汽車發(fā)動機尾氣凈化裝置的改進策略

摘要：隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車尾氣排放對環(huán)境的影響日益嚴重。汽車發(fā)動機尾氣凈化裝置作為降低有害排放、保護環(huán)境的重要手段，其性能和效率的提升已成為行業(yè)關(guān)注的焦點。為了滿足日益嚴格的環(huán)保法規(guī)要求，從多個角度出發(fā)，探討了汽車發(fā)動機尾氣凈化裝置的改進策略，為實現(xiàn)綠色出行、促進汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論支持和技術(shù)參考。通過對現(xiàn)有技術(shù)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(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供借鑒。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動機；尾氣凈化裝置；改進策略；技術(shù)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?qū)Νh(huán)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(yè)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。汽車發(fā)動機尾氣凈化裝置作為減少有害排放物的關(guān)鍵技術(shù)，其性能直接影響到空氣質(zhì)量的改善和環(huán)保法規(guī)的達標，然而，傳統(tǒng)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(nèi)的應(yīng)用。因此，本文旨在探討汽車發(fā)動機尾氣凈化裝置的改進策略，通過技術(shù)創(chuàng)新和系統(tǒng)優(yōu)化，以期實現(xiàn)更高效的尾氣凈化效果，同時兼顧環(huán)保法規(guī)、經(jīng)濟性和用戶體驗。

2汽車發(fā)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(yè)持續(xù)發(fā)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(zhì)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(huán)境空氣質(zhì)量構(gòu)成嚴重威脅，還直接關(guān)聯(lián)到公眾健康，如增加呼吸系統(tǒng)疾病、心血管疾病等風險。運用技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)化尾氣凈化裝置，如采用更高效的催化劑配方、增強催化轉(zhuǎn)化效率及拓展工作溫度窗口，能顯著降低有害物質(zhì)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(zhì)量，還符合全球節(jié)能減排的大趨勢，對實現(xiàn)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(shù)進步的直接體現(xiàn)，其背后蘊含著巨大的經(jīng)濟與環(huán)境雙贏價值。高效凈化意味著在相同條件下，能更徹底轉(zhuǎn)化尾氣中的污染物，減少向大氣中的排放量，不僅減輕環(huán)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(shù)層面看，提升凈化效率往往伴隨著催化劑活性的提升、反應(yīng)條件的優(yōu)化以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)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(jīng)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(yè)綠色轉(zhuǎn)型、提升經(jīng)濟效益具有重要意義。優(yōu)化催化劑配方，減少貴金屬用量或采用更經(jīng)濟的替代品，可以降低生產(chǎn)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(shè)計更加智能化的控制系統(tǒng)，根據(jù)車輛運行工況實時調(diào)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(jīng)濟性，降低運行成本。

3汽車發(fā)動機尾氣凈化裝置改進的技術(shù)支撐

3.1先進材料科學的應(yīng)用

在汽車發(fā)動機尾氣凈化裝置的改進中，先進材料科學的應(yīng)用發(fā)揮著關(guān)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(xiàn)出色，但高昂成本限制其廣泛應(yīng)用，近年來研究人員致力于開發(fā)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(yīng)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(wěn)定性，為催化劑提供充足的附著空間，相關(guān)研究數(shù)據(jù)顯示，采用優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)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(diào)控的結(jié)構(gòu)，在尾氣吸附和分離方面展現(xiàn)出巨大潛力，實驗研究發(fā)現(xiàn)，特定的MOF材料對尾氣中的有害物質(zhì)吸附容量可達傳統(tǒng)吸附材料的1.5倍。

3.2計算機模擬與仿真技術(shù)

計算機模擬與仿真技術(shù)為汽車發(fā)動機尾氣凈化裝置的改進提供強大支持，借助建立精確數(shù)學模型，對尾氣凈化過程中的化學反應(yīng)、流體流動和傳熱傳質(zhì)等現(xiàn)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(nèi)的流動速度和壓力分布。研究結(jié)果表明，優(yōu)化凈化裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可使尾氣流動更加均勻，減少局部渦流的產(chǎn)生，從而提高凈化效率10%左右。

采用化學反應(yīng)動力學模型，能預測不同工況下尾氣中各種污染物的轉(zhuǎn)化過程。仿真結(jié)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(yīng)速率可提高15%。此外，結(jié)合有限元分析方法，可以對凈化裝置的熱應(yīng)力和機械強度進行評估，為材料選擇和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)，模擬數(shù)據(jù)表明，合理的結(jié)構(gòu)改進能夠有效降低熱應(yīng)力，延長裝置的使用壽命30%以上。

3.3傳感器與檢測技術(shù)

傳感器與檢測技術(shù)在汽車發(fā)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?qū)崟r監(jiān)測尾氣中的氧含量，為發(fā)動機的空燃比控制提供準確反饋。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，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(zhì)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(tài)評估提供關(guān)鍵信息（圖1）。

顆粒物傳感器可對尾氣中的顆粒物數(shù)量和質(zhì)量進行實時監(jiān)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(shù)，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(shù)獲取的詳細數(shù)據(jù)，有助于優(yōu)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(shù)

能源回收與再利用技術(shù)在汽車發(fā)動機尾氣凈化領(lǐng)域具有重要意義，尾氣余熱回收技術(shù)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(zhuǎn)化為有用的能量。相關(guān)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(tǒng)，如空調(diào)或電池充電。尾氣壓力能回收技術(shù)也逐漸受到關(guān)注，利用渦輪增壓器或膨脹機，將尾氣的壓力能轉(zhuǎn)化為機械能或電能，據(jù)研究數(shù)據(jù)，合理設(shè)計的尾氣壓力能回收系統(tǒng)，能夠為車輛提供額外的動力輸出，提高燃油經(jīng)濟性5%左右。

4汽車發(fā)動機尾氣凈化裝置改進策略

4.1催化劑材料創(chuàng)新

在汽車發(fā)動機尾氣凈化領(lǐng)域，催化劑材料的創(chuàng)新是提升凈化效果和降低成本的關(guān)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(xiàn)出與貴金屬相當?shù)拇呋阅?，實驗?shù)據(jù)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(zhuǎn)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(tǒng)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(fā)動機型號，如豐田的1ZR-FE發(fā)動機，采用新型復合金屬氧化物催化劑，結(jié)合其獨特的燃燒特性和排氣成分，優(yōu)化催化劑的組成和結(jié)構(gòu)，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(fā)動機，應(yīng)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(chuàng)新，例如碳納米管作為載體，其優(yōu)異的導電性和機械強度有助于提高催化劑的穩(wěn)定性和活性，研究表明，使用碳納米管負載的催化劑，在連續(xù)運行500h后，仍能保持90%以上的初始凈化效率。

4.2凈化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

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

以寶馬的N20發(fā)動機（表1）為例，優(yōu)化后的氣流分布使得尾氣在凈化裝置內(nèi)的停留時間延長15%，氮氧化物的轉(zhuǎn)化效率從70%提升至85%。針對不同發(fā)動機的排氣特性，如奔馳的M274發(fā)動機（表1），采用分區(qū)式凈化結(jié)構(gòu)，將不同類型的催化劑布置在不同區(qū)域，以適應(yīng)不同溫度和成分的尾氣，這種設(shè)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(tǒng)利于汽車發(fā)動機尾氣凈化效果的提升。實時監(jiān)測發(fā)動機工況和尾氣成分，利用先進的算法調(diào)整凈化參數(shù)。例如，采用模糊邏輯控制算法，根據(jù)尾氣中氧含量、氮氧化物濃度等參數(shù)，動態(tài)調(diào)整空燃比。實驗結(jié)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(fā)動機，結(jié)合其渦輪增壓和直噴技術(shù)的特點，開發(fā)專屬的智能控制模塊，該模塊能夠根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、負荷和進氣溫度等實時數(shù)據(jù)，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(tài)，數(shù)據(jù)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(fā)展，通過對大量的尾氣排放數(shù)據(jù)進行訓練，系統(tǒng)能夠預測尾氣成分的變化趨勢，提前調(diào)整凈化參數(shù)。

4.4集成化與模塊化設(shè)計

集成化與模塊化設(shè)計理念的推廣有助于提高汽車發(fā)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(zhuǎn)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(fā)動機上，采用集成化設(shè)計，模塊體積減小20%，同時降低系統(tǒng)重量。

通過標準化的接口和連接方式，實現(xiàn)模塊的快速更換和升級，對于本田的地球夢發(fā)動機，模塊化設(shè)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(shè)計還能夠優(yōu)化系統(tǒng)的流場分布，減少壓力損失，實驗表明，在日產(chǎn)的VC-Turbo發(fā)動機上應(yīng)用集成化設(shè)計，尾氣在系統(tǒng)中的壓力損失降低15%，提高發(fā)動機的動力性能和燃油經(jīng)濟性。

5結(jié)語

本文全面探討汽車發(fā)動機尾氣凈化裝置的改進策略，通過對其改進價值、技術(shù)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(shù)研發(fā)上取得更大突破，如等離子體、光催化和生物酶凈化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，同時應(yīng)加強與新能源汽車的深度融合創(chuàng)新，適應(yīng)不同類型新能源汽車的尾氣凈化需求，智能化和大數(shù)據(jù)驅(qū)動將成為發(fā)展重點，實現(xiàn)更精準的凈化和預測性維護。

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作者簡介：

顏天敏，女，1980年生，教授，研究方向為發(fā)動機技術(shù)等。