汽车尾气的危害及控制对策分析

曹心怡

【摘 要】分析了汽车尾气污染物主要成分的生成机理与危害，指出减少汽车尾气排放必须从加强现有燃油汽车发动机技术的改进和推广使用新能源汽车两个方面着手。

【关键词】汽车尾气；主要成分；危害；发动机技术；新能源汽车

汽车是“改变世界的机器”，一方面，汽车诞生一百多年以来，为人类生活和生产活动做出了重要的贡献，极大地推动了经济和社会的发展。另一方面，随着汽车保有量的增加，汽车尾气带来的环境污染问题日益严重，成为城市环境质量恶化的主要污染源。大气环境是人类赖以生存的宝贵资源，因此，减少温室气体排放、防止全球气候变暖是世界各国共同关注的问题，已处于刻不容缓的地步。

一、汽车尾气的主要成分与危害

根据有关分析，汽车排放的尾气中各种气体成分约有1000多种，其中對人体健康危害最大、对环境有破坏作用的有一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NOX）、二氧化碳（CO2）和微粒物（PM）等，据测算，大气中所含的CO的75%、HC和NOX的50%都来自于汽车排放的尾气。

1.一氧化碳（CO）

一氧化碳（CO）是内燃机工作时燃料不完全燃烧所产生的，是氧气不足而生成的中间产物。氧气量充足时，理论上燃料燃烧后不会存在CO。但当氧气量不足时，就会有部分燃料不能完全燃烧而生成CO。现在城市空气污染中80%的CO来自于汽车尾气排放。

CO是一种无色、无味窒息性的有毒的气体，由于CO和血液中有输氧能力的血红蛋白（Hb）的亲和力比氧气和Hb的亲和力大200～300倍，因而CO能很快和Hb结合形成碳氧血红蛋白（CO-Hb），使血液的输氧能力大大降低，使心脏、头脑等重要器官严重缺氧，引起头晕、头痛、恶心等症状。轻度是使中枢神经系统受损，慢性中毒，严重时会使心血管工作困难，直至死亡。不同浓度CO对人体健康的影响见表1。为保护人类不受CO的毒害，将24小时内吸收CO的浓度限制在5×10-6以内。CO和H2结合是可逆的，如果吸入低浓度CO后置于新鲜空气中或进入高压氧舱，已经与H2结合的CO会被分离出来，通过呼吸系统排出体外。

2.碳氢化合物（HC）

汽车尾气中的碳氢化合物（HC）包括未燃烧和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解产物和部分氧化物，如苯、醛、酮、烯、多环芳香族碳氢化物等200多种复杂成分。碳氢化合物（HC）其中包含了烷烃、烯烃、炔烃、环烃及芳烃，是许多其他有机化合物的基体。饱和烃危害不大，但不饱和烃危害性很大。当甲醛，丙烯醛等醛类气体浓度超过1×10-6时，就会对眼、呼吸道和皮肤有强刺激作用，浓度超过25×10-6时，会引起头晕、呕心、红白球减少、贫血，超过1000×10-6会急性中毒。苯是无色气体，但有特殊气味。应当引起特别注意的是带更多环的多环芳香烃，如苯并芘及硝基烯，是强致癌物。烃类成分还是引起光化学烟雾的重要物质。

3.氮氧化合物（NOX）

氮氧化合物（NOX）是燃料高温燃烧过程中剩余的氧与氮化合形成的产物，如NO、NO2、N2O3、N2O5等，统称为NOX。车用发动机排气中的氮氧化合物主要是NO（约占95%），其次为NO2（占5%）。根据伦敦20世纪90年代的检测报告，大气中74%的氮氧化合物来自汽车尾气排放。

NO是一种无色无味的气体，溶于水，有轻度的刺激性，但是毒性不大，高浓度时会造成中枢神经轻度障碍，NO可被氧化成NO2。NO2是一种棕红色强刺激性的有毒气体，其含量为0.1×10-6时即可嗅到，1×10-6～4×10-6就感到恶臭，它对人体健康的影响见表2。NO2可以引起急性呼吸道疾病，会使儿童的支气管炎发病率增加，长时间处在NO2环境下可能会因肺内气肿而死亡。NOX进入肺泡后能形成亚硝酸和硝酸，对肺组织产生剧烈的刺激作用。亚硝酸盐则能与人体血液中的血红蛋白Hb结合，形成变性血红蛋白，使血液输氧能力下降，可在一定程度下导致组织缺氧，对心脏、肝、肾都会有影响。NO2会使植物枯黄，但NO2较易扩散，遇水易溶解。

大气中的氮氧化合物与碳氢化合物受阳光中紫外线照射后会发生一系列复杂的化学反应，生成臭氧和过氧乙酰基硝酸酯等光化学过氧化物以及各种游离基、醛硫酸烟雾等，形成有毒的光化学烟雾。光化学烟雾的表现特征是烟雾弥漫，烟雾呈蓝色，大气能见度降低。光化学烟雾中的光化学氧化剂超过一定浓度时，具有明显的刺激性，它能刺激眼结膜，引起流泪并导致红眼症，同时对鼻、咽、喉等呼吸道黏膜也有刺激作用，能引起急性喘息症，可以使人呼吸困难、眼红喉痛、头脑晕沉，造成中毒。另外，光化学烟雾也会伤害植物叶子，加速橡胶老化，使染料褪色，并损害油漆涂料、纺织纤维和塑料制品等。氮氧化合物与空气中的水反应生成的硝酸和亚硝酸，是酸雨的成分。

4.颗粒物（PM）

颗粒物也称微粒物，由汽车发动机排放出的颗粒物有三个来源，其一是不可燃物质，其二是可燃的但末燃烧的物质，其三是燃烧生成物。燃烧过程排出的颗粒物的组成中大部分是固态碳，火焰中形成的固体碳粒子称为碳黑，碳黑可以在燃烧纯气体燃料时形成，但更多的则是在燃烧液体燃料时形成，颗粒物质的组成中除碳黑外还有碳氢化合物、硫化物和含金属成分的灰分等。含金属成分的颗粒物主要来自燃料中的抗爆剂、润滑油添加剂以及运动产生的磨屑等。

颗粒物对人体健康的危害和颗粒的大小及其组成有关。颗粒愈小，悬浮在空气中的时间愈长，进入人体肺部后停滞在肺部及支气管中的比例愈大，危害愈大。小于0.1μm的颗粒能在空气中作随机运动，进入肺部并附在肺细胞的组织中，有些还会被血液吸收。0.1～0.5μm颗粒能深入肺部并粘附在肺叶表面的粘液中，随后会被绒毛所清除。大于5μm的颗粒常在鼻处受阻，不能深入呼吸道。大于10μm的颗粒可排出体外。颗粒除对人体呼吸系统有害外，由于颗粒存在孔隙而能粘附SO2、未燃烧的HC、NO2等有毒物质或苯丙芘等致癌物，因而对人体健康造成更大危害。由于柴油机的微粒直径大多小于0.3μm，而且数量比汽油机高出30～60倍，成分更为复杂，因而柴油机排出的微粒危害更大。

5.二氧化碳（CO2）

在汽车排放的尾气中，除以上成分外，还含有大量的二氧化碳（CO2）。CO2为无色无毒气体，对人体无直接危害，但大气中的CO2大幅度增加，因其对红外热辐射的吸收而形成的温室效应，会使全球气温上升，南北极冰层融化，海平而上升，大陆腹地沙漠化趋势加剧，人类和动植物赖以生存的生态环境遭到破坏。地球上接连出现的“厄尔尼诺”和“拉尼挪”现象都与温室效应加剧有关。

地球温室效应是由于人类在长期生产和生活中，不断向大气层大量排放各种各样有害气体而造成的。引起温室效应的有害气体，称为温室效应气体。温室效应气体中最主要的是二氧化碳，此外，还有氢氟碳化物（HFCs）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、全氟碳化物（PFCs）及六氟化硫（SF6）等40多种微量气体。二氧化碳等有害气体不能吸收太阳短波辐射，而让太阳辐射热顺利通过大气层到达地面；而且它们能够吸收大部分地面长波辐射，而使地面辐射热无法散发到外层空间去，只好在像温室一样的、被有害气体污染的大气层里不断贮存和积累起来，从而导致地面和低层大气温度逐渐升高，这就是所谓的地球温室效应。人类活动排放的温室效应气体，对全球变暖的贡献率为90%～95%。据统计，大气中CO2的增加，有大约30%来自汽车尾气排放。因此，近年来对CO2的控制也已上升为汽车排放研究的重要课题，提高汽车的经济性和使用小排量汽车是减少CO2排放的重要措施。

汽车排放造成的大气污染还会破坏臭氧层，而臭氧损耗与气候变化通过某些机制相互联系。一些专家认为，臭氧层的破坏造成太阳辐射过强，也会导致高温天气。

二、减少汽车尾气排放的措施

减少汽车尾气排放，必须从加强现有燃油汽车发动机技术的改进和推广使用新能源汽车两个方面着手。

1.加强汽车发动机技术的改进

对内燃机汽车尾气排放的控制和净化，各国都进行了大量的研究工作，所采用的技术措施大致可分为发动机机内净化技术和机外净化技术。

机内净化技术既通过对发动机本身的改进，改善燃烧过程，把燃烧污染物消灭在燃料化学能转化为机械能的过程之中，防止或减少有害污染物在机内生成。这些技术中比较典型的有汽油蒸汽排放控制系统、废气再循环控制系统、氧传感器及空燃比控制系统、二次空气喷射控制系统等。目前，一种新型的汽油机燃烧方式应运而生，即发动机稀薄燃烧技术，而实现稀薄燃烧的理想方式是汽油缸内直接喷射。无论从提高汽油机动力性能的角度，还是从节省燃油和减少废气排放的角度来看，缸内直喷式汽油机在进气管喷射技术的基础上，又将汽油机技术向前推进了一大步，从而成为汽油机发展历史上又一个重要的里程碑。为此，世界各国的各大汽车制造企业纷纷推出各自的缸内直喷发动机，如三菱公司的GDI（汽油缸内直喷）、大众公司的FSI（燃油分层喷射）、通用公司的SIDI（点燃式缸内直喷）、丰田公司的D-4S、宝马公司的HPI（高压直喷）、保时捷公司的DFI（直接燃油喷射）等，这些缸内直喷发动机技术先进，且各有特点。

由于发动机本身的改进较难满足日益严格的排放法规和降低成本等要求，因此，产生了在排放过程中减少有害物质的机外净化。现代汽车增加了多种排放凈化装置，汽油车使用最多的是三元催化转化器TWC，柴油车使用最多的是颗粒捕捉器DPF等。

2.推广使用新能源汽车

从汽车工业节能减排趋势看，仅仅依靠燃油车的技术进步难以满足更为严格的节能减排法规目标要求，发展新能源汽车也就成为解决日益严重的能源危机和环保压力的唯一途径，其中，发展电动汽车是汽车技术进步与产业升级的必然选择。

新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成技术原理先进，具有新技术、新结构的汽车。新能源汽车没有统一的分类标准。我国新能源汽车主要分为纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车。

纯电动汽车是指由电机驱动的汽车，电机的驱动电源来自车载可充电蓄电池或其他能量储存装置。纯电动汽车的电机相当于内燃机汽车的发动机，蓄电池或其他能量储存装置相当于内燃机汽车油箱中的燃料。混合动力电动汽车是指能够至少从两类车载储存的能量（可消耗的燃料、可再充电能/能量储存装置）中获得动力的汽车。燃料电池电动汽车是以燃料电池系统作为动力源或主动力源的汽车。目前，纯电动汽车是发展最快的新能源汽车，是新能源汽车中最重要的车型，也是新能源汽车发展的重点。混合动力电动汽车是内燃机汽车向纯电动汽车发展过程中的过渡车型，目前技术相对成熟。

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