一、汽車尾氣污染物分析
交通運輸排氣污染來源于交通運輸行業(yè)載運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源于汽車發(fā)動機的尾氣排放。汽車發(fā)動機實際循環(huán)工作過程中,因為行人、車、路與環(huán)境不斷發(fā)生變化,發(fā)動機不可能一直處于穩(wěn)定工況運轉,其中瞬態(tài)工況占了很大比例。世界各地的發(fā)動機工況法定循環(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,特別是當汽車行駛在市區(qū)時因車流量、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%。從評價汽車尾氣排放或燃油經(jīng)濟性的法定行駛循環(huán)中也可以得到同樣的結論:汽車大部分有害物的排放和燃油消耗的40%~80%來自發(fā)動機瞬態(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,每輛交通運輸車輛每天的排放中,CO約3kg,HC為0.2~0.4kg,NOx為0.05~0.15kg。在美國洛杉磯,汽車等流動載運工具污染源排放的污染物已占其大氣污染物總量的90%。細顆粒物,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)污染物通過化學轉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,北京及全國多座城市出現(xiàn)強霧霾天氣,研究認為,霧霾事件是因為異常天氣造成中東部大氣穩(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。這次強霧霾污染物是英國倫敦1952年煙霧事件和20世紀四五十年代美國洛杉磯光化學煙霧事件污染物的混合體疊加的具有中國特色的沙塵氣溶膠,在京、津、冀霧霾天氣的專項研究中,專項組檢出了大量含氮有機顆粒物,這看來是“最危險的信號”,因為這就是“洛杉磯上世紀光化學煙霧的主要成分之一”。這些有機物的識別組分與比例見圖3。控制灰霾需要從控制污染物排放著手,占18%的烴類有機顆粒物主要來源于汽車排放的尾氣和燃煤,加強對汽車發(fā)動機的研究有利于抑制灰霾的形成。
二、汽車尾氣污染物應對措施
目前,為滿足日益嚴格的汽油機排放法規(guī)要求,各國在汽車排放控制方面采取的主要措施可歸納為優(yōu)化汽車設計、提高排放與檢測標準、提高燃油品質(zhì)和開發(fā)新能源汽車。
1、優(yōu)化汽車設計汽車優(yōu)化設計除了外型與產(chǎn)品質(zhì)量尤其是發(fā)動機運行元件可靠性與耐久性設計外,重點是提高汽車發(fā)動機運行與排放控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計。
（1）加強傳統(tǒng)汽油發(fā)動機技術革新與研究在目前純電動汽車、插電式混合動力汽車尚處于技術研究與起步推廣階段的情況下,廣大汽車發(fā)動機研究人員與學者在響應國家號召大力發(fā)展節(jié)能汽車的同時亦在繼續(xù)關注傳統(tǒng)汽油發(fā)動機的技術革新與進步,繼續(xù)注重傳統(tǒng)汽車技術水平的進步與提高,以滿足對排放標準與環(huán)境保護的要求。歐盟對碳排放的要求非常嚴格,在2012年日內(nèi)瓦車展上,各大汽車廠商也花費越來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)和中國的汽車廠商也將發(fā)動機節(jié)能技術重心轉向小型汽油車進行傳統(tǒng)技術的創(chuàng)新與技術挖掘,在傳統(tǒng)動力研究的基礎上,推出了更出色的動力總成,從而有效減少有害氣體排放,提高燃油經(jīng)濟性。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)動機面臨許多新能源汽車帶來的技術與經(jīng)濟挑戰(zhàn),但由于當前汽油機仍是中國市場上轎車用發(fā)動機的主要選擇,依舊需要加強對汽油機的進一步研究與開發(fā),也就是說目前傳統(tǒng)內(nèi)燃機技術面臨需要進步與開發(fā)的關鍵時刻。在這個階段,傳統(tǒng)內(nèi)燃機的技術革新與進步將在目前中國節(jié)能與環(huán)境保護方面起到至關重要的作用。
（2）加強汽車發(fā)動機瞬態(tài)工況空燃比控制研究穩(wěn)態(tài)工況測得的各項指標并不能真正代表汽油機的實際水平,而多年來國內(nèi)外內(nèi)燃機工作者對瞬態(tài)工況(變工況)的各項研究起步相對較晚,日益嚴峻的大氣污染問題迫使世界各國不再只單純停留在汽油發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工況的燃燒研究上。為滿足日益嚴格的汽車排放法規(guī),在電控汽油機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電控燃油噴射系統(tǒng),這就需要發(fā)動機在每個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,空燃比對催化器轉化效率的影響見圖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化器將廢氣中的NOx、CO和HC等有害物質(zhì)經(jīng)過氧化還原作用轉化為無毒的二氧化碳、水和氮氣排向大氣。根據(jù)汽油的燃燒化學式,可燃混合氣的空燃比值為理論值14.7時,混合氣燃燒充分,汽車尾氣中的有害氣體含量最少;當混合氣空燃比處于1.47×(1±0.01)的空燃比控制窗口范圍時,三元催化器對有害氣體的轉化率可以達到90%。所以,汽油機的空燃比控制是促進汽車節(jié)能、減排的關鍵。
（3）加強汽車發(fā)動機瞬態(tài)工況空燃比智能控制在空燃比控制中應用先進的控制策略和方法,能提高空燃比控制精度和準確性。利用神經(jīng)網(wǎng)絡可以對發(fā)動機中一些非線性參數(shù)進行學習、訓練和預測,達到高精度要求。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)絡控制和智能控制等優(yōu)化控制方式。在汽油機實際加速瞬態(tài)工況下,由于氧傳感器反饋信號存在一定的延時及油膜補償?shù)臅r間滯后性,往往存在轉速快而補償反應不及時,導致常規(guī)反饋空燃比控制存在時滯現(xiàn)象,使得加速瞬態(tài)工況下發(fā)動機的空燃比明顯高于理論值(14.7),導致燃燒效率降低,發(fā)動機燃燒性能、動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,采取基于混沌優(yōu)化的復合神經(jīng)網(wǎng)絡自適應空燃比控制系統(tǒng),在傳統(tǒng)控制的基礎上有效消除或降低氧傳感器的反饋信號與油門控制信號的遲滯效應,減少加速瞬態(tài)工況下空燃比的波動幅度,提高發(fā)動機空燃比控制的時效性與有效性。
2、提高排放與檢測標準隨著全球?qū)Νh(huán)境問題的重視及能源危機的日益嚴重,汽車節(jié)能及排放控制問題成為社會關注的重點。中國已確定將在2020年達到單位國內(nèi)生產(chǎn)總值碳排放比2005年降低40%~50%的目標,并著手提高機動車尾氣排放標準,加強技術革新。在百萬大城市中,很多城市開始實行機動車國五排放標準來加大汽車的排放控制,北京已經(jīng)發(fā)布將推行機動車排放國五標準。
3、提高燃油品質(zhì)中國輕型汽油車排放國四標準已于2012年7月1日開始實施,但大部分城市相應的汽油標準實施時間要到2014年。目前,國內(nèi)僅有廣州、上海和北京等城市如期實施國四汽油,很多城市汽油使用現(xiàn)狀是國四的車卻不加國四的汽油,這在加大汽車磨損的同時也加大了污染物的排放。國內(nèi)油品質(zhì)量的不均衡與油品升級進程大幅落后于汽車新技術與嚴排放標準實施進程,過去10年中,在實施國一、國二、國三標準時,汽油標準分別比汽車標準滯后了2年、1年半和1年零8個月。而歐美及世界大部分地區(qū)制定和實施汽車排放標準時,一直將車和油當成一個系統(tǒng),同步實施油品和汽車排放標準,確保汽車排放的升級。中國應堅持油品與汽車排放標準同步提高,確保通過技術革新來有效降低汽車排放污染物水平。
4、發(fā)展新能源汽車,逐步淘汰黃標車中國《節(jié)能與新能源汽車發(fā)展規(guī)劃》中明確提出以純電動作為汽車工業(yè)轉型的主要戰(zhàn)略取向,重點發(fā)展純電動汽車、插電式混合動力汽車。但目前來看,國內(nèi)對純電動汽車、插電式混合動力汽車的實際應用還存在不少瓶頸,科學研究與實際應用不同步,存在充電基礎設施支持不足、價格高昂、安全性能保障、高速性能與長途運行不足等缺陷,加上駕駛人員意識的轉變需要一個過渡過程。這都需要加大科研、實踐力度,大力提高新能源汽車的推廣進程,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應加強對傳統(tǒng)黃標車尤其是營運黃標車的淘汰力度,各級政府與環(huán)保部門應加大政策的制定與推行力度,提高補貼標準來調(diào)動車主更新、淘汰黃標車的積極性,加快黃標車的淘汰、更新。
三、結語
整治交通運輸排氣污染刻不容緩,政府、企業(yè)與廣大科研工作者應切實加強對汽車尾氣排放污染物控制的重視,采取措施積極行動,在加強對傳統(tǒng)汽車發(fā)動機技術革新研究與推廣力度的同時,加強新能源汽車的研發(fā),通過技術創(chuàng)新、政策落實與責任意識建設來有效控制汽車廢氣排放污染。發(fā)動機技術革新研究與推廣力度的同時,加強新能源汽車的研發(fā),通過技術創(chuàng)新、政策落實與責任意識建設來有效控制汽車廢氣排放污染。
作者：胡忠錄 單位：長沙理工大學汽車與機械工程學院