機(jī)動(dòng)車尾氣污染監(jiān)測(cè)方法及凈化技術(shù)探析

向立立，張 濤，朱治鋼

（四川經(jīng)準(zhǔn)檢驗(yàn)檢測(cè)集團(tuán)股份有限公司，四川 廣安 638000）

機(jī)動(dòng)車為人們的日常出行帶來方便，但隨著機(jī)動(dòng)車數(shù)量的不斷增加，尾氣污染狀況也日益嚴(yán)重，已經(jīng)從區(qū)域性的污染發(fā)展為備受全球關(guān)注的公共危機(jī)，空氣污染類型也從傳統(tǒng)的煙塵污染轉(zhuǎn)為如今的煙塵與機(jī)動(dòng)車尾氣混合污染。新時(shí)期下，機(jī)動(dòng)車尾氣排放已經(jīng)成為大氣環(huán)境的主要污染源，尤其是尾氣中的一氧化碳、碳?xì)浠衔?，?duì)人類健康與空氣質(zhì)量的危害不容小覷。環(huán)境保護(hù)部報(bào)告顯示：在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的一線城市，機(jī)動(dòng)車尾氣污染占到大氣污染指數(shù)的60%以上。由此可見，機(jī)動(dòng)車尾氣污染的監(jiān)測(cè)與治理迫在眉睫。

1 機(jī)動(dòng)車尾氣的污染成分與危害性

機(jī)動(dòng)車尾氣包含氣體化合物、固體顆粒2部分，主要源自燃油機(jī)動(dòng)車的燃燒汽油、柴油等石化燃料。機(jī)動(dòng)車尾氣在低空環(huán)境中排放，擴(kuò)散難度大，很容易聚集在大氣中成為污染源，給空氣環(huán)境造成污染，繼而危害人體健康與城市環(huán)境。

1.1 一氧化碳（CO）

CO是機(jī)動(dòng)車尾氣中的主要?dú)怏w化合物，CO的產(chǎn)生與汽車燃油燃燒不充分密切相關(guān)。CO與人體血紅蛋白的親和力較強(qiáng)，吸入CO后，血紅蛋白會(huì)與之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成會(huì)損傷血紅蛋白攜氧能力的碳氧血紅蛋白，從而使人體血液中的氧氣含量大幅度下降，血液失去正常的氧氣交換能力，最終危害人體健康。即使吸入少量的CO，也會(huì)伴有頭痛、乏力、惡心、眩暈和犯困等癥狀，長(zhǎng)時(shí)間吸入CO，會(huì)嚴(yán)重?fù)p害神經(jīng)系統(tǒng)，降低記憶力，如果在短時(shí)間內(nèi)吸入大量的CO，還會(huì)致人于昏迷狀態(tài)，甚至窒息死亡[1]。

1.2 碳?xì)浠衔铮℉C）

油箱泄漏、燃燒室的燃油燃燒不充分及燃油揮發(fā)是產(chǎn)生HC的主要原因。機(jī)動(dòng)車尾氣的HC含量與車輛的發(fā)動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)情況有關(guān)。如果車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，燃油的燃燒非常充分，則HC就會(huì)較低。反之，如果車輛剛剛啟動(dòng)，或者處于怠速狀態(tài)，燃油未充分燃燒，則HC含量便會(huì)提高。機(jī)動(dòng)車尾氣中的HC主要由多環(huán)芳烴、甲烷、乙炔、丙烯、苯類及相關(guān)衍生物、丁二烯和醛類等物質(zhì)組成，以上物質(zhì)均會(huì)不同程度地危害人體健康與空氣質(zhì)量，尤其是甲烷，已經(jīng)被認(rèn)定為引起溫室效應(yīng)的“元兇”，其他HC的成分都有一定的刺激性，在日照或者其他特定條件下會(huì)產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)，形成對(duì)人體有毒有害的光化學(xué)煙霧。短時(shí)間內(nèi)吸入HC，便會(huì)危害人的呼吸系統(tǒng)與眼結(jié)膜，從而出現(xiàn)惡心、頭暈等癥狀。長(zhǎng)時(shí)間的大量吸入HC，會(huì)對(duì)機(jī)體的免疫系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)造成嚴(yán)重危害，引起中毒反應(yīng)，甚至有癌變風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 氮氧化合物（NOx）與硫氧化合物（SOx）

燃油燃燒過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物中，含有大量NOx。NOx是一氧化氮（NO）與二氧化氮（NO2）的混合物，其主要成分還是NO，約為NO2的9倍。NO與CO對(duì)人體造成危害的原理基本相同，2者都會(huì)和血紅蛋白結(jié)合，并影響人體正常的血氧循環(huán)。由于NO具有一定的刺激性，吸入后，會(huì)對(duì)呼吸道黏膜、肺部和支氣管黏膜產(chǎn)生刺激，繼而引起炎癥。但NO在空氣中的穩(wěn)定性遠(yuǎn)不如CO，與氧氣結(jié)合后，NO會(huì)被氧化為NO2。SOx主要以SO2為主，燃油中的硫（S）經(jīng)過燃燒后，和氧氣（O2）發(fā)生反應(yīng)，繼而形成SO2，這也是引起酸雨的“元兇”，會(huì)嚴(yán)重危害農(nóng)作物、植物和土壤環(huán)境。機(jī)動(dòng)車尾氣凈化裝置的催化劑表面往往堆積了大量SO2，導(dǎo)致催化劑和尾氣的接觸不夠充分，最終對(duì)機(jī)動(dòng)車尾氣凈化裝置功能造成損害[2]。

1.4 鉛（Pb）污染

汽油、柴油是機(jī)動(dòng)車不可或缺的重要燃油，2者的物理化學(xué)穩(wěn)定性較差，易燃易爆易揮發(fā)。為了增強(qiáng)汽油、柴油的穩(wěn)定性，通常會(huì)在燃油中加入濃度為0.2%~0.5%的四乙基鉛。發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)后，四乙基鉛在燃燒室內(nèi)隨著燃燒而產(chǎn)生氧化鉛，然后形成積灰。大量積灰會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的摩擦力，提高燃燒室溫度，加速燃燒室的磨損。因此，燃油中需要加入導(dǎo)出劑，讓Pb轉(zhuǎn)化為Pb的揮發(fā)物，并隨著尾氣的排放進(jìn)入大氣。Pb已經(jīng)被納入5種有毒重金屬，人體吸入Pb后，會(huì)對(duì)血紅素的形成造成嚴(yán)重抑制，使人出現(xiàn)貧血癥狀，Pb還會(huì)隨著血液的循環(huán)進(jìn)入重要臟器，危害免疫系統(tǒng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)，甚至還會(huì)引起鉛型腎病。

1.5 顆粒物污染

機(jī)動(dòng)車尾氣排放的可吸入性的固體顆粒物，直徑約為0.03~0.50μm，其主要成分有高分子化合物、含碳顆粒物等。而高分子化合物有會(huì)吸附大氣中的各種病毒、細(xì)菌和具有揮發(fā)性的重金屬等物質(zhì)。人吸入這些有毒有害的顆粒物后，會(huì)直接損傷呼吸系統(tǒng)，引起呼吸道、肺部的急性炎癥，甚至還可能造成肺細(xì)胞損傷與肺水腫。尾氣中的顆粒物不僅會(huì)長(zhǎng)時(shí)間潴留于人的肺部，而且還會(huì)隨著血液循環(huán)進(jìn)入其他臟器，附著在顆粒物上的細(xì)菌病毒、重金屬等有害物質(zhì)會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷臟器功能[3]。

2 機(jī)動(dòng)車尾氣污染監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.1 自由加速

柴油機(jī)動(dòng)車通常采用自由加速的方式監(jiān)測(cè)尾氣污染，這是一種比較環(huán)保對(duì)車輛影響較小的監(jiān)測(cè)技術(shù)，正式進(jìn)行排放測(cè)量前，應(yīng)采用3次自由加速過程或其他等效方法吹拂排氣系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速下，迅速但不猛烈地踩下加速踏板，使噴油泵供給最大油量。在發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到允許的最大轉(zhuǎn)速前，保持此位置。一旦達(dá)到最大轉(zhuǎn)速，立即松開加速踏板，使發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)至怠速。往復(fù)進(jìn)行3次，以清掃排氣系統(tǒng)中的殘留污染物。然后接入取樣管，直接在1 s時(shí)間內(nèi)將油門踏板踩到底，讓發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到斷油轉(zhuǎn)速的狀態(tài)，然后松開油門，連續(xù)3個(gè)循環(huán)工況即為自由加速。在機(jī)動(dòng)車尾氣濃度的檢測(cè)中可應(yīng)用透光衰減率，尾氣經(jīng)負(fù)壓傳送到實(shí)驗(yàn)室，煙度計(jì)中的平行光會(huì)穿透實(shí)驗(yàn)室中尾氣煙碳微粒，使光能衰減，光能轉(zhuǎn)換器的電信號(hào)就會(huì)變?nèi)?。透光衰減率檢測(cè)操作方便、流程簡(jiǎn)單，幾乎不會(huì)受到外界環(huán)境的影響，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)檢測(cè)或者在野外檢測(cè)均可。自有加速法相對(duì)于加載減速法來說，其檢驗(yàn)效率較高，但檢測(cè)參數(shù)較少，無法測(cè)出車輛功率及氮氧化合物值，檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性不高。

2.2 室外遙感

該技術(shù)需要用到激光與紅外線光譜，通過可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜TDLAS技術(shù)來檢測(cè)機(jī)動(dòng)車尾氣中的CO、CO2，用差分光譜DOAS技術(shù)檢測(cè)NO、HC，用綠激光透光率技術(shù)檢測(cè)煙度與光吸收系數(shù)以及尾氣中各成分的所占比。應(yīng)用室外遙感技術(shù)，能夠在機(jī)動(dòng)車行駛過程中檢測(cè)尾氣污染情況，檢測(cè)效率與自動(dòng)化水平較高。但技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境受到一定限制，檢測(cè)設(shè)備對(duì)交通狀況有特殊要求，多用于道路監(jiān)察，檢測(cè)的數(shù)據(jù)只能作為參考。

2.3 雙怠速法

這是一種無負(fù)荷檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)時(shí)，機(jī)動(dòng)車需要保持“低怠速”或者“高怠速”的狀態(tài)，還需要將轉(zhuǎn)速傳感器、油溫儀安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，在進(jìn)行排放測(cè)量時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液或潤(rùn)滑油溫度應(yīng)不低于80℃，或者達(dá)到汽車使用說明書規(guī)定的熱機(jī)狀態(tài)，然后再測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)GB 18285—2018《汽油車污染物排放限值及測(cè)量方法(雙怠速法及簡(jiǎn)易工況法)》標(biāo)準(zhǔn)要求，機(jī)動(dòng)車的怠速提升至額定轉(zhuǎn)速的70%或者規(guī)范要求的暖機(jī)轉(zhuǎn)速，并維持30 s后降至低怠速狀態(tài)，插入取樣探頭，深度不少于400 mm，并固定在排氣管上，然后維持高怠速狀態(tài)15 s，使用排放監(jiān)測(cè)儀讀取30 s內(nèi)機(jī)動(dòng)車排放的平均值，得到高怠速污染物測(cè)量結(jié)果，并計(jì)算過量空氣系數(shù)，然后從高怠速降至怠速狀態(tài)15 s后，用排放監(jiān)測(cè)儀再次讀取30 s內(nèi)的平均值，該值即為怠速污染物測(cè)量結(jié)果。雙怠速法的應(yīng)用局限性在于只能檢測(cè)機(jī)動(dòng)車尾氣中CO與HC濃度的平均值。

2.4 基于底盤測(cè)功機(jī)的檢測(cè)技術(shù)

2.4.1 穩(wěn)態(tài)工況（ASM）

ASM主要適用于汽油機(jī)動(dòng)車的尾氣污染檢測(cè)，是一種負(fù)荷檢測(cè)方式。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，可準(zhǔn)確評(píng)估機(jī)動(dòng)車尾氣對(duì)空氣的污染情況，且檢測(cè)準(zhǔn)確性較高，與實(shí)際的尾氣排放含量比較一致。高排放機(jī)動(dòng)車在行駛過程中，可采用ASM技術(shù)檢測(cè)，尤其是雙怠速法中應(yīng)用該技術(shù)，可進(jìn)一步提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，還能顯示出尾氣中氮氧化物的實(shí)際排放量。“穩(wěn)態(tài)”由ASM5025、ASM2540這2個(gè)工況共同組成，指的是機(jī)動(dòng)車癥狀底盤測(cè)功機(jī)上行駛所要保持的恒定車速，在25 km/h、40 km/h的時(shí)速下，根據(jù)機(jī)動(dòng)車的基準(zhǔn)質(zhì)量施加扭矩，分析尾氣濃度。AMS操作簡(jiǎn)單、成本低且技術(shù)完善，可相對(duì)準(zhǔn)確地反映尾氣污染等級(jí)[4]。

2.4.2 瞬態(tài)工況（MAS）

該方法主要用來檢測(cè)機(jī)動(dòng)車尾氣中的氮氧化物，全流式定容取樣稀釋系統(tǒng)、測(cè)功機(jī)系統(tǒng)和氣體排放測(cè)量系統(tǒng)共同組成了瞬態(tài)工況檢測(cè)系統(tǒng)。通過瞬態(tài)工況檢測(cè)，能夠精準(zhǔn)地模擬出機(jī)動(dòng)車的怠速、換擋、等速和減速等不同的行駛狀態(tài)，檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性高。機(jī)動(dòng)車尾氣的檢測(cè)中，可適應(yīng)普通狀態(tài)下車輛尾氣流量的條件，與新車認(rèn)證的檢測(cè)結(jié)果密切相關(guān)。但瞬態(tài)工況檢測(cè)的成本較高，普及難度大，設(shè)備的維修比較復(fù)雜，通常只適合專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，或者汽車廠家進(jìn)行整車測(cè)試。

2.4.3 簡(jiǎn)易瞬態(tài)工況（VMAS）

底盤測(cè)功機(jī)、流量計(jì)和氣體分析儀等共同構(gòu)成了VMAS系統(tǒng)，其整個(gè)檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)為195 s，檢測(cè)循環(huán)包含等速、怠速、減速和加速等多種工況。使用氣體流量分析儀檢測(cè)機(jī)動(dòng)車每秒所排放的尾氣量，然后將檢測(cè)結(jié)果與排放尾氣濃度、排放尾氣流量相乘，最終計(jì)算出規(guī)定時(shí)間內(nèi)尾氣排放指標(biāo)，真實(shí)呈現(xiàn)機(jī)動(dòng)車行駛過程中的尾氣排放情況。VMAS也是介于ASM與MAS之間的一種檢測(cè)技術(shù)。

2.4.4 加載減速工況

該方法主要用于使用柴油的機(jī)動(dòng)車尾氣檢測(cè)，駕駛員使用前進(jìn)擋驅(qū)動(dòng)車輛，逐漸加檔并將油門踏板置于全開位置，選擇最接近70 km/h的低擋位，但不能超過100 km/h，通過掃描機(jī)動(dòng)車的輸出功率來檢測(cè)車輛的最大輪邊功率，最終得出轉(zhuǎn)鼓線的速度，主要用來測(cè)量機(jī)動(dòng)車100%、80%轉(zhuǎn)鼓線速度穩(wěn)定狀態(tài)下的煙度值，然后計(jì)算出80%轉(zhuǎn)鼓線速度穩(wěn)定時(shí)的氮氧化物數(shù)值，最后根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估機(jī)動(dòng)車尾氣排放情況。

3 機(jī)動(dòng)車尾氣污染凈化技術(shù)

機(jī)動(dòng)車尾氣污染具有排放分擔(dān)率高、單車排放量大及污染物排放集中等特點(diǎn)。要想更好地處理機(jī)動(dòng)車尾氣，只采用單一的凈化技術(shù)顯然是不現(xiàn)實(shí)的，隨著尾氣凈化技術(shù)的發(fā)展，采用多種凈化技術(shù)相結(jié)合的方法成了目前機(jī)動(dòng)車尾氣后處理裝置的主流，所以，要根據(jù)機(jī)動(dòng)車的燃料類型和現(xiàn)實(shí)條件選擇對(duì)應(yīng)的凈化技術(shù)，并保證技術(shù)應(yīng)用的全面性。

3.1 優(yōu)化機(jī)動(dòng)車燃油

3.1.1 用添加劑改變?nèi)剂铣煞?/p>

加入含量不超過15%的甲醇汽油燃料，或者使用含水量為10%的汽油燃料，都可以減輕CO、NOx、HC、鉛塵等污染。在汽油中加入30%~40%的甲醇，能夠有效減少機(jī)動(dòng)車尾氣的排污量。

3.1.2 使用綠色燃料

研究顯示，豆油、燒堿和甲醇相互混合后，能夠去除甘油，得到大豆柴油。以3∶7的比例混合大豆柴油和普通柴油，作為柴油機(jī)動(dòng)車的燃料，可以大量減少發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下所排放的HC、CO、煙塵和硫化物。

3.1.3 車用乙醇汽油

用乙醇替代汽油，既提高了陳糧的利用率，又能節(jié)約汽油資源。以1∶9的比例混合乙醇與汽油，大約20萬t的乙醇，就能配出200萬t的乙醇汽油。而20萬t乙醇所需要的陳糧只有7萬t。研發(fā)機(jī)動(dòng)車專用的乙醇汽油，可以有效解決陳糧問題，緩解國(guó)內(nèi)原油資源緊張狀態(tài)。與單純的汽油相比，乙醇汽油可以使機(jī)動(dòng)車尾氣排放的CO量減少1/3，CH減少13.4%。

3.1.4 機(jī)械摩擦改進(jìn)劑

按照一定比例（3%~5%）在機(jī)油中加入固體添加劑，比如石墨、聚四氟乙烯粉末和二硫化鉬等，然后將機(jī)油裝入引擎機(jī)油箱內(nèi)，能夠節(jié)約5%左右的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油。加入固體添加劑后，還能改善機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的密封性，增加氣缸壓力，使之充分燃燒，以減少尾氣中CO與HC的含量，減輕對(duì)大氣造成的污染。

3.1.5 使用多種燃料

可將太陽能、壓縮的天然氣體、生態(tài)燃料蓄電池、新汽油和電力等能源作為機(jī)動(dòng)車燃料，利用計(jì)算機(jī)控制點(diǎn)火系統(tǒng)，讓發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下迅速作出反應(yīng)，降低尾氣污染。

3.2 機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)

這是一種針對(duì)初期污染的治理技術(shù)，根據(jù)尾氣污染物的形成原理，對(duì)機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造采取優(yōu)化措施，嚴(yán)格控制燃料的燃燒條件，提高燃料利用率，減少有毒有害物質(zhì)。常用的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)有3種：①廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（EGR）：收集一部分發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣，和新鮮的混合氣一起輸入發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸，以稀釋原先的混合氣，有效降低氧濃度?；旌蠚獗晃蘸螅紵龝r(shí)的最低溫度明顯下降，能夠減少NOx含量。②燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)（EVAP）：收集汽油蒸汽，并將其輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，燃燒過程中能夠提高燃油的經(jīng)濟(jì)性，減輕油氣造成的大氣污染。③曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)（PCV）：回收一部分漏氣，輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸內(nèi)繼續(xù)燃燒，可大量減少尾氣中的污染物。除此之外，還可以采用進(jìn)氣噴水蒸汽、推遲噴油提前角及缸內(nèi)噴水等方式降低燃燒溫度；通過窄角直噴、預(yù)噴射和多段噴射技術(shù)實(shí)現(xiàn)分層燃燒，減少氮氧化物的生成量；采用進(jìn)排氣系統(tǒng)、高壓噴射與增壓等措施，大量減少尾氣中的顆粒物[5]。

3.3 機(jī)外凈化技術(shù)

僅采用機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)還無法讓機(jī)動(dòng)車尾氣排放達(dá)到國(guó)V標(biāo)準(zhǔn)，因此需要結(jié)合機(jī)外凈化技術(shù)，以提高節(jié)能減排效果。機(jī)外凈化技術(shù)主要是將凈化設(shè)備安裝在機(jī)動(dòng)車的尾氣排放系統(tǒng)中，通過物理吸附、化學(xué)催化等方式收集尾氣中的有毒有害物質(zhì)，或者將這些污染物轉(zhuǎn)化成對(duì)環(huán)境無害的物質(zhì)，以達(dá)到減輕尾氣污染的目的。常用的尾氣凈化裝置有柴油氧化催化器（DOC）、氮氧化物催化器（LNC）、顆粒捕集器（DPF）、NOx存儲(chǔ)還原催化器（NSR）、顆粒物氧化催化器（POC）、吸附還原催化器（LNT）及選擇性催化還原器（SCR）等。綜合考慮機(jī)動(dòng)車尾氣的污染成分、排放特點(diǎn)及機(jī)外凈化技術(shù)原理等因素，在處理機(jī)動(dòng)車尾氣的過程中，很可能會(huì)出現(xiàn)催化劑中毒、補(bǔ)給器堵塞等問題，嚴(yán)重影響設(shè)備功能。所以，機(jī)外凈化技術(shù)的關(guān)鍵在于，要使用更加高效、經(jīng)濟(jì)的催化劑，利用先進(jìn)的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)催化劑的再生。

4 結(jié)束語

綜上所述，機(jī)動(dòng)車尾氣的超標(biāo)排放對(duì)大氣環(huán)境、城市環(huán)境造成嚴(yán)重污染，受到我國(guó)相關(guān)部門的高度重視。近年來，機(jī)動(dòng)車尾氣污染監(jiān)測(cè)越來越嚴(yán)格，尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)也在不斷提高。了解機(jī)動(dòng)車尾氣污染的類型及危害性，因地制宜采用科學(xué)的檢測(cè)與凈化技術(shù)，能夠大幅度減少尾氣排放，減輕尾氣污染，改善空氣質(zhì)量，促進(jìn)現(xiàn)代化城市的可持續(xù)發(fā)展。