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发动机尾气排放应对策略

2013-12-25 17:00 来源:汽车设计论文 人参与在线咨询

一、汽车尾气污染物分析

交通运输排气污染来源于交通运输行业载运工具与车辆的废气排放污染,其主要排放方式有油箱泄露、燃料蒸发和排气管排放3种方式,排放的污染物主要来源于汽车发动机的尾气排放。汽车发动机实际循环工作过程中,因为行人、车、路与环境不断发生变化,发动机不可能一直处于稳定工况运转,其中瞬态工况占了很大比例。世界各地的发动机工况法定循环中有40%~75%为非稳态工况(或瞬态工况),其中25%~40%是加速工况,特别是当汽车行驶在市区时因车流量、红绿灯及行人的不断影响,其瞬态工况所占的比例更大,为50%~80%,其中加速工况所占比例为30%~50%。从评价汽车尾气排放或燃油经济性的法定行驶循环中也可以得到同样的结论:汽车大部分有害物的排放和燃油消耗的40%~80%来自发动机瞬态工况,其中加速工况占30%~70%。汽车尾气排放主要污染物包括CO、HC、NOx、SO2、烟尘微粒和臭气(甲醛)。汽车尾气排放污染是形成大气环境污染的真正“元凶”。据不完全统计,每辆交通运输车辆每天的排放中,CO约3kg,HC为0.2~0.4kg,NOx为0.05~0.15kg。在美国洛杉矶,汽车等流动载运工具污染源排放的污染物已占其大气污染物总量的90%。细颗粒物,即俗称的PM2.5,是指大气中直径小于等于2.5μm的颗粒物,由直接排入空气中的一次微粒和空气中的气态污染物通过化学转化生成的二次微粒组成,,其二次微粒中的二次微粒组成。其二次微粒中硫酸铵、硝酸铵形成。2013年初,北京及全国多座城市出现强雾霾天气,研究认为,雾霾事件是因为异常天气造成中东部大气稳定、污染排放、浮尘和丰富水汽等自然因素与人为因素联合作用的结果,其中人类污染物的加剧排放是造成雾霾天气的内在原因。这次强雾霾污染物是英国伦敦1952年烟雾事件和20世纪四五十年代美国洛杉矶光化学烟雾事件污染物的混合体叠加的具有中国特色的沙尘气溶胶,在京、津、冀雾霾天气的专项研究中,专项组检出了大量含氮有机颗粒物,这看来是“最危险的信号”,因为这就是“洛杉矶上世纪光化学烟雾的主要成分之一”。这些有机物的识别组分与比例见图3。控制灰霾需要从控制污染物排放着手,占18%的烃类有机颗粒物主要来源于汽车排放的尾气和燃煤,加强对汽车发动机的研究有利于抑制灰霾的形成。

二、汽车尾气污染物应对措施

目前,为满足日益严格的汽油机排放法规要求,各国在汽车排放控制方面采取的主要措施可归纳为优化汽车设计、提高排放与检测标准、提高燃油品质和开发新能源汽车。

1、优化汽车设计汽车优化设计除了外型与产品质量尤其是发动机运行元件可靠性与耐久性设计外,重点是提高汽车发动机运行与排放控制系统的优化设计。

(1)加强传统汽油发动机技术革新与研究在目前纯电动汽车、插电式混合动力汽车尚处于技术研究与起步推广阶段的情况下,广大汽车发动机研究人员与学者在响应国家号召大力发展节能汽车的同时亦在继续关注传统汽油发动机的技术革新与进步,继续注重传统汽车技术水平的进步与提高,以满足对排放标准与环境保护的要求。欧盟对碳排放的要求非常严格,在2012年日内瓦车展上,各大汽车厂商也花费越来越多的精力在如何提升传统燃油汽车的节油、减排与控制研究方面,欧洲汽车企业、日系车企业和中国的汽车厂商也将发动机节能技术重心转向小型汽油车进行传统技术的创新与技术挖掘,在传统动力研究的基础上,推出了更出色的动力总成,从而有效减少有害气体排放,提高燃油经济性。随着新能源汽车的持续研究、开发与逐步拓展,目前传统发动机面临许多新能源汽车带来的技术与经济挑战,但由于当前汽油机仍是中国市场上轿车用发动机的主要选择,依旧需要加强对汽油机的进一步研究与开发,也就是说目前传统内燃机技术面临需要进步与开发的关键时刻。在这个阶段,传统内燃机的技术革新与进步将在目前中国节能与环境保护方面起到至关重要的作用。

(2)加强汽车发动机瞬态工况空燃比控制研究稳态工况测得的各项指标并不能真正代表汽油机的实际水平,而多年来国内外内燃机工作者对瞬态工况(变工况)的各项研究起步相对较晚,日益严峻的大气污染问题迫使世界各国不再只单纯停留在汽油发动机稳态工况的燃烧研究上。为满足日益严格的汽车排放法规,在电控汽油机上目前最有效的方法是使用三效催化器和与之相匹配的多点电控燃油喷射系统,这就需要发动机在每个工况下都能工作在催化器最有效的区域,而三效催化器的性能直接约束于空燃比的值,空燃比对催化器转化效率的影响见图4。三元催化器的最佳工作条件要求空燃比稳定在理论空燃比附近。汽车排放控制的主要手段是利用三元催化转化器将废气中的NOx、CO和HC等有害物质经过氧化还原作用转化为无毒的二氧化碳、水和氮气排向大气。根据汽油的燃烧化学式,可燃混合气的空燃比值为理论值14.7时,混合气燃烧充分,汽车尾气中的有害气体含量最少;当混合气空燃比处于1.47×(1±0.01)的空燃比控制窗口范围时,三元催化器对有害气体的转化率可以达到90%。所以,汽油机的空燃比控制是促进汽车节能、减排的关键。

(3)加强汽车发动机瞬态工况空燃比智能控制在空燃比控制中应用先进的控制策略和方法,能提高空燃比控制精度和准确性。利用神经网络可以对发动机中一些非线性参数进行学习、训练和预测,达到高精度要求。各种控制方法的相互融合也成为研究加速等瞬态空燃比控制的有效手段。汽油机瞬态工况下空燃比控制策略都是围绕基本控制策略的空燃比参数的有效控制,目前主要有模糊控制、神经网络控制和智能控制等优化控制方式。在汽油机实际加速瞬态工况下,由于氧传感器反馈信号存在一定的延时及油膜补偿的时间滞后性,往往存在转速快而补偿反应不及时,导致常规反馈空燃比控制存在时滞现象,使得加速瞬态工况下发动机的空燃比明显高于理论值(14.7),导致燃烧效率降低,发动机燃烧性能、动力性能与排放性能恶化。为了在加速瞬态工况下使空燃比能快速稳定在理论空燃比,基于汽油机加速瞬态工况空燃比控制基本策略,依据空燃比控制目标,采取基于混沌优化的复合神经网络自适应空燃比控制系统,在传统控制的基础上有效消除或降低氧传感器的反馈信号与油门控制信号的迟滞效应,减少加速瞬态工况下空燃比的波动幅度,提高发动机空燃比控制的时效性与有效性。

2、提高排放与检测标准随着全球对环境问题的重视及能源危机的日益严重,汽车节能及排放控制问题成为社会关注的重点。中国已确定将在2020年达到单位国内生产总值碳排放比2005年降低40%~50%的目标,并着手提高机动车尾气排放标准,加强技术革新。在百万大城市中,很多城市开始实行机动车国五排放标准来加大汽车的排放控制,北京已经发布将推行机动车排放国五标准。

3、提高燃油品质中国轻型汽油车排放国四标准已于2012年7月1日开始实施,但大部分城市相应的汽油标准实施时间要到2014年。目前,国内仅有广州、上海和北京等城市如期实施国四汽油,很多城市汽油使用现状是国四的车却不加国四的汽油,这在加大汽车磨损的同时也加大了污染物的排放。国内油品质量的不均衡与油品升级进程大幅落后于汽车新技术与严排放标准实施进程,过去10年中,在实施国一、国二、国三标准时,汽油标准分别比汽车标准滞后了2年、1年半和1年零8个月。而欧美及世界大部分地区制定和实施汽车排放标准时,一直将车和油当成一个系统,同步实施油品和汽车排放标准,确保汽车排放的升级。中国应坚持油品与汽车排放标准同步提高,确保通过技术革新来有效降低汽车排放污染物水平。

4、发展新能源汽车,逐步淘汰黄标车中国《节能与新能源汽车发展规划》中明确提出以纯电动作为汽车工业转型的主要战略取向,重点发展纯电动汽车、插电式混合动力汽车。但目前来看,国内对纯电动汽车、插电式混合动力汽车的实际应用还存在不少瓶颈,科学研究与实际应用不同步,存在充电基础设施支持不足、价格高昂、安全性能保障、高速性能与长途运行不足等缺陷,加上驾驶人员意识的转变需要一个过渡过程。这都需要加大科研、实践力度,大力提高新能源汽车的推广进程,逐步采用新能源汽车取代传统汽车。在发展新能源汽车的同时应加强对传统黄标车尤其是营运黄标车的淘汰力度,各级政府与环保部门应加大政策的制定与推行力度,提高补贴标准来调动车主更新、淘汰黄标车的积极性,加快黄标车的淘汰、更新。

三、结语

整治交通运输排气污染刻不容缓,政府、企业与广大科研工作者应切实加强对汽车尾气排放污染物控制的重视,采取措施积极行动,在加强对传统汽车发动机技术革新研究与推广力度的同时,加强新能源汽车的研发,通过技术创新、政策落实与责任意识建设来有效控制汽车废气排放污染。发动机技术革新研究与推广力度的同时,加强新能源汽车的研发,通过技术创新、政策落实与责任意识建设来有效控制汽车废气排放污染。  

作者:胡忠录 单位:长沙理工大学汽车与机械工程学院

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