汽车尾气形成机理及控制策略

陈梦

摘 要：随着汽车工业的飞速发展，全球汽车保有量正在逐年增加。车辆较少的时候，汽车带来的危害尚不明显，但是现在我国各大城市的主干道上已经车满为患，汽车本应给人们带来的快速、舒适、高效的优点，也逐渐被汽车所衍生的问题所抵消。汽车尾气也成为全国大中等城市重要的污染源，如何做好节能减排，已成为专家学者研究的重要领域，节能环保的要求也会进一步促进内燃机技术的发展。

关键词：汽车尾气;形成机理;危害;控制策略

1 汽车尾气形成机理及危害

1.1 一氧化碳形成机理及危害

汽车尾气中一氧化碳主要是由于油气混合燃烧时，氧气不足所产生的产物。一氧化碳是一种稳定的物质，与其他物质发生反应所需条件较高，同时一氧化碳与人体血液中的血红蛋白的亲和力是氧气的几百倍，当人们吸入少量的一氧化碳时，会造成头晕、无力、胸闷等中毒症状，当吸入大量的一氧化碳，会使得大脑、心脏及其它重要人体器官缺氧，严重时会导致中毒死亡。

1.2 碳氢化合物形成机理及危害

汽车燃油的主要成分是碳和氢，当燃油没有完全燃烧时，残余的燃油蒸汽会变成尾气排到大气中去，经过强烈阳光的照射易与空气中其他成分反应生成碳氢化合物或者形成光化学烟雾。除此之外，燃油箱以及燃油管路泄露，都会造成碳氢化合物的生成。碳氢化合物中，有的气体会造成温室效应，对环境造成破坏，比如甲烷;有的气体有毒，比如苯类气体，会对人体造成诸如头痛、呕吐等危害，影响人们的呼吸道健康，更有甚者可能致癌。

1.3 氮氧化合物形成机理及危害

氮氧化合物是发动机在中等负荷工作时，高温、高压的环境为氮气被氧化成氮氧化合物提供了反应条件，生成的氮氧化合物中，一氧化氮对人们的呼吸系统刺激很大，进入人类呼吸道深处时，对肺组织产生刺激和腐蚀作用，严重时会引起肺水肿，在条件合适时，一氧化氮也会转化为二氧化氮;二氧化氮易形成酸雨，降落到地表，造成土壤及地下水酸化，当人体吸入二氧化氮时，轻者会造成上呼吸道感染，重者会造成肺水肿，经常会出现胸闷、呼吸困难，干咳等症状。据统计，我国氮氧化合物生产量中，有近35%是由于汽车尾气造成。

2 排放污染物的主要控制策略

2.1 使用清洁燃料

2.1.1 可以采用无铅燃油

为了防止发动机的爆震燃烧，往往在燃油中添加含铅的有机物，而铅这种化学物质对人体及环境危害很大。现在为了保护环境，逐渐在使用无铅燃油，即在燃油中加入其他防爆震成分，提高无铅汽油辛烷值，不仅可以提高抗爆性，而且可以有效降低汽车尾气排放。

2.1.2 掺入添加剂，改变燃料成分

通常我们在燃油中加入少量水分，这可以将净化尾气的物质直接加到燃油中去，比如增氧节油剂，这些都可以减少汽车尾气的排放。

2.2 采用降低发动机排放的燃烧技术

目前，发动机的控制技术正在不断优化和完善，发动机供给系统从传统的化油器式发展到喷油器将燃油喷到进气管中与空气混合，到目前喷油器直接将燃油高压喷到气缸中，利用高压喷油器能将燃油很好的雾化，结合气缸燃烧室的形状，可以很好的实现油气混合进行燃烧。这种技术提高了发动机燃油喷射的精确性，在获得良好动力性、燃油低消耗的同时，降低了汽车尾气的排放。现在常用的燃油直喷技术有：分层稀薄燃烧技术（GDI）、均质充量压缩燃烧技术（HCCI）和燃料分层喷射技术（FSI）等。

2.2.1 缸内直喷技术（GDI）

德国的汽车公司从上世纪50年代就开始研制GDI发动机技术，并应用在二冲程汽油发动机上，但是限于当时的技术水平，GDI技术应用后，汽车基本无法正常运转，油耗和排放情况也较差，很快这种技术就被汽车公司摒弃。随着技术的发展和降低排放的需要，缸内直喷技术取得长足的发展，其工作的穩定性、响应性、可控性等均有较大的改进。如图1所示，该技术主要优点表现在喷油器喷出的高压燃油可以在火花塞附近形成较浓的雾化区域，这样不仅保证了混合气的可靠点燃，也改善了低温启动性能;由于采用缸内直喷，空燃比与传统发动机相比得到极大提高，使得节油性也大大提高，其油耗与使用涡轮增压技术的车辆相当，但是却没有涡轮增压装置，该技术也使得发动机的噪声及尾气排放都大大降低。

2.2.2 均质充量压缩燃烧技术（HCCI）

HCCl技术主要是当发动机压缩行程快结束时，气缸内的温度和压力不断升高，燃油通过高压喷油器喷进气缸，油气可以在极短的时间内实现均匀而充分的混合，且基本达到自燃条件，如图2所示。采用HCCl技术的发动机主要优点是可燃混合气同时燃烧，避免了传统的扩散性燃烧过程中的能量损失;采用压燃方式，不仅可以省去点火系统，而且能实现过量空气系数较大的混合气浓度燃烧，节油性能大大提高;同时由于燃烧反应迅速，燃烧温度比较均匀，生成的氮氧化合物、碳烟微粒（PM）量显著减少。

2.2.3 燃料分层喷射技术（FSI）

早期电控发动机是控制模块根据发动机几个主要传感器的输入信号，控制喷油器将定量的燃油喷入进气管与空气完成混合。但是传统喷射位置在进气管中，混合气在进入气缸燃烧前易造成燃油的损失，这就使得燃烧时，空燃比并不是控制模块预设的值，造成动力性、排放性和燃油消耗率都受到影响。

直喷式汽油发动机采用一个可以提供较高压力的高压油泵，将汽油提供给位于气缸燃烧室上方的电磁燃油喷油器。发动机控制模块控制喷油器将精确的燃油量直接喷入气缸燃烧室内，与空气经过短暂而充分的混合后，在火花塞周围形成较浓油气混合区域，其他区域浓度较稀。这样可以在保证可靠点火的前提下，实现降低油耗、保证动力的目的，同时汽车尾气排放也大大降低。

2.3 发动机内部净化处理方式

2.3.1 曲轴箱通风系统设计

由于气体无孔不入的特点，即使活塞及活塞环与气缸密封性能好，也会使得少量可燃混合气窜入油底壳，当窜入气体累计过多时，一方面会造成燃油的浪费，另一方面燃油融入机油中，影响机油品质的同时，也会使得机油压力过大，造成机油消耗过大。为了消除这些影响，往往采用曲轴箱通风的方式。目前，所采用的曲轴箱强制通风技术是利用进气管的真空度，将窜入油底壳的可燃气体再导回进气管参与燃烧，这样不仅保证了润滑系统可靠工作，同时发动机的燃油消耗量也大大降低，对环境的危害也随之降低。

2.3.2 汽油蒸气排放控制系统

汽油挥发性能好，虽然这种特点可以用来进行可燃混合气均匀混合，但是也会使得燃油箱中汽油蒸汽过多，如果不及时导出的话，往往会造成危险，以前是通过油箱盖的泄压阀直接将汽油蒸汽排到大氣中，但是会造成燃油浪费和污染环境。现在通常在发动机上安装一套汽油蒸汽排放控制系统，这个系统主要装置是一个碳罐，利用活性炭的吸附功能，将油箱中的汽油蒸汽吸附其中，并和新鲜空气一起导入进气管中，参与燃烧，节约能源的同时也保护了环境。

2.3.3 废气再循环 （EGR）系统设计

EGR系统是将排气管中一定量的废气再循环至气缸参与燃烧的技术。该技术可有效降低废气中氮氧化合物含量。首先，EGR增加了可燃混合气中氮气、二氧化碳等气体含量，由于氮气、二氧化碳比热容较高，因此气缸中气体比热容变大，使得气缸燃烧温度以及燃烧速率下降，改变了氮气和氧气发生反应的条件，从而降低氮氧化合物的生成;其次，废气对混合气具有稀释作用，混合气中氧气含量降低，减小了氮氧化合物生成的机会;再次，再循环废气含有少量惰性气体，也会降低混合气燃烧速度和温度，抑制氮氧化合物的生成。

3 结束语

我国提出2030年碳达峰和2060年碳中和目标，对汽车设计、制造提出了新的更高要求，要实现汽车节能减排，需要采用先进的尾气控制技术，我国目前在尾气控制技术方面还有不足，但是我们在引进外国技术的同时，要结合我国实际情况进行研发，力争尽快减少汽车尾气带来的危害。

参考文献：

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