汽车排放与污染——汽车燃料.doc

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汽车排放与污染　　——汽车燃料摘　要：目前，内燃机汽车的发展正面临着能源、环保和安全的严峻挑战。本文主要介绍了汽车排放物生成特征及汽车排放分析与环境污染,使用环保车的趋势.介绍了已经开发使用的代用燃料氢气、甲醇、乙醇、新配方汽油、天然气、液化石油气，以及电动汽车等，并对代用燃料车和汽油车的环境安全性、成本、能源消耗等方面作了比较，指出了天然气、液化石油气是当前最有前途的代用燃料。　　　　关键字：大气污染排放物污染物环境污染空燃比净化分析与控制代用燃料清洁燃料汽车应用　　　　　　随着城市经济的发展、汽车保有量的增加，汽车排放污染问题已成为世界普遍关注的焦点。世界各国陆续采取各种对策、措施以减少汽车排放污染，保护人类赖以生存的大气环境。环境是人类生存和发展的基础，多数国家在控制汽车污染时主要是围绕着新生产车排放控制、在用车排放控制、提高燃油质量、改善交通状况和发展公共交通等四个方面采取综合性对策措施。[1] 汽车技术、建筑技术与环境保护是衡量一个国家工业化水平高低的三大标志。人们说汽车业与电子业是世界工业的两大金字塔。汽车工业是国民经济的支柱产业，是衡量一个国家工业化水平的重要标志。迄今为止，还没有任何一种商品能取代汽车在全球出口贸易中第一大商品的地位。汽车是一种重要的交通运输工具，自从德国工程师卡尔奔驰1886年1月29日发明汽车以来，汽车已为人类做出了不可磨灭的贡献。勿庸置疑，汽车在造福人类的同时，也带来了能源短缺、排气污染与噪声污染、交通堵塞与交通事故等一系列社会问题。[2]汽车以内燃机作为动力源，尾气排放的污染物主要有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、微粒、还有少量的醛、含铅颗粒物以及硫的氧化物等，在一定程度上对人及动植物产生不良影响。[4]排放的主要来源有三个：(1)从发动机排气管排出的废气。如果燃料在发动机内完全燃烧，将主要产生CO2和H2O。但高速内燃机燃烧过程不充分，排气中出现不完全燃烧产物CO和HC，且高温情况下使空气中的氮氧化生成NOX。其它还有SO及SO3、铅化合物、碳烟等；(2)窜气，即从活塞与气缸之间的间隙漏出，再由曲轴箱经排气管排出的气体，其主要成分为HC；(3)从油箱、化油器浮子室以及油泵接头等处蒸发的燃油蒸气，成分是HC。汽车所造成的环境污染表现为局部地区的都市型环境污染和地球环境污染两个方面。前者主要表现为大气污染、噪声污染及粉尘微粒等，后者表现为地球温暖化、大气臭氧层的破坏以及出现的酸雨等。[4]研究结果表明：北京市大气中HC的73.5%、CO的63.4%、NOx的46%来自机动车排放，特别是非采暖期机动车排气的污染所占的比例更高，HC占79.1%、CO占80.3%、NOx占54.8%。因为机动车的排放位置低，接近呼吸带和采样点，实际对环境浓度的分担率达70%以上。汽车尾气排放的CO、NOx日益严重，主要街道路口，人行横道两项污染物全部超标。“七五”期间主要干道交通的CO为5.7mg/m，NOx为132μg/m，“八五”期间达到6.5 mg/m和174μg/m，分别增加了54%和24%，是国家标准的1.6和3.48倍。[9]北京市区各种机动车和专用机动车NOx排放情况见表1、表2。表1 市区各种机动车NOx排放情况车型 Nox排放量　万吨/年分担率　% 轿车 4.18 29 轻型车（含微面） 2.1 23 中型车 2.0 14 重型汽油车 2.2 15 重型柴油车 2.7 18.8 摩托车 1.22 0.2 合计 14.1 100 表2 市区专用机动车NOx排放情况　 NOx排放量万吨/年分担率 % 公共汽车 1.1 7.5 出租车 2.9 20 小公共汽车 0.5 3.6 邮政车 0.16 1.1 环卫车 0.46 3.2 合计 5.12 36 噪声是现代生活方式中产生的对人们的生活、工作及心理、生理上有不利影响的声音。噪声污染是一种能量污染，具有分散性、时间性、无残留性等特点，所以，噪声是一感觉性公害，其对人的影响程度与人的生理、心理状况相关，而且无后效应。影响区域主要是敏感地区学校、住宅区、商业区、公园等。[3]车辆噪声的构成包括以下几个部分:(1)燃烧噪声 [15] 指内燃机工作时,由于气缸内的气体压力周期性变化而产生的噪声.(2)进气和排气噪声指内燃机工作时,气体经过进气管和排气管高速流动所产生的噪声.(3)风扇运转噪声(4)机械噪声指车辆行驶时,车辆的各种机构运动件之间经及运动件和固定件之间,周期性变化的作用力所产生的噪声.(5)轮胎噪声包括车辆行驶轮胎在地面滚动时,由于轮胎花纹间的空气流动和轮胎四周空气扰动形成的空气噪声、轮胎胎体和花纹弹性变形振动面激发的振动噪声以及由于路面不平造成的轮胎与道路间的冲击噪声（车辆急转弯或紧刹车时振动和冲击噪声会明显增大）。(6)车身噪声车辆行驶时，车身和空气的磨擦、冲击经及车体的各板壁结构在发动机和凹凸不平的路面振动激励下产生的噪声。它是各种客车和载货车驾驶室内部产生的主要原因之一。以上六种噪声，前三种为与燃机动转有关的噪声，后三种为与汽车行驶有关的噪声。[3] 一氧化碳是一种无色无味的有毒气体，是大气中几种主要的污染物质之一，它与人体血液中的血红蛋白发生加合作用，生成羰合血红蛋白，使血红蛋白失去输氧能力，使人体严重缺氧，严重时可使人窒息。空气中含量为0.1％，就会引起中毒，如果含量大于1％，有可能致人死亡。另外，一氧化碳可参与光化学烟雾形成的反应造成危害。[16] 氮氧化物中毒性大的主要是NO，对人体的呼吸器官有刺激作用，会引起气管炎、肺炎、甚至肺气肿。[16] 机动车排放的污染物还可能引起光化学烟雾。光化学烟雾是汽车尾气的二次污染物，与机动车排放的HC、NOx有关。其中臭氧（O）主要是对鼻、眼、呼吸道有刺激作用，对肺功能有影响。机动车排放的废气，特别是柴油车排放的颗粒物中还有致癌物3.4-苯并芘。随着人类生活条件的改善和生活水平的提高，世界汽车和国有汽车年产量、保有量及其消耗石油量逐年增加是必然的。目前，环境保护已经成为人类社会可持续发展战略的核心问题。众所周知，城市空气污染物大部分来自汽车的排放物。综上所述，地球环境遭受的污染愈来愈严重。因此，汽车工业必须与时俱进，不断开发研制技术先进、性能优良的汽车产品，用以满足环境保护、交通管理等政策和法规越来越严格限制的要求。内燃机汽车经过近120年的发展，逐步实现了机电一体化和电子化，名副其实地达到了技术先进、性能优良、物美价廉的境界，在节能、环保、安全等方面也取得了重大进步。[1]目前，内燃机汽车的发展正面临着严峻的挑战：能源问题、环境保护问题、交通安全问题等。就目前技术水平而言，解决上述问题的有效途径主要有：（１）采取电子控制技术，提高汽车整体性能；（２）实施不断严格的油耗、排放和安全法规；（３）开发研究新能源、燃用替代燃料；（４）开发电动汽车和混合动力汽车。[2] 随着汽车工业的发展，汽车数量的激增在促进经济和社会发展的同时，也加剧了石油资源短缺、生态环境日益恶化等一系列社会问题，尤其是汽车的有害排放物对人类及其生存环境所造成的危害日益严重，内燃机汽车的发展正面临着能源、环保和安全的严峻挑战。因此，大力开发和推进使用非燃油车用清洁燃料将大大改善大气环境，并减少国家对进口石油的依赖，这不仅有利于国家经济的高速、持续、健康发展，并且有利于国家能源安全。合理地利用资源及保护生态环境是当今社会对汽车产品及其设计和制造者们提出的基本要求。清洁燃料汽车已经成为汽车工业发展的主要方向。清洁燃料汽车是指能够满足更加严格的排放标准的车辆。这里说的“清洁燃料”，确切地讲，[12]应为“低排放燃料”，主要是指对环境的污染而言，即该种燃料所含的能量在转变为车辆动力的能量转换过程中对环境所造成的危害较少。[5] 以下介绍有关车用清洁燃料和清洁燃料汽车方面的一些基本情况： 1.车用清洁燃料　　美国清洁空气条例（CAA）对车用清洁燃料的定义是：能使汽车排气污染，低于常规汽油或柴油的燃料或能源。由于不同的国家或地区对汽车排气污染的限制标准有所不同，以及不同车辆在性能方面（主要是汽车供燃系统和发动机的性能）存在差异，因此，只能对汽车使用的清洁燃料作出这样的界定。随着各国、各地区对汽车排放污染物的限值日趋严格，且在排放限值方面又存在着较大差异，因此，只有能使汽车排放的污染物低于在汽车行驶国家或地区法定的汽车排放限值的车用燃料，才能被认为是清洁燃料。[17]对当前的我国情况而言，能使汽车排气达到我国于2000年1月1日颁布实施的汽车排放强制性国家标准GB14761—1999，GB17691—1999，GB3847—1999的车用燃料，在中国范围内就应被认为是清洁燃料。[8] 就当前情况看，使用得较多的车用清洁燃料有：天然气、液化石油气、醇类和汽油的混合物，电（包括带料净化和重整系统的车用燃料电池），以及新配方汽油。使用除新配方汽油外的这些车用清洁燃料将会减少车用燃油的消耗，在当今世界石油供应短缺，石油价格居高不下的景况下，尤具重大意义。[7] 我国石油石化行业当前提供的非燃油车用清洁燃料主要有：商品天然气，包括管输商品天然气和液化石油气。液化石油气，包括油气田处理装置分馏出来的以丙烷、丁烷为主要成份的液化石油气，以及石油炼制工厂生产的以丙烷、丙烯和丁烷、丁烯为主要成份，但其烯烃含量达到车用要求的液化石油气。商品天然气和液化石油气是当前国内外使用得最多的非燃油车用清洁燃料。[10] 随着全球经济的发展，汽车保有量逐年增加，汽车尾气对环境的污染也日益加重，已成为空气污染的主要来源之一。因此，汽车制造商在不断完善发动机的燃烧系统，采用先进的电子控制技术和高性能的污染物净化装置，使用无铅汽油等的同时，投入巨额资金，研制污染排放少、有利于环境保护的代用燃料汽车。[8]就世界范围而言，最成功的代用燃料是液化石油气(LPG)和压缩天然气(CNG)。80年代后，各种代用燃料汽车及电动汽车成了研究开发清洁燃料的热门。代用燃料的种类及环境污染分析：[7] １.氢气(H2) H2主要用作宇宙飞船、航天飞机等尖端科技产品的燃料，现发展到应用在汽车上。燃氢发动机可在空气过量系数(λ)较大的范围内稳定燃烧，点火能量低，不到汽油最低点火能量的1/10，而且氢燃料的火焰传播速度快，低温条件下易起动。汽油车较容易改成H2车，其排放物主要是H2O、N2、O2和少量NOx。主要缺点为沸点低(约-253℃)，H2以液态方式储存时成本高，易受外部温度影响而蒸发，不适宜长期储存，还有爆炸、回火、早燃等问题尚待解决。若解决了成本及储存等问题，则有可能批量使用。２.乙醇乙醇是最早开发的代用燃料，乙醇汽油混合燃料在美国已应用多年。纯乙醇作燃料具有非常低的碳氢化合物(HC)和有毒物排放，被认为是理想的燃料。乙醇可从谷物、纤维素等生物可再生资源中产生，但其成本太高，约为汽油的两倍以上，若制作技术上无重大突破，很难广泛推广。３.甲醇甲醇是从天然气、石油和煤炭中提取的，其中一半以上来自天然气。甲醇具有高辛烷值、低发热量、低污染和无排烟等特点。甲醇燃烧完全，可减少20%~50%HC的排放，设计先进的发动机可减少90%，颗粒物及NOX排放也很低。此外，其挥发性低，加油和行驶过程中蒸发损失小。目前，商用甲醇主要为M85(80%甲醇+15%汽油)和M100，M100性能优于M85，具有更大的环境优越性。甲醇毒性大，有腐蚀性，其生产过程是从能源的一种状态转换到另一种状态，能源利用率低。４.天然气(NG) NG的主要成份是甲烷(一般为83%~99%)及少量烃类和CO2等。NG的使用形式主要有压缩天然气(CNG，150MPa~120MPa)、液化天然气(LNG,-162℃)及能量密度很小的吸附天然气(ANG)。 NG具有较高的辛烷值，与汽油相比，燃烧更完全。据美国EPA报告，NG汽车可以降低40%的HC排放，50%的CO排放，无排烟，而且排放的HC化合物90%为甲烷类物质，光化学反应低，现有技术尚可进一步降低污染物的排放。完全符合各国有关的环境排放标准。NG汽车噪声小。 LNG制造成本相对较高，其储存容器的绝热性(甲烷易蒸发，沸点-162℃)是制约其发展的重要原因之一。但NG一般比汽油、柴油价格低。５.液化石油气(LPG)[11] LPG的主要成份是丙烷及少量丁烷、乙烷和极少量戊烷。LPG辛烷值较高，燃料费比液氢、酒精、汽油、柴油等便宜，CO、NOX等气体排放量低于内燃机汽车，基本上不排黑烟和颗粒物(PM)，且所排气体无臭味，发动机工作噪音低，完全能满足2000年对现代汽车的使用要求。有试验表明，在90km/h~120km/h行驶状态下，能量消耗下降了6%~10%，HC排气污染下降了49%，CO排放量下降了91%，NOX下降了16%。６.新配方汽油新配方汽油是过去20年来对汽油组成的第5次重大改进。美国EPA规定，新配方汽油至少含2%的氧、低于1%的苯肼物、不含铅及任何其他重金属，同时加入高级活性剂，以防止组分沉淀；与传统汽油相比，各种污染物排放可降低15%～17%，适用于所有车辆，但制作成本略高。美国EPA宣称，新配方汽油计划是继汽油中的铅被禁止以来最重要的环境燃料计划。７.复合燃料（１）植物油植物油汽车的最大优点是不污染环境，其燃烧产物不含SO2、CO2，碳粒也少，但含有害的乙醛。用其替代柴油时，汽车发动机不用改装。目前，已研制成功并投入使用的植物油型燃料有菜籽油、棉籽油、棕榈油、豆油、甲醇酯混合油等。植物油多与柴油混合使用。植物油成本高，能量消耗高，只能作为补偿能源。（２）水乳化燃料水乳化燃料是在轻油和重油中加入适量乳化剂(水合成剂)形成的稳定燃料，能使排放物中的碳烟粒和NOX降低30%左右，而且还能有效地降低油耗(柴油3%左右，汽油10%左右)。此外，水乳化燃料安全，便于储存和运输。（３）柴油与甲醇、水的复合燃料柴油与甲醇、水的复合燃料具有乳化剂用量少、稳定期长、热值较高等特点，可使用含水的粗甲醇，燃料成本较低。８.复式动力汽车日产公司研制的液(气)压蓄能复式动力客车，利用汽车制动时蓄能、加速时释能的原理，使此类车比柴油车排放的NOX降低2.7%，黑烟减少20%。若发动机为燃用甲醇的直喷式柴油机，NOX可减少50%；使用LPG柴油机，黑烟可减少40%。但此类车需增加一定的设备，质量亦较大，成本相对较高，工作时噪音大。９.电动汽车(EV)[2] EV作为“零排放”汽车，已成为当前汽车行业的热点。有人预言，21世纪将是电动汽车的时代。利用氢和氧的逆电解反应，这就是燃料电池的基本原理。燃料电池拥有其他动力系统没有的独特优点：产生电能的过程不生产任何污染物，而且氢作为一种能源，尽管是以水这样的化合物存在，但是取之不尽。这对于节约矿物资源并减少二氧化碳排放十分重要。电动汽车本身并不排放CO、NOX、CO2和其它有害气体，但电能制造方法可造成环境污染，若电能取之于非化石燃料(如太阳能、核能)，则几乎无气体排放；若取之于煤炭等化石燃料，则主要是化石燃料的污染问题，比汽车流动污染易控制。目前使用的电池90%为铅酸电池，一辆铅酸电池汽车铅需要量是汽车的80倍。汽车代用燃料的比较[18] 1. CO2排放各种代用燃料汽车CO2的排放量可降低为，甲醇车1.9%、NG汽车21%、LPG汽车40%、氢气汽车70%、EV(太阳能、核能)几乎为100%。 2. 单位行程单位行程是燃料的一个重要特征参数。目前尚无一种代用燃料车可与传统汽油车的单位行程媲美。新配方汽油为汽油的92%~98%；其次为LPG和甲醇，约为汽油的60%；NG可达汽油的50%；EV目前一次充电的行程仅为汽油车的10%~20%。 3. 成本 NG成本低，但需建立专门的储运系统，因而，设施投资较大。M85的推广，只需对汽车发动机和加油系统稍加改进，但制造成本高，单位行程偏低，使成本增加。LPG制造成本约为汽油的2/3，但储运、加油需较大的投资。生物油生产成本高，只能作补偿能源。国内外推广代用燃料的情况[13] 清洁燃料汽车是以清洁燃料取代传统汽油的环保型汽车，是减少汽车污染物排放的重要措施之一。车用清洁燃料的研究在世界上已有40多年历史，目前在日本、美国、加拿大、新西兰、澳大利亚等国家使用燃气汽车，其相关技术和设备日益成熟，正逐步走向商品化。美国、日本、欧洲是当今世界3个代用燃料开发、研究、使用的主体，而且都制订了相应的法规政策，以确保代用燃料的推广使用。 1988年，美国汽车替代燃料法(AMFA)提出鼓励、推广和使用代用燃料车。1990年的空气清洁法案，提出汽车燃料要作为降低汽车污染物排放的手段来考虑。1992年实施的美国能源政策法，进一步提倡非石油燃料的使用，以降低石油消耗，资助清洁燃料的发展。用立法形式推广使用代用燃料汽车，目的是改善空气质量，保证CO、O3形式的前体物及PM等符合空气质量标准。日本从1996年起控制汽油车的CO排放，以后陆续制订了其他的汽车排放污染物标准和法规；从减少CO2排放角度出发，制订了代用燃料车推广日程表；要使目前汽车CO2排放量降低30%，同时要解决石油燃料的不足。若全部使用代用燃料车仍不能使CO2排放量降到1990年水平，则扩大电动汽车(EV)的使用率。欧洲从1970年起控制汽油车的污染排放，以后每隔3~4年修改加严一次，并实施“绿色”税制，其法规在各国是自愿实施的。欧洲是环保技术较发达地区，在德国、荷兰、英国、法国、瑞典等国已大量使用各种代用燃料及电动汽车。 1982年，我国颁布了大气质量标准，1987年和1990年分别颁布了《大气污染防治法》和《标准化法》，为汽车排放限值标准的制订和实施提供了法律依据。汽车代用燃料及应用前景：[11] 与燃用汽油和柴油相比，燃气汽车具有良好的排放性能，基于环境保护和优化能源结构的考虑，天然气和液化石油气被视为21纪最有前途的汽车代用燃料。随着环保法规的日趋严格和技术不断进步，燃气汽车第三代技术以电控喷射为特征，匹配闭环控制和专用三元催化净化装置，绝大部分为专用燃气汽车，新车所占比例很高。排放性能可达到欧洲3号、4号法规限值和美国加州超低排放车标准，动力性与汽油和柴油接近。具体排放减少效果如下：液化石油气车辆：排放CO降85-95%，HC降85-95%，NOx降80-90%；天然气车辆：排放CO降90-99%，HC降90-99%，NOx降85-95%。我国天然气资源十分丰富，NG及LPG汽车已进入实施阶段，现有5000辆NG汽车；1988年，中国石油天然气总公司进行CNG汽车试运行，至今运行情况良好；上海、广州、深圳、哈尔滨、成都、西安等地代用燃料车等都已驶上街头。目前我们采用的清洁车用燃料主要是压缩天然气（CNG）和液化石油气（LPG），与使用汽油相比，尾气排放中的污染物大大降低，实际测试情况如表３。[9] 污染物液化石油气压缩天然气 CO 下降70%-80% 下降80%-90% HA 下降40%左右下降40%左右 NOx 下降10%-20% 下降30%左右从测试情况看，使用CNG的效果要好于LPG。但是建设用样规模的CNG加气站，投资大约等于LPG加气站5倍以上，且受到管网等条件的制约，这就给初期建设带来了一定的困难，投资大了，必然建站少；建站少，也就必然发展慢。使用代用燃料往往是出于当地的环保状况和资源情况的考虑，而无论使用以上哪一种燃料，都有其一定的利弊，因此必须具体分析应用。因此，对于有固定、集中停车场的车辆，如公共汽车、环卫车、邮电车以及运输公司的货运车等，应尽量考虑使用天然气，在近期没有条件供应天然气时，才考虑使用液化石油气。对于流动性比较大的出租车，近期以使用液化石油气为主。[9] 目前世界电动汽车和燃氢汽车的研究已有了初步的进展。[8]汽车的燃料应用将冲破维持了一个世纪之久的燃油科技的樊篱，实现了汽车的“能源革命”。近日，在此间召开的第六届中国亚洲清洁燃料国际研讨会上，国家发展和改革委员会产业政策司司长刘治表示，我国要大力发展车用替代能源，以及替代燃料汽车和清洁燃料汽车。近十年的数据显示，我国机动车每年大约消耗全国汽油总产量的85％、柴油总产量的20％，机动车燃油消耗已成为石油消耗最大的用户之一。[10]随着我国汽车保有量的快速增长，将导致石油供需方面的矛盾和压力越来越突出。而经济型汽车在节油方面具有自身的比较优势。一般而言，在油耗方面，以每辆车平均年行驶里程2万公里计算，一辆1L轿车，每年比2L轿车节省汽油约0．7吨，节油效果十分明显。刘治说，为了达到2010年汽车的平均油耗降低15％的目标，近期国家汽车产业政策的导向是，加快中型客车柴油化，提高轻型柴油货车、客车比例，开发和生产柴油轿车和微型车；[6]提高燃气公共汽车和出租车产量，推进电动汽车、混合动力、燃料电池汽车的研究开发和产业化。从提高能源利用率和替代石油的战略出发，大力发展车用替代能源、替代燃料汽车、清洁燃料汽车。支持研究开发醇燃料、天然气、混合燃料、氢燃料等新型车用燃料，鼓励开发生产新型燃料汽车。[8] 参考文献： 1．《汽车新技术》舒华、姚国平编著国防工业出版社 2005年4月第1版 2．《燃料电池电动汽车》陈全世、仇斌、谢起成等编著清华大学出版社 3．《汽车噪声与排放控制》吴森、朱杰　　汽车工业大学出版社 4．《汽车污染与控制》　吉林科学技术出版社　2001年5月 5．《清洁燃料汽车》郝利君主编中国劳动社会保障出版社 2001年2月第1版 6．车用大功率燃料电池发动机动力系统平台　　《清华大学学报（自然科学版）》　　　　　2006 年第 2 期 7．我国节能和环保型汽车的研制与开发　《交通运输系统工程与信息》　 2006 年第 1 期 8．绿色汽车的研究现状与发展方向《现代机械》 2005 年第 6 期 9．天然气可成为理想的汽车燃料等　《北京节能》　1998 年第 02 期 10．液化石油气汽车的经济效益和环境效益　《北方环境》　2001 年第 2 期 11．LNG燃料汽车的发展前景　《天然气工业》 2005 年第 11 期 12．无排放汽车探析《武警工程学院学报》 2002 年第 2 期 13．国外先进技术汽车的现状与展望　《世界环境》 2001 年第 3 期 14．根据排放成分确定空燃比的研究　内燃机学报　2000年10月 15．基于运行循环的车辆污染物控制与节能技术研究　　农业机械学报　2002年8月 16．汽车排气催化转化装置工作过程的研究　　内燃机学报　2002年11月 17．《轻型汽车排气污染物排放标准》（1999年1月1日起执行） 18．汽车排放污染的控制技术和控制　　四川工业学院学报　010109

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