自二十世紀70年代以來，隨著世界各國對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：一是政府不斷嚴格汽車排放法規(guī)，促使汽車企業(yè)生產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)動機的工作過程，提高燃料的燃燒效率，改進燃油品質，降低發(fā)動機的排放，或者采用尾氣凈化技術，或者采用清潔燃料動力系統(tǒng)，來滿足不斷嚴格的排放法規(guī)。

　　我國從上世紀90年代開始，隨著汽車保有量的增加，也開始逐步嚴格汽車排放法規(guī)，分別于2001年4月16日和2004年7月1日起實施了相當于歐Ⅰ和歐Ⅱ排放標準的《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（I）（II）》（GB18352.1-2001、GB18352.2-2001）；并將于2008年開始實施相當于歐Ⅲ的汽車排放標準。在歐Ⅲ排放標準中，將取消歐Ⅰ、歐Ⅱ測量中前40 s的發(fā)動機熱機時間，直接從常溫下開始收集測量汽車的排放物；并增加-7 ℃的低溫冷啟動檢測項目。這些測量方法的改變，使得以前采用無鉛汽油加閉環(huán)電噴配合三效催化轉化器的污染控制技術難以滿足低排放標準（LEV）和超低排放標準（ULEV）的要求。

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

　　1、發(fā)動機排放污染物的主要形成機理

　　發(fā)動機的排放污染物主要有CO、HC、NOX三種物質(柴油發(fā)動機還有微粒(PM)排放)。在發(fā)動機低溫起動時，由于發(fā)動機的各個部件(特別是發(fā)動機氣缸)溫度較低，燃油霧化不好，燃燒不充分；同時氣缸壁的溫度較低，燃燒火焰在到達氣缸壁時不久就熄滅，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產生大量的CO和HC。

　　1.1　NOX的生成機理及影響因素?

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

　　根據NO的生成機理可知，發(fā)動機氣缸在燃燒過程和膨脹過程中，其早期氣缸內的溫度和O2濃度的變化是影響NOX生成率的主要因素。發(fā)動機運轉參數對NO生成率影響最大的有：燃空當量比、氣缸內未燃混合氣中已燃氣體質量分數、主要用于控制NOX生成率的排氣再循環(huán)（EGR）量和點火正時等。?

　　1.2　CO的生成機理及影響因素

　　CO的生成機理十分復雜，從實驗中可以發(fā)現，CO的生成率主要受燃空當量比的影響，與空氣系數λ值有關，與燃料成分的關系較小。由于常規(guī)汽油機在部分負荷時λ略大于1、全負荷時λ略小于1的混合氣中運轉，因此會產生大量的CO排放。CO生成的主要機理如下：?RH→R→RO2→RCHO→RCO→CO?

　　式中的R代表碳氫根，CO在燃燒過程中生成以后，以較慢的速率氧化成CO2；由于CO的生成是受化學反應動力學的影響，因此火花點火發(fā)動機在啟動加熱和急加速、急減速時CO的排放比較嚴重，這就需要精確控制油量來進行抑制。?

　　1.3　未燃HC的生成機理及影響因素

　　HC的生成比較復雜，總的來說主要有以下幾種途徑：

　?。ǎ保?在發(fā)動機氣缸的壓縮和燃燒過程中，由于氣缸內壓力升高，把部分未燃混合氣壓入與燃燒室相通的狹縫中，由于燃燒時火焰不能進入狹縫，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的形式進入排氣管，這是HC的主要來源。

　　（２） 氣缸壁的激冷效應，在混合氣燃燒過程中，當火焰逼近較冷的氣缸壁時，離氣缸壁＜0.1 mm薄層內的可燃混合氣由于火焰的淬滅而并未燃燒，從而進入排氣管。

　?。ǎ常┐嬖谟跉飧妆?、活塞頂以及氣缸蓋底面上的一層潤滑油膜中，有可能在燃燒前后吸收或放出燃料中的HC成分。?

　　（４） 在發(fā)動機做加速、減速等瞬態(tài)工況運行時，點火正時、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的研究?

　　人們?yōu)榻档推嚺欧?，滿足日益嚴格的汽車排放法規(guī)，從兩個方面進行了研究：一是改進發(fā)動機的燃燒技術，使混合氣進行充分的燃燒，降低發(fā)動機CO、HC和NOX的排放；二是采用高效凈化技術，對發(fā)動機排出的有害氣體進行氧化、還原，從而達到降低有害氣體排放的目的。?

　　2.1　采用降低發(fā)動機排放的燃燒技術

?　為提高發(fā)動機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)動機的燃燒技術，如增強缸內的渦流強度，通過在缸內形成大渦流強度和小尺度渦流來改善SI發(fā)動機的燃燒過程；采用EGR技術，通過降低峰值燃燒壓力來降低排放等。隨著電子技術和發(fā)動機控制技術的快速發(fā)展，發(fā)動機的燃燒技術也得到了新的發(fā)展，如分層充氣預混合稀薄燃燒技術（MPFI）和勻質混合壓縮點火式燃燒技術（HCCI）等。

　　2.1.1　分層充氣預混稀薄燃燒（MPFI）

　　普通汽油機的空燃比為10～20，理論空燃比為14.6，高壓縮比的發(fā)動機可以將空燃比提高到25，分層充氣預混稀薄燃燒發(fā)動機能夠將壓縮比提高至50。分層充氣預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濟性和較低的排放，各種分層充氣預混稀薄燃燒發(fā)動機得到了較大的發(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，這種燃燒技術的空燃比可以超過40，燃油經濟性可以提高30%。

　　GDI發(fā)動機采用分層稀薄燃燒技術雖然可以較大幅度地提高部分負荷下發(fā)動機的燃油經濟性，但也還存在著一些不足，主要為：

　　（１） 理想的分層在實際發(fā)動機上難以實現，分層燃燒火焰從濃混合區(qū)傳播到稀混合區(qū)時往往容易熄火，從而形成大量的未燃HC（高于常規(guī)汽油機數倍）。?

　?。ǎ玻?GDI發(fā)動機的燃燒系統(tǒng)主要采用壁面引導組織混合氣的形式，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溫度偏低，不利于未燃HC在燃燒后期的繼續(xù)氧化；同時較高的壓縮比和較快的反應放熱率會使NOX的生成量比常規(guī)汽油機高。

　?。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NOX進行還原反應，影響了催化器的轉換效率。

　　2.1.2　勻質混合壓縮點火式燃燒技術（HCCI）?

　　傳統(tǒng)的火花點火發(fā)動機的燃燒過程在火焰?zhèn)鞑ブ校鹧媲把睾秃竺娴幕旌蠚鉁囟缺任慈蓟旌蠚飧吆芏?，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，局部的高溫會導致在火焰經過的區(qū)域形成NOX。HCCI燃燒方式的出現，有效地解決了傳統(tǒng)勻質稀薄點燃燒速度慢的缺點，有別于傳統(tǒng)汽油機均質點燃預混燃燒、柴油機非均勻壓燃擴散燃燒和GDI發(fā)動機分層燃燒。

　　HCCI發(fā)動機不同于常規(guī)汽油機的單點點火方式，它是利用均質混合氣，通過提高壓縮比、采用廢氣再循環(huán)，進氣加溫和增壓等手段提高缸內混合氣的溫度和壓力，促使混合氣進行壓縮自燃，在缸內形成多點火核，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。柴油機的燃燒過程是分散型的；燃油在著火時刻還沒有完全蒸發(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；點火在許多點發(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)產生；固體微粒在燃料較濃的高溫區(qū)產生，這樣一來就很難控制有害排放物的產生。而在HCCI過程中，理論上是均勻的混合氣和殘余氣體，在整個混合氣體中由壓縮點燃，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反應動力學有關，因此可以有效阻止NOX和微粒的形成。

　　然而，由于車用發(fā)動機的工況多變，要想在各個工況下獲得較好的燃燒和排放特性，則必須對HCCI燃燒進行控制；此外，HCCI燃燒的著火時刻主要受混合氣體本身化學反應動力學的影響，受負荷、轉速的影響較小，因此，不能通過常規(guī)的負荷、轉速等反饋信號來加以控制，只能通過試驗手段來獲取經驗。

　　2.2　后處理技術

　　二十世紀70年代，在汽油機車輛上首次安裝了催化轉化裝置，車輛的后處理技術得到了迅速發(fā)展。由于在理論空燃比時，三效催化劑對HC、CO和NOX的轉化效率都很高，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)動機燃燒技術的發(fā)展，在稀燃條件下的三效催化劑對NOX的轉化效率卻非常低。為了提高發(fā)動機的燃油經濟性，降低NOX等有害氣體的排放以達到未來排放法規(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

　　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)動機可以始終在稀混合氣運轉，利用發(fā)動機排出的HC還原NOX，但轉換效率比較低，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、尿素等做還原劑時其轉換效率可達到70%以上，但目前在點燃式發(fā)動機上應用還存在很多困難。

　　吸附性催化還原是將對NOX具有吸附作用的材料（堿土金屬）和常規(guī)三效催化轉化器相結合的一種后處理技術。在轉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，同時排氣中的HC和CO直接被氧化成CO2和H2O排出發(fā)動機；然后將發(fā)動機轉入濃混合氣下運轉，使排氣中有足夠多的還原劑（CO、HC、H2等），從而把原來存儲在堿土金屬中的NO2還原生成N2、CO2和H2O排出發(fā)動機。這種方法采用加濃混合氣作為還原劑，因而發(fā)動機的油耗相對較高。

　　2.2.2　選擇性NOX再循環(huán)（SNR）技術?

　　選擇性NOX再循環(huán)（Selective NOX Recirculation）技術與廢氣再循環(huán)原理極為相似，是將NOX吸收器吸收的NOX引到進氣歧管，再次進入發(fā)動機氣缸參與反應。兩個吸收器并列安裝在發(fā)動機的排氣管上，系統(tǒng)工作時兩個吸收器交替在吸收或釋放的工作狀態(tài)，在吸收器的前端設有控制閥，可將發(fā)動機的排氣有選擇地導入其中一個吸收器。吸收器后端設有回流閥，用來控制吸收器釋放NOX的再循環(huán)。發(fā)動機工作過程中，吸收器前后閥門協(xié)調工作，使NOX的吸收和釋放同時進行。發(fā)動機的排氣在前端閥門的導向作用下，進入處于吸收狀態(tài)的吸收器中，排氣中的NOX被吸收；當該吸收器達到飽和時，前端的控制閥就將排氣導入另一吸收器吸收NOX。與此同時，第一個吸收器開始釋放已經吸收的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)動機進氣歧管，與空氣混合后進入發(fā)動機的燃燒室，在燃燒中經過各種反應后，NOX的排放大幅度降低。

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

　　3、結束語

　　隨著人們對全球氣候變暖和空氣污染的重視程度的提高，以及對全球石油資源的憂慮，世界各大汽車企業(yè)和研究機構都投入了大量的經費來研究汽車發(fā)動機的燃燒及后處理技術，提出了許多新的思路和方法，如清潔燃料車、混合動力車等，從不同的角度來解決汽車的燃料經濟性和有害氣體排放的問題，并且都取得了一定的成效，但同時也還存在著許多問題。對我國汽車制造企業(yè)來說，了解并掌握汽車發(fā)動機污染控制的最新技術并加以應用，不但可以增強其產品的技術含量，滿足越來越嚴格的排放法規(guī)的要求，而且可以提高其產品的市場競爭力和企業(yè)的生命力。