汽车尾气污染控制技术研究进展

邓 莎，周 键

（云南省生态环境工程评估中心，云南昆明 650032)

1 概述

随着社会发展及人们生活质量的提高，我国汽车保有量逐步增加，2013—2018年，我国汽车保有量由12 572.4万辆增加到23 121.8万辆，年均增长13%，2018年汽车保有量中新能源车仅占1.1%，汽油车和柴油车占比达到97.8%，汽车尾气排放污染成为大气污染的重要来源，同时也给人体健康带来威胁。

汽车尾气主要污染物包括一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、颗粒物（含铅、炭烟颗粒等）。一氧化碳、炭烟颗粒主要来源于燃料不完全燃烧，碳氢化合物主要来源于燃料未燃烧部分，氮氧化物主要来源于燃料高温燃烧过程，铅类主要来源于燃料及润滑油添加物。为控制汽车尾气污染排放，打赢蓝天保卫战，需进一步做好汽车尾气污染控制技术研究。

2 汽车尾气污染控制技术

汽车尾气污染控制技术主要分为两大类。

1）采用清洁燃烧技术进行前端机内净化，减少尾气污染物的产生量；

2）利用净化设备对尾气进行末端机外净化，减少尾气污染物的排放量。

2.1 机内净化技术

在不改变燃料的情况下，机内净化主要是通过在前端控制燃烧过程，使燃料接近理想燃烧。主要采取措施如下：

（1）对燃烧室、燃油供给系统和进气系统进行改进。如升高第一道活塞，减小活塞环与气缸壁间的容积，从而减少未燃碳氢化合物的排放；采用电子控制可变定时高效燃油喷射技术，燃油多次喷射，实现柔和燃烧；采用废气涡轮增压与中冷技术，增压提高进气温度、缩短滞燃期，降低一氧化碳和碳氢化合物产生，经中冷降低增压空气温度，加大循环进气量，从而降低氮氧化物排放；在进气口内设置涡流控制阀，提高充气效率，进行稀薄燃烧。通过废气再循环技术，引入适量废气与新鲜气一同进入燃烧室，降低发动机燃烧的最高温度，同时再循环的废气相应减低了氧的浓度，抑制氮氧化物生成。

（2）点火系统改进。如采用电控点火系统控制以改善发动机的燃烧过程。

（3）采取机内净化低温等离子体技术。利用低温等离子体将空气中的氧转化为臭氧，臭氧进入燃烧室时分解为氧负离子，进而提高燃烧反应速率。相关资料表明，使用该技术可以有效节能20%，降低污染物排放约50%。

2.2 机外净化技术

在实际运行中，理想燃烧状态反应条件很难达到，仅靠机内净化无法高效控制汽车尾气污染，需要进一步采取机外净化技术。

2.2.1 催化净化技术

汽车尾气催化净化就是通过在发动机之后的尾气排气系统上安装催化净化器进行尾气污染物净化。早期催化净化器多为氧化型，主要以活性氧化铝、蜂窝陶瓷载体、金属为载体，以铂、钯等贵金属为活性组分，用以净化尾气中的一氧化碳和碳氢化合物等，但该技术的缺点是不能同时净化氮氧化物。

目前最常用的排气催化净化主流技术是可同时净化尾气中的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物的三效催化技术。三效催化剂主要由载体、高度多孔的氧化铝层，活性组分以及助剂组成，目前主要是在蜂窝堇青石陶瓷载体或陶瓷载体上负载活性氧化铝和氧化铈，喷涂贵金属铑、铂和钯等活性组分作为催化剂，将汽车排放中的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物实现同时转化，使三种污染物排放量大幅降低。由于催化净化效果受环境温度影响较大，高温催化剂失活，低温催化效率降低，加上贵金属成本高且资源少，制约其广泛应用。

为降低催化成本，许多学者对稀土用于汽车尾气催化剂中进行了研究。因稀土氧化物对硫化物的转化作用可提高催化剂的抗中毒能力，可以完全或部分代替贵金属作为活性组分。据研究，在催化剂载体涂层氧化铝中加入稀土氧化物可以抑制氧化铝向无活性相转变而提高催化剂热稳定性；掺杂碱金属K的La0.85K0.15CoO3在414℃条件下对一氧化氮及一氧化碳的催化转化效率分别达到98%和80.3%；钙钛矿型稀土氧化物La0.9Ce0.1NiO3催化剂可同时消除柴油汽车尾气排放的炭烟、一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物，在400℃条件下反应2h的炭烟转化效率可达100%。

2.2.2 纳米技术

随着纳米技术的出现，汽车尾气污染控制开始与纳米技术研究结合。

2.2.2.1 纳米结构载体催化

研究发现，将汽车尾气催化净化使用蜂窝载体的表面涂层三氧化二铝制成纳米级，增加其比表面积，可以较大提升涂层负载量，改善催化效率和催化稳定性，减少贵金属催化剂和助剂的用量，延长使用寿命。

三维有序大孔材料是一类孔径大于50nm的材料，三维有序大孔钙钛矿LaFeO3催化剂在炭烟颗粒燃烧性能催化方面的研究表明，将催化剂载体设计为三维有序大孔，可降低炭烟颗粒的扩散阻力并提高催化剂的可利用表面积，从而提高活性，改善催化剂与炭烟颗粒的接触效果。

2.2.2.2 纳米稀土催化

纳米稀土粒子具有强氧化还原性能，用于三效催化剂中可提高催化转化率。CeO2是三效催化常用助剂，CeO2微粒增大将导致其上贵金属微粒增大而降低其贮氧性能，要提高三效催化剂的耐热性能就必须控制助催化剂纳米级组分。将纳米La2O3和CeO2用作汽车尾气净化剂涂层的添加剂可提高催化活性，温度降低近40℃即可使CO转化达到50%。

2.2.2.3 纳米贵金属催化

贵金属作为催化剂，随着微粒的增大其催化活性会随之降低。铂、钯及铑等贵金属构成的三效催化剂中贵金属颗粒呈超微粒状且分散在三氧化二铝上，由于纳米级的贵金属超微粒分布，催化剂才具有很高的催化活性。

将纳米级氧化钯应用到催化剂涂层工艺中，可大幅提升催化剂活性。以纳米氧化钯作为主要催化元素制作氧化剂载体进行整车排放实验，与传统催化转换器相比，纳米催化剂在使用较少贵金属的情况下，催化性能与传统催化剂相当，在满足排放要求的同时，整体成本降低了12%～15%。

2.2.3 等离子体技术

低温等离子技术被广泛应用于环境保护领域处理废气废水污染物，也开始用于汽车尾气污染控制研究。低温等离子体电子温度远高于重粒子，在使反应物分子激发、离解和电离的同时得以保持反应体系低温。研究表明，采用高压超窄脉冲流柱电晕放电等离子体技术可使一氧化碳的氧化脱除率达80%以上。张春润等结合汽车排气特征，进行了低温等离子体汽车排气净化模拟实验研究，在室温、放电电压16kV时，低温等离子体对碳氢化合物净化率达 96.54%、对一氧化氮净化率为55.42%。

低温等离子体技术机外净化主要是通过反应器将尾气等离子化，激发活性原子氧等元素，与一氧化碳、碳氢化合物反应，同时利用尾气中的碳元素作为还原剂，将氮氧化物生成无害的水、氮气、二氧化碳。

王迎辉等将低温等离子体技术与钙钛矿型催化剂技术相结合，设计了等离子四效汽车尾气净化器，可实现对一氧化氮、碳氢化合物、氮氧化物和炭烟颗粒的同时净化，并通过发动机台架实验进行了验证。

低温等离子体技术对汽车尾气中的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物等有显著去除作用，但实际应用中如何通过控制放电参数、电子温度等降低能耗和进一步提高污染物脱除效率，如何适应反应条件变化使系统更加长期可靠运行等，都还需要进一步研究。

2.2.4 微波辅助催化技术

唐军旺等对常规模式和微波加热模式下催化剂反应活性进行比较，微波加热模式下催化活性基本都高于常规加热下的活性，并降低了催化剂起活温度，对冷启动阶段汽车尾气净化意义重大。Yang Zhenming等提出通过微波加热三效催化剂提高汽车尾气的催化处理效率，在进气温度低、贫燃、富氧、高空速条件下均可获得较高的净化效率。但如何将微波辅助与尾气催化结合形成可产业化的车载装置还有待进一步研究。

3 结束语

打赢蓝天保卫战是打好污染防治攻坚战的重要一环。享受汽车带来的便利同时，要重视汽车尾气污染的控制。在汽车尾气治理领域，新技术、新理论更是层出不穷，目前汽车尾气污染控制技术在以下几个方面还有待进一步研究发展：

1）结合我国稀土的资源优势和纳米材料特点，开发成本低、催化效果好的新型催化剂，进一步降低贵金属用量。

2）将催化净化、低温等离子体技术、微波辅助催化、纳米技术等多种处理技术相结合，研究开发新的集成净化处理技术，降低汽车尾气污染控制成本，提高汽车尾气污染控制综合水平。

3）强化汽车尾气污染控制技术研究与实际应用的结合，实现汽车尾气污染控制装置的车载化，推进实现高效控制技术的产业化。