汽车尾气排放数据检测与分析

2012-10-10余继文赵玉清巴青城

长春工业大学学报 2012年2期

李强，余继文，赵玉清，巴青城，时玲

（云南农业大学工程技术学院，云南昆明 650201）

0 引言

目前，世界上许多国家都将汽车工业作为本国国民经济的支柱产业，汽车工业有了飞速发展，这使得世界汽车饱有量急剧增加。而汽车是能源消耗和污染物排放的主要来源，根据城市大气污染物来源的分类统计，在我国主要大城市中，有80%左右的污染物来源于汽车排放废气［1］。文中根据不同使用年限的汽车尾气含量总结了其排放规律，可以更好地预防其尾气危害。

1 汽车污染物的主要成分及形成原因

汽车尾气排放污染物一般包括燃烧后排出的废气、曲轴箱窜气、机油蒸发、燃料箱和化油器的燃油蒸发排放。其成分主要有CO，HC，NOx，SOx，颗粒（碳烟、铅化物、油物）和甲醛等。当发动机的过量空气系数小于1时（浓混合气），混合气中氧气不足，燃料不完全燃烧就产生CO。混合气浓度越大，排气中的CO含量就越高［2－3］。当混合气浓度符合理论空燃比或稍稀一些时，由于混合气不均匀和发生离解反应等原因，排气中CO的浓度不为零，而总有一些CO存在。汽车排放污染物的种类及排放量因发动机的类型及各种影响因素的差异而不同。

2 汽车尾气排放污染物的检测方法分析

乘用车的检测方法主要按有无负荷进行分类，分为无负荷检测方法和有负荷检测方法两大类［4］；根据检测工况和参数不同，用汽油车排气污染物检测方法主要分为怠速和双怠速法、简易工况法等几类。

2.1 怠速法与双怠速法

怠速法就是在发动机怠速工况下用废气分析仪测量尾气中HC和CO的容积排放浓度。测试值的单位为相对体积分数ppm（×10－6）或百分比。测量汽车怠速污染物浓度的目的是判断汽车发动机燃烧是否达到正常状态，从而降低油耗和排放。

双怠速法测量是为了监控由化油器量孔的磨损造成的汽车排放恶化，或者为了监控因催化转化器转化效率降低造成的汽车排放恶化。当汽车为多排气管时，分别取各排气管高怠速排放测量结果的平均值和怠速排放测量结果的平均值。

2.2 简易工况法

简易工况法是一种比怠速法更先进的检测技术，是针对机动车的复杂工况，利用底盘测功机模拟机动车在道路（负荷）行驶工况各种状态下检测机动车排放的主要废气污染物CO（一氧化碳）、HC（碳氢化合物）、NOx（氮氧化合物）等，从而发现高排放车辆，对在用的机动车辆实施机动车排放污染控制［5］。简易工况法检测技术主要包括稳态加速模拟工况（ASM）、瞬态加载工况（1M240）和简易质量测试Vmas（IG240）。

3 影响汽车尾气排放的因素与检测数据分析

3.1 影响汽车尾气排放的主要理论因素

影响汽车有害排放物生成的因素很复杂。这些排放污染物毕竟是燃烧化学反应的产物，因而这些影响因素归结起来，同影响化学反应的因素一样，主要是反应物的浓度和温度。各种参数和降低排放的技术大都是最终通过这两种基本因素来影响燃烧和有害物的生成。而对反应物的浓度和温度影响的因素，主要有过量空气系数、点火（喷油）提前角、运转工况和发动机的类型等。

3.2 常见汽车排放检测数据的对比分析

文中所述的汽车主要包括夏利、长安、捷达（无催化器）等18辆低端车型，由于所选的汽车类型及发动机结构不同，其检测数据与分析结果反应了主要的汽车排放类型特点。文中主要对这几类汽车做了HC，NO，NOx 3种尾气排放污染物检测数据的整理分析。由检测数据所形成的图表，其数据均使用ASM工况法检测得出。

根据检测数据得到不同类型汽车的CO排放对比柱形图，如图1所示。

图1 不同类型汽车的CO排放对比

不同类型汽车的HC和NOx排放对比柱形图如图2所示。

图2 不同类型汽车的HC和NOx排放对比

由图1和图2可以看出，长安汽车的排放值明显高于其它车型，在相同排量下长安车尾气污染物的排放要高于夏利车，这是由于两种汽车结构及用途的不同而导致了排放的差异。3种车型CO，HC排放差异较大，但无论是CO还是HC与NOx，长安面包车明显高于其它两种车型，因此可以得出结论，在相同测试条件下，面包车的尾气污染物排放要高于其它两种车型。

化油器技术类型的汽车排放污染较严重，应该更新技术来减少对环境的污染。面包车因结构原因，行驶阻力大，而且面包车用途比较广泛，这导致了面包车发动机工作负荷过大，导致其排放的有害气体含量较高。比较经济的低排量汽车由于成本原因并没有安装三元转换装置，CO，NOx等有害气体没有被转化而直接排出，致使检测的CO，NOx等有害气体普遍较高。从图中可以看出，捷达（有催化器）在HC，NOx的排放明显低于其它两种车型，而在CO的排放中却高于夏利车，在相同条件下，捷达无论在实用上还是环保方面表现都很优异。

从而在图中得出：新技术在汽车上的应用可以有效地控制尾气排放。安装废气催化转化器的捷达在CO，HC，NOx的排放还是低于其它两种车型，可以说明捷达发动机的技术比较成熟，在有害物的排放控制好于其它两种车型，是一款比较实用的车型。

3.3 使用年限对汽车排放污染物的影响分析

汽车的使用时间与污染物的排放有很大的关系，为了充分体现使用年限对排放的影响，根据汽车的出厂时间，在相同的检测条件下分别整理了夏利、桑塔纳、捷达常见汽车以及高档汽车奥迪的排放检测数据，通过测量数据所得的排放曲线如图3～图5所示。

图3 不同使用年限的HC含量对比图

图4 不同使用年限的CO含量对比图

图5 不同使用年限的NOx含量对比图

1）通过曲线图可以看出，在所选的3种比较常见的车型中，夏利（化油器）与其它两种电喷车型通过对CO，HC，NOx排放的对比，在3种车型使用了4～5a之间其排放物曲线图出现了拐点，从图中可以说明，常见车型在使用4a后各项指标出现了递增的趋势，这期间是个用车的黄金期，为了更好地延长车辆的使用寿命，应该加强汽车定期保养，使其各项指标达到最佳状态，减少环境的污染。捷达车安装的尾气转化装置，从其排放污染物随使用年限的增加其呈现递增的趋势，而桑塔纳在前4a的使用中是递减的趋势，随着使用年限的增加，桑塔纳的尾气排放有害物高于捷达的尾气排放。夏利的排量属于经济类型，在小排量的汽车能低于高排量的排放。

2）随着使用年限的增加，发动机的磨损老化等原因对尾气排放的有害物有一定的影响。从图中可以看出，捷达的排放指标要低于桑塔纳，但是各种排放污染物排放有所增加。小排量的夏利由于是化油器的作用，在通过与其它两种类型电喷车相比，夏利前4a的使用中，其排放指标高于技术较先进的捷达车，说明化油器技术的汽车在前4a的使用中排放污染值高，应该淘汰，使用新的技术让排放值达到一定的标准范围之内。

3）有催化器的汽车，当汽车废气通过净化器通道时，促使有害物进行一定的化学反应，其中CO在高温下氧化成无色、无毒的CO2气体，HC化合物在高温下氧化成水和CO2，NOx还原成N2和O2，使这3种有害物气体变成无害气体，其净化率很高，可以净化90%以上的有害物质。以上两种车型中都安装了催化器，对环境有一定的保护作用，在以后的汽车生产中应该要求增加这种装置。通过对CO的对比，在使用了8a以后，桑塔纳的CO含量逐渐高于捷达的排放，能充分说明当发动机随使用年数的增加而磨损程度的不同，其排放的有害物含量明显增加。在各种原因条件下，从其排放物的含量能说明桑塔纳的发动机老化程度要早于捷达车的发动机。

以下通过对高档汽车奥迪的数据分析，在A4L（2.4）上所应用的涡轮增压器，其排放明显低于无涡轮增压的奥迪汽车。

不同使用年限下的排放曲线如图6所示。

图6 有无涡轮增压的奥迪A4汽车在不同使用年限下的排放曲线图

1）从图中可以明显看到，在汽车使用的前6a，有涡轮增压器的奥迪A4汽车CO的排放量要低于无涡轮增压器的奥迪A4汽车。在曲线的最低谷，即排放的最小值，无涡轮增压的奥迪汽车排放的CO排放量比有涡轮增压的汽车高出了约8倍。因为CO是燃料不完全燃烧的产物，主要在局部供氧不足或较低温度下生成。采用涡轮增压器后，进氧量增加，燃料燃烧更完全，汽缸压力增大，温度升高，即使有CO产生也会被氧化成CO2，进而降低了CO的排放。

2）图6（b）表明，汽车在使用了8a后，两条曲线基本重合，这说明它们的CO排放量几乎相同。此时涡轮增压器的优势已经没有那么明显。这时配有涡轮增压器的车主应该注意检查增压器是否正常工作，并注意检查发动机是否漏气等。

3）有涡轮增压器的奥迪A4车的排放曲线总是在没有涡轮增压的奥迪A4车的曲线下方，但是两条曲线的距离很靠近。可见，装有涡轮增压器的奥迪A4汽车的NOx的排放量普遍少于没安装涡轮增压器的奥迪A4汽车，但是它们的排放差距不是很大。这主要跟NOx的生成条件有关。NOx主要在高温富氧条件下，由燃料中的氮元素被氧化而生成。从图中还可以看到，它们在使用了8a后，NOx的排放量几乎相同，这也论证了使用8a后，车主要对车辆发动机、涡轮增压器全面检测的说法。

4 减少汽车尾气排放的措施

为了控制机动车尾气污染，随着法规的不断趋严，尾气处理装置已逐步成为车辆必备装置之一。在车辆配置上，加装和配置了各种尾气净化装置，主要包括：在发动机上加装恒温进气系统、二次空气喷射系统、废气再循环系统、三元催化转换器、柴油机微粒过滤器等。

4.1 完善机动车的尾气检测体系

机动车尾气排放检查和机动车的定期维护保养对于减少汽车污染非常重要。通过建立严格合理的机动车的尾气检测管理体系，发挥其应有的功效，监督机动车的实际尾气排放情况。

4.2 强制旧车时限报废

通过分析可知，汽车随着使用年限的增加，有害物的排放量会不断增大，特别是在一些比较偏远的小城市，由于监管不力，很多已经到了报废年限的汽车仍在使用，这不仅存在交通隐患，而且也严重影响了环境。

4.3 加强对微型车、面包车的检测

由于微型车、面包车的成本等原因，它们并没有安装尾气处理器、涡轮增压器等装置，因此它们的排放污染较高。如果能加强对这些汽车的检测，强制加装尾气处理装置等，这将会大大减少有害污染物的排放。

4.4 提高燃油质量

燃油质量是影响汽车尾气污染的关键因素，应尽快建立清洁油品质量标准和有效监管体系。要鼓励兼并或关闭小的炼油企业，防止不合格的燃油流向市场。因此，应当全面提高燃油质量，研制清洁油品、加强监管体系，有效控制机动车尾气污染。

4.5 教育并改善驾驶员的驾驶习惯

驾驶员在使用汽车的过程中，启动、车速、油门等的控制都会对排放产生影响。理论分析和试验结果表明，车辆加速或减速时，尾气中HC，CO的含量显著增加，加速时由于发动机温度的升高还可能引起NOx化合物排放的增加，只有在等速行驶时汽车的排污量最低。因此，在道路条件和环境允许的情况下，应保持等速行驶，不要频繁变换车速。油门踏板直接控制进入气缸的混合气浓度，对尾气排放影响很大。在急松油门踏板时，由于节气门突然关闭（无节气门缓冲装置的化油器），造成进气歧管真空度急剧增大，这时附着在进气歧管壁上的油膜和怠速油道中燃油会迅速蒸发并进入气缸，短时间内使混合气变浓，尔后混合气又迅速变稀，造成发动机燃烧条件恶化，工作不稳定，排污量增加。因此，驾驶员开车时应平稳操作油门，不宜急踩或急松油门踏板。