汽車排放污染的形成與影響因素*

朱忠倫

(安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 安徽 合肥 230051)

一、汽車排放污染物的種類及危害

1.汽車排放污染物的種類

汽車排放污染物主要是由發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的。汽車尾氣中由于燃燒不完全和燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的產(chǎn)物有一氧化碳、碳?xì)浠衔铩⒌趸衔铩⒘蚧?、微?鉛化物、碳煙等)等，還有發(fā)動機(jī)曲軸箱通風(fēng)污染物(主要是HC)，以及燃料箱逸出的汽油蒸氣、機(jī)油蒸發(fā)排放等。這些污染物對人體有害。柴油機(jī)的有害污染物主要來自廢氣排放及曲軸箱通風(fēng)。雖然這些有害物質(zhì)含量較少，但是在空氣中達(dá)到一定濃度后，將對人和生物造成危害。

碳?xì)浠衔锱c氮氧化合物混合起來在強(qiáng)太陽光照射下，會發(fā)生一系列復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng)，生成臭氧(O3)等，形成一種毒性很大的白色煙霧，一般稱為光化學(xué)煙霧，即二次有害排放物。

2.汽車排放污染物的危害

(1)一氧化碳的危害

一氧化碳是不完全燃燒的產(chǎn)物，是一種無色、無刺激、無味的氣體。一氧化碳與血液中血紅蛋白的親和力是氧與血紅蛋白親和力的300倍，人體吸入后，會在血液中取代氧而形成牢固的血紅蛋白，影響氧的輸送。人體會由于缺氧感到疲勞，引起頭暈、惡心等中毒癥狀，甚至導(dǎo)致窒息死亡。

(2) 碳?xì)浠衔锏奈：?/p>

碳?xì)浠衔锸侨紵笊啥喾N碳?xì)浠衔锏目偡Q，其中含有少量醛類和芳香烴。每種化合物的量很少，但其共同作用其危害就很明顯。對人的鼻、眼、呼吸道粘膜有刺激作用，可引起結(jié)膜炎、鼻炎等。

(3) 氮氧化合物的危害

氮氧化合物有NO、NO2. NO3……統(tǒng)稱為氮氧化合物。排氣中排出的主要是一氧化氮，其次是二氧化氮(約占1%)。高濃度的一氧化氮對血液有毒性作用，能使神經(jīng)麻痹，使中樞神經(jīng)癱瘓及痙攣。二氧化氮有強(qiáng)烈的刺激性氣味，是排氣中惡臭物質(zhì)成分之一，被吸入肺部時(shí)，能與肺部的水分結(jié)合生成可溶性硝酸，嚴(yán)重時(shí)會引起肺氣腫。

(4)光化學(xué)煙霧的危害

光化學(xué)反應(yīng)生成的過氧化物的主要物質(zhì)臭氧 (O3)具有強(qiáng)烈的氧化性、特殊的異味和毒性，如果空氣中O3的濃度到達(dá)一定程度，人在1h內(nèi)就會死亡。光化學(xué)煙霧會阻礙視線、刺激眼睛、引起咳嗽，并能引發(fā)癌癥，使動植物枯萎。

(5)硫化物的危害

在有害排放物中，還有燃油中的硫分燃燒后生成的硫化物，主要是SO2。它是無色氣體，有強(qiáng)烈的刺激氣味和腐蝕性，會刺激呼吸道粘膜，引起喉管發(fā)炎。SO2氧化后生成的SO3與空氣中的水發(fā)生作用會生成硫酸和亞硫酸，雨雪降落時(shí)形成酸雨，造成土壤酸化，破壞農(nóng)作物與森林，影響自然界的平衡。

(6)微粒的危害

汽油機(jī)中主要微粒有鉛化物；柴油機(jī)中主要為碳黑和高分子量有害物，碳黑是廢氣中的固體與液體的凝結(jié)物。碳粒常夾有SO2及其他碳?xì)浠衔?，如致癌的多環(huán)芳香烴、苯丙蓖等。

二、汽車排氣污染物的形成與影響因素

1.汽車排氣污染物的形成

汽車排氣中含有多種有害物質(zhì)，其中主要有CO、HC、NOx及微粒。這些有害物質(zhì)的排出量都取決于燃燒前混合氣的形成狀況，燃燒室的燃燒溫度、壓力和排氣系統(tǒng)的反應(yīng)條件。它們的生成條件互不相同，下面將定性地說明這些污染物的形成機(jī)理。

(1)一氧化碳的形成

一氧化碳(CO)是碳?xì)淙剂显谌紵^程中的中間產(chǎn)物。一般認(rèn)為，汽車排氣中CO的產(chǎn)生是由于碳?xì)淙剂显谄字腥紵怀浞炙?，是氧氣不足而生成的中間產(chǎn)物。

柴油機(jī)由于過量空氣系數(shù)大，循環(huán)溫度低，CO排放量比汽油機(jī)低。

(2) 碳?xì)浠衔锏男纬?/p>

HC是各種未燃的和未完全燃燒的碳?xì)浠衔锏目偡Q。HC的生成原因較復(fù)雜，其主要來源是缸壁激冷效應(yīng)、燃燒室縫隙效應(yīng)、不完全燃燒及曲軸箱等泄漏。

(3) 氮氧化物的形成

NO是在燃燒室內(nèi)處于高溫狀態(tài)下的燃燒產(chǎn)物。NO在排出后的一段時(shí)間，生成NO2和其他氮氧化物。NO在汽油機(jī)的排放中占絕大部分，因此主要說明NO的形成機(jī)理。對于NO的形成原因，經(jīng)過大量研究，NO的生成目前廣泛采用捷爾杜維奇(Zeldovich)反映理論。在燃燒的高溫下，氧分子分解為氧原子。反映開始后，處于分子狀態(tài)的氮與原子狀態(tài)的氧碰撞生成NO。

(4) 微粒的形成

微粒是指發(fā)動機(jī)排出的廢氣中除氣態(tài)和水以外，所有存在于接近大氣條件的稀釋排氣中的分散物質(zhì)，是以碳原子作為主要成分并含有占10%～30%氫原子的碳?xì)浠衔锼M成。

柴油機(jī)排出的微粒要比汽油機(jī)多得多，其中碳煙微粒排放要比汽油機(jī)高30～80倍。

2.使用因素對排氣污染物的影響

(1)負(fù)荷的影響

對于汽油機(jī)，發(fā)動機(jī)滿負(fù)荷時(shí)，由于供給較濃的混合氣，燃燒不完全，生成的CO量增多；中等負(fù)荷時(shí)，混合氣略稀，燃燒效率最高，CO、HC減少但NOx增多；在怠速和小負(fù)荷時(shí)，供給的混合氣由稀變濃，NOx排放量減少而CO和HC顯著增加。

(2)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的影響

汽油機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于混合氣過濃，混合不均燃燒不充分，CO、HC排放量較大，提高怠速轉(zhuǎn)速可使CO、HC排放濃度下降。發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速對不同空燃比混合氣的NO的生成速度有不同的影響，當(dāng)用稍濃混合氣時(shí)，由于燃燒速度快，燃燒室內(nèi)溫度升高，NO生成速度較快。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到最高轉(zhuǎn)速的65%～75%時(shí)，排氣中的NO達(dá)到最大值。

柴油機(jī)排放的有害成分。在怠速和低速工況，HC和CO排放較多，隨著轉(zhuǎn)速增加都有所下降，在最大轉(zhuǎn)速時(shí)，CO繼續(xù)下降而HC和NO增大，這是由于燃燒的時(shí)間短，混合氣形成的時(shí)間也短，氣缸內(nèi)燃燒條件惡化，發(fā)動機(jī)工作強(qiáng)度大的緣故。

(3)燃料的影響

汽油成分對NOx排放影響較大，而對CO排放影響較小，對HC的排放總量影響不大，但排出的成分有很大變化。當(dāng)燃料中的芳香烴含量增加時(shí)，排氣中的芳香烴、酚類和芳醛增加，由燃燒引起的烯烴減少，而以甲醛為主的總?cè)╊惵杂袦p少。

柴油成分主要對NOx排放有影響。隨著柴油的十六烷值的降低，NOx的生成量增加。

(4)發(fā)動機(jī)熱工況的影響

汽車在低溫使用條件下，發(fā)動機(jī)從啟動到暖機(jī)過程中，冷卻液溫度較低，HC和CO排放濃度最高，這是因?yàn)榘l(fā)動機(jī)在冷態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，燃油霧化不良，燃燒不充分，缸壁激冷作用大。隨冷卻液溫度提高，缸壁溫度也提高，在氣缸壁區(qū)域內(nèi)的氧化反應(yīng)的條件得到改善，排出的HC減少。NOx的排放量與燃燒的最高溫度有關(guān)。當(dāng)缸壁溫度提高時(shí)，NOx的排放量也增加。

(5)運(yùn)行工況的影響

在汽車使用過程中，發(fā)動機(jī)經(jīng)常處于多變的工況下，發(fā)動機(jī)的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速隨時(shí)間不斷變化。汽油機(jī)在減速和轉(zhuǎn)速不高的工況下，廢氣中不完全燃燒的物質(zhì)HC較多，而柴油機(jī)由于混合氣的空氣充足，HC的濃度很小。汽油機(jī)廢氣中的CO含量也很高，怠速時(shí)可達(dá)7%，而柴油機(jī)的含量甚微。NO濃度在加速和高速時(shí)有明顯的增大。

(6) 汽車技術(shù)狀態(tài)的影響

汽車隨著行駛里程的增加，技術(shù)狀況逐漸變壞，將導(dǎo)致汽車的排氣污染增加。由于技術(shù)狀況變化引起排氣污染增加的原因主要包括供油系的故障、汽油機(jī)點(diǎn)火系的故障、氣缸內(nèi)有積炭、氣缸泄漏等。

汽油機(jī)點(diǎn)火提前角增大，循環(huán)壓力和溫度提高，廢氣中的NOx濃度明顯增大；反之NOx濃度減少。點(diǎn)火提前角對CO的影響很小，而對HC的影響較大些。當(dāng)點(diǎn)火遲后時(shí)，由于氣缸及排氣系統(tǒng)溫度高，廢氣中的HC減少，如點(diǎn)火過遲，因燃燒速度慢，HC的濃度又有提高。

三、結(jié)論

汽車排放污染物主要有CO、HC、NOx和微粒等。這些有害物質(zhì)的排出量都取決于燃燒前混合氣的形成狀況、燃燒室的燃燒溫度、壓力和排氣系統(tǒng)的反應(yīng)條件。它們的生成條件互不相同。其中CO是由于在空氣不足時(shí)有部分燃料不能完全燃燒而生成的。如果空氣量充足，由于CO2離解為CO和O2，特別是當(dāng)溫度大于2000K時(shí)，隨著溫度升高，CO數(shù)值增加；同時(shí)在溫度很高的情況下還存在H2O的離解現(xiàn)象，離解為H2和O2，而H2能使CO2還原成CO與H2O，是不缺氧時(shí)仍有CO排出的另一原因。HC是各種未燃的和未完全燃燒的碳?xì)浠衔锏目偡Q。HC的生成原因較復(fù)雜，其主要來源是缸壁激冷效應(yīng)、燃燒室縫隙效應(yīng)、不完全燃燒及曲軸箱等泄漏。NO的生成主要取決于溫度、混合氣濃度(氧的濃度)及滯留時(shí)間。大多數(shù)的微粒是在高溫缺氧區(qū)的快速反應(yīng)過程中產(chǎn)生的。

使用過程中，隨著負(fù)荷、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、燃料、運(yùn)行工況、汽車技術(shù)狀態(tài)等方面的變化，汽車排放物的濃度變化很大。因此，保持良好的發(fā)動機(jī)技術(shù)狀況，盡量使發(fā)動機(jī)工作處于等負(fù)荷的穩(wěn)定工況和無猛加速的狀況，這樣有利于減少排放污染。

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