自二十世纪70年代以来，随着世界各国对汽车排放污染的日益重视，在汽车排放控制方面逐渐形成了两条发展路线：一是政府不断严格汽车排放法规，促使汽车企业生产的汽车满足低污染排放的要求；二是汽车企业通过优化发动机的工作过程，提高燃料的燃烧效率，改进燃油品质，降低发动机的排放，或者采用尾气净化技术，或者采用清洁燃料动力系统，来满足不断严格的排放法规。

　　我国从上世纪90年代开始，随着汽车保有量的增加，也开始逐步严格汽车排放法规，分别于2001年4月16日和2004年7月1日起实施了相当于欧Ⅰ和欧Ⅱ排放标准的《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（I）（II）》（GB18352.1-2001、GB18352.2-2001）；并将于2008年开始实施相当于欧Ⅲ的汽车排放标准。在欧Ⅲ排放标准中，将取消欧Ⅰ、欧Ⅱ测量中前40 s的发动机热机时间，直接从常温下开始收集测量汽车的排放物；并增加-7 ℃的低温冷启动检测项目。这些测量方法的改变，使得以前采用无铅汽油加闭环电喷配合三效催化转化器的污染控制技术难以满足低排放标准（LEV）和超低排放标准（ULEV）的要求。

　　因此，研究采用一些新的、先进的污染控制技术成为汽车行业在今后一段时间内的重要课题之一。?

　　1、发动机排放污染物的主要形成机理

　　发动机的排放污染物主要有CO、HC、NOX三种物质(柴油发动机还有微粒(PM)排放)。在发动机低温起动时，由于发动机的各个部件(特别是发动机气缸)温度较低，燃油雾化不好，燃烧不充分；同时气缸壁的温度较低，燃烧火焰在到达气缸壁时不久就熄灭，从而造成气缸壁及其缝隙中残留有大量的未燃HC；此外，为稳定燃烧常向气缸中喷入较浓的混合气，这些过浓的混合气在含氧量较少的条件下会产生大量的CO和HC。

　　1.1　NOX的生成机理及影响因素?

　　氮氧化合物NOX包含NO和NO2，但主要是NO、NO2所占质量分数不高，它们是空气中的N2在燃烧高温下的产物，与燃料的组成无关。NO是在燃烧火焰前锋和火焰后的已燃区域中产生的。汽油机燃烧过程进行得很快，在火焰区域内停留的时间很短；而早期的燃烧产物受到压缩而温度上升，因此在已燃区域内会产生大量的NO，而在火焰前锋内则生成量不大。?

　　根据NO的生成机理可知，发动机气缸在燃烧过程和膨胀过程中，其早期气缸内的温度和O2浓度的变化是影响NOX生成率的主要因素。发动机运转参数对NO生成率影响最大的有：燃空当量比、气缸内未燃混合气中已燃气体质量分数、主要用于控制NOX生成率的排气再循环（EGR）量和点火正时等。?

　　1.2　CO的生成机理及影响因素

　　CO的生成机理十分复杂，从实验中可以发现，CO的生成率主要受燃空当量比的影响，与空气系数λ值有关，与燃料成分的关系较小。由于常规汽油机在部分负荷时λ略大于1、全负荷时λ略小于1的混合气中运转，因此会产生大量的CO排放。CO生成的主要机理如下：?RH→R→RO2→RCHO→RCO→CO?

　　式中的R代表碳氢根，CO在燃烧过程中生成以后，以较慢的速率氧化成CO2；由于CO的生成是受化学反应动力学的影响，因此火花点火发动机在启动加热和急加速、急减速时CO的排放比较严重，这就需要精确控制油量来进行抑制。?

　　1.3　未燃HC的生成机理及影响因素

　　HC的生成比较复杂，总的来说主要有以下几种途径：

　　（１） 在发动机气缸的压缩和燃烧过程中，由于气缸内压力升高，把部分未燃混合气压入与燃烧室相通的狭缝中，由于燃烧时火焰不能进入狭缝，因此不能完全燃烧，在膨胀和排气行程中，在气缸压力降低后，以未燃HC的形式进入排气管，这是HC的主要来源。

　　（２） 气缸壁的激冷效应，在混合气燃烧过程中，当火焰逼近较冷的气缸壁时，离气缸壁＜0.1 mm薄层内的可燃混合气由于火焰的淬灭而并未燃烧，从而进入排气管。

　　（３）存在于气缸壁、活塞顶以及气缸盖底面上的一层润滑油膜中，有可能在燃烧前后吸收或放出燃料中的HC成分。?

　　（４） 在发动机做加速、减速等瞬态工况运行时，点火正时、空燃比以及排气再循环值都没有处于最佳状态，有可能引起燃烧过程的不完善，如燃烧特别缓慢、火焰大面积淬灭等，从而使HC排放增加。?

　　2、低污染排放控制技术的研究?

　　人们为降低汽车排放，满足日益严格的汽车排放法规，从两个方面进行了研究：一是改进发动机的燃烧技术，使混合气进行充分的燃烧，降低发动机CO、HC和NOX的排放；二是采用高效净化技术，对发动机排出的有害气体进行氧化、还原，从而达到降低有害气体排放的目的。?

　　2.1　采用降低发动机排放的燃烧技术

?　为提高发动机的热效率和降低废气排放，人们采用了各种方法来研究发动机的燃烧技术，如增强缸内的涡流强度，通过在缸内形成大涡流强度和小尺度涡流来改善SI发动机的燃烧过程；采用EGR技术，通过降低峰值燃烧压力来降低排放等。随着电子技术和发动机控制技术的快速发展，发动机的燃烧技术也得到了新的发展，如分层充气预混合稀薄燃烧技术（MPFI）和匀质混合压缩点火式燃烧技术（HCCI）等。

　　2.1.1　分层充气预混稀薄燃烧（MPFI）

　　普通汽油机的空燃比为10～20，理论空燃比为14.6，高压缩比的发动机可以将空燃比提高到25，分层充气预混稀薄燃烧发动机能够将压缩比提高至50。分层充气预混稀薄燃烧的原理是使在火花塞附近的混合气接近理论空燃比，使在燃烧室的其它部分气体为稀混合气，燃烧在易燃的混合气部分开始，然后火焰再传至稀混合气部分。由于有较高的燃油经济性和较低的排放，各种分层充气预混稀薄燃烧发动机得到了较大的发展。喷油器和火花塞间距较大，这样在燃烧室能够产生最佳的混合气。在压缩行程后期燃油喷向活塞顶部的球形腔，而不是直接喷向火花塞。喷油通过垂直进气道、活塞头的球形腔和电磁高压旋涡喷油器形成绕垂直于气缸轴线的旋转滚流，滚流将燃油带到火花塞，并且使混合气很好地雾化，这样可以获得最佳的混合气，这种燃烧技术的空燃比可以超过40，燃油经济性可以提高30%。

　　GDI发动机采用分层稀薄燃烧技术虽然可以较大幅度地提高部分负荷下发动机的燃油经济性，但也还存在着一些不足，主要为：

　　（１） 理想的分层在实际发动机上难以实现，分层燃烧火焰从浓混合区传播到稀混合区时往往容易熄火，从而形成大量的未燃HC（高于常规汽油机数倍）。?

　　（２） GDI发动机的燃烧系统主要采用壁面引导组织混合气的形式，容易造成燃油喷到活塞顶和气缸壁上。由于活塞顶和气缸壁的温度较低，容易造成汽油在着火前来不及完全蒸发，从而形成较多的未燃HC排放。

　　（３） 大空燃比工作条件下使得气缸内温度偏低，不利于未燃HC在燃烧后期的继续氧化；同时较高的压缩比和较快的反应放热率会使NOX的生成量比常规汽油机高。

　　（４） 稀薄燃烧造成排气中的含氧量较多，排气温度偏低，使得催化器难以对NOX进行还原反应，影响了催化器的转换效率。

　　2.1.2　匀质混合压缩点火式燃烧技术（HCCI）?

　　传统的火花点火发动机的燃烧过程在火焰传播中，火焰前沿和后面的混合气温度比未燃混合气高很多，所以这种燃烧过程虽然混合气是均匀的，但是温度分布仍不均匀，局部的高温会导致在火焰经过的区域形成NOX。HCCI燃烧方式的出现，有效地解决了传统匀质稀薄点燃烧速度慢的缺点，有别于传统汽油机均质点燃预混燃烧、柴油机非均匀压燃扩散燃烧和GDI发动机分层燃烧。

　　HCCI发动机不同于常规汽油机的单点点火方式，它是利用均质混合气，通过提高压缩比、采用废气再循环，进气加温和增压等手段提高缸内混合气的温度和压力，促使混合气进行压缩自燃，在缸内形成多点火核，有效地维持燃烧的稳定性，并减少了火焰传播距离和燃烧持续期。柴油机的燃烧过程是分散型的；燃油在着火时刻还没有完全蒸发混合，燃烧速率主要受燃油蒸发及与空气混合速率的影响；点火在许多点发生，这种燃烧类型的混合和燃烧都是不均匀的；NOX在燃料较稀的高温区产生；固体微粒在燃料较浓的高温区产生，这样一来就很难控制有害排放物的产生。而在HCCI过程中，理论上是均匀的混合气和残余气体，在整个混合气体中由压缩点燃，燃烧是自发的、均匀的，并且没有火焰传播，它的燃烧只与本身的化学反应动力学有关，因此可以有效阻止NOX和微粒的形成。

　　然而，由于车用发动机的工况多变，要想在各个工况下获得较好的燃烧和排放特性，则必须对HCCI燃烧进行控制；此外，HCCI燃烧的着火时刻主要受混合气体本身化学反应动力学的影响，受负荷、转速的影响较小，因此，不能通过常规的负荷、转速等反馈信号来加以控制，只能通过试验手段来获取经验。

　　2.2　后处理技术

　　二十世纪70年代，在汽油机车辆上首次安装了催化转化装置，车辆的后处理技术得到了迅速发展。由于在理论空燃比时，三效催化剂对HC、CO和NOX的转化效率都很高，因此，目前车辆上普遍使用的都是这类三效催化剂。然而随着发动机燃烧技术的发展，在稀燃条件下的三效催化剂对NOX的转化效率却非常低。为了提高发动机的燃油经济性，降低NOX等有害气体的排放以达到未来排放法规的要求，则需要开发新的、高效的催化还原系统。
　
　　2.2.1　催化还原技术

　　催化还原包括选择性催化还原和吸附性催化还原两种。选择性催化还原是在常规的三效催化转化器中有选择地使用两种催化剂：一种为非贵重金属催化剂（如Cu），涂覆在酸性载体（铝或沸石）上，在高温下起催化作用；另一种催化剂一般为贵重金属（如Pt），它在低温下起作用。采用这种方法，发动机可以始终在稀混合气运转，利用发动机排出的HC还原NOX，但转换效率比较低，一般在15%左右。另外，还可以通过附属装置将其它还原剂（如氨、尿素等）喷射到排气管中，采用氨、尿素等做还原剂时其转换效率可达到70%以上，但目前在点燃式发动机上应用还存在很多困难。

　　吸附性催化还原是将对NOX具有吸附作用的材料（碱土金属）和常规三效催化转化器相结合的一种后处理技术。在转化器载体上涂覆一层由贵重金属和碱土金属所组成的活性成分，在排气富氧气体中的NO被贵重金属氧化成NO2，而NO2被碱土金属吸收，同时排气中的HC和CO直接被氧化成CO2和H2O排出发动机；然后将发动机转入浓混合气下运转，使排气中有足够多的还原剂（CO、HC、H2等），从而把原来存储在碱土金属中的NO2还原生成N2、CO2和H2O排出发动机。这种方法采用加浓混合气作为还原剂，因而发动机的油耗相对较高。

　　2.2.2　选择性NOX再循环（SNR）技术?

　　选择性NOX再循环（Selective NOX Recirculation）技术与废气再循环原理极为相似，是将NOX吸收器吸收的NOX引到进气歧管，再次进入发动机气缸参与反应。两个吸收器并列安装在发动机的排气管上，系统工作时两个吸收器交替在吸收或释放的工作状态，在吸收器的前端设有控制阀，可将发动机的排气有选择地导入其中一个吸收器。吸收器后端设有回流阀，用来控制吸收器释放NOX的再循环。发动机工作过程中，吸收器前后阀门协调工作，使NOX的吸收和释放同时进行。发动机的排气在前端阀门的导向作用下，进入处于吸收状态的吸收器中，排气中的NOX被吸收；当该吸收器达到饱和时，前端的控制阀就将排气导入另一吸收器吸收NOX。与此同时，第一个吸收器开始释放已经吸收的NOX，其释放的速度取决于吸收器的材料。被吸收的NOX通过回流阀释放回到发动机进气歧管，与空气混合后进入发动机的燃烧室，在燃烧中经过各种反应后，NOX的排放大幅度降低。

　　这种后处理技术与常规的后处理技术不同，NOX的降低不是依赖催化还原，而是在燃烧过程中经过各种反应来降低的，因此不会产生其它有害气体排放，关键在于需要开发出对NOX具有较大吸收作用的吸收器材料。

　　3、结束语

　　随着人们对全球气候变暖和空气污染的重视程度的提高，以及对全球石油资源的忧虑，世界各大汽车企业和研究机构都投入了大量的经费来研究汽车发动机的燃烧及后处理技术，提出了许多新的思路和方法，如清洁燃料车、混合动力车等，从不同的角度来解决汽车的燃料经济性和有害气体排放的问题，并且都取得了一定的成效，但同时也还存在着许多问题。对我国汽车制造企业来说，了解并掌握汽车发动机污染控制的最新技术并加以应用，不但可以增强其产品的技术含量，满足越来越严格的排放法规的要求，而且可以提高其产品的市场竞争力和企业的生命力。