申振國(guó) 高秀紅

(鶴壁汽車(chē)工程職業(yè)學(xué)院，河南 鶴壁 458030)

0 前言

近年來(lái)，我國(guó)汽車(chē)保有量呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但汽車(chē)保有量的快速增加導(dǎo)致汽車(chē)尾氣污染嚴(yán)重，這給我國(guó)環(huán)境保護(hù)和綠色可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，對(duì)汽車(chē)降低排放技術(shù)的分析和未來(lái)發(fā)展前景的研究迫在眉睫。近年來(lái)，科技的發(fā)展推動(dòng)汽車(chē)行業(yè)向智能化和低碳化發(fā)展，降低汽車(chē)排放技術(shù)水平逐漸提升，計(jì)算機(jī)在汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，成為推進(jìn)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的研究方向。

1 低排放汽車(chē)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 尾氣排放污染嚴(yán)重

隨著國(guó)家機(jī)動(dòng)車(chē)行業(yè)的飛速發(fā)展，汽車(chē)保有量急劇增長(zhǎng)，排放的尾氣造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，城市空氣污染已由燃煤型污染轉(zhuǎn)為燃煤與機(jī)動(dòng)車(chē)混合型污染，汽車(chē)污染已成為世界性公害。

在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中，由于燃料不完全燃燒產(chǎn)生的CO易與血液里的血紅蛋白結(jié)合，導(dǎo)致人體缺氧，出現(xiàn)眩暈、嘔吐等中毒癥狀，嚴(yán)重者可能有生命危險(xiǎn)。而發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的未燃部分，包括碳?xì)浠衔?、碳氧化合物等污染物是光化學(xué)煙霧的重要組成成分，兩者在紫外線的照射下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生毒性，對(duì)眼、鼻、喉等器官具有明顯的刺激作用，嚴(yán)重危害身體健康。

1.2 汽車(chē)燃油市場(chǎng)不穩(wěn)定

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)汽車(chē)銷(xiāo)售量的持續(xù)增加，石油需求量不斷增大，導(dǎo)致國(guó)家原有石油儲(chǔ)藏量降低。由于石油資源不可再生，可能將面臨石油能源緊缺的問(wèn)題。在2020年新冠疫情的沖擊下，國(guó)家加大防控力度，私家車(chē)出行頻次大幅減少，汽油需求量呈下滑趨勢(shì)，汽車(chē)消費(fèi)量降低。疫情導(dǎo)致國(guó)內(nèi)多個(gè)行業(yè)的發(fā)展前景不確定性增加及國(guó)際關(guān)系局勢(shì)復(fù)雜，使得國(guó)內(nèi)主營(yíng)汽油價(jià)格呈震蕩上漲趨勢(shì)。同時(shí)，由于新能源汽車(chē)在速度、能耗、智能化等方面堪比燃油車(chē)，近年來(lái)，新能源汽車(chē)的銷(xiāo)量大幅增加。總體來(lái)看，國(guó)家在汽車(chē)能源方面采取了積極措施，但國(guó)內(nèi)汽車(chē)燃油市場(chǎng)仍不穩(wěn)定，降低汽車(chē)尾氣排放量仍是當(dāng)前汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展之要。

1.3 汽車(chē)尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)

汽車(chē)尾氣污染日益嚴(yán)重，針對(duì)汽車(chē)尾氣排放立法勢(shì)在必行，以促使汽車(chē)生產(chǎn)廠家改進(jìn)產(chǎn)品，減少有害氣體的產(chǎn)生。20世紀(jì)80年代，我國(guó)頒布了第1批汽車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)，隨后制定了分階段實(shí)施的具體方案，逐漸形成較完整的治理體系。近年來(lái)，隨著汽車(chē)保有量的增加和空氣環(huán)境的惡化，不斷補(bǔ)充和細(xì)化汽車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)，研究如何改進(jìn)低排放汽車(chē)顯得尤為重要。

2 現(xiàn)有的低排放技術(shù)

2.1 廢氣再循環(huán)系統(tǒng)

如何有效解決發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放污染是目前汽車(chē)發(fā)展面臨的重大難題。廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)主要是對(duì)廢氣中比熱容較大的氣體加以循環(huán)利用，以有效降低燃燒濕度及氣體濃度，達(dá)到降低尾氣中氮氧化合物排放量的目的。

在吸入空氣量不變的情況下，EGR率高表示廢氣引入量高，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒狀況惡化，失火率增加，動(dòng)力性下降；EGR率低表示廢氣引入量低，氮氧化物排放未達(dá)到法規(guī)要求，發(fā)動(dòng)機(jī)易過(guò)熱，因此需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況調(diào)整EGR率。EGR主要有機(jī)械式和電子式這2種：機(jī)械式是最早設(shè)計(jì)的EGR裝置，零部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，依靠進(jìn)氣管和排氣管壓力完成循環(huán)，通過(guò)壓力差控制EGR閥門(mén)的開(kāi)關(guān)；電子式是以電子控制單元為支撐，電控單元通過(guò)占空比信號(hào)控制EGR電磁閥，進(jìn)而根據(jù)線圈是否通電來(lái)判斷EGR閥的真空室與大氣相通還是與進(jìn)氣歧管相通。雖然2種方式均能在一定程度上減少汽車(chē)尾氣排放量，但是動(dòng)力相對(duì)欠缺，沒(méi)有足夠的燃燒穩(wěn)定性，這也為其未來(lái)發(fā)展提供了研究方向。

2.2 電控燃油噴射技術(shù)

電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用為汽車(chē)燃油系統(tǒng)提供了嶄新的發(fā)展方向，使得以自動(dòng)化控制為技術(shù)支持的燃油噴射系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用推廣普及。該系統(tǒng)可及時(shí)接收燃油器裝置發(fā)出的信息，并進(jìn)行分析與處理，通過(guò)調(diào)整和控制脈沖寬度來(lái)完成噴油任務(wù)。電子控制燃油噴射系統(tǒng)如圖1所示。

由圖1可知，電控燃油噴射系統(tǒng)由以下3部分組成：① 空氣供給系統(tǒng)，由空氣流量計(jì)、節(jié)氣門(mén)位置傳感器等零部件構(gòu)成，主要功能是為發(fā)動(dòng)機(jī)提供新鮮空氣并控制進(jìn)氣量。② 燃油供給系統(tǒng)，由油箱、燃油濾清器、油壓調(diào)節(jié)器、噴油器等部件構(gòu)成，燃油泵從油箱中吸出汽油，汽油經(jīng)濾清器過(guò)濾進(jìn)入燃油分配管，油壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)壓力，再將汽油壓入噴油器，噴油器根據(jù)電子計(jì)算機(jī)的指示完成噴油操作。③ 控制系統(tǒng)，由各傳感器和電子控制單元(ECU)等部件構(gòu)成， ECU根據(jù)傳感器和空氣流量計(jì)發(fā)來(lái)的信號(hào)確定燃油噴射時(shí)間，然后向噴油器及點(diǎn)火線圈發(fā)出指令，控制噴油器噴油或斷油。

圖1 電控燃油噴射系統(tǒng)

2.3 三元催化技術(shù)

目前，較成熟的尾氣處理技術(shù)就是三元催化技術(shù)，主要依靠三元轉(zhuǎn)換器來(lái)完成。該裝置能夠?qū)⑵?chē)尾氣中的有害污染物通過(guò)氧化還原反應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，形成無(wú)害的CO、HO、N等。三元催化器由多孔陶瓷材料制作而成，本身不參與氧化還原等化學(xué)反應(yīng)，僅作為載體參與尾氣凈化過(guò)程。該裝置由大量負(fù)載催化劑的涂層覆蓋，涂層是類似蜂窩狀的細(xì)小通道隔板，尾氣經(jīng)過(guò)時(shí)發(fā)生催化反應(yīng)，通過(guò)氧化還原作用轉(zhuǎn)化為無(wú)害氣體，可實(shí)現(xiàn)對(duì)尾氣的處理。三元催化技術(shù)具有原理簡(jiǎn)單、成本低且能效高的優(yōu)點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)汽車(chē)尾氣處理過(guò)程的系統(tǒng)化、規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，形成一體化的尾氣處理系統(tǒng)。

3 低排放汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 燃料電池開(kāi)發(fā)

發(fā)展使燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的電池裝置是大勢(shì)所趨，此類電池被稱為燃料電池，該技術(shù)將成為21世紀(jì)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)。經(jīng)過(guò)制造商、高等院校和科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合研究與攻關(guān)，目前燃料電池的研究、開(kāi)發(fā)和商品化方面已取得了巨大突破。對(duì)于可選擇的燃料，按特點(diǎn)分為以下2類：① 氫氣，其與大氣中的氧氣發(fā)生氧化還原化學(xué)反應(yīng)生成氣態(tài)水，產(chǎn)生電能，帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作，從而驅(qū)動(dòng)汽車(chē)行駛，這類電池被稱為“氫氧混合燃料電池”；從工作原理來(lái)看，該電池直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，能量轉(zhuǎn)化效率高，排放無(wú)污染，但該類型汽車(chē)還處于研制階段，對(duì)液態(tài)氫制取和存儲(chǔ)等問(wèn)題的研究有待突破。② 天然氣、甲醇及液化石油氣等，該類型燃料電池工作原理同前者；但由于氣體燃料的能量密度低，燃燒產(chǎn)生的能量低，汽車(chē)行駛距離短。

傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料系統(tǒng)不能完全適用于新型燃料，一般需要增加儲(chǔ)氣瓶、減壓閥等部件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且系統(tǒng)控制和布局難度增加，這對(duì)未來(lái)燃料電池的開(kāi)發(fā)提出了新的方向與挑戰(zhàn)。

3.2 超級(jí)電容應(yīng)用

作為通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)存能量的電化學(xué)元器件，超級(jí)電容具有儲(chǔ)存電荷能力高、充放電速度快、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)污染等特點(diǎn)，是一種優(yōu)良的新型綠色儲(chǔ)能器，具有優(yōu)越的性能和廣闊的發(fā)展前景，是成為低排放汽車(chē)開(kāi)發(fā)的重要方向之一。超級(jí)電容性能的核心影響因素是電極材料，多以活性炭作為電極材料，也可用碳纖維、金屬氧化物及其水合物、導(dǎo)電聚合物等，由碳電極和電解液上負(fù)荷的電荷分離產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，提供電能驅(qū)動(dòng)汽車(chē)行駛。與燃料電池相比，超級(jí)電容的充放電過(guò)程屬于物理過(guò)程，其性能較穩(wěn)定。但超級(jí)電容也有劣勢(shì)，電容器比能量低限制了汽車(chē)的續(xù)航能力，電池使用不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致電解質(zhì)泄露。因此這類汽車(chē)更適合于短距離行駛，比如作為城市交通工具?？傮w來(lái)說(shuō)，以超級(jí)電容為能源的低排放汽車(chē)無(wú)污染、零排放，具有良好的市場(chǎng)前景和社會(huì)效益。

3.3 混合動(dòng)力汽車(chē)研究

將燃料電池與超級(jí)電容相結(jié)合的混合動(dòng)力汽車(chē)在工作效率、制動(dòng)能量回饋、動(dòng)態(tài)特性等方面具有更優(yōu)越的性能。燃料電池作為能量來(lái)源裝置，超級(jí)電容作為輔助啟動(dòng)裝置，兩者聯(lián)合可縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間，確保了啟動(dòng)的穩(wěn)定性，在低溫情況下，其性能優(yōu)勢(shì)尤為明顯。超級(jí)電容具有瞬時(shí)高功率的特性，可避免發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)頻繁造成其使用壽命短，同時(shí)還能回收利用制動(dòng)能量，減少污染排放。綜上可得，這種組合能最大限度地滿足汽車(chē)的啟動(dòng)、加速、制動(dòng)力和效率需求，但整車(chē)質(zhì)量和成本增加，以及結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜也是亟待解決的問(wèn)題。如將蓄電池和超級(jí)電容相結(jié)合，聯(lián)合應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)，是解決這一問(wèn)題的途徑之一。

4 結(jié)語(yǔ)

人們生活水平的提高促進(jìn)了汽車(chē)消費(fèi)量的增長(zhǎng)，間接導(dǎo)致汽車(chē)尾氣排放量的增加，造成環(huán)境污染日益嚴(yán)重，危害人們身心健康。目前，我國(guó)正處于綠色環(huán)保和節(jié)能減排的關(guān)鍵階段，加大對(duì)低排放汽車(chē)的研究力度勢(shì)在必行，這也是實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的必要措施。降低汽車(chē)排放量的尾氣處理技術(shù)已較成熟，但取得的效果并不顯著，及時(shí)尋求新型、高效的汽車(chē)減排技術(shù)刻不容緩。將燃料電池與超級(jí)電容相結(jié)合的混合動(dòng)力系統(tǒng)不僅克服了燃料電池低比功率和超級(jí)電容低比能量的缺陷，而且具有儲(chǔ)存能量和回收制動(dòng)能量的能力，彌補(bǔ)了各自劣勢(shì)，又將雙方的優(yōu)勢(shì)最大化。

低排放汽車(chē)的未來(lái)發(fā)展要以政府政策法規(guī)為依據(jù)，以技術(shù)改革創(chuàng)新為支撐，以綠色發(fā)展理念為指引，逐步構(gòu)建低能耗、低污染及高效率的汽車(chē)發(fā)展模式，保證汽車(chē)行業(yè)持續(xù)健康的發(fā)展。