自二十世紀70年代以來，隨著世界各國對汽車排放汙染的日益重視，在汽車排放控製方麵逐漸形成了兩(liang) 條發展路線：一是政府不斷嚴(yan) 格汽車排放法規，促使汽車企業(ye) 生產(chan) 的汽車滿足低汙染排放的要求；二是汽車企業(ye) 通過優(you) 化發動機的工作過程，提高燃料的燃燒效率，改進燃油品質，降低發動機的排放，或者采用尾氣淨化技術，或者采用清潔燃料動力係統，來滿足不斷嚴(yan) 格的排放法規。

　　我國從(cong) 上世紀90年代開始，隨著汽車保有量的增加，也開始逐步嚴(yan) 格汽車排放法規，分別於(yu) 2001年4月16日和2004年7月1日起實施了相當於(yu) 歐Ⅰ和歐Ⅱ排放標準的《輕型汽車汙染物排放限值及測量方法（I）（II）》（GB18352.1-2001、GB18352.2-2001）；並將於(yu) 2008年開始實施相當於(yu) 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的發動機熱機時間，直接從(cong) 常溫下開始收集測量汽車的排放物；並增加-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電噴配合三效催化轉化器的汙染控製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、先進的汙染控製技術成為(wei) 汽車行業(ye) 在今後一段時間內(nei) 的重要課題之一。?

　　1、發動機排放汙染物的主要形成機理

　　發動機的排放汙染物主要有CO、HC、NOX三種物質(柴油發動機還有微粒(PM)排放)。在發動機低溫起動時，由於(yu) 發動機的各個(ge) 部件(特別是發動機氣缸)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(cong) 而造成氣缸壁及其縫隙中殘留有大量的未燃HC；此外，為(wei) 穩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(hui) 產(chan) 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(men) 是空氣中的N2在燃燒高溫下的產(chan) 物，與(yu) 燃料的組成無關(guan) 。NO是在燃燒火焰前鋒和火焰後的已燃區域中產(chan) 生的。汽油機燃燒過程進行得很快，在火焰區域內(nei) 停留的時間很短；而早期的燃燒產(chan) 物受到壓縮而溫度上升，因此在已燃區域內(nei) 會(hui) 產(chan) 生大量的NO，而在火焰前鋒內(nei) 則生成量不大。?

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

　　1.2　CO的生成機理及影響因素

　　CO的生成機理十分複雜，從(cong) 實驗中可以發現，CO的生成率主要受燃空當量比的影響，與(yu) 空氣係數λ值有關(guan) ，與(yu) 燃料成分的關(guan) 係較小。由於(yu) 常規汽油機在部分負荷時λ略大於(yu) 1、全負荷時λ略小於(yu) 1的混合氣中運轉，因此會(hui) 產(chan) 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後，以較慢的速率氧化成CO2；由於(yu) CO的生成是受化學反應動力學的影響，因此火花點火發動機在啟動加熱和急加速、急減速時CO的排放比較嚴(yan) 重，這就需要精確控製油量來進行抑製。?

　　1.3　未燃HC的生成機理及影響因素

　　HC的生成比較複雜，總的來說主要有以下幾種途徑：

　　（１） 在發動機氣缸的壓縮和燃燒過程中，由於(yu) 氣缸內(nei) 壓力升高，把部分未燃混合氣壓入與(yu) 燃燒室相通的狹縫中，由於(yu) 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，在氣缸壓力降低後，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(nei) 的可燃混合氣由於(yu) 火焰的淬滅而並未燃燒，從(cong) 而進入排氣管。

　　（３）存在於(yu) 氣缸壁、活塞頂以及氣缸蓋底麵上的一層潤滑油膜中，有可能在燃燒前後吸收或放出燃料中的HC成分。?

　　（４） 在發動機做加速、減速等瞬態工況運行時，點火正時、空燃比以及排氣再循環值都沒有處於(yu) 最佳狀態，有可能引起燃燒過程的不完善，如燃燒特別緩慢、火焰大麵積淬滅等，從(cong) 而使HC排放增加。?

　　2、低汙染排放控製技術的研究?

　　人們(men) 為(wei) 降低汽車排放，滿足日益嚴(yan) 格的汽車排放法規，從(cong) 兩(liang) 個(ge) 方麵進行了研究：一是改進發動機的燃燒技術，使混合氣進行充分的燃燒，降低發動機CO、HC和NOX的排放；二是采用高效淨化技術，對發動機排出的有害氣體(ti) 進行氧化、還原，從(cong) 而達到降低有害氣體(ti) 排放的目的。?

　　2.1　采用降低發動機排放的燃燒技術

?　為(wei) 提高發動機的熱效率和降低廢氣排放，人們(men) 采用了各種方法來研究發動機的燃燒技術，如增強缸內(nei) 的渦流強度，通過在缸內(nei) 形成大渦流強度和小尺度渦流來改善SI發動機的燃燒過程；采用EGR技術，通過降低峰值燃燒壓力來降低排放等。隨著電子技術和發動機控製技術的快速發展，發動機的燃燒技術也得到了新的發展，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(wei) 10～20，理論空燃比為(wei) 14.6，高壓縮比的發動機可以將空燃比提高到25，分層充氣預混稀薄燃燒發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(ti) 為(wei) 稀混合氣，燃燒在易燃的混合氣部分開始，然後火焰再傳(chuan) 至稀混合氣部分。由於(yu) 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動機得到了較大的發展。噴油器和火花塞間距較大，這樣在燃燒室能夠產(chan) 生最佳的混合氣。在壓縮行程後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於(yu) 氣缸軸線的旋轉滾流，滾流將燃油帶到火花塞，並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動機的燃油經濟性，但也還存在著一些不足，主要為(wei) ：

　　（１） 理想的分層在實際發動機上難以實現，分層燃燒火焰從(cong) 濃混合區傳(chuan) 播到稀混合區時往往容易熄火，從(cong) 而形成大量的未燃HC（高於(yu) 常規汽油機數倍）。?

　　（２） GDI發動機的燃燒係統主要采用壁麵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。由於(yu) 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，從(cong) 而形成較多的未燃HC排放。

　　（３） 大空燃比工作條件下使得氣缸內(nei) 溫度偏低，不利於(yu) 未燃HC在燃燒後期的繼續氧化；同時較高的壓縮比和較快的反應放熱率會(hui) 使NOX的生成量比常規汽油機高。

　　（４） 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(chuan) 統的火花點火發動機的燃燒過程在火焰傳(chuan) 播中，火焰前沿和後麵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(hui) 導致在火焰經過的區域形成NOX。HCCI燃燒方式的出現，有效地解決(jue) 了傳(chuan) 統勻質稀薄點燃燒速度慢的缺點，有別於(yu) 傳(chuan) 統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發動機分層燃燒。

　　HCCI發動機不同於(yu) 常規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，進氣加溫和增壓等手段提高缸內(nei) 混合氣的溫度和壓力，促使混合氣進行壓縮自燃，在缸內(nei) 形成多點火核，有效地維持燃燒的穩定性，並減少了火焰傳(chuan) 播距離和燃燒持續期。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混合，燃燒速率主要受燃油蒸發及與(yu) 空氣混合速率的影響；點火在許多點發生，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產(chan) 生；固體(ti) 微粒在燃料較濃的高溫區產(chan) 生，這樣一來就很難控製有害排放物的產(chan) 生。而在HCCI過程中，理論上是均勻的混合氣和殘餘(yu) 氣體(ti) ，在整個(ge) 混合氣體(ti) 中由壓縮點燃，燃燒是自發的、均勻的，並且沒有火焰傳(chuan) 播，它的燃燒隻與(yu) 本身的化學反應動力學有關(guan) ，因此可以有效阻止NOX和微粒的形成。

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

　　2.2　後處理技術

　　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，車輛的後處理技術得到了迅速發展。由於(yu) 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。然而隨著發動機燃燒技術的發展，在稀燃條件下的三效催化劑對NOX的轉化效率卻非常低。為(wei) 了提高發動機的燃油經濟性，降低NOX等有害氣體(ti) 的排放以達到未來排放法規的要求，則需要開發新的、高效的催化還原係統。
　
　　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(liang) 種。選擇性催化還原是在常規的三效催化轉化器中有選擇地使用兩(liang) 種催化劑：一種為(wei) 非貴重金屬催化劑（如Cu），塗覆在酸性載體(ti) （鋁或沸石）上，在高溫下起催化作用；另一種催化劑一般為(wei) 貴重金屬（如Pt），它在低溫下起作用。采用這種方法，發動機可以始終在稀混合氣運轉，利用發動機排出的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）和常規三效催化轉化器相結合的一種後處理技術。在轉化器載體(ti) 上塗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(ti) 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排出發動機；然後將發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(cong) 而把原來存儲(chu) 在堿土金屬中的NO2還原生成N2、CO2和H2O排出發動機。這種方法采用加濃混合氣作為(wei) 還原劑，因而發動機的油耗相對較高。

　　2.2.2　選擇性NOX再循環（SNR）技術?

　　選擇性NOX再循環（Selective NOX Recirculation）技術與(yu) 廢氣再循環原理極為(wei) 相似，是將NOX吸收器吸收的NOX引到進氣歧管，再次進入發動機氣缸參與(yu) 反應。兩(liang) 個(ge) 吸收器並列安裝在發動機的排氣管上，係統工作時兩(liang) 個(ge) 吸收器交替在吸收或釋放的工作狀態，在吸收器的前端設有控製閥，可將發動機的排氣有選擇地導入其中一個(ge) 吸收器。吸收器後端設有回流閥，用來控製吸收器釋放NOX的再循環。發動機工作過程中，吸收器前後閥門協調工作，使NOX的吸收和釋放同時進行。發動機的排氣在前端閥門的導向作用下，進入處於(yu) 吸收狀態的吸收器中，排氣中的NOX被吸收；當該吸收器達到飽和時，前端的控製閥就將排氣導入另一吸收器吸收NOX。與(yu) 此同時，第一個(ge) 吸收器開始釋放已經吸收的NOX，其釋放的速度取決(jue) 於(yu) 吸收器的材料。被吸收的NOX通過回流閥釋放回到發動機進氣歧管，與(yu) 空氣混合後進入發動機的燃燒室，在燃燒中經過各種反應後，NOX的排放大幅度降低。

　　這種後處理技術與(yu) 常規的後處理技術不同，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(hui) 產(chan) 生其它有害氣體(ti) 排放，關(guan) 鍵在於(yu) 需要開發出對NOX具有較大吸收作用的吸收器材料。

　　3、結束語

　　隨著人們(men) 對全球氣候變暖和空氣汙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(ye) 和研究機構都投入了大量的經費來研究汽車發動機的燃燒及後處理技術，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(cong) 不同的角度來解決(jue) 汽車的燃料經濟性和有害氣體(ti) 排放的問題，並且都取得了一定的成效，但同時也還存在著許多問題。對我國汽車製造企業(ye) 來說，了解並掌握汽車發動機汙染控製的最新技術並加以應用，不但可以增強其產(chan) 品的技術含量，滿足越來越嚴(yan) 格的排放法規的要求，而且可以提高其產(chan) 品的市場競爭(zheng) 力和企業(ye) 的生命力。