我國低排放汽車的發展趨勢分析

申振國 高秀紅

(鶴壁汽車工程職業學院，河南 鶴壁 458030)

0 前言

近年來，我國汽車保有量呈快速增長的趨勢，但汽車保有量的快速增加導致汽車尾氣污染嚴重，這給我國環境保護和綠色可持續發展戰略的實施帶來嚴峻挑戰。因此，對汽車降低排放技術的分析和未來發展前景的研究迫在眉睫。近年來，科技的發展推動汽車行業向智能化和低碳化發展，降低汽車排放技術水平逐漸提升，計算機在汽車行業的應用范圍逐漸擴大，成為推進汽車行業發展的研究方向。

1 低排放汽車發展現狀

1.1 尾氣排放污染嚴重

隨著國家機動車行業的飛速發展，汽車保有量急劇增長，排放的尾氣造成了嚴重的環境污染，城市空氣污染已由燃煤型污染轉為燃煤與機動車混合型污染，汽車污染已成為世界性公害。

在內燃發動機中，由于燃料不完全燃燒產生的CO易與血液里的血紅蛋白結合，導致人體缺氧，出現眩暈、嘔吐等中毒癥狀，嚴重者可能有生命危險。而發動機廢氣中的未燃部分，包括碳氫化合物、碳氧化合物等污染物是光化學煙霧的重要組成成分，兩者在紫外線的照射下發生化學反應，產生毒性，對眼、鼻、喉等器官具有明顯的刺激作用，嚴重危害身體健康。

1.2 汽車燃油市場不穩定

近年來，隨著國內汽車銷售量的持續增加，石油需求量不斷增大，導致國家原有石油儲藏量降低。由于石油資源不可再生，可能將面臨石油能源緊缺的問題。在2020年新冠疫情的沖擊下，國家加大防控力度，私家車出行頻次大幅減少，汽油需求量呈下滑趨勢，汽車消費量降低。疫情導致國內多個行業的發展前景不確定性增加及國際關系局勢復雜，使得國內主營汽油價格呈震蕩上漲趨勢。同時，由于新能源汽車在速度、能耗、智能化等方面堪比燃油車，近年來，新能源汽車的銷量大幅增加。總體來看，國家在汽車能源方面采取了積極措施，但國內汽車燃油市場仍不穩定，降低汽車尾氣排放量仍是當前汽車行業的發展之要。

1.3 汽車尾氣排放標準

汽車尾氣污染日益嚴重，針對汽車尾氣排放立法勢在必行，以促使汽車生產廠家改進產品，減少有害氣體的產生。20世紀80年代，我國頒布了第1批汽車排放標準，隨后制定了分階段實施的具體方案，逐漸形成較完整的治理體系。近年來，隨著汽車保有量的增加和空氣環境的惡化，不斷補充和細化汽車排放標準，研究如何改進低排放汽車顯得尤為重要。

2 現有的低排放技術

2.1 廢氣再循環系統

如何有效解決發動機尾氣排放污染是目前汽車發展面臨的重大難題。廢氣再循環(EGR)系統主要是對廢氣中比熱容較大的氣體加以循環利用，以有效降低燃燒濕度及氣體濃度，達到降低尾氣中氮氧化合物排放量的目的。

在吸入空氣量不變的情況下，EGR率高表示廢氣引入量高，此時發動機燃燒狀況惡化，失火率增加，動力性下降；EGR率低表示廢氣引入量低，氮氧化物排放未達到法規要求，發動機易過熱，因此需要根據發動機工作狀況調整EGR率。EGR主要有機械式和電子式這2種：機械式是最早設計的EGR裝置，零部件結構簡單，依靠進氣管和排氣管壓力完成循環，通過壓力差控制EGR閥門的開關；電子式是以電子控制單元為支撐，電控單元通過占空比信號控制EGR電磁閥，進而根據線圈是否通電來判斷EGR閥的真空室與大氣相通還是與進氣歧管相通。雖然2種方式均能在一定程度上減少汽車尾氣排放量，但是動力相對欠缺，沒有足夠的燃燒穩定性，這也為其未來發展提供了研究方向。

2.2 電控燃油噴射技術

電子計算機的應用為汽車燃油系統提供了嶄新的發展方向，使得以自動化控制為技術支持的燃油噴射系統得以廣泛應用推廣普及。該系統可及時接收燃油器裝置發出的信息，并進行分析與處理，通過調整和控制脈沖寬度來完成噴油任務。電子控制燃油噴射系統如圖1所示。

由圖1可知，電控燃油噴射系統由以下3部分組成：① 空氣供給系統，由空氣流量計、節氣門位置傳感器等零部件構成，主要功能是為發動機提供新鮮空氣并控制進氣量。② 燃油供給系統，由油箱、燃油濾清器、油壓調節器、噴油器等部件構成，燃油泵從油箱中吸出汽油，汽油經濾清器過濾進入燃油分配管，油壓調節器調節壓力，再將汽油壓入噴油器，噴油器根據電子計算機的指示完成噴油操作。③ 控制系統，由各傳感器和電子控制單元(ECU)等部件構成， ECU根據傳感器和空氣流量計發來的信號確定燃油噴射時間，然后向噴油器及點火線圈發出指令，控制噴油器噴油或斷油。

圖1 電控燃油噴射系統

2.3 三元催化技術

目前，較成熟的尾氣處理技術就是三元催化技術，主要依靠三元轉換器來完成。該裝置能夠將汽車尾氣中的有害污染物通過氧化還原反應進行轉化，形成無害的CO、HO、N等。三元催化器由多孔陶瓷材料制作而成，本身不參與氧化還原等化學反應，僅作為載體參與尾氣凈化過程。該裝置由大量負載催化劑的涂層覆蓋，涂層是類似蜂窩狀的細小通道隔板，尾氣經過時發生催化反應，通過氧化還原作用轉化為無害氣體，可實現對尾氣的處理。三元催化技術具有原理簡單、成本低且能效高的優點，有利于實現汽車尾氣處理過程的系統化、規范化和標準化，形成一體化的尾氣處理系統。

3 低排放汽車的發展趨勢

3.1 燃料電池開發

發展使燃料的化學能轉化為電能的電池裝置是大勢所趨，此類電池被稱為燃料電池，該技術將成為21世紀汽車行業發展的熱點。經過制造商、高等院校和科研機構聯合研究與攻關，目前燃料電池的研究、開發和商品化方面已取得了巨大突破。對于可選擇的燃料，按特點分為以下2類：① 氫氣，其與大氣中的氧氣發生氧化還原化學反應生成氣態水，產生電能，帶動電動機工作，從而驅動汽車行駛，這類電池被稱為“氫氧混合燃料電池”；從工作原理來看，該電池直接將化學能轉化為電能，能量轉化效率高，排放無污染，但該類型汽車還處于研制階段，對液態氫制取和存儲等問題的研究有待突破。② 天然氣、甲醇及液化石油氣等，該類型燃料電池工作原理同前者；但由于氣體燃料的能量密度低，燃燒產生的能量低，汽車行駛距離短。

傳統的發動機燃料系統不能完全適用于新型燃料，一般需要增加儲氣瓶、減壓閥等部件，結構復雜且系統控制和布局難度增加，這對未來燃料電池的開發提出了新的方向與挑戰。

3.2 超級電容應用

作為通過極化電解質來儲存能量的電化學元器件，超級電容具有儲存電荷能力高、充放電速度快、使用壽命長、無污染等特點，是一種優良的新型綠色儲能器，具有優越的性能和廣闊的發展前景，是成為低排放汽車開發的重要方向之一。超級電容性能的核心影響因素是電極材料，多以活性炭作為電極材料，也可用碳纖維、金屬氧化物及其水合物、導電聚合物等，由碳電極和電解液上負荷的電荷分離產生電動勢，提供電能驅動汽車行駛。與燃料電池相比，超級電容的充放電過程屬于物理過程，其性能較穩定。但超級電容也有劣勢，電容器比能量低限制了汽車的續航能力，電池使用不當會導致電解質泄露。因此這類汽車更適合于短距離行駛，比如作為城市交通工具。總體來說，以超級電容為能源的低排放汽車無污染、零排放，具有良好的市場前景和社會效益。

3.3 混合動力汽車研究

將燃料電池與超級電容相結合的混合動力汽車在工作效率、制動能量回饋、動態特性等方面具有更優越的性能。燃料電池作為能量來源裝置，超級電容作為輔助啟動裝置，兩者聯合可縮短發動機的啟動時間，確保了啟動的穩定性，在低溫情況下，其性能優勢尤為明顯。超級電容具有瞬時高功率的特性，可避免發動機啟動頻繁造成其使用壽命短，同時還能回收利用制動能量，減少污染排放。綜上可得，這種組合能最大限度地滿足汽車的啟動、加速、制動力和效率需求，但整車質量和成本增加，以及結構和控制復雜也是亟待解決的問題。如將蓄電池和超級電容相結合，聯合應用于發動機啟動系統，是解決這一問題的途徑之一。

4 結語

人們生活水平的提高促進了汽車消費量的增長，間接導致汽車尾氣排放量的增加，造成環境污染日益嚴重，危害人們身心健康。目前，我國正處于綠色環保和節能減排的關鍵階段，加大對低排放汽車的研究力度勢在必行，這也是實現社會可持續發展戰略的必要措施。降低汽車排放量的尾氣處理技術已較成熟，但取得的效果并不顯著，及時尋求新型、高效的汽車減排技術刻不容緩。將燃料電池與超級電容相結合的混合動力系統不僅克服了燃料電池低比功率和超級電容低比能量的缺陷，而且具有儲存能量和回收制動能量的能力，彌補了各自劣勢，又將雙方的優勢最大化。

低排放汽車的未來發展要以政府政策法規為依據，以技術改革創新為支撐，以綠色發展理念為指引，逐步構建低能耗、低污染及高效率的汽車發展模式，保證汽車行業持續健康的發展。