许建民1，李岳林1，肖志华2
(1.长沙理工大学，湖南长沙 410076;2.南县职业中心，湖南南县 413000)
3基金项目：湖南省自然科学基金资助项目(06JJ 20045)
摘 要：从机内净化和机外净化两个方面阐述了汽车尾气排放控制技术的研究现状与发展趋势，着重介绍了电子控制燃油喷射系统与三元催化转化器、缸内直接喷射、均质混合气压燃(HCCI )、废气再循环、清洁燃料等尾气净化措施。
关键词：汽车；汽油机；排放控制技术；机内净化；机外净化
中图分类号:U464.171 文献标识码:A 文章编号:1671-2668(2007)01-0005-03
汽车是人类最重要的交通工具之一，其增长率超过人口增长率，而且还在不断增加。在整整一个世纪中，全球汽车保有量已达到近8亿辆。因此，环境保护已成为世界性的重要问题。削减汽车排放污染物的最根本途径是依靠汽车排放控制技术，而推动先进排放控制技术发展的动力主要是实施严格的汽车排放标准。汽车排放污染物控制技术可分为三类：以改进发动机燃烧过程为核心的机内净化技术；在排气系
统中采用化学或物理方法对已生成的有害排放物进行净化的排放后处理技术；对来自曲轴箱和供油系统的有害排放物进行净化的非排气污染控制技术。后两类统称为机外净化技术。
1 车用汽油机排放控制技术应用现状
1.1 车用汽油机机内净化技术1.1.1 电子控制燃油喷射系统
电子控制燃油喷射系统(EFI )利用传感器检测发动机的各种状态，经微机判断、计算，使发动机在不同工况下均能获得合适空燃比的混合气。1995年以后，国外汽油机几乎100%采用EFI 系统，而其中绝大多数是多点电喷汽油车。目前，我国已停止生产化油器式汽油车。
1.1.2 可变进气流通截面及可变配气定时系统
采用可变进气流通截面可改善中速运转及部分负荷时的汽油机性能，并可控制燃烧速率。采用可变配气定时系统可调节缸内剩余废气量，降低NO x 排放，改善怠速性能。1.1.3 废气再循环
发动机工作过程中，将一部分排气引到吸入的
新鲜空气(或混合气)中并返回气缸进行再循环的
方法称为废气再循环(EGR )，可有效控制NO x 的排放。但由于它减少了进气充量中的含氧量，只宜在部分负荷时采用，以使HC 不致明显增加。要最大限度地减少NO x 含量，又不影响汽油机经济性和HC 排放，需采取有效调整装置来优化整个工作范
围内的废气再循环。电控技术是解决这一矛盾的有效手段。最近国外电控EGR 技术获得成功，已使其成为现代车用汽油机的有机组成部分。我国也开始应用电控EGR 技术。1.1.4 燃烧系统优化设计
不同的燃烧室形状会使汽油机性能有很大差别。燃烧室设计的重要原则之一是面容比小，即尽可能紧凑；火花塞尽可能布置在燃烧室中央，以缩短火焰传播距离。紧凑的燃烧室可直接使汽油机的热效率提高,HC 和CO 排放降低；与推迟点火提前角或EGR 联用，可同时降低NO x 排放。1.2 车用汽油机机外净化技术
综观人类治理汽车排放污染的历程，在20世纪70年代中期以前主要是采用以改善发动机燃烧过
程为主的各种机内净化技术。这些技术尽管对降低排气污染起到了很大作用，但效果有限，且不同程度地对汽车的动力性和经济性带来负面效应。随着排放法规的日益严格，人们开始考虑包括催化转化器在内的各种机外净化技术。三效催化剂(TWC )的研制成功使汽车排放控制技术产生了突破性的进展，它可使汽油车排放的CO 、HC 和NO x 同时降低90%以上。
目前，电子控制汽油喷射加三效催化转化器已
成为国际上汽油车排放控制技术的主流。除少量微型车和中、重型货车外，所有汽油车都采用了催化转化器，特别是汽油机轿车和轻型卡车，它们采用三效催化剂的比例分别为91.6%和100%。由此可以看出三效催化转化器在排放控制技术中的重要地位。此外，机外净化技术还有曲轴箱强制通风装置、二次空气喷射控制系统和燃油蒸发控制系统。
2 车用汽油机排放控制技术的发展趋势
2.1 清洁代用燃料
近几十年来，国内外在努力降低作为汽车主流动力的汽油机和柴油机的排放污染的同时，也在不懈地探索和研究开发更理想的动力系统和排放污染更低的代用燃料。其目的不仅是为了降低汽车排气污染，也为了节省能源和开发新的汽车能源，以缓解汽车对石油燃料的单纯依赖。清洁代用燃料可以分为:①常规燃料的变型产品，如新配方汽油(RF G)、新配方柴油(RFD)或低硫柴油(L SD)等;②气体燃料，如天然气(N G)、压缩天然气(CN G)、液化天然气(L N G)、氨(N H3)、H2、液化石油气(L P G，其主要成分为丙烷)等;③在天然气、煤基础上生产的燃料，如F TL和F T油、甲醇和醚类燃料(二甲醚DM E、二乙醚DEE等);④由玉米、草木类植物、含碳废弃物提炼的生物乙醇;⑤由花生油、菜子油等生产的生物柴油。
2004年12月，我国政府制定的“中国节能中长期十大工程”中的第四大工程就是“节约和替代石油工程”，
其核心内容除采取各种措施节约石油外，还指出要实施清洁汽车行动计划，发展混合动力汽车，在城市公交客车、出租车上推广燃气汽车(CN G、L P G)，加快醇类燃料(甲醇、乙醇等)推广和煤炭液化工程的实施进度，发展替代燃料，节约和替代石油3800万t等。
2.2 稀燃发动机
稀薄燃烧技术是将少量燃油和大量空气混合，使燃油充分燃烧的一种技术。传统发动机的空燃比在14.7∶1附近，而稀燃发动机的空燃比通常在15∶1～27∶1。由于可以使燃油充分燃烧，与传统发动机相比，稀燃发动机可节约燃油，并可显著减少尾气中有害成分的含量。
汽油机稀薄燃烧包括进气道喷射稀燃系统(PFI)、直接喷射稀燃系统(GDI)和均质混合气压燃系统(HCCI)。目前，天津大学已分别在TJ376Q 和丰田8A-FE16气门汽油机上通过采用特殊的进气道和排气可变技术，实现了汽油机进气道燃油喷射空燃比在24以下的准均质稀薄燃烧，采用选择催化还原、吸附催化还原和EGR+三元催化技术降低稀燃下汽油机的NO x排放，取得了一些具有学术价值的成果。
目前，稀燃高压缩比仍是降低汽油机排放、提高性能的主要研究方向。在稀燃时，为改善混合气质量而采取的措施：实现分层燃烧；燃烧室设计得更紧凑，尽量减少有害的缝隙容积；改善火花塞结构及布置，采用高能点火系统，实现快速燃烧等。从20世纪70年代起，人们就开始在化油器式汽油机上进
行分层稀薄燃烧的尝试。非直喷式分层稀薄燃烧系统有本田公司提出的CVCC燃烧系统、轴向分层稀燃系统和滚流分层稀燃系统。
2.3 缸内直接喷射技术
缸内直喷(GDI)汽油机是在部分负荷时用混合气的分层化实现超稀薄燃烧，得到同柴油机一样低的燃油消耗率；在高负荷时用预混合汽油机的均匀混合方式，得到高功率特性的理想汽油机。目前，发动机技术已在少量机型中得到应用，欧洲市场还有一些直喷发动机系统。如福特公司开发的PROCO 稀燃系统、三菱4G系列缸内直喷稀燃发动机和丰田D-4缸内直喷稀燃发动机。
GDI面临的主要排放问题是UB HC(未燃尽的碳氢化合物)和NO x排放控制。由于GDI的油气混合主要是依靠喷雾和缸内的空气运动，与冷起动时的低温关系不大，所以冷起动时无需过量供油，有效地解决了PFI冷起动时UB HC排放过多的问题。但是在中小负荷情况下,GDI的未燃碳氢化合物的排放仍然较多。
目前,GDI对NO x排放的控制主要依靠EGR 和稀燃NO x催化转化器，其中后者的发展有着深远的影响。部分负荷不使用EGR时,GDI的NO x排放水平与PFI相差不多。但由于GDI可实现超稀薄分层燃烧，较稀的空燃比使缸内的富裕氧气较多，从而允许使用高EGR率，充分降低NO x排放量，且燃烧特性不会因EGR而恶化。试验表明，在燃油经济性改善保持不变的情况下,GDI的EGR率可高达40%。虽
然如此，但EGR始终不能在整个发动机转速负荷范围内减少NO x排放量，所以单靠EGR不能满足更为严格的欧洲Ⅲ和欧洲Ⅳ排放法规，要进一步降低NO x排放，必须开发在稀燃条件
下的NO x催化转化技术。
虽然目前GDI发动机在技术、成本和排放等问题上还有一些技术难题未能解决，但由于GDI发动机的一些无可比拟的优点，有人预计，直喷汽油机将于近几年解决上述技术、成本和排放等技术难题，成为轿车发动机的主导产品。
2.4 车用汽油机的催化转化技术
催化转化技术已成为成熟技术而被汽车界接受。目前，国外在降低成本、提高性能和使用寿命方面进行了深入研究：通过纳米技术提高贵金属附着载体的能力，从而减少贵金属含量(可降低15%～40%)；催化剂储氧材料CeO2的研究已进入第三代，这是高性能催化剂的基础；适应稀薄燃烧(空燃比达22)富氧条件下的NO x还原催化剂的研究十分活跃，日本东京大学和美国密执安大学分别研制了双功能催化剂，降低了二氧化硫和水蒸气对催化剂的影响，也提高了催化剂的热稳定性；净化稀燃汽车尾气中NO x的另一种途径———“吸附-还原法”的研究，即在富氧条件下，先将NO x用吸附剂储存起来(形成硝酸盐)，然后在贫氧或受热加温条件下由硝酸盐释放出NO x,NO x与HC或CO反应，被还原为N2。为了使这类催化剂能在富氧-贫氧交替的气氛中工作，借助电控手段对催化剂再生，即每隔50～60s由发动机
管理系统自动控制节气门减小开度，使空燃比由22～23变到10左右，同时点火提前角也由上止点前350CA推迟到50CA，这一期间持续5～10s(催化剂再生)，其NO x净化效率可达70%～90%，通过合理调节，燃油经济性的恶化可控制在1%以内。
2.5 均质混合气压燃(HCCI)
HCCI燃烧方式被人们称为内燃机的第三种燃烧方式，是当前内燃机燃烧的一个研究热点，它最有希望在近期以两种燃烧方式[在起动和高负荷时以火花点火(SI)方式或柴油机燃烧(DI)运转，在中、低负荷和怠速时以HCCI方式工作]的组合在轿车发动机上得到应用，从而获得和汽油机一样的高功率输出和低PM排放，以及在部分负荷(可达75%负荷)和怠速时获得和柴油机一样或更高的经济性，但NO x排放很低。
采用HCCI可以使排气中氮氧化物的含量急剧下降至百万分之几。这是由于HCCI可以使用非常稀的混合气，使燃气的最高温度不超过1600℃。在此温度以下，空气中的氮气和氧气不进行化合反应或化合反应速度非常低。排气中超低的氮氧化物含量减轻了稀薄燃烧排气后处理的难度。在较高负荷工况，供油量增加，空燃比下降。当燃气温度升高到1600℃以上时，氮氧化物的排放开始急剧升高。为了抑制氮氧化物的生成，可采用进气增压来提高混合气的空燃比。
由于HCCI需采用稀混合气，在一般情况下，一氧化碳排放很低，远低于常规电喷汽油机的水平。但当
负荷下降、空燃比增加到70或80时，燃气最高温度将开始低于1200℃，使一氧化碳进一步氧化的过程不能完成，一氧化碳排放急剧增加，严重影响燃烧效率和热效率。因此，要扩大HCCI工作区域至低负荷区，必须采取措施控制一氧化碳的排放。
HCCI汽油机的碳氢排放介于电喷汽油机和分层燃烧直喷汽油机之间。由于混合气在压缩行程开始之前就已形成，燃烧室壁上的罅隙成为碳氢排放的重要原因。如果采用较高的压缩比，更多的混合气将被压入燃烧室壁的罅隙中，使碳氢排放增加。如果负荷进一步下降，混合气变得更稀，不完全燃烧增加，碳氢排放持续上升，对燃烧效率和热效率产生显著影响。
3 结 论
1)目前，电子控制汽油喷射加三效催化转化器已成为国际上汽油车排放控制技术的主流。
2)采用电控喷射的分层稀燃发动机已成为汽车工业发展的一个重要方向。
3)均质混合气压燃(HCCI)可望使内燃机的排放性能获得新的突破———无烟排放,NO x排放几乎为零，是进一步提高汽油机排放性能的研究方向，是近几年汽油机研究的重点。
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解析混合动力汽车
王志新，韩秀芹
(甘肃交通职业技术学院，甘肃兰州 730070)
摘 要：详细介绍了混合动力汽车(H EV)的定义、工作原理、特点、类型，并结合国内外研究、开发现状对其发展趋势进行了预测。
关键词：汽车；混合动力汽车；工作原理；燃油经济性；排放特性
中图分类号:U469.7 文献标识码:B 文章编号:1671-2668(2007)01-0008-04
当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病，统计表明，在80%以上的道路条件下，一辆普通轿车仅利用了其动力潜能的40%，在市区只有25%，更为严重的是排放大量废气污染环境。20世纪90年代以来，节能和环保成为汽车研究的主题，各种电动汽车脱颖而出。虽然人们普遍认为未来是电动汽车的天下，但电池技术问题阻碍了电动汽车的应用。由于电池的能量密度与汽油相比差上百倍，远未达到人们的要求，专家估计在10年以内电动汽车还无法取代燃油发动机汽车(除非燃料电池技术有重大突破)。现实迫使汽车设计者们寻求两全其美的办法，研究、开发混合动力汽车(Hybrid-Elect ric Vehicle,H EV)。
国际电工委员会(IEC)电动汽车技术委员会将混合动力汽车定义为有一种以上能量转换器提供驱动动力
的混合型电动汽车。也可简单定义为将电力驱动和辅助动力单元(Auxiliary Power Unit,A PU)合用到一辆车上。本文从原理、性能等方面对混合动力汽车进行概述。1 基本工作原理
混合动力汽车采用适当的燃料转换装置(如内燃机)、储能装置和电动机作为混合动力源，在严密的控制策略控制下，使燃料转换装置、储能装置和电机在驱动工况下尽可能工作在高效率、低排放区域，在汽车制动工况下，通过发电机或电机工作象限的调整回收部分制动能量，从而大大改善汽车变工况行驶时的燃油经济性能、尾气排放性能及其他使用性能。
混合动力汽车在起动和低速行驶时，可由电池提供动力；超过一定速度后，转由内燃机驱动；加速和高速行驶时，可由内燃机和电动机联合驱动；正常行驶或减速刹车时，可对电池充电，故在正常情况下，混合动力汽车不需要通过外部电源充电或只需较短的外部充电时间。混合动力汽车的内燃机还可采用压缩天然气、甲醇、液化石油气等代用燃料，不仅能降低车辆对石油的依赖，而且能有效减少尾气中的有害物质。
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收稿日期:2006-11-20
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