第1章 汽车尾气污染及排放标准概述

1.1 汽车污染物排放来源、类型及影响

在人类文明的历史长河中，马匹曾经长期扮演着最重要的陆上交通运输工具。19世纪末，居住在世界大城市的人们依靠马匹出行和运输货物，马匹成为支撑城市功能的一项不可或缺的载体。然而，这些给城市居民提供便利的马匹带来了人类历史上第一个交通污染问题。无论是伦敦还是纽约，都饱受马匹排泄物的困扰。“马粪危机”成为当时世界大城市的最大环境挑战之一，《泰晤士报》甚至预计20世纪中叶的伦敦“每条街道都将被9英尺厚的马粪掩埋”。

事实上，这些大城市并没有像《泰晤士报》的预计一样被马粪所掩埋。随着工业文明的快速发展，人类的道路交通工具发生着日新月异的变革，“马粪危机”也得以顺利解决。从18世纪初开始，各国机械师就不断改进蒸汽机并将其应用在交通运输领域。到了19世纪八九十年代，蒸汽汽车已经在法国和美国等地得以大规模生产，燃料从煤转变成石油。1859年，法国物理学家加斯顿·普兰特（Gaston Planté）发明了世界上第一块可充电的铅酸蓄电池，为后来电动汽车的诞生和应用奠定了技术基础。1885年，德国工程师卡尔·奔驰（Karl F.Benz）在另一位德国工程师尼古拉斯·奥托（Nikolaus A.Otto）发明的往复式四冲程发动机的基础上，制造了一辆装有汽油机的三轮车，它被看作世界上的第一辆汽车。20世纪初，这些当时先进的汽车技术逐渐让城市告别了带来污染的马匹（见图1-1）。根据统计，1910年美国国内汽车数量达到了6万辆，蒸汽汽车、电动汽车和内燃机汽车形成了三足鼎立的态势，其市场份额分别达到40%、38%和22%。

图1-1 20世纪初美国市场主流汽车

注：左图，1912年款斯坦利蒸汽汽车；中图，1914年款底特律电力47型电动汽车；右图，1919年款福特T型内燃机汽车。

内燃机汽车和电动汽车早在20世纪初期就展开过激烈的市场竞争。1913年，亨利·福特（Henry Ford）将流水线生产引入福特T型车的生产，大大提高了汽车的生产效率，也使得美国内燃机汽车的销售价格从1900年的600～3000美元降至1921年的260美元，号称汽车产业工人“两个月工资买一辆车”。1921年，福特T型车的销量达到500万辆，而当时世界汽车总产量累计也只有约900万辆。随着内燃机汽车成本的不断下降和石油行业的蓬勃发展，电动汽车电瓶体积大和续驶里程短的问题愈发突显，电动汽车在这场竞争中逐渐退出了历史舞台。电动车依靠锂离子电池等先进技术又一次得到商业化普及，已经是一个世纪之后的故事了。

内燃机汽车在交通领域的普及，在20世纪初重塑了美国的生活方式、社会文化和城市布局，美国也逐渐变成了一个车轮上的国家。家庭拥有了汽车，意味着居民可以不必生活在城市中心区，居住在空间更大的郊区成为当时的潮流。石油行业的蓬勃发展和道路设施的不断完善，促进汽车成为每个美国家庭的必需品。20世纪前半叶，整个汽车行业技术的进步主要围绕在经济性、动力性、可靠性和耐久性等要求上。人们在享受着汽车所带来的现代文明初始，并未意识到汽车在使用过程中所排放的污染物会带来新的环境问题——空气污染。直到20世纪40～60年代洛杉矶等地爆发的烟雾（Smog，其为Smoke和Fog的合成词）污染，才让人们开始关注汽车所排放的大气污染物。等到大力采取措施控制汽车尾气排放时，距离空气污染的爆发已经过去了近30年。

以汽油车为例（见图1-2），其排放的污染物可以根据来源不同分为尾气管污染物和非尾气管污染物。尾气管排放的物质既包括水蒸气和二氧化碳（CO2）等主要燃烧产物及空气组分（如氮气），也包括会影响大气环境质量的污染物，比如碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）。部分大气污染物来自燃料的不完全燃烧，如HC、CO和PM。部分尾气管污染物则来自油品中存在的杂质或添加剂，例如曾被广泛用于增强汽油抗爆性能的添加剂四乙基铅会导致尾气管排放含铅污染物。

图1-2 汽油车空气污染物的主要排放来源

NOx包括一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2），其生成机制是氮气和高温下氧气分解的氧原子发生自由基链反应，生成NOx。需要指出的是，传统汽油车尾气管排放NOx主要是以NO的形式存在的，其占NOx的体积比例达到90%甚至95%以上，NO在大气环境中被大气氧化剂氧化成NO2。目前NO2是世界上各国环境空气质量标准所规定的法规污染物，因此机动车排放法规常将NO根据摩尔数折算成NO2进而计算NOx的质量。由于NOx和其他气态污染物（如CO和HC）的生成机制不同，针对NOx尾气管排放的控制技术也有所差异，这在早期汽油车（如美国1981年以前）的排放控制策略发展中体现得非常明显（详见1.3节）。

和汽油车不同，柴油车采用压燃式发动机，以扩散燃烧的方式实现着火燃烧。与采用点燃式发动机和预混燃烧的传统汽油车相比，柴油机具有更高的热效率和燃油经济性（即排放相对较少的CO2），不完全燃烧产物（如HC）较少。但柴油的扩散燃烧会存在混合气浓度不均匀的问题，容易产生黑碳（Black Carbon，或称为积碳，Soot），并且高温和富氧燃烧条件也使柴油机的NOx排放浓度升高。如何在保证经济性的基础上重点解决柴油车NOx和颗粒物的尾气管排放问题成为近年来柴油车排放控制技术的最主要工作。此外，为了提高燃油经济性，近年来汽油车大量发展汽油缸内直喷或汽油直喷（Gasoline Direct Injection，GDI）发动机技术。和传统汽油机相比，控制GDI发动机的颗粒物排放是目前机动车尾气控制方面的一项重要工作。

非尾气管排放主要包括HC的曲轴箱排放和蒸发排放（HC的非尾气管排放主要来自汽油车），以及来自轮胎和刹车片等汽车部件磨损导致的颗粒物非燃烧排放。HC蒸发排放来源复杂，包括昼夜温差或停车过程导致油箱汽油蒸气压变化的排放、运行过程油箱受热损耗的排放、油气通过燃料系统组件渗透出来的排放和加油过程中的排放。随着汽油车排放控制进程的发展，不同来源的污染物排放得到先后不同程度的关注。以HC为例，20世纪60年代引入的曲轴箱强制通风系统首先帮助新车解决了曲轴箱泄漏的问题；随后从1980年起不断加严的尾气管排放限值使得目前先进汽油车的尾气管HC排放控制在较低的水平。目前，中国国六排放标准部分地借鉴了美国的经验，加严了蒸发排放控制要求（即采用48小时昼夜蒸发测试循环），采用更先进的蒸发排放控制技术（如车载油气回收系统（ORVR））成为重要的发展趋势。