論汽油汽車國五排放控制技術(shù)發(fā)展狀況

摘要：隨著汽車排放法規(guī)對排放污染物的要求越來越高，除了采用傳統(tǒng)機內(nèi)凈化技術(shù)外，還有其他更新型更有效的排放控制技術(shù)，本文著重梳理行業(yè)內(nèi)汽油車國五排放控制技術(shù)發(fā)展狀況。

關(guān)鍵詞：汽車；汽油機；排放控制技術(shù)

1 汽車污染物排放量現(xiàn)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(nèi)，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(xiàn)持續(xù)增長態(tài)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(chǎn)業(yè)發(fā)展留出了更多的環(huán)境容量。

2 先進排放控制技術(shù)分析

2.1 國際先進的機內(nèi)凈化技術(shù)

機內(nèi)凈化技術(shù)是控制發(fā)動機排放的傳統(tǒng)方法，其主要是從有害污染物的生成機理及影響因素出發(fā)，通過對發(fā)動機本體進行優(yōu)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(tǒng)，改善燃油噴射系統(tǒng)，改善燃燒系統(tǒng)等。此外，燃油和潤滑油品質(zhì)的提升也屬于機內(nèi)凈化技術(shù)范圍。

2.1.1 傳統(tǒng)機內(nèi)凈化技術(shù)

傳統(tǒng)的機內(nèi)凈化技術(shù)主要是指單純的對發(fā)動機進氣系統(tǒng)、燃油噴射系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)等進行優(yōu)化以達到降低排放的目的。

首先，在進氣系統(tǒng)上，汽油機主要通過以下技術(shù)達到降低排放的效果，如廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（EGR）可以降低燃燒室內(nèi)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(chǎn)生；采用增壓中冷技術(shù)，可以提高發(fā)動機的充氣效率，降低進氣溫度，優(yōu)化燃燒，明顯改善PM和NOx的排放；發(fā)動機采用多氣門技術(shù)，可以顯著改善進排氣，可以一定程度上優(yōu)化排放；通過可變氣門正時技術(shù)改善排放，這主要是由于可變氣門正時技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)不同程度的內(nèi)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(nèi)的殘余廢氣系數(shù)進行控制，實現(xiàn)了不同程度的內(nèi)部EGR，因此，精確的氣門正時控制可以實現(xiàn)HC、CO、NOx的同時優(yōu)化。柴油機在進氣系統(tǒng)上主要通過EGR、增壓中冷、多氣門技術(shù)來降低排放。

其次，在燃油噴射系統(tǒng)上，發(fā)動機電控燃油噴射系統(tǒng)是發(fā)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(tǒng)可以根據(jù)發(fā)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(nèi)直噴技術(shù)直接將燃油噴入氣缸內(nèi)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(xiàn)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(nèi)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(shù)，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(shù)，將一個噴油循環(huán)分為預噴、主噴、后噴等多個環(huán)節(jié)，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(tǒng)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(lián)用，達到降低NOx的目的。柴油機通過燃燒室優(yōu)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(shù)，實現(xiàn)隨著負荷變化連續(xù)調(diào)節(jié)壓縮比，在負荷小時提高壓縮比，在負荷大時調(diào)低壓縮比實現(xiàn)大功率和高扭矩輸出，在提高熱效率的同時降低排放。

發(fā)動機機內(nèi)凈化技術(shù)還有一些其他手段：混合動力技術(shù)可以使車輛在啟動、怠速的情況下靠電機帶動，從而使發(fā)動機一直保持最佳工作狀態(tài)，動力性好、排放量低、油耗少；怠速起停技術(shù)可以使發(fā)動機在遇到紅燈或堵車時，發(fā)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(fā)動機，使用此技術(shù)可使發(fā)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(nèi)凈化技術(shù)

近年來，發(fā)動機復合技術(shù)發(fā)展顯著，一些新型的復合凈化技術(shù)也得到了應用。

汽油機雙噴射技術(shù)被稱為復合噴射技術(shù)，是指將傳統(tǒng)的進氣歧管噴射與缸內(nèi)直噴技術(shù)相結(jié)合的一種噴射方式。歧管噴射與缸內(nèi)直噴各有利弊，在高負荷高轉(zhuǎn)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(shù)結(jié)合缸內(nèi)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(tǒng)協(xié)同工作，在高負荷下則使用缸內(nèi)噴射技術(shù)。雙噴射技術(shù)解決了缸內(nèi)直噴技術(shù)在低速/怠速狀態(tài)下NOx排放較高的問題，優(yōu)化了燃燒過程減排效果顯著。目前此項技術(shù)已在豐田、日產(chǎn)、大眾等車型上得到應用。

汽油機雙循環(huán)技術(shù)是指發(fā)動機集成奧托循環(huán)和阿特金森循環(huán)。阿特金森循環(huán)的原理則相當于在奧托循環(huán)基礎(chǔ)上延時關(guān)閉進氣門。在可變氣門正時系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整凸輪軸結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)超廣角可變氣門正時系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了奧托循環(huán)與阿特金森循環(huán)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(shù)是在傳統(tǒng)EGR的技術(shù)發(fā)展而來的，其中低壓EGR（LPEGR）技術(shù)可以使廢氣在各缸的分布較為均勻，同時廢氣經(jīng) DPF過濾后所含雜質(zhì)少，對發(fā)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(zhuǎn)速泵氣功降低并能提高燃油經(jīng)濟性等優(yōu)點。采用高、低壓 EGR 組成的復合 EGR系統(tǒng)可以集中LP EGR和HP EGR的優(yōu)點。

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

2.2 先進的機外凈化技術(shù)

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

汽油機機外凈化技術(shù)：

三元催化轉(zhuǎn)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(xiàn)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(fā)動機的普及，其NOx排放得到人們的重視，LNT等技術(shù)也逐步得到了應用，并推廣到柴油機領(lǐng)域。為解決缸內(nèi)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(zhuǎn)化器（TWC）。三元催化轉(zhuǎn)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(fā)生反應轉(zhuǎn)變成CO2和N2。但其轉(zhuǎn)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(fā)動機控制系統(tǒng)中安裝氧傳感器，形成空燃比反饋控制方式即閉環(huán)控制，才能保證三元催化器良好的轉(zhuǎn)好效率。

（2）稀薄氮氧化物捕集技術(shù)（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(shù)。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(wěn)定性差硝酸鹽和亞硝酸鹽物種轉(zhuǎn)化為氣態(tài)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(shù)可以實現(xiàn)高達90%的NOx轉(zhuǎn)化效率。

（3）空氣噴射?？諝鈬娚涫菍⑿迈r空氣噴射到排氣門的后面，使尾氣中的HC和CO在排氣管內(nèi)與空氣混合，繼續(xù)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(shè)管道噴入排氣門后汽缸蓋內(nèi)的排氣通道內(nèi)，排氣中HC、CO的氧化更早進行。

3 結(jié)語

隨著汽車生產(chǎn)和保有規(guī)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(jīng)成為亟需解決的重要民生課題。近年來國務院和環(huán)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(zhì)量的改善意義重大，其中，控制機動車數(shù)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(zhì)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(fā)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(jiān)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(tǒng)的梳理行業(yè)內(nèi)汽油車國五排放控制技術(shù)發(fā)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(fā)動機相關(guān)市場與技術(shù)發(fā)展方向。