论汽油汽车国五排放控制技术发展状况

摘要：随着汽车排放法规对排放污染物的要求越来越高，除了采用传统机内净化技术外，还有其他更新型更有效的排放控制技术，本文着重梳理行业内汽油车国五排放控制技术发展状况。

关键词：汽车；汽油机；排放控制技术

1 汽车污染物排放量现状分析

1.1 汽车保有量与汽车污染物排放总量分析

2010～2013年，汽车保有量由7721.7万辆增加到12572.4万辆，年均增长17.6%。在同时期内，一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM）这四项汽车污染物排放总量呈现持续增长态势，由3587.6万吨增加到3906.5万吨，年均增长2.9%。

汽车污染物排放总量增长率远低于汽车保有量增长率，表明随着排放标准升级和黄标车淘汰，汽车污染防治取得了较好成效，为汽车产业发展留出了更多的环境容量。

2 先进排放控制技术分析

2.1 国际先进的机内净化技术

机内净化技术是控制发动机排放的传统方法，其主要是从有害污染物的生成机理及影响因素出发，通过对发动机本体进行优化和改进，达到控制燃烧、减少和抑制污染物生成的效果。主要手段包括改进进气系统，改善燃油喷射系统，改善燃烧系统等。此外，燃油和润滑油品质的提升也属于机内净化技术范围。

2.1.1 传统机内净化技术

传统的机内净化技术主要是指单纯的对发动机进气系统、燃油喷射系统、燃烧系统等进行优化以达到降低排放的目的。

首先，在进气系统上，汽油机主要通过以下技术达到降低排放的效果，如废气再循环系统（EGR）可以降低燃烧室内混合气的氧浓度和提高混合气的比热容，达到降低燃烧温度的效果，可以有效抑制氮氧化物（NOx）产生；采用增压中冷技术，可以提高发动机的充气效率，降低进气温度，优化燃烧，明显改善PM和NOx的排放；发动机采用多气门技术，可以显著改善进排气，可以一定程度上优化排放；通过可变气门正时技术改善排放，这主要是由于可变气门正时技术能够实现不同程度的内部EGR，可变气门正时通过改变进、排气相位，得到不同的气门重叠角，从而对缸内的残余废气系数进行控制，实现了不同程度的内部EGR，因此，精确的气门正时控制可以实现HC、CO、NOx的同时优化。柴油机在进气系统上主要通过EGR、增压中冷、多气门技术来降低排放。

其次，在燃油喷射系统上，发动机电控燃油喷射系统是发动机提高排放水平的重要措施和基本保证，通过电控燃油喷射系统可以根据发动机工况的变化，实时对喷油脉冲时刻、喷油量、气门开度等进行精确控制，在提高燃烧效率的同时显著降低排放。汽油机采用缸内直喷技术直接将燃油喷入气缸内与进气混合，通过较高的喷油压力使燃油雾化更加细致，实现了精准按比例控制喷油并与进气混合，使油气在整个气缸内充分、均匀的混合，从而使燃油充分燃烧，达到降低排放的效果。柴油机主要采用高压共轨+多次喷射技术，通过较高的喷射压力使燃油充分雾化，各缸的燃油和空气混合达到最佳，使燃烧更加充分，降低HC和CO排放；同时采用多次喷射技术，将一个喷油循环分为预喷、主喷、后喷等多个环节，达到同时降低PM与NOx排放的目的，并可以提高排气温度，使催化器快速起燃。

第三，在燃烧系统上，汽油机使用紧凑燃烧室，可以缩短燃烧时间，快速充分的燃烧可以降低HC和CO的排放，同时紧凑燃烧室通过与推迟点火提前角或EGR联用，达到降低NOx的目的。柴油机通过燃烧室优化，也可以达到改善燃烧，降低排放的作用。汽油機通过可变压缩比技术，实现随着负荷变化连续调节压缩比，在负荷小时提高压缩比，在负荷大时调低压缩比实现大功率和高扭矩输出，在提高热效率的同时降低排放。

发动机机内净化技术还有一些其他手段：混合动力技术可以使车辆在启动、怠速的情况下靠电机带动，从而使发动机一直保持最佳工作状态，动力性好、排放量低、油耗少；怠速起停技术可以使发动机在遇到红灯或堵车时，发动机自动熄火，当驾驶员重新踏下离合器、油门踏板或松抬刹车的瞬间，起动机将快速启动发动机，使用此技术可使发动机在综合工况下减少5%的CO排放；此外，柴油机使用生物柴油、煤制油等新型燃料，可以在保证动力性的同时显著降低排放。

2.1.2新型机内净化技术

近年来，发动机复合技术发展显著，一些新型的复合净化技术也得到了应用。

汽油机双喷射技术被称为复合喷射技术，是指将传统的进气歧管喷射与缸内直喷技术相结合的一种喷射方式。歧管喷射与缸内直喷各有利弊，在高负荷高转速下，前者的雾化及混合效率不及后者，而在冷启动时后者的油气混合效果不如前者，且热机速度慢。双喷射技术结合缸内喷射和歧管喷射两种供油方式的特点，在冷启动/怠速/低负荷下使用单歧管喷射，在中等负荷下两套喷射系统协同工作，在高负荷下则使用缸内喷射技术。双喷射技术解决了缸内直喷技术在低速/怠速状态下NOx排放较高的问题，优化了燃烧过程减排效果显著。目前此项技术已在丰田、日产、大众等车型上得到应用。

汽油机双循环技术是指发动机集成奥托循环和阿特金森循环。阿特金森循环的原理则相当于在奥托循环基础上延时关闭进气门。在可变气门正时系统的基础上，通过调整凸轮轴结构，实现超广角可变气门正时系统，从而实现了奥托循环与阿特金森循环的切换，在提升燃油效率的同时大幅度降低排放。

复合EGR技术是在传统EGR的技术发展而来的，其中低压EGR（LPEGR）技术可以使废气在各缸的分布较为均匀，同时废气经 DPF过滤后所含杂质少，对发动机燃烧过程影响相对小；高压EGR（HPEGR）具有瞬时响应性和可控性好、对增压器压气机无损坏、高转速泵气功降低并能提高燃油经济性等优点。采用高、低压 EGR 组成的复合 EGR系统可以集中LP EGR和HP EGR的优点。

此外，复合增压、双涡管单涡轮等先进增压技术的逐渐成熟也对发动机机内净化起到良好效果。

2.2 先进的机外净化技术

面对日益严苛的排放法规，机内净化技术的提升空间已较为有限，必须配合机外净化技术才能达到控制污染物排放的最佳效果。机外净化技术主要是通过后处理装置实现，是满足未来排放法规的主流趋势。

汽油机机外净化技术：

三元催化转化器（TWC）仍然是解决汽油机HC、NOx、CO排放的必须选择。但是随着标准的进一步加严，对TWC的要求逐渐增高。陶瓷等新型载体的出现对进一步降低三元催化器起燃温度起到十分重要的作用。随着稀燃发动机的普及，其NOx排放得到人们的重视，LNT等技术也逐步得到了应用，并推广到柴油机领域。为解决缸内直喷汽油机所带来的颗粒物排放问题，汽油机颗粒捕集器（GPF）成为必备选择，其主要原理与柴油机颗粒捕集器（DPF）相同。

（1）三元催化转化器（TWC）。三元催化转换器安装在排气管上，三元催化剂是铂（或钯）和锗的混合物，它不仅能将HC 氧化成H2O、CO2，而且能促使NOx和CO发生反应转变成CO2和N2。但其转化效率只有空燃比在14.7：1 附近时才能达到最高，所以须在发动机控制系统中安装氧传感器，形成空燃比反馈控制方式即闭环控制，才能保证三元催化器良好的转好效率。

（2）稀薄氮氧化物捕集技术（LNT）。稀燃氮氧化物捕集（Lean NOx TrapLNT，也称氮氧化物储存还原NOx Storage ReductionNSR）技术。通过吸附捕集和还原两个方面来降低尾气中NOx的排放。在稀燃条件下，部分NO 气体在贵金属（如铂、铑、钯）的催化下与氧气反应形成NO2，NO 和NO2与碱土金属（BaCO3）或碱金属（Na、K、Cs等）反应形成硝酸盐和亚硝酸盐物种。在富燃条件下，随着尾气温度升高，热稳定性差硝酸盐和亚硝酸盐物种转化为气态NOx从吸附表面脱附出去，最终与排气中的还原性气体CO、H2、HC 在贵金属的作用下形成无毒的N2。目前常用的LNT 吸附剂是碱金属（Na、K、Cs）氧化物。LNT技术可以实现高达90%的NOx转化效率。

（3）空气喷射。空气喷射是将新鲜空气喷射到排气门的后面，使尾气中的HC和CO在排气管内与空气混合，继续进行氧化的方法，也称之为二次空气法。

按其空气喷入的部位空气喷射可以分为两类。第一类，新鲜空气被喷入排气歧管的基部，即排气歧管与汽缸体相连接的部位，因此，排气中的HC、CO只能从排气歧管开始被氧化；第二类，新鲜空气通过汽缸盖上的专设管道喷入排气门后汽缸盖内的排气通道内，排气中HC、CO的氧化更早进行。

3 结语

随着汽车生产和保有规模的不断扩大以及大气污染问题的日益严峻，汽车尾气排放控制已经成为亟需解决的重要民生课题。近年来国务院和环境保护部不断出台治理措施，力争到2015年全国机动车污染物排放总量比2010年下降10%，2017年全面淘汰污染严重的黄标车，到2020年机动车排放控制水平显著提升。机动车污染防治对于城市空气质量的改善意义重大，其中，控制机动车数量、提高机动车排放标准等都是控制排放污染的重要手段。

随着汽车尾气排放控制实践的深入，逐步认识到以往的汽车排放标准体系逐渐不适应我国空气质量管理的要求，如汽车的实际行驶工况与型式认证工况不符，造成在用车的实际排放远高于认证试验中的排放；汽油车蒸发排放控制效果不明显，仍有三分之二的VOC通过昼间排放、行车损耗以及加油过程中排放到大气；在用车的监管体系不夠严格，造成催化器老化失效，排放超标车辆得不到及时有效的控制等，这些问题均制约着我国汽车尾气排放控制的实际效果。因此，系统的梳理行业内汽油车国五排放控制技术发展状况，尤为必要。

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作者简介：黄琪涛（1980），男，汉族，广西柳州人，本科，助理工程师，研究方向：汽车及发动机相关市场与技术发展方向。

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