緒論1.1研究背景自2000年以來，中國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展突飛猛進(jìn)，全國(guó)汽車保有量也飛速增加。截至2020年，全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.72億輛，其中汽車2.81億輛，燃油車占98.25%。雖然我國(guó)對(duì)新能源汽車的投入在不斷增加，但燃油車的保有量依舊占據(jù)了主導(dǎo)地位，這也意味著，巨大燃油車保有量帶來的環(huán)境污染問題也日益加劇。在燃油汽車使用過程中，化石燃料燃燒所產(chǎn)生氮氧化物、碳?xì)浠锏戎T多有害氣體已成為目前空氣污染物的主要來源ADDINNE.Ref.{81959F35-A3A5-469D-8CC7-CBC8EF5944AB}[1]。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)每年消費(fèi)的化石燃料已超過國(guó)內(nèi)總石油消耗量的百分之30至40。與此同時(shí)，放眼全球，在圖1中我們可以直觀地看到二氧化氮濃度高值區(qū)的50個(gè)熱點(diǎn)，在全球六大洲均有分布。全球14個(gè)特大城市交通污染排放嚴(yán)重，DU為衛(wèi)星觀測(cè)分析得到柱濃度單位。執(zhí)行更加嚴(yán)苛的排放法規(guī)，降低汽車有害氣體排放，成為了環(huán)境污染治理的熱門話題。圖1.1全球污染交互地圖在此背景下，各國(guó)政府為應(yīng)對(duì)保護(hù)環(huán)境，減少燃油汽車發(fā)動(dòng)機(jī)有害氣體排放，相繼頒布了較為嚴(yán)苛的排放法規(guī)ADDINNE.Ref.{0BC6F7A6-6881-41A1-9AB9-3009A0C1DBD9}[2,3]。2016年12月23日，我國(guó)環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家質(zhì)檢總局發(fā)布《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》，并自2020年7月1日起實(shí)施。其標(biāo)準(zhǔn)如表1.1所示：表1.1國(guó)六機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)一覽排放物國(guó)五國(guó)六A國(guó)六B一氧化碳1000（mg/km）700（mg/km）500（mg/km）非甲烷烴68（mg/km）68（mg/km）35（mg/km）氮氧化物60（mg/km）60（mg/km）35（mg/km）PM細(xì)顆粒物4.5（mg/km）4.5（mg/km）3（mg/km）PN顆粒物/6*1011顆/km6*1011顆/km由表1.1不難看出，相較于國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)加入了PN顆粒物指標(biāo)，在國(guó)六A階段標(biāo)準(zhǔn)中，除一氧化碳指標(biāo)有明顯降低以外，其他指標(biāo)基本保持一致。但在國(guó)六B階段標(biāo)準(zhǔn)中，各項(xiàng)排放指標(biāo)相較國(guó)五排放指標(biāo)要求都更為嚴(yán)苛?，F(xiàn)如今，傳統(tǒng)的燃油汽車在日益嚴(yán)苛的排放標(biāo)準(zhǔn)，及新能源汽車大力發(fā)展的雙重沖擊下，要想持續(xù)保持市場(chǎng)占有優(yōu)勢(shì)，必須通過更為深入的探究來降低排放，保護(hù)環(huán)境。1.2東風(fēng)標(biāo)致308介紹東風(fēng)標(biāo)致308作為一款緊湊型家用轎車，其動(dòng)感的造型，低廉的價(jià)格等特點(diǎn)一直深受消費(fèi)者的喜愛，并有著不錯(cuò)的銷量。東風(fēng)標(biāo)致308發(fā)動(dòng)機(jī)艙及發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)分別如圖1.2和表1.2所示。圖1.2東風(fēng)標(biāo)致308發(fā)動(dòng)機(jī)艙表1.2東風(fēng)標(biāo)致308搭載發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)EB2DTSM（高功率版）EB2DTSM（低功率版）NFP排量1.21.21.6進(jìn)氣形式渦輪增壓渦輪增壓自然吸氣氣缸數(shù)334最大功率（kW）8510086最大扭矩（N·m）190230150隨著我國(guó)新出臺(tái)的汽車排放相關(guān)法律法規(guī)政策，對(duì)汽車尾氣排放的要求越來越高，東風(fēng)標(biāo)致308原有的尾氣排放性能已不滿足標(biāo)準(zhǔn)，因此也是導(dǎo)致其銷量在近年來不斷逐步下滑的原因之一。如圖1.3所示為東風(fēng)標(biāo)致308近兩年銷量走勢(shì)。圖1.3東風(fēng)標(biāo)致308銷量走勢(shì)圖1.3主要研究?jī)?nèi)容本文主要研究?jī)?nèi)容包括：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，可以預(yù)見在未來的十年里，我國(guó)轎車保有量有望突破三億量，在這種大環(huán)境下，如何有效控制汽車尾氣排放已然成為節(jié)能減排的主旋律。就目前國(guó)內(nèi)嚴(yán)峻的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放控制形式，及可能制定的相關(guān)政策為大致方向，以標(biāo)致308為具體車型研究?jī)?nèi)容。通過查找市場(chǎng)數(shù)據(jù)分析發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放形成的原理，可能在汽車上管控的措施，國(guó)家應(yīng)當(dāng)制定的政策來找出影響廢氣排放的因素。通過分析國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放的相關(guān)文獻(xiàn)，找出其中的可取之處，再結(jié)合國(guó)家實(shí)行的政策管控，以及消費(fèi)者對(duì)此問題的認(rèn)知，達(dá)到解決相關(guān)問題的目的。1.4擬解決的主要問題和最終目標(biāo)關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放的主要問題是如何節(jié)能減排，發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的污染物包括CO、HC、NOx、SO2、煙塵微粒和甲醛，汽車尾氣排放污染是形成大氣環(huán)境污染的真正“元兇”。了解了廢氣的成分，就可以分析形成廢氣的原因，而了解了原因就能找到解決的辦法，其主要問題有以下兩個(gè)方面：（1）控制排放的政策問題（2）廢氣形成原理及控制2各國(guó)機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)隨著汽車排放量的不斷增加，汽車尾氣對(duì)大氣環(huán)境的污染越來越嚴(yán)重。為了控制汽車尾氣污染，減少污染物的產(chǎn)生，世界各國(guó)都更加重視對(duì)汽車尾氣的監(jiān)督管理20世紀(jì)60年代以來，美國(guó)、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)相繼制定了相應(yīng)的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)。近50年，各國(guó)的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)不斷更新，排放標(biāo)準(zhǔn)也越來越嚴(yán)格?？諝猸h(huán)境質(zhì)量得到改善，實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展。1983年,我國(guó)也跟蹤國(guó)際趨勢(shì)和基于環(huán)境治理的需求頒布了第一個(gè)排放標(biāo)準(zhǔn)控制機(jī)動(dòng)車尾氣污染,使得車輛的廢氣排放的監(jiān)管從一無所有。2000年始，我國(guó)開始實(shí)施國(guó)一標(biāo)準(zhǔn)，2017年1月1日全國(guó)開始實(shí)施國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)，2019年7月1日，重點(diǎn)區(qū)域提前實(shí)施國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)?？v橫19年，從國(guó)一到國(guó)五，新下線汽車的單車污染物排放量下降了90%以上，環(huán)保技術(shù)水平跨越了歐洲二十多年的發(fā)展歷程ADDINNE.Ref.{816566D9-F35F-4B78-90AA-22D7697BA40A}[4]，已基本建立了一套較為完整的汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)體系。2.1國(guó)外機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家都非常重視機(jī)動(dòng)車排放管理措施的制定。為了有效控制汽車排放，有關(guān)部門采取了完善的法律法規(guī)、高效的協(xié)調(diào)機(jī)制和嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)管理措施。(1)美國(guó)在美國(guó)，有兩種排放標(biāo)準(zhǔn)體系，即聯(lián)邦排放標(biāo)準(zhǔn)體系和加利福尼亞排放標(biāo)準(zhǔn)體系A(chǔ)DDINNE.Ref.{CAF807CE-36EE-4B6E-B200-D4E87F422729}[5]。美國(guó)汽車排放法規(guī)的實(shí)施已獲得美國(guó)環(huán)境保護(hù)署EPO根據(jù)《清潔空氣法》的批準(zhǔn)，認(rèn)證方式由正式認(rèn)證逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樽晕艺J(rèn)證。制造商向EPA提交了認(rèn)證申請(qǐng)，并提交了產(chǎn)品說明書、技術(shù)方案、試驗(yàn)程序和試驗(yàn)報(bào)告。EPA在自己的實(shí)驗(yàn)室或制造商的實(shí)驗(yàn)室根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)系列進(jìn)行了試驗(yàn)。目前，EPA認(rèn)證已由國(guó)家示范認(rèn)證逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槠髽I(yè)自主注冊(cè)，美國(guó)EPO采用事后抽樣的方式加強(qiáng)管理。美國(guó)環(huán)保署要求機(jī)動(dòng)車在其生命周期內(nèi)進(jìn)行三次測(cè)試。如果發(fā)現(xiàn)汽車產(chǎn)品不符合排放標(biāo)準(zhǔn)，將對(duì)企業(yè)采取監(jiān)管和執(zhí)法措施。(2)日本從銷量增長(zhǎng)率的角度來看，日本汽車市場(chǎng)在1982年之前基本上保持了一個(gè)小的3.4年周期，此后每個(gè)周期的周期更長(zhǎng)，從1982年到現(xiàn)在基本上保持了5.7年周期。隨著美國(guó)市場(chǎng)、日本市場(chǎng)的日益成熟，銷售周期的時(shí)間間隔逐漸延長(zhǎng)，日本汽車市場(chǎng)進(jìn)入了典型的庫存市場(chǎng)階段，大眾需求枯竭。在日本，新車必須從登記之日起接受三年的檢查，然后每?jī)赡杲邮芤淮巍Ｔ诜弦?guī)定后，車主須繳付稅款及檢驗(yàn)費(fèi)，而當(dāng)局則發(fā)出認(rèn)可車輛維修的證明書。為了減少空氣污染，日本政府對(duì)重型貨車采用了新的排放標(biāo)準(zhǔn)。自2016年10月試驗(yàn)以來，重型車輛開始使用WHDC條件，而氮?dú)夂皖w粒物排放限值分別為6.0g/kwh。0.7g/kwh從1994年降至0.4g/kwh和0.01g/kwh。對(duì)于乘用車，日本于2005年開始實(shí)施基于jc08的汽油車排放標(biāo)準(zhǔn)，2009年開始實(shí)施柴油車排放標(biāo)準(zhǔn)，2018年開始實(shí)施wltc排放標(biāo)準(zhǔn)。日本國(guó)土交通省也指出，由于環(huán)保局發(fā)現(xiàn)大眾柴油機(jī)配備了廢棄設(shè)備，日本開始執(zhí)行基于jc08的排放標(biāo)準(zhǔn)，由于保護(hù)性控制因素，部分車輛的氮氧化物排放量達(dá)到法定限值的兩倍，因此，2017年4月，日本啟動(dòng)了現(xiàn)行的乘用車道路排放試驗(yàn)。測(cè)試要求在該條件下不激活保護(hù)檢查。在RDE試驗(yàn)期間，試驗(yàn)條件下的NOx排放值不得超過法定限值的兩倍。(3)歐洲大多數(shù)汽車工業(yè)較為發(fā)達(dá)的歐洲國(guó)家都采用了聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)的排放標(biāo)準(zhǔn)，不僅限制了有害排放物的種類，而且還設(shè)定了污染物的排放限值A(chǔ)DDINNE.Ref.{14D60F9B-50FA-4E56-B7E7-BA431FBEBB4B}[6]。歐盟第595/2009號(hào)法規(guī)采用了歐六排放標(biāo)準(zhǔn)及其實(shí)施措施（ec582/2011）。上述管理規(guī)定自2013年起實(shí)施，用于新車型的批準(zhǔn)，并自2014年起對(duì)所有注冊(cè)車輛采用歐VI標(biāo)準(zhǔn)。歐洲VI標(biāo)準(zhǔn)中引入了PEMs試驗(yàn)程序，作為認(rèn)證法規(guī)中的強(qiáng)制性試驗(yàn)，以確保重型發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際使用過程中符合相關(guān)認(rèn)證排放標(biāo)準(zhǔn)d。呵呵?！对谟密囕v符合性規(guī)則》（ISC）的管理要求，ISC測(cè)試應(yīng)能代表車輛的實(shí)際行駛狀況，車輛應(yīng)處于正常滿載狀態(tài)，制造商應(yīng)在第一輛裝有該系列發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛獲得批準(zhǔn)后18個(gè)月內(nèi)進(jìn)行ISC試驗(yàn)（車輛必須至少行駛25000公里）。在車輛的整個(gè)使用壽命期間，制造商應(yīng)至少每?jī)赡陮?duì)每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系列進(jìn)行一次定期ISC試驗(yàn)。為了避免2017年再次出現(xiàn)大眾柴油機(jī)，歐盟法規(guī)2017/1154規(guī)定，歐盟委員會(huì)擁有道路排放驗(yàn)證實(shí)際階段3（rde3）的驗(yàn)證程序，包括對(duì)AES試驗(yàn)的修改，同時(shí)，聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)在歐洲和日本的領(lǐng)導(dǎo)下，于2009年開始優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室排放測(cè)試的條件，在韓國(guó)、印度和美國(guó)的積極參與下，2017年在歐洲制定并逐步實(shí)施全球統(tǒng)一的輕型商用車試驗(yàn)程序，與NEFC相比，測(cè)試程序的設(shè)計(jì)更為嚴(yán)格，測(cè)試周期更具實(shí)用性和代表性，靈活性降低。2.2國(guó)內(nèi)機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)于1983年出臺(tái)了首批機(jī)動(dòng)車尾氣污染控制標(biāo)準(zhǔn)，包括三個(gè)限值標(biāo)準(zhǔn)和三個(gè)測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)，這標(biāo)志著我國(guó)機(jī)動(dòng)車尾氣排放法規(guī)實(shí)現(xiàn)了從無到有，并逐步走向法制治理機(jī)動(dòng)車尾氣排放的道路。在第一批標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，于1989-1993年期間又增加了兩個(gè)限值標(biāo)準(zhǔn)和兩個(gè)工況法測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)，首次形成了一套完善的機(jī)動(dòng)車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)體系。1998年，北京市輕型汽車排氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)和實(shí)施，標(biāo)志著我國(guó)對(duì)汽車尾氣排放的法規(guī)與政策進(jìn)入了新階段，并開始逐步追趕國(guó)際水準(zhǔn)ADDINNE.Ref.{AA3662DA-2864-474C-A6F9-8AA595CAA2F3}[7]。隨后的2000-2017年，我國(guó)相繼頒布了國(guó)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)（相當(dāng)于歐洲Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)），代表著我國(guó)對(duì)汽車尾氣排放的要求愈發(fā)嚴(yán)格，也是我國(guó)汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到世界先進(jìn)水平的體現(xiàn)。2016年，輕型車國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布，2018年，重型柴油車國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，分為國(guó)VIa和國(guó)VIb兩個(gè)階段其中，國(guó)VIa基本與歐VI標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)，國(guó)VIb要求甚至比歐VI標(biāo)準(zhǔn)更高，成為目前全球最苛刻的汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)之一ADDINNE.Ref.{3D37D688-0557-4D8B-AF45-EF02BDBF9BD5}[8]。據(jù)相關(guān)部門調(diào)查顯示，至國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以后，單車污染排放已經(jīng)降至原來的10%以下，大大改善了我國(guó)的空氣質(zhì)量，也推動(dòng)了我國(guó)汽車行業(yè)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。3發(fā)動(dòng)機(jī)排放物的生成機(jī)理汽車運(yùn)行過程中會(huì)時(shí)常面臨工況的變化，經(jīng)歷啟動(dòng)、加速、勻速、減速、熄火等工況，發(fā)動(dòng)機(jī)也將經(jīng)歷冷/熱啟動(dòng)、怠速、加速、減速等，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及負(fù)荷急劇變化的過程中，會(huì)產(chǎn)生更多的排放物，加劇環(huán)境污染的程度。想要減少污染物的排放，就必須先研究污染物的生成機(jī)理，從源頭上減少污染物的排放。3.1NOx的形成機(jī)理發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒生成的氮氧化物包括一氧化氮NO、二氧化氮NO2，統(tǒng)稱為NOx，能夠?qū)θ梭w的呼吸道造成損害。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的NOx中，以NO居多，剩下的NO2含量極低，只占到10%左右。一氧化氮NO，無色無味，難溶于水，一氧化氮帶有自由基，因此，其化學(xué)性質(zhì)非常活潑，遇到氧氣后，會(huì)快速發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生具有NO2（棕紅色，具有較強(qiáng)的刺激性作用），NO2是形成酸雨的主要成分之一。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程產(chǎn)生NO的主要反應(yīng)為：(式3.1)(式3.2)(式3.3)(式3.4)由于生成NO的反應(yīng)比燃燒反應(yīng)的速率慢，因此只有較少一部分NO是從火焰中產(chǎn)生的，大部分的NO是在無火焰的混合氣中生成的；第二步反應(yīng)必須要破壞掉氮?dú)庵芯哂袠O高穩(wěn)定性的三鍵N≡N，反應(yīng)需要非常高的活化能或溫度，所以NO的生成速度嚴(yán)重依賴于溫度，當(dāng)反應(yīng)物從2500K提高到2600K時(shí)，NO的生成速率幾乎提高了一倍，同時(shí)，氧氣的濃度也會(huì)對(duì)NO的生成造成影響ADDINNE.Ref.{D6B05BE3-5ABB-4FCF-A845-F6F8011E1E80}[9]。3.2碳?xì)浠衔飳?duì)于裝有汽油機(jī)的汽車，排放尾氣中的HC有害氣體含有碳?xì)浠衔锓N類多達(dá)200多種，其產(chǎn)生的原因是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在某些低效率工況中，燃料沒有完全燃燒充分，主要成分是烷烴，同樣也是汽油的主要成分。烷烴中的多環(huán)芳香烴（PAHs）有很強(qiáng)的致癌及致突變性，其主要吸附在尾氣中的細(xì)微顆粒物上，加劇了顆粒物對(duì)人體的危害。對(duì)于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)而言，排放的碳?xì)浠衔锓譃榧淄?CH4)和非甲烷碳?xì)浠衔?NMHC)。由于天然氣的主要成分為甲烷，相應(yīng)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要的排放的碳?xì)浠衔镏形幢蝗紵M的甲烷占有很大的比重。甲烷對(duì)人基本無害，但是甲烷是一種溫室氣體，對(duì)環(huán)境比較嚴(yán)重的影響。以單位分子數(shù)而言，甲烷的溫室效應(yīng)造成的影響要比二氧化碳高25倍。這是因?yàn)榇髿庵幸呀?jīng)具有相當(dāng)多的二氧化碳，以至于許多波段的輻射早已被吸殆盡了，因此大部分新增的二氧化碳只能在原有吸收波段的邊緣發(fā)揮其吸收效應(yīng)。相反地，一些數(shù)量較少的溫室氣體(包括甲烷在內(nèi))，所吸收的是那些尚未被有效攔截的波段，所以每多一個(gè)分子都會(huì)提供新的吸收能力。3.3碳氧化合物發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的碳氧化合物主要包含二氧化碳和一氧化碳。二氧化碳是主要的溫室氣體。自工業(yè)革命以來，二氧化碳排放量激增，產(chǎn)生了嚴(yán)重的溫室效應(yīng)，造成全球氣候變暖、冰川融化、海平面升高等種種環(huán)境危害。我國(guó)的排放法規(guī)中，并未將二氧化碳納入排放污染物范疇，美國(guó)的EPA法規(guī)則規(guī)定了二氧化碳的排放要求。一氧化碳是一種對(duì)血液和神經(jīng)系統(tǒng)具有強(qiáng)烈毒性的污染物，其極易與血紅蛋白結(jié)合，形成碳氧血紅蛋白，使血紅蛋白喪失攜氧的能力和作用，造成組織窒息。一氧化碳是碳?xì)浠衔镌谌紵^程中重要的中間產(chǎn)物，占有較高的體積分?jǐn)?shù)?；旌蠚獾倪^量空氣系數(shù)對(duì)一氧化碳的生成量影響較大，在過量空氣系數(shù)減小時(shí)，一氧化碳的排放量會(huì)不斷增大，即氧氣含量不足時(shí)，烴類不完全燃燒生成一樣護(hù)坦。3.4碳煙顆粒對(duì)于缸內(nèi)直噴的汽油機(jī)而言，其工作方式是直接將液態(tài)燃油噴入氣缸與空氣進(jìn)行混合，這種方式會(huì)造成一定的燃油濕壁現(xiàn)象。另外缸內(nèi)直噴的方式會(huì)導(dǎo)致由于燃油與缸內(nèi)空氣混合的時(shí)間相對(duì)縮短，從而出現(xiàn)一定的局部過濃油氣混合氣或者過稀油氣混合氣，這些因素都有可能導(dǎo)致缸內(nèi)燃料燃燒不充分。濃混合氣濃度分布區(qū)域以及未蒸發(fā)的液態(tài)油滴就會(huì)發(fā)生擴(kuò)散燃燒，未完全蒸發(fā)的燃油液滴在高溫缺氧條件下裂解、脫氫生成一定量的碳煙前驅(qū)物和碳?xì)浣M分，這兩類物質(zhì)相互作用發(fā)生成核反應(yīng)生成初級(jí)碳粒，初級(jí)碳粒繼而與缸內(nèi)的多環(huán)芳香族碳?xì)浠衔锿ㄟ^團(tuán)聚、凝結(jié)和表面生長(zhǎng)及氧化等過程形成最終的碳煙顆粒物。顆粒物是由初級(jí)碳煙粒子吸附金屬灰燼以及硫酸鹽而形成的。此外，缸內(nèi)直噴工作方式的汽油機(jī)(GDI)與在進(jìn)氣道噴射的汽油機(jī)（PFI）相比，缸內(nèi)燃燒過程的平均溫度較低，生成的碳煙顆粒不容易被氧化，上述的諸多因素導(dǎo)致缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的碳煙顆粒的數(shù)量排放量比傳統(tǒng)進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)增加許多，并且絕大多數(shù)的碳煙顆粒是小于100nm的超細(xì)顆粒。4標(biāo)致308減排技術(shù)的應(yīng)用及展望針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的污染物的治理主要有兩種思路，一方面改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒，采用新的燃燒技術(shù)，如稀薄燃燒、均質(zhì)壓燃等，減少污染物的生成；另一方面則是對(duì)缸內(nèi)汽油燃燒生成的廢氣進(jìn)行后處理，使廢氣轉(zhuǎn)化為對(duì)環(huán)境人體無害的潔凈氣體，再排放到空氣中。目前汽車主要通過發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒技術(shù)配合發(fā)動(dòng)機(jī)缸外尾氣后處理技術(shù)來降低污染物排放，才能滿足日益嚴(yán)苛的排放法規(guī)和排放標(biāo)準(zhǔn)。汽油機(jī)缸內(nèi)燃燒技術(shù)包括稀薄燃燒技術(shù)、廢氣渦輪增壓技術(shù)、廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR）、均質(zhì)壓燃技術(shù)等；后處理上，大規(guī)模使用的是三元催化轉(zhuǎn)化器（TWC）和汽油機(jī)顆粒捕集器（GPF）。4.1缸內(nèi)燃燒技術(shù)4.1.1缸內(nèi)直噴缸內(nèi)直噴（GasolineDirectInjection），就是直接將燃油噴入氣缸內(nèi)與空氣混合的技術(shù)，其通過電控噴油器以較高的噴油壓力將燃油直接噴入氣缸內(nèi)，高壓噴射下的燃油霧化更加均勻，并且可以實(shí)現(xiàn)燃油噴射量的精確控制，借助燃燒室形狀和缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)使燃料與空氣混合形成可燃混合氣，進(jìn)而燃燒做功。GDI汽油機(jī)的燃燒方式改變了傳統(tǒng)歧管噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的油氣混合過程，歧管噴射（PortFuelInjection）是在進(jìn)氣道內(nèi)完成油氣混合，而缸內(nèi)直噴則是直接將汽油噴至缸內(nèi)，噴出來的油霧更加均勻、稀薄，能夠有效降低油耗，并且壓縮比可以做得更大，還能實(shí)現(xiàn)分層燃燒。1）缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：燃油經(jīng)濟(jì)性好。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)能夠通過控制噴油量來精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況，大幅度地降低了歧管噴射發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷工況下由節(jié)氣門造成的節(jié)流損失，顯著提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。2）動(dòng)態(tài)響應(yīng)性好GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油直接噴入缸內(nèi)，因此，可以精確控制不同運(yùn)行工況下的噴油脈寬和噴油量，確保發(fā)動(dòng)機(jī)具有較好的加速性能和較好的順勢(shì)驅(qū)動(dòng)特性。3）高壓縮比由于燃油直接向缸內(nèi)噴壺，而燃油的蒸發(fā)所需熱量全部來自于氣缸內(nèi)燃燒后的高溫氣體，使得缸內(nèi)溫度降低，提高了充氣效率，能夠?qū)嚎s比提升至12-14，提高了燃燒熱效率，同時(shí)還能較好地抑制爆震。4）排放性能好歧管噴射發(fā)動(dòng)機(jī)直接將燃油噴到進(jìn)氣歧管，在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作狀態(tài)下，燃油能夠較好地霧化、蒸發(fā)，而在低溫冷啟動(dòng)時(shí)，燃料的霧化蒸發(fā)效果差，導(dǎo)致燃油的混合程度低，發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能差，只能加大燃油供給量才能使發(fā)動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)，造成了較高的HC化合物排放。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)則是直接將燃料噴入缸內(nèi)，通過較高的噴射壓力是液柱破碎成較大的液滴，進(jìn)而再破碎成較小液滴，具有較好的霧化效果，高壓射流形成的滾流能夠促進(jìn)缸內(nèi)氣體的運(yùn)動(dòng)，提高油氣的混合程度，不需要像PFI發(fā)動(dòng)機(jī)加大供油量，因而降低了HC的排放。4.1.2渦輪增壓渦輪增壓器的全稱為發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪增壓器，是由離心式壓氣機(jī)、徑流式渦輪機(jī)和中間體三部分構(gòu)成的改善發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的機(jī)械裝置，如圖4.1所示。通過發(fā)動(dòng)機(jī)拍出的廢氣推動(dòng)徑流式渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪帶動(dòng)同軸的離心式壓氣機(jī)，壓氣機(jī)葉輪將空氣壓縮后，將其送入氣缸，達(dá)到增加進(jìn)氣量，提高過量空氣系數(shù)，使燃油的燃燒更充分，排出更少的廢氣ADDINNE.Ref.{6E112928-E1AC-40B9-95F5-5B9C992EFAFE}[10]。因?yàn)槲矚庵械拇蟛糠治廴疚铮ㄒ谎趸?、碳?xì)浠衔?、碳煙顆粒等）都是在不完全燃燒（氧氣不充分）的狀態(tài)下產(chǎn)生的，當(dāng)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的過量空氣系數(shù)后，燃油的燃燒更充分，一氧化碳、碳?xì)浠衔铩⑻紵燁w粒等大幅減少。渦輪增壓器也存在一定的缺點(diǎn)，渦輪增壓器產(chǎn)生的高壓使得發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒溫度升高，氧氣含量升高，在高溫、富氧的條件下會(huì)加劇氮氧化物NOx的生成，使得氮氧化物排放增多。圖4.1渦輪增壓器原理另外，使用渦輪增壓技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)能在更小的排量下，減少燃油消耗的同時(shí)，爆發(fā)出更高的功率和更大的扭矩，提升汽車的動(dòng)力性。2019款標(biāo)致308存在三種型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)，圖4.2為標(biāo)致308搭載的1.2T渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。在排量變小、燃油消耗減少的情況下，EB2DTSM高功率版和低功率版的最大扭矩卻大幅提升，污染物排放大幅降低。提高了汽車的排放性、經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性。圖4.2標(biāo)致3081.2T4.1.3均質(zhì)壓燃燃料的燃燒根據(jù)混合情況可分為兩種：預(yù)混（均質(zhì)）燃燒和擴(kuò)散燃燒。預(yù)混燃燒即燃料和空氣充分混合好形成均勻的混合氣后進(jìn)行的著火、燃燒方式；擴(kuò)散燃燒即燃料與空氣未經(jīng)預(yù)先混合或部分預(yù)混后進(jìn)行的邊混合邊燃燒的燃燒方式。汽油機(jī)采用的是均質(zhì)混合氣通過火花塞點(diǎn)燃的模式，柴油機(jī)采用非均質(zhì)混合氣壓燃的燃燒模式，帶有分層燃燒技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)采用缸內(nèi)直噴、分層稀薄燃燒的燃燒模式。而最新的均質(zhì)壓燃（Homogeneouschargecompressionignition，HCCI）技術(shù)不同于傳統(tǒng)汽油機(jī)和柴油機(jī)，采用了預(yù)先將燃料和空氣均勻混合，形成均質(zhì)混合氣后再壓燃的方式使混合氣著火，在活塞的上止點(diǎn)位置燃料即能自燃ADDINNE.Ref.{D7F06798-C0EC-49EF-9479-75278E99A45F}[11]，如圖4.3和圖4.4所示為均質(zhì)壓燃與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)系圖。HCCI是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)的一大顯著進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了對(duì)缸內(nèi)燃燒化學(xué)反應(yīng)過程的控制。圖4.3HCCI與現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)系圖4.4HCCI與傳統(tǒng)SI和DI發(fā)動(dòng)機(jī)的比較均質(zhì)壓燃具備以下特點(diǎn)：（1）均質(zhì)壓燃兼具了汽油機(jī)與柴油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，首先是汽油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，將燃料與空氣混合成均質(zhì)混合氣，減少了因混合不充分造成的顆粒物排放，其后利用柴油機(jī)壓燃的著火方式，顯著提高了熱效率，提升幅度可達(dá)10-15%，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。（2）均質(zhì)壓燃可以有效減少NOx的排放。均質(zhì)壓燃的工作方式是通過將燃燒溫度保持在不超過1800K，同時(shí)采用均質(zhì)稀燃混合來形成可燃?xì)怏w，因此能夠非常好的減少氮氧化合物的產(chǎn)生。（3）均質(zhì)壓燃回使燃燒具有更高的適用性。首先均質(zhì)壓燃燃燒方式的燃料選取十分靈活，既可以使用傳統(tǒng)燃料也可以使用新型燃料。其次均質(zhì)壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)的適用范圍廣泛，既包括大型的輪船以及幾乎所有的運(yùn)輸性質(zhì)的發(fā)動(dòng)機(jī)，又包括摩托車等小型發(fā)動(dòng)機(jī)ADDINNE.Ref.{8A0379B3-F9C9-4170-9888-F29BB8D3DAC9}[12,13]。均質(zhì)壓燃技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況具有較高的要求，均質(zhì)壓燃主要使用于發(fā)動(dòng)機(jī)的中低負(fù)荷工況。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，即高負(fù)荷時(shí)，燃料濃度大幅上升，壓力升高率較中低負(fù)荷時(shí)高，易劇烈燃燒，引發(fā)爆震，造成敲缸等現(xiàn)象；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，即低負(fù)荷時(shí)，易受到失火的限制，混合氣難以壓燃，導(dǎo)致CO和HC排放增多ADDINNE.Ref.{63144FC3-D29E-4F73-8D0E-26A9D7AAAA78}[14]。針對(duì)該情況，馬自達(dá)推出的2020款馬自達(dá)3-昂克賽拉采用了復(fù)合燃燒模式，即在適宜的工況下直接通過壓燃使燃料著火，而在其他工況則通過火花塞點(diǎn)火，點(diǎn)燃一小部分混合氣，使缸內(nèi)溫度和壓力升高，為將混合氣壓燃創(chuàng)造條件。表4.1所示為標(biāo)致3081.2T發(fā)動(dòng)機(jī)與馬自達(dá)3昂克賽拉發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)對(duì)比?？梢钥闯?，兩款發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率相差20%，標(biāo)致3081.2T發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比遠(yuǎn)低于馬自達(dá)3發(fā)動(dòng)機(jī)，標(biāo)致308的1.2T發(fā)動(dòng)機(jī)在低出馬自達(dá)32.0發(fā)動(dòng)機(jī)排量0.8L的情況下，油耗卻僅低0.1L/100km，馬自達(dá)3發(fā)動(dòng)機(jī)因采用均質(zhì)壓燃技術(shù)，能有更低的排放表現(xiàn)。因此，如標(biāo)致308在未來采用均質(zhì)壓燃技術(shù)，既可顯著提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，又可有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放。表4.1標(biāo)致3081.2T發(fā)動(dòng)機(jī)與馬自達(dá)3昂克賽拉發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)標(biāo)致308馬自達(dá)3昂克賽拉排量（L）1.22.0渦輪增壓是否壓縮比9.515最大功率（kW）100132最大扭矩（N·m）230230熱效率%3050工信部油耗（L/100km）5.15.24.1.4廢氣再循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒排放的廢氣中，氮氧化物含量會(huì)隨著缸內(nèi)溫度的升高而增多。因此，想要降低NOx的排放，就得降低缸內(nèi)燃燒溫度。廢氣再循環(huán)（ExhaustGasRecirculation，簡(jiǎn)稱EGR）是將發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的廢氣與新鮮空氣以特定的比例通入氣缸，由于廢氣中的CO2、H2O、NO2等分子具有較高的比熱容，其溫度升高需要更多的熱量，因此，能夠有效降低燃燒溫度，從而降低功率損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，另外，廢氣中的未完全燃燒產(chǎn)物（如CO、HC等）能在與氧氣混合后再次燃燒，改善排放性能ADDINNE.Ref.{A5E27466-35A0-4EEE-8404-8617BDD60A80}[15]。如圖4.5所示，缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的廢氣，一部分直接通過排氣歧管排出，另一部分經(jīng)過廢氣再循環(huán)系統(tǒng)冷卻器冷卻后，以一定比例與新鮮空氣混合再次通入氣缸。廢氣再循環(huán)系統(tǒng)無需依靠外部的動(dòng)力裝置，通過排氣與進(jìn)氣的壓力差就能順利地將廢氣再次通入氣缸。圖4.5廢氣再循環(huán)系統(tǒng)4.2缸外后處理技術(shù)4.2.1三元催化三元催化的主要作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)排放物中的一氧化碳、烴類物質(zhì)和氮氧化物三類對(duì)環(huán)境和人體有害的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無害的物質(zhì)。當(dāng)溫度較高的汽車尾氣通過凈化裝置時(shí)，三元催化器中的催化劑將增強(qiáng)CO、HC和三種氣體的活性，將一氧化碳和烴類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水；將氮氧化物轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓瑢⒁谎趸嫁D(zhuǎn)化為二氧化碳和氧氣。三種有害氣體變成無害氣體，使得汽車尾氣中污染物含量大幅度降低，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)要求。該催化器能夠同時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的三種關(guān)鍵有害物質(zhì)和氣體轉(zhuǎn)化為無害氣體，故將其稱作三元。三元催化技術(shù)是非常成熟的尾氣處理技術(shù)，具有較高的轉(zhuǎn)化率ADDINNE.Ref.{961A464D-6ADC-4EA1-A279-F85CE9DF6701}[16]。如圖4.6所示為東風(fēng)標(biāo)致308所使用的三元催化器。圖4.6東風(fēng)標(biāo)致308使用的三元催化器三元轉(zhuǎn)化器具有穩(wěn)定性較高、使用壽命長(zhǎng)、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。車用三元轉(zhuǎn)化器的載體材料一般由多孔的陶瓷材料構(gòu)成的，在載體表面還鍍有一層重金屬，該層金屬不直接參與三元轉(zhuǎn)化反應(yīng)。而三元轉(zhuǎn)化器的殼體內(nèi)裝有蜂窩狀的細(xì)小通道隔板，隔板內(nèi)封裝有可與廢氣中各物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的化合物，當(dāng)廢氣通過隔板時(shí)，隔板內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)會(huì)對(duì)廢氣起到催化作用，從而將有害、有毒氣體催化還原成對(duì)環(huán)境和人體無害的氣體。三元催化技術(shù)具有下列優(yōu)勢(shì)：（1）三元催化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了排放處理技術(shù)的系統(tǒng)化、規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。不同的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)、不同車型、一級(jí)不同燃料的汽車都能夠利用三元催化器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣進(jìn)行催化轉(zhuǎn)化，從而達(dá)到凈化尾氣、降低污染物排放的效果。（2）化解了高功率與低油耗、低排放之間的矛盾，使原本互不相容的的三個(gè)目標(biāo)能夠同時(shí)存在在一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)上，并將三者作為一個(gè)統(tǒng)一的、單獨(dú)的系統(tǒng)。（3）將低排放、低排氣熱量以及低噪聲的處理整合為一個(gè)系統(tǒng)，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的成本，達(dá)到了輕量化的效果?，F(xiàn)如今，幾乎所有的汽油車都已經(jīng)采用了這種降低排放的系統(tǒng)，系統(tǒng)如圖4.7所示。圖4.7三元催化器原理4.2.2汽油機(jī)顆粒捕集器GPF（GasolineParticulateFilter）汽油機(jī)顆粒捕集器由流通式三效催化器演變而來，是一種安裝在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)排放系統(tǒng)中的陶瓷過濾器，外型一般為圓柱體。主要以壁流式蜂窩陶瓷為載體，載體體內(nèi)有很多平行的軸向蜂窩孔道，相鄰的兩個(gè)孔道內(nèi)一個(gè)只有進(jìn)口開放，另一個(gè)只有出口開放。排氣從開放的進(jìn)口孔道流入，通過GPF載體多孔壁面至相鄰孔道排出。顆粒物通過攔截、碰撞、擴(kuò)散、重力沉降等方式被捕集在載體的壁面內(nèi)以及壁面上，從而實(shí)現(xiàn)在微粒排放物質(zhì)進(jìn)入大氣之前將其捕捉。GPF過濾材料主要有堇青石、SIC（碳化硅）、AT（鈦酸鋁）、合金等。目前研究與使用最多材料是堇青石，堇青石的主要優(yōu)點(diǎn)在于成本低、熱膨脹系數(shù)小以及耐高溫和機(jī)械強(qiáng)度高。汽油機(jī)顆粒捕集器與堇青石分別如圖4.8和圖4.9所示。圖4.8汽油機(jī)顆粒捕集器圖4.9堇青石5總結(jié)與展望5.1總結(jié)汽車尾氣排放是造成當(dāng)前世界環(huán)境污染的主要原因，各國(guó)針對(duì)汽車尾氣的排放都制定了相應(yīng)的法律法規(guī)。為提高東風(fēng)標(biāo)致308的排放性能，本文通過了解各國(guó)控制排放的政策問題和汽車尾氣的形成原理，做出了以下研究?jī)?nèi)容：通過我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展，說明了汽車尾氣排放對(duì)環(huán)境造成的影響;并結(jié)合東風(fēng)標(biāo)致308發(fā)動(dòng)機(jī)的詳細(xì)參數(shù)，分析得出其排放性能較差是東風(fēng)標(biāo)致銷量下滑的原因之一。通過查找國(guó)內(nèi)外