低碳背景下汽車尾氣排放的控制辦法

沈法鵬

（山東交通職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261206）

前言

汽車尾氣排放問題在世界各地引起了廣泛關(guān)注，盡管各個(gè)國(guó)家通過運(yùn)用各種方法想要減少汽車尾氣排放量，但收效甚微。隨著尾氣排放量的增加，為了滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)人員不僅需要對(duì)汽車進(jìn)行技術(shù)改造，還需要加強(qiáng)研究新型技術(shù)，而新排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施對(duì)汽車綜合技術(shù)又提出新的挑戰(zhàn)。通過對(duì)汽車尾氣排放控制技術(shù)進(jìn)行分析，找出其技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合新型技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，提出需要改進(jìn)的措施具有重要意義。

1 汽車尾氣污染的危害

汽車在燃油的過程中通過曲軸箱、排氣管以及燃油系統(tǒng)將尾氣排放到大氣中，同時(shí)其蒸發(fā)的污染物也會(huì)造成大氣污染。據(jù)環(huán)保局2014年頒布的汽車污染防治標(biāo)準(zhǔn)中提出，CO、HC、NO2、PM 是汽車尾氣中含有的四大主要污染物質(zhì)，這四大污染物在 2013年達(dá)到近5萬噸的污染指數(shù)，所排放的CO和NO2總量達(dá)到80%，對(duì)空氣造成了嚴(yán)重污染[1]。

2 低碳背景下汽車尾氣排放所存在的問題

2.1 稀然技術(shù)

稀燃技術(shù)三種燃燒系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)詳見下表1。

稀燒技術(shù)存在的缺陷體現(xiàn)為混合氣點(diǎn)火方法比較復(fù)雜，通常要靠近火花塞的間隙，混合氣濃度足以使混氣點(diǎn)燃。由于火焰核心的間隔比火花塞大得多，一旦火焰燃燒，它的火焰擴(kuò)散到稠密的燃燒室氣體。在早期GDI的開發(fā)過程中，重點(diǎn)研究了在熱狀態(tài)下可燃物能長(zhǎng)期點(diǎn)燃的一種火燒系統(tǒng)，雖然該系統(tǒng)易于點(diǎn)燃稀薄氣體的混合物，但它可以很容易點(diǎn)燃。

表1 稀燃技術(shù)不同燃燒系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

2.2 點(diǎn)火技術(shù)

隨著汽車電器的逐步電子化，傳統(tǒng)的點(diǎn)火系統(tǒng)由于自身的局限性已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代高速發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火要求，電子點(diǎn)火系統(tǒng)正迅速向微機(jī)控制的電子自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)發(fā)展。電子點(diǎn)火系統(tǒng)（以霍爾式為例）與微機(jī)控制點(diǎn)火系統(tǒng)的對(duì)比從模擬計(jì)算機(jī)到數(shù)字計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火控制的電子化與智能化的功能[2]。

由于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化較為頻繁，加大了燃燒過程中的復(fù)雜性以及檢測(cè)的難度性，很難建立準(zhǔn)確的模型。傳統(tǒng)方法適應(yīng)不了極其復(fù)雜的環(huán)境，很難達(dá)到適量管理集中化，現(xiàn)在研究者們正在尋找新型的控制方法。

2.3 空燃比控制技術(shù)

以三效催化轉(zhuǎn)化器、氧傳感器和電控燃油噴射系統(tǒng)的閉環(huán)控制為代表的空燃比控制技術(shù)，它可以準(zhǔn)確判斷實(shí)際空燃比是豐富還是貧乏，從而控制噴油量的增加或減少。然而一些發(fā)動(dòng)機(jī)的工作條件都應(yīng)用開環(huán)控制，需要非理論的空燃比運(yùn)行。所以無論是進(jìn)入開環(huán)控制或者是進(jìn)入閉環(huán)控制發(fā)動(dòng)機(jī)都需要根據(jù)ECU的相關(guān)輸入信號(hào)進(jìn)行確定。

2.4 三效催化技術(shù)

貴金屬?gòu)?fù)合氧化物和稀土金屬氧化物三效催化轉(zhuǎn)化器的分析，為了提高三效催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率，催化轉(zhuǎn)化器必須達(dá)到一定的催化劑點(diǎn)火溫度才能達(dá)到較高的凈化率，這意味著冷啟動(dòng)后一段時(shí)間內(nèi)污染物的排放量是無法減少的，特別是混合氣增濃輔助冷啟動(dòng)增加了未燃 HC排放[3]。在暖機(jī)過程中，CO、HC和NO的排放量分別占城市行駛工況總排放量的72%、81%和84%。催化轉(zhuǎn)化器的電加熱雖然可以大大縮短催化劑達(dá)到起燃溫度的時(shí)間，但加熱催化劑的電功率增加了額外的油耗，電加熱催化劑的使用壽命有待進(jìn)一步提高。

3 低碳背景下汽車尾氣排放解決措施

3.1 稀然技術(shù)

通過對(duì)其技術(shù)分析得出以下改進(jìn)措施：（1）可以適當(dāng)減小噴油器的傾角，提高燃燒穩(wěn)定性。（2）為了提高 NOX轉(zhuǎn)化效率，采用了一種新型的選擇性還原稀燃NOx催化劑。（3）HCCI技術(shù)應(yīng)在以下方面進(jìn)行改進(jìn)：在工況變化時(shí)保持適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)火正時(shí)，發(fā)展先進(jìn)的冷啟動(dòng)方法。（4）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)與控制策略的開發(fā)，在產(chǎn)品車輛負(fù)載速度范圍內(nèi)對(duì)燃燒優(yōu)化進(jìn)行保持，從而開發(fā)適合的燃料系統(tǒng)與典型的燃燒模式數(shù)值計(jì)算模型有很大成就[4]。（5）計(jì)算機(jī)可以用來模擬燃料和空氣進(jìn)出燃燒室的流動(dòng)。（6）氣缸和活塞需要更換，發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的硬件也需要改進(jìn)。（7）實(shí)現(xiàn)均質(zhì)混合氣壓力燃燒可以在缸內(nèi)直噴稀薄燃燒系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，這不僅能精準(zhǔn)的對(duì)混合氣空燃比進(jìn)行控制，還可以使均質(zhì)混合氣壓力燃燒系統(tǒng)在空燃比范圍內(nèi)穩(wěn)定。

3.2 點(diǎn)火技術(shù)

通過對(duì)以上技術(shù)的分析可以得出以下改進(jìn)措施：（1）利用漩渦進(jìn)行多點(diǎn)點(diǎn)火，改進(jìn)點(diǎn)火電極形狀。（2）通過反饋控制，對(duì)火花點(diǎn)火式的點(diǎn)火與曲軸轉(zhuǎn)角的最佳控制時(shí)間。（3）改善火花塞在發(fā)動(dòng)機(jī)中的位置以優(yōu)化它。同時(shí)在每個(gè)氣缸上都需采用獨(dú)立的點(diǎn)火圈，便于提升放電電流以及放電時(shí)間[5]。（4）提高轉(zhuǎn)速，使用稀薄的混合物，適當(dāng)推遲點(diǎn)火時(shí)間，提高潤(rùn)滑油溫度。（5）采用新技術(shù)改造火花塞，采用耐用材料作為電極，可以將其分成兩段，在絕緣體與電極之間產(chǎn)生感應(yīng)，并進(jìn)行電暈放電，這樣可以有效地將絕緣子上的積碳進(jìn)行去除。（6）將模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于點(diǎn)火控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用于點(diǎn)火裝置的研究。

3.3 空燃比控制技術(shù)

對(duì)以上分析有得出的改進(jìn)措施可歸納為：混合氣空燃比不能采用單一的閉環(huán)控制，應(yīng)采用開環(huán)與閉環(huán)相結(jié)合的策略，這樣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下都能滿足[6]。同時(shí)，研制出更先進(jìn)的氧傳感器，有效減少有害物質(zhì)的排放。

3.4 三效催化技術(shù)

通過分析可以得出以下改進(jìn)措施：（1）從凈化催化劑的組成上，應(yīng)發(fā)展為稀土催化劑等優(yōu)質(zhì)、低成本的催化劑，進(jìn)一步降低后處理技術(shù)成本。（2）催化劑前可添加一些特殊材料（如沸石）。當(dāng)排氣溫度過低，催化劑不能有效工作時(shí)收集HC。在較高的溫度下，催化劑可以起到一定的作用，當(dāng)HC轉(zhuǎn)換時(shí)，HC被釋放。（3）在主催化轉(zhuǎn)化器前面安裝一個(gè)小型催化轉(zhuǎn)化器，并使用金屬作為連接到催化劑上的托架。這樣當(dāng)電流經(jīng)過時(shí)支架可以快速加熱，在幾秒內(nèi)是催化劑達(dá)到理想的工作溫度[7]。（4）先進(jìn)的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于催化涂層，創(chuàng)造一個(gè)小環(huán)境的豐富燃燒。在這種小環(huán)境下，廢氣中的碳?xì)浠锟梢詫⒌趸镞€原為氮?dú)猓⒈３终麄€(gè)廢氣的頻繁稀燃狀態(tài)。

4 結(jié)束語

總之，先進(jìn)的汽車排放控制技術(shù)是控制汽車尾氣排放、改善環(huán)境的重要途徑。目前，我國(guó)的控制技術(shù)落后于世界汽車強(qiáng)國(guó)，促使研究者盡快提高技術(shù)水平，應(yīng)用于實(shí)踐。本文總結(jié)和分析了幾種常用的汽車尾氣排放控制技術(shù)，并得出了相應(yīng)的結(jié)論與改進(jìn)措施，具有一定的理論和研究?jī)r(jià)值。但這些方法在我國(guó)的汽車尾氣污染控制中還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。我國(guó)必須在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況，進(jìn)行大量的分析研究，力爭(zhēng)盡快減輕汽車尾氣污染對(duì)人類的危害。