汽车尾气污染及其净化处理技术
摘要
汽车作为现代化交通工具，给予了人们的生产与生活带来十分方便的同时，可是它的尾气排放物，给大气环境造成严重污染。我国某城市对该市的机动车辆尾气污染程度作了如下初步调查：该市目前拥有机动车辆１３万辆，并以年增率１５％的速度增加。机动车年排放一氧化碳４．４万吨，相当于该市工业企业一氧化碳排放量的４６倍。市区主要交通道路中心点一氧化碳超标２倍以上的达６５％，在车流量高峰之际，有的监测点一氧化碳浓度高达每立方米７０ｍｇ，超标６倍。在车流量比较集中的火车站，氮氧化合物测点平均值为每立方米０．０５９ｍｇ，超标准０．１８倍。这些数据充分说明：该市机动车尾气污染已上升为主要的大气污染，而过去以二氧化硫为主煤烟型污染转变为以一氧化碳、氮氧化物为主的机动车尾气污染和二氧化硫为主的煤烟型污染并重的格局。为此，一些城市政府会同有关部门，制定了相应的法规。广州市政府颁布《关于根本上销售使用含铅汽油的通知》、《广州机动车排气污染防治规定》。北京市政府相继出台《关于采取紧急措施控制北京大气污染的通知》、《关于进一步落实大气污染防治措施，努力改善环境质量的决议》，以及市环保局组织《实施北京市轻型汽车排气污染物标准》。这些地方性法规，主要是控制机动车尾气对大气环境的污染，还给广大市民一个洁净的大气生活空间。
0 前言
随着国民经济的发展，汽车保有量的增加，我国城市的大气污染已由工业废物、煤炭、烟气型向光化学烟雾型转变。在大城市，汽车排放中CO分担率占63 %, NOx占22 %, HC占73%。在发达国家中，如美国大气污染物排放中CO的66 %，NOx的43 %，HC的31%、微粒的20％均属于汽车排放。因此汽车对大气的污染已成为城市大气污染的主要污染源。中国城市状况监测的388个城市中，63.5％的城市超过国家质量的二级标准，其中超过三级标准的有112个，占监测城市的33.1%。现代汽车发动机主要是内燃机，其中以汽油、柴油为燃料的内燃机应用最为广泛。研究汽车的尾气污染问题，实质上是内燃机的排气污染问题。汽车发动机排出的废气不都是有害的，如N2、C02、02、H2和水蒸气等即属于不会对人体和生物造成直接危害的物质。有害成分是指CO，HC，NOx，S02、铅化合物、炭烟和油雾等。这些有害物主要是汽车发动机的燃烧产物，占汽油机总污染量的65％一85%。这些有害物质散发到空气中达到一定浓度后，将对人和生物造成危害。表1给出发动机在额定负荷下，每kW。h排出有害成分的数量（以百分数表示）
有 害 产 物 g/(Kw。h) 容积百分数
化油器式发动机 四冲程柴油机 二冲程柴油机 化油器式发动机 柴油机
一氧化碳CO 70-80 4.0-5.5 11 高达6 低于0.2
氧化氮（按NO2算） 14 5～8 8 0.5 0.25
碳氢化合物（按C6Hi4算） 100～1000 14-29 5.0 0.05 低于0.01
醛（按丙烯醛算） 3.4 0.14-0.2 0.34 0.03 0.002
硫化氢 0.28 0.95 1.0 0.008 0.003
苯嵌二萘 0．02mg 0.0014-0.002mg 0.0014mg
炭烟 0.4 1.4-2.0 1.22 0.05 0.25
直接从发动机排出的有害物可称为一次有害排放物，归结起来主要有CO, HC, NOx和微粒子。所谓微粒子是指由发动机排出的全部废气，在接近大气条件下，除去非化合形态的凝水以后收集到的全部呈固体状和液体状的微颗粒。微粒子的成分十分复杂，它包括可溶性成
分（主要由润滑油产生）和非可溶性成分（主要是炭烟）。从表1可以看出：汽油机的主要排气有害物是CO、HC和NOx；柴油机的CO和HC排放量要比汽油机少，而碳烟的成分高出汽油机，同时NOx的排放量也比较多。发动机排气中有些成分如C02虽然不会对环境造成直接污染，但由于CO2的大量积聚会对地球环境造成不良影响，即所谓“地球温室效应”。地球的温室效应是指当大气中的C02体达到一定浓度后，会形成像一层日益加厚的透明薄膜，太阳光照射在地表面的能量由于受到C02层的阻隔，很难再散发到大气层外去，热量长期积累将使全球气候变暖，极地冰层融化，海平面上升，土地盐碱化、沙漠化等现象。未燃碳氢HC和氮氧化合物NOx在一定条件下，会发生复杂的化学反应，诱发新的有害物，即二次有害排放物。光化学烟雾是HC和NOx在太阳光紫外线作用下产生光化学反应生成的，它的主要成分是臭氧、醛等烟雾状物质。
１ 汽车尾气的有害成份与危害
汽车排放的尾气，除空气中的氮和氧以及燃烧产物ＣＯ２、水蒸汽为无害成份外，其余均为有害成份。汽车发动机排放的尾气一部分毒性物质，是由于燃料不完全燃烧或燃气温度较低时发生较多。尤其是在次序起动、喷油器喷雾不良、超负荷工作运行。燃油不能很好地与氧化合燃烧，必定生成大量的ＣＯ、ＨＣ和煤烟。另一部分有毒物质，是由于燃烧室内的高温、高压而形成的氮氧化合物ＮＯｘ（ＮＯｘ和ＮＯ和ＮＯ２的总称）。
然而上述的ＣＯ是一种无色无味有毒的气体，它不易与其它物质发生反应而成为大气成份中比较稳定的组成部分，能停留２～３年。当人们吸入过多的ＣＯ后，ＣＯ可与血液中的血红素结合，阻碍血液吸收氧气和输送氧气而中毒死亡。它引起的公害称为汽车尾气第一排气公害。
ＣＨ化合物中，特别是烯在大气上空，在太阳光紫外线作用下，会与氧化氮起光化反应生成臭氧、醛等烟雾状物质，刺激人们的喉、眼、鼻等粘膜。它不仅危害人们与动物，而且使生态环境遭到破坏，严重影响农作物的生长，近使农业减产，同时还具有致癌作用。它成为汽车尾气排放的第二公害。
ＭＯｘ是ＮＯ及ＮＯ２的总称，其中ＮＯ与血液中的血红素的结合能力比ＣＯ还强。容易使人们中毒而死亡。ＮＯ２是一种褐色有毒气体，有特殊刺激臭味，损害人的眼睛和肺部。它是产生酸雨和引起气候变化、产生烟雾的主要原因。成为汽车尾气的排放公害。
汽车尾气排放的颗粒物，一般是由直径为０．１～４０μｍ的多孔性炭粒构成。它能粘附ＳＯ２及苯芘有毒物质，有臭味，对人们呼吸道极为有害（颗粒度较大的炭粒能迅速沉淀，不易从肺部排出）。
此外，铅化合物、硫化合物等等也为有害成分。
综上所述：汽车尾气排出的污染物，给予人类赖以生存的大气环境带来了严重的污染。在交通干线等人口密集区，其排气高度接近人体呼吸带，给人体健康造成了严重的危害。因此，必须采取有效措施，减少或者消除汽车尾气的排污量，是本文与大家共同研究与探讨的一个重要课题。
２ 汽车尾气的净化处理技术
由于汽车运行严重的分散性和流动性，因而也给净化处理技术带来一定的限制。除了开发在机内净化技术外，还要大力开发机外净化处理技术。这应从两个方面入手：一是控制技术，主要是提高燃油的燃烧率，安装防污染处理设备和采取开发新型发动机；二是行政管理手段，采取报废更新，淘汰旧车，开发新型的汽车（即无污染物排放的机动车），从控制燃料使用标准入手。
２．１汽车燃油的改用
⑴采用无铅汽油，以代替有铅汽油，可减少汽油尾气毒性物质的排放量。
首先应抓汽车油的改用。以无铅汽油代替四乙基铅汽油。这种汽油是用甲荃树丁醚作渗合剂，它不仅不铅，而且汽车尾气排出的一氧化碳、氮氧化合物、碳氢化合物均会减少。目前，我国为了减少汽车尾气排放量，改善城区大气环境质量，国家规定从１９９９年７月１日起在全国范围内根本上使用含铅汽油。２０００年７月１日起，市场根本上出售有铅汽油。因有铅汽油中，它加入了一种抗爆剂――四乙基铅，它具有很高的挥发性，甚至在０摄氏度时就开始挥发，而挥发出的铅粉末，以蒸气及烟的动工存在空气中。但铅的污染程度与交通密度（每小时通过的车辆数）以及汽油中铅的含量有密切关系。
虽然我国城市的交通密度比发达国家的密度低，但有铅汽油燃烧带来的铅的污染程度不可忽视。因铅是一种蓄积毒物，它通过人的呼吸、饮水、食物等途径进入人体。对人体的毒性作用是侵蚀造血系统、神经系统以及贤脏等。诸如对血管系统、生殖系统以及癌致畸等毒性作用也可能发生。
⑵掺入添加剂，改变燃料成分。
汽油中掺入１５％以下的甲醇燃料，或者采用含１０％水份的水－汽油燃料，都能在一定程度上减少或者消除ＣＯ、ＮＯｘ、ＨＣ和铅尘的污染效果。
若采用“甲醇燃料”，即采用甲醇和其它醇类同汽油混合所制成的燃料。当甲醇占比例３０％～４０％，汽车尾气排出的污染物可基本上消除。
⑶选用恰 当的润滑添加剂－机械摩擦改进剂。
在机油中添加一定量（比例为３％－５％）石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯粉末等固体添加剂，加入到引擎的机油箱中，可节约发动机燃油５％左右。此外，采用上述固体润滑剂可使汽车发动机汽缸密封性能大大改善，汽缸压力增加，燃烧完全。尾气排放中，ＣＯ和碳氢含量随之下降，可减轻对大气环境的污染。
⑷采用绿色燃料同样可减少汽车尾气有毒气体排放量。
据美国的俄亥俄州某研究所用豆油与甲醇、烧碱混合，然后去除其中的甘油，从而可获得“大豆些油”。用“大豆柴油”，以３∶７的比例掺入到普通柴油中，可供柴油汽车之用。它可大大减少发动机工作时排放的硫化物、碳氢化合物、一氧化碳和烟尘。故誉作绿色燃料。
⑸采用多种燃料作为汽车燃料来源。
随着科学技术的发展和计算机的广泛应用，确保环境保护法规的实施和节能措施：汽车中可广泛使用新的配方汽油、电力、压缩的天然气体、太阳能以及生态燃料的蓄电池等等。然而在这种汽车上装上电脑，不断在行驶中早先调拨组合，以使汽车发挥最佳性能。采用计算机控制点火系统，以便对发动机的不同工况作出快速反应，可取得最佳 燃料经济性和发动机动力性能，可减少尾气对大气的污染。
⑹节约能源，有利环境，大力推广车用乙醇汽油。
根据有关专家指出，开发乙醇代替汽油，即节约能源，又可消化陈粮，使汽车排出的有害汽体减少，是一项有利于保护环境和资源的新课题。
如果按照１∶９的乙醇汽油配比，用２０万吨乙醇，可配出约２００万吨的乙醇汽油，２００万吨的乙醇只消耗粮食７０万吨。因此，发展、开发使用专用乙醇汽油可解决储存粮食的转化问题，又可以在一定的程度上代替汽油，缓解我国原油供应的紧张状况。因乙醇是一种小麦、玉米等原料生产的变性燃料乙醇和汽油以一定的比例混合而成的汽车燃料，已经列入“十五”发展计划，它与纯汽油比较，汽车尾气中一氧化碳量可降低１／３左右，碳氢化合物降低１３．４％。此计划推广使用，将对改善城市大气污染，保障人民健康起到重要作用。
２．２汽车发动机内部的调试，可减少尾气污染物的排放量。
⑴减少喷油提前角。减少喷油提前角，可降低发动机工作的最高温度（１５００摄氏度），使ＮＯｘ的生成量减少。
⑵改善喷油器的质量，控制燃烧条件（燃比、燃烧温度、燃烧时间），可使燃料燃烧完全，从而可减少ＣＯ、ＨＣ和煤烟。
⑶调整喷油泵的供油量，可降低发动机的功率，使雾化的燃料有足够的氧气进行完全燃烧，从而也可以减少ＣＯ、ＣＨ和煤烟的生成。
２．３发动机外部尾气净化措施
即汽车尾气由原有毒气体，变成为无毒气体，再排放到大气中。从而可减少对大气环境的污染。
⑴采用催化剂：将ＣＯ氧化成ＣＯ２，ＨＣ氧化成ＣＯ２和Ｈ２Ｏ，ＮＯｘ被还原成为Ｎ２等。采用的催化剂有氧化锰－氧化铜；氧化铬－氧化镍－氧化铜等金属氧化物和白金属（铂）等贵金属。它们都可以净化ＣＯ、ＨＣ。催化反应器设置在排气系统中排气歧管与消音器之间。
⑵水洗：通过水箱，使汽车尾气中的碳烟粒子经过水洗和过滤及蒸气的淋浴，可支队粘在碳粒上的有毒物质，使碳粒子胀大而给予去除。
２．４发动机内部净化处理措施
⑴正曲轴箱通气系统的设计：把从汽缸窜入曲轴箱的气体（主要是未燃气体）再循环进入进气歧管，使其再次燃烧，改变了过去将其直接排入大气所造成的污染。
⑵排气再循环设计：发动机排气口用控制阀与进气歧管相连接，使排出的气体经过再次循环，以降低氮氧化物的排放量。
⑶蒸发排放控制系统的设计：将化油器浮子室中的汽油蒸发汽引入进气系统，而将油箱中的蒸发汽引入储存系统，可大大减少污染物的排放。
２．５加强行政管理，减少和消除汽车尾气对大气环境的污染
⑴淘汰旧车，采取报废迎新。开发并采用多种燃料的新型汽车，这是今后汽车的发展方向。以氢为燃料的电池电动车、太阳能汽车、电动汽车、复式汽车、液化气汽车、甲醇汽车等。它们是低公害、前途最佳的新型汽车。同时，目前也还可改装汽车发动机的汽车为柴油发动机汽车。虽然柴油发动机燃料费用高，但ＣＯ生成量少。如果对ＮＯｘ、粉尘排放量作相对的限制的话，那么柴油发动机汽车也是未来最佳汽车。
⑵严格执行国家质量技术标准，控制燃油标准。
按国家规定，不合质量的燃油不能使用，市场上不准出售低劣的燃油。然而汽车不准作用含铅汽油这一禁令已下，但难以奏效。其主要原因是广大市民对这一政策了解不足，含铅的７０号和不含铅的９０号及９０号以上汽油，每吨差价比较大，加之无有效措施和得力宣传。另外，个别城市周边的地区又没有实行含铅汽油的禁令。市场调查结果显示含铅汽油库存数量还比较大，加之，车辆运输的流动性，故使得禁令难以实施。因此，对“禁令‘的宣传力度和推行力度应大大加强，才能保证大气环境的洁净。
３ 结 语
为了保护自然环境和国家资源，防止汽车尾气对大气环境的污染而引起公害，保障人民生命安全与健康。国家特制定了环境质量标准，污染物排放标准、污染物控制标准等等。笔者认为：为了保证上述法规的实施，还可以从下面几个方面入手。
⑴实行车辆分流行驶：城市人口稠密区域，交通密度高，汽车尾气的排放在某一时间又比较集中，故会引起该地区域在某一时间内，大气污染的程度会急剧增加，造成危害人类的健康。这时可采取汽车分流行驶。一方面可解决交通堵塞、乘车难；另外还可使该局部区域大气环境污染程度有所减少，更好地贯彻大气环境质量标准的执行。
⑵一开辟地铁，施行电力牵引行驶。尤其在大城市人口稠密的地区，开辟地下通道，同时可解决乘车难问题以及减少大气环境污染。
⑶今后现代化的城镇建设，还应考虑自身的循环、多功能的结构形式。合理设计城市居民的日常生活完全以步代车，汽车只用在城外，城内的风能、太阳能、循环水等的高效利用也能使人们在很大程度上摆脱污染和不可再生资源的浪费。
⑷加强和提高人们对保护环境的意识－从自已做起，从家庭做起。
上述汽车尾气的排放是大气环境污染的一个重要组成部分。但是，个人与家庭的污染占大气环境污染源一定的比例。人们生活中制造的垃圾、废气、废水在人们享受便利的同时也使大气环境污染日益加剧，这是我们不可忽视的一部分。
3．结束语
汽车尾气对环境的污染是严重的，人们对尾气净化处理技术的研究也越来越深入和广泛与越来越系统。对于汽油车尾气净化的研究重点是：CO、CH、NO的氧化和还原。现代汽车中采用闭环控制式电喷发动机的尾气常用的净化处理装置是三元三效催化转化器。现代净化技术仍在提高催化剂的早期活性，提高催化剂的升温特性，降低催化剂的活性温度，提高催化剂性能，增加臭氧(O3)技术，采用电加热催化剂(EHC)以及排气燃烧器(EGC)等方面，做更深入的研究。新型的氧化催化剂也在不断的研究中。如未燃HC的吸附净化，采用以沸泡石为主要成分，作为HC吸附剂，在催化剂活化前吸附HC，是排气净化技术的有效补充。
尾气分级净化处理技术，以过渡金属氧化物为催化剂，其主活性成分有Ag 、Sn 、Co、In 或Ga 的氧化物和以贵金属催化剂的主活性成分为Pt 或Pd ，以及La 、Y 或Zr 的氧化物等的运用，以及纳米技术的运用，使净化指标和性能达到了更高标准。
[1] 村獭广之 [发动机排气系统] 专利号CN 1392920A 2003 年l 月22 日
[2] 申进忠 杨文毅 [臭氧一催化剂法汽车尾气净化器及其净化工艺] 专利号CN 1070984A 1993 年4 月14 日
[3] 王永刚 [内燃机尾气净化消音器] 专利号CN 1088656A 1 994 年6 月29 日
[4] 贾东红 高桐生 [汽车汽油机用多脉冲定压式排气管] 专利号CN 1094786A 1994 年11 月9 日
[5] 刘小平 [汽车、摩托车发动机尾气净化装置] 专利号CN 2229521Y 1996 年6 月19 日
[6] 高延龄主编 [汽车运用工程] 第三版。北京。人民交通出版社，2006。
[6] 李岳林，王生昌 [交通运输环境污染与控制] 北京 机械工业出版社 2003.
[7] 秦文新 程熙 [汽车排气净化与噪声控制] 北京 人民交通出版社，2000。
