1.汽车尾气危害
2013年,全国汽车产、销量分别达到2211.68万辆和2198.41辆,同比增长14.8%和13.9%,机动车保有量破2.5亿辆,与1980年相比,全国机动车保有量增加了近30倍。其中,汽车1.37亿辆。科学分析表明,汽车尾气中含有上百种不同的化合物,其中的污染物有细颗粒物、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、碳氧化合物、铅及硫氧化合物等。一辆轿车一年排出的有害废气比自身重量大3倍。
图2-6 汽车尾气有害
图来源于新华社网 冯琦编制
(1)细颗粒物
细颗粒物的成分很复杂,并具有较强的吸附能力,可以吸附各种金属粉尘、强致癌物苯并芘和病原微生物等。固体悬浮颗粒随呼吸进入人体肺部,以碰撞、扩散、沉积等方式滞留在呼吸道的不同部位,引起呼吸系统疾病。当悬浮颗粒积累到临界浓度时,便会激发形成恶性肿瘤。此外,悬浮颗粒物还能直接接触皮肤和眼睛,阻塞皮肤的毛囊和汗腺,引起皮肤炎和眼结膜炎,甚至造成角膜损伤。
(2)一氧化碳
一氧化碳与血液中的血红蛋白结合的速度比氧气快250倍。一氧化碳经呼吸道进入血液循环,与血红蛋白亲和后生成碳氧血红蛋白,从而削弱血液向各组织输送氧的功能,危害中枢神经系统,造成人的感觉、反应、理解、记忆力等机能障碍,重者危害血液循环系统,导致生命危险。所以,即使是微量吸入一氧化碳,也可能给人造成可怕的缺氧性伤害。
(3)氮氧化物
氮氧化物主要是指一氧化氮、二氧化氮,它们都是对人体有害的气体,特别是对呼吸系统有危害。在二氧化氮浓度为9.4mg/m3的空气中暴露10分钟,即可造成人的呼吸系统功能失调。
(4)碳氢化合物
目前还不清楚它对人体健康的直接危害。但当氮氧化物和碳氢化合物在太阳紫外线的作用下,会产生一种具有刺激性的浅蓝色烟雾,其中包含有臭氧、醛类、硝酸脂类等多种复杂化合物。这种光化学烟雾对人体最突出的危害是刺激眼睛和上呼吸道黏膜,引起眼睛红肿和喉炎。1952年12月,伦敦发生光化学烟雾,4天中死亡人数较常年同期多4000人,45岁以上的死亡最多,约为平时的3倍;1岁以下的约为平时的2倍。
(5)铅
铅是有毒的重金属元素,汽车用油大多数掺有防爆剂四乙基铅或甲基铅,燃烧后生成的铅及其化合物均为有毒物质。城市大气中的铅60%以上来自汽车含铅汽油的燃烧。人体中铅含量超标可引发心血管系统疾病,并影响肝、肾等重要器官的功能及神经系统。由于铅尘比重大,通常积聚在1米左右高度的空气中,因此对儿童的威胁最大。
(6)二噁英
二噁英,又称二氧杂芑(狇ǐ),是一种无色无味、毒性严重的脂溶性物质,是一种对人体健康有很大威胁的环境污染物,它有强烈的致癌性,而且能造成畸形,对人体的免疫功能和男女生殖功能造成损伤,是目前世界上已知的毒性最强的有毒化合物之一。
图2-7 市民担心汽车尾气影响最大
2.汽车尾气排放控制方案
(1)在用车检查和维护(I/M)制度
在用车的检查和维护制度,简称I/M制度,是削减在用车污染排放最重要的手段。I/M制度通过对机动车进行定期和不定期的排放检测,促进机动车的正常维护,防止人为对排放控制系统的损坏,保持车辆处于良好的运行状态,从而减少污染物的排放。I/M制度是对新车实行强制性排放标准的有效补充。I/M制度有两个目的:一是发现因调整不当或机械故障导致的高排放车辆;二是发现控制设备的非正常工作和人为破坏,确定机动车的故障根源,便于对车辆进行维修,并督促车主加强维护,使得在整个汽车使用生命周期中排放控制系统始终有效。大量的调查分析表明,在用车排放的大部分污染物来自一小部分高排放车辆。据统计,在用车中5%的高排放车的污染物排放占总排放量的25%,20%的车辆的排放量占到总排放量的50%。对于没有特殊排放控制的化油机车,这一影响主要表现HC和CO上,调整好与坏的车辆,其排放差值可达4倍。对安装了催化转化器等排放控制系统的更先进的车型,部分高排放车辆的污染物排放甚至高出5倍以上。因此,通过I/M制度发现高排放车辆,对削减在用车污染排放非常有效。比如催化器或氧传感器损坏,虽然不影响驾驶性能,但可使尾气中HC和CO的排放增加20倍以上,NO化合物增加35倍;柴油机的喷射系统损坏,至少使得颗粒物排放增加20倍以上。通过发现维护不善的车辆并予以修理,平均可降低排放30%—50%。
(2)控制汽车排放污染的技术措施
①内燃机自身技术的改进
在汽油机上通过推迟喷油提前角可以有效地抑制NO化合物的排放,且方法简便易行。柴油机喷油时间延迟使一氧化碳化合物排放量下降的原因与汽油机并不完全相同,主要原因有两个:一是使燃烧过程避开上止点进行,燃烧等容度降低。因而燃烧温度下降;二是越接近上止点喷油,缸内空气温度越高,燃油一旦喷入汽缸内便很快蒸发混合并着火,即着火落后期可以缩短,燃烧初期的放热速率降低,导致燃烧温度降低。这两种原因都起到了抑制氮氧化合物生成的作用。喷油提前角等于零下十五度和零下五度时的缸内温度、压力及燃烧放热率可以看出,随着燃油提前角推迟,燃烧温度、压力和放热率峰值均下降。但过分推迟喷油提前角,氮氧化合物排放反而上升。这主要是由于着火落后气的过分延长,使燃烧初期的放热速率反而大幅度上升的原因。总之,推迟燃油提前角对降低氮氧化合物的效果是有限的,过分推迟,往往会牺牲燃油经济性和碳烟及微粒排放特性,即出现典型的trade-off的关系。为此,推迟喷油提前角最好是与其他加速燃烧的促使并用,如高压喷射或加强缸内气体运动,以防止其他性能的恶化。
②汽车燃料的改进
车用油品的质量对车辆的排放性能有很大影响,尤其是对采用闭环三元化净化技术的先进车型。各地应从以下方面提高油品的质量:第一,针对影响机动车排放性能的燃料特性如饱和蒸汽压、硫含量、铅含量等,应确保符合标准的限值要求。第二,对燃料中影响排放净化系统正常工作的杂质,如硅、锰、铁、钒等,必须确保低于限值要求,不得人为加入。第三,对车用柴油中的硫含量,也应按照有关标准严格控制。此外,寻找替代燃料也是减少汽车排放有害物质的有效途径。目前的常规燃料主要是汽油和柴油,但已经有许多国家的研究机构把目光转向代用燃料—液化石油气(LPG)、压缩天然气(CNG)和甲醛等。替代燃料有保存原油产品和保护能源的潜力,同时它又能有效地削减机动车的污染物排放。当然,我们应当认识到,在许多情况下采用常规燃料辅以先进的排放控制技术,往往会收到更经济的控制效果,未来会选取哪一类燃料将取决于经济因素。在中短期内,全球汽车制造商将继续重视汽油机和柴油机仍然具备的巨大潜力,并与石油行业共同开发环保型“特殊”燃料,例如源于天然气或生物质的燃料。同时,戴姆勒-克莱斯勒积极致力于开发混合动力驱动系统,将其作为运用燃料电池汽车实现零污染排放交通运输的过渡性解决方案。在未来多年中,内燃机将继续占据汽车市场的主导地位,因此不断改进内燃机技术是有效的短期解决方案。
③废气再循环(EGR)
废气再循环(EGR)系统用于降低废气中的氧化氮(NOX)的排出量。氮和氧只有在高温高压条件下才会发生化学反应,发动机燃烧室内的温度和压力满足了上述条件,在强制加速期间更是如此。当发动机在负荷下运转时,EGR阀开启,使少量的废气进入进气歧管,与可燃混合气一起进入燃烧室。怠速时EGR阀关闭,几乎没有废气再循环至发动机。汽车废气是一种不可燃气体(不含燃料和氧化剂),在燃烧室内不参与燃烧。它通过吸收燃烧产生的部分热量来降低燃烧温度和压力,以减少氧化氮的生成量。进入燃烧室的废气量随着发动机转速和负荷的增加而增加。EGR系统的主要元件是数控式EGR阀,数控式EGR阀安装在右排气歧管上,其作用是独立地对再循环到发动机的废气量进行准确的控制,而不管歧管真空度的大小。EGR阀通过3个孔径递增的计量孔控制从排气歧管流回进气歧管的废气量,以产生7种不同流量的组合。每个计量孔都由1个电磁阀和针阀组成,当电磁阀通电时,电枢便被磁铁吸向上方,使计量孔开启。旋转式针阀的特性保证了当EGR阀关闭时,具有良好密封性。EGR阀通常在下列条件下开启:其一,发动机暖机运转。其二,转速超过怠速。ECM根据发动机冷却水温传感器、节气门位置传感器和空气流量传感器来控制EGR系统。