汽車發動機尾氣凈化裝置的改進策略

摘要：隨著我國汽車產業的快速發展，汽車尾氣排放對環境的影響日益嚴重。汽車發動機尾氣凈化裝置作為降低有害排放、保護環境的重要手段，其性能和效率的提升已成為行業關注的焦點。為了滿足日益嚴格的環保法規要求，從多個角度出發，探討了汽車發動機尾氣凈化裝置的改進策略，為實現綠色出行、促進汽車產業可持續發展提供理論支持和技術參考。通過對現有技術的深入分析，提出了切實可行的改進措施，以期為汽車尾氣凈化領域的技術創新和產業發展提供借鑒。

關鍵詞：汽車發動機；尾氣凈化裝置；改進策略；技術支撐；實踐成果

中圖分類號：U467收稿日期：2024-08-21

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.01.008

1前言

隨著全球對環境保護意識的日益增強，汽車尾氣排放控制已成為汽車行業面臨的關鍵挑戰之一。汽車發動機尾氣凈化裝置作為減少有害排放物的關鍵技術，其性能直接影響到空氣質量的改善和環保法規的達標，然而，傳統凈化裝置在凈化效率、能耗和運行成本等方面存在局限性，限制了其在更廣泛范圍內的應用。因此，本文旨在探討汽車發動機尾氣凈化裝置的改進策略，通過技術創新和系統優化，以期實現更高效的尾氣凈化效果，同時兼顧環保法規、經濟性和用戶體驗。

2汽車發動機尾氣凈化裝置改進的價值

2.1減少有害排放物的價值

在汽車工業持續發展的背景下，尾氣凈化裝置改進對于減少有害排放物具有不可估量的價值，有害物質如氮氧化物（NOx）、碳氫化合物（HCs）、一氧化碳（CO）及顆粒物（PM）不僅對環境空氣質量構成嚴重威脅，還直接關聯到公眾健康，如增加呼吸系統疾病、心血管疾病等風險。運用技術創新優化尾氣凈化裝置，如采用更高效的催化劑配方、增強催化轉化效率及拓展工作溫度窗口，能顯著降低有害物質排放量。此舉不僅有助于緩解城市空氣污染，提升居民生活質量，還符合全球節能減排的大趨勢，對實現碳中和目標具有長遠貢獻[1]。

2.2提升凈化效率的價值

提升尾氣凈化裝置的凈化效率，是技術進步的直接體現，其背后蘊含著巨大的經濟與環境雙贏價值。高效凈化意味著在相同條件下，能更徹底轉化尾氣中的污染物，減少向大氣中的排放量，不僅減輕環境負擔，還為車輛提供更清潔排放性能，有助于車輛通過日益嚴格的排放標準測試。從技術層面看，提升凈化效率往往伴隨著催化劑活性的提升、反應條件的優化以及系統結構的合理設計，改進不僅增強凈化效果，還帶來裝置體積的減小、重量的降低，進而提升車輛的整體性能和經濟性[2]。

2.3降低能耗和運行成本的價值

在能源日益緊張的今天，降低尾氣凈化裝置能耗和運行成本，對于促進汽車行業綠色轉型、提升經濟效益具有重要意義。優化催化劑配方，減少貴金屬用量或采用更經濟的替代品，可以降低生產成本；同時，提升裝置的熱效率，減少熱量損失，也能在車輛運行過程中減少能耗。設計更加智能化的控制系統，根據車輛運行工況實時調整凈化策略，避免不必要的能量消耗，進而不斷提高車輛使用經濟性，降低運行成本。

3汽車發動機尾氣凈化裝置改進的技術支撐

3.1先進材料科學的應用

在汽車發動機尾氣凈化裝置的改進中，先進材料科學的應用發揮著關鍵作用。以催化劑材料為例，貴金屬如鉑、鈀、銠等在尾氣凈化中表現出色，但高昂成本限制其廣泛應用，近年來研究人員致力于開發高性能的非貴金屬催化劑，如鈣鈦礦型氧化物和尖晶石型氧化物。實驗數據表明，某些新型非貴金屬催化劑在特定條件下對氮氧化物（NOx）的轉化效率可達到85%以上，而對一氧化碳（CO）和碳氫化合物（HC）的凈化效果也能超過90%[3]。

陶瓷材料在尾氣凈化裝置中的應用也日益重要，蜂窩陶瓷載體具有高比表面積和良好的熱穩定性，為催化劑提供充足的附著空間，相關研究數據顯示，采用優化孔隙結構的蜂窩陶瓷載體，可使尾氣在凈化裝置中的停留時間延長20%，從而顯著提高凈化效果。此外，金屬-有機框架（MOF）材料因其巨大的孔隙率和可調控的結構，在尾氣吸附和分離方面展現出巨大潛力，實驗研究發現，特定的MOF材料對尾氣中的有害物質吸附容量可達傳統吸附材料的1.5倍。

3.2計算機模擬與仿真技術

計算機模擬與仿真技術為汽車發動機尾氣凈化裝置的改進提供強大支持，借助建立精確數學模型，對尾氣凈化過程中的化學反應、流體流動和傳熱傳質等現象進行模擬分析，例如利用計算流體動力學（CFD）軟件，可以模擬尾氣在凈化裝置內的流動速度和壓力分布。研究結果表明，優化凈化裝置的結構設計，可使尾氣流動更加均勻，減少局部渦流的產生，從而提高凈化效率10%左右。

采用化學反應動力學模型，能預測不同工況下尾氣中各種污染物的轉化過程。仿真結果顯示，在特定的溫度和空燃比條件下，氮氧化物的還原反應速率可提高15%。此外，結合有限元分析方法，可以對凈化裝置的熱應力和機械強度進行評估，為材料選擇和結構優化提供依據，模擬數據表明，合理的結構改進能夠有效降低熱應力，延長裝置的使用壽命30%以上。

3.3傳感器與檢測技術

傳感器與檢測技術在汽車發動機尾氣凈化裝置的改進中扮演著不可或缺的角色。氧傳感器能夠實時監測尾氣中的氧含量，為發動機的空燃比控制提供準確反饋。根據實驗數據，采用高精度的寬域氧傳感器，空燃比的控制精度可達到±0.5%，從而顯著降低尾氣中有害物質的排放，氮氧化物傳感器能夠直接檢測尾氣中氮氧化物的濃度，為凈化裝置的工作狀態評估提供關鍵信息（圖1）。

顆粒物傳感器可對尾氣中的顆粒物數量和質量進行實時監測。研究表明，新型的激光顆粒物傳感器能夠檢測到直徑小于10nm的顆粒物，檢測精度高達95%以上[4]。此外，尾氣成分分析技術，如傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和氣相色譜（GC），能準確測定尾氣中各種污染物的種類和含量，利用這些檢測技術獲取的詳細數據，有助于優化凈化裝置的控制策略，提高凈化效果。

3.4能源回收與再利用技術

能源回收與再利用技術在汽車發動機尾氣凈化領域具有重要意義，尾氣余熱回收技術是其中的一個重要方向，通過安裝熱交換器，可以將尾氣中的熱能轉化為有用的能量。相關實驗表明，采用高效的熱交換器，尾氣余熱回收效率可達15%以上，這部分回收的能量可用于車輛的輔助系統，如空調或電池充電。尾氣壓力能回收技術也逐漸受到關注，利用渦輪增壓器或膨脹機，將尾氣的壓力能轉化為機械能或電能，據研究數據，合理設計的尾氣壓力能回收系統，能夠為車輛提供額外的動力輸出，提高燃油經濟性5%左右。

4汽車發動機尾氣凈化裝置改進策略

4.1催化劑材料創新

在汽車發動機尾氣凈化領域，催化劑材料的創新是提升凈化效果和降低成本的關鍵。目前，對于貴金屬替代材料的研究正如火如荼地進行，例如過渡金屬氧化物如錳氧化物、鐵氧化物等，在特定條件下展現出與貴金屬相當的催化性能，實驗數據顯示，以錳氧化物為主要成分的催化劑，在溫度為350℃時，對氮氧化物的轉化效率可達75%以上。同時，納米催化劑也成為研究熱點，納米級的貴金屬顆粒具有更高的比表面積和活性位點，能顯著提高催化效率，以納米鉑為例，相較于傳統尺寸的鉑顆粒，其對一氧化碳的凈化效果提升20%左右。

針對不同發動機型號，如豐田的1ZR-FE發動機，采用新型復合金屬氧化物催化劑，結合其獨特的燃燒特性和排氣成分，優化催化劑的組成和結構，使得尾氣中的氮氧化物排放量減少30%，碳氫化合物排放降低25%。對于大眾的EA888發動機，應用特殊制備的納米級鈀催化劑，在保持較高凈化效率的同時，降低貴金屬的使用量，從而降低成本。此外，還在探索催化劑的載體材料創新，例如碳納米管作為載體，其優異的導電性和機械強度有助于提高催化劑的穩定性和活性，研究表明，使用碳納米管負載的催化劑，在連續運行500h后，仍能保持90%以上的初始凈化效率。

4.2凈化系統結構優化

尾氣凈化系統的結構布局直接影響凈化效率和耐久性。在催化劑載體設計方面，采用三維立體結構的載體，如泡沫金屬載體，其孔隙率高達90%以上，相比傳統的蜂窩陶瓷載體，能為催化劑提供更多的附著面積。實驗數據表明，使用泡沫金屬載體的凈化裝置，對尾氣中有害物質的吸附容量提高30%[5]。在氣流分布優化方面，通過計算流體力學（CFD）模擬和實際測試，調整進氣管和排氣管的形狀和位置。

以寶馬的N20發動機（表1）為例，優化后的氣流分布使得尾氣在凈化裝置內的停留時間延長15%，氮氧化物的轉化效率從70%提升至85%。針對不同發動機的排氣特性，如奔馳的M274發動機（表1），采用分區式凈化結構，將不同類型的催化劑布置在不同區域，以適應不同溫度和成分的尾氣，這種設計使得尾氣凈化更加精準高效，碳氫化合物的排放降低20%。

4.3智能控制策略

智能控制系統利于汽車發動機尾氣凈化效果的提升。實時監測發動機工況和尾氣成分，利用先進的算法調整凈化參數。例如，采用模糊邏輯控制算法，根據尾氣中氧含量、氮氧化物濃度等參數，動態調整空燃比。實驗結果顯示，在復雜工況下，采用該智能控制策略，尾氣中氮氧化物的排放量降低25%。

對于福特的EcoBoost發動機，結合其渦輪增壓和直噴技術的特點，開發專屬的智能控制模塊，該模塊能夠根據發動機的轉速、負荷和進氣溫度等實時數據，精確控制尾氣凈化裝置的溫度，使催化劑始終保持在最佳工作狀態，數據表明，在城市道路行駛條件下，碳氫化合物和一氧化碳的排放分別減少了18%和15%[6]。

此外，基于機器學習的控制策略也在不斷發展，通過對大量的尾氣排放數據進行訓練，系統能夠預測尾氣成分的變化趨勢，提前調整凈化參數。

4.4集成化與模塊化設計

集成化與模塊化設計理念的推廣有助于提高汽車發動機尾氣凈化裝置的整體性能和安裝維護效率，將多個凈化單元，如催化轉化器、顆粒捕集器和氮氧化物吸附器等，整合為一個緊湊的模塊，例如在奧迪的TFSI發動機上，采用集成化設計，模塊體積減小20%，同時降低系統重量。

通過標準化的接口和連接方式，實現模塊的快速更換和升級，對于本田的地球夢發動機，模塊化設計使得更換凈化模塊的時間從原來的2h縮短至30min，大大提高維修效率。

此外，集成化設計還能夠優化系統的流場分布，減少壓力損失，實驗表明，在日產的VC-Turbo發動機上應用集成化設計，尾氣在系統中的壓力損失降低15%，提高發動機的動力性能和燃油經濟性。

5結語

本文全面探討汽車發動機尾氣凈化裝置的改進策略，通過對其改進價值、技術支撐和具體策略的研究，明確在減少有害排放物、提升凈化效率及降低能耗成本等方面的重要性和可行方法。未來，有望在新型凈化技術研發上取得更大突破，如等離子體、光催化和生物酶凈化技術的廣泛應用，同時應加強與新能源汽車的深度融合創新，適應不同類型新能源汽車的尾氣凈化需求，智能化和大數據驅動將成為發展重點，實現更精準的凈化和預測性維護。

參考文獻：

[1]嚴鑫，李瑋，楊文軍.生活垃圾熱解可燃氣內燃機發電機尾氣顆粒物特性及改進凈化[J].環境衛生工程，2023，31（6）：28-34.

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[3]樊于朝，馬佳，張攀.一種天然氣發動機尾氣凈化技術路線探索[J].汽車實用技術，2021（2）：47-50.

[4]鄭婷婷，王國棟，顧紹晶，等.汽車尾氣凈化三效催化劑中N2O和NH3的生成及控制研究進展[J].化工進展，2020，39（6）：2399-2410.

[5]余雷雨，鄒振東，高輝輝，等.空氣前端凈化技術WarpAirClean對柴油車尾氣的減排效果[J].科學技術與工程，2022（22）：1699-1706.

[6]張喆博，杜萬強.淺析礦用防爆柴油機尾氣凈化技術[J].內蒙古煤炭經濟，2022（18）：37-39.

作者簡介：

顏天敏，女，1980年生，教授，研究方向為發動機技術等。