我国低排放汽车的发展趋势分析

申振国 高秀红

(鹤壁汽车工程职业学院，河南 鹤壁 458030)

0 前言

近年来，我国汽车保有量呈快速增长的趋势，但汽车保有量的快速增加导致汽车尾气污染严重，这给我国环境保护和绿色可持续发展战略的实施带来严峻挑战。因此，对汽车降低排放技术的分析和未来发展前景的研究迫在眉睫。近年来，科技的发展推动汽车行业向智能化和低碳化发展，降低汽车排放技术水平逐渐提升，计算机在汽车行业的应用范围逐渐扩大，成为推进汽车行业发展的研究方向。

1 低排放汽车发展现状

1.1 尾气排放污染严重

随着国家机动车行业的飞速发展，汽车保有量急剧增长，排放的尾气造成了严重的环境污染，城市空气污染已由燃煤型污染转为燃煤与机动车混合型污染，汽车污染已成为世界性公害。

在内燃发动机中，由于燃料不完全燃烧产生的CO易与血液里的血红蛋白结合，导致人体缺氧，出现眩晕、呕吐等中毒症状，严重者可能有生命危险。而发动机废气中的未燃部分，包括碳氢化合物、碳氧化合物等污染物是光化学烟雾的重要组成成分，两者在紫外线的照射下发生化学反应，产生毒性，对眼、鼻、喉等器官具有明显的刺激作用，严重危害身体健康。

1.2 汽车燃油市场不稳定

近年来，随着国内汽车销售量的持续增加，石油需求量不断增大，导致国家原有石油储藏量降低。由于石油资源不可再生，可能将面临石油能源紧缺的问题。在2020年新冠疫情的冲击下，国家加大防控力度，私家车出行频次大幅减少，汽油需求量呈下滑趋势，汽车消费量降低。疫情导致国内多个行业的发展前景不确定性增加及国际关系局势复杂，使得国内主营汽油价格呈震荡上涨趋势。同时，由于新能源汽车在速度、能耗、智能化等方面堪比燃油车，近年来，新能源汽车的销量大幅增加。总体来看，国家在汽车能源方面采取了积极措施，但国内汽车燃油市场仍不稳定，降低汽车尾气排放量仍是当前汽车行业的发展之要。

1.3 汽车尾气排放标准

汽车尾气污染日益严重，针对汽车尾气排放立法势在必行，以促使汽车生产厂家改进产品，减少有害气体的产生。20世纪80年代，我国颁布了第1批汽车排放标准，随后制定了分阶段实施的具体方案，逐渐形成较完整的治理体系。近年来，随着汽车保有量的增加和空气环境的恶化，不断补充和细化汽车排放标准，研究如何改进低排放汽车显得尤为重要。

2 现有的低排放技术

2.1 废气再循环系统

如何有效解决发动机尾气排放污染是目前汽车发展面临的重大难题。废气再循环(EGR)系统主要是对废气中比热容较大的气体加以循环利用，以有效降低燃烧湿度及气体浓度，达到降低尾气中氮氧化合物排放量的目的。

在吸入空气量不变的情况下，EGR率高表示废气引入量高，此时发动机燃烧状况恶化，失火率增加，动力性下降；EGR率低表示废气引入量低，氮氧化物排放未达到法规要求，发动机易过热，因此需要根据发动机工作状况调整EGR率。EGR主要有机械式和电子式这2种：机械式是最早设计的EGR装置，零部件结构简单，依靠进气管和排气管压力完成循环，通过压力差控制EGR阀门的开关；电子式是以电子控制单元为支撑，电控单元通过占空比信号控制EGR电磁阀，进而根据线圈是否通电来判断EGR阀的真空室与大气相通还是与进气歧管相通。虽然2种方式均能在一定程度上减少汽车尾气排放量，但是动力相对欠缺，没有足够的燃烧稳定性，这也为其未来发展提供了研究方向。

2.2 电控燃油喷射技术

电子计算机的应用为汽车燃油系统提供了崭新的发展方向，使得以自动化控制为技术支持的燃油喷射系统得以广泛应用推广普及。该系统可及时接收燃油器装置发出的信息，并进行分析与处理，通过调整和控制脉冲宽度来完成喷油任务。电子控制燃油喷射系统如图1所示。

由图1可知，电控燃油喷射系统由以下3部分组成：① 空气供给系统，由空气流量计、节气门位置传感器等零部件构成，主要功能是为发动机提供新鲜空气并控制进气量。② 燃油供给系统，由油箱、燃油滤清器、油压调节器、喷油器等部件构成，燃油泵从油箱中吸出汽油，汽油经滤清器过滤进入燃油分配管，油压调节器调节压力，再将汽油压入喷油器，喷油器根据电子计算机的指示完成喷油操作。③ 控制系统，由各传感器和电子控制单元(ECU)等部件构成， ECU根据传感器和空气流量计发来的信号确定燃油喷射时间，然后向喷油器及点火线圈发出指令，控制喷油器喷油或断油。

图1 电控燃油喷射系统

2.3 三元催化技术

目前，较成熟的尾气处理技术就是三元催化技术，主要依靠三元转换器来完成。该装置能够将汽车尾气中的有害污染物通过氧化还原反应进行转化，形成无害的CO、HO、N等。三元催化器由多孔陶瓷材料制作而成，本身不参与氧化还原等化学反应，仅作为载体参与尾气净化过程。该装置由大量负载催化剂的涂层覆盖，涂层是类似蜂窝状的细小通道隔板，尾气经过时发生催化反应，通过氧化还原作用转化为无害气体，可实现对尾气的处理。三元催化技术具有原理简单、成本低且能效高的优点，有利于实现汽车尾气处理过程的系统化、规范化和标准化，形成一体化的尾气处理系统。

3 低排放汽车的发展趋势

3.1 燃料电池开发

发展使燃料的化学能转化为电能的电池装置是大势所趋，此类电池被称为燃料电池，该技术将成为21世纪汽车行业发展的热点。经过制造商、高等院校和科研机构联合研究与攻关，目前燃料电池的研究、开发和商品化方面已取得了巨大突破。对于可选择的燃料，按特点分为以下2类：① 氢气，其与大气中的氧气发生氧化还原化学反应生成气态水，产生电能，带动电动机工作，从而驱动汽车行驶，这类电池被称为“氢氧混合燃料电池”；从工作原理来看，该电池直接将化学能转化为电能，能量转化效率高，排放无污染，但该类型汽车还处于研制阶段，对液态氢制取和存储等问题的研究有待突破。② 天然气、甲醇及液化石油气等，该类型燃料电池工作原理同前者；但由于气体燃料的能量密度低，燃烧产生的能量低，汽车行驶距离短。

传统的发动机燃料系统不能完全适用于新型燃料，一般需要增加储气瓶、减压阀等部件，结构复杂且系统控制和布局难度增加，这对未来燃料电池的开发提出了新的方向与挑战。

3.2 超级电容应用

作为通过极化电解质来储存能量的电化学元器件，超级电容具有储存电荷能力高、充放电速度快、使用寿命长、无污染等特点，是一种优良的新型绿色储能器，具有优越的性能和广阔的发展前景，是成为低排放汽车开发的重要方向之一。超级电容性能的核心影响因素是电极材料，多以活性炭作为电极材料，也可用碳纤维、金属氧化物及其水合物、导电聚合物等，由碳电极和电解液上负荷的电荷分离产生电动势，提供电能驱动汽车行驶。与燃料电池相比，超级电容的充放电过程属于物理过程，其性能较稳定。但超级电容也有劣势，电容器比能量低限制了汽车的续航能力，电池使用不当会导致电解质泄露。因此这类汽车更适合于短距离行驶，比如作为城市交通工具。总体来说，以超级电容为能源的低排放汽车无污染、零排放，具有良好的市场前景和社会效益。

3.3 混合动力汽车研究

将燃料电池与超级电容相结合的混合动力汽车在工作效率、制动能量回馈、动态特性等方面具有更优越的性能。燃料电池作为能量来源装置，超级电容作为辅助启动装置，两者联合可缩短发动机的启动时间，确保了启动的稳定性，在低温情况下，其性能优势尤为明显。超级电容具有瞬时高功率的特性，可避免发动机启动频繁造成其使用寿命短，同时还能回收利用制动能量，减少污染排放。综上可得，这种组合能最大限度地满足汽车的启动、加速、制动力和效率需求，但整车质量和成本增加，以及结构和控制复杂也是亟待解决的问题。如将蓄电池和超级电容相结合，联合应用于发动机启动系统，是解决这一问题的途径之一。

4 结语

人们生活水平的提高促进了汽车消费量的增长，间接导致汽车尾气排放量的增加，造成环境污染日益严重，危害人们身心健康。目前，我国正处于绿色环保和节能减排的关键阶段，加大对低排放汽车的研究力度势在必行，这也是实现社会可持续发展战略的必要措施。降低汽车排放量的尾气处理技术已较成熟，但取得的效果并不显著，及时寻求新型、高效的汽车减排技术刻不容缓。将燃料电池与超级电容相结合的混合动力系统不仅克服了燃料电池低比功率和超级电容低比能量的缺陷，而且具有储存能量和回收制动能量的能力，弥补了各自劣势，又将双方的优势最大化。

低排放汽车的未来发展要以政府政策法规为依据，以技术改革创新为支撑，以绿色发展理念为指引，逐步构建低能耗、低污染及高效率的汽车发展模式，保证汽车行业持续健康的发展。