熊卫东，向亦华

(1.重庆车辆检测研究院有限公司，重庆 401122；2.昆明云内动力股份有限公司，云南 昆明 650000)

1 引言

根据统计，截至2020年我国汽车(包括三轮和低速货车)的保有量早已突破3.5亿辆，人均保有量随着经济的快速发展也逐渐增加，目前世界汽车的增长量仍然在以每年2000万辆以上的速度飞速增长。在中国几乎所有的一、二线大城市均存在着相当程度的交通拥堵以及空气污染现状。汽车尾气中存在着大量的CH化合物，一氧化碳以及NOX等。一氧化碳(CO)会和人类身体中血红蛋白产生反应，导致中毒。NOX同样也会导致人体中毒，甚至会出现休克导致生命危险，尾气中的颗粒物会导致人们的肺部损害，严重威胁人们的身体健康。SO2等污染物会导致酸雨等，会腐蚀建筑物以及会导致人们皮肤发生癌变等等。随着汽车生产数量的飞速增加，汽车的尾气排放对生态环境的污染变得更加严重，为我国城市建设发展带来了很大的影响。环境污染和我国的可持续发展战略相悖，我国目前汽车尾气排放的形式已经变为非常的严峻。汽车排放造成的环境污染已经严重影响人们的身体健康，人们也必须在享受汽车带给人们便利的同时将交通便利和环境保护均衡发展。

2 近年汽车尾气排放标准

世界各国为了面对车辆尾气对人们的健康损害问题以及环境污染，都相继制定了越来越严格的排放标准，力求最大程度降低其对环境的污染和对人们身体健康的危害。欧洲标准是相对比较早的标准，欧洲国家在1992年便制定了其第一代标准，2014年制定的最新的排放标准更为严格。我国在制定自己国家排放标准的时候在一定程度上参考了欧洲的排放标准，同样制定了适用于自己国家的排放标准，其中国一标准于2000年左右开始正式实行，现在国内排放标准中主要实行的排放标准为国五和国四标准，其中国四标准为2014年左右正式推出，2017年正式推出的国六标准是截至目前中国最严格的排放标准，由于当前国内众多主机厂和发动机厂的发动机硬件技术不够完善以及从之前的国五排放标准过渡到正式的国六标准还存在着一定的过渡期限，我国随着目前形势的变化相继推迟了国六标准的实施，其中最晚于2020年7月1日为重型柴油车国六排放阶段的最迟实施阶段。国六排放标准明确限制了汽车在常温和低温环境下排气污染物的排放标准，实际道路行驶中排气污染物排放(PEMS)，蒸发污染物，以及车载诊断系统的测量及要求。国六排放标准采用了相对燃料中性的基本原则，无论是以汽油作为发动机的燃料还是以柴油作为发动机的燃料，其相应的排放标准都一样即重型柴油车和轻型汽油车的国六排放标准都保持一致，国五在排气污染物的限值上对于不同的燃料其相应的排放标准有一定的区别。在具体实施的排放标准细则上面，国六排放标准相对于国五标准，氮氧化物的限值减少了大约77%，颗粒物的限值则减少大约67%，对颗粒物的排放有了具体的限值要求而且加严了其排放设备的耐久性和车载法测量排放的相关要求。

3 汽车尾气排放物的组成及形成原因

3.1 汽车尾气排放物的形成原因

汽车尾气排放物的组成主要有汽车排气管排放、燃油蒸发、储油箱泄露等方式，汽车尾气排放物的成分十分的复杂，包含数千种化学成分，人们在生活中经常看到小型车排气管冒出的白色烟雾，重型柴油车冒出的黑色的烟雾。其中尾管在排烟的同时夹杂着令人厌恶的噪声和刺激性的的气味。汽车空挡时排出很大比例的一氧化碳，在汽车低速行驶时，排气管会排出大量的黑烟——颗粒物，这是由于燃料在气缸内不完全燃烧造成的。汽车在高速行驶的状况会冒出白色的烟雾，这主要是由于燃料在高温下燃烧排放出的NOX造成的。

汽车尾气排放和汽车的飞速增长息息相关，我国在2018年以前每年的新车销售量年年递增，在2019年汽车增长量虽然稍微下滑，但是仍然保持着很高的增长量。汽车保有量高速增长带来的不仅仅是交通拥堵，而且带来的是大部分汽车无法在最佳的工况下行驶，这就会导致尾气中的排气污染物大幅增加，大气中的尾气污染物量也会明显的增加。

汽车尾气处理目前需要的技术越来越高，同时很多的汽车厂家相关技术还不成熟，都会给汽车排气污染物的增加创造机会。

3.2 汽车排气污染物的组成

根据大量学者的研究表明，汽车尾气成分包含数种化学成分[1]，其主要的排气污染物有：一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOX)、碳氢化合物(HC)等，这些排气污染物污染物给环境带来了巨大的压力，对人体也有相当大的危害。因为汽车尾气中的一氧化碳能和血液中的血红蛋白相结合，速度比和氧气结合的速度快很多[2]，所以当人体的吸入气体中含有CO时人体血液中的血红蛋白(Hb)便会更容易同CO结合，生成相关的化学物碳合血红蛋白(COHb)，于是血红蛋白便不能与O2结合，而血红蛋白便失去输送氧气的功能，这种情况会导致人体缺氧，其中人脑中缺氧会是人马上昏厥。因此，即使有很少量的一氧化碳吸入人体，也可能会对人造成可不可逆的伤害。同时，因为汽车尾气排放的位置比较低，基本上在1.5 m以下，因此儿童肺中吸入的尾气相当于成人的2倍！氮氧化物具有很强的破坏力。汽车尾气排放中的氮氧化物主要是NO， NO2主要由NO氧化来。NO2具有很强的腐蚀性，当人体吸入一定量的NO2后，在肺泡内便会形成形成亚硝酸和硝酸等，这两种化学成分具有很强的刺激性，会导致咳嗽甚至肺出现水肿等现象。而尾气排放中的碳氢化合物，虽然目前人们对他对身体产生的影响还没有了解，但碳氢化合物和氮氧化物在大气中受比较强的紫外线照射后，便会产生一种复杂的光化学烟雾，光化学烟雾的破坏性极强，对人体健康会造成很大的危害[3]。

3.3 汽车尾气排放物的形成原因

汽车排气污染物对健康的危害性及大，其中尤其是一氧化碳(CO)，氮氧化物(NOX)以及碳氢(HC)及固体颗粒物等等。由于其对人体健康造成了严重的威胁，对这些尾气的成分如果不加以严格控制的话，大气中的污染便会加剧。

一氧化碳主要是燃料在发动机缸内不完全燃烧导致的，一氧化碳无色无味，但由于其能和血红蛋白结合会对人体的生命造成严重的威胁。CO是一种相对比较稳定的化合物，在空气中的停留时间也比较长。人在吸入过多的一氧化碳后便会出现头痛、胸闷等现象，严重时可导致人死亡。一氧化碳从某种意义上讲对人体的危害大于氮氧化物。

碳氢同样是由于不完全燃烧产生的，汽油机和柴油机尾气中含量较少，在天然气发动机的尾气中含量比较多。碳氢是一个总称，其中含有很多种化学物质，当空气中的碳氢含量特别高时。人会出现恶心、呕吐等现象，尤其是其和NOX在大气上空经过强烈的紫外线照射后会产生严重的光化学烟雾。对人体的皮肤和外部器官造成腐蚀，严重时可以导致癌症。光化学烟雾会导致地球上的各种植物遭到破坏，因此尾气中碳氢的危害极大。

氮氧化物主要由一氧化氮和二氧化氮组成，生成原理为高温下N2被氧化，NO的毒性甚至比CO还要大，其和人体中血红蛋白结合的能力很强，甚至比一氧化碳还要强，同样会导致人体缺氧造成死亡。NO2能刺激人体的器官，主要由NO经过氧化得来，会造成人体的肺部以及器官发生病变，危害性及大。氮氧化物是产生光化学烟雾的主要成分，光化学烟雾破坏性强，还会导致大气上空的臭氧层会被破坏，更多的紫外线未经过臭氧的吸收直接照射到地球上，导致人体的皮肤癌变的几率大大增加。

固体颗粒物主要会对大气产生影响，雾霾的产生便是固体颗粒物的影响结果，雾霾会对人体神经系统，呼吸系统产生极大的威胁。

4 汽车尾气排放物的防治对策建议

4.1 汽车尾气排放控制技术发展

人们在逐渐的认识到汽车尾气对人体健康和环境的危害后[3]，在很长的一段时期内便致力于寻找提高汽车排放性能的技术。汽车尾气主要从2个地方进行处理，即缸内燃烧控制以及后处理净化2种方式。废气再循环作为一种将尾气再次输入缸内和新鲜的空气和燃料进行第二次燃烧。其能有效降低发动机缸内的燃烧温度，又能够有效的降低氮氧化物的生成。除了废气再循环的方式，缸内活塞的形状、点火提前角、喷油策略等措施均能降低发动机燃烧产生的排放。后处理净化主要为通过装载后处理装置对尾气进行净化，经过净化的尾气再排入大气中，降低尾气中污染物的含量，后处理净化是目前最为有效的尾气净化方法，往往汽车排气污染物中有害物含量非常高，但是经过后处理净化之后污染物，排放能达到一个很低的水平。例如最常用的三元催化剂便能有效降低氮氧化物、一氧化碳、碳氢的排放。在20世纪70年代开始发达国家开始使用催化装置，在后处理方面的研究越来越多，截止目前，三元催化剂成为了有效遏制汽车排气污染物的手段。

4.2 广义上减少尾气污染物排放的措施

从广义的范围减少尾气中污染物排放的措施很多[4～8]，主要有以下几种方法。

(1)优化燃料品质：燃料是发动机缸内燃烧燃烧的必须包含的要素，提高燃料品质能有效降低发动机燃烧后的污染物排放。

(2)开发新燃料：目前燃料主要为燃油，可以开发更多的燃料。例如压缩天然气、页岩气、替代燃料等等，其中甲醇作为一种排放极低的燃料值得广大学者进一步研究，新的清洁燃料能大比例的降低发动机的尾气中有害物质的排放。

(3)开发新的动力装置：目前全球都在大力发展电动车，锂电池成为了其中的翘楚。从环境保护的方面来讲，电动汽车如果不考虑其全周期的排放，至少从尾气排放来比较是目前最为环保的一种方式。燃料电池和混合动力装置同样是发展的趋势，其中燃料电池汽车被外界普遍称为汽车发展的终极方向会成为近年来的研究热点。

(4)改善汽车发动机结构和燃烧性能：通过改善发动机结构优化燃烧，研发更为有效的后处理装置等等均能有效降低汽车尾气中的污染物排放

(5)开展低碳出行：提倡更多的绿色出行，国家可以采取加大电车的投入，若以后国家的交通水平能达到去任何一个地方公共交通均和私家车同样便利的能力时，便不用过多的再考虑机动车的排放问题。

4.3 重型柴油车减少尾气排放的措施

上述内容从广义上介绍了减少汽车排气污染物的措施[9～11]，结合笔者目前从事的行业，本次主要从重型柴油车排气污染物来阐述。在国际上，为实现欧 IV 及同等水平的排放标准，一种方法是通过优化燃烧，再使用选择性催化还原(SCR)来降低因燃烧产生。第二种方法便是废气再循环(EGR)+ 颗粒捕捉器(DPF)，这种组合方式能达到同时降低 NOX和 PM 的效果。

在我国，SCR 是最主要的技术路线。目前所有已经获得核准的第四阶段机型中，采用了选择性催化还原(SCR)后处理技术的机型占比为 80%。SCR 技术中尿素水溶液经过热解和水解反应生成氨气(NH3)，在催化剂的作用下氨气将柴油机尾气中有害的氮氧化合物(NOX)转化为无害的氮气(N2)和水。SCR 技术具有燃油效率高优势，也是国内大部分厂商所采用的技术路线。相比于 SCR 技术路线，EGR+DPF/DOC 技术路线的优势在于初始成本低，对封装要求低。劣势在于升国四或国五时，需要对国Ⅲ主机进行技术改进，标定的程序更为复杂；对超低硫含量的燃油及高品质润滑油的依赖；燃油经济性差。因此，已核准的国四机型中，很少采用这种技术路线。

在 EGR+DPF/DOC 技术路线基础上，有些厂家开发出一种 EGR+POC(颗粒氧化催化器，又称部分流式过滤器)的技术路线。顾名思义，POC 是一种可以捕捉并消减 PM 的装置。之所以称为部分流式，是与 DPF 的壁流式相对比，前者对 PM 消减率相对较低，而 DPF 较高。POC 技术成本更加低廉，EGR+DOC+POC后处理系统方案，价格大约可以做到 SCR 价格的 1/3～2/3，POC 相比 DPF 也要便宜很多，升级成本诱惑力较大，因此，国内机型也有一部分选择 POC 的技术路线。目前已核准的国四机型中，采用 POC 技术路线的机型占比为 16%。但是，POC 是不具备主动再生功能的，由于排气中的供氧量一定，所能反应掉的颗粒也是有上限的，如果 POC 设计减排效率过高，那么收集到的颗粒物不能及时被氧化掉，剩余的颗粒物就会越积越多，起不到真正改善排放的作用。因此，型式核准主管部门对申报的 POC 机型也一直持较为谨慎的态度。到第五阶段，目前国际上的排放技术路线较为明确，机内主要是通过高压共轨、多次喷射、EGR、增压中冷等技术来实现，机外净化主要是SCR和DPF两种方式，单体泵等技术将逐渐面临淘汰。从环境保护部型式核准情况来看，目前国五重型柴油机高压共轨所使用比率已经达到99.05%，已经成为主流技术路线，单体泵的使用率将继续降低。在后处理技术路线上，SCR技术是行业内主要选择，在国五重型柴油机机型中占据98.58%的份额，受限于技术、成本、油品和法规因素，DPF的使用率仍较低。

虽然SCR技术有诸多优点，但是因为需要加装尿素箱，所以对系统布置空间要求较高，且最终产品成本也较高。因此，对于轻型卡车来说，由于空间和成本的限制，一般很少选择SCR技术路线。从机动车环保网查询的信息显示，国四阶段，轻型柴油车大部分选择EGR+DOC的技术路线，到第五阶段，共26个核准机型中，全部采用了EGR+DOC+DPF技术路线。

5 结语

我国实现可持续发展必须将环境保护放在首位，特别是进入21世纪以来，环境污染给人们带来的压力越来越大，飞速发展的汽车行业，快速增加的汽车保有量，虽然其给人们的出行提供了很大的便利，但是汽车尾气中含有的污染物排放也越来越多，带来了一系列的环境问题。如何将汽车尾气对环境的污染降到最低成为了各个国家急需解决的难题。本文对我国汽车排气污染物的现状以及其形成机理和解决方法提出了自己的见解，最后根据笔者所从事行业从重型车排放分析了当前比较热点的解决方案，希望在专家学者的共同努力下，我国能解决汽车尾气污染带来的一系列问题，实现绿色发展。