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汽车按所燃用燃料分为汽油车和柴油车,通常一般日常所用的小型车都为汽油车,大、中型车为柴油车。
汽油车共有三个部位排放污染物——曲轴箱、燃油供油系统和尾气管。曲轴箱排放的污染物是从曲轴箱泄漏到大气中的未燃烧混合气。从燃油箱、轴油管到化油器的整个供油系统,随着环境温度的升高,碳氢化合物从供油系统中蒸发出来。尾气管排放的污染物是燃料燃烧后的产物,它的排放量最大。柴油车污染物的排放部位主要是尾气管。
汽车排出的污染物主要有一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NO)等以及颗粒物。
控制汽车污染物排放的技术有很多,从控制方式来分有机内净化技术和机外净化技术两大类。
从发动机有害污染物的生成机理及影响因素出发,通过对发动机进行调整或改进,达到控制燃烧,减少和抑制污染物生成的各种技术称为机内净化技术。简单地说就是降低污染物生成量的技术,如改进发动机的燃烧室结构、改进点火系统、改进进气系统、采用电控汽油喷射和电控点火技术、采用废气再循环技术等。这是一种通过改进发动机燃烧过程减少污染物排放的方式。
在汽车发动机燃烧生成的废气排出发动机排气门后,但还未排入到大气环境之前,进一步采取净化措施,以减少最终汽车污染物排放的技术,被称为机外净化技术。简单地说就是对排出发动机排气口的污染物进行进一步处理和净化的技术。如二次空气喷射技术、热反应器技术、氧化催化转化技术、三效催化净化技术、颗粒物捕集技术等。目前,应用最多的机外净化技术是在汽油车上所采用的三效催化转化技术。
机内与机外净化技术结合起来,就能更好地解决汽车排放污染问题。
不同类型机动车排放因子的差异
(1)轻型机动车
对北京市轻型机动车测定结果显示,轻型机动车直接排放出的颗粒物比较少,其排放因子相对较低,但不同种类车型颗粒物的排放因子有很大的差别,其平均的排放因子为10-2 g/km数量级,这比发达国家的测定结果(10-3 g/km数量级)要大1个数量级。
不同种类车辆颗粒物的排放因子差别非常大,其差异远远大于气态污染物的排放因子,其中最高的与最低的相差约80倍。造成这种情况的主要原因除与车型和车况有关,还与环保措施的的不同有非常密切的关系。其中没有采取环保措施的车辆颗粒物的排放因子最高,其次化油器的车辆颗粒物排放因子也总体偏高,电喷车的颗粒物排放因子则总体较小。这表明随着技术和环保措施的先进,车辆颗粒物的排放因子会有相当大的降低,其中部分车辆颗粒物排放因子在10-3 g/km数量级,已经与发达国家采取先进技术的车辆大体相当。
从数据的比较还可以发现在总颗粒物的排放因子中,PM2.5的比例最大,平均为55%左右,表明轻型机动车排放的颗粒物中细粒子占有一半以上,而PM10(实际为11mm)占有率则超过72%,大颗粒只占有不足28%。这表明轻型机动车排放颗粒物以粒径较小的可吸入颗粒物和细粒子为主,其原因是汽油燃烧生成的颗粒物一般粒径较小。
(2)摩托车
对2种摩托车测定结果显示,2种摩托车颗粒物的排放因子均比较高,远远大于轻型机动车的测定结果,平均大于轻型机动车1个数量级以上。应当指出,进行实验的2种摩托车均是小排气量的摩托车,如果摩托车排气量增加,又没有有效的环保措施,其排放的颗粒物的水平将更高。从测定结果可以说明虽然摩托车的排气量较小,但是颗粒物的排放因子和排放量却非常高,如果摩托车的排气量增加,颗粒物的排放水平还应有一定的增加,所以可以认为摩托车是一种高排放的车种,其排放颗粒物对空气环境的影响远远高于轻型机动车,必须引起高度的重视。
与轻型汽油车相比较,可以发现摩托车排放颗粒物中PM2.5的比例平均高达94%以上,颗粒物中细粒子占有绝对的比例,而PM10(实际为11mm)占有率则接近98%,大颗粒只占有2%左右。因此,摩托车排放的可吸入颗粒物和细粒子将是环境空气中粒径较小颗粒物的重要来源之一。
(3)柴油车
对北京市柴油车测定结果显示,无论是怠速工况,还是自由加速工况,柴油车颗粒物的排放因子均远远高于轻型汽油车。比较可知在怠速工况下颗粒物的排放因子要比轻型汽油车高1个数量级,比摩托车混合工况稍低;而在自由加速工况下颗粒物的排放因子比轻型汽油车高2个数量级,比怠速工况和摩托车混合工况也高1个数量级。这一方面表明柴油车颗粒物的排放因子非常高,同时也表明不同工况下柴油车颗粒物的排放因子有很显著的差别。
通过比较可以发现柴油车排放的颗粒物中粒径较小的粒子占有绝对的优势,几类柴油车怠速时总颗粒物中PM10和PM2.5分别占总质量的平均值约为97%和92%,而自由加速时上述比例则分别约为97%和93%,这表明在2种非常有代表性的工况时柴油车排放的颗粒物以粒径较小的粒子为主,这种污染特征与摩托车相似。
由柴油车排放颗粒物的实验结果及其与汽油车的比较可知柴油车排放颗粒物的排放因子远远高于汽油车,同时排放的颗粒物主要集中在粒径较小的细粒子中,因此其对细粒子的贡献比较大,是造成细粒子污染的主要来源之一。
公交车在使用清洁燃料LPG(液化石油气)和CNG(天然气)时颗粒物的排放因子和排放量有非常显著的降低,特别是CNG燃料其降低效果更加明显,所以可以认为清洁燃料LPG和CNG对控制柴油车排放颗粒物有非常重要的作用和意义。
农用车颗粒物的排放因子比较高,在混合工况的情况下与大型柴油车自由加速工况下颗粒物的排放因子相当,因此可以认为虽然农用车的发动机排气量远远低于大型柴油车,但是颗粒物的排放水平却非常高,所以农用车是一种高颗粒物排放的车型,必须引起高度的重视。
根据北京市工程车数量的统计结果(只统计了在北京市公安交通管理局登记的车辆,据调查未进行登记的工程车辆比上述统计结果高2~4倍左右)可知在工程车中,轮式装载机占有绝对的比例,保有量和在用量中轮式装载机均占74%,因此在工程车的测定中选择了最具代表性的轮式装载机。轮式装载机在怠速工况下颗粒物的排放因子比较大,大于其它类型柴油车怠速工况的测定结果,表明即使在怠速状态下轮式装载机颗粒物的排放水平就比较高,这与轮式装载机汽缸容量和排气量大有关。因此也可以认为工程车也属于颗粒物高排放车辆。
从农用车和工程车的分析结果还可以看到粒径较小的粒子占有绝对的比例,这种污染特征与柴油车和摩托车相似。
大型柴油客车、摩托车和农用车排放的颗粒物中含有较多的有机化合物,仅分析的有机物占颗粒物总质量的平均值就达到30%左右,因此可以认为上述车辆排放的颗粒物中有机物占有很大的比例。元素在总质量中的比率为6.63~12.92%,平均接近10%,也是颗粒物中的重要组成部分,其中S元素在所有元素中最高,一般占60~70%,表明S元素对颗粒物的污染特征影响非常大,这些S元素应是柴油燃烧所产生。
不论是有机污染物还是大部分元素,基本都分布在粒径较小的粒子中,其中的占有比率平均为90%左右。
从对北京市机动车测定可得到下述主要结论:
(1) 柴油车颗粒物的排放因子总体上比较大,远远高于汽油车,颗粒物中粒径较小的粒子占有绝对的优势。反之,VOCs的排放因子一般情况下则小于汽油车,这体现出汽油车和柴油车排放污染特征的巨大差异。
(2) 实验结果表明在怠速工况时柴油车颗粒物和VOCs的排放因子比较小,而在自由加速工况时上述排放因子则有明显的增加,显示出不同工况下污染物排放水平的差异。
(3) 3种不同燃料公交车的排放因子和排放特征有非常大的差别,其中使用清洁燃料CNG和LPG时颗粒物和VOCs的排放因子大幅度降低,表明清洁燃料具有较好的环境效益。
(4) 农用车颗粒物和VOCs的排放因子相对比较大,这与农用车技术水平较低和车况较差有关。
(5) 摩托车各种污染物的排放因子均比较高,特别是VOCs的排放因子高于一般的汽油车和柴油车,表明摩托车是一种污染比较严重的车辆类型。
(6) 虽然不同的车型之间有一定的差别,但是各种类型机动车VOCs排放因子的分析和计算结果表明从总体上看在VOCs中烯烃和芳香烃占有非常高的比例,这些污染物是空气环境中光化学污染的重要来源之一。柴油车和摩托车排放颗粒物中各种化学成分的分析结果则表明在颗粒物中S元素占有比较高的比例,这些S元素应来源燃料中;分析元素的总和在总质量中一般可占10%左右,而100多种有机化合物的总和在总质量中一般可占30%左右,这表明柴油车和摩托车排放颗粒物中有机污染物占有非常重要的地位。
机动车排放的总颗粒物中PM10和PM2.5占有绝对的比例,表明机动车排放颗粒物主要是粒径较小的粒子。同时可以发现柴油车排放颗粒物的数量最多,约占各个粒径段粒子的50%以上,其次为摩托车,约占各个粒径段粒子的30%以上,二者之和约占各个粒径段粒子的85%,表明柴油车和摩托车是北京市机动车排放颗粒物的主要来源。工程车和农用车排放颗粒物在各个粒径段的粒子中各自的占有比例约为5%。汽油车排放颗粒物最低,在各个粒径段中的占有比例只有不足5%,这表明数量最多的汽油车排放的颗粒物对排放量的贡献非常低,对颗粒物造成的空气环境质量污染影响很小。
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