一、汽車尾氣污染物分析

交通運(yùn)輸排氣污染來(lái)源于交通運(yùn)輸行業(yè)載運(yùn)工具與車輛的廢氣排放污染,其主要排放方式有油箱泄露、燃料蒸發(fā)和排氣管排放3種方式,排放的污染物主要來(lái)源于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣排放。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)工作過(guò)程中,因?yàn)樾腥恕④嚒⒙放c環(huán)境不斷發(fā)生變化,發(fā)動(dòng)機(jī)不可能一直處于穩(wěn)定工況運(yùn)轉(zhuǎn),其中瞬態(tài)工況占了很大比例。世界各地的發(fā)動(dòng)機(jī)工況法定循環(huán)中有40%~75%為非穩(wěn)態(tài)工況(或瞬態(tài)工況),其中25%~40%是加速工況,特別是當(dāng)汽車行駛在市區(qū)時(shí)因車流量、紅綠燈及行人的不斷影響,其瞬態(tài)工況所占的比例更大,為50%~80%,其中加速工況所占比例為30%~50%。從評(píng)價(jià)汽車尾氣排放或燃油經(jīng)濟(jì)性的法定行駛循環(huán)中也可以得到同樣的結(jié)論:汽車大部分有害物的排放和燃油消耗的40%~80%來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況,其中加速工況占30%~70%。汽車尾氣排放主要污染物包括CO、HC、NOx、SO2、煙塵微粒和臭氣(甲醛)。汽車尾氣排放污染是形成大氣環(huán)境污染的真正“元兇”。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),每輛交通運(yùn)輸車輛每天的排放中,CO約3kg,HC為0.2~0.4kg,NOx為0.05~0.15kg。在美國(guó)洛杉磯,汽車等流動(dòng)載運(yùn)工具污染源排放的污染物已占其大氣污染物總量的90%。細(xì)顆粒物,即俗稱的PM2.5,是指大氣中直徑小于等于2.5μm的顆粒物,由直接排入空氣中的一次微粒和空氣中的氣態(tài)污染物通過(guò)化學(xué)轉(zhuǎn)化生成的二次微粒組成,,其二次微粒中的二次微粒組成。其二次微粒中硫酸銨、硝酸銨形成。2013年初,北京及全國(guó)多座城市出現(xiàn)強(qiáng)霧霾天氣,研究認(rèn)為,霧霾事件是因?yàn)楫惓Ｌ鞖庠斐芍袞|部大氣穩(wěn)定、污染排放、浮塵和豐富水汽等自然因素與人為因素聯(lián)合作用的結(jié)果,其中人類污染物的加劇排放是造成霧霾天氣的內(nèi)在原因。這次強(qiáng)霧霾污染物是英國(guó)倫敦1952年煙霧事件和20世紀(jì)四五十年代美國(guó)洛杉磯光化學(xué)煙霧事件污染物的混合體疊加的具有中國(guó)特色的沙塵氣溶膠,在京、津、冀霧霾天氣的專項(xiàng)研究中,專項(xiàng)組檢出了大量含氮有機(jī)顆粒物,這看來(lái)是“最危險(xiǎn)的信號(hào)”,因?yàn)檫@就是“洛杉磯上世紀(jì)光化學(xué)煙霧的主要成分之一”。這些有機(jī)物的識(shí)別組分與比例見圖3。控制灰霾需要從控制污染物排放著手,占18%的烴類有機(jī)顆粒物主要來(lái)源于汽車排放的尾氣和燃煤,加強(qiáng)對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的研究有利于抑制灰霾的形成。

二、汽車尾氣污染物應(yīng)對(duì)措施

目前,為滿足日益嚴(yán)格的汽油機(jī)排放法規(guī)要求,各國(guó)在汽車排放控制方面采取的主要措施可歸納為優(yōu)化汽車設(shè)計(jì)、提高排放與檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、提高燃油品質(zhì)和開發(fā)新能源汽車。

1、優(yōu)化汽車設(shè)計(jì)汽車優(yōu)化設(shè)計(jì)除了外型與產(chǎn)品質(zhì)量尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行元件可靠性與耐久性設(shè)計(jì)外,重點(diǎn)是提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行與排放控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（1）加強(qiáng)傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)革新與研究在目前純電動(dòng)汽車、插電式混合動(dòng)力汽車尚處于技術(shù)研究與起步推廣階段的情況下,廣大汽車發(fā)動(dòng)機(jī)研究人員與學(xué)者在響應(yīng)國(guó)家號(hào)召大力發(fā)展節(jié)能汽車的同時(shí)亦在繼續(xù)關(guān)注傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)革新與進(jìn)步,繼續(xù)注重傳統(tǒng)汽車技術(shù)水平的進(jìn)步與提高,以滿足對(duì)排放標(biāo)準(zhǔn)與環(huán)境保護(hù)的要求。歐盟對(duì)碳排放的要求非常嚴(yán)格,在2012年日內(nèi)瓦車展上,各大汽車廠商也花費(fèi)越來(lái)越多的精力在如何提升傳統(tǒng)燃油汽車的節(jié)油、減排與控制研究方面,歐洲汽車企業(yè)、日系車企業(yè)和中國(guó)的汽車廠商也將發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)重心轉(zhuǎn)向小型汽油車進(jìn)行傳統(tǒng)技術(shù)的創(chuàng)新與技術(shù)挖掘,在傳統(tǒng)動(dòng)力研究的基礎(chǔ)上,推出了更出色的動(dòng)力總成,從而有效減少有害氣體排放,提高燃油經(jīng)濟(jì)性。隨著新能源汽車的持續(xù)研究、開發(fā)與逐步拓展,目前傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)面臨許多新能源汽車帶來(lái)的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn),但由于當(dāng)前汽油機(jī)仍是中國(guó)市場(chǎng)上轎車用發(fā)動(dòng)機(jī)的主要選擇,依舊需要加強(qiáng)對(duì)汽油機(jī)的進(jìn)一步研究與開發(fā),也就是說(shuō)目前傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)面臨需要進(jìn)步與開發(fā)的關(guān)鍵時(shí)刻。在這個(gè)階段,傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)革新與進(jìn)步將在目前中國(guó)節(jié)能與環(huán)境保護(hù)方面起到至關(guān)重要的作用。

（2）加強(qiáng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況空燃比控制研究穩(wěn)態(tài)工況測(cè)得的各項(xiàng)指標(biāo)并不能真正代表汽油機(jī)的實(shí)際水平,而多年來(lái)國(guó)內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)工作者對(duì)瞬態(tài)工況(變工況)的各項(xiàng)研究起步相對(duì)較晚,日益嚴(yán)峻的大氣污染問(wèn)題迫使世界各國(guó)不再只單純停留在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工況的燃燒研究上。為滿足日益嚴(yán)格的汽車排放法規(guī),在電控汽油機(jī)上目前最有效的方法是使用三效催化器和與之相匹配的多點(diǎn)電控燃油噴射系統(tǒng),這就需要發(fā)動(dòng)機(jī)在每個(gè)工況下都能工作在催化器最有效的區(qū)域,而三效催化器的性能直接約束于空燃比的值,空燃比對(duì)催化器轉(zhuǎn)化效率的影響見圖4。三元催化器的最佳工作條件要求空燃比穩(wěn)定在理論空燃比附近。汽車排放控制的主要手段是利用三元催化轉(zhuǎn)化器將廢氣中的NOx、CO和HC等有害物質(zhì)經(jīng)過(guò)氧化還原作用轉(zhuǎn)化為無(wú)毒的二氧化碳、水和氮?dú)馀畔虼髿狻８鶕?jù)汽油的燃燒化學(xué)式,可燃混合氣的空燃比值為理論值14.7時(shí),混合氣燃燒充分,汽車尾氣中的有害氣體含量最少;當(dāng)混合氣空燃比處于1.47×(1±0.01)的空燃比控制窗口范圍時(shí),三元催化器對(duì)有害氣體的轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到90%。所以,汽油機(jī)的空燃比控制是促進(jìn)汽車節(jié)能、減排的關(guān)鍵。

（3）加強(qiáng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況空燃比智能控制在空燃比控制中應(yīng)用先進(jìn)的控制策略和方法,能提高空燃比控制精度和準(zhǔn)確性。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中一些非線性參數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)、訓(xùn)練和預(yù)測(cè),達(dá)到高精度要求。各種控制方法的相互融合也成為研究加速等瞬態(tài)空燃比控制的有效手段。汽油機(jī)瞬態(tài)工況下空燃比控制策略都是圍繞基本控制策略的空燃比參數(shù)的有效控制,目前主要有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和智能控制等優(yōu)化控制方式。在汽油機(jī)實(shí)際加速瞬態(tài)工況下,由于氧傳感器反饋信號(hào)存在一定的延時(shí)及油膜補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間滯后性,往往存在轉(zhuǎn)速快而補(bǔ)償反應(yīng)不及時(shí),導(dǎo)致常規(guī)反饋空燃比控制存在時(shí)滯現(xiàn)象,使得加速瞬態(tài)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比明顯高于理論值(14.7),導(dǎo)致燃燒效率降低,發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能、動(dòng)力性能與排放性能惡化。為了在加速瞬態(tài)工況下使空燃比能快速穩(wěn)定在理論空燃比,基于汽油機(jī)加速瞬態(tài)工況空燃比控制基本策略,依據(jù)空燃比控制目標(biāo),采取基于混沌優(yōu)化的復(fù)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)空燃比控制系統(tǒng),在傳統(tǒng)控制的基礎(chǔ)上有效消除或降低氧傳感器的反饋信號(hào)與油門控制信號(hào)的遲滯效應(yīng),減少加速瞬態(tài)工況下空燃比的波動(dòng)幅度,提高發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制的時(shí)效性與有效性。

2、提高排放與檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)隨著全球?qū)Νh(huán)境問(wèn)題的重視及能源危機(jī)的日益嚴(yán)重,汽車節(jié)能及排放控制問(wèn)題成為社會(huì)關(guān)注的重點(diǎn)。中國(guó)已確定將在2020年達(dá)到單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值碳排放比2005年降低40%~50%的目標(biāo),并著手提高機(jī)動(dòng)車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn),加強(qiáng)技術(shù)革新。在百萬(wàn)大城市中,很多城市開始實(shí)行機(jī)動(dòng)車國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)來(lái)加大汽車的排放控制,北京已經(jīng)發(fā)布將推行機(jī)動(dòng)車排放國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)。

3、提高燃油品質(zhì)中國(guó)輕型汽油車排放國(guó)四標(biāo)準(zhǔn)已于2012年7月1日開始實(shí)施,但大部分城市相應(yīng)的汽油標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施時(shí)間要到2014年。目前,國(guó)內(nèi)僅有廣州、上海和北京等城市如期實(shí)施國(guó)四汽油,很多城市汽油使用現(xiàn)狀是國(guó)四的車卻不加國(guó)四的汽油,這在加大汽車磨損的同時(shí)也加大了污染物的排放。國(guó)內(nèi)油品質(zhì)量的不均衡與油品升級(jí)進(jìn)程大幅落后于汽車新技術(shù)與嚴(yán)排放標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施進(jìn)程,過(guò)去10年中,在實(shí)施國(guó)一、國(guó)二、國(guó)三標(biāo)準(zhǔn)時(shí),汽油標(biāo)準(zhǔn)分別比汽車標(biāo)準(zhǔn)滯后了2年、1年半和1年零8個(gè)月。而歐美及世界大部分地區(qū)制定和實(shí)施汽車排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí),一直將車和油當(dāng)成一個(gè)系統(tǒng),同步實(shí)施油品和汽車排放標(biāo)準(zhǔn),確保汽車排放的升級(jí)。中國(guó)應(yīng)堅(jiān)持油品與汽車排放標(biāo)準(zhǔn)同步提高,確保通過(guò)技術(shù)革新來(lái)有效降低汽車排放污染物水平。

4、發(fā)展新能源汽車,逐步淘汰黃標(biāo)車中國(guó)《節(jié)能與新能源汽車發(fā)展規(guī)劃》中明確提出以純電動(dòng)作為汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型的主要戰(zhàn)略取向,重點(diǎn)發(fā)展純電動(dòng)汽車、插電式混合動(dòng)力汽車。但目前來(lái)看,國(guó)內(nèi)對(duì)純電動(dòng)汽車、插電式混合動(dòng)力汽車的實(shí)際應(yīng)用還存在不少瓶頸,科學(xué)研究與實(shí)際應(yīng)用不同步,存在充電基礎(chǔ)設(shè)施支持不足、價(jià)格高昂、安全性能保障、高速性能與長(zhǎng)途運(yùn)行不足等缺陷,加上駕駛?cè)藛T意識(shí)的轉(zhuǎn)變需要一個(gè)過(guò)渡過(guò)程。這都需要加大科研、實(shí)踐力度,大力提高新能源汽車的推廣進(jìn)程,逐步采用新能源汽車取代傳統(tǒng)汽車。在發(fā)展新能源汽車的同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)傳統(tǒng)黃標(biāo)車尤其是營(yíng)運(yùn)黃標(biāo)車的淘汰力度,各級(jí)政府與環(huán)保部門應(yīng)加大政策的制定與推行力度,提高補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)來(lái)調(diào)動(dòng)車主更新、淘汰黃標(biāo)車的積極性,加快黃標(biāo)車的淘汰、更新。

三、結(jié)語(yǔ)

整治交通運(yùn)輸排氣污染刻不容緩,政府、企業(yè)與廣大科研工作者應(yīng)切實(shí)加強(qiáng)對(duì)汽車尾氣排放污染物控制的重視,采取措施積極行動(dòng),在加強(qiáng)對(duì)傳統(tǒng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)革新研究與推廣力度的同時(shí),加強(qiáng)新能源汽車的研發(fā),通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新、政策落實(shí)與責(zé)任意識(shí)建設(shè)來(lái)有效控制汽車廢氣排放污染。發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)革新研究與推廣力度的同時(shí),加強(qiáng)新能源汽車的研發(fā),通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新、政策落實(shí)與責(zé)任意識(shí)建設(shè)來(lái)有效控制汽車廢氣排放污染。　　

作者：胡忠錄 單位：長(zhǎng)沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院