論汽油汽車國五排放控制技術發展狀況

摘要：隨著汽車排放法規對排放污染物的要求越來越高，除了采用傳統機內凈化技術外，還有其他更新型更有效的排放控制技術，本文著重梳理行業內汽油車國五排放控制技術發展狀況。

關鍵詞：汽車；汽油機；排放控制技術

1 汽車污染物排放量現狀分析

1.1 汽車保有量與汽車污染物排放總量分析

2010～2013年，汽車保有量由7721.7萬輛增加到12572.4萬輛，年均增長17.6%。在同時期內，一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、顆粒物（PM）這四項汽車污染物排放總量呈現持續增長態勢，由3587.6萬噸增加到3906.5萬噸，年均增長2.9%。

汽車污染物排放總量增長率遠低于汽車保有量增長率，表明隨著排放標準升級和黃標車淘汰，汽車污染防治取得了較好成效，為汽車產業發展留出了更多的環境容量。

2 先進排放控制技術分析

2.1 國際先進的機內凈化技術

機內凈化技術是控制發動機排放的傳統方法，其主要是從有害污染物的生成機理及影響因素出發，通過對發動機本體進行優化和改進，達到控制燃燒、減少和抑制污染物生成的效果。主要手段包括改進進氣系統，改善燃油噴射系統，改善燃燒系統等。此外，燃油和潤滑油品質的提升也屬于機內凈化技術范圍。

2.1.1 傳統機內凈化技術

傳統的機內凈化技術主要是指單純的對發動機進氣系統、燃油噴射系統、燃燒系統等進行優化以達到降低排放的目的。

首先，在進氣系統上，汽油機主要通過以下技術達到降低排放的效果，如廢氣再循環系統（EGR）可以降低燃燒室內混合氣的氧濃度和提高混合氣的比熱容，達到降低燃燒溫度的效果，可以有效抑制氮氧化物（NOx）產生；采用增壓中冷技術，可以提高發動機的充氣效率，降低進氣溫度，優化燃燒，明顯改善PM和NOx的排放；發動機采用多氣門技術，可以顯著改善進排氣，可以一定程度上優化排放；通過可變氣門正時技術改善排放，這主要是由于可變氣門正時技術能夠實現不同程度的內部EGR，可變氣門正時通過改變進、排氣相位，得到不同的氣門重疊角，從而對缸內的殘余廢氣系數進行控制，實現了不同程度的內部EGR，因此，精確的氣門正時控制可以實現HC、CO、NOx的同時優化。柴油機在進氣系統上主要通過EGR、增壓中冷、多氣門技術來降低排放。

其次，在燃油噴射系統上，發動機電控燃油噴射系統是發動機提高排放水平的重要措施和基本保證，通過電控燃油噴射系統可以根據發動機工況的變化，實時對噴油脈沖時刻、噴油量、氣門開度等進行精確控制，在提高燃燒效率的同時顯著降低排放。汽油機采用缸內直噴技術直接將燃油噴入氣缸內與進氣混合，通過較高的噴油壓力使燃油霧化更加細致，實現了精準按比例控制噴油并與進氣混合，使油氣在整個氣缸內充分、均勻的混合，從而使燃油充分燃燒，達到降低排放的效果。柴油機主要采用高壓共軌+多次噴射技術，通過較高的噴射壓力使燃油充分霧化，各缸的燃油和空氣混合達到最佳，使燃燒更加充分，降低HC和CO排放；同時采用多次噴射技術，將一個噴油循環分為預噴、主噴、后噴等多個環節，達到同時降低PM與NOx排放的目的，并可以提高排氣溫度，使催化器快速起燃。

第三，在燃燒系統上，汽油機使用緊湊燃燒室，可以縮短燃燒時間，快速充分的燃燒可以降低HC和CO的排放，同時緊湊燃燒室通過與推遲點火提前角或EGR聯用，達到降低NOx的目的。柴油機通過燃燒室優化，也可以達到改善燃燒，降低排放的作用。汽油機通過可變壓縮比技術，實現隨著負荷變化連續調節壓縮比，在負荷小時提高壓縮比，在負荷大時調低壓縮比實現大功率和高扭矩輸出，在提高熱效率的同時降低排放。

發動機機內凈化技術還有一些其他手段：混合動力技術可以使車輛在啟動、怠速的情況下靠電機帶動，從而使發動機一直保持最佳工作狀態，動力性好、排放量低、油耗少；怠速起停技術可以使發動機在遇到紅燈或堵車時，發動機自動熄火，當駕駛員重新踏下離合器、油門踏板或松抬剎車的瞬間，起動機將快速啟動發動機，使用此技術可使發動機在綜合工況下減少5%的CO排放；此外，柴油機使用生物柴油、煤制油等新型燃料，可以在保證動力性的同時顯著降低排放。

2.1.2新型機內凈化技術

近年來，發動機復合技術發展顯著，一些新型的復合凈化技術也得到了應用。

汽油機雙噴射技術被稱為復合噴射技術，是指將傳統的進氣歧管噴射與缸內直噴技術相結合的一種噴射方式。歧管噴射與缸內直噴各有利弊，在高負荷高轉速下，前者的霧化及混合效率不及后者，而在冷啟動時后者的油氣混合效果不如前者，且熱機速度慢。雙噴射技術結合缸內噴射和歧管噴射兩種供油方式的特點，在冷啟動/怠速/低負荷下使用單歧管噴射，在中等負荷下兩套噴射系統協同工作，在高負荷下則使用缸內噴射技術。雙噴射技術解決了缸內直噴技術在低速/怠速狀態下NOx排放較高的問題，優化了燃燒過程減排效果顯著。目前此項技術已在豐田、日產、大眾等車型上得到應用。

汽油機雙循環技術是指發動機集成奧托循環和阿特金森循環。阿特金森循環的原理則相當于在奧托循環基礎上延時關閉進氣門。在可變氣門正時系統的基礎上，通過調整凸輪軸結構，實現超廣角可變氣門正時系統，從而實現了奧托循環與阿特金森循環的切換，在提升燃油效率的同時大幅度降低排放。

復合EGR技術是在傳統EGR的技術發展而來的，其中低壓EGR（LPEGR）技術可以使廢氣在各缸的分布較為均勻，同時廢氣經 DPF過濾后所含雜質少，對發動機燃燒過程影響相對小；高壓EGR（HPEGR）具有瞬時響應性和可控性好、對增壓器壓氣機無損壞、高轉速泵氣功降低并能提高燃油經濟性等優點。采用高、低壓 EGR 組成的復合 EGR系統可以集中LP EGR和HP EGR的優點。

此外，復合增壓、雙渦管單渦輪等先進增壓技術的逐漸成熟也對發動機機內凈化起到良好效果。

2.2 先進的機外凈化技術

面對日益嚴苛的排放法規，機內凈化技術的提升空間已較為有限，必須配合機外凈化技術才能達到控制污染物排放的最佳效果。機外凈化技術主要是通過后處理裝置實現，是滿足未來排放法規的主流趨勢。

汽油機機外凈化技術：

三元催化轉化器（TWC）仍然是解決汽油機HC、NOx、CO排放的必須選擇。但是隨著標準的進一步加嚴，對TWC的要求逐漸增高。陶瓷等新型載體的出現對進一步降低三元催化器起燃溫度起到十分重要的作用。隨著稀燃發動機的普及，其NOx排放得到人們的重視，LNT等技術也逐步得到了應用，并推廣到柴油機領域。為解決缸內直噴汽油機所帶來的顆粒物排放問題，汽油機顆粒捕集器（GPF）成為必備選擇，其主要原理與柴油機顆粒捕集器（DPF）相同。

（1）三元催化轉化器（TWC）。三元催化轉換器安裝在排氣管上，三元催化劑是鉑（或鈀）和鍺的混合物，它不僅能將HC 氧化成H2O、CO2，而且能促使NOx和CO發生反應轉變成CO2和N2。但其轉化效率只有空燃比在14.7：1 附近時才能達到最高，所以須在發動機控制系統中安裝氧傳感器，形成空燃比反饋控制方式即閉環控制，才能保證三元催化器良好的轉好效率。

（2）稀薄氮氧化物捕集技術（LNT）。稀燃氮氧化物捕集（Lean NOx TrapLNT，也稱氮氧化物儲存還原NOx Storage ReductionNSR）技術。通過吸附捕集和還原兩個方面來降低尾氣中NOx的排放。在稀燃條件下，部分NO 氣體在貴金屬（如鉑、銠、鈀）的催化下與氧氣反應形成NO2，NO 和NO2與堿土金屬（BaCO3）或堿金屬（Na、K、Cs等）反應形成硝酸鹽和亞硝酸鹽物種。在富燃條件下，隨著尾氣溫度升高，熱穩定性差硝酸鹽和亞硝酸鹽物種轉化為氣態NOx從吸附表面脫附出去，最終與排氣中的還原性氣體CO、H2、HC 在貴金屬的作用下形成無毒的N2。目前常用的LNT 吸附劑是堿金屬（Na、K、Cs）氧化物。LNT技術可以實現高達90%的NOx轉化效率。

（3）空氣噴射。空氣噴射是將新鮮空氣噴射到排氣門的后面，使尾氣中的HC和CO在排氣管內與空氣混合，繼續進行氧化的方法，也稱之為二次空氣法。

按其空氣噴入的部位空氣噴射可以分為兩類。第一類，新鮮空氣被噴入排氣歧管的基部，即排氣歧管與汽缸體相連接的部位，因此，排氣中的HC、CO只能從排氣歧管開始被氧化；第二類，新鮮空氣通過汽缸蓋上的專設管道噴入排氣門后汽缸蓋內的排氣通道內，排氣中HC、CO的氧化更早進行。

3 結語

隨著汽車生產和保有規模的不斷擴大以及大氣污染問題的日益嚴峻，汽車尾氣排放控制已經成為亟需解決的重要民生課題。近年來國務院和環境保護部不斷出臺治理措施，力爭到2015年全國機動車污染物排放總量比2010年下降10%，2017年全面淘汰污染嚴重的黃標車，到2020年機動車排放控制水平顯著提升。機動車污染防治對于城市空氣質量的改善意義重大，其中，控制機動車數量、提高機動車排放標準等都是控制排放污染的重要手段。

隨著汽車尾氣排放控制實踐的深入，逐步認識到以往的汽車排放標準體系逐漸不適應我國空氣質量管理的要求，如汽車的實際行駛工況與型式認證工況不符，造成在用車的實際排放遠高于認證試驗中的排放；汽油車蒸發排放控制效果不明顯，仍有三分之二的VOC通過晝間排放、行車損耗以及加油過程中排放到大氣；在用車的監管體系不夠嚴格，造成催化器老化失效，排放超標車輛得不到及時有效的控制等，這些問題均制約著我國汽車尾氣排放控制的實際效果。因此，系統的梳理行業內汽油車國五排放控制技術發展狀況，尤為必要。

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作者簡介：黃琪濤（1980），男，漢族，廣西柳州人，本科，助理工程師，研究方向：汽車及發動機相關市場與技術發展方向。