汽車尾氣形成機(jī)理及控制策略

陳夢(mèng)

摘 要：隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，全球汽車保有量正在逐年增加。車輛較少的時(shí)候，汽車帶來(lái)的危害尚不明顯，但是現(xiàn)在我國(guó)各大城市的主干道上已經(jīng)車滿為患，汽車本應(yīng)給人們帶來(lái)的快速、舒適、高效的優(yōu)點(diǎn)，也逐漸被汽車所衍生的問題所抵消。汽車尾氣也成為全國(guó)大中等城市重要的污染源，如何做好節(jié)能減排，已成為專家學(xué)者研究的重要領(lǐng)域，節(jié)能環(huán)保的要求也會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：汽車尾氣;形成機(jī)理;危害;控制策略

1 汽車尾氣形成機(jī)理及危害

1.1 一氧化碳形成機(jī)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(shí)，氧氣不足所產(chǎn)生的產(chǎn)物。一氧化碳是一種穩(wěn)定的物質(zhì)，與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)所需條件較高，同時(shí)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(dāng)人們吸入少量的一氧化碳時(shí)，會(huì)造成頭暈、無(wú)力、胸悶等中毒癥狀，當(dāng)吸入大量的一氧化碳，會(huì)使得大腦、心臟及其它重要人體器官缺氧，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致中毒死亡。

1.2 碳?xì)浠衔镄纬蓹C(jī)理及危害

汽車燃油的主要成分是碳和氫，當(dāng)燃油沒有完全燃燒時(shí)，殘余的燃油蒸汽會(huì)變成尾氣排到大氣中去，經(jīng)過強(qiáng)烈陽(yáng)光的照射易與空氣中其他成分反應(yīng)生成碳?xì)浠衔锘蛘咝纬晒饣瘜W(xué)煙霧。除此之外，燃油箱以及燃油管路泄露，都會(huì)造成碳?xì)浠衔锏纳?。碳?xì)浠衔镏校械臍怏w會(huì)造成溫室效應(yīng)，對(duì)環(huán)境造成破壞，比如甲烷;有的氣體有毒，比如苯類氣體，會(huì)對(duì)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(jī)理及危害

氮氧化合物是發(fā)動(dòng)機(jī)在中等負(fù)荷工作時(shí)，高溫、高壓的環(huán)境為氮?dú)獗谎趸傻趸衔锾峁┝朔磻?yīng)條件，生成的氮氧化合物中，一氧化氮對(duì)人們的呼吸系統(tǒng)刺激很大，進(jìn)入人類呼吸道深處時(shí)，對(duì)肺組織產(chǎn)生刺激和腐蝕作用，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起肺水腫，在條件合適時(shí)，一氧化氮也會(huì)轉(zhuǎn)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(dāng)人體吸入二氧化氮時(shí)，輕者會(huì)造成上呼吸道感染，重者會(huì)造成肺水腫，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)胸悶、呼吸困難，干咳等癥狀。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)氮氧化合物生產(chǎn)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(wú)鉛燃油

為了防止發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震燃燒，往往在燃油中添加含鉛的有機(jī)物，而鉛這種化學(xué)物質(zhì)對(duì)人體及環(huán)境危害很大?，F(xiàn)在為了保護(hù)環(huán)境，逐漸在使用無(wú)鉛燃油，即在燃油中加入其他防爆震成分，提高無(wú)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?nèi)剂铣煞?/p>

通常我們?cè)谌加椭屑尤肷倭克?，這可以將凈化尾氣的物質(zhì)直接加到燃油中去，比如增氧節(jié)油劑，這些都可以減少汽車尾氣的排放。

2.2 采用降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放的燃燒技術(shù)

目前，發(fā)動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)正在不斷優(yōu)化和完善，發(fā)動(dòng)機(jī)供給系統(tǒng)從傳統(tǒng)的化油器式發(fā)展到噴油器將燃油噴到進(jìn)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(jié)合氣缸燃燒室的形狀，可以很好的實(shí)現(xiàn)油氣混合進(jìn)行燃燒。這種技術(shù)提高了發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射的精確性，在獲得良好動(dòng)力性、燃油低消耗的同時(shí)，降低了汽車尾氣的排放?，F(xiàn)在常用的燃油直噴技術(shù)有：分層稀薄燃燒技術(shù)（GDI）、均質(zhì)充量壓縮燃燒技術(shù)（HCCI）和燃料分層噴射技術(shù)（FSI）等。

2.2.1 缸內(nèi)直噴技術(shù)（GDI）

德國(guó)的汽車公司從上世紀(jì)50年代就開始研制GDI發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，并應(yīng)用在二沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上，但是限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，GDI技術(shù)應(yīng)用后，汽車基本無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，油耗和排放情況也較差，很快這種技術(shù)就被汽車公司摒棄。隨著技術(shù)的發(fā)展和降低排放的需要，缸內(nèi)直噴技術(shù)取得長(zhǎng)足的發(fā)展，其工作的穩(wěn)定性、響應(yīng)性、可控性等均有較大的改進(jìn)。如圖1所示，該技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)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(qū)域，這樣不僅保證了混合氣的可靠點(diǎn)燃，也改善了低溫啟動(dòng)性能;由于采用缸內(nèi)直噴，空燃比與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比得到極大提高，使得節(jié)油性也大大提高，其油耗與使用渦輪增壓技術(shù)的車輛相當(dāng)，但是卻沒有渦輪增壓裝置，該技術(shù)也使得發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲及尾氣排放都大大降低。

2.2.2 均質(zhì)充量壓縮燃燒技術(shù)（HCCI）

HCCl技術(shù)主要是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮行程快結(jié)束時(shí)，氣缸內(nèi)的溫度和壓力不斷升高，燃油通過高壓噴油器噴進(jìn)氣缸，油氣可以在極短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻而充分的混合，且基本達(dá)到自燃條件，如圖2所示。采用HCCl技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)主要優(yōu)點(diǎn)是可燃混合氣同時(shí)燃燒，避免了傳統(tǒng)的擴(kuò)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(diǎn)火系統(tǒng)，而且能實(shí)現(xiàn)過量空氣系數(shù)較大的混合氣濃度燃燒，節(jié)油性能大大提高;同時(shí)由于燃燒反應(yīng)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(shù)（FSI）

早期電控發(fā)動(dòng)機(jī)是控制模塊根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)幾個(gè)主要傳感器的輸入信號(hào)，控制噴油器將定量的燃油噴入進(jìn)氣管與空氣完成混合。但是傳統(tǒng)噴射位置在進(jìn)氣管中，混合氣在進(jìn)入氣缸燃燒前易造成燃油的損失，這就使得燃燒時(shí)，空燃比并不是控制模塊預(yù)設(shè)的值，造成動(dòng)力性、排放性和燃油消耗率都受到影響。

直噴式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)采用一個(gè)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(fā)動(dòng)機(jī)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(nèi)，與空氣經(jīng)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(qū)域，其他區(qū)域濃度較稀。這樣可以在保證可靠點(diǎn)火的前提下，實(shí)現(xiàn)降低油耗、保證動(dòng)力的目的，同時(shí)汽車尾氣排放也大大降低。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部?jī)艋幚矸绞?/p>

2.3.1 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于氣體無(wú)孔不入的特點(diǎn)，即使活塞及活塞環(huán)與氣缸密封性能好，也會(huì)使得少量可燃混合氣竄入油底殼，當(dāng)竄入氣體累計(jì)過多時(shí)，一方面會(huì)造成燃油的浪費(fèi)，另一方面燃油融入機(jī)油中，影響機(jī)油品質(zhì)的同時(shí)，也會(huì)使得機(jī)油壓力過大，造成機(jī)油消耗過大。為了消除這些影響，往往采用曲軸箱通風(fēng)的方式。目前，所采用的曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)技術(shù)是利用進(jìn)氣管的真空度，將竄入油底殼的可燃?xì)怏w再導(dǎo)回進(jìn)氣管參與燃燒，這樣不僅保證了潤(rùn)滑系統(tǒng)可靠工作，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗量也大大降低，對(duì)環(huán)境的危害也隨之降低。

2.3.2 汽油蒸氣排放控制系統(tǒng)

汽油揮發(fā)性能好，雖然這種特點(diǎn)可以用來(lái)進(jìn)行可燃混合氣均勻混合，但是也會(huì)使得燃油箱中汽油蒸汽過多，如果不及時(shí)導(dǎo)出的話，往往會(huì)造成危險(xiǎn)，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(huì)造成燃油浪費(fèi)和污染環(huán)境?，F(xiàn)在通常在發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝一套汽油蒸汽排放控制系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)主要裝置是一個(gè)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(dǎo)入進(jìn)氣管中，參與燃燒，節(jié)約能源的同時(shí)也保護(hù)了環(huán)境。

2.3.3 廢氣再循環(huán) （EGR）系統(tǒng)設(shè)計(jì)

EGR系統(tǒng)是將排氣管中一定量的廢氣再循環(huán)至氣缸參與燃燒的技術(shù)。該技術(shù)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?dú)狻⒍趸嫉葰怏w含量，由于氮?dú)?、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?dú)夂脱鯕獍l(fā)生反應(yīng)的條件，從而降低氮氧化合物的生成;其次，廢氣對(duì)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(jī)會(huì);再次，再循環(huán)廢氣含有少量惰性氣體，也會(huì)降低混合氣燃燒速度和溫度，抑制氮氧化合物的生成。

3 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)提出2030年碳達(dá)峰和2060年碳中和目標(biāo)，對(duì)汽車設(shè)計(jì)、制造提出了新的更高要求，要實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能減排，需要采用先進(jìn)的尾氣控制技術(shù)，我國(guó)目前在尾氣控制技術(shù)方面還有不足，但是我們?cè)谝M(jìn)外國(guó)技術(shù)的同時(shí)，要結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況進(jìn)行研發(fā)，力爭(zhēng)盡快減少汽車尾氣帶來(lái)的危害。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁力.探析汽車發(fā)動(dòng)機(jī)降低排放技術(shù)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2021（8）：202-204.

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

[3]武衛(wèi)民.我國(guó)汽車排放控制水平現(xiàn)狀及綜合對(duì)策探析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2021（5）：148-149.

[4]溫華新.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)降低排放技術(shù)分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2021（3）：54-55.