自二十世紀(jì)70年代以來，隨著世界各國(guó)對(duì)汽車排放污染的日益重視，在汽車排放控制方面逐漸形成了兩條發(fā)展路線：一是政府不斷嚴(yán)格汽車排放法規(guī)，促使汽車企業(yè)生產(chǎn)的汽車滿足低污染排放的要求；二是汽車企業(yè)通過優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程，提高燃料的燃燒效率，改進(jìn)燃油品質(zhì)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的排放，或者采用尾氣凈化技術(shù)，或者采用清潔燃料動(dòng)力系統(tǒng)，來滿足不斷嚴(yán)格的排放法規(guī)。

　　我國(guó)從上世紀(jì)90年代開始，隨著汽車保有量的增加，也開始逐步嚴(yán)格汽車排放法規(guī)，分別于2001年4月16日和2004年7月1日起實(shí)施了相當(dāng)于歐Ⅰ和歐Ⅱ排放標(biāo)準(zhǔn)的《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（I）（II）》（GB18352.1-2001、GB18352.2-2001）；并將于2008年開始實(shí)施相當(dāng)于歐Ⅲ的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)。在歐Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)中，將取消歐Ⅰ、歐Ⅱ測(cè)量中前40 s的發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)時(shí)間，直接從常溫下開始收集測(cè)量汽車的排放物；并增加-7 ℃的低溫冷啟動(dòng)檢測(cè)項(xiàng)目。這些測(cè)量方法的改變，使得以前采用無鉛汽油加閉環(huán)電噴配合三效催化轉(zhuǎn)化器的污染控制技術(shù)難以滿足低排放標(biāo)準(zhǔn)（LEV）和超低排放標(biāo)準(zhǔn)（ULEV）的要求。

　　因此，研究采用一些新的、先進(jìn)的污染控制技術(shù)成為汽車行業(yè)在今后一段時(shí)間內(nèi)的重要課題之一。?

　　1、發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物的主要形成機(jī)理

　　發(fā)動(dòng)機(jī)的排放污染物主要有CO、HC、NOX三種物質(zhì)(柴油發(fā)動(dòng)機(jī)還有微粒(PM)排放)。在發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)部件(特別是發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸)溫度較低，燃油霧化不好，燃燒不充分；同時(shí)氣缸壁的溫度較低，燃燒火焰在到達(dá)氣缸壁時(shí)不久就熄滅，從而造成氣缸壁及其縫隙中殘留有大量的未燃HC；此外，為穩(wěn)定燃燒常向氣缸中噴入較濃的混合氣，這些過濃的混合氣在含氧量較少的條件下會(huì)產(chǎn)生大量的CO和HC。

　　1.1　NOX的生成機(jī)理及影響因素?

　　氮氧化合物NOX包含NO和NO2，但主要是NO、NO2所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高，它們是空氣中的N2在燃燒高溫下的產(chǎn)物，與燃料的組成無關(guān)。NO是在燃燒火焰前鋒和火焰后的已燃區(qū)域中產(chǎn)生的。汽油機(jī)燃燒過程進(jìn)行得很快，在火焰區(qū)域內(nèi)停留的時(shí)間很短；而早期的燃燒產(chǎn)物受到壓縮而溫度上升，因此在已燃區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的NO，而在火焰前鋒內(nèi)則生成量不大。?

　　根據(jù)NO的生成機(jī)理可知，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸在燃燒過程和膨脹過程中，其早期氣缸內(nèi)的溫度和O2濃度的變化是影響NOX生成率的主要因素。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)對(duì)NO生成率影響最大的有：燃空當(dāng)量比、氣缸內(nèi)未燃混合氣中已燃?xì)怏w質(zhì)量分?jǐn)?shù)、主要用于控制NOX生成率的排氣再循環(huán)（EGR）量和點(diǎn)火正時(shí)等。?

　　1.2　CO的生成機(jī)理及影響因素

　　CO的生成機(jī)理十分復(fù)雜，從實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，CO的生成率主要受燃空當(dāng)量比的影響，與空氣系數(shù)λ值有關(guān)，與燃料成分的關(guān)系較小。由于常規(guī)汽油機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)λ略大于1、全負(fù)荷時(shí)λ略小于1的混合氣中運(yùn)轉(zhuǎn)，因此會(huì)產(chǎn)生大量的CO排放。CO生成的主要機(jī)理如下：?RH→R→RO2→RCHO→RCO→CO?

　　式中的R代表碳?xì)涓?，CO在燃燒過程中生成以后，以較慢的速率氧化成CO2；由于CO的生成是受化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響，因此火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)加熱和急加速、急減速時(shí)CO的排放比較嚴(yán)重，這就需要精確控制油量來進(jìn)行抑制。?

　　1.3　未燃HC的生成機(jī)理及影響因素

　　HC的生成比較復(fù)雜，總的來說主要有以下幾種途徑：

　?。ǎ保?在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的壓縮和燃燒過程中，由于氣缸內(nèi)壓力升高，把部分未燃混合氣壓入與燃燒室相通的狹縫中，由于燃燒時(shí)火焰不能進(jìn)入狹縫，因此不能完全燃燒，在膨脹和排氣行程中，在氣缸壓力降低后，以未燃HC的形式進(jìn)入排氣管，這是HC的主要來源。

　?。ǎ玻?氣缸壁的激冷效應(yīng)，在混合氣燃燒過程中，當(dāng)火焰逼近較冷的氣缸壁時(shí)，離氣缸壁＜0.1 mm薄層內(nèi)的可燃混合氣由于火焰的淬滅而并未燃燒，從而進(jìn)入排氣管。

　　（３）存在于氣缸壁、活塞頂以及氣缸蓋底面上的一層潤(rùn)滑油膜中，有可能在燃燒前后吸收或放出燃料中的HC成分。?

　　（４） 在發(fā)動(dòng)機(jī)做加速、減速等瞬態(tài)工況運(yùn)行時(shí)，點(diǎn)火正時(shí)、空燃比以及排氣再循環(huán)值都沒有處于最佳狀態(tài)，有可能引起燃燒過程的不完善，如燃燒特別緩慢、火焰大面積淬滅等，從而使HC排放增加。?

　　2、低污染排放控制技術(shù)的研究?

　　人們?yōu)榻档推嚺欧?，滿足日益嚴(yán)格的汽車排放法規(guī)，從兩個(gè)方面進(jìn)行了研究：一是改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒技術(shù)，使混合氣進(jìn)行充分的燃燒，降低發(fā)動(dòng)機(jī)CO、HC和NOX的排放；二是采用高效凈化技術(shù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排出的有害氣體進(jìn)行氧化、還原，從而達(dá)到降低有害氣體排放的目的。?

　　2.1　采用降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放的燃燒技術(shù)

?　為提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率和降低廢氣排放，人們采用了各種方法來研究發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒技術(shù)，如增強(qiáng)缸內(nèi)的渦流強(qiáng)度，通過在缸內(nèi)形成大渦流強(qiáng)度和小尺度渦流來改善SI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程；采用EGR技術(shù)，通過降低峰值燃燒壓力來降低排放等。隨著電子技術(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的快速發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒技術(shù)也得到了新的發(fā)展，如分層充氣預(yù)混合稀薄燃燒技術(shù)（MPFI）和勻質(zhì)混合壓縮點(diǎn)火式燃燒技術(shù)（HCCI）等。

　　2.1.1　分層充氣預(yù)混稀薄燃燒（MPFI）

　　普通汽油機(jī)的空燃比為10～20，理論空燃比為14.6，高壓縮比的發(fā)動(dòng)機(jī)可以將空燃比提高到25，分層充氣預(yù)混稀薄燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?qū)嚎s比提高至50。分層充氣預(yù)混稀薄燃燒的原理是使在火花塞附近的混合氣接近理論空燃比，使在燃燒室的其它部分氣體為稀混合氣，燃燒在易燃的混合氣部分開始，然后火焰再傳至稀混合氣部分。由于有較高的燃油經(jīng)濟(jì)性和較低的排放，各種分層充氣預(yù)混稀薄燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)得到了較大的發(fā)展。噴油器和火花塞間距較大，這樣在燃燒室能夠產(chǎn)生最佳的混合氣。在壓縮行程后期燃油噴向活塞頂部的球形腔，而不是直接噴向火花塞。噴油通過垂直進(jìn)氣道、活塞頭的球形腔和電磁高壓旋渦噴油器形成繞垂直于氣缸軸線的旋轉(zhuǎn)滾流，滾流將燃油帶到火花塞，并且使混合氣很好地霧化，這樣可以獲得最佳的混合氣，這種燃燒技術(shù)的空燃比可以超過40，燃油經(jīng)濟(jì)性可以提高30%。

　　GDI發(fā)動(dòng)機(jī)采用分層稀薄燃燒技術(shù)雖然可以較大幅度地提高部分負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，但也還存在著一些不足，主要為：

　?。ǎ保?理想的分層在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)上難以實(shí)現(xiàn)，分層燃燒火焰從濃混合區(qū)傳播到稀混合區(qū)時(shí)往往容易熄火，從而形成大量的未燃HC（高于常規(guī)汽油機(jī)數(shù)倍）。?

　　（２） GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒系統(tǒng)主要采用壁面引導(dǎo)組織混合氣的形式，容易造成燃油噴到活塞頂和氣缸壁上。由于活塞頂和氣缸壁的溫度較低，容易造成汽油在著火前來不及完全蒸發(fā)，從而形成較多的未燃HC排放。

　?。ǎ常?大空燃比工作條件下使得氣缸內(nèi)溫度偏低，不利于未燃HC在燃燒后期的繼續(xù)氧化；同時(shí)較高的壓縮比和較快的反應(yīng)放熱率會(huì)使NOX的生成量比常規(guī)汽油機(jī)高。

　?。ǎ矗?稀薄燃燒造成排氣中的含氧量較多，排氣溫度偏低，使得催化器難以對(duì)NOX進(jìn)行還原反應(yīng)，影響了催化器的轉(zhuǎn)換效率。

　　2.1.2　勻質(zhì)混合壓縮點(diǎn)火式燃燒技術(shù)（HCCI）?

　　傳統(tǒng)的火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程在火焰?zhèn)鞑ブ?，火焰前沿和后面的混合氣溫度比未燃混合氣高很多，所以這種燃燒過程雖然混合氣是均勻的，但是溫度分布仍不均勻，局部的高溫會(huì)導(dǎo)致在火焰經(jīng)過的區(qū)域形成NOX。HCCI燃燒方式的出現(xiàn)，有效地解決了傳統(tǒng)勻質(zhì)稀薄點(diǎn)燃燒速度慢的缺點(diǎn)，有別于傳統(tǒng)汽油機(jī)均質(zhì)點(diǎn)燃預(yù)混燃燒、柴油機(jī)非均勻壓燃擴(kuò)散燃燒和GDI發(fā)動(dòng)機(jī)分層燃燒。

　　HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)不同于常規(guī)汽油機(jī)的單點(diǎn)點(diǎn)火方式，它是利用均質(zhì)混合氣，通過提高壓縮比、采用廢氣再循環(huán)，進(jìn)氣加溫和增壓等手段提高缸內(nèi)混合氣的溫度和壓力，促使混合氣進(jìn)行壓縮自燃，在缸內(nèi)形成多點(diǎn)火核，有效地維持燃燒的穩(wěn)定性，并減少了火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x和燃燒持續(xù)期。柴油機(jī)的燃燒過程是分散型的；燃油在著火時(shí)刻還沒有完全蒸發(fā)混合，燃燒速率主要受燃油蒸發(fā)及與空氣混合速率的影響；點(diǎn)火在許多點(diǎn)發(fā)生，這種燃燒類型的混合和燃燒都是不均勻的；NOX在燃料較稀的高溫區(qū)產(chǎn)生；固體微粒在燃料較濃的高溫區(qū)產(chǎn)生，這樣一來就很難控制有害排放物的產(chǎn)生。而在HCCI過程中，理論上是均勻的混合氣和殘余氣體，在整個(gè)混合氣體中由壓縮點(diǎn)燃，燃燒是自發(fā)的、均勻的，并且沒有火焰?zhèn)鞑?，它的燃燒只與本身的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)有關(guān)，因此可以有效阻止NOX和微粒的形成。

　　然而，由于車用發(fā)動(dòng)機(jī)的工況多變，要想在各個(gè)工況下獲得較好的燃燒和排放特性，則必須對(duì)HCCI燃燒進(jìn)行控制；此外，HCCI燃燒的著火時(shí)刻主要受混合氣體本身化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響，受負(fù)荷、轉(zhuǎn)速的影響較小，因此，不能通過常規(guī)的負(fù)荷、轉(zhuǎn)速等反饋信號(hào)來加以控制，只能通過試驗(yàn)手段來獲取經(jīng)驗(yàn)。

　　2.2　后處理技術(shù)

　　二十世紀(jì)70年代，在汽油機(jī)車輛上首次安裝了催化轉(zhuǎn)化裝置，車輛的后處理技術(shù)得到了迅速發(fā)展。由于在理論空燃比時(shí)，三效催化劑對(duì)HC、CO和NOX的轉(zhuǎn)化效率都很高，因此，目前車輛上普遍使用的都是這類三效催化劑。然而隨著發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)的發(fā)展，在稀燃條件下的三效催化劑對(duì)NOX的轉(zhuǎn)化效率卻非常低。為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，降低NOX等有害氣體的排放以達(dá)到未來排放法規(guī)的要求，則需要開發(fā)新的、高效的催化還原系統(tǒng)。
　
　　2.2.1　催化還原技術(shù)

　　催化還原包括選擇性催化還原和吸附性催化還原兩種。選擇性催化還原是在常規(guī)的三效催化轉(zhuǎn)化器中有選擇地使用兩種催化劑：一種為非貴重金屬催化劑（如Cu），涂覆在酸性載體（鋁或沸石）上，在高溫下起催化作用；另一種催化劑一般為貴重金屬（如Pt），它在低溫下起作用。采用這種方法，發(fā)動(dòng)機(jī)可以始終在稀混合氣運(yùn)轉(zhuǎn)，利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的HC還原NOX，但轉(zhuǎn)換效率比較低，一般在15%左右。另外，還可以通過附屬裝置將其它還原劑（如氨、尿素等）噴射到排氣管中，采用氨、尿素等做還原劑時(shí)其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到70%以上，但目前在點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用還存在很多困難。

　　吸附性催化還原是將對(duì)NOX具有吸附作用的材料（堿土金屬）和常規(guī)三效催化轉(zhuǎn)化器相結(jié)合的一種后處理技術(shù)。在轉(zhuǎn)化器載體上涂覆一層由貴重金屬和堿土金屬所組成的活性成分，在排氣富氧氣體中的NO被貴重金屬氧化成NO2，而NO2被堿土金屬吸收，同時(shí)排氣中的HC和CO直接被氧化成CO2和H2O排出發(fā)動(dòng)機(jī)；然后將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)入濃混合氣下運(yùn)轉(zhuǎn)，使排氣中有足夠多的還原劑（CO、HC、H2等），從而把原來存儲(chǔ)在堿土金屬中的NO2還原生成N2、CO2和H2O排出發(fā)動(dòng)機(jī)。這種方法采用加濃混合氣作為還原劑，因而發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗相對(duì)較高。

　　2.2.2　選擇性NOX再循環(huán)（SNR）技術(shù)?

　　選擇性NOX再循環(huán)（Selective NOX Recirculation）技術(shù)與廢氣再循環(huán)原理極為相似，是將NOX吸收器吸收的NOX引到進(jìn)氣歧管，再次進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸參與反應(yīng)。兩個(gè)吸收器并列安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管上，系統(tǒng)工作時(shí)兩個(gè)吸收器交替在吸收或釋放的工作狀態(tài)，在吸收器的前端設(shè)有控制閥，可將發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣有選擇地導(dǎo)入其中一個(gè)吸收器。吸收器后端設(shè)有回流閥，用來控制吸收器釋放NOX的再循環(huán)。發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，吸收器前后閥門協(xié)調(diào)工作，使NOX的吸收和釋放同時(shí)進(jìn)行。發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣在前端閥門的導(dǎo)向作用下，進(jìn)入處于吸收狀態(tài)的吸收器中，排氣中的NOX被吸收；當(dāng)該吸收器達(dá)到飽和時(shí)，前端的控制閥就將排氣導(dǎo)入另一吸收器吸收NOX。與此同時(shí)，第一個(gè)吸收器開始釋放已經(jīng)吸收的NOX，其釋放的速度取決于吸收器的材料。被吸收的NOX通過回流閥釋放回到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管，與空氣混合后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室，在燃燒中經(jīng)過各種反應(yīng)后，NOX的排放大幅度降低。

　　這種后處理技術(shù)與常規(guī)的后處理技術(shù)不同，NOX的降低不是依賴催化還原，而是在燃燒過程中經(jīng)過各種反應(yīng)來降低的，因此不會(huì)產(chǎn)生其它有害氣體排放，關(guān)鍵在于需要開發(fā)出對(duì)NOX具有較大吸收作用的吸收器材料。

　　3、結(jié)束語(yǔ)

　　隨著人們對(duì)全球氣候變暖和空氣污染的重視程度的提高，以及對(duì)全球石油資源的憂慮，世界各大汽車企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)都投入了大量的經(jīng)費(fèi)來研究汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒及后處理技術(shù)，提出了許多新的思路和方法，如清潔燃料車、混合動(dòng)力車等，從不同的角度來解決汽車的燃料經(jīng)濟(jì)性和有害氣體排放的問題，并且都取得了一定的成效，但同時(shí)也還存在著許多問題。對(duì)我國(guó)汽車制造企業(yè)來說，了解并掌握汽車發(fā)動(dòng)機(jī)污染控制的最新技術(shù)并加以應(yīng)用，不但可以增強(qiáng)其產(chǎn)品的技術(shù)含量，滿足越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)的要求，而且可以提高其產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和企業(yè)的生命力。