第1章 汽車尾氣污染及排放標準概述

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，馬匹曾經長期扮演著最重要的陸上交通運輸工具。19世紀末，居住在世界大城市的人們依靠馬匹出行和運輸貨物，馬匹成為支撐城市功能的一項不可或缺的載體。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”成為當時世界大城市的最大環境挑戰之一，《泰晤士報》甚至預計20世紀中葉的倫敦“每條街道都將被9英尺厚的馬糞掩埋”。

事實上，這些大城市并沒有像《泰晤士報》的預計一樣被馬糞所掩埋。隨著工業文明的快速發展，人類的道路交通工具發生著日新月異的變革，“馬糞危機”也得以順利解決。從18世紀初開始，各國機械師就不斷改進蒸汽機并將其應用在交通運輸領域。到了19世紀八九十年代，蒸汽汽車已經在法國和美國等地得以大規模生產，燃料從煤轉變成石油。1859年，法國物理學家加斯頓·普蘭特（Gaston Planté）發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用奠定了技術基礎。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）發明的往復式四沖程發動機的基礎上，制造了一輛裝有汽油機的三輪車，它被看作世界上的第一輛汽車。20世紀初，這些當時先進的汽車技術逐漸讓城市告別了帶來污染的馬匹（見圖1-1）。根據統計，1910年美國國內汽車數量達到了6萬輛，蒸汽汽車、電動汽車和內燃機汽車形成了三足鼎立的態勢，其市場份額分別達到40%、38%和22%。

圖1-1 20世紀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型內燃機汽車。

內燃機汽車和電動汽車早在20世紀初期就展開過激烈的市場競爭。1913年，亨利·福特（Henry Ford）將流水線生產引入福特T型車的生產，大大提高了汽車的生產效率，也使得美國內燃機汽車的銷售價格從1900年的600～3000美元降至1921年的260美元，號稱汽車產業工人“兩個月工資買一輛車”。1921年，福特T型車的銷量達到500萬輛，而當時世界汽車總產量累計也只有約900萬輛。隨著內燃機汽車成本的不斷下降和石油行業的蓬勃發展，電動汽車電瓶體積大和續駛里程短的問題愈發突顯，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技術又一次得到商業化普及，已經是一個世紀之后的故事了。

內燃機汽車在交通領域的普及，在20世紀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，居住在空間更大的郊區成為當時的潮流。石油行業的蓬勃發展和道路設施的不斷完善，促進汽車成為每個美國家庭的必需品。20世紀前半葉，整個汽車行業技術的進步主要圍繞在經濟性、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境問題——空氣污染。直到20世紀40～60年代洛杉磯等地爆發的煙霧（Smog，其為Smoke和Fog的合成詞）污染，才讓人們開始關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，距離空氣污染的爆發已經過去了近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。尾氣管排放的物質既包括水蒸氣和二氧化碳（CO2）等主要燃燒產物及空氣組分（如氮氣），也包括會影響大氣環境質量的污染物，比如碳氫化合物（HC）、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或添加劑，例如曾被廣泛用于增強汽油抗爆性能的添加劑四乙基鉛會導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），其生成機制是氮氣和高溫下氧氣分解的氧原子發生自由基鏈反應，生成NOx。需要指出的是，傳統汽油車尾氣管排放NOx主要是以NO的形式存在的，其占NOx的體積比例達到90%甚至95%以上，NO在大氣環境中被大氣氧化劑氧化成NO2。目前NO2是世界上各國環境空氣質量標準所規定的法規污染物，因此機動車排放法規常將NO根據摩爾數折算成NO2進而計算NOx的質量。由于NOx和其他氣態污染物（如CO和HC）的生成機制不同，針對NOx尾氣管排放的控制技術也有所差異，這在早期汽油車（如美國1981年以前）的排放控制策略發展中體現得非常明顯（詳見1.3節）。

和汽油車不同，柴油車采用壓燃式發動機，以擴散燃燒的方式實現著火燃燒。與采用點燃式發動機和預混燃燒的傳統汽油車相比，柴油機具有更高的熱效率和燃油經濟性（即排放相對較少的CO2），不完全燃燒產物（如HC）較少。但柴油的擴散燃燒會存在混合氣濃度不均勻的問題，容易產生黑碳（Black Carbon，或稱為積碳，Soot），并且高溫和富氧燃燒條件也使柴油機的NOx排放濃度升高。如何在保證經濟性的基礎上重點解決柴油車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的最主要工作。此外，為了提高燃油經濟性，近年來汽油車大量發展汽油缸內直噴或汽油直噴（Gasoline Direct Injection，GDI）發動機技術。和傳統汽油機相比，控制GDI發動機的顆粒物排放是目前機動車尾氣控制方面的一項重要工作。

非尾氣管排放主要包括HC的曲軸箱排放和蒸發排放（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致的顆粒物非燃燒排放。HC蒸發排放來源復雜，包括晝夜溫差或停車過程導致油箱汽油蒸氣壓變化的排放、運行過程油箱受熱損耗的排放、油氣通過燃料系統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程的發展，不同來源的污染物排放得到先后不同程度的關注。以HC為例，20世紀60年代引入的曲軸箱強制通風系統首先幫助新車解決了曲軸箱泄漏的問題；隨后從1980年起不斷加嚴的尾氣管排放限值使得目前先進汽油車的尾氣管HC排放控制在較低的水平。目前，中國國六排放標準部分地借鑒了美國的經驗，加嚴了蒸發排放控制要求（即采用48小時晝夜蒸發測試循環），采用更先進的蒸發排放控制技術（如車載油氣回收系統（ORVR））成為重要的發展趨勢。