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1 柴油機顆粒捕集器(DPF)

Heibel介紹了重型車柴油機顆粒過濾器在碳煙再生方法和灰分影響方面的最新研究動態(tài)。發(fā)動機排放的氮氧化物(NOx)/顆粒物(PM)>200時，在DPF中積聚的碳煙通常是很少的，因為碳煙會“被動”地被NO2氧化。一般情況下，在車輛行駛20 000 km后，需要采取主動的方法來清潔DPF或使它恢復(fù)原始狀態(tài)。期間，要使DPF的溫度升高到450 ℃，并保持約30 min。對于NOx/PM約為75的發(fā)動機，應(yīng)當(dāng)在車輛每行駛3 000～3 500 km后清除過濾器中積聚的碳煙，并在525～550 ℃下進行20～30 min主動再生，以充分清潔過濾器。Heibel還把“視線”投向了過濾器整個壽命期內(nèi)的積灰量，并引證了DPF設(shè)計的進展情況?！盎拘汀边^濾器能儲存900 g的灰分，車輛需要在行駛500 000 km左右時清潔過濾器。最近，有人推出了幾種容積減少15%的過濾器，它們能儲存1 700 g灰分，且有可能在車輛行駛900 000 km時仍無需清潔顆粒過濾器。

Johannesen介紹了一種DPF高溫再生的新方法，該方法是將下游的選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)暴露在較低的平均溫度下，且該方法消耗的燃油較少。在高溫再生期間，不是采用恒定供給燃油的方法進行連貫再生，而是每3 min切斷1次燃油供給，以允許在較高溫度下由NO2來氧化碳煙。再生所需的燃油耗減少了50%，SCR催化器的峰值溫度下降了40～50 ℃，但平均暴露溫度下降了150 ℃，而總再生時間仍保持相同。

對于SCR過濾器來說，SCR催化器是要消耗NO2的，而不是由NO2來氧化碳煙，實際上這就是排除了SCR過濾器的被動再生。Walker通過改進涂層的設(shè)計和位置減少了這種負(fù)面影響，并且沒有損害到SCR過濾器的減NOx性能和背壓。這種新SCR過濾器中幾乎沒有碳煙存積。另外，SCR過濾器的灰分積聚也沒有對NOx還原效率產(chǎn)生明顯可見的影響，清除掉灰分后就可以恢復(fù)原有的背壓和性能。

關(guān)于SCR過濾器是否需要進行主動的高溫碳煙再生的問題，Cumaranatunge的研究指出，即使采用碳煙燃燒氧化來進行高溫再生，花費的時間也比較長：在600 ℃下將1個SCR過濾器中的碳煙燒盡80%需要30 min。在再生過程中尿素噴射幾乎沒有什么差異，但是NO濃度則有所不同。即使催化型碳煙過濾器Pt上生成的NO2很少(約10%)，但由于碳煙與催化器之間產(chǎn)生的內(nèi)部NO與NO2的反復(fù)轉(zhuǎn)換，因而它仍能明顯地增強碳煙的燃燒。對于SCR過濾器來說，NO2只來自氧化催化器(DOC)，雖然NO2會從SCR過濾器入口的2%降至出口的0.3%，但其排放控制效果仍是最差的狀態(tài)，而在催化型碳煙過濾器中，NO2會從入口的2%增加到出口的7%。

2 柴油機氧化催化器(DOC)

柴油機DOC和甲烷氧化催化器是稀燃排放控制系統(tǒng)的1個重要部件。DOC能將NO轉(zhuǎn)換成NO2，這對于碳煙燃燒和提高SCR效率十分重要，但是，它還要依靠燃油來幫助DPF再生。甲烷氧化催化器則有所不同，它的催化器易受中毒和耐久性問題的困擾。為此正在開展多項研究工作，以提升這兩種催化器的性能和低溫工作能力。

Ito和Nagata報道了Pt/Pd/Al2O3柴油機氧化催化器燃油燃燒特性評定工作的進展情況。他們采用基于Kissinger模型的激活能分析法作為評定工具，該方法是利用熱斜升率和峰值溫度來計算激活能。根據(jù)模擬結(jié)果他們建議，DOC應(yīng)采用較小的貴金屬顆粒、較大的涂載空穴直徑和較大的空穴容積。礬土的活性、堿性與燃油燃燒性能之間的相關(guān)性相當(dāng)小。

Toops等人在開展低溫DOC方面的研究工作。之前的研究顯示，CuOx-CoOy-CeO2(CCC)配方具有極好的CO點火性能(T50(轉(zhuǎn)換效率達到50%時的溫度)約為150 ℃)，因而它能減少CO對HC氧化的抑制作用。最新的配方是將CuOx-CoOy-CeO2與Pt2O3進行物理混合，在CO、丙烯和丙烷混合氣中，這種催化器對丙烯的點火特性為：T50為250 ℃，T90約為240 ℃。在表面積較大的SiO2上涂載Pd/ZrO2催化涂層的研究工作也有所進展。這種催化器在HC+CO混合氣中的T50為250 ℃，但T90的溫度相對較高，為375 ℃。

圖1 涂載在ZSM-5沸石上的新Pd/Pt/TiO2催化劑的甲烷氧化曲線

對于甲烷氧化催化器，Osman等人介紹了一種新催化器系族。一種涂載在ZSM5沸石(SiO2∶Al2O3=80∶1)上的Pd(5%),Pt(2%),TiO2(12%)催化劑對甲烷的氧化性能為T50=235 ℃,T10=200 ℃，但這是在無水分的稀氣體中測得的結(jié)果。該催化器中的TiO2能靈活地提供氧，沸石則是一種能改善平衡的青銅酸。所有這四種組分對于提高催化器的活性是必需的。圖1所示為這種催化器的一些試驗結(jié)果。雖然性能令人印象深刻，但是，耐久性試驗只在250 ℃的空氣中進行了50 h，硫中毒問題還需要作進一步的試驗。然而，在這次試驗研究中，甲烷催化器的某些引人注目的成分得到了驗證。

3 汽油機排放控制

3.1 顆粒物排放

如前所述，歐洲國家、中國和印度都在收緊顆粒數(shù)(PN)排放法規(guī)的限值。為了應(yīng)對這些排放法規(guī)，2016年人們對影響PM排放的各種因素(如燃油、發(fā)動機改進、后處理系統(tǒng)汽油機顆粒過濾器(GPF)、以及試驗條件和設(shè)備等)進行了試驗研究，并取得了較大的進展。

燃油的成分和品質(zhì)必然會影響到燃燒特性和最終的PM排放。燃油中添加一些抗揮發(fā)的組分或添加一些能促進碳煙初生粒子形成的組分(如芳香族化合物)，會導(dǎo)致PM排放增加。另一方面，有些組分(諸如含氧乙醇或那些能改善揮發(fā)性的組分)則能減少PM排放。

Yinhui等人用6種混合燃油研究了燃油品質(zhì)對PM排放的影響。研究顯示，芳香族化合物含量較高與PM排放增加具有直接的關(guān)系，而減少稀族烴含量和采用乙醇混合燃油有助于減少PM排放。這一點對于中國尤為重要，因為據(jù)報道，中國國六汽油的芳香族化合物含量要比歐洲國家和美國的高。Chan等人也指出采用E10混合燃油時，在聯(lián)邦測試工況(FTP)循環(huán)中冷起動階段的PM排放量有所減少。然而，乙醇燃油的混和方式也會對PM排放產(chǎn)生影響，采用飛濺混和時能使PN排放量減少，采用配比混和時則會導(dǎo)致PN排放量增加。

對噴油器積炭對PM增加的影響進行了定量研究。Wen等人利用1臺經(jīng)國五認(rèn)證的1.6 L自然吸氣直噴汽油機，觀察了噴油器的積炭形態(tài)及其對噴油束形狀和PM排放的影響。他們對積炭噴油器和潔凈噴油器的噴油情況作了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，積炭噴油器的噴霧錐角減小了2.3～3.3°,噴油束貫穿距增加了10%，且油滴速度有所增加，所有這些預(yù)料會增加燃油的撞壁。在車輛行駛了13 000 km后，分別在采用積炭噴油器和潔凈噴油器的情況下按新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)進行了排放測定。結(jié)果顯示，采用積炭噴油器時的PM質(zhì)量排放量是采用潔凈噴油器時的4.76倍。

Guinther和Smith詳細(xì)研究了積炭形成的原因。他們利用1輛專門開發(fā)的試驗車輛，觀察研究了發(fā)動機在高負(fù)荷下運行后進氣門的積炭情況。發(fā)現(xiàn)進氣門的積炭主要是曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)中的機油粘附在氣門上導(dǎo)致的。研究還發(fā)現(xiàn)，采用機油添加劑能使積炭減少高達34%，采用洗滌添加劑有可能清除噴油器頂端的積炭。

氣道噴油與缸內(nèi)直接噴油相結(jié)合的雙噴油系統(tǒng)已實現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用，因為它具有良好的燃燒性能和減少PM排放的潛力。Golzari等人研究了雙噴油系統(tǒng)對發(fā)動機燃燒、效率和排放的影響，采用了1臺增壓直噴汽油機在3種發(fā)動機轉(zhuǎn)速和中等負(fù)荷工況條件下進行了試驗研究。試驗時采用了70%氣道噴油和30%直接噴油的雙噴油組合。與早先典型的單一直接噴油策略相比，結(jié)果如下：

(1)在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，制動平均有效壓力(BMEP)為0.883 MPa負(fù)荷下，采用雙噴油策略能使指示燃油消耗率降低約9%，但在較高轉(zhuǎn)速時，燃油耗要稍差些。

(2)正如預(yù)料的那樣，在70%燃油預(yù)混合的情況下，排氣溫度明顯降低。但是，由于預(yù)噴燃油與后噴燃油混合不均勻，CO排放增加了35%～85%。另外，轉(zhuǎn)速1 000 r/min時雙噴油的NOx排放增加了約30%，在所有轉(zhuǎn)速下碳?xì)浠衔?HC)排放均有所增加。

(3)雙噴油時，排氣溫度稍有降低(約降低25～30 ℃)。

由于冷起動時燃油的揮發(fā)性較低,燃油撞在較冷的壁面,以及燃油蒸發(fā)時間少,因而會產(chǎn)生較高的PM排放。寒冷的環(huán)境溫度也會產(chǎn)生相同的影響。Badshab等人在0 ℃以下的低氣溫條件下研究了11臺氣道噴油(PFI)車輛(包括混合動力電動車)、10臺汽油直噴(GDI)車輛和2臺配裝GPF的柴油機車輛冷態(tài)起動時的PM排放特性。如圖2所示，當(dāng)車輛按NEDC試驗時，幾乎所有的汽油機車輛(包括PFI車)的PM排放都超過了歐洲法規(guī)要求的6×1011/km的PN限值。有趣的是，在起初180 s內(nèi)，GDI車輛的平均PN值幾乎完全相同(盡管PFI車輛的PM尺寸要小得多，都在23 nm以下)。

圖2 各種GDI車輛、PFI車輛和柴油機車輛在低氣溫下進行冷態(tài)起動NEDC試驗時的PM排放量

正在進一步探索對GDI發(fā)動機的多環(huán)芳香烴(PAH)排放物的認(rèn)識。PAH 的初生物最有可能對碳煙的生成起一定的作用。Kalavakis等人的試驗發(fā)現(xiàn)，1輛 2014年皮卡車PM上粘附的PAH排放物總量是1輛同功率PFI卡車的14倍，而前者的氣態(tài)PAH排放物則是后者的4倍。有證據(jù)表明，PAH有可能被吸附在碳煙上，可以采用GPF把這些碳煙清除掉。他們發(fā)現(xiàn)，其中兩輛GDI車排放的PAH為2環(huán)和3環(huán)PAH排放物，另一輛試驗車排放的PAH中含有致癌物組分。氣相PAH的排放量非常大(0.1 mg/mile*為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。)，而采用GPF可以減少PAH排放量的50%。

GPF越來越受到人們的關(guān)注。GPF 的性能正在不斷得到改進，一些研究已經(jīng)證實，GPF可以在整個車輛使用期內(nèi)使尾管的PM排放量低于法規(guī)的限值。GPF對燃油經(jīng)濟性的影響是需要考慮的關(guān)鍵問題。有些研究表明，配裝GPF后，排氣系統(tǒng)的背壓仍可以保持原有的水平。Chan等人發(fā)現(xiàn)，在整個FTP 75和US06試驗循環(huán)中，GDI車輛在有、無催化型GPF時CO2的排放量差別不大。Lambert等人在研究灰分對GPF性能的影響時發(fā)現(xiàn)，車輛在行駛了130 000 mile后，燃油耗并沒有明顯增加，盡管由于灰分積聚導(dǎo)致背壓增加了約2倍。Graig等人用普通GPF和有催化涂層的GPF代替?zhèn)鹘y(tǒng)車身下安裝的三效催化器(TWC)后，按FTP 75和US06試驗循環(huán)測定了尾管的PM排放。結(jié)果顯示，尾管的PM排放量為0.27～0.40 mg/mile,可以滿足美國加利福尼亞州法規(guī)1 mg/mile的PM限值。配裝普通GPF時的燃油經(jīng)濟性與配裝車身下TWC時的水平相當(dāng)。改變GPF的直徑和催化涂層的水平后，用600/3空穴的緊耦合催化器代替900/2空穴催化器還可以有助于減少壓力降。

有關(guān)人員正在定量研究灰分和碳煙對GPF性能的影響。Lambert的研究顯示，GDF壁上積聚少量碳煙和灰分能使過濾效率有較大提升，過濾效率可以從清潔狀態(tài)下的60%提高到積聚0.08 g/L碳煙時的90%和積灰1 g時的80%。研究還顯示，較高的催化涂層涂載量對于提高過濾效率并不是那么有效。在1輛3.5 L GDI車輛上對車身下安裝的GPF進行的研究顯示，車輛行駛150 000 mile后收集到的灰分中只有50%來自機油源，其余灰分來自腐蝕性材料(20%)和上游TWC的催化涂層。圖3所示為車輛累計行駛130 000 mile和150 000 mile后灰分的成分和它們的分布狀況?；曳种?0%左右分布在通道壁上，40%左右灰分為堵塞物。

圖3 車輛累計行駛130 000 mile(車輛1)和150 000 mile(車輛2)后GPF中的灰分成分和它們的分布狀況

灰分除了對提升過濾效率和壓力降有影響外,還能在增強碳煙氧化活性上起到一定的作用。碳煙氧化速率的增加是由Ca(或Mg)/(磷+Zn)之比決定的，而不是由Ca或Mg的絕對值決定的。有人通過排列組合研究法研究了潤滑油品質(zhì)對灰分的影響以及灰分對GPF性能的影響，為了加快灰分在過濾器上的沉積，他們采用將硫酸鹽灰分、洗滌劑金屬(Ca，Mg)和磷含量不同的機油與燃油混合的辦法進行了試驗。該研究的主要結(jié)論是：(1)機油配方對碳煙的氧化速率有明顯影響，例如，硫酸鹽灰分含量高的機油能使碳煙氧化速率更快。(2)機油的配方會對積炭引起的壓力降產(chǎn)生影響，例如，硫酸鹽含量較高的機油會導(dǎo)致較大的壓力降，含鈣基洗滌劑的機油能使過濾器較早地從床過濾轉(zhuǎn)變?yōu)闉V餅過濾。(3)在有少量積灰時過濾效率會快速增加，這種情況與機油的配方關(guān)系不大。

研究人員還在開發(fā)將GPF和TWC結(jié)合成一體的催化型顆粒過濾器。這種正在開發(fā)的催化型顆粒過濾器既可以緊耦合安裝，也可以在車身下安裝。有些研究已經(jīng)證實，用催化型GPF代替直通式TWC，能夠獲得滿意的有害氣體排放性能。Graig等人采用涂銠(Rh)的車身下安裝的GPF研究了1輛渦輪增壓汽油直噴車的排放性能。試驗結(jié)果顯示，在美國FTP 75試驗循環(huán)中，在上游緊耦合TWC完成大部分NOx轉(zhuǎn)換的同時，GPF會再幫助完成18%～30%的NOx轉(zhuǎn)換。這一附加的NOx轉(zhuǎn)換率對于滿足特超抵排放車(SULEV)30 mg 非甲烷有機氣體(NMOG)和NOx的排放目標(biāo)十分重要。Chan等人研究了1輛GDI車在裝和不裝催化型GPF時的排放情況。在FTP 75試驗中尾管的CO、總碳?xì)浠衔?THC)和NOx分別額外降低了86%、38%和34%，在US06試驗循環(huán)中，它們分別額外減少了58%、54%和88%。催化型GPF有助于在US06試驗循環(huán)中的積極行駛工況下減少NOx的排放。在中國，研究人員用1臺1.4 L GDI發(fā)動機試驗驗證了有催化涂層GPF的耐久性。在經(jīng)過160 000 km試驗后，發(fā)動機的排放量沒有發(fā)生變化，TWC的性能完好，點火溫度只是稍有升高(約15 ℃),在整個試驗運行期內(nèi)TWC始終能保持在大約85%的高過濾效率。Rose等人對普通GPF進行了耐久性試驗，結(jié)果顯示，這兩輛車采用不同的機油(機油的灰分相差2倍)運行時，在100 000 km運行期間的PN排放性能有所改善。另外，在使用這兩種機油時，GPF的背壓完全相同。

針對GPF是否需要采取主動方式再生的問題，相關(guān)的研究仍在繼續(xù)進行。之前研究顯示，通過切斷燃油就能發(fā)生被動碳煙氧化，因為這時氧濃度很高。Chan提出了類似的看法。他們證實，在FTP 75和US06試驗循環(huán)的某些減速工況期間，當(dāng)氧濃度達到約20%時就會發(fā)生被動再生。發(fā)現(xiàn)在US06試驗循環(huán)的公路行駛工況下會發(fā)生被動再生，但在FTP 75試驗的城市行駛工況下發(fā)生被動再生的機會非常有限。

最新開展的研究是觀察新技術(shù)對PM排放的影響。Storey觀察了起動停車技術(shù)對排放的影響。在采用和不采用起動停車系統(tǒng)的情況下，觀測了1輛GDI車燃用乙醇(20%)和異丁烷(12%)飛濺混合燃油時PM的排放特征。他們的研究結(jié)果顯示，采用起動停車系統(tǒng)時，PM質(zhì)量排放量和PM排放量與常規(guī)發(fā)動機的相同或比它更低，燃用E20混合燃油時，PM和PAH的排放量最低。

S.Zinola等人用1臺GDI發(fā)動機在發(fā)動機試驗臺上進行了試驗運行，模擬了NEDC試驗循環(huán)中 混合動力電動車(HEV)上發(fā)動機停機和起動時的運行情況。盡管發(fā)動機的運轉(zhuǎn)時間僅為試驗循環(huán)的28%，但PN排放量卻比發(fā)動機在傳統(tǒng)運行工況下的PN排放量高4.5倍。由此可見，還有大量工作需要去做，但是，隨著起動停車系統(tǒng)和混合動力電動車的擴大應(yīng)用，這一問題會在今后的實際運行中暴露出來。

3.2 TWC

較低的排氣溫度和更低的污染物排放法規(guī)正在激勵人們在以下兩方面開展TWC的研究工作：(1)催化器創(chuàng)新，用更便宜的催化劑替代鉑系貴金屬催化劑；(2)改善低溫催化活性。對于車身下安裝的催化器,由于它的溫度較低而適合于引入一些經(jīng)得起老化的新材料,因而這種催化器更重視減少鉑系貴金屬的用量,另外,由于緊耦合催化器對排放物的轉(zhuǎn)換效率要求更高,因而也強調(diào)要減少鉑系貴金屬的用量。

Hashimoto等人用Ba/Zn/CeO2代替Al2O3作為載體，驗證了它對提高催化器轉(zhuǎn)換效率的有效性。將車身下安裝的催化器第一層配方鈀/Al2O3/儲氧量(OSC)中的Al2O3用Ba/Zn/CeO2替代后，使得1輛2011年型Civic(部分零排放車(PZEV) 1.8 L 4缸)車在LA4試驗循環(huán)中的NMOG+NOx排放量減少了10%。Zn能減少氧的結(jié)合能，并能提高氧的有效利用率和改善CO的低溫氧化，而Ba則能減少CO2的吸附，CO2吸附會限制氧的有效利用率。這種催化器已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用，并已被用于2016年款Civic車。

Hanaki等人探索了在車身下安裝的催化器中用Fe/CeO2催化劑代替鉑系貴金屬基催化器的效果。發(fā)現(xiàn)添加CeO2能降低氧與Fe的結(jié)合能，并能提高氧的有效利用率和CO氧化的反應(yīng)活性。還確認(rèn)了它對波動氧化還原條件的響應(yīng)能力。研究的主要工作是要保持老化后的性能，有證據(jù)顯示，F(xiàn)e與釩土反應(yīng)后產(chǎn)生的鋁酸鹽會導(dǎo)致老化狀態(tài)下性能下降。因此，采用了一種過氧化物結(jié)構(gòu)來抑制鐵晶體結(jié)構(gòu)的變化。發(fā)現(xiàn)在Rh涂載量僅比傳統(tǒng)催化器涂載量增加10%的情況下，老化后的催化器仍能在額外城市行駛工況(EUDC)中保持相同的性能。由此可以證明，完全有可能減少鉑系貴金屬的用量。

無鉑系貴金屬或少鉑系貴金屬TWC能夠在滿足未來BS6排放法規(guī)中發(fā)揮重要作用。因此，Golden等人在車身下安裝的TWC和緊耦合TWC中試驗驗證了鉑系貴金屬涂載量較少的先進尖晶石氧化物的耐久性。

另外，根據(jù)Ball和Moser的觀察，為了達到42 mg/mile的非甲烷總烴(NMHC)+NOx排放量，所需的鉑系貴金屬費用會隨催化器的安裝位置不同而有1倍之差(約為35～70美元)。相反，一種成本為45美元的鉑系貴金屬可能會因催化器的設(shè)計不同而達到不同的NMHC+NOx排放量(105～30 mg/mile)。

基底材料的設(shè)計能在改善冷起動排放性能中起到一定的作用。當(dāng)一種車身下安裝的催化型GPF采用低熱損失基底材料時，它在FTP試驗循環(huán)中的NMHC+NOx排放量比采用標(biāo)準(zhǔn)基底材料時的排放量減少了10%～12%。被試驗的系統(tǒng)裝了兩個緊耦合催化器，發(fā)現(xiàn)大部分排放物轉(zhuǎn)換都在第一個緊耦合催化器中發(fā)生。在緊耦合催化器中采用高空穴率基底材料時，系統(tǒng)的NMHC+NOx排放量達到了25 mg/mile。

3.3 稀燃汽油機NOx控制

可以預(yù)料，稀燃GDI發(fā)動機與理論空燃比GDI發(fā)動機相比，燃油經(jīng)濟性能夠提高5%～15%。Parks等人的報道稱，無論是在稀氣分層燃燒模式下，還是在稀氣均勻燃燒模式下，PM排放都很高。被動SCR再生是人們正在研究的一種減少稀燃NOx排放的方法。采用這種方法時，上游TWC會在周期性的短暫濃燃條件下生成NH3，下游的SCR催化器則會利用這些NH3來還原前期儲存下來的NOx。為了實現(xiàn)被動NOx控制，需要依靠調(diào)整濃燃期來生成氨，這時會導(dǎo)致PM排放增加。盡管這種燃燒策略具有瞬變的本質(zhì)，GPF 仍能以超過95%的過濾效率來非常有效地捕集顆粒物。

Nakayama等人開發(fā)了一種無鉑系貴金屬車身下安裝的NOx催化器，該催化器的上層為銅沸石，底層為Ni/CeO2。前者有助于以SCR為基礎(chǔ)的NOx轉(zhuǎn)換，后者有助于利用排氣中的CO來還原NO。它通過上游的TWC來生成SCR轉(zhuǎn)換NOx所需的NH3，該TWC為采用Pd/Rh/Pd 3層配方的催化器。圖4所示為底盤測功器試驗所得的結(jié)果。在1臺2.4 L自然吸氣滿足PZEV的發(fā)動機上，這種新型車身下安裝的催化器在LA4試驗循環(huán)中的NOx轉(zhuǎn)換率達到了85%，在US06試驗循環(huán)中的NOx轉(zhuǎn)換率達到了40%。

圖4 Cu沸石為上層和Ni/CeO2為底層的無貴金屬車身下安裝的催化器，在LA4和US06試驗循環(huán)中NOx轉(zhuǎn)換率分別為85%和40%

Pridhodko等人為實現(xiàn)稀NOx被動SCR控制而進行的濃-稀燃調(diào)整研究發(fā)現(xiàn)，減少濃-稀燃循環(huán)的時間對于減少稀燃期的NH3氧化是有益的。面臨的挑戰(zhàn)是HC和CO的逸出，以及對硫的耐受度。

4 總結(jié)

4.1 排放法規(guī)

歐洲提出了第三階段實際行駛排放(RDE)法規(guī)，其要點是要求采用隨車安裝的便攜式排放測量系統(tǒng)(PEMS)測定汽油直噴車輛在街道和公路上行駛時的PN排放量。實測的排放量可以不大于測功器試驗認(rèn)證值(6×1011/km)的1.5倍，它應(yīng)包括反映這些排放顆粒主要來源的冷起動PN排放量。該法規(guī)從2017年9月開始到2018年9月逐步實施，未來它會推動GPF的使用。輕型車柴油機的RDE NOx排放法規(guī)隨后將會出臺。

中國和印度最終決定,將從2020年開始實施新一輪輕型車排放法規(guī)。中國將分兩步實施輕型車排放法規(guī),第二步的目標(biāo)是,到2023年排放限值要比歐6標(biāo)準(zhǔn)收緊約30%～40%。到2023年,中國也將實施RDE法規(guī)。

美國加利福尼亞州仍然準(zhǔn)備提出1項議案，要求到2023—2024年將輕型車的NOx排放限值收緊高達90%。美國環(huán)保署還打算制訂一項統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，并將會在2年后提出1份草案。

美國環(huán)保署確定，2025年輕型車溫室氣體(GHG)排放標(biāo)準(zhǔn)是能夠?qū)崿F(xiàn)的，他們決定繼續(xù)執(zhí)行2012年起實施的GHG標(biāo)準(zhǔn)。在重型車方面，他們最終決定了2021—2027年的第二階段GHG排放標(biāo)準(zhǔn)，要求發(fā)動機的CO2排放量比2017年到期的第一階段排放標(biāo)準(zhǔn)減少5%,并首次要求拖掛車也應(yīng)執(zhí)行減排標(biāo)準(zhǔn)。歐洲將于2018—2019年提出一項監(jiān)測重型車CO2排放的綜合計劃。

4.2 發(fā)動機技術(shù)

內(nèi)燃機的不斷改進延緩了電動汽車的發(fā)展。分析表明，未來的汽油機技術(shù)正在挑戰(zhàn)電動汽車油井到車輪(WTW)的CO2排放水平。各種輕型車發(fā)動機技術(shù)(諸如阿特金森循環(huán)、自動起停系統(tǒng)、主動停缸和可變壓縮比)都在投入市場實際應(yīng)用，這些技術(shù)能使發(fā)動機的燃油耗比汽油直噴基本型發(fā)動機的燃油耗降低20%。有些技術(shù)，例如專用廢氣再循環(huán)(EGR)、汽油壓縮著火和二行程對置活塞結(jié)構(gòu)等都在向前發(fā)展,它們能使燃油耗再額外降低20%?；旌蟿恿囕v的CO2排放水平已達到和低于歐洲2021年和美國2025年法規(guī)的GHG排放限值。

重型車發(fā)動機技術(shù)也在快速向前發(fā)展。有效熱效率(BTE)為50%的發(fā)動機已經(jīng)在4種不同的干線貨運卡車上得到了驗證，這些卡車的貨運效率或燃油耗比2010年基本型卡車的水平提高了115%或50%。美國能源部正在啟動一項由4家公司參與的超級卡車2的新4年計劃，每家參與公司將設(shè)計一款BTE達55%的發(fā)動機，為此，每家參與公司都在提出各自獨有的技術(shù)途徑，其中包括考慮采用分開循環(huán)技術(shù)的發(fā)動機。在代用燃料方面，人們對沼氣和天然氣發(fā)動機，以及電動道路系統(tǒng)卡車的GHG排放和成本進行了分析研究。

4.3 稀NOx控制

SCR催化器的熱穩(wěn)定性正在不斷改善，一種令人關(guān)注的銅沸石催化器的性能達到了當(dāng)今市場上最好催化器的水平，它能在900 ℃環(huán)境下12 h性能保持穩(wěn)定不變。SCR催化器正在不斷取得進步，它能通過改變車輛標(biāo)定來滿足歐洲RDE法規(guī)，并且能在溫度較低時依靠碳煙來抑制硝酸銨的生成。對稀NOx收集器中Rh的氧化狀態(tài)有了更進一步的了解，可以通過提高還原劑的噴射脈沖頻率來改善稀NOx收集器的高溫性能。

輕型車采用柴油機混合動力有助于減少NOx排放，因而可以采用價格比較低廉的NOx控制系統(tǒng)。為了滿足新一輪更嚴(yán)格的排放法規(guī)，可以采用被動NOx吸附器、點火SCR催化器、SCR過濾器、以及低溫NO2和尿素管理等技術(shù)手段來減少重型車的NOx排放。對氧化釩和銅沸石催化器系統(tǒng)的低溫性能、DOC的要求、硫耐受度問題和系統(tǒng)的總成本進行了分析比較。

4.4 DPF

重點介紹了重型車DPF的再生策略。有種低溫高NOx對策是在450 ℃高溫下利用NO2來對過濾器再生，而一種主動高溫再生策略則是在550 ℃下利用氧來實現(xiàn)過濾器的再生。有一種新的高溫脈沖再生方法是采用3 min供油/斷油循環(huán)進行再生，它能使下游SCR催化器的峰值溫度降低40～50 ℃，并能使再生的燃油消耗減少約50%。

SCR過濾器比催化型碳煙過濾器(CSF)更難再生，即使采用高溫氧化再生也是如此，因為SCR催化器要消耗NO2。在CSF中，盡管在高溫再生中沒有來自DOC的NO2可以被利用，但是由催化器積炭而生成的NO2能幫助碳煙的氧化。新的涂層設(shè)計有助于SCR過濾器利用NO2來進行被動再生。

4.5 氧化催化器

在排氣中存在CO的情況下，柴油機HC的點火溫度現(xiàn)在大約為225～250 ℃。一種4組分甲烷氧化催化器的T10活性溫度(轉(zhuǎn)換效率為10%時的溫度)降到了225 ℃。雖然這種催化器還沒有在排氣流中進行過耐久性試驗，但它們所含的組分Pt、Pd、TiO2和ZSM-5沸石都已在排氣催化系統(tǒng)中得到了商業(yè)化應(yīng)用。

4.6 汽油機排放控制

大多數(shù)的車輛排放研究工作或許都會涉及到汽油機的PM處理。人們針對燃油和潤滑油對PM排放的影響、積炭成因，以及噴油策略展開了廣泛的研究。有證據(jù)顯示，GDI發(fā)動機的PAH排放物要比PFI發(fā)動機的PAH多出好幾倍。GPF正在不斷發(fā)展，耐用性有所提高。

通過GPF的耐久性試驗顯示，它的性能有所提高，尤其是在積灰方面。車輛采用各種潤滑油進行240 000 km行駛試驗后，GPF的性能沒有出現(xiàn)明顯的問題，車輛的燃油消耗與使用新鮮顆粒過濾器時的燃油消耗也沒有什么明顯的差異。CSF正在顯露其較好的性能。

為了滿足美國Tier 3排放法規(guī)的要求，許多實驗室正在研發(fā)各種三效催化器的技術(shù)，其中包括減少鉑系貴金屬用量的方案選擇和稀燃NOx控制策略等。