汽車尾氣的危害及控制對策分析

曹心怡

【摘 要】分析了汽車尾氣污染物主要成分的生成機(jī)理與危害，指出減少汽車尾氣排放必須從加強(qiáng)現(xiàn)有燃油汽車發(fā)動機(jī)技術(shù)的改進(jìn)和推廣使用新能源汽車兩個方面著手。

【關(guān)鍵詞】汽車尾氣；主要成分；危害；發(fā)動機(jī)技術(shù)；新能源汽車

汽車是“改變世界的機(jī)器”，一方面，汽車誕生一百多年以來，為人類生活和生產(chǎn)活動做出了重要的貢獻(xiàn)，極大地推動了經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展。另一方面，隨著汽車保有量的增加，汽車尾氣帶來的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，成為城市環(huán)境質(zhì)量惡化的主要污染源。大氣環(huán)境是人類賴以生存的寶貴資源，因此，減少溫室氣體排放、防止全球氣候變暖是世界各國共同關(guān)注的問題，已處于刻不容緩的地步。

一、汽車尾氣的主要成分與危害

根據(jù)有關(guān)分析，汽車排放的尾氣中各種氣體成分約有1000多種，其中對人體健康危害最大、對環(huán)境有破壞作用的有一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化合物（NOX）、二氧化碳（CO2）和微粒物（PM）等，據(jù)測算，大氣中所含的CO的75%、HC和NOX的50%都來自于汽車排放的尾氣。

1.一氧化碳（CO）

一氧化碳（CO）是內(nèi)燃機(jī)工作時燃料不完全燃燒所產(chǎn)生的，是氧氣不足而生成的中間產(chǎn)物。氧氣量充足時，理論上燃料燃燒后不會存在CO。但當(dāng)氧氣量不足時，就會有部分燃料不能完全燃燒而生成CO?，F(xiàn)在城市空氣污染中80%的CO來自于汽車尾氣排放。

CO是一種無色、無味窒息性的有毒的氣體，由于CO和血液中有輸氧能力的血紅蛋白（Hb）的親和力比氧氣和Hb的親和力大200～300倍，因而CO能很快和Hb結(jié)合形成碳氧血紅蛋白（CO-Hb），使血液的輸氧能力大大降低，使心臟、頭腦等重要器官嚴(yán)重缺氧，引起頭暈、頭痛、惡心等癥狀。輕度是使中樞神經(jīng)系統(tǒng)受損，慢性中毒，嚴(yán)重時會使心血管工作困難，直至死亡。不同濃度CO對人體健康的影響見表1。為保護(hù)人類不受CO的毒害，將24小時內(nèi)吸收CO的濃度限制在5×10-6以內(nèi)。CO和H2結(jié)合是可逆的，如果吸入低濃度CO后置于新鮮空氣中或進(jìn)入高壓氧艙，已經(jīng)與H2結(jié)合的CO會被分離出來，通過呼吸系統(tǒng)排出體外。

2.碳?xì)浠衔铮℉C）

汽車尾氣中的碳?xì)浠衔铮℉C）包括未燃燒和未完全燃燒的燃油、潤滑油及其裂解產(chǎn)物和部分氧化物，如苯、醛、酮、烯、多環(huán)芳香族碳?xì)浠锏?00多種復(fù)雜成分。碳?xì)浠衔铮℉C）其中包含了烷烴、烯烴、炔烴、環(huán)烴及芳烴，是許多其他有機(jī)化合物的基體。飽和烴危害不大，但不飽和烴危害性很大。當(dāng)甲醛，丙烯醛等醛類氣體濃度超過1×10-6時，就會對眼、呼吸道和皮膚有強(qiáng)刺激作用，濃度超過25×10-6時，會引起頭暈、嘔心、紅白球減少、貧血，超過1000×10-6會急性中毒。苯是無色氣體，但有特殊氣味。應(yīng)當(dāng)引起特別注意的是帶更多環(huán)的多環(huán)芳香烴，如苯并芘及硝基烯，是強(qiáng)致癌物。烴類成分還是引起光化學(xué)煙霧的重要物質(zhì)。

3.氮氧化合物（NOX）

氮氧化合物（NOX）是燃料高溫燃燒過程中剩余的氧與氮化合形成的產(chǎn)物，如NO、NO2、N2O3、N2O5等，統(tǒng)稱為NOX。車用發(fā)動機(jī)排氣中的氮氧化合物主要是NO（約占95%），其次為NO2（占5%）。根據(jù)倫敦20世紀(jì)90年代的檢測報告，大氣中74%的氮氧化合物來自汽車尾氣排放。

NO是一種無色無味的氣體，溶于水，有輕度的刺激性，但是毒性不大，高濃度時會造成中樞神經(jīng)輕度障礙，NO可被氧化成NO2。NO2是一種棕紅色強(qiáng)刺激性的有毒氣體，其含量為0.1×10-6時即可嗅到，1×10-6～4×10-6就感到惡臭，它對人體健康的影響見表2。NO2可以引起急性呼吸道疾病，會使兒童的支氣管炎發(fā)病率增加，長時間處在NO2環(huán)境下可能會因肺內(nèi)氣腫而死亡。NOX進(jìn)入肺泡后能形成亞硝酸和硝酸，對肺組織產(chǎn)生劇烈的刺激作用。亞硝酸鹽則能與人體血液中的血紅蛋白Hb結(jié)合，形成變性血紅蛋白，使血液輸氧能力下降，可在一定程度下導(dǎo)致組織缺氧，對心臟、肝、腎都會有影響。NO2會使植物枯黃，但NO2較易擴(kuò)散，遇水易溶解。

大氣中的氮氧化合物與碳?xì)浠衔锸荜柟庵凶贤饩€照射后會發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，生成臭氧和過氧乙?；跛狨サ裙饣瘜W(xué)過氧化物以及各種游離基、醛硫酸煙霧等，形成有毒的光化學(xué)煙霧。光化學(xué)煙霧的表現(xiàn)特征是煙霧彌漫，煙霧呈藍(lán)色，大氣能見度降低。光化學(xué)煙霧中的光化學(xué)氧化劑超過一定濃度時，具有明顯的刺激性，它能刺激眼結(jié)膜，引起流淚并導(dǎo)致紅眼癥，同時對鼻、咽、喉等呼吸道黏膜也有刺激作用，能引起急性喘息癥，可以使人呼吸困難、眼紅喉痛、頭腦暈沉，造成中毒。另外，光化學(xué)煙霧也會傷害植物葉子，加速橡膠老化，使染料褪色，并損害油漆涂料、紡織纖維和塑料制品等。氮氧化合物與空氣中的水反應(yīng)生成的硝酸和亞硝酸，是酸雨的成分。

4.顆粒物（PM）

顆粒物也稱微粒物，由汽車發(fā)動機(jī)排放出的顆粒物有三個來源，其一是不可燃物質(zhì)，其二是可燃的但末燃燒的物質(zhì)，其三是燃燒生成物。燃燒過程排出的顆粒物的組成中大部分是固態(tài)碳，火焰中形成的固體碳粒子稱為碳黑，碳黑可以在燃燒純氣體燃料時形成，但更多的則是在燃燒液體燃料時形成，顆粒物質(zhì)的組成中除碳黑外還有碳?xì)浠衔?、硫化物和含金屬成分的灰分等。含金屬成分的顆粒物主要來自燃料中的抗爆劑、潤滑油添加劑以及運(yùn)動產(chǎn)生的磨屑等。

顆粒物對人體健康的危害和顆粒的大小及其組成有關(guān)。顆粒愈小，懸浮在空氣中的時間愈長，進(jìn)入人體肺部后停滯在肺部及支氣管中的比例愈大，危害愈大。小于0.1μm的顆粒能在空氣中作隨機(jī)運(yùn)動，進(jìn)入肺部并附在肺細(xì)胞的組織中，有些還會被血液吸收。0.1～0.5μm顆粒能深入肺部并粘附在肺葉表面的粘液中，隨后會被絨毛所清除。大于5μm的顆粒常在鼻處受阻，不能深入呼吸道。大于10μm的顆粒可排出體外。顆粒除對人體呼吸系統(tǒng)有害外，由于顆粒存在孔隙而能粘附SO2、未燃燒的HC、NO2等有毒物質(zhì)或苯丙芘等致癌物，因而對人體健康造成更大危害。由于柴油機(jī)的微粒直徑大多小于0.3μm，而且數(shù)量比汽油機(jī)高出30～60倍，成分更為復(fù)雜，因而柴油機(jī)排出的微粒危害更大。

5.二氧化碳（CO2）

在汽車排放的尾氣中，除以上成分外，還含有大量的二氧化碳（CO2）。CO2為無色無毒氣體，對人體無直接危害，但大氣中的CO2大幅度增加，因其對紅外熱輻射的吸收而形成的溫室效應(yīng)，會使全球氣溫上升，南北極冰層融化，海平而上升，大陸腹地沙漠化趨勢加劇，人類和動植物賴以生存的生態(tài)環(huán)境遭到破壞。地球上接連出現(xiàn)的“厄爾尼諾”和“拉尼挪”現(xiàn)象都與溫室效應(yīng)加劇有關(guān)。

地球溫室效應(yīng)是由于人類在長期生產(chǎn)和生活中，不斷向大氣層大量排放各種各樣有害氣體而造成的。引起溫室效應(yīng)的有害氣體，稱為溫室效應(yīng)氣體。溫室效應(yīng)氣體中最主要的是二氧化碳，此外，還有氫氟碳化物（HFCs）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、全氟碳化物（PFCs）及六氟化硫（SF6）等40多種微量氣體。二氧化碳等有害氣體不能吸收太陽短波輻射，而讓太陽輻射熱順利通過大氣層到達(dá)地面；而且它們能夠吸收大部分地面長波輻射，而使地面輻射熱無法散發(fā)到外層空間去，只好在像溫室一樣的、被有害氣體污染的大氣層里不斷貯存和積累起來，從而導(dǎo)致地面和低層大氣溫度逐漸升高，這就是所謂的地球溫室效應(yīng)。人類活動排放的溫室效應(yīng)氣體，對全球變暖的貢獻(xiàn)率為90%～95%。據(jù)統(tǒng)計，大氣中CO2的增加，有大約30%來自汽車尾氣排放。因此，近年來對CO2的控制也已上升為汽車排放研究的重要課題，提高汽車的經(jīng)濟(jì)性和使用小排量汽車是減少CO2排放的重要措施。

汽車排放造成的大氣污染還會破壞臭氧層，而臭氧損耗與氣候變化通過某些機(jī)制相互聯(lián)系。一些專家認(rèn)為，臭氧層的破壞造成太陽輻射過強(qiáng)，也會導(dǎo)致高溫天氣。

二、減少汽車尾氣排放的措施

減少汽車尾氣排放，必須從加強(qiáng)現(xiàn)有燃油汽車發(fā)動機(jī)技術(shù)的改進(jìn)和推廣使用新能源汽車兩個方面著手。

1.加強(qiáng)汽車發(fā)動機(jī)技術(shù)的改進(jìn)

對內(nèi)燃機(jī)汽車尾氣排放的控制和凈化，各國都進(jìn)行了大量的研究工作，所采用的技術(shù)措施大致可分為發(fā)動機(jī)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)和機(jī)外凈化技術(shù)。

機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)既通過對發(fā)動機(jī)本身的改進(jìn)，改善燃燒過程，把燃燒污染物消滅在燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程之中，防止或減少有害污染物在機(jī)內(nèi)生成。這些技術(shù)中比較典型的有汽油蒸汽排放控制系統(tǒng)、廢氣再循環(huán)控制系統(tǒng)、氧傳感器及空燃比控制系統(tǒng)、二次空氣噴射控制系統(tǒng)等。目前，一種新型的汽油機(jī)燃燒方式應(yīng)運(yùn)而生，即發(fā)動機(jī)稀薄燃燒技術(shù)，而實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒的理想方式是汽油缸內(nèi)直接噴射。無論從提高汽油機(jī)動力性能的角度，還是從節(jié)省燃油和減少廢氣排放的角度來看，缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)在進(jìn)氣管噴射技術(shù)的基礎(chǔ)上，又將汽油機(jī)技術(shù)向前推進(jìn)了一大步，從而成為汽油機(jī)發(fā)展歷史上又一個重要的里程碑。為此，世界各國的各大汽車制造企業(yè)紛紛推出各自的缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)，如三菱公司的GDI（汽油缸內(nèi)直噴）、大眾公司的FSI（燃油分層噴射）、通用公司的SIDI（點(diǎn)燃式缸內(nèi)直噴）、豐田公司的D-4S、寶馬公司的HPI（高壓直噴）、保時捷公司的DFI（直接燃油噴射）等，這些缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)技術(shù)先進(jìn)，且各有特點(diǎn)。

由于發(fā)動機(jī)本身的改進(jìn)較難滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)和降低成本等要求，因此，產(chǎn)生了在排放過程中減少有害物質(zhì)的機(jī)外凈化?，F(xiàn)代汽車增加了多種排放凈化裝置，汽油車使用最多的是三元催化轉(zhuǎn)化器TWC，柴油車使用最多的是顆粒捕捉器DPF等。

2.推廣使用新能源汽車

從汽車工業(yè)節(jié)能減排趨勢看，僅僅依靠燃油車的技術(shù)進(jìn)步難以滿足更為嚴(yán)格的節(jié)能減排法規(guī)目標(biāo)要求，發(fā)展新能源汽車也就成為解決日益嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)保壓力的唯一途徑，其中，發(fā)展電動汽車是汽車技術(shù)進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)升級的必然選擇。

新能源汽車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動力來源（或使用常規(guī)的車用燃料、采用新型車載動力裝置），綜合車輛的動力控制和驅(qū)動方面的先進(jìn)技術(shù)，形成技術(shù)原理先進(jìn)，具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車。新能源汽車沒有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)。我國新能源汽車主要分為純電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車。

純電動汽車是指由電機(jī)驅(qū)動的汽車，電機(jī)的驅(qū)動電源來自車載可充電蓄電池或其他能量儲存裝置。純電動汽車的電機(jī)相當(dāng)于內(nèi)燃機(jī)汽車的發(fā)動機(jī)，蓄電池或其他能量儲存裝置相當(dāng)于內(nèi)燃機(jī)汽車油箱中的燃料?；旌蟿恿﹄妱悠囀侵改軌蛑辽購膬深愜囕d儲存的能量（可消耗的燃料、可再充電能/能量儲存裝置）中獲得動力的汽車。燃料電池電動汽車是以燃料電池系統(tǒng)作為動力源或主動力源的汽車。目前，純電動汽車是發(fā)展最快的新能源汽車，是新能源汽車中最重要的車型，也是新能源汽車發(fā)展的重點(diǎn)。混合動力電動汽車是內(nèi)燃機(jī)汽車向純電動汽車發(fā)展過程中的過渡車型，目前技術(shù)相對成熟。

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