁净能源，发展新能源汽车

有研究表明燃气汽车低速性能好，适宜在交通拥堵、行驶缓慢的城市工况中使用[2]。采用绿色燃料有利于减少汽车尾气有毒气体的排放量，例如生物燃料中的植物柴油和燃料乙醇已引起广泛关注。把“植物柴油”按定比添加到柴油中，能够大幅度减少汽车尾气中的污染物含量。有学者把甲醇与豆油、烧碱等经过一定的物理化学作用处理后取得了“大豆柴油”。经过试验，结果发现柴油机运行时的硫化物、碳氢化合物、一氧化碳和烟尘等排放物大大减少，故而生物燃料被赞为绿色燃料。大力推广车用乙醇汽油也很有益处，醇类燃料主要以掺烧、纯烧、改质三种手段在发动机上应用，其对降低汽车污染排放的效果明显，如表1所示。

表1　E85汽车怠速排放与同型汽油车排放对比

太阳能是取之不尽、用之不竭的能源，且清洁，无污染，被誉为理想的能源。在出租车上安装太阳能供电的顶灯，不仅可以减少油耗，降低出租车运营成本，而且能减少出租车尾气污染物排放，有利于改善城市的空气质量。

电车由于绕过了化石燃料燃烧的过程，因而相对于传统汽车不但噪声小，而且排放低，具有很大的优势。虽然电动车被认为是理想的清洁车型，但是短时间内电动车还存在一定技术瓶颈，例如电池自重大，成本高，续航里程短，充电时间长等不足，近年来，融合了纯电动汽车和传统内燃机汽车优点的混合动力电动汽车，以其排放低、油耗低、续航里程长和生产成本相对较低等优势，成为国际汽车界的研究热点。在城市道路工况中，汽车制动消耗的能量占整车牵引所需有效总能量的30%-60%。丰田公司所开发的混合动力汽车Prius，利用再生制动功能，能够在1015循环工况和LA4循环工况中使整车的油耗分别降低24%和20%[3]。所以再生制动系统应用对提高整车的燃油经济性，实现节能减排具有重要意义。

随着科学技术的发展和计算机的广泛应用，在汽车上采用多种燃料作为汽车燃料来源，推广代用燃料包括天然气、液化石油气、植物油、醇类燃料、氢气等新能源有利于满足环境保护法规和实现节能目的，最终减少尾气对大气的污染。

2.3加强城市建设，缓解交通压力

我国的城市交通系统建设较为落后，人均公路里程不能满足现有需要，城市道路行驶速度较低，无法充分利用公路的功能。而车速较低时汽车尾气中的碳氢化合物和硫化物含量远远高于车速较高时的含量，且城市道路两旁通常密布高楼大厦，有碍于空气顺畅流通，使得汽车尾气更难扩散。故而完善公共交通设施、提供优质的交通服务、鼓励人们搭乘公共交通工具显得尤为重要。有关部门应采取合适措施解决目前我国相关城市的交通拥堵和空气污染的问题，防治好汽车尾气污染，为人们营造舒适的生活工作环境。

（1）淘汰尾气排放严重的不达标汽车；（2）严格执行汽车行业国家标准、燃油控制标准。实施国家汽车污染控制法规，使汽车企业的竞争变为环保的竞争，通过环保手段淘汰一些技术落后的违规汽车厂，最终认真执行法规的、技术水平高的汽车企业占领市场，进而改善汽车工业污染严重的局面；（3）推行车辆交通分流；（4）完善地铁系统或有轨电车系统；（5）鼓励发展新能源，严禁浪费不可再生资源；（6）加强宣传、教育，提高人们的环保意识；（7）提倡消费者购买节能环保效果好的小型汽车。

2.4汽车发动机机内净化

机内净化是从污染物的生成机理和影响因素出发，以改进内燃机燃烧过程为核心，达到抑制和减少有害排放物生成的各种技术。发动机内部净化处理措施主要有废气再循环、蒸发排放控制系统、曲轴箱通气系统等。另外值得注意的是：适当减少喷油提前角，能够降低燃烧室的燃烧温度，减少NOx生成。此外优化喷油器的性能，改善燃烧条件（燃烧速度、空燃比、燃烧温度)，能促进燃料燃烧完全，减少尾气中CO、HC和碳烟的含量。高温缺氧是造成碳烟生成量增加的重要原因，提高喷油压力，适当增加空气涡流，有利于改善混合气品质，减少碳烟排放。柴油机尾气中NOx与微粒间存在一条权衡曲线关系，如图1所示。

图1　NOx与微粒间的关系

二者的生成条件是相互矛盾的，针对这一特性一般采用折衷的技术措施同时降低NOx和PM含量，例如高压喷射、电子控制、增压中冷、改进燃烧室结构、采用多气门等方法。虽然废气再循环技术能有效降低柴油机NOx的排放，但是增加碳烟排放，EGR率为25%时，NOx排放量能减少一半以上，但是EGR率过高会引起燃油燃烧不良，燃烧速率变慢，造成油耗和碳烟排放增加。德国曼公司就是采用废气再循环技术来降低尾气中的NOx排放，同时利用微粒捕集器减少碳烟的排放这种搭配模式来满足欧四标准。采用“热EGR”技术能够同时减少尾气中的NOx和碳烟排放，尤其是在中低负荷工况时减排效果更好，并且油耗较低。

2.5发动机机外净化

发动机机外净化是主要应用后处理手段将汽车尾气由原有害气体，变成为无害气体，再排放到大气中、最终减少空气污染的措施。

汽油机可采用三元催化器、富氧降NOx催化转化器等，通过催化剂使得CO氧化成CO2，HC氧化成CO2和H2O，NOx被还原成为N2等从而减少污染物的排放，其化学反应如下：

柴油机可利用颗粒物捕集器过滤废气中的PM，而过滤材料的选择和过滤体再生技术非常重要，尤其是后者。

2.6改进汽车维修保养

完善的汽车维修保养,可以使其各个系统零件都达到最佳工作状态,不但延长了汽车使用寿命,提高了使用性能,而且降低了尾气中污染物排放，所以一定要重视汽车的维修保养,这是治理汽车污染排放的关键之一。汽车排放不达标的原因有很多,如供电系统,燃油系统和供气系统等任一系统出现故障,都会使排放恶化,只有维修才能根本解决上述问题。反之,摒弃维修保养,无论什么故障,统统规定不达标汽车安上污染净化装置是不科学的,这不仅掩盖了汽车本身的问题,而且也造成经济损失。

2.7借鉴国外好的防治措施

某些国家在防治汽车污染上有一些值得借鉴的创新之举：在无车日期间，奥地利维也纳在某些路口限制行驶汽车,提倡更加环保的步行和自行车交通方式,行走在宁静、清新的林荫小道,使人们体会到大自然的魅力和汽车污染的危害。早在2005年，日本就建立了智能交通系统，结合先进技术如中途不停车自动收费系统、驾驶导向系统等提高了人们使用公共交通系统的积极性，对交通堵塞、空气污染起到了缓解作用。

其中v=车，f=燃料，g=车龄，p=污染物，E=通过车型（v）、燃料种类(f）、和车龄（g）计算的污染物总量，NV=包含不同车型和车龄的行车总量，S=某一车型占行车的比例，VKT=不同车龄、车型的平均行车里程。通过公式（1）可以看出要减少排放量只能通过减少车的数量、车的平均里程和每一辆车的排放量三种措施。Rahul指出采用BRT快速公交系统能够提高汽车的行车速度，最终减小排放污染速率和道路拥堵时间[4]，但据广州市交委的数据显示，BRT快速公交、一般公交车和社会车辆平均行驶速度均相差不大。考虑到如今紧张的道路资源，公交专用道有着相对较低的建设成本并且占用路面资源较少的优点，所以应适当扩建公交专用道，同时，在新建道路时就应予以规划好BRT公交专用道的建设。国外一些地区还颁布了一些经济措施来强制使用公共交通，这一措施在新加坡、伦敦和斯德哥尔摩成功实施，它极大的改变了周边的污染水平，使得CO2排放量降低了10%到20%[5]。这些地区的成功主要源于他们发达的公共交通设施，鉴于此，中国一些地区公共交通设施还需要完善，在这方面中国还有一段路需要走。

表2　我国轻型汽车标准与欧洲标准的实施日期比较

2.8严格控制汽车排放标准

在设计研发新车型时就应重视控制汽车排放污染，提高车辆本身的排放控制技术水平，减少每一辆车的排放污染，才是最根本的解决汽车尾气排放的方法。加严排放标准能够有效削减单车的尾气排放量:5～7辆国Ⅱ汽车相当于1辆国0汽车的排放，10～14辆国Ⅲ汽车相当于1辆国0汽车的排放；20辆国Ⅳ汽车相当于1辆国0汽车的排放。可见制定并切实实施国家机动车污染控制标准是控制源头排放的有效手段。如表2所示，随着标准的不断加严，我国的汽车排放控制与世界先进水平的差距在不断减小，但还是存在一定差距，这需要相关人员尽快提高汽车排放控制水平，以缓解我国日益严峻的污染形势。

3　结语

如今汽车污染已成为世界公害，汽车尾气中含有很多有害物质及温室气体，加剧了城市热岛效应和臭氧层空洞。必须控制和治理好汽车尾气排放，以减少环境污染。首先，要依靠国家政策，制定相关法律、法规严格控制汽车污染;提倡发展新能源汽车，加强城市建设，合理规划道路，鼓励绿色出行。其次，相关企业、高校和研究所应努力创新，改进汽车发动机技术和炼油技术，并加快实现专利成果的应用。最后还需要社会大众认识到汽车尾气的危害，通过每一个公民的共同努力来减少汽车污染。

[1]周龙保,内燃机学:第三版.机械工业出版社,2010.

[2]徐启俊,珠江三角洲地区推广LPG汽车的效益分.煤气与热力,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.

徐梦杰（1991—），男，河南开封，硕士研究生，从事纳米流体在直喷汽油机冷却系统上的应用研究。