摘要：隨著我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車尾氣排放對(duì)環(huán)境的影響日益嚴(yán)重。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣凈化裝置作為降低有害排放、保護(hù)環(huán)境的重要手段，其性能和效率的提升已成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。為了滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)要求，從多個(gè)角度出發(fā)，探討了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣凈化裝置的改進(jìn)策略，為實(shí)現(xiàn)綠色出行、促進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論支持和技術(shù)參考。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的深入分析，提出了切實(shí)可行的改進(jìn)措施，以期為汽車尾氣凈化領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供借鑒。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)；尾氣凈化裝置；改進(jìn)策略；技術(shù)支撐；實(shí)踐成果

中圖分類號(hào)：U467收稿日期：2024-08-21

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.01.008

1前言

隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)意識(shí)的日益增強(qiáng)，汽車尾氣排放控制已成為汽車行業(yè)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣凈化裝置作為減少有害排放物的關(guān)鍵技術(shù)，其性能直接影響到空氣質(zhì)量的改善和環(huán)保法規(guī)的達(dá)標(biāo)，然而，傳統(tǒng)凈化裝置在凈化效率、能耗和運(yùn)行成本等方面存在局限性，限制了其在更廣泛范圍內(nèi)的應(yīng)用。因此，本文旨在探討汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣凈化裝置的改進(jìn)策略，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和系統(tǒng)優(yōu)化，以期實(shí)現(xiàn)更高效的尾氣凈化效果，同時(shí)兼顧環(huán)保法規(guī)、經(jīng)濟(jì)性和用戶體驗(yàn)。

2汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣凈化裝置改進(jìn)的價(jià)值

2.1減少有害排放物的價(jià)值

在汽車工業(yè)持續(xù)發(fā)展的背景下，尾氣凈化裝置改進(jìn)對(duì)于減少有害排放物具有不可估量的價(jià)值，有害物質(zhì)如氮氧化物（NOx）、碳?xì)浠衔铮℉Cs）、一氧化碳（CO）及顆粒物（PM）不僅對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量構(gòu)成嚴(yán)重威脅，還直接關(guān)聯(lián)到公眾健康，如增加呼吸系統(tǒng)疾病、心血管疾病等風(fēng)險(xiǎn)。運(yùn)用技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)化尾氣凈化裝置，如采用更高效的催化劑配方、增強(qiáng)催化轉(zhuǎn)化效率及拓展工作溫度窗口，能顯著降低有害物質(zhì)排放量。此舉不僅有助于緩解城市空氣污染，提升居民生活質(zhì)量，還符合全球節(jié)能減排的大趨勢(shì)，對(duì)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)具有長(zhǎng)遠(yuǎn)貢獻(xiàn)[1]。

2.2提升凈化效率的價(jià)值

提升尾氣凈化裝置的凈化效率，是技術(shù)進(jìn)步的直接體現(xiàn)，其背后蘊(yùn)含著巨大的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境雙贏價(jià)值。高效凈化意味著在相同條件下，能更徹底轉(zhuǎn)化尾氣中的污染物，減少向大氣中的排放量，不僅減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)，還為車輛提供更清潔排放性能，有助于車輛通過(guò)日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。從技術(shù)層面看，提升凈化效率往往伴隨著催化劑活性的提升、反應(yīng)條件的優(yōu)化以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，改進(jìn)不僅增強(qiáng)凈化效果，還帶來(lái)裝置體積的減小、重量的降低，進(jìn)而提升車輛的整體性能和經(jīng)濟(jì)性[2]。

2.3降低能耗和運(yùn)行成本的價(jià)值

在能源日益緊張的今天，降低尾氣凈化裝置能耗和運(yùn)行成本，對(duì)于促進(jìn)汽車行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型、提升經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。優(yōu)化催化劑配方，減少貴金屬用量或采用更經(jīng)濟(jì)的替代品，可以降低生產(chǎn)成本；同時(shí)，提升裝置的熱效率，減少熱量損失，也能在車輛運(yùn)行過(guò)程中減少能耗。設(shè)計(jì)更加智能化的控制系統(tǒng)，根據(jù)車輛運(yùn)行工況實(shí)時(shí)調(diào)整凈化策略，避免不必要的能量消耗，進(jìn)而不斷提高車輛使用經(jīng)濟(jì)性，降低運(yùn)行成本。

3汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣凈化裝置改進(jìn)的技術(shù)支撐

3.1先進(jìn)材料科學(xué)的應(yīng)用

在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣凈化裝置的改進(jìn)中，先進(jìn)材料科學(xué)的應(yīng)用發(fā)揮著關(guān)鍵作用。以催化劑材料為例，貴金屬如鉑、鈀、銠等在尾氣凈化中表現(xiàn)出色，但高昂成本限制其廣泛應(yīng)用，近年來(lái)研究人員致力于開(kāi)發(fā)高性能的非貴金屬催化劑，如鈣鈦礦型氧化物和尖晶石型氧化物。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，某些新型非貴金屬催化劑在特定條件下對(duì)氮氧化物（NOx）的轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到85%以上，而對(duì)一氧化碳（CO）和碳?xì)浠衔铮℉C）的凈化效果也能超過(guò)90%[3]。

陶瓷材料在尾氣凈化裝置中的應(yīng)用也日益重要，蜂窩陶瓷載體具有高比表面積和良好的熱穩(wěn)定性，為催化劑提供充足的附著空間，相關(guān)研究數(shù)據(jù)顯示，采用優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)的蜂窩陶瓷載體，可使尾氣在凈化裝置中的停留時(shí)間延長(zhǎng)20%，從而顯著提高凈化效果。此外，金屬-有機(jī)框架（MOF）材料因其巨大的孔隙率和可調(diào)控的結(jié)構(gòu)，在尾氣吸附和分離方面展現(xiàn)出巨大潛力，實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，特定的MOF材料對(duì)尾氣中的有害物質(zhì)吸附容量可達(dá)傳統(tǒng)吸附材料的1.5倍。

3.2計(jì)算機(jī)模擬與仿真技術(shù)

計(jì)算機(jī)模擬與仿真技術(shù)為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣凈化裝置的改進(jìn)提供強(qiáng)大支持，借助建立精確數(shù)學(xué)模型，對(duì)尾氣凈化過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)、流體流動(dòng)和傳熱傳質(zhì)等現(xiàn)象進(jìn)行模擬分析，例如利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件，可以模擬尾氣在凈化裝置內(nèi)的流動(dòng)速度和壓力分布。研究結(jié)果表明，優(yōu)化凈化裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可使尾氣流動(dòng)更加均勻，減少局部渦流的產(chǎn)生，從而提高凈化效率10%左右。

采用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，能預(yù)測(cè)不同工況下尾氣中各種污染物的轉(zhuǎn)化過(guò)程。仿真結(jié)果顯示，在特定的溫度和空燃比條件下，氮氧化物的還原反應(yīng)速率可提高15%。此外，結(jié)合有限元分析方法，可以對(duì)凈化裝置的熱應(yīng)力和機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，為材料選擇和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)，模擬數(shù)據(jù)表明，合理的結(jié)構(gòu)改進(jìn)能夠有效降低熱應(yīng)力，延長(zhǎng)裝置的使用壽命30%以上。

3.3傳感器與檢測(cè)技術(shù)

傳感器與檢測(cè)技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣凈化裝置的改進(jìn)中扮演著不可或缺的角色。氧傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)尾氣中的氧含量，為發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比控制提供準(zhǔn)確反饋。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用高精度的寬域氧傳感器，空燃比的控制精度可達(dá)到±0.5%，從而顯著降低尾氣中有害物質(zhì)的排放，氮氧化物傳感器能夠直接檢測(cè)尾氣中氮氧化物的濃度，為凈化裝置的工作狀態(tài)評(píng)估提供關(guān)鍵信息（圖1）。

顆粒物傳感器可對(duì)尾氣中的顆粒物數(shù)量和質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。研究表明，新型的激光顆粒物傳感器能夠檢測(cè)到直徑小于10nm的顆粒物，檢測(cè)精度高達(dá)95%以上[4]。此外，尾氣成分分析技術(shù)，如傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和氣相色譜（GC），能準(zhǔn)確測(cè)定尾氣中各種污染物的種類和含量，利用這些檢測(cè)技術(shù)獲取的詳細(xì)數(shù)據(jù)，有助于優(yōu)化凈化裝置的控制策略，提高凈化效果。

3.4能源回收與再利用技術(shù)

能源回收與再利用技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣凈化領(lǐng)域具有重要意義，尾氣余熱回收技術(shù)是其中的一個(gè)重要方向，通過(guò)安裝熱交換器，可以將尾氣中的熱能轉(zhuǎn)化為有用的能量。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，采用高效的熱交換器，尾氣余熱回收效率可達(dá)15%以上，這部分回收的能量可用于車輛的輔助系統(tǒng)，如空調(diào)或電池充電。尾氣壓力能回收技術(shù)也逐漸受到關(guān)注，利用渦輪增壓器或膨脹機(jī)，將尾氣的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或電能，據(jù)研究數(shù)據(jù)，合理設(shè)計(jì)的尾氣壓力能回收系統(tǒng)，能夠?yàn)檐囕v提供額外的動(dòng)力輸出，提高燃油經(jīng)濟(jì)性5%左右。

4汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣凈化裝置改進(jìn)策略

4.1催化劑材料創(chuàng)新

在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣凈化領(lǐng)域，催化劑材料的創(chuàng)新是提升凈化效果和降低成本的關(guān)鍵。目前，對(duì)于貴金屬替代材料的研究正如火如荼地進(jìn)行，例如過(guò)渡金屬氧化物如錳氧化物、鐵氧化物等，在特定條件下展現(xiàn)出與貴金屬相當(dāng)?shù)拇呋阅?，?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，以錳氧化物為主要成分的催化劑，在溫度為350℃時(shí)，對(duì)氮氧化物的轉(zhuǎn)化效率可達(dá)75%以上。同時(shí)，納米催化劑也成為研究熱點(diǎn)，納米級(jí)的貴金屬顆粒具有更高的比表面積和活性位點(diǎn)，能顯著提高催化效率，以納米鉑為例，相較于傳統(tǒng)尺寸的鉑顆粒，其對(duì)一氧化碳的凈化效果提升20%左右。

針對(duì)不同發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)，如豐田的1ZR-FE發(fā)動(dòng)機(jī)，采用新型復(fù)合金屬氧化物催化劑，結(jié)合其獨(dú)特的燃燒特性和排氣成分，優(yōu)化催化劑的組成和結(jié)構(gòu)，使得尾氣中的氮氧化物排放量減少30%，碳?xì)浠衔锱欧沤档?5%。對(duì)于大眾的EA888發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)用特殊制備的納米級(jí)鈀催化劑，在保持較高凈化效率的同時(shí)，降低貴金屬的使用量，從而降低成本。此外，還在探索催化劑的載體材料創(chuàng)新，例如碳納米管作為載體，其優(yōu)異的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度有助于提高催化劑的穩(wěn)定性和活性，研究表明，使用碳納米管負(fù)載的催化劑，在連續(xù)運(yùn)行500h后，仍能保持90%以上的初始凈化效率。

4.2凈化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

尾氣凈化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局直接影響凈化效率和耐久性。在催化劑載體設(shè)計(jì)方面，采用三維立體結(jié)構(gòu)的載體，如泡沫金屬載體，其孔隙率高達(dá)90%以上，相比傳統(tǒng)的蜂窩陶瓷載體，能為催化劑提供更多的附著面積。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，使用泡沫金屬載體的凈化裝置，對(duì)尾氣中有害物質(zhì)的吸附容量提高30%[5]。在氣流分布優(yōu)化方面，通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬和實(shí)際測(cè)試，調(diào)整進(jìn)氣管和排氣管的形狀和位置。

以寶馬的N20發(fā)動(dòng)機(jī)（表1）為例，優(yōu)化后的氣流分布使得尾氣在凈化裝置內(nèi)的停留時(shí)間延長(zhǎng)15%，氮氧化物的轉(zhuǎn)化效率從70%提升至85%。針對(duì)不同發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣特性，如奔馳的M274發(fā)動(dòng)機(jī)（表1），采用分區(qū)式凈化結(jié)構(gòu)，將不同類型的催化劑布置在不同區(qū)域，以適應(yīng)不同溫度和成分的尾氣，這種設(shè)計(jì)使得尾氣凈化更加精準(zhǔn)高效，碳?xì)浠衔锏呐欧沤档?0%。

4.3智能控制策略

智能控制系統(tǒng)利于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣凈化效果的提升。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)工況和尾氣成分，利用先進(jìn)的算法調(diào)整凈化參數(shù)。例如，采用模糊邏輯控制算法，根據(jù)尾氣中氧含量、氮氧化物濃度等參數(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整空燃比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在復(fù)雜工況下，采用該智能控制策略，尾氣中氮氧化物的排放量降低25%。

對(duì)于福特的EcoBoost發(fā)動(dòng)機(jī)，結(jié)合其渦輪增壓和直噴技術(shù)的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)專屬的智能控制模塊，該模塊能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和進(jìn)氣溫度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，精確控制尾氣凈化裝置的溫度，使催化劑始終保持在最佳工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)表明，在城市道路行駛條件下，碳?xì)浠衔锖鸵谎趸嫉呐欧欧謩e減少了18%和15%[6]。

此外，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的控制策略也在不斷發(fā)展，通過(guò)對(duì)大量的尾氣排放數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，系統(tǒng)能夠預(yù)測(cè)尾氣成分的變化趨勢(shì)，提前調(diào)整凈化參數(shù)。

4.4集成化與模塊化設(shè)計(jì)

集成化與模塊化設(shè)計(jì)理念的推廣有助于提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣凈化裝置的整體性能和安裝維護(hù)效率，將多個(gè)凈化單元，如催化轉(zhuǎn)化器、顆粒捕集器和氮氧化物吸附器等，整合為一個(gè)緊湊的模塊，例如在奧迪的TFSI發(fā)動(dòng)機(jī)上，采用集成化設(shè)計(jì)，模塊體積減小20%，同時(shí)降低系統(tǒng)重量。

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的接口和連接方式，實(shí)現(xiàn)模塊的快速更換和升級(jí)，對(duì)于本田的地球夢(mèng)發(fā)動(dòng)機(jī)，模塊化設(shè)計(jì)使得更換凈化模塊的時(shí)間從原來(lái)的2h縮短至30min，大大提高維修效率。

此外，集成化設(shè)計(jì)還能夠優(yōu)化系統(tǒng)的流場(chǎng)分布，減少壓力損失，實(shí)驗(yàn)表明，在日產(chǎn)的VC-Turbo發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用集成化設(shè)計(jì)，尾氣在系統(tǒng)中的壓力損失降低15%，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性。

5結(jié)語(yǔ)

本文全面探討汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣凈化裝置的改進(jìn)策略，通過(guò)對(duì)其改進(jìn)價(jià)值、技術(shù)支撐和具體策略的研究，明確在減少有害排放物、提升凈化效率及降低能耗成本等方面的重要性和可行方法。未來(lái)，有望在新型凈化技術(shù)研發(fā)上取得更大突破，如等離子體、光催化和生物酶凈化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)與新能源汽車的深度融合創(chuàng)新，適應(yīng)不同類型新能源汽車的尾氣凈化需求，智能化和大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)將成為發(fā)展重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的凈化和預(yù)測(cè)性維護(hù)。

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作者簡(jiǎn)介：

顏天敏，女，1980年生，教授，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)等。