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汽车尾气影响及其控制措施浅谈一、我国汽车尾气的现状随着社会经济的快速发展以及人们物质生活水平的提高，每年的机动车保有量都在大幅度增长。根据中国汽车工业协会日前公布的数据显示，截止到2015年14月，我国汽车产销分别为828.08万辆和814.48万辆，与上一年度同期相比分别增长了4.1和2.8，全国的汽车保有量已经突破了1.63亿辆，保有量已经仅次于美国，成为全球第二1 饶沙. 汽车尾气污染现状及防治对策J. 资源节约与环保, 2016 (1): 97-97.1。当我们通往目的地的道路上，总会或乘坐或看到许许多多包括轿车、货车、客车以及摩托车等各式各样的交通工具，它们带给了我们便捷，减少了路途中不必要时间的浪费。但与此同时，在车水马龙的街头，我们又会看到一股股白色、褐色、黑色等颜色烟气从一辆辆机动车尾部喷出，这就是通常所说的汽车尾气。这类气体排放物不仅气昧怪异，而且严重影响人身体健康。在车辆不多的情况下，大气的自净能力尚能化解汽车排出的“毒素”；但随着汽车数量的急剧增加，交通堵塞成了家常便饭，汽车本应具备的便捷、舒适、高效的优势逐渐被车辆巨大的数量及其尾气污染所抵消，“汽车灾难”已然形成。据2015年中国机动车污染防治年报显示，2014年全国范围内机动车尾气达4547.3万吨，其中一氧化碳3433.7万吨，氮氧化合物627.8万吨，碳氢化合物428.4万吨，颗粒物57.4万吨。这就是便捷的代价。二、汽车尾气污染物形成机制科学分析表明，尾气中含有上百种不同的化合物，其中的污染物主要有一氧化碳、氮氧化合物、碳氢化合物、颗粒物、二氧化碳、铅及硫氧化合物等2 陶云舟. 浅论汽车尾气污染及控制治理J. 能源与节能, 2011(9):37-38.2。（一）一氧化碳的形成一氧化碳是燃烧不充分所致，是氧气不足而生成的中间产物。燃气中的氧气量充足时，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。反应式如下：CmHn+m2O2mCO+n2H2 (1)对于汽油机来说，当空气系数a1时 ，CO的排放量都很小。a =1.01.1时，CO的排放量变化较复杂2。对于柴油机来说，a =1.53，CO排放量要比汽油机低得多。a =1.21.3（大负荷），CO的排放量才大量增加。燃料与空气混合不均匀，总有局部缺氧和低温的地方，反应物在燃烧区停留时间较短，小负荷时尽管a很大，CO排放量反而上升2。影响一氧化碳产生的因素有：1.进气温度。燃料随吸入空气温度上升而变浓，拍出的一氧化碳将增加。2.大气压力。进气管压力降低时，空气密度下降，则空燃比下降，一氧化碳排放量增大。3.发动机工作状况。高真空度下，混合气瞬时过浓，一氧化碳浓度显著增加。4.怠速转速。提高怠速转速空气流量，一氧化碳浓度降低。5.进气管真空度。发动机负荷一定时，一氧化碳排放浓度随转速增加而降低3 高志亮, 薛东娥. 浅谈机动车尾气污染的治理对策J. 中国科技投资, 2014(A04):456-456.3。（二）氮氧化物的形成一氧化氮形成原因大致遵循以下反应式，O22O (2)O+N2NO+O (3)N+O2NO+O (4)N+OHNO+H (5)当温度很高时，空气中的氮气和氧气会反应形成一氧化氮。当a 1的稀混合气区，CNO随温度的升高而迅速增大。当a 1，CNO随a 的减小而急剧下降。所以在稀混合气区NO的生成主要是温度起作用；在浓混合气区主要是氧浓度起作用。而二氧化氮则由一氧化氮氧化得到，但亦可还原成一氧化氮，反应如下：NO+HO2NO2+OH (6)NO2+ONO+O2 (7)因此，汽油机排气中的NO2浓度与NO的浓度相比可忽略不计，但在柴油机中NO2可占到排气中总NOX的10%30%4 牛国辉. 汽车尾气污染物的分析与研究J. 计量与测试技术, 2015(10):62-64.4 。影响汽油机氮氧化物产生的因素有：1.过量空气系数和燃烧室温度。a 1时，温度起着决定性作用，氮氧化物生成量随温度升高而迅速增大。最高温度通常出现在a1.1，且有适量的氧浓度，故氮氧化物排放浓度出现峰值。a进一步增大，温度下降的作用占优势，一氧化氮生成量减少。2.残余废气分数。废气分数增大，减小了可燃气的发热量，增大了混合气的比热容，使最高燃烧温度下降，一氧化氮排放降低。3.点火时刻。点火提前角的减小，一氧化氮排放量不断下降。影响柴油机氮氧化物产生的因素有：1.喷油定时。喷油提前角减小，燃烧推迟，燃烧温度较低，生成的氮氧化物较少。2.负荷与转速。氮氧化物排放随负荷增大而显著增加。转速对氮氧化物排放的影响比负荷的影响小3。（三）碳氢化物的形成未燃碳氢化物生成及排放途径主要有三个：燃烧过程中未燃烧或燃烧不完全的碳氢燃料、漏入曲轴箱的窜气中含有大量未燃燃料以及燃油蒸汽。对于汽油机，形成未燃碳氢化物的主要原因有：1.火焰在壁面淬冷。冷起动、暖机和怠速等工况下，壁面温度较低，淬熄层较厚，壁面火焰淬熄是此类工况下未燃碳氢化物的重要来源。2.狭隙效应。火焰不能进入各种狭窄的间隙，便会产生未燃碳氢化物。3.润滑油膜对燃油蒸汽的吸附与解吸。进气过程中，润滑油膜溶解和吸收了进入气缸的碳氢化合物。燃烧过程中，碳氢化物向已燃气解吸。4.燃烧室内沉积物的影响。沉积物使碳氢化物排放增加。5.体积淬熄。燃烧室中压力和温度下降太快，可能使火焰熄灭。6.碳氢化合物的后期氧化。未燃烧的碳氢化合物释放出来，重新被全部或部分氧化。对于柴油机，燃料在气缸内停留的时间较短，生成碳氢化物的相对时间也短，故其碳氢化物排放量比汽油机少2。影响碳氢化物产生的因素有：1.混合气质量。混合气的均匀性越差则碳氢化物排放越多。2.运行条件。对于汽油机：负荷增加时，碳氢化物排放量绝对值将随废气流量变大而几乎呈线性增加。转速较高时，气缸内混合气的扰流混合、涡流扩散及排气扰流、混合程度的增大改善了气缸内的燃烧过程，碳氢化物排放浓度明显下降。壁面温度升高，碳氢化物排放浓度相应降低。提高冷却介质温度有利于减弱壁面激冷效应，降低碳氢化物排放。燃烧室面容比大，单位容积的激冷面积也随之增大，未燃烃总量必然也增大。降低燃烧室面容比是降低汽油机碳氢化物排放的一项重要措施。对于柴油机，喷油时刻、喷油嘴喷孔面积、冷却水进水温度以及进气密度都会对碳氢化物产生一定影响3。（四）颗粒物的形成汽油机颗粒物的来源有：含铅汽油中的铅、有机微粒以及汽油中的硫产生的硫酸盐4。柴油机排气微粒由很多原生微球的聚集体而成，总体结构为团絮状或链状。当排气温度超过500时，碳质微球的聚集体，称为碳烟，也称为烟粒；排气温度低于500 时，烟粒会吸附和凝聚多种有机物，称为有机可溶成份。颗粒物生成机理分为生成和长大两个阶段。生成阶段红中，在高温富油缺氧区，通过裂解和脱氢过程，经过核化形成先期产物；其后，在低于1500K的低温区，通过聚合和冷凝生成碳烟微粒。长大阶段则为表面生长和聚集2。影响颗粒物产生的因素有：1.负荷。高速小负荷时，稀薄混合气区较大，微粒排放量较高；低速大负荷时，容易产生裂解和脱氢，排放量有所升高。2.转速。小负荷时温度低，以未燃油滴为主的微粒的氧化作用微弱；转速升高时，这种氧化作用又受到时间因素的制约；大负荷时，转速的升高有利于气流运动的加强，使燃烧速度加快。3.燃料。燃油中芳香烃含量及馏程越高，微粒排放量越大；烷烃含量越高，微粒排放量越少；柴油机的排烟浓度随十六烷值的提高而增大。4.喷油参数。大部分燃油在前半时间内喷入气缸时，参与预混燃烧的油量增多，故排烟浓度低而NO浓度高；滴漏或二次喷射对碳烟有不利影响；提高喷油压力，可减少烟粒的生成。5.空气涡流。适当增加空气涡流，有利于改善混合气品质，减少碳烟排放量3。（五）二氧化碳的形成完全燃烧生成CO2，这毋庸置疑。（六）铅的形成汽油中通常加入四乙铅作为防爆剂，一般情况下汽油中含铅量为0.08%0.13%之间。随着燃烧，四乙铅被氧化为氧化铅排出4。（七）硫氧化物的形成汽油中的硫元素的燃烧生成。三、汽车尾气污染的危害及影响据统计，一辆轿车一年排出的有害废气大于3吨，相当于自身重量的3倍5 付斌, 王永章, 吴江. 国内外汽车排放法规对比分析J. 工业 C, 2016 (19): 203-204.5。洛杉矶在40年代就已拥有250万辆汽车，每天大约消耗1100吨汽油，排出1000多吨碳氢化合物，300多吨氮氧化合物，700多吨一氧化碳。这些化合物被排放到阳光明媚的洛杉矶上空，不啻制造了一个毒烟雾工厂6 陶双成, 邓顺熙, 刘宁,等. 机动车排放对城市光化学烟雾形成的影响J. 世界科技研究与发展, 2015, 37(1):21-25.6。由此，就发生了举世闻名的洛杉矶光化学烟雾事件。从40年代初开始，人们就发现这座城市一改以往的温柔，变得“疯狂”起来。每年从夏季至早秋，只要是晴朗的日子，城市上空就会出现一种弥漫天空的浅蓝色烟雾，使整座城市上空变得浑浊不清。这种烟雾使人眼睛发红，咽喉疼痛，呼吸憋闷、头昏、头痛，甚至还有人皮肤出现程度不等的潮红，丘斑疹等。1943年以后，烟雾更加肆虐，以致远离城市100千米以外的海拔2000米高山上的大片松林也因此枯死，柑橘减产，生长在郊区的蔬菜全部由绿变褐，无人敢吃。仅19501951年，美国因大气污染造成的损失就达15亿美元。1955年，因呼吸系统衰竭死亡的65岁以上的老人达400多人；1970年，约有75%以上的市民患上了红眼病7 Jianzhong Ma, Xiaobin Xu, Chunsheng Zhao, et al. A review of atmospheric chemistry research in China: Photochemical smog, haze pollution, and gas-aerosol interactionsJ. Advances in Atmospheric Sciences, 2012, 29(5):1006-1026.7。这就是汽车尾气的“杰作”。四、汽车尾气污染的控制措施目前，汽车尾气控制和治理已成为世界重要课题，需要坚持综合治理理念，实行全方位的污染防治举措，具体有：1.加强行政管理力度和交通基础设施建设；2. 提高油品的质量；3.发展机内净化技术；4. 机外净化技术的应用。（一）加强行政管理力度和交通基础设施建设1.淘汰旧车，采取报废迎新，开发并采用多种燃料的新型汽车。加大对电动汽车以及清洁燃料汽车的研发投入，大力推广电动汽车等清洁型交通工具，政府相关部门要为清洁型交通工具的普及提供信贷、税收减免等政策倾斜3。加大清洁型交通工具的基础设施投入力度，如增加城市电动汽车的充电设备数量。虽然电动汽车的发展目前受到技术的制约，但它仍然是未来发展的方向2。2.要改善交通基础设施，大力发展公共交通设施，缓解塞车堵车的现状。科学合理的加强城市交通运行体系的管理，根据城市功能的划分，合理的规划设计和建设城市道路基础设施建设。例如，在人口密集的居住区，严禁高污染汽车通行，划定供人专业区域，以减少汽车尾气对人们健康的危害1。此外，加强城市绿化等基础设施建设，提高城市的绿化面积，增强城市自净能力。城市道路交通管理部门加强城市道路的运行管理，保证城市道路交通通畅，提高汽车的通行效率，减少环境污染2。3.公众意识有待提高大力加强科普知识宣传力度，积极发展公共交通体系，鼓励人们乘用公共交通工具出行，减少城市汽车使用量，积极倡导绿色出行1。（二）提高油品的质量对于汽油本身而言，当然燃油的质量越好，爆燃的情况越少，燃烧更加及时充分，发挥出燃油的最大经济性，减少污染物。所以，需要严格执行国家质量技术标准，控制燃油标准 ，做好燃油站的油品监督2。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1。在燃油中加入某些添加剂也有利于降低排放3。（三）发展机内净化技术机内净化技术应用最广的大概有3种：曲轴箱通风系统、排气再循环系统以及二次空气喷射系统。1.曲轴箱通风系统8 Adar S D, DSouza J, Sheppard L, et al. Adopting clean fuels and technologies on school buses. Pollution and health impacts in childrenJ. American journal of respiratory and critical care medicine, 2015, 191(12): 1413-1421.8强制曲轴箱通风系统有2种，一种是固定量孔式，另一种是PCV阀式。它们都是在一定负荷下将曲轴箱的废气通过固定量孔或可变流通截面的PCV阀进入进气歧管，再进入燃烧室参与燃烧，从而避免将未燃气体直接排入大气中。典型的PCV阀式曲轴箱通风系统如图1。图1. 典型的PCV阀式曲轴箱通风系统9 马步伟, 胡明江. 汽油机曲轴箱通风系统的设计策略J. 中国农机化学报, 2015, 36(2): 169-172.92.排气再循环系统（EGR）10 Lieke K I, Rosenrn T, Pedersen J, et al. Micro-and Nanostructural Characteristics of Particles Before and After an Exhaust Gas Recirculation System ScrubberJ. Aerosol Science and Technology, 2013, 47(9): 1038-1046.10冲淡和稀释进入缸内的混合气，降低燃烧室的温度，减小火焰传播速度，在4050 km/h车速稳定行驶时，5%的EGR可减少40%以上的氮氧化物，10%的EGR可减少80%的氮氧化物，但若控制不正常时，随着EGR的增加，碳氢化物也会迅速增加（失火）11 Millo F, Giacominetto P F, Bernardi M G. Analysis of different exhaust gas recirculation architectures for passenger car diesel enginesJ. Applied Energy, 2012, 98: 79-91.11。装置示意图如图2所示。图2. 背压控制式 EGR3. 二次空气喷射系统12 王延亮. 二次空气喷射系统在发动机国 V 排放升级中的应用研究J. 内燃机与配件, 2014 (8): 4-6.12二次空气系统在压力升至5psi时将新鲜空气泵入排气系统用于降低一氧化碳和碳氢化物。这些附加的氧气进入热的废气中以继续燃烧，降低尾管处的一氧化碳和碳氢化物。该燃烧发生在燃烧室外。如图3，该系统包括一个由皮带驱动的空气泵，空气旁通或切换阀，防止反喷的单向阀以及连接管路。图3. 典型的二次空气喷射系统（四）机外净化技术的应用在发动机的控制和改进达到一定排放水平时，如要满足进一步严格的排放法规，就必须使用机外尾气净化装置13 黄育新, 廖雄铭, 王少明, 等. 机动车尾气催化净化装置技术进展J. 资源节约与环保, 2015 (11): 86-86.14 Kang W S, Lee D H, Lee J O, et al. Combination of plasma with a honeycomb-structured catalyst for automobile exhaust treatmentJ. Environmental science & technology, 2013, 47(19): 11358-11362.15 Wang T, Li L, Guan N. Combination catalyst for the purification of automobile exhaust from lean-burn engineJ. Fuel processing technology, 2013, 108: 41-46.16 高翔, 刘坤, 王海东. 汽车尾气催化转化器的研究进展J. 广东化工, 2014, 41(23): 78-79.13。1.传统尾气催化转化装置通常现在都采用三效催化转化器，如图4所示，它是在封装的壳体内烧结或安装一定形状，如陶瓷蜂窝状，金属等载体，再根据匹配的发动机，在载体上涂刷不同含量的含有贵金属铂（Pt）、钯（Pd）、及铑(Rh)的水涂层，即催化剂。其中铂、钯负责碳氢化物和一氧化碳的氧化，铑负责氮氧化物的还原。催化剂是一种能改变化学反应速率而本身的质量和组成在化学反应前后保持不变的物质1416。当排气通过催化转化器时，在这些催化剂的催化作用下，一氧化碳和碳氢化物与氧与发生化学反应，使碳氢化物生成水及二氧化碳，一氧化碳变成二氧化碳（氧化反应），而氮氧化物被还原为氧气和氮气17 Lin Y C, Hsu K H, Chen C B. Experimental investigation of the performance and emissions of a heavy-duty diesel engine fueled with waste cooking oil biodiesel/ultra-low sulfur diesel blendsJ. Energy, 2011, 36(1): 241-248.17。催化转化器的转化效率对空燃比对变化十分敏感，只有在理论空燃比附近才会保持较高的效率。图4. 三效催化器装置图2.新型尾气净化装备由于铂、钯、铑等属于贵金属范畴，大量使用不符合我国国情，所以一些新型净化装备的发现与使用成为热点。（1）稀土元素的使用稀土元素是指元素周期表中原子序数为57 到71 的15种镧系元素，以及与镧系元素化学性质相似的钪和钇共17 种元素。它们具有特殊的4f 电子层结构，具备良好的助催化性能与功效18 王斌, 吴晓东, 冉锐, 等. 稀土在机动车尾气催化净化中的应用与研究进展J. 中国科学: 化学, 2012, 9: 006.18。尤其，二氧化铈的四价与三价之间的可逆转变而具有储放氧性能（即在贫氧气氛下，CeO2可提供一氧化碳和碳氢化物氧化所需的氧；在富氧气氛下，Ce2O3 可与气氛中的氧结合，使氮氧化物被一氧化碳和的碳氢化物还原），且可以作为助剂从而有助于贵金属的分散19 衷平, 马泽欣, 刘黎萍, 等. 纳米二氧化钛材料在汽车尾气分解中的应用J. 交通标准化, 201