汽車尾氣形成機理及控制策略

陳夢

摘 要：隨著汽車工業的飛速發展，全球汽車保有量正在逐年增加。車輛較少的時候，汽車帶來的危害尚不明顯，但是現在我國各大城市的主干道上已經車滿為患，汽車本應給人們帶來的快速、舒適、高效的優點，也逐漸被汽車所衍生的問題所抵消。汽車尾氣也成為全國大中等城市重要的污染源，如何做好節能減排，已成為專家學者研究的重要領域，節能環保的要求也會進一步促進內燃機技術的發展。

關鍵詞：汽車尾氣;形成機理;危害;控制策略

1 汽車尾氣形成機理及危害

1.1 一氧化碳形成機理及危害

汽車尾氣中一氧化碳主要是由于油氣混合燃燒時，氧氣不足所產生的產物。一氧化碳是一種穩定的物質，與其他物質發生反應所需條件較高，同時一氧化碳與人體血液中的血紅蛋白的親和力是氧氣的幾百倍，當人們吸入少量的一氧化碳時，會造成頭暈、無力、胸悶等中毒癥狀，當吸入大量的一氧化碳，會使得大腦、心臟及其它重要人體器官缺氧，嚴重時會導致中毒死亡。

1.2 碳氫化合物形成機理及危害

汽車燃油的主要成分是碳和氫，當燃油沒有完全燃燒時，殘余的燃油蒸汽會變成尾氣排到大氣中去，經過強烈陽光的照射易與空氣中其他成分反應生成碳氫化合物或者形成光化學煙霧。除此之外，燃油箱以及燃油管路泄露，都會造成碳氫化合物的生成。碳氫化合物中，有的氣體會造成溫室效應，對環境造成破壞，比如甲烷;有的氣體有毒，比如苯類氣體，會對人體造成諸如頭痛、嘔吐等危害，影響人們的呼吸道健康，更有甚者可能致癌。

1.3 氮氧化合物形成機理及危害

氮氧化合物是發動機在中等負荷工作時，高溫、高壓的環境為氮氣被氧化成氮氧化合物提供了反應條件，生成的氮氧化合物中，一氧化氮對人們的呼吸系統刺激很大，進入人類呼吸道深處時，對肺組織產生刺激和腐蝕作用，嚴重時會引起肺水腫，在條件合適時，一氧化氮也會轉化為二氧化氮;二氧化氮易形成酸雨，降落到地表，造成土壤及地下水酸化，當人體吸入二氧化氮時，輕者會造成上呼吸道感染，重者會造成肺水腫，經常會出現胸悶、呼吸困難，干咳等癥狀。據統計，我國氮氧化合物生產量中，有近35%是由于汽車尾氣造成。

2 排放污染物的主要控制策略

2.1 使用清潔燃料

2.1.1 可以采用無鉛燃油

為了防止發動機的爆震燃燒，往往在燃油中添加含鉛的有機物，而鉛這種化學物質對人體及環境危害很大。現在為了保護環境，逐漸在使用無鉛燃油，即在燃油中加入其他防爆震成分，提高無鉛汽油辛烷值，不僅可以提高抗爆性，而且可以有效降低汽車尾氣排放。

2.1.2 摻入添加劑，改變燃料成分

通常我們在燃油中加入少量水分，這可以將凈化尾氣的物質直接加到燃油中去，比如增氧節油劑，這些都可以減少汽車尾氣的排放。

2.2 采用降低發動機排放的燃燒技術

目前，發動機的控制技術正在不斷優化和完善，發動機供給系統從傳統的化油器式發展到噴油器將燃油噴到進氣管中與空氣混合，到目前噴油器直接將燃油高壓噴到氣缸中，利用高壓噴油器能將燃油很好的霧化，結合氣缸燃燒室的形狀，可以很好的實現油氣混合進行燃燒。這種技術提高了發動機燃油噴射的精確性，在獲得良好動力性、燃油低消耗的同時，降低了汽車尾氣的排放。現在常用的燃油直噴技術有：分層稀薄燃燒技術（GDI）、均質充量壓縮燃燒技術（HCCI）和燃料分層噴射技術（FSI）等。

2.2.1 缸內直噴技術（GDI）

德國的汽車公司從上世紀50年代就開始研制GDI發動機技術，并應用在二沖程汽油發動機上，但是限于當時的技術水平，GDI技術應用后，汽車基本無法正常運轉，油耗和排放情況也較差，很快這種技術就被汽車公司摒棄。隨著技術的發展和降低排放的需要，缸內直噴技術取得長足的發展，其工作的穩定性、響應性、可控性等均有較大的改進。如圖1所示，該技術主要優點表現在噴油器噴出的高壓燃油可以在火花塞附近形成較濃的霧化區域，這樣不僅保證了混合氣的可靠點燃，也改善了低溫啟動性能;由于采用缸內直噴，空燃比與傳統發動機相比得到極大提高，使得節油性也大大提高，其油耗與使用渦輪增壓技術的車輛相當，但是卻沒有渦輪增壓裝置，該技術也使得發動機的噪聲及尾氣排放都大大降低。

2.2.2 均質充量壓縮燃燒技術（HCCI）

HCCl技術主要是當發動機壓縮行程快結束時，氣缸內的溫度和壓力不斷升高，燃油通過高壓噴油器噴進氣缸，油氣可以在極短的時間內實現均勻而充分的混合，且基本達到自燃條件，如圖2所示。采用HCCl技術的發動機主要優點是可燃混合氣同時燃燒，避免了傳統的擴散性燃燒過程中的能量損失;采用壓燃方式，不僅可以省去點火系統，而且能實現過量空氣系數較大的混合氣濃度燃燒，節油性能大大提高;同時由于燃燒反應迅速，燃燒溫度比較均勻，生成的氮氧化合物、碳煙微粒（PM）量顯著減少。

2.2.3 燃料分層噴射技術（FSI）

早期電控發動機是控制模塊根據發動機幾個主要傳感器的輸入信號，控制噴油器將定量的燃油噴入進氣管與空氣完成混合。但是傳統噴射位置在進氣管中，混合氣在進入氣缸燃燒前易造成燃油的損失，這就使得燃燒時，空燃比并不是控制模塊預設的值，造成動力性、排放性和燃油消耗率都受到影響。

直噴式汽油發動機采用一個可以提供較高壓力的高壓油泵，將汽油提供給位于氣缸燃燒室上方的電磁燃油噴油器。發動機控制模塊控制噴油器將精確的燃油量直接噴入氣缸燃燒室內，與空氣經過短暫而充分的混合后，在火花塞周圍形成較濃油氣混合區域，其他區域濃度較稀。這樣可以在保證可靠點火的前提下，實現降低油耗、保證動力的目的，同時汽車尾氣排放也大大降低。

2.3 發動機內部凈化處理方式

2.3.1 曲軸箱通風系統設計

由于氣體無孔不入的特點，即使活塞及活塞環與氣缸密封性能好，也會使得少量可燃混合氣竄入油底殼，當竄入氣體累計過多時，一方面會造成燃油的浪費，另一方面燃油融入機油中，影響機油品質的同時，也會使得機油壓力過大，造成機油消耗過大。為了消除這些影響，往往采用曲軸箱通風的方式。目前，所采用的曲軸箱強制通風技術是利用進氣管的真空度，將竄入油底殼的可燃氣體再導回進氣管參與燃燒，這樣不僅保證了潤滑系統可靠工作，同時發動機的燃油消耗量也大大降低，對環境的危害也隨之降低。

2.3.2 汽油蒸氣排放控制系統

汽油揮發性能好，雖然這種特點可以用來進行可燃混合氣均勻混合，但是也會使得燃油箱中汽油蒸汽過多，如果不及時導出的話，往往會造成危險，以前是通過油箱蓋的泄壓閥直接將汽油蒸汽排到大氣中，但是會造成燃油浪費和污染環境。現在通常在發動機上安裝一套汽油蒸汽排放控制系統，這個系統主要裝置是一個碳罐，利用活性炭的吸附功能，將油箱中的汽油蒸汽吸附其中，并和新鮮空氣一起導入進氣管中，參與燃燒，節約能源的同時也保護了環境。

2.3.3 廢氣再循環 （EGR）系統設計

EGR系統是將排氣管中一定量的廢氣再循環至氣缸參與燃燒的技術。該技術可有效降低廢氣中氮氧化合物含量。首先，EGR增加了可燃混合氣中氮氣、二氧化碳等氣體含量，由于氮氣、二氧化碳比熱容較高，因此氣缸中氣體比熱容變大，使得氣缸燃燒溫度以及燃燒速率下降，改變了氮氣和氧氣發生反應的條件，從而降低氮氧化合物的生成;其次，廢氣對混合氣具有稀釋作用，混合氣中氧氣含量降低，減小了氮氧化合物生成的機會;再次，再循環廢氣含有少量惰性氣體，也會降低混合氣燃燒速度和溫度，抑制氮氧化合物的生成。

3 結束語

我國提出2030年碳達峰和2060年碳中和目標，對汽車設計、制造提出了新的更高要求，要實現汽車節能減排，需要采用先進的尾氣控制技術，我國目前在尾氣控制技術方面還有不足，但是我們在引進外國技術的同時，要結合我國實際情況進行研發，力爭盡快減少汽車尾氣帶來的危害。

參考文獻：

[1]丁力.探析汽車發動機降低排放技術[J].汽車實用技術，2021（8）：202-204.

[2]孫新宗，章奇羊，張琳.機動車尾氣檢測方法及污染防治措施[J].化工管理，2021（9）：22-23.

[3]武衛民.我國汽車排放控制水平現狀及綜合對策探析[J].內燃機與配件，2021（5）：148-149.

[4]溫華新.汽車發動機降低排放技術分析[J].內燃機與配件，2021（3）：54-55.