[科普中国]-车辆尾气排放

主要成分

汽车尾气中排放的污染物有一氧化碳（CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOX）以及对人体产生不良影响的其他一些固体颗粒，尤其是含铅汽油，对人体的危害更大。铅在废气中呈微粒状态，随风扩散。汽油主要由碳和氢组成，汽油正常燃烧时生成二氧化碳、水蒸气和过量的氧等物质。但由于燃料中含有其他杂质和添加剂，且燃料常常不能完全燃烧，常排出一些有害物质。汽车尾气成分非常复杂，有100种以上，其主要污染物包括一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和氮氧化合物(NOX)。2

危害性汽车尾气排出的污染,给人类健康造成了严重的威胁。 因此，汽车尾气污染可总结为以下三点：

（1）城市温度急剧增高 ：二氧化碳气体被称为温室气体，一旦进入空气中，一方面可产生温室效应，促进气温升高；另一方面破坏地球的保护层-臭氧层，让阳光直接照射地球表面，加速气温升高。

（2）危害人体健康 ：氮氧化物、铅化物进入肺部和血液，极大地损害了呼吸系统，造成各种疾病，对人们的身体健康构成危害。

（3）地球气候不正常 ：出现酸雨、黑雨等现象，影响各地区的气候。

据世界权威组织的一项调查研究。机动车尾气是最大的空气污染源．大气中6种污染物质中有4种来自机动车尾气．这些尾气严重损害大众的健康、甚至儿童的智力发育。据国家环保总局提供的数据，我国机动车年消耗油料4500万吨，尾气排放除产生CO、碳氢化合物和氮氧化物外．柴油车还排放有致癌作用的细微颗粒物，如PM2．5等。预计到2020年，CO和氮氧化物的排放量将分别达到8 000万吨和900万吨，与60年代美国光化学烟雾时的污染水平相当。

影响因素燃油对排放的影响汽油是汽车发动机的主要燃料，在汽油机的工作过程中，要求其燃料供给系统在一个极短时间里，将汽油和空气充分混合并配制成合适比例的可燃混合气。保证汽油机能在各种条件下可靠起动、平稳运转、正常燃烧，充分发挥汽油机的使用性能。

1、辛烷值的影响

辛烷值是表示点燃式发动机燃料爆抗性的一个约定数值。在规定条件下的标准发动机试验中，通过与标准燃料进行比较来测试，采用和被测燃料具有相同抗暴性的标准燃料中异辛烷的体积百分数表示。汽油的辛烷值不仅对汽油机的排放有一定的影响，而且还直接关系到是否发生爆燃。辛烷值是表示汽油抗爆的指标。在汽油机燃烧中，随着压缩比及气缸内气体温度的不断升高，可能出现一种不正常的自燃现象，称谓爆燃。汽油的辛烷值越高，则抗爆燃的能力越强，辛烷值低则易产生爆燃，并增加NOX排放量，特别在较稀混合气的情况下更加显著。事实上，由于爆燃对发动机有破坏作用，所以引起NOX剧增的强爆燃情况是在实际使用中不允许发生的,从另外一方面来看，较低的辛烷值限制了发动机的压缩比，导致燃油消耗率上升，总污染物排放量也随之上升，对环境危害也有所增加。 众所周知，在许多情况下烯烃是汽油提高辛烷值的理想成分，但是由于烯烃的热稳定较差，导致它容易产生胶质，并沉积在进气系统中，影响燃烧效果，增加排放。活泼烯烃是光化学烟雾的前体物，蒸发排放到大气中将会产生光化学反应，从而引起光化学污染。我国许多城市在夏秋季都发生过空气臭氧浓度超标的光化学烟雾型空气污染，与使用高烯烃汽油有着密切的关系，因此也应引起重视。

2、硫含量的影响

硫（S）天然存在于原油中，如果在炼油过程未进行脱硫处理，汽油就会受其污染。硫可降低三元催化器的效率，对氧传感器也有不利影响，进而使汽车使用的汽油机排放增加，不论其发动机技术水平和状态如何，汽油中硫的质量分数从10-4降到10-5数量时，尾气中的HC、CO、NOX等均有显著下降，高硫汽油会引起车载诊断系统的混乱和误报。

3、添加剂的影响 车用汽油中的可能加入多种类型的添加剂：防止汽油爆燃的抗爆剂，如四乙基铅、MMT等；抑制烯烃聚合的抗氧剂，如氨基酚、烷基酚等。 无铅汽油还添加一些高辛烷值的含氧有机化合物，如MTBE和乙醇等。汽油自身还有的氧有助于氧化汽油的不完全燃烧物CO和HC，并降低它们的排放，当用无反馈控制的供油系统时，从纯烃燃料改用含氧燃料表示着混合气变稀，也会是CO和HC的排放下降。

空燃比对尾气的影响HC是可燃混合气不完全燃烧或裂解的碳氢化合物及少量的氧化反应的中间产物。CO主要来自在空气不足的情况下可燃混合气的不完全燃烧，是汽油机尾气中有害成分浓度最大的物质。CO2是可燃混合气燃烧的产物，它能够反映出燃烧的效率。 随着空燃比的增加，CO的排放浓度逐渐下降，HC的排放浓度两头高、中间低，CO2的排放浓度中间高、两头低。当空燃比小于14.7:1时，混合气变浓，由于空气量不足引起不完全燃烧，CO、HC的排放量增大。空燃比越接近理论空燃比14.7:1，燃烧越完全，HC、CO的值越低，O2越接近于零，而CO2的值越高。而当混合气空燃比超过16.2:1时，混合气变稀，由于燃料成分过少，用通常的燃烧方式已不能正常着火，产生失火，使未燃HC大量排出。在理论空燃比附近，CO曲线有一个拐点，当A/F减少时，可燃混合气过浓，燃油无法充分燃烧，CO生成物便急剧增加；当A/F增大时，氧含量充足，燃油可以充分燃烧，使CO生成量减少，而且比较稳定。

点火正时对尾气的影响点火提前角对CO的排放没有太大影响，但对HC和NOX的影响较大，过分推迟点火会使CO没有时间完全氧化而引起CO排放量增加，但适度推迟点火可减小CO排放。实际上当点火时间推迟时，为了维持输出功率不变需要开大节气门，这时CO排放明显增加。随着点火提前角的推迟，HC的含量降低，主要是因为增高了排气温度，促进了 CO和 HC的氧化，也由于减小了燃烧室内的激冷面积。火提前角对CO的生成量影响不大，但对HC和NOX的影响较大。 随着点火提前角的增大，HC和NOX生成物都会急剧增加，其原因与燃烧时的速度、压力、温度等有关，当点火提前角增大到一定值后，由于燃烧时间过短，HC和NOX生成量便有所下降。当然，正确的调整点火正时是非常必要的，过迟的点火提前角会使发动机动力下降，油耗增大，工作不稳。

发动机转速对尾气的影响发动机在怠速、减速和低速小负荷时的混合气较浓，发动机工作循环的气体压力与温度不高，混合气的燃烧速度减慢，引起不完全燃烧，从而产生CO。转速的变化对CO的排放没有太大的影响，这是由于在排气系统中的CO被氧化，在正常的排气温度下，并不受混合气的限制，而是取决于化学反应的速度。提高怠速转速，对降低怠速时的CO有一定的好处，这是由于随着怠速转速的提高，进气节流减少，进入的空气量增加。于是残留气体的稀释程度有所减小，使得燃烧改善。 发动机转速升高时，HC的排放有明显的降低。原因在于转速升高增加了汽缸中的扰流混合与涡流扩散，又增加了排气中扰流与混合，前者增加了气缸内的燃烧，增加了激冷层的后氧化反应。但是高速时为了克服较高的发动机阻力，需要加大排气容积的流量，使其排气系统停的时间缩短。因此HC排放量降低且小于按浓度改变预计的结果。同时适当的提高发动机怠速转速，对降低HC成分有好处。 对于不同混合比的混合气，转速对NOX生成速度有着不同的影响。对于燃烧慢的较稀混合气，在转速提高时，由于着火落后期对于转速的影响较小，在点火时间一定的情况下，燃烧的大部分将在膨胀过程和温度较低时进行，使得NOX的生成速度降低。对于燃烧速度较慢的浓混合气提高其转速时，由于加强了气体在汽缸中的扰动，加大了火焰传播的速度，同时也减少了热损失，使得NOX的生成速度相对增大。

发动机负荷对尾气的影响发动机负荷可以用与节气门开度相关的进气管压力来表示，进气管压力越大（即进气管真空度越低），发动机负荷也就越大。

对CO来说，空燃比不变，功率输出的大小对CO排放没有影响，CO的排放量随功率的输出及空气的消耗量的增加而增大，发动机在小负荷及大负荷工作时，所供给的混合气均较浓，在两种情况下CO排放均比较高。例如，最大功率时，节气门全开，供给较浓的混合气，因此CO的排放较高。 当空燃比和转速保持不变，并按最大功率调节点火提前角时改变负荷对HC的排放影响不大。这是因为影响HC排放的因素有的使HC降低，有的使它增加，结果作用恰恰相互抵消。当进气管压力在30.5kPa～81.0kPa范围内时，因供给的混合气较稀，所以HC排放降至很低，当进气管压力超过81.0kPa时，接近全负荷时混合气加浓。此时HC排放量理应上升，但由于全负荷时，排气温度相应增大，这时排气后反应对HC排放的消除作用加强了，从而限制了HC的排放。小负荷时进气管压力低，由于缸壁激冷作用的增强，混合气又较浓，若进气管压力低于20kPa，时还可能发生火焰传播不完全，结果使HC排放明显升高。例如在汽车突然关闭节气门时，进气管内液体燃料的瞬时蒸发，造成高进气真空下的混合气的额外加浓，也会出现这种情况。

发动机负荷小时（进气管压力低），可使NOX排放浓度下降。负荷减小进气压力降低，发动机温度低，残余废气增加，导致着火落后期变大及火焰传播速度减慢，这两个因素均使燃烧时间加长，若在此时点火时间不变，则燃烧过程将更多的膨胀行程延伸，这样就会使循环最高温度降低而使排气中的NOX浓度下降。

检测方法汽油车尾气排放检测方法目前汽油车常用的尾气检测方法主要有：单怠速法、双怠速法、稳态工况检测法和简易瞬态工况法。单怠速法由于操作简单，检测数据限值较高已被淘汰；双怠速法存在检测达标标准相对较宽；仅检测一氧化碳和碳氢化合物两种污染物，检测数据准确率低；检测数据容易篡改，造成不公正等三大弊端。“稳态工况检测法”从运转循环来看只有较低速度的等速运动，和实际情况还有较大的差异，比如不能反应减速、怠速、加速等工况下的排放情况，而测量结果的表示和“双怠速法”也相同，排量大的车排放的污染物总质量要比排量小的车大，对环境的污染也越严重。因此，汽车的排放是否合格在一定程度上有失公正。“简易瞬态工况法”，比“双怠速法”和“稳态工况检测法”更具科学性，检测数据更真实，是目前世界上最先进的机动车尾气检测技术。

1、双怠速检测方法

双怠速检测是指汽车在空挡条件下，加油至高速和低速时检测污染物的方法。根据两个工况的排放状况能够基本反映车辆排放状况，根据高怠速时的过量空气系数能够基本判断燃料控制情况。而且，国家标准中有相关的完整规定。 若为多排气管时，取各排气管测量结果的算术平均值作为测量结果。 若车辆排气管长度小于测量深度时，应使用排气加长管。 对于单一燃料汽车，仅按燃用气体燃料进行排放检测；对于两用燃料汽车，要求对两种燃料分别进行排放检测。

2、简易瞬态工况法

简易瞬态工况法的设备主要包括：底盘测功机、排气取样系统、五气分析仪、气体流量分析仪和自动检测控制系统。

（1）简易瞬态法是一种带负荷的测试方法，其检测结果能良好地反映车辆在道路上的实际排放状况，是科学、先进、实用的检测方法。与上述的双怠速检测方法相比，具有误判率较低，能有效防止调校作弊行为，同时也能对汽车的氮氧化物排放进行检测，可为在用车监管提供更加科学、客观的依据 （2）简易瞬态法的测量结果为汽车单位行驶里程的污染物排放量（测量结果单位为g/km），有利于机动车排放因子的计算，以及建立机动车排放清单，有利于对机动车排气污染物实施总量控制。 （3）“简易工况法”检测是模拟汽车上路时有负荷的检测，涵盖加速、减速、等速、怠速等各种工况过程，如实反映车辆实际行驶时的尾气排放特征；由于瞬态工况能够克服其它检测方法不能检测电喷车氧传感器故障，从而增加了尾气排污缺陷的检测；能检测一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物三种污染物。“简易工况法”的实行，使机动车尾气由静态检测上升为动态检测，可以保证机动车尾气排放始终处于合理的水平，从而有效地控制机动车尾气污染，加速淘汰尾气严重 超标的老旧车辆。同时，可以及时发现尾气排放状况不佳的车辆，使其相关部件得到维修、清洗、更换或正确调整，从而使车辆恢复正常工作状态，更加有效地控制机动车对环境的污染。

柴油车尾气排放检测方法九十年代初期，我国所执行的在“用柴油车排放标准为GB14761.6－1993《柴油车自由加速烟度排放标准》”，相应的测试方法为“GB/T3846－1993《柴油车自由加速烟度的测量（滤纸烟度法）》”。现行的国家标准是由国家环境保护总局2005年3月2日批准，2005年5月30日发布，2005年7月1日实施的GB3847-2005《车用压燃式发动机和压燃式发动机汽车排气烟度排放限值及测量方法》。新实施的国家标准对使用各类压燃式发动的机动车排放规定了新要求和限值，为上路机动车合格排放提供了有效有力的依据。 当前柴油车尾气排放的检测方法主要有：自由加速法、柴油车加载减速 LUGDOWN法等。自由加速法包括“滤纸烟度法”和“不透光烟度法”。

1、滤纸烟度法

滤纸式烟度法指柴油发动机处于怠速、将油门迅速踏到底，维持4s后松开。在该工况下，从排气管抽取规定长度的排气柱所含的碳烟，用光电法确定清洁滤纸染黑的程度。 “滤纸烟度法”适应于自1995年7月1日起至2001年9月30日期间生产的在用汽车，所测得的烟度值应不大于4.5Rb。

2、不透光烟度法

不透光烟度法是指被测气体封闭在一个内表面不反光的容器内。不透光烟度计的显示仪表有两种计量单位，一种为绝对光吸收系数单位，从0 到趋于∞（m-1）；另一种为不透光度的线性分度单位，从0 到100%。两种计量单位的量程，均应以光全通过时为0，全遮挡时为满量程。 “不透光烟度法” 适应于自2001年10月1日起至GB3847-2005实施之日生产的汽车，按要求进行自由加速试验，所测得的排气光吸收系数不应大于以下数值：――自然吸气式：2.5m-1；――涡轮增压式：3.0 m-1。

3、自由加速法的利弊端

（1）自由加速烟度测试优点是该方法具有检测操作简便易行、测试仪器价格便宜和便于携带、以及检测时间短等优点，广泛应用与柴油车的年检、路检。 （2） 滤纸式烟度计的灵敏度不高,只能检测采样时间内排气烟度的平均值,烟度中的水分不能太大,不能检测蓝烟、白烟及油雾等 （3）自由加速法在操作时，“将油门踏板迅速踏到底”中速度与力度的掌握不同，“维持4s后松开”中时间长短的掌握，使得测量的不确定性较大，重复性差。 （4） 自由加速不带负荷，不是汽车行驶的真实工况，也不是汽车短时间停驶维持怠速的工况。 （5） 有时会出现冒黑烟和抽气泵开始抽气的时间不同步的现象，这时测不到最大烟度值。

根据调查，在机动车中有10%一15%尾气排放超标的车辆，其尾气排放量占整个地区在用机动车污染排放量的50%-60%。况排放检测装置就是要准确地找出这10%-15%的超标排放车辆，然后采取有效措施使其恢复到接近出厂时的排放水平。仅治理超标排放机动车一项，就能达到削减占排放总量50%-60%的污染物，达到了事半功倍的效果。1

排放评价尾气评价是指对机动车尾气管排放的有害物质进行定量、定性的分析。评价主要是针对制定排放法规、检验排放法规实施效果、预测排放趋势、改善空气质量、治理交通环境进行的。排放评价的内容包括:计算广域(尾气排放宏观分析的空间范围,如省、全国) 排放清单;计算狭域(尾气排放中观分析的空间范围,如某居民区) 排放清单;改善交通措施评价;分析交叉口/ 交通走廊(高速公路及与高速公路平行的干道及支道) 的排放量。

根据不同的使用需求与功能范畴,将排放评价分为宏观、中观、微观三个层次。

宏观尾气评价宏观尾气评价的基础是基于平均速度的排放因子,使用集计的分析方法得到广域内的排放状况。根据排放因子和车辆行驶参数可得排放总量。宏观评价有两个基本组成部分:宏观排放清单和宏观排放因子。宏观排放清单通过输入车辆行驶参数、车组特性(车辆自身属性和车组分布特征) 、气象情况、燃料排放的特性等,建立广域内各污染物的排放清单。宏观排放因子的计算使用集计的方法评估按污染物、车型等分类的排放因子,并为排放总量的计算提供相应的数据。典型的宏观模型包括MOBILE、EMFAC、CORPERT 等。

宏观评价的结果是广域的排放总量,常常用于全国、省、市的宏观规划、尾气分析中。

中观尾气评价中观尾气评价是指狭域内的尾气排放分析,空间单位来自标准交通需求模型中的车道、交通分析区(交通设施具有代表性的小区) 参数。中观评价不排除使用宏观模型进行必要车道、交通分析区排放分析。此外,中观分析需要考虑车辆具体行驶工况的排放量,分析基于普查信息(某区域里的人口、邮政编码等信息) 、城市土地使用布局、狭域车辆行驶特征和车组时空变化特征。典型的中观尾气排放模型包括MEASURE、INTEGRATION 等。

中观评价的结果是狭域的排放总量。中观分析侧重于评价交通改善情况,尽管这种分析也包含在微观分析中,但在交通规划实施效果评估以及相应预算分析中,仍需建立中观的联系和分析。

微观尾气评价微观尾气评价是对特定交通走廊或交叉口的排放分析。微观模型的特点是能够评价以秒为单位的瞬间尾气排放量。微观尾气评价需要输入每一车辆的瞬间行驶工况参数,如瞬时的行驶速度及加速度等。典型的微观尾气模型有CMEM、ONROAD 等。微观评价则是对特定走廊和交叉口排放评价,适用于交通的改善情况和工程水平的评价。

微观尾气评价与中观尾气评价的主要区别在于,微观评价分析的对象是一个特定走廊或交叉口,中观则分析这些具体特征点组成的空间、时间上范围内的尾气排放量。3

排放控制现状我国在用车辆排放控制状况

我围从1983年开始陆续颁布汽车排放标准，目前已经颁布执行了22项。主要参考欧洲体系，基本上覆盖了机动年排放控制的主要方面。

由于受多方面因素影响，当前我国在用车辆尾气排放控制方面存在一些难点。汽车排放的机内外净化，涉及汽车设计、制造和使用等问题。对于各种定型车辆产品来说，其同有的技术参数，包括排放指标，是相互制约的，对其进行改进，有一系列繁杂的程序，须经反复试验，在取得可靠试验依据并经有关部门批准后实施。我国在用汽车的服务对象多样，使用环境复杂，各地政策和环境不尽相同，超载，以修代保，拼设备等现象还不时出现，这些将对汽车排放控制带来困难：对在用车排放指标进行控制，不论采取何种途径和方案，都涉及到车主的经济负担问题。而运输市场竞争激烈，多数企业盈利较低，要让他们主动改造车辆难，但全靠政府投资也是难以做到的。

技术对策在用车辆排放控制的技术对策

首先，车用燃料的改进要与车辆品质的提高相适应，这是控制在用车辆排放污染重要途径之一。其次是推广应用汽车环保节能产品，如高能点火+氧化型催化转化器、化油器浓混合气+高能点火+闭环补气+效催化转化器、换闭环电喷发动机十三效催化转化器，在电喷车上加装三效催化转化器、改机械式双燃料或燃气汽车、改电控式三效催化双燃料或燃气汽车等等。

另外将在用汽车改成两用燃料汽车也是一种行之有效的方法。一些经改装的车辆确实减少了HC、CO的排放 ，但对NO化合物的排放量没起到抑制的作用，这项技术有一定的局限性。并有动力下降的现象。而且改装后的车辆在点火能量、点火角度、燃烧系统等系列参数要合理匹配，才能保证降低排放。这只是一种过渡措施，燃气汽车最终应成为匹配专用净化装置使用单一燃料的汽车。

汽车排放污染的内在原因是多方面的，须对车辆认真检测，恢复其正常T作状态消除因参数变化造成的排放超标。仅对车辆油路、电路参数简单调整是难以奏效的，须对整车技术参数、发动机各种工况和技术参数进行全面诊断维修，车辆排放才能正常。为此，须建立严格的技术管理制度。

法规建设加强排放法规建设

我国于1982年颁布了大气质量标准，从1983年开始陆续制定颁布了汽车排放标准。随后20多年对各项标准进行了修订，并陆续颁布了多项新的排放标准。2004年7月1日我国在全国范围内开始实施相当于欧2标准的国标GB1835.2，标志着我国机动车污染防治进入了一个新阶段。

对于未来机动车排放控制应加强基础研究工作，制定汽车排放控制的长期规划。在技术经济分析基础上，根据具体情况制订排放标准。

管理对策排放控制的管理对策

现有的一些措施诸如公交优先、空车限行、限时通行、增加忙时段，区段税费等，对减少排放有一定作用，但却与国家发展交通，鼓励汽车业发展及拉动消费的政策相互矛盾。为此我们提出如下建议。

1．通过制定车辆油耗、行驶里程，年限、排放等的淘汰标准来规范车辆淘汰。

2．一个是税率随着车龄增长而增长，还可给予购买高技术环保车辆者补贴的方式，或实施燃油税，也可通过检测给予排放好的车辆给予补贴等方法鼓励减少排放。

3．对排气污染的控制不能只局限于车本身，加强城市规划和交通管理，往往能在改善重点地区的空气质量方面效果更好。

在用车辆尾气排放控制要从我国国情出发，从环保、能源结构、城市和道路情况以及汽车工业发展等方面人手，统筹使用清洁燃料、先进车辆技术，完善的车辆维护以及可持续的城市和道路系统建设与完善的交通管理措施，并注意提高人们的环保意识，提高驾驶员素质，实现对在用车辆尾气排放的控制。2