发动机 排放控制

发动机作为汽车、船舶等移动机械的核心动力源，其排放物对环境和人类健康的影响日益受到关注，随着全球环保法规的趋严和公众可持续发展意识的提升，发动机排放控制技术已成为汽车工业和动力工程领域的研究重点，从最初的简单机内净化到如今复杂的后处理系统，发动机排放控制技术不断迭代，在减少污染物排放、改善空气质量方面发挥了关键作用。

发动机排放的主要污染物包括一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM）和二氧化碳（CO2）等，CO是燃料不完全燃烧的产物，会与血液中的血红蛋白结合，造成人体缺氧；HC包括多种烃类化合物，是形成光化学烟雾的主要前体物；NOx主要源于高温燃烧条件下氮气与氧气的反应，可导致酸雨、雾霾和呼吸系统疾病；PM尤其是柴油机的细颗粒物，能深入人体肺部，引发心血管和呼吸系统疾病；CO2则是主要的温室气体，加剧全球气候变暖，这些污染物的来源与发动机燃烧过程密切相关，因此排放控制需从机内燃烧优化和后处理净化两方面入手。

汽油机排放控制技术

汽油机以汽油为燃料,采用预混合点燃方式，其排放控制重点在于降低CO、HC和NOx，早期主要通过化油器调整空燃比，但精度有限，如今电控燃油喷射技术的普及，结合氧传感器和三元催化转化器（TWC），实现了高效净化，TWC能同时将CO氧化为CO2、HC氧化为H2O和CO2，NOx还原为N2，但要求空燃比理论化学计量比（λ=1）附近，需通过闭环电控系统精确控制，废气再循环（EGR）技术将部分废气引入进气系统，降低燃烧温度，从源头抑制NOx生成；燃油蒸发控制系统（EVAP）阻止油箱和化油器中的燃油蒸气直接排入大气；二次空气喷射则在冷启动阶段向排气歧管注入新鲜空气，促进CO和HC的氧化，近年来，缸内直喷（GDI）技术虽提升了汽油机热效率，但也增加了颗粒物排放，需匹配颗粒捕集器（GPF）进行过滤。

柴油机排放控制技术

柴油机采用压燃方式,过量空气系数大，燃烧温度较高，其排放特点是NOx和PM浓度高，控制难度更大，为满足国六、欧Ⅵ等严苛法规，柴油机需采用“机内净化+后处理协同”策略，机内净化方面，高压共轨燃油喷射优化雾化与混合，可降低PM和碳烟；废气再循环（EGR）通过降低燃烧温度抑制NOx，但需配合中冷技术避免功率损失；增压中冷系统提高进气密度，改善燃烧效率，后处理系统是柴油机排放控制的核心，通常包括：柴油氧化催化器（DOC），氧化CO和HC，并去除部分 soluble organic fraction（SOF）；选择性催化还原（SCR）系统，通过喷射尿素溶液（32.5%尿素水溶液，俗称AdBlue）将NOx还原为N2和H2O，对NOx净化效率可达90%以上；柴油颗粒捕集器（DPF），通过过滤和再生（主动再生或被动再生）捕集PM，净化效率超95%；氨催化氧化（ASC）单元则SCR过程中未反应的氨气氧化为N2和H2O，避免二次污染。

主要排放控制技术对比

技术类型	原简述	主要应用发动机	核心降低污染物	净化效率
三元催化转化器	利用铂、钯、铑等催化剂，在λ=1条件下同时氧化CO、HC，还原NOx	汽油机	CO、HC、NOx	90%以上
选择性催化还原	尿素水解为NH3，在催化剂作用下将NOx还原为N2和H2O	柴油机	NOx	80%-95%
颗粒捕集器	多孔陶瓷或碳化硅载体捕集PM，通过高温燃烧或催化氧化再生	柴油机/汽油机	PM	95%以上
废气再循环	将部分废气引入进气系统，降低燃烧温度和氧浓度，抑制NOx生成	汽油机/柴油机	NOx	30%-70%
柴油氧化催化器	氧化排气中CO、HC和SOF，同时去除部分醛类和CO	柴油机	CO、HC、PM（SOF部分）	50%-80%

新能源技术与排放控制的协同

随着混合动力（HEV）、纯电动（BEV）和氢燃料电池（FCEV）技术的发展，发动机在动力系统中的角色发生变化，但排放控制仍具价值，在混合动力系统中，发动机多工作在高效区间，结合能量管理策略，可降低燃油消耗和排放；增程式电动汽车（REEV）的发动机仅作为发电单元，可通过优化燃烧和匹配高效后处理实现超低排放，氢内燃机（H2ICE）燃烧产物为H2O，几乎零碳排放，但仍需控制NOx（高温燃烧生成）和少量未燃氢气，是未来低碳排放的重要方向之一，生物燃料（如生物柴油、乙醇汽油）的应用可减少化石燃料依赖，从源头降低CO2和部分污染物排放。

发展趋势

未来发动机排放控制将呈现三大趋势：一是法规趋严推动技术升级，如欧Ⅶ法规将进一步降低PM和NOx限值，需开发更高效的催化剂、更精准的传感器和智能再生策略；二是智能化与网联化，通过AI算法实时优化燃烧和后处理系统，结合车辆数据实现预测性维护；三是低碳化与零碳化，合成燃料、氢气、氨气等替代燃料的普及，结合碳捕集与封存（CCS）技术，有望实现发动机全生命周期近零排放。

相关问答FAQs

Q1：为什么柴油机的排放控制比汽油机更复杂？
A1：柴油机与汽油机的燃烧原理和排放特性差异导致控制难度不同，柴油机采用压燃方式，过量空气系数（λ）通常大于1.5（远超汽油机的理论化学计量比），这种富氧环境不利于NOx的还原反应，同时高温高压条件导致PM（尤其是碳烟）排放较高，柴油机排放的PM成分复杂（含碳烟、硫化物、有机物等），NOx和PM的生成存在“trade-off”关系（降低NOx需降低燃烧温度，但会增加PM），需同时采用多种后处理技术（如SCR+DPF）协同净化，而汽油机通过三元催化转化器即可高效处理CO、HC和NOx，系统相对简单。

Q2：未来发动机排放控制的主要方向是什么？
A2：未来发动机排放控制将围绕“超低排放”和“低碳化”两大核心展开：一是技术精细化，通过高精度燃烧控制（如均质压燃HCCI）、先进催化剂（如低温SCR、分子筛催化剂）和智能后管理系统（如基于AI的DPF主动再生策略），进一步降低NOx、PM和CO2排放；二是能源多元化，生物燃料、合成燃料（e-fuel）、氢气、氨气等替代燃料的应用将从源头减少碳排放，其中氢燃料发动机和氨燃料发动机有望实现零碳排放；三是系统协同化，在混合动力、插电混动系统中，发动机与电机深度耦合，通过能量分配优化使发动机始终工作在高效低排放区间，最终实现传统内燃机与新能源技术的协同过渡。