我國低排放汽車的發(fā)展趨勢分析

申振國 高秀紅

(鶴壁汽車工程職業(yè)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(huán)境保護和綠色可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施帶來嚴峻挑戰(zhàn)。因此，對汽車降低排放技術(shù)的分析和未來發(fā)展前景的研究迫在眉睫。近年來，科技的發(fā)展推動汽車行業(yè)向智能化和低碳化發(fā)展，降低汽車排放技術(shù)水平逐漸提升，計算機在汽車行業(yè)的應用范圍逐漸擴大，成為推進汽車行業(yè)發(fā)展的研究方向。

1 低排放汽車發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 尾氣排放污染嚴重

隨著國家機動車行業(yè)的飛速發(fā)展，汽車保有量急劇增長，排放的尾氣造成了嚴重的環(huán)境污染，城市空氣污染已由燃煤型污染轉(zhuǎn)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(nèi)燃發(fā)動機中，由于燃料不完全燃燒產(chǎn)生的CO易與血液里的血紅蛋白結(jié)合，導致人體缺氧，出現(xiàn)眩暈、嘔吐等中毒癥狀，嚴重者可能有生命危險。而發(fā)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(fā)生化學反應，產(chǎn)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(wěn)定

近年來，隨著國內(nèi)汽車銷售量的持續(xù)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(nèi)多個行業(yè)的發(fā)展前景不確定性增加及國際關(guān)系局勢復雜，使得國內(nèi)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(nèi)汽車燃油市場仍不穩(wěn)定，降低汽車尾氣排放量仍是當前汽車行業(yè)的發(fā)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(chǎn)廠家改進產(chǎn)品，減少有害氣體的產(chǎn)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(huán)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(xiàn)有的低排放技術(shù)

2.1 廢氣再循環(huán)系統(tǒng)

如何有效解決發(fā)動機尾氣排放污染是目前汽車發(fā)展面臨的重大難題。廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)主要是對廢氣中比熱容較大的氣體加以循環(huán)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(fā)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(guī)要求，發(fā)動機易過熱，因此需要根據(jù)發(fā)動機工作狀況調(diào)整EGR率。EGR主要有機械式和電子式這2種：機械式是最早設(shè)計的EGR裝置，零部件結(jié)構(gòu)簡單，依靠進氣管和排氣管壓力完成循環(huán)，通過壓力差控制EGR閥門的開關(guān)；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(jù)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(wěn)定性，這也為其未來發(fā)展提供了研究方向。

2.2 電控燃油噴射技術(shù)

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

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

圖1 電控燃油噴射系統(tǒng)

2.3 三元催化技術(shù)

目前，較成熟的尾氣處理技術(shù)就是三元催化技術(shù)，主要依靠三元轉(zhuǎn)換器來完成。該裝置能夠?qū)⑵囄矚庵械挠泻ξ廴疚锿ㄟ^氧化還原反應進行轉(zhuǎn)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(jīng)過時發(fā)生催化反應，通過氧化還原作用轉(zhuǎn)化為無害氣體，可實現(xiàn)對尾氣的處理。三元催化技術(shù)具有原理簡單、成本低且能效高的優(yōu)點，有利于實現(xiàn)汽車尾氣處理過程的系統(tǒng)化、規(guī)范化和標準化，形成一體化的尾氣處理系統(tǒng)。

3 低排放汽車的發(fā)展趨勢

3.1 燃料電池開發(fā)

發(fā)展使燃料的化學能轉(zhuǎn)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(shù)將成為21世紀汽車行業(yè)發(fā)展的熱點。經(jīng)過制造商、高等院校和科研機構(gòu)聯(lián)合研究與攻關(guān)，目前燃料電池的研究、開發(fā)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(fā)生氧化還原化學反應生成氣態(tài)水，產(chǎn)生電能，帶動電動機工作，從而驅(qū)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(zhuǎn)化為電能，能量轉(zhuǎn)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(tài)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(chǎn)生的能量低，汽車行駛距離短。

傳統(tǒng)的發(fā)動機燃料系統(tǒng)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(jié)構(gòu)復雜且系統(tǒng)控制和布局難度增加，這對未來燃料電池的開發(fā)提出了新的方向與挑戰(zhàn)。

3.2 超級電容應用

作為通過極化電解質(zhì)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(yōu)良的新型綠色儲能器，具有優(yōu)越的性能和廣闊的發(fā)展前景，是成為低排放汽車開發(fā)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(chǎn)生電動勢，提供電能驅(qū)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(wěn)定。但超級電容也有劣勢，電容器比能量低限制了汽車的續(xù)航能力，電池使用不當會導致電解質(zhì)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?？傮w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(jié)合的混合動力汽車在工作效率、制動能量回饋、動態(tài)特性等方面具有更優(yōu)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(lián)合可縮短發(fā)動機的啟動時間，確保了啟動的穩(wěn)定性，在低溫情況下，其性能優(yōu)勢尤為明顯。超級電容具有瞬時高功率的特性，可避免發(fā)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(zhì)量和成本增加，以及結(jié)構(gòu)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(jié)合，聯(lián)合應用于發(fā)動機啟動系統(tǒng)，是解決這一問題的途徑之一。

4 結(jié)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(huán)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(huán)保和節(jié)能減排的關(guān)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(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的必要措施。降低汽車排放量的尾氣處理技術(shù)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(shù)刻不容緩。將燃料電池與超級電容相結(jié)合的混合動力系統(tǒng)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(yōu)勢最大化。

低排放汽車的未來發(fā)展要以政府政策法規(guī)為依據(jù)，以技術(shù)改革創(chuàng)新為支撐，以綠色發(fā)展理念為指引，逐步構(gòu)建低能耗、低污染及高效率的汽車發(fā)展模式，保證汽車行業(yè)持續(xù)健康的發(fā)展。