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0 前言

為了滿足社會對更清潔空氣和更低溫室氣體(GHG)排放的需求，汽車行業(yè)正在采取多種技術(shù)手段來減少污染物排放和燃油耗。在眾多技術(shù)路線圖中，1種領(lǐng)先的技術(shù)途徑是采用電動(dòng)汽車。因此，許多汽車公司正在開發(fā)電動(dòng)車輛[1]，以盡早滿足市場的需求和政府的強(qiáng)制性法規(guī)。但是，目前市場大多數(shù)的預(yù)測分析顯示，內(nèi)燃機(jī)至少在未來20年仍將在汽車領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位。另外，在電網(wǎng)成為低溫室氣體的主要來源之前，電動(dòng)汽車和先進(jìn)內(nèi)燃機(jī)車輛“油井到車輪”(WTW)的CO2排放水平不會有很大的差別[2]。因此，人們關(guān)于車用發(fā)動(dòng)機(jī)排放和燃油效率的技術(shù)研究仍在繼續(xù)。隨著全球污染物排放標(biāo)準(zhǔn)和溫室氣體法規(guī)的收緊，車用發(fā)動(dòng)機(jī)在排放和燃油效率這兩方面將繼續(xù)面臨挑戰(zhàn)。

重點(diǎn)回顧了2016年輕型車和重型車領(lǐng)域柴油機(jī)和汽油機(jī)在排放控制和效率提升領(lǐng)域的主要發(fā)展[3]。首先簡要介紹了污染物和CO2排放標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)展情況。然后，回顧了輕型車柴油機(jī)和汽油機(jī)，以及重型車柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。隨后，介紹了汽油機(jī)排放控制的發(fā)展情況，包括快速發(fā)展的汽油機(jī)顆粒過濾器技術(shù)。

1 排放法規(guī)

2016年提出的排放法規(guī)主要有以下幾項(xiàng),它們將會對車用發(fā)動(dòng)機(jī)的排放控制技術(shù)和效率提升技術(shù)產(chǎn)生一定的影響：

(1)歐6輕型車實(shí)際行駛排放(RDE)法規(guī)確定氮氧化物(NOx)排放的合格指數(shù)為2.1，顆粒數(shù)(PN)排放的合格指數(shù)建議為1.5。

(2)中國的國六排放法規(guī)已最終定稿，將分2個(gè)階段收緊限值標(biāo)準(zhǔn)，國六a和國六b將分別于2020年和2023年開始實(shí)施。預(yù)計(jì)這些排放法規(guī)將于2017年公布，盡管排放法規(guī)要到2020年才能在全國統(tǒng)一實(shí)施。

(3)美國環(huán)保署發(fā)布了最終決定，確認(rèn)2020—2023年型輕型車仍然執(zhí)行現(xiàn)有的溫室氣體排放標(biāo)準(zhǔn)。

值得注意的是，印度最終決定將排放法規(guī)跳過這一階段，輕型車排放法規(guī)將直接從BS4跨越到BS6，而BS6重型車排放法規(guī)將于2020年實(shí)施?？梢灶A(yù)見，歐洲RDE法規(guī)將于2023年生效，印度的BS4(全國實(shí)施)排放法規(guī)要比歐洲落后約11年，BS6排放法規(guī)則比歐洲落后7年。

1.1 歐洲輕型車實(shí)際行駛排放法規(guī)

歐6轎車和廂式客車的第三版RDE法規(guī)已被機(jī)動(dòng)車技術(shù)委員會采納。這套法規(guī)文件的要點(diǎn)包括：

(1)PN的合格指數(shù)(CF)為1.5(CF=1+允差)，其中允差考慮了便攜式排放監(jiān)測系統(tǒng)可能產(chǎn)生的測量誤差。這一合格指數(shù)須定期進(jìn)行評估。該合格指數(shù)適用于整個(gè)RDE試驗(yàn)過程和城區(qū)部分的行駛過程。

(2)PN的合格指數(shù)從2017年9月開始適用于新車型臺架試驗(yàn)，從2018年9月起適用于所有的新車型。

(3)冷起動(dòng)排放量應(yīng)作為城區(qū)行駛循環(huán)部分的數(shù)據(jù)歸入車速分檔(EMROAD)和功率分檔(CLEAR)的后期處理分析中。

(4)RDE試驗(yàn)的數(shù)據(jù)資料必須通過免費(fèi)的網(wǎng)站向公眾發(fā)布。提供的數(shù)據(jù)資料必須包括實(shí)際行駛中NOx和PN的最大排放量。

(5)原始設(shè)備制造商(OEM)應(yīng)提供一套有關(guān)輔助排放策略的補(bǔ)充文件。

一些OEM廠商已開始對此作出響應(yīng)措施。例如，Allgemeiner Deutscher汽車社團(tuán)對25輛滿足歐6排放的柴油機(jī)轎車進(jìn)行了車輛對環(huán)境影響的試驗(yàn)。結(jié)果顯示，幾乎有一半的車輛都低于全球統(tǒng)一的輕型車試驗(yàn)循環(huán)(WLTC)規(guī)定的NOx限值。但是，其中10臺汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)中只有1臺符合PN限值。

RDE法規(guī)還遠(yuǎn)未達(dá)到收尾進(jìn)程，相關(guān)的研究工作仍在繼續(xù)進(jìn)行，以確定現(xiàn)有的不足之處，便于今后改進(jìn)。事實(shí)上，以PN作為考核基準(zhǔn)時(shí)，由于大多數(shù)顆粒物為微小的顆粒，因而在RDE試驗(yàn)中應(yīng)考慮到包括尺寸小于23 nm在內(nèi)的顆粒物(PM)。Andrews等人[6]在城市中交通擁擠區(qū)域進(jìn)行的RDE試驗(yàn)顯示，車輛在低車速行駛時(shí)和在多次從怠速開始加速的情況下會產(chǎn)生很高的排放量(10倍于限值)，而這樣的交通擁擠條件并沒有包括在現(xiàn)今的認(rèn)證試驗(yàn)循環(huán)或RDE試驗(yàn)循環(huán)中。另外，發(fā)現(xiàn)在交通擁擠的情況下，排氣溫度比較低，這不利于催化器點(diǎn)火，同時(shí)選擇性催化還原(SCR)催化器會不起作用，而且試驗(yàn)表明NH3的排放量要比NOx的排放量高出數(shù)倍。Northrop等人指出，低溫燃燒雖然對降低燃油耗有利，但會導(dǎo)致半揮發(fā)性顆粒物增加。因此提出質(zhì)疑，將來是否會在總顆粒數(shù)標(biāo)準(zhǔn)中對這些排放物限值作出規(guī)定。

1.2 中國的國六排放法規(guī)

2016年,中國環(huán)境保護(hù)部公布了最終定稿的國六輕型車排放法規(guī)。圖1匯總了該排放法規(guī)的主要內(nèi)容。這些標(biāo)準(zhǔn)將分2步實(shí)施，國六a法規(guī)將于2020年生效，國六b將于2023年生效。國六a規(guī)定的PN排放限值為6×1011/km,并要求對RDE試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行監(jiān)測。PN的合格指數(shù)將會在2022年最終確定，要求從2023年開始全面實(shí)施RDE法規(guī)。國六排放法規(guī)與歐6排放法規(guī)的主要差別包括以下幾點(diǎn)：

圖1 國六排放法規(guī)摘要

(1)2023年實(shí)施的國六污染物排放標(biāo)準(zhǔn)限值更加嚴(yán)格，要求CO和碳?xì)浠衔?HC)的限值降低2倍，NOx限值降低大約40%，PM排放限值降低33%。

(2)到2025年，要求耐久性提高到200 000 km，而歐6的耐久性要求為160 000 km。

(3)PN限值適用于所有的發(fā)動(dòng)機(jī)(柴油機(jī)、缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和進(jìn)氣道噴油發(fā)動(dòng)機(jī)),而歐洲的PM限值只適用于柴油機(jī)和汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)。

型式試驗(yàn)將由OEM廠商和汽車公司合作來完成，試驗(yàn)應(yīng)在經(jīng)認(rèn)證的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，并應(yīng)向法規(guī)監(jiān)管部門提交試驗(yàn)報(bào)告。法規(guī)要求采用WLTC規(guī)定進(jìn)行氣態(tài)排放物、PM和PN的測定試驗(yàn)，應(yīng)在正常環(huán)境溫度和低環(huán)境溫度下從冷態(tài)起動(dòng)開始進(jìn)行試驗(yàn)。OEM廠商還應(yīng)對產(chǎn)品車輛和在用車輛進(jìn)行排放達(dá)標(biāo)試驗(yàn)，法規(guī)監(jiān)管部門可以對這些試驗(yàn)進(jìn)行部分或全部試驗(yàn)驗(yàn)證。法規(guī)還要求提高燃油的品質(zhì)，從2017年開始強(qiáng)制性要求在全國使用超低含硫量(10-6)的國六燃油。

在中國的一些主要的地區(qū)(如北京)可能會比其他地區(qū)更早地執(zhí)行這些排放法規(guī)，但是詳細(xì)情況尚未宣布。北京的京六燃油標(biāo)準(zhǔn)已最終定稿，并從2017年1月開始執(zhí)行。該標(biāo)準(zhǔn)要求汽油的芳香族化合物和烯烴含量分別比其他燃油標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值減少35%和15%，目的是要減少揮發(fā)性有機(jī)物、臭氧和PM 2.5的排放。

1.3 美國2022—2025年輕型車GHG排放標(biāo)準(zhǔn)

2016年1月，美國環(huán)保署發(fā)布了最終決定：確認(rèn)2022—2025年輕型車仍然執(zhí)行現(xiàn)有的GHG排放標(biāo)準(zhǔn)。這一最終決定公布后，美國環(huán)保署、國家公路交通安全委員會和加利福尼亞州空氣資源局等單位于2016年中期共同發(fā)表了1份技術(shù)評估報(bào)告。這份中期技術(shù)評估報(bào)告的結(jié)論認(rèn)為，汽車制造商能夠以較低的生產(chǎn)成本，通過采用各種先進(jìn)的汽油機(jī)技術(shù)和車輛電氣化(混合動(dòng)力電動(dòng)車、插電式混合動(dòng)力車和電動(dòng)車)來滿足GHG排放標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 重型車排放標(biāo)準(zhǔn)

2016年，重型車的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)和溫室氣體排放標(biāo)準(zhǔn)都有明顯的收緊。中國提出了相當(dāng)于歐6的排放標(biāo)準(zhǔn)，印度最終決定在2020—2021年將排放標(biāo)準(zhǔn)收緊到歐6的水平。美國環(huán)保署提出了一份關(guān)于采用氧化釩SCR的指導(dǎo)性文件。加利福尼亞州以及美國環(huán)保署準(zhǔn)備收緊重型車的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)，美國最終確定了Tier 2重型車溫室氣體排放標(biāo)準(zhǔn)。另外，歐洲的Tier 5非道路移動(dòng)機(jī)械的排放法規(guī)也已最終定稿。

1.4.1中國的國六重型車排放法規(guī)

中國已提出了國六重型車排放法規(guī)草案，除了在以下幾方面稍有差別外，該法規(guī)與歐6標(biāo)準(zhǔn)非常相似。對于N1(車輛總質(zhì)量<3 500 kg)以及M1和M2(車輛總質(zhì)量<5 000 kg的乘用車)等級的車輛，國六法規(guī)要求滿足5年200 000 km的質(zhì)量保證，而歐6標(biāo)準(zhǔn)為160 000 km。國六法規(guī)要求采用遙控車載診斷系統(tǒng)(OBD)，且OBD應(yīng)定期將車輛的狀態(tài)傳送給政府機(jī)關(guān)。由于中國許多公路的海拔高度要高于歐洲公路，因而在采用便攜式排放檢測系統(tǒng)(PEMS)進(jìn)行車輛排放達(dá)標(biāo)試驗(yàn)時(shí)，相應(yīng)的海拔高度為2 400 m，而歐6則為1 600 m。在車輛排放達(dá)標(biāo)的最小功率閾值范圍為10%，與2018/2019年9月開始實(shí)施的新歐6標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)。國六法規(guī)的實(shí)施時(shí)間可能會晚于2020年。北京市可能會比國內(nèi)其他地區(qū)提前2年實(shí)施國六標(biāo)準(zhǔn)，而執(zhí)行國六排放法規(guī)的時(shí)間可能會提前3年。

1.4.2美國環(huán)保署關(guān)于氧化釩SCR催化器的指導(dǎo)性文件

在經(jīng)過了5年的評估后，美國環(huán)保署發(fā)表了1份關(guān)于在重型車發(fā)動(dòng)機(jī)排放系統(tǒng)中采用氧化釩SCR催化器的指導(dǎo)性文件。要求車輛制造商提供有關(guān)氧化釩升華溫度的數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)應(yīng)按推薦的試驗(yàn)方法獲取,采用氧化鋁基床收集氧化釩,采用電感耦合等離子體-光發(fā)射光譜法分析氧化釩。制造商除了要保證催化器在正常工作時(shí)不超過該升華溫度外，還應(yīng)在催化器萬一發(fā)生因發(fā)動(dòng)機(jī)零部件故障和HC積聚而引起的溫升時(shí)，確定采用對應(yīng)的控制措施來保護(hù)催化器。這些預(yù)防措施應(yīng)能防止氧化釩向外排放。

①為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。

1.4.3加利福尼亞州和美國環(huán)保署的低NOx排放法規(guī)

為了滿足國家的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，加利福尼亞州的排放法規(guī)正在繼續(xù)向前推進(jìn)，到2024年，要求新重型卡車的NOx排放削減高達(dá)90%，NOx排放量要降低到26 mg/(kW·h)。為此，加利福尼亞州、美國環(huán)保署和整車廠正在美國西南研究院開展1項(xiàng)試驗(yàn)計(jì)劃，以便為排放法規(guī)提供可行性數(shù)據(jù)。

關(guān)于收緊的NOx排放法規(guī)是否會導(dǎo)致燃油耗增加這一問題產(chǎn)生了很多爭議。排放控制設(shè)備制造商協(xié)會利用2002年以來的發(fā)動(dòng)機(jī)認(rèn)證數(shù)據(jù)評估了兩者的相互關(guān)系。主要結(jié)果如圖2所示。

圖2 由美國環(huán)保署的重型車發(fā)動(dòng)機(jī)認(rèn)證數(shù)據(jù)揭示的排放控制技術(shù)對CO2和NOx排放的影響

一般來說，控制NOx和PM排放的技術(shù)會導(dǎo)致CO2排放增加。但是，2010年及以后的發(fā)動(dòng)機(jī)采用了廢氣再循環(huán)(EGR)、SCR和DPF后的排放情況則顯示，它們的CO2和NOx排放量都有所降低。盡管在2010—2016年間NOx的排放標(biāo)準(zhǔn)并沒有改變，但在這期間，經(jīng)認(rèn)證的NOx和CO2排放量也分別降低了20%和7%。

1.4.4溫室氣體排放法規(guī)

美國環(huán)保署和國家公路交通安全委員會最終確定了Tier 2重型車GHG排放標(biāo)準(zhǔn)。與實(shí)施到2017年的GHG排放標(biāo)準(zhǔn)相似，該新標(biāo)準(zhǔn)要求在2017年、2024年和2027年分3步實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制性CO2減排。該標(biāo)準(zhǔn)要求CO2排放量比Tier 1 GHG標(biāo)準(zhǔn)降低約5%，并首次將拖掛車列為減排考核對象。牽引車發(fā)動(dòng)機(jī)要按照修訂后的穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)法進(jìn)行試驗(yàn)，該穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)法反映了現(xiàn)代商用車常用的發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速工況。采用了1種改進(jìn)的車輛模擬模型(GHG排放模型)估算了車輛的CO2減排情況。圖3所示為各種車輛在執(zhí)行Tier 1和Tier 2 CO2排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)燃油耗比2010年減少的情況。實(shí)施Tier 2 GHG標(biāo)準(zhǔn)后，估計(jì)各種車輛的成本將會有所增加。

圖3 美國重型車溫室氣體排放標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后重型車燃油耗降低的情況

Delgado和Muncrief對歐洲和美國的凈載質(zhì)量為19.3 t的長途運(yùn)輸卡車的燃油耗進(jìn)行了比較。研究發(fā)現(xiàn)，在2015年，美國卡車的燃油耗要比歐洲的高5%。但是，考慮到美國卡車正以每年2.5%的水平改善燃油耗，而歐洲卡車則以每年1.7%的水平改善燃油耗，預(yù)計(jì)到2021年美國和歐洲卡車的燃油耗水平將會趨于一致。在這方面，歐洲委員會正在起草一份建議報(bào)告，要求采用車輛能耗計(jì)算(VECTO)整車模擬工具來監(jiān)測和通報(bào)重型車的CO2排放情況，該報(bào)告將于2017年發(fā)布，將于2018年或2019年按照計(jì)劃進(jìn)行車輛能耗監(jiān)測。目的是要得到有關(guān)卡車燃油耗的連續(xù)信息，同時(shí)可以利用這些信息來提出重型車的CO2排放法規(guī)。

1.5 非道路移動(dòng)機(jī)械排放法規(guī)

歐盟最終決定了非道路移動(dòng)機(jī)械的Tier 5排放法規(guī)。最明顯的是，該法規(guī)要求19～560 kW的非道路設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)、功率大于300 kW的內(nèi)陸水運(yùn)船舶發(fā)動(dòng)機(jī)和軌道車發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)達(dá)到1×1012/(kW·h)的PN限值，估計(jì)這些發(fā)動(dòng)機(jī)必須配裝DPF才能達(dá)到這一限值。該法規(guī)將于2018年1月起用于發(fā)動(dòng)機(jī)型式鑒定，并在1年后投入市場應(yīng)用。功率56～130 kW的非道路設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)和功率300 kW以上的內(nèi)河水運(yùn)船舶發(fā)動(dòng)機(jī)(主機(jī)和輔機(jī))可能推遲1年執(zhí)行該法規(guī)，鐵路機(jī)車和軌道車用發(fā)動(dòng)機(jī)則可能推遲2年實(shí)施該法規(guī)。對排放耐久性的要求如下：功率小于19 kW的發(fā)動(dòng)機(jī)為3 000 h；功率19～37 kW的發(fā)動(dòng)機(jī)為5 000 h；功率大于37 kW的發(fā)動(dòng)機(jī)為8 000 h。此外，該法規(guī)還首次要求制造商監(jiān)測和報(bào)告發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過程中的排放情況。

表1 各種CO2減排技術(shù)的減排效果推測和發(fā)展現(xiàn)狀

2 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

大多數(shù)主要國家都已設(shè)定了輕型車的燃油效率目標(biāo)和CO2減排目標(biāo)。新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)標(biāo)準(zhǔn)下各國CO2排放目標(biāo)是：歐洲2021年起為95 g/km,美國2025年起為97 g/km，中國2020年起為117 g/km，日本2020年起為122 g/km。為了滿足嚴(yán)格的CO2排放法規(guī)，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)正在快速發(fā)展。在輕型車領(lǐng)域，為滿足用戶的需求和GHG排放法規(guī)，未來技術(shù)方案的取向會繼續(xù)選擇最經(jīng)濟(jì)的方案。迄今為止，采用的是以發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的逐漸向混合動(dòng)力發(fā)展的技術(shù)途徑。技術(shù)的進(jìn)步已能使OEM廠商達(dá)到和超過如今的各種排放目標(biāo)。例如，2015年，歐洲新注冊車輛的CO2排放量幾乎已達(dá)到了120 g/km,它要比當(dāng)年的目標(biāo)值130 g/km低8%。盡管如此，想要達(dá)到未來的排放目標(biāo)，從現(xiàn)在到2020年必須實(shí)現(xiàn)20%～25%的CO2減排。另外，由實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)達(dá)到的燃油效率改善效果還沒有在實(shí)際行駛狀態(tài)中得到反映。在重型車領(lǐng)域，技術(shù)方案的選擇范圍只是局限于礦物燃油種類的選擇，柴油的開發(fā)仍有一定的優(yōu)勢。

2.1 輕型車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

2.1.1汽油機(jī)

在針對2022—2025年GHG排放標(biāo)準(zhǔn)所作的中期技術(shù)評估中，人們已確認(rèn)有些發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)能夠滿足2025年車輛的排放目標(biāo)，這些發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)包括停缸、可變氣門正時(shí)、渦輪增壓小型化汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)、EGR、阿特金森循環(huán)和米勒循環(huán)、降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦等。表1示出了一些具有前景的能實(shí)現(xiàn)燃油耗降低和CO2減排的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。

馬自達(dá)公司的Okita介紹了他們欲使內(nèi)燃機(jī)效率再提高25%的設(shè)想，其目的是要使內(nèi)燃機(jī)WTW的CO2排放水平與電網(wǎng)供電電動(dòng)車的CO2水平相等(圖4)。他們提出的技術(shù)策略包括：(1)將3.7 L的V6發(fā)動(dòng)機(jī)改小為2.5 L的直列4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，使泵氣損失和摩擦損失各降低30%；(2)通過加強(qiáng)低轉(zhuǎn)速時(shí)的掃氣和中、高轉(zhuǎn)速時(shí)的高壓冷卻EGR，以及采用10.5的有效壓縮比來改善高轉(zhuǎn)速時(shí)的抗爆燃性能。據(jù)報(bào)道，有一款HCCI(均質(zhì)壓燃)發(fā)動(dòng)機(jī)已首次投入了實(shí)際應(yīng)用，盡管馬自達(dá)公司尚未對此發(fā)布官方消息。另外，人們還在考慮通過改進(jìn)車輛和變速箱來提高燃油經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)美國環(huán)保署進(jìn)行的模擬研究顯示, 從馬自達(dá)公司的2014年Skyactiv 2.0 L車輛入手，通過采用減輕質(zhì)量、減少滾動(dòng)阻力和空氣動(dòng)力學(xué)阻力、采用停車起動(dòng)系統(tǒng)和8檔自動(dòng)變速箱等未來的技術(shù)，有可能使車輛的城市和公路綜合燃油耗達(dá)到52 g/mile。

圖4 先進(jìn)內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)車WTW的CO2排放比較

以滿足Tier3 Bin30限值為目標(biāo)的汽油直噴壓縮著火發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)工作取得了積極進(jìn)展。試驗(yàn)證實(shí)，在寬廣的負(fù)荷范圍內(nèi)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)的有效燃油消耗率已達(dá)到了211～214 g/(kW·h)，略高于200 g/(kW·h)的目標(biāo)值。第三代設(shè)計(jì)采用了16的高壓縮比和35 MPa噴油壓力。然而，與低溫燃燒相關(guān)的催化器點(diǎn)火問題仍然是這種發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的主要挑戰(zhàn)。為了滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，就需要使催化器達(dá)到非常高的HC轉(zhuǎn)換率(高于99%)，在排氣溫度非常低的情況下，要達(dá)到這樣高的轉(zhuǎn)換率是特別困難的。目前正在研究的排氣后處理系統(tǒng)有安裝在渦輪增壓器前的催化器、HC收集器、SCR催化器和被動(dòng)再生汽油機(jī)顆粒過濾器(GPF)。

專用EGR概念取得了積極的進(jìn)展，這種專用EGR是將4缸發(fā)動(dòng)機(jī)中1個(gè)氣缸的排氣以25% EGR率反饋給進(jìn)氣歧管。試驗(yàn)證實(shí)，壓縮比高達(dá)13.6的優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)采用雙EGR后，制動(dòng)平均有效壓力(BMEP)為1.2～1.4 MPa和轉(zhuǎn)速為1 500～3 500 r/min時(shí)，有效燃油消耗率(BSFC)不高于200 g/(kW·h)。以前的車輛試驗(yàn)顯示，NOx+非甲烷有機(jī)氣體(NMOG)的排放量達(dá)到了31 mg/mile,它略高于低排放車(LEV)-3的排放限值。較低的排氣溫度是對HC排放提出的1個(gè)挑戰(zhàn)，因此，人們正在考慮采用HC收集器來解決這一問題。有人用抗爆燃指數(shù)(AKI)為81～93的燃油對發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行了比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用AKI81燃油時(shí)，向雙EGR氣缸超量供油35%時(shí)產(chǎn)生的爆燃極限最大扭矩與燃用AKI89燃油不超量供油時(shí)產(chǎn)生的這一扭矩相同。因而可以將燃用低辛烷值燃油和雙EGR結(jié)合在一起作為進(jìn)一步改善發(fā)動(dòng)機(jī)WTW CO2排放水平的1個(gè)途徑。

2016年中，在提高燃油經(jīng)濟(jì)性方面的1個(gè)重要里程碑是可變壓縮比(VCR)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了商用化。日產(chǎn)公司開發(fā)了一種能使壓縮比在8～14之間變化的“多連接桿”系統(tǒng)，它是通過執(zhí)行器電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制軸及通過改變連接活塞的各連接桿位置來改變壓縮比的。這一技術(shù)與進(jìn)氣道多點(diǎn)噴油和缸內(nèi)直噴相結(jié)合，能給燃油經(jīng)濟(jì)性帶來附加的好處。通過進(jìn)一步與小型化相結(jié)合，將傳統(tǒng)的3.5 L V6發(fā)動(dòng)機(jī)改為2.0 L可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)后，燃油經(jīng)濟(jì)性提高了30%。由于能在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況范圍內(nèi)改變壓縮比，可以預(yù)計(jì)，除了燃油經(jīng)濟(jì)性提高外，排放也能有所降低。其他幾種可變壓縮比技術(shù)也正在開發(fā)之中，例如兩級可變連桿和Envera公司與Eaton公司研發(fā)的2.4 L可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)，它們的目標(biāo)是要在8.2～17.5之間實(shí)現(xiàn)可變壓縮比。

汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)正在取得一定的市場份額，隨著渦輪增壓和小型化的同步應(yīng)用，這些發(fā)動(dòng)機(jī)的比功率正在增加。同時(shí)，一些能克服高負(fù)荷爆燃和進(jìn)一步提高燃油效率的技術(shù)也在向前發(fā)展。噴水就是這類技術(shù)中的一種，盡管這并不是新技術(shù)，但它正在重新引起大眾的興趣。為了探索在進(jìn)氣道噴油的同時(shí)直接向氣缸內(nèi)噴水的潛力，曾經(jīng)對單缸試驗(yàn)進(jìn)行過研究。在部分負(fù)荷(2 000 r/min，90 N·m)和轉(zhuǎn)速為1 500～3 000 r/min的全負(fù)荷下，研究了噴水的效果。該研究顯示，在所有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下均存在最佳噴水量，偏離該最佳噴水量時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和排放都會惡化。在部分負(fù)荷時(shí)，BSFC能降低7%，在全負(fù)荷工況時(shí)，由于排除了燃油加濃，BSFC可降低17%。在所有情況下，燃油耗改善都伴隨著排氣溫度的降低：在部分負(fù)荷時(shí)排氣溫度約降低125 ℃，在全負(fù)荷時(shí)排氣溫度降低約300 ℃。在全負(fù)荷時(shí)，CO和NOx排放也有所降低，盡管HC排放因噴水而有所增加，其最大噴水量是高負(fù)荷低轉(zhuǎn)速(1 500 r/min)工況時(shí)噴油量的2倍。

Hoppe等人還進(jìn)行了將排氣和EGR的冷凝水收集利用起來直接噴射的試驗(yàn)研究。該研究在1臺壓縮比為13.5的采用米勒循環(huán)和冷卻外部EGR的單缸直噴發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行。燃油和水都直接噴入氣缸,燃油通過中央布置的噴油器噴射,水則由2個(gè)側(cè)置的噴射器進(jìn)行噴射。噴水始點(diǎn)優(yōu)化在上止點(diǎn)前120°CA。試驗(yàn)顯示，在水/燃油比為50%～60%時(shí)，燃油耗最佳。在低負(fù)荷時(shí)，效率提升高達(dá)3.8%，在全負(fù)荷時(shí)，效率提升高達(dá)16%。在水/燃油比為50%時(shí)，排氣溫度下降了約100 ℃。NOx排放有所減少，但HC排放則有所增加。所有這些結(jié)果與以前的研究頗為一致。他們還在空燃比λ為1.4，在轉(zhuǎn)速3 000 r/min和1.4 MPa平均指示壓力(IMEP)的條件下觀測了稀燃運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噴水效果。在水/燃油比為26%時(shí),效率提高了4.5%，排氣溫度下降了50 ℃。

盡管發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)在進(jìn)步，但Thomas認(rèn)為，為了滿足2025年GHG排放目標(biāo)，還需要更快地改善和推廣插電式混合動(dòng)力車。他分析了過去10年在提高燃油經(jīng)濟(jì)性方面取得的進(jìn)展。對2005年和2015年的相同型號車輛以每組40輛進(jìn)行了比較，指出在過去10年中，燃油經(jīng)濟(jì)性令人驚訝地提高了26%。比較結(jié)果如圖5所示。然而，為了滿足2025年排放標(biāo)準(zhǔn)，必須進(jìn)一步加快技術(shù)發(fā)展的步伐，并應(yīng)在今后10年中使燃油經(jīng)濟(jì)性提高44%～53%。車輛WTW的效率必須從2015年的22%提高到2025年的33%，而單靠汽油機(jī)動(dòng)力總成是很難滿足這一要求的。

圖5 40輛轎車的燃油經(jīng)濟(jì)性認(rèn)證評定值與2012—2025年燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)的比較

除了提高車輛的效率和電氣化程度外,要想達(dá)到未來GHG排放標(biāo)準(zhǔn)，還應(yīng)增加可再生能源的使用量。加利福尼亞州確定的目標(biāo)是，到2050年要求達(dá)到CO2排放48 g/km的排放水平，它要比2010年的排放水平減少80%。國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的一項(xiàng)最新研究指出，為了達(dá)到碳排放的目標(biāo)，大部分能源將必須來自可再生能源，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)使用的燃油60%～80%要來自纖維素乙醇，燃料電池車輛使用的氫氣幾乎一半要來自低碳的可再生能源(太陽能和風(fēng)能)，蓄電池電動(dòng)車使用的由煤產(chǎn)生的電力必須低于30%。

2.1.2柴油機(jī)

由于輕型柴油機(jī)技術(shù)已有較大的進(jìn)步，因而提高效率和減少NOx排放的重點(diǎn)是要優(yōu)化其增益。Zaccardi和De Paola對效率損失進(jìn)行了分析，評估了通過采用可變壓縮比和減少熱損失來提高效率的進(jìn)展情況。按WLTC進(jìn)行的試驗(yàn)顯示，采用可變壓縮比和使摩擦減少20%，能節(jié)省燃油10%左右，但NOx排放會增加約7%。通過采用較小的噴油嘴，以及優(yōu)化渦流、壓縮比和燃燒室設(shè)計(jì)來提升火焰擴(kuò)散燃燒的性能，可使燃油耗減少約8%。對可變氣門技術(shù)、熱涂層、低溫燃燒、減小氣缸面-容比，以及優(yōu)化燃燒相位和燃燒持續(xù)時(shí)間進(jìn)行了模擬，估計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)能在有效熱效率達(dá)到40.3%的情況下使燃油耗減少16%(轉(zhuǎn)速2 000 r/min,BMEP 1.9 MPa時(shí)，燃油耗為209 g/(kW·h))。

盡管柴油機(jī)混合動(dòng)力電動(dòng)車實(shí)現(xiàn)商用化已有好幾年，但是在采用48 V供電的皮帶傳動(dòng)的起動(dòng)發(fā)電機(jī)(BSG)系統(tǒng)時(shí)，柴油機(jī)混合電動(dòng)車的NOx和CO2減排有明顯改善。Moergastel在1輛配裝2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)的1 700 kg車輛上采用BSG系統(tǒng)時(shí)，車輛在WLTC試驗(yàn)中NOx排放減少了40%，CO2排放減少了3%。采用10 kW和15 kW BSG系統(tǒng)時(shí)車輛的CO2排放量相差約1%，而發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放量則沒有差異。在高負(fù)荷時(shí)，NOx排放減少了30%，而CO2排放變化很小。此外，瞬態(tài)響應(yīng)和排氣溫度有所改善。

Methe等人采用1臺200 kW的3.0 L柴油機(jī)、1臺串聯(lián)安裝的60 kW電動(dòng)機(jī)和2 kW·h鋰離子蓄電池配裝了2 200 kg混合動(dòng)力電動(dòng)車。該車從0～100 km的加速時(shí)間由6.8 s縮短到5.5 s,按WLTC試驗(yàn)時(shí)CO2排放量減少了13%，同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)排放的NOx減少了20%。在RDE工況試驗(yàn)中，與純柴油機(jī)車相比，CO2排放減少了10%，NOx排放降低了20%。在城市工況行駛時(shí)，CO2和NOx分別降低了22%和31%。

Achates Power公司正在開發(fā)1種2.25 L的二行程對置活塞輕型車發(fā)動(dòng)機(jī)。這種直列3缸(6個(gè)活塞)發(fā)動(dòng)機(jī)按WLTC行駛循環(huán)試驗(yàn)得出的結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，它的燃油耗、NOx和PM分別減少了28%、42%和74%。采用這種發(fā)動(dòng)機(jī)的輕型車樣車預(yù)計(jì)會在2018年問世，估計(jì)它的綜合燃油經(jīng)濟(jì)性(城市+公路)為37 mile/g。

Warey等人利用模擬方法對1臺0.9 L 3缸對置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的效率進(jìn)行了分析，并將它與1臺具有當(dāng)代技術(shù)水平(2020年型)的1.2 L 3缸四行程發(fā)動(dòng)機(jī)作了比較。按WLTC試驗(yàn)時(shí)，這臺對置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的CO2排放量要比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的低13%。該發(fā)動(dòng)機(jī)效率較高的主要原因是熱損失低(沒有氣缸蓋)，并且熱能被有效地轉(zhuǎn)換成了有效功。

2.2 重型車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

與輕型車柴油機(jī)相同，重型車柴油機(jī)技術(shù)也在朝著提高技術(shù)增益的方向發(fā)展。但是，由于燃油成本始終是重型車領(lǐng)域的一項(xiàng)主要運(yùn)行費(fèi)用，因而需要采用更先進(jìn)的節(jié)油技術(shù)。本節(jié)將介紹這些技術(shù)的進(jìn)展情況。另外還將討論天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)及重型車動(dòng)力總成電氣化的進(jìn)展情況。

2.2.1柴油機(jī)

去年，美國能源部結(jié)束了超級卡車1計(jì)劃，該計(jì)劃的目標(biāo)是要求卡車的貨運(yùn)效率(每加侖燃油的噸載貨英里數(shù))比2009年的水平提高50%，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率(BTE)要達(dá)到50%。Gravel總結(jié)了實(shí)施超級卡車1計(jì)劃后取得的主要成果：(1)卡車的貨運(yùn)效率提高了76%～115%；(2)BTE從42%提高到了50%～51%；(3)卡車質(zhì)量減少高達(dá)1 270 kg；(4)卡車的牽引阻力降低了54%；(5)許多技術(shù)都準(zhǔn)備投入生產(chǎn)應(yīng)用。

Gravel還介紹了新啟動(dòng)的超級卡車2計(jì)劃和它的目標(biāo)。該計(jì)劃要求卡車的貨運(yùn)效率比2009年水平提高100%，發(fā)動(dòng)機(jī)的BTE要達(dá)到50%，同時(shí)，其他性能應(yīng)保持或好于超級卡車1計(jì)劃的水平。有4家公司(Cummins,Daimler,Navistar和Volvo)參與了超級卡車2計(jì)劃。在實(shí)施該計(jì)劃的過程中，至少由2家參與公司負(fù)責(zé)評估的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，包括廢熱回收、減少摩擦、提高壓縮比或最高氣缸壓力、改進(jìn)排氣后處理、減少熱損失和改進(jìn)冷卻系統(tǒng)。各參與公司獨(dú)自采用的技術(shù)途徑有：減小尺寸和減輕質(zhì)量，以及采用較高的壓縮比(Cummins公司)；低溫燃燒和以模型為基礎(chǔ)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制(Daimler公司)；高壓噴油和可變氣門技術(shù)(Navistar公司)；新型燃燒循環(huán)和新耐高溫材料(Volvo公司)。

從概念上來講，分開進(jìn)行工作循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)被認(rèn)為是效率最高的內(nèi)燃機(jī)，因?yàn)樗苓_(dá)到很高的壓縮比，但是，它很難付諸實(shí)際應(yīng)用。作為超級卡車2計(jì)劃的一部分，Volvo公司將對一種分開循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)評估，這臺6循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)將能達(dá)到55的壓縮比和30 MPa最高氣缸壓力。圖6所示為這種分開循環(huán)概念的示意圖。空氣首先在低壓氣缸內(nèi)被壓縮，該低壓氣缸也用作燃燒氣缸。然后，空氣流到高壓氣缸，并被第二次壓縮，空氣經(jīng)第二次壓縮后再流回到燃燒氣缸，在此對空氣進(jìn)行第三次壓縮，同時(shí)向該氣缸噴入燃油。

圖6 在實(shí)施超級卡車2計(jì)劃中，Volvo公司正在試驗(yàn)評估的分開循環(huán)(Split-Cycle)發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖

Okamoto和Uchida正在對一種不同的柴油機(jī)擴(kuò)散火焰燃燒方法進(jìn)行試驗(yàn)評估，試圖將燃燒分成兩個(gè)階段(先進(jìn)行接近定容的燃燒過程，緊接著再進(jìn)行定壓燃燒過程)來降低最高氣缸壓力(該燃燒過程類似于Sabathe循環(huán))。他們在1臺安裝2個(gè)附加噴油器的單缸2.0 L柴油機(jī)上驗(yàn)證了這種燃燒方式的效果，這兩個(gè)噴油器呈傾斜狀態(tài)安裝，以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)渦流。實(shí)際上，這就是形成了由中央布置噴油器噴油產(chǎn)生的中心燃燒區(qū)(早期定容燃燒)和由傾斜安裝噴油器噴油產(chǎn)生的外圍燃燒區(qū)(后期定壓燃燒)。他們可以通過調(diào)節(jié)噴油量和噴油正時(shí)來控制這兩個(gè)階段的燃燒過程。如圖7所示，該燃燒過程的壓力曲線較為平緩，放熱率曲線呈雙峰形態(tài)。由于峰值溫度較低和混合良好，因而NOx和PM排放能同時(shí)得到降低。采用EGR還能使NOx和PM進(jìn)一步降低。他們的測試結(jié)果顯示，指示熱效率約為57%(轉(zhuǎn)速1 000 r/min,80%負(fù)荷,λ為3,壓縮比18)，并且還可能上升至50%的有效熱效率。

在非道路移動(dòng)機(jī)械領(lǐng)域，發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣后處理系統(tǒng)的安裝是個(gè)問題，所以發(fā)動(dòng)機(jī)小型化是關(guān)鍵問題的核心。Dahodwala等人在保持發(fā)動(dòng)機(jī)性能的情況下將1臺225 kW 7.5 L 6缸非道路移動(dòng)機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)改小為4缸5.0 L的發(fā)動(dòng)機(jī)，并對若干發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)行了模擬研究。他們通過添加二級渦輪增壓器(普通增壓器或順序增壓器)及附加的進(jìn)氣空氣冷卻器來實(shí)現(xiàn)他們的目標(biāo)。峰值氣缸壓力比較高(該發(fā)動(dòng)機(jī)為26 MPa,基準(zhǔn)機(jī)型為22 MPa)是要綜合考慮的問題。該發(fā)動(dòng)機(jī)在農(nóng)業(yè)耕作機(jī)和前端裝載機(jī)上使用時(shí)，燃油耗能降低6%。

圖7 新擴(kuò)散火焰燃燒策略的燃燒特性

Sharma和Redon介紹了對1臺4.9 L 3缸二行程對置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行的瞬態(tài)試驗(yàn)。結(jié)果表明，該發(fā)動(dòng)機(jī)完全能滿足瞬態(tài)運(yùn)行的要求。與1臺2011年的6.7 L傳統(tǒng)柴油機(jī)相比，該發(fā)動(dòng)機(jī)按熱態(tài)美國聯(lián)邦試驗(yàn)規(guī)程(FTP)試驗(yàn)循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，燃油耗降低了18%。發(fā)動(dòng)機(jī)的污染物排放量與采用傳統(tǒng)排放控制技術(shù)時(shí)的排放水平相同。

2.2.2天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)

如果用沼氣作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，那么天然氣正成為人們用來減少發(fā)動(dòng)機(jī)GHG和運(yùn)行成本的發(fā)展途徑。Kruse報(bào)道稱，與采用礦物天然氣相比，采用由城市固體廢物產(chǎn)生的沼氣能使WTW的GHG排放減少50%，采用由垃圾填埋場產(chǎn)生的沼氣能減少WTW的GHG排放85%，采用廢水處理廠產(chǎn)生的沼氣能減少WTW的GHG 100%，采用由農(nóng)業(yè)肥料產(chǎn)生的沼氣能減少WTW的GHG 130%(可以避免GHG)。

減少NOx排放是促使人們采用天然氣車輛的第三推動(dòng)力。Thiruvengadam測定了火花點(diǎn)燃理論空燃比甲烷燃料發(fā)動(dòng)機(jī)卡車(配裝三效催化器)、高壓直噴壓燃雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)卡車(配裝DPF+SCR)和柴油機(jī)卡車(配裝DPF+SCR)在低負(fù)荷行駛時(shí)的NOx排放。結(jié)果顯示，在本地和碼頭行駛時(shí)，柴油機(jī)卡車的NOx排放量(1.25～1.83 g/(bhp·h))是高壓直噴壓燃雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)卡車NOx排放量的7倍，是火花點(diǎn)燃甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)卡車NOx排放量(40～90 mg/(bhp·h))的24倍。在大于95%的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)卡車的排氣溫度要比柴油機(jī)卡車和高壓直噴雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)卡車的低250 ℃,這明顯會限制SCR催化器的功能。

加利福尼亞州的重型車低NOx排放計(jì)劃促進(jìn)了天然氣卡車的發(fā)展，但這種卡車還需要繼續(xù)改進(jìn)。Roberts介紹了在1臺2012年Cummins 12.0 L火花點(diǎn)燃理論空燃比天然氣卡車上進(jìn)行的開發(fā)試驗(yàn)。通過對燃油系統(tǒng)、EGR、傳感器和控制系統(tǒng)、以及排氣后處理系統(tǒng)的改進(jìn)，車輛按FTP循環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，NOx的綜合排放量從110 mg/(bhp·h)降到了14 mg/(bhp·h)。

壓縮天然氣的儲氣罐在車輛上會占據(jù)很大的空間，并且難以安裝，Kruse介紹了一種一次成型的新型天然氣儲氣罐，與剛性圓筒形儲氣罐相比，它的安裝更加靈活方便。

2.2.3重型車的電氣化

重型車電氣化除了采用混合動(dòng)力外，正朝著蓄電池供電和電動(dòng)道路系統(tǒng)方向發(fā)展，例如，采用架空線或懸鏈電纜來驅(qū)動(dòng)卡車。Lehmann評述了電動(dòng)道路系統(tǒng)的最新情況。電動(dòng)道路系統(tǒng)卡車獲得的80%電力相當(dāng)于的柴油機(jī)卡車65%的能源消耗，而單位距離排放的NOx是柴油機(jī)卡車的30%。據(jù)報(bào)道，瑞典、美國加利福尼亞州和德國將打算開展電動(dòng)道路系統(tǒng)卡車的試驗(yàn)。

3 稀NOx控制

稀NOx控制是柴油機(jī)和稀燃汽油機(jī)的重要排放控制技術(shù)。第一套SCR系統(tǒng)是20多年前在車輛上進(jìn)行試驗(yàn)的，而SCR系統(tǒng)首次投入商業(yè)化應(yīng)用大約是在14年前。NOx儲存催化技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用要更早一些，該技術(shù)仍在快速發(fā)展之中。本節(jié)將介紹這兩項(xiàng)技術(shù)在去年取得的重要進(jìn)展。

3.1 SCR催化器

SCR催化器的配方仍在不斷改進(jìn)，并正在取得出色的效果。現(xiàn)今市場上大多數(shù)銅沸石配方的熱穩(wěn)定性都能保持到了800 ℃左右。Ryu等人開發(fā)了1種“LTA”結(jié)構(gòu)銅沸石，這種沸石在900 ℃下暴露12 h后性能幾乎沒有惡化，圖8示出了它的一些性能結(jié)果。與Cu-SSZ-13相比，“LTA”沸石的N2O排放量與它大致相同或稍低一些，且高溫時(shí)氨氧化較少，因而能在550 ℃時(shí)產(chǎn)生很好的NOx轉(zhuǎn)換率。對硫的耐受度與Cu-SSZ-13的相同，且脫硫更容易，在500 ℃下脫硫2 h后可以將硫全部回收。這種小籠形沸石結(jié)構(gòu)還具有耐碳?xì)涞哪芰Γ?dāng)它暴露在丙烯中時(shí)不會影響其性能。

圖8 LTA銅沸石的NOx轉(zhuǎn)換率與Cu-SSZ-13催化器(圖中標(biāo)記為“x”，左上角給出了它的最佳配方)NOx轉(zhuǎn)換率的比較

Jacques等人對大空穴鐵沸石、氧化釩催化器和兩種小空穴銅沸石SCR催化器(CuSPZ-SAPO和CuSPZ-沸石)的耐久性和中毒情況進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示，銅沸石對鉑中毒的耐受度最好(只有6×10-6鉑中毒污染)，鐵沸石對鉑中毒的耐受度最差，在20×10-6鉑中毒污染時(shí)，鐵沸石的NOx轉(zhuǎn)換率喪失量是SPA-SAPO的4倍。氧化釩抗鉑中毒的能力也較差。CuSPZ-沸石對腐蝕性液體(pH11)的耐受度要比CuSPZ-SAPO的高，所以，當(dāng)后者直接暴露在尿素中時(shí)，耐腐蝕可能就是1個(gè)問題。但是，當(dāng)它們在800 ℃的濃混合氣(λ為0.96)中暴露16 h后，CuSPZ-沸石的性能惡化程度要比CuSPZ-SAPO的更大，所以，如果采用NOx吸附催化器時(shí)，則會存在一些難度。

Tang等人論述了重型車領(lǐng)域采用氧化釩催化器時(shí)出現(xiàn)的一些問題，尤其是在發(fā)展中國家地區(qū)。例如，催化器被潤滑油中的磷污染后會導(dǎo)致NOx轉(zhuǎn)換率降低。當(dāng)1輛國四城市公共汽車?yán)塾?jì)行駛了400 000 km后，22.4 L的氧化釩催化器的前半部分含有4.0% P2O3，而在33 cm的下游位置P2O5的含量為0.6%。在250 ℃時(shí)，前半部分的NOx轉(zhuǎn)換率只有20%，而下游部位的NOx轉(zhuǎn)換率為70%，相比之下，基準(zhǔn)催化器的NOx轉(zhuǎn)換率則為95%。在另一個(gè)應(yīng)用實(shí)例中，因尿素沉積引起的表面堵塞造成了催化器表面碳煙積聚，最終導(dǎo)致因背壓過高而使碳煙發(fā)生災(zāi)難性燃燒，進(jìn)而最終導(dǎo)致氧化釩SCR催化器熔化。這個(gè)例子表明，必須避免氧化釩催化器暴露在各種高溫環(huán)境中。因此，在美國環(huán)保署發(fā)布的氧化釩SCR催化器指導(dǎo)性文件中，提供了發(fā)動(dòng)機(jī)零部件故障和碳?xì)浞e聚引起的升溫問題。

SCR過濾器是輕型車柴油機(jī)排放控制系統(tǒng)中的1個(gè)重要部件。Demuynck等人評估了2輛只采用SCR過濾器進(jìn)行NOx后處理的(2014年款和2015年款)柴油機(jī)轎車的實(shí)際行駛排放性能。結(jié)果是，2014年型車輛起初沒能通過試驗(yàn)，但經(jīng)過重新標(biāo)定后該車通過了試驗(yàn)，而且其NOx排放量下降了50%。2015年車型則通過了試驗(yàn)。這表明SCR過濾器本身有足夠的能力來滿足RDE法規(guī)的要求。

采用SCR過濾器時(shí)，碳煙與SCR反應(yīng)的相互影響已引起人們的關(guān)注，某些研究顯示，碳煙會消耗快速SCR反應(yīng)時(shí)所需的NO2。但是，Mihai等人的研究顯示，對于在150 ℃起的溫度下產(chǎn)生的快速SCR反應(yīng)，有碳煙存在時(shí)其反應(yīng)活性明顯較高。有人認(rèn)為，碳煙能阻止硝酸銨生成，因?yàn)橛^察到在較低的溫度下會生成CO2，并且在有碳煙存在時(shí)，硝酸銨的分解產(chǎn)物N2O比較少。

3.2 稀NOx收集器

雖然LNT(稀NOx收集器)已被用于NOx控制，但它可能還不足以滿足RDE法規(guī)的要求。然而，為了實(shí)現(xiàn)輕型車柴油機(jī)的低NOx排放，現(xiàn)在人們正將LNT與SCR組合在一起使用。LNT的低溫性能可以補(bǔ)充SCR的不足，它能在高濃度再生期間產(chǎn)生替代或補(bǔ)充尿素的氨。此外，人們對被動(dòng)NOx吸附器(PNA)越來越感興趣，它能在較低的溫度下吸收NOx，在較高的溫度時(shí)以熱方式而不是以化學(xué)方式釋放NOx。本節(jié)將討論這兩種技術(shù)方案的進(jìn)展情況。

Li等人采用循環(huán)運(yùn)行和順序升溫2種濃NOx還原方法進(jìn)行了LNT的基礎(chǔ)性研究。結(jié)果顯示，銠會在還原狀態(tài)呈現(xiàn)出較好的性能而不是在氧化狀態(tài)，在氧化狀態(tài)向還原狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程中會發(fā)生NOx逸出?；瘜W(xué)動(dòng)力學(xué)分析表明，在激活能為180±14 kJ/mol時(shí)，催化器還原過程中NO的還原首先取決于NO的入口濃度，而與老化或還原器種類無關(guān)。

2011年，Bisaiji等人曾通過將還原器的噴射脈沖頻率提高到1 s(而不是采用常規(guī)的10 s)改善了LNT的高溫性能。Reihani等人推進(jìn)了此項(xiàng)工作，他們對噴射脈沖的混合均勻性、還原器種類和還原器濃度進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，還原器徑向均勻混合和軸向分開噴射能形成最佳的混合狀態(tài)，因而能獲得最好的性能。對不同的還原劑(H2、CO、C2H4、C3H6和C3H8)進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)它們的還原有效性會隨溫度而發(fā)生變化。例如，在溫度低于270 ℃時(shí)，H2的還原有效性最好，C3H8的還原有效性最差，但是，在500 ℃時(shí)，情況正好相反。一般來說，可以得出這樣的結(jié)論：在中等溫度和較高溫度范圍內(nèi)，由于碳?xì)溥€原器的氮選擇能力相對較強(qiáng)，因而具有較高的NOx轉(zhuǎn)換效率，而且碳?xì)涞姆磻?yīng)活性十分重要。

在PNA方面，Chen對3種不同的鈀沸石結(jié)構(gòu)BEA、MFI和CHA的性能進(jìn)行了評估，并將它們與CeO2基NOx吸附器的性能作了比較。這三種沸石各自有不同的吸附溫度曲線，BEA的吸附能力從80 ℃到170 ℃隨溫度升高而下降，MFI的吸附能力在100 ℃之前隨溫度上升而增強(qiáng)，然后逐漸減弱，CHA的吸附能力在100 ℃之前呈快速增強(qiáng)狀態(tài)，然后保持不變或繼續(xù)增強(qiáng)，而CeO2的吸附能力在80～170 ℃時(shí)較為恒定。BEA的NOx儲存量最大(比CeO2的NOx儲存量高出50%)，MFI的NOx儲存量次之，CHA的NOx儲存量最小。所有沸石的硫耐受度都明顯比CeO2的好。BEA、MFI和CHA的解吸附起始溫度分別為200 ℃、220 ℃和250 ℃，它們的最高解吸附溫度分別為250 ℃、280 ℃和370 ℃。

3.3 后處理系統(tǒng)

如前所述，柴油機(jī)面對的壓力是要減少NOx排放，但是，在滿足GHG排放標(biāo)準(zhǔn)方面柴油機(jī)還是很有吸引力的。因此，柴油機(jī)混合電動(dòng)車在實(shí)現(xiàn)NOx和溫室氣體減排上具有一定的潛力。Methe通過添加1個(gè)2.5 kW·h蓄電池和1臺60 kW電動(dòng)機(jī)配置了1輛排量3.0 L功率200 kW整備質(zhì)量2 200 kg的柴油機(jī)混合動(dòng)力電動(dòng)車。該車按WLTC、RDE試驗(yàn)循環(huán)和城市行駛循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放量分別比傳統(tǒng)車輛的NOx減少了20%、20%和31%，而燃油耗分別降低了13%、10%和22%。表2所示為在WLTC試驗(yàn)中該混合動(dòng)力電動(dòng)車的尾管NOx排放量與傳統(tǒng)車輛的比較?？梢娀旌蟿?dòng)力對車輛尾管NOx排放的影響是明顯的，該混合動(dòng)力電動(dòng)車在WLTC和RDE試驗(yàn)循環(huán)中尾管的NOx排放均減少了72%，在城市行駛循環(huán)中NOx排放量減少了51%(傳統(tǒng)車輛的NOx排放量則增加了69%)。這就為優(yōu)化NOx排放留出了一定的空間。取消第二個(gè)SCR催化器或者用柴油機(jī)氧化催化器(DOC)代替LNT時(shí)，混合動(dòng)力電動(dòng)車在所有試驗(yàn)循環(huán)中的NOx排放仍比傳統(tǒng)車輛的有所減少，但在城市行駛循環(huán)中，由于沒有使用LNT，因而NOx排放有所增加。在拆除尿素系統(tǒng)和只依靠LNT來產(chǎn)生氨的情況下，在所有試驗(yàn)循環(huán)中NOx排放都明顯增加。

表21輛柴油機(jī)混合動(dòng)力電動(dòng)轎車配裝不同的NOx控制系統(tǒng)時(shí)，尾管NOx排放與傳統(tǒng)車輛排放水平的比較(按WLTC試驗(yàn))

混合動(dòng)力電動(dòng)車與傳統(tǒng)車輛的比較WLTCRDE城市行駛循環(huán)傳統(tǒng)車輛過濾器+SCR過濾器0%-14%+69%HEV2.5kW蓄電池,60kW電動(dòng)機(jī)-72%-72%-51%HEV取消第二個(gè)SCR-32%-19%+30%HEV用DOC代替LNT-1%-34%+27%HEVSCR過濾器,取消第二個(gè)SCR+62%+127%+165%

美國加利福尼亞州和美國環(huán)保署的重型車低NOx排放法規(guī)將會對排放控制系統(tǒng)產(chǎn)生的什么樣影響值得關(guān)注，該法規(guī)要求車輛按FTP試驗(yàn)時(shí)NOx的排放限值為20 mg/(bhp·h)。在西南研究院正在開展一項(xiàng)政府與汽車行業(yè)合作的項(xiàng)目，該項(xiàng)目的任務(wù)是要驗(yàn)證用渦輪復(fù)合增壓發(fā)動(dòng)機(jī)(低溫排氣)來穩(wěn)定排放系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)可行性。Roberts等人介紹了幾種令人關(guān)注的后處理系統(tǒng)。這四種后處理系統(tǒng)如圖9所示。系統(tǒng)a最簡單，它在采用6 kW電加熱催化器(EHC)的情況下仍不能達(dá)到NOx排放目標(biāo)。在FTP試驗(yàn)循環(huán)中，該系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理上要多消耗3%的附加燃油。系統(tǒng)b與系統(tǒng)a相似，它有可能滿足排放目標(biāo)。該系統(tǒng)在6 kW EHC后安裝了1個(gè)較小的點(diǎn)火用SCR催化器，目的是要使FTP試驗(yàn)中的附加燃油消耗減少到1%。為了滿足排放目標(biāo)，需要對點(diǎn)火SCR催化器進(jìn)行優(yōu)化，但由于時(shí)間上不允許而未能完成。系統(tǒng)c也是頗具前景的系統(tǒng)，但由于受該計(jì)劃的資源所限，未能對它進(jìn)行優(yōu)化。在燃燒器試驗(yàn)臺上，它達(dá)到了與系統(tǒng)a和b相同的NOx排放結(jié)果(22～25 mg/(bhp·h))，附加燃油耗為1%。尿素系統(tǒng)從排氣歧管獲取排氣，采用2個(gè)噴射點(diǎn)并需要進(jìn)行較好的標(biāo)定。選擇系統(tǒng)d進(jìn)行了多次發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，它在1臺采用減排技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)上按FTP循環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，NOx的排放水平為11 mg/(bhp·h)。在FTP試驗(yàn)中微型燃燒器引起的附加燃油耗為1%。另外還有1%附加燃油耗則由SCR過濾器的再生和發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理平均分擔(dān)。

圖9 4種重型車排放控制后處理系統(tǒng)，它們有希望滿足加利福尼亞州20 mg/(bhp·h)的低NOx排放目標(biāo)(按FTP試驗(yàn))

為了在排氣溫度較低的情況下(例如在城市行駛時(shí)和采用高效率發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí))實(shí)現(xiàn)持續(xù)的低NOx排放，人們正在探索其它一些技術(shù)途徑。Zha等人探討了3種值得作進(jìn)一步試驗(yàn)研究的技術(shù)途徑。第一種是低溫催化。Gao等人開發(fā)的1種有助于消除硝酸銨的大空穴鐵沸石配方催化器就是1種方案，它能在190 ℃下還原約90%的NOx，但它需要提供NO2。第二種途徑是在低溫條件下提供確當(dāng)數(shù)量的NO2。Zha等人給出了能使EGR率與NO2份額比為1:1的EGR數(shù)據(jù)(40% EGR能實(shí)現(xiàn)0.40的NO2與NOx比)。如果DOC緊隨渦輪增壓器安裝，這時(shí)NO2將會被HC還原成NO，而且DOC可能要與直接點(diǎn)火SCR催化器一起工作。這就是探討的第3種途徑——系統(tǒng)設(shè)計(jì)。Zha等人采取將鐵沸石催化器置于銅沸石催化器前面的辦法，在一定的NO2范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了較好的NOx還原。Clark 和Pauly的試驗(yàn)顯示，25%鐵沸石和75%銅沸石相結(jié)合(或者鐵沸石再少些，銅沸石再多些)還能減少N2O的排放。

GeiBelmann等人也探索了實(shí)現(xiàn)重型車低NOx排放的途徑。根據(jù)研究報(bào)道得出，有一種銅沸石催化器在不提供NO2的情況下能在175 ℃時(shí)還原95%的NOx(但在150 ℃時(shí)NOx還原率為60%)。如果NO2達(dá)到快速SCR反應(yīng)所需的最佳值，鐵沸石催化器就能夠在150 ℃時(shí)還原100% NOx。它們援引了Zha等人介紹的幾種提供NO2的可能方法?？梢岳门艢馄绻艿臒崃俊HC或氣態(tài)氨來獲得低溫氨。它們還給出了1種帶點(diǎn)火SCR催化器的兩級SCR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。最佳的噴射策略為0.8/0.4(前/后SCR的NH3與NOx之比，總和為1.2),這時(shí)，在前SCR催化器不優(yōu)化的情況下能達(dá)到40% NOx還原率。如果點(diǎn)火SCR催化器中發(fā)生氨逃逸，它會在DOC中被轉(zhuǎn)換成N2O，并能限制第二個(gè)SCR催化器中生成NO2。在溫度高于260 ℃時(shí)，第一個(gè)SCR催化器就沒有能力來促成DPF中碳煙與NO2的燃燒。

關(guān)于氧化釩或銅沸石催化器的討論仍在繼續(xù)，尤其是在目前正在開發(fā)歐6排放控制系統(tǒng)的中國和印度。過去的研究顯示，氧化釩具備的優(yōu)點(diǎn)是對硫的耐受度較高，但在溫度較低時(shí)它需要提供較多的NO2才能很好地工作。一般來說，氧化釩催化器比較便宜。但是這些論斷還需要作進(jìn)一步的定量分析。

關(guān)于低溫性能對NO2的要求，Chatterjee等人的研究顯示，即使將DOC中的貴金屬涂載量增加50%(Pt由10 g/ft3增加到15 g/ft3)來幫助NO2生成，在重型車穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)(WHSC)中，氧化釩的NOx轉(zhuǎn)換效率還是比銅沸石催化器的低5%(前者為95%，后者為100%)，WHTC的結(jié)果也與此相同。然而，在200 ℃的臺架試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，即使NOx中混有35% NO2，氧化釩催化器在200 ℃時(shí)的NOx轉(zhuǎn)換效率也比銅沸石催化器的低10%，直到300～350 ℃時(shí)，氧化釩催化器的NOx轉(zhuǎn)換效率還達(dá)不到銅沸石催化器的相同水平。

在硫耐受度方面，在200～300 ℃下，氧化釩催化器本身對硫酸銨/硫酸氫銨混合物是比較敏感的，而硫?qū)λ挠绊懖⒉惶?。Kumar等人指出，來自DOC的NO2會受到硫的損害。當(dāng)在濃度20×10-6SO2中暴露12 h后，DOC在250 ℃生成的NO2會從40%下降到12%?？梢哉J(rèn)為，這會削減氧化釩SCR催化器系統(tǒng)的性能。對于銅沸石催化器來說，硫的影響則在于SCR催化器本身的性能。當(dāng)在200 ℃下以飽和狀態(tài)暴露在硫中，銅沸石催化器在220 ℃時(shí)的減NOx效率會從100%降至80%，而且要在500 ℃下保持30 min后才能使減NOx效率完全復(fù)原。當(dāng)它暴露在400 ℃的硫酸鹽中時(shí)，硫的影響更厲害。當(dāng)用NO2來增強(qiáng)較低溫度下的NOx轉(zhuǎn)換效率時(shí)，硫的影響會明顯減弱。一種經(jīng)過充分硫酸化的能生成40%NO2的銅沸石催化器，在245 ℃時(shí)的NOx轉(zhuǎn)換效率僅比新鮮銅沸石催化器的轉(zhuǎn)換效率減少15%。另外，Kumar等人還指出，如果利用剩余的氨來作還原器，銅沸石的脫硫過程能得以加速。

Hallstrom等人估計(jì)，為了滿足印度的BS6排放法規(guī)，最佳的氧化釩系統(tǒng)需要增加8%～9%的貴金屬涂載量，而且系統(tǒng)尺寸要比銅沸石系統(tǒng)的增大22%～35%。如圖10所示，盡管在擠壓成型的氧化釩系統(tǒng)中DOC上的貴金屬涂載量增加了兩倍，在熱態(tài)WHTC試驗(yàn)中，容積小30%的銅沸石催化器的累積NOx排放量只有氧化釩催化器的一半。

Robinson等人定量分析了尿素副產(chǎn)品對柴油機(jī)總PN排放量的影響。尿素的供給會導(dǎo)致整個(gè)WHTC試驗(yàn)中尾管排放的PN增加460%～610%。產(chǎn)生這種情況的可能原因是氰酸(HNCO)聚合反應(yīng)、尿素?zé)峤夂湍蛩卣舭l(fā)時(shí)微爆，后者會形成固態(tài)尿素和縮二脲。在正常的尿素劑量下，總顆粒數(shù)中超過80%的顆粒都是尿素基顆粒。

圖10 即使DOC的貴金屬涂載量增加2倍，氧化釩SCR系統(tǒng)的累積NOx排放量仍比容積較小的銅沸石催化器的高，因?yàn)楹笳呔哂蟹浅：玫牡蜏販pNOx性能

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