淺析現(xiàn)代汽車排放控制技術

[摘 要]本文從降低燃油消耗和燃燒優(yōu)化、廢氣處理、排放監(jiān)測三個技術角度介紹現(xiàn)代汽車排放控制技術，同時簡要闡述了各排放控制技術的原理、特點及影響因素。最后總結出現(xiàn)代汽車排放控制技術的發(fā)展方向。

[關鍵詞] 排放控制 燃油消耗 廢氣處理 排放監(jiān)測 發(fā)展方向

一、前言

保護環(huán)境與節(jié)約燃料已成為全球關注的重大事件，以發(fā)動機為動力的汽車是大氣污染的主要來源之一。排放的廢氣對大氣污染構成嚴重影響，如CO2引起溫室效應;HC在陽光的作用下與NOX進行光化學反應，形成一種毒性較大的光化學煙霧。因此汽車的廢氣排放控制受到各國政府、汽車制造商的進一步重視。

二、汽車排放控制解決的問題

汽車運行時，廢氣排放主要由排氣管產(chǎn)生，包括CO、HC、CO2 、NOX 等氣體;對于柴油機而言，還包括顆粒物排放。CO、HC、CO2 等氣體含量較少且便于處理，廢氣排放控制主要解決汽車NOX和顆粒物的排放。故本文主要介紹由排氣管產(chǎn)生的NOX和顆粒物排放控制技術。

三、現(xiàn)代汽車排放控制技術

現(xiàn)代汽車廢氣排放控制策略從技術角度分為三大方面:降低燃油消耗和燃燒優(yōu)化、排放廢氣的處理和排放性能的監(jiān)測，其對應技術如下所述。

1. 降低燃油消耗和燃燒優(yōu)化

降低燃油消耗和燃燒優(yōu)化可以降低汽車的使用費用、減少國家對進口石油的依賴、節(jié)省石油資源;同時降低了汽車的廢氣排放，其具體實現(xiàn)方法如下所述。

(1)汽車外型優(yōu)化，減輕車身質量。汽車在行駛過程中，主要受到空氣阻力和滾動阻力，減小空氣阻力和滾動阻力可以有效降低燃油消耗。汽車外形優(yōu)化可以有效降低空氣阻力系數(shù)CD值，從而減小空氣阻力。減輕車身質量則是減小滾動阻力的重要途徑。但隨著質量的降低，汽車的安全性下降，因此需綜合考慮從而獲得最佳效果。

(2)發(fā)動機技術的發(fā)展。發(fā)動機的熱損失和機械損耗占燃油化學能的65%左右，故提高發(fā)動機效能對降低燃油消耗、減小廢氣排放有重要作用?，F(xiàn)階段發(fā)動機技術的發(fā)展如下:

第一，柴油機共軌式電控燃油噴射技術(CRFIS)

柴油機運行時轉速很高，噴油器每次噴油時間很短，高壓油管內各處壓力隨時間、位置不同而變化;當噴油器針閥落座完成主噴后，高壓油管內的壓力波動可能會引起“二次噴射”現(xiàn)象 ，造成噴油不均勻問題，增加了燃油消耗和廢氣排放。

針對上述問題，CRFIS對柴油機的噴油時刻和噴油過程進行控制，其基本原理是:通過柴油機共軌直接或間接形成恒定高壓預噴射燃油，然后將其送至帶有高速電磁開關閥的對應噴油器內，高速電磁開關閥的開啟、關閉實現(xiàn)噴油過程的開始、結束。ECU(電控單元)根據(jù)發(fā)動機的轉速、輸出功率控制高速電磁開關閥的開閉和開啟時間，從而間接控制噴油時刻和噴油過程。

CRFIS的特點:第一，CRFIS柴油機高壓油管內噴射壓力的形成與噴射過程完全分開，噴射壓力大小與發(fā)動機轉速無關，避免了“二次噴射”現(xiàn)象;第二，CRFIS柴油機的每次噴射量由噴射壓力和高速電磁開關閥開啟時間決定，ECU精確控制噴射過程，解決了“噴油不均勻”問題。

第二，均質充量壓縮燃燒技術(HCCI)

HCCI是將點燃式內燃機和壓燃式內燃機有機結合的一項技術，可有效減小汽車碳煙和NOX排放。其基本原理是:HCCI發(fā)動機與傳統(tǒng)的點燃式內燃機類似，將比例非常均勻的燃油和空氣進行預先混合，然后注入氣缸內;傳統(tǒng)的點燃式內燃機通過火花塞點燃混合氣，而HCCI發(fā)動機的點火過程則與壓燃式內燃機類似，通過活塞壓縮混合氣，使之溫度升高至一定溫度后自行點燃。

HCCI的特點:第一，HCCI發(fā)動機無擴散燃燒過程，避免氣缸內形成局部高溫和濃混合氣，有效降低了碳煙和 的排放;第二，HCCI發(fā)動機保留了壓燃式內燃機高熱效率的特點，降低了燃油消耗和廢氣排放。

第三，渦輪增壓技術(Turbocharger)

渦輪增壓技術利用發(fā)動機排放廢氣的慣性力推動渦輪室內的渦輪，渦輪帶動同軸的葉輪，旋轉的葉輪壓送經(jīng)過空氣濾清器的空氣，使其增壓并進入氣缸。伴隨著空氣量增加，循環(huán)供油量相應增加，達到了增加功率的目的。

其特點:第一，在不增加發(fā)動機排量的基礎上，渦輪增壓技術可以增加發(fā)動機的輸出扭矩和功率;第二，渦輪增壓技術利用廢氣排放動能對新鮮空氣增壓，回收了部分能量，降低了燃油消耗和廢氣排放。

第四，燃料分層噴射技術(FSI)

FSI不像傳統(tǒng)發(fā)動機那樣將燃油注入進氣歧管，而是將燃油直接注入氣缸的技術。其基本原理是:FSI利用電子芯片計算分析并精確控制注入氣缸中的燃油噴射量，獲得具有理論空燃比的混合氣體，從而提高發(fā)動機的效率。

其特點:第一，F(xiàn)SI發(fā)動機完成一次工作循環(huán)有兩次噴油過程，對應的噴油時刻分別為吸氣沖程和壓縮沖程末端;第二，F(xiàn)SI根據(jù)發(fā)動機轉速和負荷的不同，有分層注油和均勻注油兩種注油模式，其對應的發(fā)動機工況分別是低速、中速工況和高速高負荷工況;第三，F(xiàn)SI發(fā)動機與傳統(tǒng)發(fā)動機相比，其動態(tài)響應好，輸出扭矩和功率可以同時被提高，燃油消耗降低，廢氣排放減小。

(3)動力傳動系的優(yōu)化。傳動系的檔位增多，增加了選著合適檔位使發(fā)動機處于經(jīng)濟工作狀況的機會。按照這種思路，檔數(shù)無限的無級變速器在任何條件下都提供了使發(fā)動機在最經(jīng)濟工況下工作的可能性。若發(fā)動機能始終維持較高的機械效率，無級變速器將顯著地提高燃油經(jīng)濟性，減小廢氣排放。

2. 排放廢氣的處理

對排放的廢氣進行后續(xù)處理屬于機外處理方法。其主要包括選擇性催化還原技術、廢氣再循環(huán)技術、顆粒過濾器和柴油機氧化催化器四項內容。對應具體內容如下所述:

(1)選擇性催化還原技術(SCR)。SCR是一項處理廢氣中NOX的工藝。其基本原理是:NOX濃度傳感器檢測廢氣中NOX的濃度，ECU根據(jù)測量結果向廢氣中注入適量的氨、尿素等含氮化合物，兩者反應生成N2和 H2O。其特點:第一，ECU根據(jù)廢氣中NOX濃度控制氨、尿素等含氮化合物的注入量。若注入量過少，NOX不能處理完全;若注入量過多，未參加反應的含氮化合物進入空氣中污染空氣。因此SCR需要高靈敏度的NOX濃度傳感器和高精度的含氮化合物噴射裝置;第二，SCR對溫度較敏感，其還原效率易受燃油硫含量及廢氣中顆粒物含量的影響。

(2)廢氣再循環(huán)技術(EGR)。EGR是將少量排放廢氣送回氣缸，與未燃燒的混合氣再混合并進行再次燃燒的技術。該技術可有效降低廢氣中 NOX含量，其原因如下:第一，EGR增加了混合氣體中H2O、CO2 等三原子分子的含量，混合氣的熱容量增大，燃燒過程中最高溫度降低，廢氣中NOX含量從而下降;第二，EGR對混合氣具有稀釋作用，混合氣中氧氣含量降低，減小了NOX生成的機會;第三，EGR使混合氣中惰性氣體含量增加，惰性氣體會延緩燃燒過程，燃燒室的壓力形成過程變慢，排放廢氣的NOX含量降低。

(3)顆粒過濾器(DPF)。對于柴油機，使其顆粒物排放滿足排放法規(guī)的技術是DPF。DPF位于發(fā)動機廢氣排放管處，當廢氣通過時，DPF收集和存儲廢氣中顆粒物，從而降低顆粒物的含量。DPF關鍵技術是過濾材料和過濾體再生，其作用效率受顆粒物生成速率、廢氣排放溫度、燃油硫含量及排氣管道處背壓的影響。

(4)柴油機氧化催化器(DOC)。DOC以鉑(Pt)、鈀(Pd)等貴金屬為催化劑，使顆粒物中有機物SOF發(fā)生氧化反應生成CO2和H2O，通過減小SOF含量達到降低廢氣中顆粒物含量的目的。其作用原理和三元催化轉換器催化氧化HC和CO原理類似。

3. 排放性能的監(jiān)測(OBD)

新車運行時，廢氣排放指標一般符合要求。但在使用過程中，隨著車輛的老化和損壞，其排放指標可能不再符合汽車排放要求。OBD從發(fā)動機運行開始，便監(jiān)督與排放控制有關的零部件狀態(tài);一旦發(fā)動機廢氣排放超標，OBD便會在儀表盤中發(fā)出警示，提醒駕駛員做出相應反應。然而OBD系統(tǒng)并非對汽車的廢氣排放進行實時測量，而是當發(fā)動機失火、催化轉化器儲氧能力下降以及氧傳感器劣化后，通過監(jiān)測某些相關參數(shù)的變化，推測汽車排放將會超標，從而發(fā)出警告信號。

四、結論

節(jié)能、環(huán)保是當今世界發(fā)展主題，對于現(xiàn)代汽車，降低燃油消耗、減少廢氣排放既是其順應時代潮流的必須，也是其前進發(fā)展的方向。汽油機具有廢氣排放量少、低熱效率的特點，低熱效率是制約汽油機繼續(xù)發(fā)展的一個瓶頸;唯有提高熱效率，汽油機才能在激烈的競爭中處于不敗地位。與汽油機相比，柴油機具有較高的熱效率，但廢氣中顆粒物含量遠遠高于汽油機;在排放法規(guī)越來越嚴格的情況下，顆粒物排放無疑是阻礙柴油機大范圍推廣的主要因素。

因此，將汽油機和柴油機的優(yōu)點完美結合，使發(fā)動機具有熱效率高且排放量少的技術必會得到社會的認可和普及，同時也是現(xiàn)代汽車技術發(fā)展的方向。

參考文獻:

[1]董 敬 莊 志 常思勤:汽車拖拉機發(fā)動機[M].北京:機械工業(yè)出版社，2009.1

[2]余志生:汽車理論[M].北京:機械工業(yè)出版社，2009.3

[3] 翁榮偉:淺談柴油機共軌電控燃油噴射技術的應用與發(fā)展[J].硅谷，2009

[4]Prof.Bengt Johansson.Homogeneous Charge Compression Ignition-the future of IC engines[J].International Journal of Vehicle Design，2007

[5]Hiroshi Uchida.Trend Of Turbocharging Technologies[J]. RD Rev. of Toyota CRDL， 2006