CN103890347A

CN103890347A - 汽油发动机气门、喷油嘴及火花塞防止积碳离子处理方法

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Publication number: CN103890347A
Application number: CN201280043824.6A
Authority: CN
Inventors: 丁云涛; 丁晓纪
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2014-06-25
Also published as: WO2013123622A1

Abstract

一种汽油发动机气门、喷油嘴及火花塞防止积碳离子处理方法，包括将复合催化剂离子注入到或离子镀到气门表面、喷油嘴及火花塞金属电极表面；汽油机做功时，冲撞到气门、喷油嘴及火花塞表面的碳颗粒及有机物的氧化反应阈值被催化剂降低，促使碳颗粒及有机物催化燃烧。该方法可减少气门、喷油嘴及火花塞表面积碳，提高燃烧效率，减少碳排放。

Description

说明书

汽油发动机气门、喷油嘴及火花塞防止积碳离子处理方法技术领域

机械制造汽车工业领域。

背景技术

2011年 12月 5日，中国北方地区出现大雾天气，能见度不足一公里，致多个省份之间的高速公路关闭，超过 300个进京航班延误或取消。 201 1年 12月 4円下午 19时，监测到的北京 PM2. 5污染物浓度为 522，约为世界卫生组织推荐 PM2. 5空气质量标准（10微克 /立方米）超标 52倍。城市的空气污染日益严重，无风的天气，空气能见度只有几十米，甚至十几米，污浊的 PM2. 5污染物让人窒息，城市很多居民因此患呼吸道病、心脏病、脑血管病。医学报道长期吸入 PM2. 5污染物有致癌危险。世界卫生组织在 2005年版《空气质量准则》中也指出：当 PM2. 5年均浓度达到每立方米 35微克时，人的死亡风险比每立方米 10微克的情形约增加 15%。一份来自联合国环境规划署的报告称， PM2. 5每立方米的浓度上升 20毫克，中国和印度每年会有约 34万人因 PM2. 5污染死亡。

交通堵塞，车辆走走停停行驶缓慢，汽车发动机转速低，汽缸工作温度低，汽油燃烧不充分，产生大量的有机悬浮 PM2. 5污染物；汽油燃烧不充分的同时，容易导致发动机内部机件表面积碳，发动机积碳又使得油气燃烧更不充分，加剧 PM2. 5污染物的排放，使城市空气污染更加严重。城市空气监测报道，堵车地段 PM2. 5污染物浓度明显高于非堵车地段，以北京市产生 PM2. 5的^素为例。在非取暖季节，机动车及相关产业产生的污染物，占 PM2. 5来源大于 50%， PM2. 5污染物总量中占 46%以 |:，为有机物未充分燃烧的悬浮物。例如香烟燃烧，为有机物不充分燃烧，其产生大量的有机悬浮物 P0M，未禁烟的餐厅中室内空气污染非常严重， PM2. 5浓度平均值达到 114微克 /立方米，约为世卫组织推荐 PM2. 5空气质量标准（10 微克 /立方米）的 11倍。汽车产生 PM2. 5有机悬浮污染物，有油料的问题，也有发动机的问题，提高油料质量 π|减少 PM2. 5悬浮污染物中约 27%左右的硫化物含量。而汽车行驶缓慢，发动机低速运行，发动机汽缸丁作温度低，汽车发动机积碳，使汽油燃烧不充分，是造成汽车 ΡΜ2. 5有机污染物排放严重的 1ί要原因。

汽车发动机除碳，有经验的司机常介绍，感觉汽车发动机功率上不去，上坡、启动时常熄火，是气门积碳了，去高速公路上让车走走高速就会好些，汽车发动机高速运转时，工作温度高，机件上积碳会部分烧掉，用这种方法除碳，对汽车发动机有一定效果，存在问题是：即加剧高速公路的车流量，又浪费能源做无用功，增加环境的碳排放。另一方法是在汽油燃料内添加除碳剂，除碳剂的作用是提高气缸的燃烧温度，对除碳有作用，但是带来的问题是发动机的部分组件，在除碳剂产生的持续高温作用下容易被烧毁，减少发动机工作寿命。本专利用催化剂元素离子注入到汽车发动机气门端面，催化剂降低了冲撞到气门端面的游离碳和有机物的氧化燃烧温度阈值，使游离碳和有机物充分燃烧，发动机气门不再积碳。确保汽车发动机输出功率稳定。

为防止汽油发动机内火花塞积碳，延长火花塞使用寿命，一些高档车采用贵金属铂、铱、鈀等制作火花塞电极，消耗大量的贵金属，普通车为降低成本，不使用贵金属电极。普通金属电极使用一段时间之后，积碳会影响其点火功能，甚至积碳会使电极短路，电极因此丧失点火功能，当这种情况出现时，汽缸内油气混合物没有被火花塞点燃，燃烧做功，就被排放，排气中可燃有机物浓度加大，即使汽车排气系统中装有三元催化剂，也不能完全催化可燃气体，有时在路上，听到一些汽车排气管放炮怦怦响，就是发动机部分汽缸火花塞点火失效，无燃烧的油气混合物经过汽车排气管，被三元催化剂催化燃烧的结果。但是，这种爆燃情况燃烧不充分，将产生大量的 PM2. 5污染物。如汽车在凉车状态下启动比较困难，行车时有明显的顿挫感、怠速抖动，或者发动机加速性能下降，都应该及时检查火花塞。因为车辆一旦出现上述几种表现，都有可能是因为火花塞积碳所造成的。这时汽车发动机由于某些汽缸无法正常工作，运转平衡被打破，发动机产生剧烈震动，发动机输出功率随之下降。这种现象出现必须更换火花塞，采取发动机除碳维修。本专利用催化剂元素离子注入到汽车发动机火花塞金属电极表面，减少贵金属的使用量，有着同贵金属电极的同样长的使用寿命和使用效果，可防止火花塞积碳，使发动机工作稳定可靠。

现代工业的发展，出现汽车直喷增压发动机，汽车直喷发动机的喷油嘴安装在发动机的汽缸内，喷油嘴喷油瞬间，汽油从液态瞬间变为气态，物体的相态转变，既液态转变为气态要吸收热量，喷油嘴安装在发动机的气缸壁上，随时有冷却，喷油嘴温度低，这样油气混合物汇集到喷油嘴上时会凝结，汽缸工作油气混合物燃烧时，凝聚在喷油嘴上的油雾和游离碳由于温度低，没有达到与氧气氧化反应的反应阈值，故无法氧化燃烧，使得喷油嘴容易积碳。喷油嘴积碳达到一定程度，堵塞油路会影响喷油雾化效果，汽油不能与空气充分混合，因此汽油燃烧不充分，发动机功率下降，排放 PM2. 5可燃污染物增多。本专利用催化剂元素离子注入到汽车发动机喷油嘴端面及喷油嘴喷口，催化剂降低了冲撞到喷油嘴端面的游离碳和有机物的氧化燃烧温度阈值，使游离碳和可燃有机物充分氧化燃烧，发动机喷油嘴不再积碳。极大降低 PM2. 5可燃污染物和碳排放。

2011年底的数据显示，中国汽车保有量大概至少在 1. 06亿辆，并以每年大约 1800万辆的速度递增，中国己经是世界上最大的汽车生产国，也是最大的汽车销售国。北京市汽车保有量超过 470万辆，由于限号年增加限制 25万辆。即使是部分城市采取购车限制，只需 5 - 6 年的时间，中国的汽车就会增加一倍。如若不采取降低汽车排放 PM2. 5有机悬浮污染物的措施。到那时，中国的空气质量该是如何？人们还能 1「:常生活吗？人民为身体健康要为空气污染 PM2. 5有机污染物付出多大的代价？当务之总 | 该立即 ·#手治理汽车发动机丄作中产生的 PM2. 5有机污染物。提高汽^发动机的环保性能。

汽油机尾气中， PM2. 5有机污染物及碳烟颗粒物产生的原因：一、是缺氧条件下燃烧，这个问题由现代科技研发，汽油发动机的电喷技术，可以由电磁阀根据 ECU发出的指令来精确控制，不仅如此，氧传感器等传感部件将尾气情况反馈给 ECU , 从而可以根据尾气判断燃烧状况，进而进一步调整供油量，实现宏观富氧条件燃烧；二、是虽然在宏观富氧条件下，但是由于发动机缸壁、活塞始终处于循环冷却状态，发动机冷启动或因故低速运转时，发动机工作喷油，油气混和物碰到低温的气门、火花塞、喷油嘴表面，气门、火花塞、喷油嘴表面温度低于汽油、游离碳颗粒的起燃点，即低于碳颗粒的氧化反应阈值，碳颗粒起燃点为： 550摄氏度，此时，黏着到气门、火花塞、喷油嘴表面的碳颗粒及有机物不能被氧气包围，氧化燃烧，当发动机进入排气冲程，没充分燃烧的油气混合物，即大量的 PM2. 5有机悬浮污染物被排放。这种情况尤其在汽车堵车发动机低速运行及发动机冷机启动时更为明显。

本发明之前的汽车发动机碳颗粒及有机物催化燃烧装置，无一例外都是安放在发动机排气管内，由于碳烟颗粒的热氧化温度高达 550〜600Ό，而汽油发动机排气温度为 175〜400 °C。汽油机用的三元催化剂将可燃气体催化氧化燃烧。这时的氧化燃烧的热能没有用于做机械功，而是给环境带来热污染，造成城市热效应，这种情况在夏季尤为明显。环境温度升高，产生后果是城市建筑内提早丌空调，进而增加地区整体能源消耗。本发明采用汽车发动机燃烧室内催化燃烧方法，使 PM2. 5有机物及碳颗粒完全在发动机燃烧室内燃烧， PM2. 5有机物及碳颗粒燃烧产生的能量全部用来做机械功，因此，该技术提汽油发动机的燃烧效率，燃油量相同时，提高汽油发动机的输出功率；在汽车堵车发动机低速运行时，发动机不积碳，极大减少 PM2. 5有机悬浮污染物排放。汽车发动机内油气可燃物充分燃烧做功，可减少汽油的使用量，节约能源，减少碳排放。汽油更充分的燃烧，发动机内的游离碳燃烧充分，减少发动机零部件积碳，减少机械磨损，减少润滑油污染，可延长润滑油使用寿命；减少发动机进、排气门积碳，可防止发动机漏气，保持发动机输出功率，不随使用时间的延长而降低，进而延长汽油发动机的使用寿命，减少维修成本。发明内容

汽油发动机气门、喷油嘴及火花塞防止积碳离子处理方法，其方法 1为：将催化剂离子用 MEVVA源离子注入机，注入到气门表面、喷油嘴及火花塞金属电极表面；发动机做功时，冲撞到气门、喷油嘴及火花塞表面的碳颗粒及有机物的氧化反应阈值被催化剂降低，促使碳颗粒及有机物催化燃烧，从而，减少气门、喷油嘴、火花塞表面积碳；气门积碳会使气缸漏气，发动机输出功率损失；喷油嘴积碳，堵塞油路，影响汽油喷雾效果；火花塞积碳点火电路产生短路，使发动机做功冲程不能正常点火，油气混和物燃烧不充分，即产生大量 PM2. 5 有机污染物，又使发动机运转不平衡产生振动，输出功率降低；本发明可避免发动机因火花塞积碳，点火失效，造成输出功率降低及环境污染，提高燃烧效率，减少碳排放；发动机在冷启动和低速运转时，由于气缸工作温度低，汽油燃烧不充分，游离碳附着在零件表面，气缸内部机件容易积碳，汽车排放燃烧不充分的 PM2. 5有机污染物，城市堵车时，空气污染严重，往往由此造成；本发明之前汽油发动机的催化反应装置，均放在发动机气缸外，汽缸排气系统内，碳颗粒及有机可燃物的催化燃烧产生的热能，不能对汽油发动机做功产生贡献，热能被排放到环境中，产生环境热污染；本发明采用复合离子注入方法，将一种固体催化剂注入元素制成阴极形状（一般采用所需注入元素最多的一种），将其他一种或多种注入元素制成细柱状，按注入层原子比和各参与元素的电离能比关系，设计各元素的量比及排列组合，将制成细柱状金属或非金属，按密排六方排列方式排列镶嵌组合到上述元素制成的阴极中，催化剂选自元素： Pd、 Ir、 Pt、 La、 Ce、 Sm、 Er、 Y、 Sc、 Cr、 Mo、 W、 Co、 Rh、 Fe、 Ru、 0s、 Zn、 Ni、 Sn、 Ti、 Zr、 Hf、 V、 Nb、 Ta、 Mn、 Tc、 Re、 Al、 Si、 K、 Mg、 Ag、 Ba、 B、 C，一种或多种元素的组合，其多种元素组合摩尔比为： Xi： Xj =1： (0. 0001-0. 9999) , 其中（Xi，Xj

G X„X, XJ 代表如上述不同元素，用此复合阴极触发、电离、配以适当能量分布进行离子注入；其离子注入总剂量为： 1 X 10^S— 2 X 10^lsIon/com²; 离子注入能量为： 0. 1— 300KV, 能量分布选择连续泊松分布，也可以选择高、中、低阶梯分布，目的为促使被离子注入部件表面催化剂元素组合高浓度分布；为保证离子注入均匀性，被注入部件放在匀速旋转的靶台上，并保持良好的导电、导热性能；将复合催化剂元素注入到发动机燃烧室内的汽缸壁、气缸盖内表面、活塞、气门、喷油嘴、火花塞及其它易积碳零部件表面，当上述零部件在发动机工作状态中，遇到碳颗粒及有机可燃物碰撞或沉积时，复合离子注入催化剂将降低碳元素的氧化反应阈值，并将催化剂表面吸附的氧原子提供碳颗粒的氧化，在富氧气氛中，促使碳元素充分氧化燃烧，从而杜绝发动机积碳，极大限度减少碳颗粒排放及 PM2. 5有机污染物排放。

2、如方法 1，汽油发动机气门、喷油嘴及火花塞防止积碳离子处理方法，其方法 2为：选定方法 1所述催化剂元素制成阳极的辉光放电离子镀工艺，辉光放电离子镀机，离子源阳极用催化剂元素制成，高压脉冲触发起弧，催化元素被电离，工件接电源阴极，当真空罩壳体与工件之间通以 1000至 50000伏高压直流电以后，真空罩内充有稀薄的惰性气体氩气，在放电电场作用下氩气被电离，真空罩壳体与工件之间产生辉光放电，从而在阴极工件周围形成等离子体区域，带正电荷的氩离子受阴极负高压的吸引，猛烈地轰击工件表面，致使工件表层粒子和异物被溅射抛出，从而使工件待镀表面得到了充分的离子轰击清洗；高压脉冲触发离子源起弧，引出催化剂元素离子进入辉光放电区，带正电荷的催化剂元素离子，在阴极吸引下，射向工件表面，当射向工件表面上的催化剂元素离子超过溅射流失离子的数量时，则逐渐形成一层牢固粘附于工件表面即气缸盖内表面、活塞、气门、喷油嘴、火花塞及其它易积碳零部件表面的催化剂元素镀层，镀层催化剂将降低碳元素的氧化反应阈值，并将催化剂表面吸附的氧原子提供碳颗粒的氧化，在富氧气氛中，促使碳元素及有机物充分氧化燃烧，从而杜绝发动机积碳，并极大限度减少碳颗排放及

PM2. 5有机污染物排放。

附图说明

图 1.为钯离子注入试样与对照试样，经碳烟颗粒物采集后，放置马弗炉内，分区设定温度值、定时加热；控温、控湿、十万分之一精度天平测量碳烟颗粒物氧化量百分比，实验数据曲线。

图 2.为某城市空气中 PM2. 5污染物化学组成，不同地区，不同时段，污染物种类，含量有所不同。

具体实施方式

汽油机气门、喷油嘴及火花塞防止积碳离子注入方法，利用 MEVVA源离子注入机离子注入，其阴极用本发明描述阴极制作方法制作；注入机的加速电场、使注入束流产生能量，此能量由离子携带注入到被注入的发动机汽缸、汽缸盖、活塞、气门、喷油嘴及火花塞等工件表面。依据注入元素的电离能，离子注入元素及被注入工件材料中各元素的结合能大小、依据离子注入射程、离子注入能量为： 0. 1— 300KV, 能量分布选择连续泊松分布，也可以选择高、中、低阶梯分布，目的为促使被离子注入部件表面，催化剂元素组合高浓度分布，综合个条件设计注入电压的高低变化，控制注入离子束流的大小等，选择各种离子注入条件，达到控制被注入试样表面所接收的能量，使注入层形成非晶态或短程有序组织。

离子注入能量的范围为： 0. 1— 300KV。离子注入剂量的范围为： 1 X 10⁵— 2 X 10'^sIon/_Cm²。离子注入束流的密度为： 1 X 10— ' '— l X 10⁵ mA/mm²。离子注入靶室的真空度： 8 X 10—²MPa— 1 X 10— ^sMPa。汽油机气门、喷油嘴及火花塞防止积碳离子注入方法，温度控制，是参考注入金属元素与被注入工件表面形成非晶态或短程有序，长程无序结构，所需要的温度。温度测量，其测量点，应该避开离子束流的直接辐射。即，测量的温度应该是，被注入试样的基体温度，气门、喷油嘴及火花塞防止积碳离子注入催化剂，离子注入时间，是参考被注入气门、喷油嘴及火花塞等部件表面注入催化元素的分散度 0. 2-15. Onm, 所需注入时间。

为保证离子注入均匀性，被注入部件放在匀速旋转的靶台上，靶台转速 2— 5/min, 靶台保持良好的导电、导热性能；将复合催化剂元素注入到气门、喷油嘴及火花塞及其它易积碳零部件表面，当上述零部件在发动机工作状态中，遇到碳颗粒碰撞或沉积时，复合离子注入催化剂将降低碳元素的氧化反应阈值，并将催化剂表面吸附的氧原子提供碳颗粒的氧化。

因具有独特的短程有序、长程无序结构而表现出了优良的催化性能。 Pd- Μη/ λ -ΑΙΛ非晶态合金催化剂，并对其结构进行定性检测。催化剂的 XRD、 SEM结构表征结果表明，负载所得催化剂活性中心 Pd为非晶态结构。离子注入能量越高 Pd晶化度越深.试样温度低于 150°C条件下催化剂结构基本保持稳定。催化剂离子辉光放电镀膜实施方法：离子源的阳极用催化剂元素制成，高压脉冲触发起弧，催化元素被电离，离子镀处理工件，即汽油机活塞、气门、喷油嘴及火花塞等工件接电源阴极，当真空罩壳体与工件之间通以 1000至 50000伏高压直流电以后，真空罩内充有稀薄的惰性气体氩气，罩内的真空度： 8 X 10—'MPa— 1 X 10— ^:iMPa_; 在放电电场作用下氩气被电离，真空罩壳体与工件之间产生辉光放电，从而在阴极工件周围形成等离子体区域，带正电荷的氩离子受阴极负高压的吸引，猛烈地轰击工件表面，致使工件表层粒子和异物被溅射抛出，从而使工件待镀表面得到了充分的离子轰击清洗；高压脉冲触发离子源起弧，引出催化剂元素离子进入辉光放电区，带正电荷的催化剂元素离子，在阴极吸引下，射向工件表面，当射向工件表面上的催化剂元素离子超过溅射流失离子的数量时，则逐渐形成一层牢固粘附于工件表面即发动机活塞、气门、喷油嘴及火花塞等其它易积碳零部件表面的催化剂元素鍍层，镀层催化剂将降低碳元素的氧化反应阈值，并将催化剂表面吸附的氧原子提供碳颗粒的氧化，在富氧气氛中，促使碳元素充分氧化燃烧，从而杜绝发动机积碳，并极大限度减少碳颗粒排放。

Claims

权利要求书

1、汽油发动机气门、喷油嘴及火花塞防止积碳离子处理方法，其方法 1为：将催化剂离子用 MEVVA源离子注入机，注入到气门表面、喷油嘴及火花塞金属电极表面；发动机做功时，冲撞到气门、喷油嘴及火花塞表面的碳颗粒及有机物的氧化反应阈值被催化剂降低，促使碳颗粒及有机物催化燃烧，从而，减少气门、喷油嘴、火花塞表面积碳；气门积碳会使气缸漏气，发动机输出功率损失；喷油嘴积碳，堵塞油路，影响汽油喷雾效果；火花塞积碳点火电路产生短路，使发动机做功冲程不能正常点火，油气混和物燃烧不充分，即产生大量 PM2. 5 有机污染物，又使发动机运转不平衡产生振动，输出功率降低；本发明可避免发动机因火花塞积碳，点火失效，造成输出功率降低及环境污染，提高燃烧效率，减少碳排放；发动机在冷启动和低速运转时，由于气缸工作温度低，汽油燃烧不充分，游离碳附着在零件表面，气缸内部机件容易积碳，汽车排放燃烧不充分的 PM2. 5有机污染物，城市堵车时，空气污染严重，往往由此造成；本发明之前汽油发动机的催化反应装置，均放在发动机气缸外，汽缸排气系统内，碳颗粒及有机可燃物的催化燃烧产生的热能，不能对汽油发动机做功产生贡献，热能被排放到环境中，产生环境热污染；本发明采用复合离子注入方法，将一种固体催化剂注入元素制成阴极形状（一般采用所需注入元素最多的一种），将其他一种或多种注入元素制成细柱状，按注入层原子比和各参与元素的电离能比关系，设计各元素的量比及排列组合，将制成细柱状金属或非金属，按密排六方排列方式排列镶嵌组合到上述元素制成的阴极中，催化剂选自元素： Pd、 Ir、 Pt、 La, Ce、 Sm、 Er、 Y、 Sc、 Cr、 Mo、 W、 Co、 Rh、 Fe、 Ru、 0s、 Zn、 Ni、 Sn、 Ti、 Zr、 Hf、 V、 Nb、 Ta、 Mn、 Tc、 Re、 Al、 Si、 K、 Mg、 Ag、 Ba、 B、 C，一种或多种元素的组合，其多种元素组合摩尔比为： Xi： Xj =1： (0. 0001-0. 9999) , 其中 ( Χ,, Χ」

G X„X₂ X„) 代表如上述不同元素，用此复合阴极触发、电离、配以适当能量分布进行离子注入；其离子注入总剂量为： 1 X 10⁵— 2 X 10¹⁸Ion/com² _; 离子注入能量为： 0. 1— 300KV, 能量分布选择连续泊松分布，也可以选择高、中、低阶梯分布，目的为促使被离子注入部件表面催化剂元素组合高浓度分布；为保证离子注入均匀性，被注入部件放在匀速旋转的靶台上，并保持良好的导电、导热性能；将复合催化剂元素注入到发动机燃烧室内的汽缸壁、气缸盖内表面、活塞、气门、喷油嘴、火花塞及其它易积碳零部件表面，当上述零部件在发动机工作状态中，遇到碳颗粒及有机可燃物碰撞或沉积时，复合离子注入催化剂将降低碳元素的氧化反应阈值，并将催化剂表面吸附的氧原子提供碳颗粒的氧化，在富氧气氛中，促使碳元素充分氧化燃烧，从而杜绝发动机积碳，极大限度减少碳颗粒排放及 PM2. 5有机污染物排放。 2、如权力要求 1所述的汽油发动机气门、喷油嘴及火花塞防止积碳离子处理方法，其方法 2 为：选定权力要求 1所述催化剂元素制成阳极的辉光放电离子镀工艺，辉光放电离子镀机，离子源阳极用催化剂元素制成，高压脉冲触发起弧，催化元素被电离，工件接电源阴极，当真空罩壳体与工件之间通以 1000至 50000伏高压直流电以后，真空罩内充有稀薄的惰性气体氩气，在放电电场作用下氩气被电离，真空罩壳体与工件之间产生辉光放电，从而在阴极工件周围形成等离子体区域，带正电荷的氩离子受阴极负高压的吸弓 I，猛烈地轰击工件表面，致使工件表层粒子和异物被溅射抛出，从而使工件待镀表面得到了充分的离子轰击清洗；高压脉冲触发离子源起弧，引出催化剂元素离子进入辉光放电区，带正电荷的催化剂元素离子，在阴极吸引下，射向工件表面，当射向工件表面上的催化剂元素离子超过溅射流失离子的数量时，则逐渐形成一层牢固粘附于工件表面即气缸盖内表面、活塞、气门、喷油嘴、火花塞及其它易积碳零部件表面的催化剂元素镀层，镀层催化剂将降低碳元素的氧化反应阈值，并将催化剂表面吸附的氧原子提供碳颗粒的氧化，在富氧气氛中，促使碳元素及有机物充分氧化燃烧，从而杜绝发动机积碳，并极大限度减少碳颗排放及 PM2. 5有机污染物排放。