第1章 汽車尾氣污染及排放標(biāo)準(zhǔn)概述

1.1 汽車污染物排放來源、類型及影響

在人類文明的歷史長河中，馬匹曾經(jīng)長期扮演著最重要的陸上交通運(yùn)輸工具。19世紀(jì)末，居住在世界大城市的人們依靠馬匹出行和運(yùn)輸貨物，馬匹成為支撐城市功能的一項(xiàng)不可或缺的載體。然而，這些給城市居民提供便利的馬匹帶來了人類歷史上第一個交通污染問題。無論是倫敦還是紐約，都飽受馬匹排泄物的困擾。“馬糞危機(jī)”成為當(dāng)時(shí)世界大城市的最大環(huán)境挑戰(zhàn)之一，《泰晤士報(bào)》甚至預(yù)計(jì)20世紀(jì)中葉的倫敦“每條街道都將被9英尺厚的馬糞掩埋”。

事實(shí)上，這些大城市并沒有像《泰晤士報(bào)》的預(yù)計(jì)一樣被馬糞所掩埋。隨著工業(yè)文明的快速發(fā)展，人類的道路交通工具發(fā)生著日新月異的變革，“馬糞危機(jī)”也得以順利解決。從18世紀(jì)初開始，各國機(jī)械師就不斷改進(jìn)蒸汽機(jī)并將其應(yīng)用在交通運(yùn)輸領(lǐng)域。到了19世紀(jì)八九十年代，蒸汽汽車已經(jīng)在法國和美國等地得以大規(guī)模生產(chǎn)，燃料從煤轉(zhuǎn)變成石油。1859年，法國物理學(xué)家加斯頓·普蘭特（Gaston Planté）發(fā)明了世界上第一塊可充電的鉛酸蓄電池，為后來電動汽車的誕生和應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。1885年，德國工程師卡爾·奔馳（Karl F.Benz）在另一位德國工程師尼古拉斯·奧托（Nikolaus A.Otto）發(fā)明的往復(fù)式四沖程發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上，制造了一輛裝有汽油機(jī)的三輪車，它被看作世界上的第一輛汽車。20世紀(jì)初，這些當(dāng)時(shí)先進(jìn)的汽車技術(shù)逐漸讓城市告別了帶來污染的馬匹（見圖1-1）。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，1910年美國國內(nèi)汽車數(shù)量達(dá)到了6萬輛，蒸汽汽車、電動汽車和內(nèi)燃機(jī)汽車形成了三足鼎立的態(tài)勢，其市場份額分別達(dá)到40%、38%和22%。

圖1-1 20世紀(jì)初美國市場主流汽車

注：左圖，1912年款斯坦利蒸汽汽車；中圖，1914年款底特律電力47型電動汽車；右圖，1919年款福特T型內(nèi)燃機(jī)汽車。

內(nèi)燃機(jī)汽車和電動汽車早在20世紀(jì)初期就展開過激烈的市場競爭。1913年，亨利·福特（Henry Ford）將流水線生產(chǎn)引入福特T型車的生產(chǎn)，大大提高了汽車的生產(chǎn)效率，也使得美國內(nèi)燃機(jī)汽車的銷售價(jià)格從1900年的600～3000美元降至1921年的260美元，號稱汽車產(chǎn)業(yè)工人“兩個月工資買一輛車”。1921年，福特T型車的銷量達(dá)到500萬輛，而當(dāng)時(shí)世界汽車總產(chǎn)量累計(jì)也只有約900萬輛。隨著內(nèi)燃機(jī)汽車成本的不斷下降和石油行業(yè)的蓬勃發(fā)展，電動汽車電瓶體積大和續(xù)駛里程短的問題愈發(fā)突顯，電動汽車在這場競爭中逐漸退出了歷史舞臺。電動車依靠鋰離子電池等先進(jìn)技術(shù)又一次得到商業(yè)化普及，已經(jīng)是一個世紀(jì)之后的故事了。

內(nèi)燃機(jī)汽車在交通領(lǐng)域的普及，在20世紀(jì)初重塑了美國的生活方式、社會文化和城市布局，美國也逐漸變成了一個車輪上的國家。家庭擁有了汽車，意味著居民可以不必生活在城市中心區(qū)，居住在空間更大的郊區(qū)成為當(dāng)時(shí)的潮流。石油行業(yè)的蓬勃發(fā)展和道路設(shè)施的不斷完善，促進(jìn)汽車成為每個美國家庭的必需品。20世紀(jì)前半葉，整個汽車行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步主要圍繞在經(jīng)濟(jì)性、動力性、可靠性和耐久性等要求上。人們在享受著汽車所帶來的現(xiàn)代文明初始，并未意識到汽車在使用過程中所排放的污染物會帶來新的環(huán)境問題——空氣污染。直到20世紀(jì)40～60年代洛杉磯等地爆發(fā)的煙霧（Smog，其為Smoke和Fog的合成詞）污染，才讓人們開始關(guān)注汽車所排放的大氣污染物。等到大力采取措施控制汽車尾氣排放時(shí)，距離空氣污染的爆發(fā)已經(jīng)過去了近30年。

以汽油車為例（見圖1-2），其排放的污染物可以根據(jù)來源不同分為尾氣管污染物和非尾氣管污染物。尾氣管排放的物質(zhì)既包括水蒸氣和二氧化碳（CO2）等主要燃燒產(chǎn)物及空氣組分（如氮?dú)猓舶〞绊懘髿猸h(huán)境質(zhì)量的污染物，比如碳?xì)浠衔铮℉C）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）。部分大氣污染物來自燃料的不完全燃燒，如HC、CO和PM。部分尾氣管污染物則來自油品中存在的雜質(zhì)或添加劑，例如曾被廣泛用于增強(qiáng)汽油抗爆性能的添加劑四乙基鉛會導(dǎo)致尾氣管排放含鉛污染物。

圖1-2 汽油車空氣污染物的主要排放來源

NOx包括一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2），其生成機(jī)制是氮?dú)夂透邷叵卵鯕夥纸獾难踉影l(fā)生自由基鏈反應(yīng)，生成NOx。需要指出的是，傳統(tǒng)汽油車尾氣管排放NOx主要是以NO的形式存在的，其占NOx的體積比例達(dá)到90%甚至95%以上，NO在大氣環(huán)境中被大氣氧化劑氧化成NO2。目前NO2是世界上各國環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的法規(guī)污染物，因此機(jī)動車排放法規(guī)常將NO根據(jù)摩爾數(shù)折算成NO2進(jìn)而計(jì)算NOx的質(zhì)量。由于NOx和其他氣態(tài)污染物（如CO和HC）的生成機(jī)制不同，針對NOx尾氣管排放的控制技術(shù)也有所差異，這在早期汽油車（如美國1981年以前）的排放控制策略發(fā)展中體現(xiàn)得非常明顯（詳見1.3節(jié)）。

和汽油車不同，柴油車采用壓燃式發(fā)動機(jī)，以擴(kuò)散燃燒的方式實(shí)現(xiàn)著火燃燒。與采用點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)和預(yù)混燃燒的傳統(tǒng)汽油車相比，柴油機(jī)具有更高的熱效率和燃油經(jīng)濟(jì)性（即排放相對較少的CO2），不完全燃燒產(chǎn)物（如HC）較少。但柴油的擴(kuò)散燃燒會存在混合氣濃度不均勻的問題，容易產(chǎn)生黑碳（Black Carbon，或稱為積碳，Soot），并且高溫和富氧燃燒條件也使柴油機(jī)的NOx排放濃度升高。如何在保證經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上重點(diǎn)解決柴油車NOx和顆粒物的尾氣管排放問題成為近年來柴油車排放控制技術(shù)的最主要工作。此外，為了提高燃油經(jīng)濟(jì)性，近年來汽油車大量發(fā)展汽油缸內(nèi)直噴或汽油直噴（Gasoline Direct Injection，GDI）發(fā)動機(jī)技術(shù)。和傳統(tǒng)汽油機(jī)相比，控制GDI發(fā)動機(jī)的顆粒物排放是目前機(jī)動車尾氣控制方面的一項(xiàng)重要工作。

非尾氣管排放主要包括HC的曲軸箱排放和蒸發(fā)排放（HC的非尾氣管排放主要來自汽油車），以及來自輪胎和剎車片等汽車部件磨損導(dǎo)致的顆粒物非燃燒排放。HC蒸發(fā)排放來源復(fù)雜，包括晝夜溫差或停車過程導(dǎo)致油箱汽油蒸氣壓變化的排放、運(yùn)行過程油箱受熱損耗的排放、油氣通過燃料系統(tǒng)組件滲透出來的排放和加油過程中的排放。隨著汽油車排放控制進(jìn)程的發(fā)展，不同來源的污染物排放得到先后不同程度的關(guān)注。以HC為例，20世紀(jì)60年代引入的曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)首先幫助新車解決了曲軸箱泄漏的問題；隨后從1980年起不斷加嚴(yán)的尾氣管排放限值使得目前先進(jìn)汽油車的尾氣管HC排放控制在較低的水平。目前，中國國六排放標(biāo)準(zhǔn)部分地借鑒了美國的經(jīng)驗(yàn)，加嚴(yán)了蒸發(fā)排放控制要求（即采用48小時(shí)晝夜蒸發(fā)測試循環(huán)），采用更先進(jìn)的蒸發(fā)排放控制技術(shù)（如車載油氣回收系統(tǒng)（ORVR））成為重要的發(fā)展趨勢。