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干貨 | 全球主要國家車用發(fā)動機現(xiàn)階段及未來排放法規(guī)詳解

2019-12-09 22:59:23·  來源：汽車與新動力  
　
摘要:首先介紹了2018年各國汽車溫室氣體和污染物排放法規(guī)，以及車用發(fā)動機和排放控制技術的最新動向。闡述了發(fā)動機在提高燃油經濟性方面取得的技術進步，以及介
摘要:首先介紹了2018年各國汽車溫室氣體和污染物排放法規(guī)，以及車用發(fā)動機和排放控制技術的最新動向。闡述了發(fā)動機在提高燃油經濟性方面取得的技術進步，以及介紹了排氣后處理系統(tǒng)及其部件的研發(fā)情況。2018年，歐洲率先提出了輕型車和重型車的 CO 2減排目標。在輕型車領域，面臨的挑戰(zhàn)是必須應對正在改變的測量標準，以及市場對柴油機的依賴度正在下降。最新研究表明，柴油機在實際使用過程中的 氮氧化物（NOx）排放量可能要比歐6法規(guī)要求的限值低很多，因此歐洲已經開始討論有關歐7排放法規(guī)的問題，并提出了一些領先的法規(guī)理念和建議的技術方案。在重型車領域，美國能源部推出了超級卡車Ⅱ計劃和其他具有代表性的研究項目，在提高發(fā)動機和車輛燃油經濟性方面取得了一些進展。采用的技術途徑包括混合動力、廢熱回收利用，以及采用開環(huán)和閉環(huán)的改進措施。排放控制的重點是要對各種可能達到嚴苛的低NOx排放標準的技術路徑進行評估。其面臨的挑戰(zhàn)是降低冷起動和低負荷工況的排放，需要采用創(chuàng)新的發(fā)動機和排氣后處理方案。主要的思路包括：采用緊耦合選擇性催化還原 (SCR)催化器、采用被動NOx吸附器、SCR與柴油機顆粒過濾器（DPF）一體化、低溫尿素或氨噴射雙SCR技術，以及為提高排氣溫度而采取的主動或被動熱管理措施。一種新的低負荷試驗循環(huán)也在研究之中。排氣后處理部件取得了持續(xù)的進步。老化的三效催化器和柴油機催化氧化器在150℃時的轉化效率正接近90％。SCR催化器的低溫轉換效率和高溫耐久性繼續(xù)得到改善。歐洲、中國和印度的顆粒物排放法規(guī)正在引導人們廣泛采用汽油機顆粒過濾器。稀燃汽油機能在提高燃油經濟性方面帶來明顯的好處，但在 NO x控制方面則面臨較大的挑戰(zhàn)，為此，人們提出了幾種SCR系統(tǒng)和新催化器方案。
 
0 前言
 
出于對全球氣候變暖和中心城區(qū)空氣質量惡化的擔憂，世界各國正在積極推進汽車排放法規(guī)的編制工作。2018年，歐洲提出了首個重型車 CO 2排放標準，并最終敲定了大幅度下調的輕型車 CO 2排放標準。美國加利福尼亞州正在更改一系列法規(guī)，以減少重型車使用過程中的氮氧化物（NOx）排放。中國公布了“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”策略，以及一系列加快改善本土空氣質量的措施。印度正在制訂用車排放的實際行駛試驗規(guī)程。歐洲已經開始探討歐6后的新一輪排放法規(guī)。OEM正在對各種改進發(fā)動機和排氣后處理裝置的技術途徑進行測試，以達到嚴苛的 CO 2和尾管NOx排放目標。
 
本文主要介紹了2018年汽車尾管污染物、溫室氣體排放法規(guī)和排放控制技術的最新動向。首先介紹輕型車和重型車的排放法規(guī)，然后闡述發(fā)動機在提高燃油經濟性方面取得的技術進步，最后介紹排氣后處理系統(tǒng)及其部件的研發(fā)情況。
 
1 排放法規(guī)
1.1 輕型車排放法規(guī)
1.1.1  CO 2排放法規(guī)
圖1展示了各主要國家設定的輕型車 CO 2減排目標。歐盟建議到2030年收緊其 CO 2減排目標，而美國則考慮要恢復實施以前確定的2021—2025年的溫室氣體排放標準。盡管如此，要求 CO 2減排的取向仍然是很明顯的，預料各主要國家將要求車輛的燃油經濟性每年改善3%～6％。
圖1 各主要國家的輕型車 CO 2減排目標
 
1.1.1.1 歐盟
歐盟成員國與歐洲各國議會于2019年初達成了一項協(xié)議，同意進一步收緊車輛尾管的CO2排放限值。要求以2020年基于新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）的CO2排放限值（乘用車為95 g/km，輕型商用車為145 g/km）為基準，到2025年實現(xiàn)CO2減排15％，到2030年實現(xiàn)CO2減排37.5%。法規(guī)還規(guī)定了零排放和低排放車（ZLEV）的CO2排放目標，ZLEV是指CO2排放量低于50 g/km的車輛。ZLEV轎車的減排目標是到2025年實現(xiàn)CO2減排15%，到2030年減排30%。廂式客車的減排目標是到2025年要求CO2減排15%，到2030年要求CO2減排35%，并根據(jù)尾管的CO2排放量情況按0.3～1對車輛進行計數(shù)。蓄電池電動汽車可視為全ZLEV，而插電式電動車均按0.3～1進行計數(shù)。因此，原設備制造商（OEM）從理論上可以選用高水平的插電式電動車和小型蓄電池/無蓄電池電動車來達到CO2排放目標。目前，CO2的絕對排放量（以g/km計）是按照NEDC進行試驗測定的。而一旦2020年確定車隊排放試驗采用的試驗循環(huán)要從NEDC改為全球統(tǒng)一的輕型車試驗規(guī)程（WLTP）時，CO2排放量的絕對目標值將會有所改變。從2020年開始，要求新車型必須在使用壽命期內監(jiān)測和儲存車輛的燃油耗和能耗數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)將被歐盟委員會用來評估認證試驗與實際行駛試驗之間的排放差異。
 
1.1.1.2 美國
美國環(huán)境保護署和國家公路交通安全管理局對現(xiàn)行的輕型車溫室氣體排放標準提出了一個修正案。針對2021—2026年型的乘用車和輕型車，提出了8種備選方案，其中一種方案的目標是將溫室氣體排放和燃油經濟性標準凍結在2020年的水平。該提案還詢問了加利福尼亞管理當局是否會通過“先進清潔轎車計劃”來制訂該州自己的溫室氣體和零排放車標準。污染物排放標準最嚴的低排放車（LEV）Ⅲ計劃并沒有受到質疑。最終的標準預計會在2019年4月確定。加利福尼亞空氣資源局采納了另一項法規(guī)修正案，該法規(guī)草案要求OEM必須繼續(xù)執(zhí)行本州的溫室氣體排放標準，如果汽車制造商執(zhí)行不太嚴的美國國家標準，將被認定為“不符合”本州的溫室氣體排放標準。
 
1.1.1.3 中國
中國正在努力提高車隊的電氣化水平。下文將詳細介紹中國實施的“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”行動計劃。
 
1.1.1.4 其他國家
墨西哥提出了2021—2025年型乘用車和輕型卡車的溫室氣體排放標準NOM-163。該標準規(guī)定的排放限值是指車隊的平均值。墨西哥將參照美國車輛排放法規(guī)的步伐逐年收緊排放限值。
 
1.1.2 污染物排放法規(guī)
1.1.2.1 歐盟
歐盟已經公布了第4套也是最新一套歐6轎車和廂式客車的實際行駛排放標準。該標準將于2019年1月起生效實施，規(guī)定了在用車的一致性試驗方法，車輛型式認證機構可以每年對運行中的車輛進行排放檢查。鑒于測量技術的改進，要求NOx排放的一致性系數(shù)從1.5降至1.43。歐盟委員會將繼續(xù)對一致性系數(shù)進行評估，并有可能最早在2023年要求一致性系數(shù)降至1.0。該套標準還簡化了實際行駛排放數(shù)據(jù)的評定方法，只要求采用移動平均窗口（MAW）法進行數(shù)據(jù)分析。
有關歐7排放法規(guī)的議題已經開始在相關部門展開討論。在一次探討未來歐洲排放法規(guī)的活動中，Martini介紹了其在聯(lián)合研究中心進行的工作情況，相關的研究課題包括23 nm細小顆粒物的測定、-7℃下的低溫試驗，以及諸如氨、N2O、異煙酸和醛等法規(guī)未限制組分的排放問題。有人建議將遙感裝置作為便攜式排放監(jiān)測系統(tǒng)（PEMS）的補充工具，用以篩查高排放車和有故障的排氣后處理系統(tǒng)。
 
1.1.2.2 中國的“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”
2018年，中國宣布了一項稱之為“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”的3年行動計劃，號召各地方政府采取行動確保空氣質量達標。 該計劃的目標是要求大氣中的細顆粒物（PM2.5）、NOx和SO2排放濃度降低到2015年的水平。 實施“藍天保衛(wèi)”計劃的重點地區(qū)包括北京市、天津市、河北省、山西省、河南省、以及覆蓋上海市、江蘇省和浙江省的長江三角洲地區(qū)。 在交通運輸領域，中國擬采取以下各項措施： （1）到2020年， 在大北京地區(qū)、山西省和河南省要更換掉老舊的國三柴油車，以及100百萬輛以上的中型和重型柴油卡車； （2）確保從2019年1月開始在全國引入國六燃油； （3）開展非道路移動機械排放問題的試驗研究，加快實施該領域的減排計劃； （4）通過強制性車輛檢測，增強排放標準的執(zhí)行力； （5）通過城市公交車采用新能源車的舉措，促進汽車的電氣化，爭取到2020年實現(xiàn)新能源車產量增加到200萬輛。
中國各地方政府正在積極響應這項“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”行動計劃。海南省和深圳市已從2018年12月開始實施國六排放標準，而上海市則宣布從2019年1月起采用國六排放標準。
 
1.1.2.3 美國
2018年，美國沒有對排放法規(guī)作重大更新。LEV車標準和第3階段（ Tier3）排放標準正在分階段實施，并將逐年收緊車隊的非甲烷有機氣體（NMOG）+NOx的排放限值。在2018年，Tier3排放標準已要求20%認證車輛的顆粒物排放量應低于3 mg/mile的排放限值。在加利福尼亞州，顆粒物排放限值將在2025—2028年分階段進一步收緊到1 mg/mile。
 
1.1.2.4 日本
日本正在實施3.5 t以下的柴油車的實際行駛排放（RDE）法規(guī)，將從2022年10月開始要求新型式認證的車輛執(zhí)行這一法規(guī)，從2024年10月起所有車輛都將執(zhí)行這一法規(guī)。日本的RDE試驗規(guī)程與歐洲的RDE試驗規(guī)程基本相同，只是對行駛工況和環(huán)境條件的規(guī)定有所不同，尤其是對車速的要求作了調整（降低了車速）。日本要求的NOx排放一致性系數(shù)為2.0，且沒有規(guī)定顆粒數(shù)的排放限值。低環(huán)境溫度的截止值為-2℃（歐洲為-7 ℃），而最大海拔高度限定為1 000 m（歐洲為1 300 m）。如同歐洲一樣，日本也將采用移動平均窗口法進行排放數(shù)據(jù)分析。
 
1.1.2.5 巴西
巴西國家環(huán)境委員會公布了下一輪車輛尾管排放物和蒸發(fā)排放物的各階段法規(guī)。從2022年開始實施L7階段排放法規(guī)，該法規(guī)要求的尾管NMOG+NOx排放限值為80 mg/km，顆粒物排放限值為6 mg/km。L8階段法規(guī)將從2025年到2031年每兩年收緊一次排放限值，最終目標是NMOG+NOx排放限值為30 mg/km,顆粒物排放限值為3 mg/km。排放的一致性系數(shù)從2.0起步，逐步收緊到1.5。在目前的標準框架內，巴西還沒有制訂顆粒數(shù)排放標準。
 
1.1.2.6 印度
印度最高法院在最近一次裁決中裁定：從2020年1月起將不能銷售BS6車輛。盡管BS6標準參照了歐洲排放法規(guī)的主要內容，但目前印度正在進行的工作是要制訂一種更適合印度行車狀況的改進版RDE試驗循環(huán)。更改的主要內容是要設定比歐洲高的環(huán)境溫度邊界條件和比歐洲低的行駛車速。最新的提案是將較低的環(huán)境溫度限定為8 ℃。在城區(qū)行駛的車速規(guī)定為低于45 km/h(歐洲為60 km/h)。對于印度特有的功率/重量比≤22 W/kg的小功率車輛，法規(guī)將給予特殊考慮。
一些研究人員已開始報道在印度行車條件下的排放測量結果。Dinodia等對3種符合歐6標準的柴油車在印度實際行駛條件下的尾管排放情況進行了比較。結果顯示，按歐洲RDE試驗循環(huán)測得的NOx排放量要比按車速限定為90 km/h的行駛循環(huán)測得的排放量高81%，分析認為，這是由印度的公路行駛車速造成的。測得的CO2排放量要比按歐洲RDE試驗循環(huán)測得的排放量高出19%。Lairenlakpam等比較了1輛中型車在底盤測功器上和在道路上試驗時的尾管排放情況，在底盤測功器上按照修改后的印度行駛循環(huán)進行試驗，在道路上試驗則采用PEMS 測量排放。在低、中、高3種不同的交通擁擠情況下進行了道路試驗。道路試驗時的CO排放量比底盤測功器上試驗時的排放量高出1.8～2.4倍，NOx排放量要高出1.0～2.3倍，HC排放量要高出2.1～5.0倍，CO2排放量要高出1.1～1.4倍，排放量的差異隨著交通擁擠程度增加而增大。
1.2 重型車排放法規(guī)
1.2.1  CO 2排放法規(guī)
2018年，歐盟成員國投票通過了第一部重型車 CO 2排放標準，但部長委員會還沒有批準這一標準。該標準規(guī)定：以2019年的排放水平為基準，要求新卡車到2020年實現(xiàn) CO 2減排15%，到2030年實現(xiàn) CO 2減排30%。歐盟委員會原先提出的目標是到2025年實現(xiàn) CO 2減排25%，到2030年實現(xiàn)減排30%。歐盟委員會還要求：到2025年制造商的零排放和低排放車銷售量應達到總銷售量的5%以上，到2030年應達到30%以上。因此，歐盟委員會將不得不提出實施實際行駛 CO 2排放試驗的計劃。
其他一些國家正在推進下一輪燃油經濟性標準的制訂工作。中國已修訂了重型車的燃油耗目標限值。這些第3階段的燃油耗標準將要求車輛的燃油耗降低約15%（視具體的車型和車重而定，燃油耗降低11%～18%）。強制要求新型式認證的車輛必須從2019年7月開始實現(xiàn)燃油耗達標，從2021年7月起所有車輛均應實現(xiàn)燃油耗達標。
加拿大提出了該國的第2階段重型車和發(fā)動機的溫室氣體排放標準。加拿大提出的標準與美國的國家標準基本相同，視車輛的總重和結構而定，要求2027年型的牽引卡車的溫室氣體排放量比2017年型車的排放量減少15%～27%。重型皮卡則要求實現(xiàn)CO2減排16%。對于車輛總重大于140 000磅的牽引卡車也要求強制執(zhí)行這些標準，而美國標準則沒有這一類要求。
日本已最終敲定了該國的第2階段燃油耗標準，要求從2025年起燃油耗應比2015年降低約12%。
1.2.2 污染物排放法規(guī)
1.2.2.1 中國
中國的國六重型車排放標準已最終定稿，并由新組建的生態(tài)環(huán)境部于2018年6月正式發(fā)布。第1階段，國六a標準將于2020年7月在全國實施，而國六b標準則將在2023年7月實施。國六a法規(guī)與歐6b非常相似。預料國六b法規(guī)要比歐六d更嚴。如同歐6標準一樣，國六標準也要求采用PEMS進行排放測量。但是，國六標準向前邁進了一步，要求顆粒數(shù)排放值的一致性系數(shù)達到2.0。該標準規(guī)定的最大海拔高度邊界條件為2 400 m，比歐洲規(guī)定的1 700 m要高出不少。
1.2.2.2 美國
作為修訂全國NOx排放標準的第一步，美國環(huán)境保護署在2018年12月公布了“清潔卡車倡議”。在美國重型車NOx排放法規(guī)出臺后16年之際，這次修訂工作是要著手制訂未來旨在降低重型車和發(fā)動機NOx排放的標準，也是對20個州和地方政府的訴求作出的回應，將有助于各個州達到針對臭氧和顆粒物的國家環(huán)境空氣質量標準。修訂草案中還將推出有關放寬車載診斷（OBD）和認證要求的內容。具體的排放限值目前還沒有確定，預料會在2020年年中推出建議草案。
除了要求車輛尾管的排放限值收緊高達90%以外，加利福尼亞空氣資源局正在考慮對法規(guī)作各種更改，以促使在用車提高減排水平。
圖2為72 臺各類專用卡車在使用過程中測得的NOx排放量，這些卡車都配裝了按0.2 g/（hp•h）的NOx排放限值認證的發(fā)動機。從全部數(shù)據(jù)和各類卡車的數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，尾管的NOx排放量差異很大。大部分發(fā)動機的排放量都超過了認證限值，其中有些發(fā)動機的排放量超出了一個數(shù)量級。NOx減排效果差的原因是：(1) SCR的轉換效率低，某些數(shù)據(jù)點的平均轉換效率在70%以下；(2)SCR進口的溫度較低；(3) SCR出現(xiàn)了故障。
圖2 各類專用卡車（都配裝了 NO x 排放按0.2 g/（hp•h）標準認證的發(fā)動機）實際使用過程中實測的 NO x 排放量
隨著法規(guī)的不斷收緊，車輛尾管的NOx和顆粒物排放量在過去幾年已有所下降。對2 315臺重型車和中型車進行的道路行駛排放測量顯示，由于采用了SCR技術，從2007年型車到2017年型車，NOx排放量下降了約90%。但是，與2012年型車進行的類似測量相比，發(fā)現(xiàn)2004～2007年型車和2008～2010年型車的NOx排放量增加了36%，這可能與排氣再循環(huán)的耐久性問題有關。2016年型車和2017年型車的平均NOx排放量為1.6 g/kg（燃油），已接近現(xiàn)行的NOx認證限值。對于相同年型的車輛，重型車的排放量是中型車排放量的一倍，并遠大于認證的排放限值。
針對以上情況，正在考慮按以下的思路來修訂相關的排放法規(guī)：（1）開發(fā)各類專用卡車的低溫和低負荷試驗循環(huán)。美國西南研究院正在開發(fā)一種新的試驗循環(huán)來補充現(xiàn)有的法規(guī)，對低負荷車輛的行駛特征進行了試驗研究。對橫跨美國25地區(qū)的751臺在用車的排放數(shù)據(jù)進行了分析，這些車輛涉及到44種專用卡車型號和55個車隊。確認幾種具有代表性的車輛低負荷行駛特征，并將其轉化成相應的發(fā)動機試驗循環(huán)，根據(jù)幾種候選的試驗循環(huán)，涉及高負荷到低負荷的躍變、持續(xù)低負荷和低負荷到高負荷的躍變3種頗具挑戰(zhàn)性的運行工況。冷起動目前還沒有被列入該試驗循環(huán)的范圍。（2）重型在用車試驗計劃。用歐6標準的移動平均窗口法進行數(shù)據(jù)分析；將有效窗口的功率閾值降低到小于10%最大功率；將包括起動時和使用過程中的排放閾值設定為標準限值的1.5倍。（3）修改使用壽命和保用期。建議的更改內容包括：將第8類重型車的使用壽命從現(xiàn)在的43.5萬mile延長到100～120萬mile，將保用期從現(xiàn)在的10萬mile延長到43.5萬mile以上。
加利福尼亞州空氣資源局（CARB）已對重型車OBD系統(tǒng)的運行方案作了修改。另一項修改是要求2022—2023年應引入實際排放的評估記錄，并要求用OBD系統(tǒng)采集和儲存中型車和重型車實際使用過程中的NOx排放數(shù)據(jù)，以及所有重型車輛的燃油耗數(shù)據(jù)，用以表征車輛的CO2排放量。將要求在10次CARB規(guī)定的試驗循環(huán)中，對車輛使用過程中進行排放和燃油耗監(jiān)測的頻率增加3倍。
1.2.2.3 歐盟
歐6d標準現(xiàn)在已正式生效，從2018年9月起新車認證已經開始執(zhí)行這一標準，從2019年9月起所有車輛執(zhí)行這一標準。該標準的主要變化是：在采用移動平均窗口法計算排放量時，要求將功率閾值從20%最大功率降至10%最大功率，并要求試驗時從10%～100%來施加有效負荷。目前，該標準規(guī)定的1.5一致性系數(shù)只適用于氣態(tài)排放物，且冷起動排放量不包括在內。下一輪的歐6e法規(guī)將會考慮提出顆粒數(shù)排放的一致性系數(shù)，并要求計入冷起動的排放量，同時還會考慮將城區(qū)行駛的份額從如今的20%提高到30%。為了有助于實現(xiàn)顆粒數(shù)排放一致性系數(shù)的達標，一些研究人員正在驗證顆粒數(shù)PEMS的測量精度和靈敏度。圖3所示為采用PEMS的測定結果，以及與標準實驗室裝置測量結果的比較。由圖3可見，測量值的不確定程度達到了65%，其數(shù)值已接近3×1011/（kW•h）的排放限值，并且排放量測量值較小時離散度更大。
圖3 便攜式排放測量系統(tǒng) (PEMS)與標準實驗室裝置顆粒數(shù)測量值的相關性
1.2.2.4 巴西
巴西公布了相當于歐6c標準的Proconve P8排放法規(guī)，從2022年起新車型將執(zhí)行這一法規(guī)，到2023年所有車輛都要執(zhí)行這一法規(guī)。該法規(guī)要求采用PEMS測量排放，并要求在實際行駛條件下達到排放限值。
1.2.3 非道路移動機械排放法規(guī)
中國已確認從2020年開始實施修改后的第4階段非道路移動機械排放法規(guī)。該法規(guī)的主要內容包括：要求37～560 kW的發(fā)動機采用柴油機顆粒過濾器來達到5×1012/（kW•h）的顆粒數(shù)排放限值，同時鼓勵OEM自覺達到1×1012/（kW•h）的歐5顆粒數(shù)排放限值。該法規(guī)草案還要求對大于37 kW的發(fā)動機進行GPS跟蹤，并要求像歐5標準一樣采用PEMS進行在用車的排放測量。
2 發(fā)動機技術
為了應對各主要國家嚴格的排放法規(guī)，OEM正在采取加快內燃機技術進步和動力總成電氣化的雙規(guī)策略。歐洲面臨的挑戰(zhàn)是輕型柴油車的市場份額正在快速下降，盡管輕型柴油車與汽油車相比仍然具15%～20%的市場優(yōu)勢。最新的研究證實，一些改進的發(fā)動機和排氣后處理裝置能夠達到良好的使用性能，新認證柴油機的尾管排放量已明顯低于現(xiàn)行標準的限值，甚至有可能低于下一階段排放法規(guī)要求的排放限值，正在贏得市場份額的汽油機也在不斷改進。最近的研究顯示，在車輛不采用電氣化或采用輕度電氣化的情況下，未來汽油機的燃油經濟性有可能提高20%～30%。盡管如此，為了滿足加利福尼亞州和中國的強制性排放法規(guī)，純蓄電池電動車（包括燃料電池電動車）的市場份額也在增加。
在重型車領域，柴油機仍然具有明顯的優(yōu)勢。該領域的研究工作重點是要開發(fā)各種能夠符合美國溫室氣體標準和低NOx排放要求的發(fā)動機和排氣后處理技術。
2.1 輕型車發(fā)動機技術
Elgowainy等以1臺2015年基本型發(fā)動機為基準進行的研究表明，溫室氣體減排達70%～90%是有可能實現(xiàn)的，但這將要求在車輛技術和可再生燃料方面取得一定的進步。到2025～2030年，預計先進的汽油機能實現(xiàn)燃油經濟性提高30%，并能使最終用戶的行駛成本更低。在降低 CO 2排放方面，混合動力車和插電式混合動力車的成本更具有吸引力。表1列出了能夠提高燃油經濟性的一些發(fā)動機技術。
表1 各種 CO 2減排技術及其對排放的影響和發(fā)展現(xiàn)狀
注：* 美國環(huán)境保護署的估計值；** GDCI為汽油直噴壓燃；*** RCCI為反應率控制的壓燃。
2.1.1 汽油機技術
美國環(huán)境保護署（EPA）對各種現(xiàn)代輕型車發(fā)動機技術評估后指出，各種改進的發(fā)動機技術正在逐步得到推廣應用，并且都具有進一步開發(fā)的潛力。圖4為EPA在評估研究中涉及到的幾種發(fā)動機技術，及其在代表性現(xiàn)代發(fā)動機上的應用情況。正在被應用的發(fā)動機技術包括：提高壓縮比、采用較大的行程/缸徑比、整體式排氣歧管、減少摩擦、先進的增壓系統(tǒng)、冷卻排氣再循環(huán)，以及米勒循環(huán)。近年來，某些被廣泛應用的新技術已實現(xiàn)了商業(yè)化，包括可變壓縮比、可變氣門升程、動態(tài)停缸和火花輔助汽油壓燃等。
圖4 各種可用的提高燃油效率的技術
（紅色區(qū)表示該技術用于現(xiàn)代汽車還有相當大的潛力）
據(jù)估計，采用這些先進的發(fā)動機技術能使燃油經濟性實現(xiàn)兩位數(shù)級的改善。Barba等利用EPA的先進輕型車動力總成和混合動力車分析模型進行的研究顯示，Mazda公司的Skyactive-X型2.0 L發(fā)動機采用火花輔助汽油壓燃技術后，該發(fā)動機的燃油經濟性能比2014年Skyactive-G型2.0 L發(fā)動機的燃油經濟性提高12.5%。該分析是針對中型尺寸轎車進行的，表明該項技術與其他先進技術相結合，有可能使車輛尾管的 CO 2排放量比2016年的1.5 L小型化渦輪增壓汽油直噴發(fā)動機的低約30%。Durrett的試驗研究表明，1臺2.2 L自然吸氣發(fā)動機采取大幅度小型化策略使之改變成稀燃運行的1.1 L排氣復合增壓發(fā)動機后，也能實現(xiàn)兩位數(shù)級的燃油經濟性提升。在2 000 r/min時，小型化策略、低溫稀燃和延長膨脹行程都能使燃油效率提高約10%。Kim等介紹了為將1臺2.0 L發(fā)動機的有效熱效率提高到42%以上曾采用的技術措施，包括提高壓縮比、冷卻排氣再循環(huán)、雙火花塞、減少摩擦和優(yōu)化缸內氣體流動。他還概要介紹了到2035年達到50%熱效率的技術路徑，其中包括進一步提高排氣再循環(huán)率，采用輕度混合動力、可變壓縮比稀燃和廢熱回收利用。
2.1.1.1 減少燃油加濃
提高燃油經濟性的一種途徑是限制使用目前常見的燃油加濃，以限制排氣溫度上升，防止諸如渦輪增壓器和催化器等下游部件受熱損壞。由于燃油加濃會導致燃油經濟性下降和高排放，未來的排放法規(guī)可能會對燃油加濃作出限制。一些研究指出，燃油加濃過程中的CO 排放尤其令人擔憂。目前只有WLTP對CO的排放有所限制，而RDE試驗規(guī)程還沒有對CO 排放作出限制。Gorgen等在對1臺C-級車輛進行動態(tài)實際行駛排放試驗時發(fā)現(xiàn)，測得的CO 排放量要比WLTP規(guī)定的限值高出3倍以上，這在很大程度上與全負荷加速時的燃油加濃有關。
為了使發(fā)動機在整個運轉工況范圍內都能以理論空燃比（l=1）工作，人們正在開發(fā)各種能提高排氣溫度的技術。這些技術包括排氣再循環(huán)、可變壓縮比、噴水和先進的增壓系統(tǒng)，而先進的增壓系統(tǒng)通常會采取加大渦輪尺寸的電力輔助渦輪增壓與輕度混合動力相結合的做法，以克服低端扭矩的損失。Glahn等概述了這些技術在提高現(xiàn)代小型發(fā)動機比功率方面的潛力（圖5）。1臺傳統(tǒng)的3缸渦輪增壓汽油直噴發(fā)動機，組合采用改進發(fā)動機、整體式排氣歧管和可變幾何截面渦輪增壓米勒循環(huán)等技術后，能使其比功率從65 kW提高到85 kW，而附加的成本僅增加約10%。外部排氣再循環(huán)能使比功率進一步提高到90 kW，但成本要增加30%左右?？勺儔嚎s比和噴水可以使比功率提高到100 kW，但該技術還不太成熟。
圖5 發(fā)動機以理論空燃比工作時能實現(xiàn)較高比功率的各種技術及其相對成本
2.1.1.2 噴水
Scharf等論述了配裝1.5 L發(fā)動機的48V輕度混合動力車實現(xiàn)l=1 運行的幾種途徑。最近公布的按RDE監(jiān)測的一組數(shù)據(jù)顯示，對于功率-質量比較小的車輛，即使采用混合動力總成，其在高負荷行駛工況下的CO排放量要比WLTP規(guī)定的限值高出1倍，這可能是在這些運行工況下出現(xiàn)了燃油加濃的緣故。在插電式混合動力車上，一種可取的技術方案是米勒循環(huán)與渦輪增壓的結合，后者采用較大尺寸的渦輪，能承受高達1 050 ℃的高溫。之所以能采用較大尺寸的渦輪是因為可以依靠90 kW的電機來滿足低端扭矩的要求。對于輕度混合動力車，可以考慮只在高負荷區(qū)采用噴水。噴水量-噴油量比最大可達60%，盡管在大部分常規(guī)行駛工況下水耗量都很低。即使在運動型RDE試驗循環(huán)下，耗水量也只有百公里40 mL。因此，可能只需要在兩次使用間隔期內加水。
噴水技術的缺點是要設置單獨的水箱裝水，并會使車輛增加附加的質量。Sun等在車輛上進行了從排氣中回收水的探索試驗，發(fā)現(xiàn)在理論空燃比下運行時能回收到容量大于10%的水。有人在1臺壓縮比為9.5的2.0 L汽油直噴發(fā)動機上進行了氣道噴水的試驗。在兩個位置進行了提取水的試驗，其中一個是在低溫排氣再循環(huán)的冷卻器后面，另一個是在進氣空氣冷卻器之后。在全負荷（5 000 r/min，平均有效壓力1.81 MPa）下以50%的噴水量-噴油量比運行時，能使燃油的加濃狀態(tài)從15%富油減少到1%富油，熱效率相應提高了4.5%，CO排放量降低了93%，HC排放減少了84%，而NOx排放則因燃油加濃減少而增加了140%。采用旋風分離器（被動型和主動型）和薄膜分離器進行的水收集試驗表明，薄膜分離器在進氣空氣冷卻器后收集水時，水收集量較高。但是，在高負荷時，薄膜分離器的收集效率為50%，而旋風分離器的收集效率大于83%，但在低負荷時無法收集到水。模擬研究顯示，收集到的水量可能會超過FTP和WLTP試驗循環(huán)試驗時所需的水量。而按美國US 06試驗循環(huán)試驗時，只能收集到所需噴水量的40%～70%，這就需要在車輛上安裝水箱。
2.1.1.3 車上分離燃油
一種正在開發(fā)的爆燃抑制技術是從汽油混合物中分離出高辛烷值組分。有人開發(fā)了幾種采用有機薄膜的滲透蒸發(fā)分離模塊，能有選擇性地從商品燃油中濃縮出乙醇、甲醇和芳烴。燃用E10燃油時，采取了推遲點火和噴射乙醇相結合的措施。按美國US 06試驗循環(huán)進行的模擬分析顯示，與最優(yōu)的現(xiàn)代發(fā)動機（壓縮比11.5，自然吸氣方式）相比，燃油經濟性能提高約20%。US06試驗循環(huán)所需的乙醇（9.4%）大約是FTP/US06/HWFET試驗循環(huán)所需乙醇平均值（4.4%）的1倍。燃油分離系統(tǒng)的缺陷是：分離器加熱遲緩（約10 min）,真空泵和燃油泵的寄生損失約1%。
2.1.1.4 動態(tài)停缸
Younkins等探討了在采用輕度混合動力和米勒循環(huán)時，動態(tài)停缸的協(xié)同效應。在輕度混合動力的情況下，既有協(xié)同效應，又有附加效果。電機能在低負荷時協(xié)助能量回收，在高負荷時提供輔助的扭矩，而停缸則主要是改善部分負荷的燃油耗。因在減速過程中停缸減少而引起的發(fā)動機制動會導致再生制動有所增加，而電扭矩也會增加停缸的可能。有人采用1臺配裝1.8 L渦輪增壓汽油直噴發(fā)動機和P0結構48V輕度混合動力車進行了試驗，按城市和公路混合試驗循環(huán)（FTP75和HWFET）試驗時，在添加動態(tài)停缸的情況下燃油耗降低了16%。該試驗中還沒有考察扭轉平穩(wěn)的附加好處，但模擬分析顯示，添加動態(tài)停缸有可能實現(xiàn)燃油耗降低20%，動態(tài)停缸應用于米勒循環(huán)發(fā)動機時，能使高、低充電模式與停缸之間的過渡狀況得到改善。關鍵的促成因素是能根據(jù)負荷的要求對氣門升程和正時不對稱的兩個進氣門進行獨立控制。1臺壓縮比為11.7的2.0 L米勒循環(huán)發(fā)動機添加了動態(tài)停缸功能后，在轉速1 500 r/min、平均有效壓力0.2 MPa工況下工作時，燃油耗降低了17%。車輛模擬分析預計，米勒循環(huán)動力總成的燃油耗能降低7%～9%。
在較高負荷保持只有個別幾個氣缸工作的運行模式時，動態(tài)停缸還有助于促使均相稀氣燃燒向低負荷區(qū)延伸。對1臺配裝4缸2.0 L米勒循環(huán)發(fā)動機的C級車輛進行的模擬分析顯示，在整個CAFE和WLTC工況中，按理論空燃比運行的米勒循環(huán)發(fā)動機的 CO 2排放量預計能減少4.6%～7.5%，均相稀燃發(fā)動機的 CO 2排放量預計能減少5.1%～8.3%。由于個別氣缸工作時負荷較高，發(fā)動機的排氣溫度也能提高約20℃。
2.1.1.5 氫輔助燃燒
Cooper等探索了使1臺基本型2.0 L發(fā)動機實現(xiàn)燃油經濟性提高10%的可能性，這臺發(fā)動機為壓縮比為10.5，采用雙渦殼單級渦輪增壓，噴油壓力20 MPa，符合超低排放車（SULEV）30和歐6c 排放標準。初步試驗表明，采用48V電力輔助渦輪增壓能使RDE試驗循環(huán)下的燃油經濟性提高約3%。試驗時還采用的其他改進措施包括：將壓縮比提高到12.5，采用低壓EGR，催化器安裝在渦輪增壓器前，以及在高壓EGR回路中設置1個氫重整催化器。采用在重整催化器上游直接噴射燃油的方式來產生氫，有助于實現(xiàn)更高的EGR率。
Chang等提出了一種在發(fā)動機外面通過排氣重整催化的方式來產生氫的新方法。該方法是將某個以富油狀態(tài)工作的專用氣缸的排氣引入EGR回路中的催化器中進行重整。富含氫的重整氣體通過EGR回路重新被引入其他氣缸，由于這時火焰速度很高，因而能實現(xiàn)更高的EGR率。在1臺4缸發(fā)動機上以2 000 r/min 平均有效壓力（BMEP）0.4 MPa運行時收集到的數(shù)據(jù)顯示。與基本型發(fā)動機的25%EGR率相比，該發(fā)動機能在高達45%～55%的EGR率下實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，有效熱效率從29.5%提高到了32.1%，相當于有效燃油消耗率降低了約8.3%。試驗顯示，在轉速1 500 r/min、BMEP為0.08 MPa和轉速2 500 r/min、BMEP為0.6 MPa兩種穩(wěn)態(tài)工況下運行時，熱效率也提高了約2%。但在瞬態(tài)控制方面則面臨一定的挑戰(zhàn)，因此必須收集更多運轉工況點的相關數(shù)據(jù)。
2.1.1.6 稀燃
研究表明，稀燃與進氣門遲關米勒循環(huán)相結合能使燃油耗降低18%。該措施的具體實施方法是，在部分負荷采用稀氣分層燃燒，在高負荷時切換成按理論空燃比米勒循環(huán)運行。有人將一臺3.5 L氣道噴油發(fā)動機改成小型化的2.5 L渦輪增壓汽油直噴發(fā)動機進行了試驗，結果顯示，燃油耗降低了約8%。在采用自動起停系統(tǒng)和熱管理措施的情況下，二者都能使燃油耗進一步降低4%。車輛模擬分析顯示，采用包括減少摩擦和減輕質量在內的各種改進措施，有可能使燃油耗降低35%。排氣溫度則比較低（在整個發(fā)動機運轉工況范圍內排氣溫度均小于300 ℃）。因此，NOx控制將面臨挑戰(zhàn)，需要提出各種先進的排氣后處理方案。
Clasen等在1臺采用先進兩級渦輪增壓和雙線圈點火的4缸2.0 L汽油直噴發(fā)動機上進行了試驗研究，以擴大均相稀燃的運轉工況范圍。在低負荷低轉速工作時依靠高壓渦輪增壓，而在最大扭矩和額定功率下工作時則依靠低壓渦輪增壓。在轉速1 500 r/min、BMEP為0.8 MPa下運轉時，l為2.0（最稀狀態(tài)）。在轉速1 500 r/min、BMEP為1.0 MPa運轉時，有效比油耗最大降低了12%，這表明，燃油經濟性的提升并非與空氣稀擇程度完全相關。能夠保持穩(wěn)定燃燒的最大負荷是轉速1 500 r/min、BMEP為1.4 MPa，此時的l為1.4，但在BMEP為1.0 MPa以上的負荷下，燃燒的穩(wěn)定性均有所惡化。三效催化器前的排氣溫度為大于250 ℃，因此，預料能實現(xiàn)較好的催化轉換。
超稀燃（l約為2.0）是一種能使燃油經濟性提高到柴油機水平的前景看好的技術途徑。同時還因燃燒溫度低而能降低NOx排放。預燃室燃燒就是一種途徑，能在整個發(fā)動機運轉工況范圍內實現(xiàn)l約為1.6～2.0的超稀燃運行。在1臺排量1.5 L、壓縮比為13的3缸發(fā)動機上進行的試驗顯示，其熱效率能達到41%，最低燃油消耗率為203 g/（kW•h）。排氣溫度比較低則對后處理系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)，按FTP-75試驗循環(huán)試驗時達到的最佳NMOG+NOx排放量約為90 mg/mile。Niizato等介紹了Honda公司在實現(xiàn)穩(wěn)定稀燃方面取得的進展，利用壓縮行程中的預燃室直噴燃燒作為氣道噴油燃燒的補充，實現(xiàn)了空燃比高達40 的穩(wěn)定燃燒。轉速2 000 r/min時，最高熱效率達到了47.2%，平均指示壓力為870 kPa，這時NOx排放量僅為30 mg/L。
2.1.1.7 預燃室燃燒
Sens等介紹了一種“活躍”預燃室火花點燃發(fā)動機的開發(fā)情況，該發(fā)動機為預燃室配置了1個單獨的供油系統(tǒng)，這樣就能對預燃室中的空燃混合氣進行動態(tài)調整。研究表明，該發(fā)動機能在l高達2.2的情況下實現(xiàn)均相稀燃運行，NOx排放量接近0.2 g/（kW•h）的檢測限值。在隨后的研究中，對采用米勒循環(huán)的預燃室點火與冷卻EGR相結合的技術措施進行了試驗研究。結果顯示，預燃室點火能提高主燃室中的紊流強度，同時，燃燒穩(wěn)定性提高還能減輕其他技術帶來的缺點。對1臺壓縮比為12、采用冷卻EGR的發(fā)動機進行的試驗顯示，在整個發(fā)動機運轉工況范圍內，預燃室點火使燃油經濟性提高了1%～11%(高負荷時燃油經濟性的提高程度較大)。當再采用進氣門早關的米勒循環(huán)時，預燃室點火還能使燃油經濟性提高1%～6%。預燃室的幾何形狀必須進行優(yōu)化，以支持催化器加熱所需的后續(xù)燃燒。
2.1.1.8 電氣化
動力總成的電氣化仍在繼續(xù)向前發(fā)展。Niizato預計，到2030年，日本Honda公司的35%轎車將由純內燃機驅動，50%的車輛將是混合動力車，其余15%車輛將是純電動車和燃料電池電動車。這與Schaub等的看法一致，他們的預計是，到2030年，歐洲超過一半的新認證車輛將是輕度混合動力車。
48V輕度混合動力車的明顯好處是其成本只是全混合動力車的一小部分。Knorr等測定了Ford公司1臺Focus48V P0結構混合動力車的燃油耗和排放。該車輛配裝的是1.0 L發(fā)動機，其最大功率為92 kW。在實際行駛情況下，發(fā)動機的停機時間約為45%，發(fā)動機承擔的行駛里程約占85%。對后處理系統(tǒng)的挑戰(zhàn)是，要應對發(fā)動機停機時導致的排氣溫度下降。發(fā)現(xiàn)在發(fā)動機停機的下坡行駛過程中，排氣溫度的下降程度約為150 ℃/min，因此，排氣溫度遠低于催化器的點火溫度。
Brendel等對各種結構的48V混合動力車（其差異是電力機械與動力總成其他部件的相對位置各不相同）進行了分析。Brendel等預計，P0和P1結構混合動力車的燃油耗能降低約11%，在B級～E級的車輛中，P2～P4結構混合動力車的燃油耗能降低約16%。對于C級車輛，需要的最大持續(xù)功率為12 kW，依靠48V系統(tǒng)就能滿足這一要求。同時，還開發(fā)了一種僅需3～10 s就能滿足30～50 kW最大功率需求的雙層疊電容器。以1臺 CO 2排放量為125 g/km的基本型發(fā)動機為基準，通過對發(fā)動機、變速箱和車輛其他部件的改進，使 CO 2排放量降低到了90 g/km，依靠電氣化使 CO 2排放量進一步降低到了65 g/km。值得指出的是，該排放水平已非常接近提議中的歐洲2030年的排放限值。
美國環(huán)境保護署開發(fā)了先進輕型車動力總成和混合動力車的分析模型，并對其進行了驗證。未來該模型將被用來預測48V P0和P2結構輕度混合動力車溫室氣體排放和燃油經濟性的改善效果。
Bielaczyc等比較了兩臺配裝滿足歐5排放的多點噴油發(fā)動機的車輛（其中一臺為混合動力車，另一臺為傳統(tǒng)車輛）在城區(qū)行駛工況下的尾管排放。結果顯示，混合動力車的所有氣態(tài)組分的排放量都比較低： CO 2排放量降低了一半，CO排放量減少了90%以上，HC和NOx排放量也明顯降低（都已低于限值）。在常規(guī)行駛過程中，發(fā)動機的停機時間為70%，蓄電池的充電狀態(tài)保持在53%～65%，這表明能量的還原情況良好。
插電式混合動力車因其全電力行駛的范圍增加而能使燃油耗降低更多。研究表明，當發(fā)動機處于短暫運行和要即刻達到高功率或大扭矩的情況下，大負荷冷起動時產生的污染物排放量會特別高。Pham等按照模擬大負荷冷起動的試驗循環(huán)，在發(fā)動機測功器試驗臺上對3臺2013—2016年型插電式混合動力車進行了試驗。結果發(fā)現(xiàn)，在這些加速試驗循環(huán)下產生的排放量要比FTP試驗循環(huán)下的排放量高出9倍之多。這表明，現(xiàn)有的認證試驗循環(huán)不適合用來測定插電式混合動力車如此高的排放量。為了減少插電式混合動力車的發(fā)動機冷起動次數(shù)，Hamza和Laberteaux提出了確定電力驅動系統(tǒng)功率大小的設計準則, 分析了65 000次短暫運行的實際行駛數(shù)據(jù)，以判斷冷起動次數(shù)、全電力驅動和最大電功率之間的關系。分析結果顯示，傳統(tǒng)內燃機車輛和混合動力車每天的冷起動次數(shù)為 2.15次，如果設計的電力驅動系統(tǒng)能提供大于26.5 kW/t車重的動力，則插電式混合動力車的冷起動次數(shù)會更少。
2.1.2 輕型車柴油機技術
柴油車的燃油經濟性繼續(xù)保持比汽油車燃油經濟性高15%～20%的優(yōu)勢。最新研究表明，這種優(yōu)勢有可能會進一步擴大，同時，柴油車也能滿足收緊的實際行駛 NO x排放要求。VW公司的Mork等介紹了使1臺現(xiàn)代柴油機的 CO 2排放量減少大于30%的同時又能滿足城區(qū)行駛條件下NOx排放要求而采用的技術途徑。對1臺4缸1.6 L發(fā)動機作了一些重大改進。為了降低摩擦，將4缸機改為3缸機。改進了燃燒室的設計，并將壓縮比提高到17，以提高發(fā)動機的效率。對燃油系統(tǒng)進行了升級，采用壓電式噴油器，噴油壓力提高到270 MPa。重要的特點之一是進氣和排氣都采用了先進的可變氣門正時系統(tǒng)，以便能有效地降低（米勒/阿克金森循環(huán)）的壓縮比，同時還能提高低負荷運行時的排氣溫度。渦輪前的排氣溫度提高了10～40 ℃。依靠有效的排放控制系統(tǒng)，這樣的排氣溫度足以使城市行駛循環(huán)下的NOx轉換效率提高40%。一種緊耦合SCR系統(tǒng)能使NEDC/WLTP/RDE試驗循環(huán)下的NOx排放量遠低于歐6d的排放限值。為了在低負荷時保持較低的排放，必須添加可變氣門正時和發(fā)動機加熱的措施，同時，還添加了自動起停系統(tǒng)。另外，通過在P2位置設置48V一體式皮帶驅動起動機/發(fā)電機和10 kW電機的方式實現(xiàn)了輕度混合動力。在NEDC試驗循環(huán)下， CO 2排放量總體減少了31%，其中輕度混合動力的貢獻為6.8%。
Schaub等在1臺2.0 L非混合動力D級車輛上，通過添加48V皮帶驅動起動機/發(fā)電機，將發(fā)動機排量減小到1.6 L和降低轉速等措施，使車輛在WLTP試驗循環(huán)下的 CO 2排放量降低了9%。模擬分析顯示，皮帶驅動起動機/發(fā)電機帶來的好處約為5.1%。為了解決冷起動的排放問題，對以下兩種排氣后處理系統(tǒng)進行了試驗：（1）采用稀NOx收集器（LNT）、催化型柴油機顆粒過濾器（DPF）和SCR的后處理系統(tǒng)；（2）采用電加熱催化器、一體式SCR/DPF和下游SCR組成的后處理系統(tǒng)。在這兩種情況下還采用了高壓和低壓EGR。在3次不同的實際行駛排放試驗中，當環(huán)境溫度為23 ℃和-7 ℃時，這兩種后處理系統(tǒng)都能使尾管NOx排放量遠低于80 g/km，盡管在低環(huán)境溫度下主動熱管理起到了較好的作用。
研究人員正在評估柴油機采用動態(tài)停缸的效果。對1臺4缸2.0 L C級車輛進行的模擬分析表明，柴油機采用動態(tài)停缸有可能使 CO 2排放減少2%～5%，同時，如果再使排氣溫度提高40 ℃并改進變速箱的換檔，還能使 NO x排放有所降低。
2.2 重型車發(fā)動機技術
為了提高燃油經濟性，重型車發(fā)動機的技術正在不斷改進和提高。柴油機仍然是重型車的首選動力。重型車的電氣化也在發(fā)展。除了發(fā)動機改進外。車輛改進也是明顯提高燃油經濟性的一種途徑，二者正在相互追趕，以爭取在實施美國超級卡車Ⅱ計劃中發(fā)揮更大的作用。
2.2.1 重型車柴油機
美國能源部推出的超級卡車Ⅱ計劃已進入第二個年頭，參與該計劃的單位都在朝著以下目標努力工作：使實際運行中的有效熱效率提高到55%以上；使運費效率 (每克燃油行駛英里數(shù)×以噸計的貨物質量)比2009年的基準水平提高100%；任何技術改進措施的投資回收期要小于3年。
以下就是該計劃參與者共同的研究課題：（1）改善車輛的空氣動力學水平、減輕質量、減少滾動阻力和減少摩擦；（2）改進發(fā)動機燃燒和提高空氣處理的水平（提高壓縮比，優(yōu)化EGR），隔熱技術和隔熱涂層；（3）開發(fā)輕度混合動力車;（4）先進的和優(yōu)化的NOx控制；(5)廢熱回收利用。
Amar和Smith報道了Volvo公司為達到超級卡車Ⅱ計劃目標而采取的策略。策略主要包括：（1）采用渦輪復合增壓（質量會增加3.5%）；（2）通過選擇合適的材料和設計使動力總成的凈重量降低5.3%；（3）通過降低發(fā)動機的轉速來減少摩擦；（4）采用隔熱涂層活塞來減少燃燒室的熱損失，以提高熱效率和降低HC和CO排放；（5）在P1位置采用25 kW一體式起動機/發(fā)電機的結構來實現(xiàn)輕度混合動力車。
Yee和Girbach介紹了Daimler公司采用的技術途徑：進一步降低13 L發(fā)動機的轉速，以提高燃油效率；采用48V電動發(fā)電機實現(xiàn)輕度混合動力車，預料其能使運費效率提高4%。還探討了動力總成和燃燒方面的其他改進措施，包括采用兩級渦輪增壓，采用更高的壓縮比，采用隔熱涂層，采用米勒循環(huán)和兩級EGR冷卻等。排氣后處理將包括緊耦合SCR。為了提高瞬態(tài)性能，正在開發(fā)幾種發(fā)動機與排氣后處理相結合的熱力學和動力學模型。
Ruth和Damon闡述了Cummins/Peterbit公司為實現(xiàn)運費效率提高125%而采取的技術途徑。他們認為，改善空氣動力學性能、減少滾動阻力、提高發(fā)動機效率和減輕車輛質量能分別使運費效率提高25%、16%、32%和24%。預計車輛重新設計和采用先進的車速控制能使空氣動力學阻力降低15%～20%，通過改進輪胎能使?jié)L動阻力減少30%，相當于能使燃油經濟性提高6%。在動力總成方面，開發(fā)了采用20 kW電動發(fā)電機的輕度混合動力車，并添加了廢熱回收利用，預料這將能使有效熱效率提高大于4%。
Hergat和Brown介紹了其試驗研究的目標是要將1臺基本型發(fā)動機的熱效率（BTE）從47%提高到55%。試驗顯示，改進燃燒和空氣管理使BTE提高了3.4%，減少摩擦和寄生損失使BTE提高了0.6%，廢熱回收利用使BTE提高了4%。該基本型發(fā)動機在承受道路負荷時所需的加權平均工作負荷為200 kW，而在車輛爬坡時所需的負荷為300～325 kW。為此，有人對電機功率為15～120 kW的各種混合動力結構進行了分析。但由于發(fā)現(xiàn)電機功率較大不太經濟，因而只對電機功率為15～30 kW的混合動力進行了分析。
Zukouski介紹了Navistar公司為達到超級卡車Ⅱ計劃目標而采取的技術措施。其路徑與上述研究采用的技術途徑大致相同。預計廢熱回收利用能使BTE提高3.5%。有人正在對各種NOx控制系統(tǒng)進行評估，這些系統(tǒng)包括電加熱催化器，氣態(tài)氨噴射和緊耦合SCR。作為一種替代方案，有人還在探索采用汽油壓燃發(fā)動機的可能性。
Zhang等也在研究汽油壓燃發(fā)動機在提高燃油效率和減少NOx排放方面的潛力。采用研究法辛烷值（RON）為58～93的汽油進行了發(fā)動機運轉試驗。當將壓縮比從18.9降低到15.7時，碳煙排放有所下降，但燃油效率也有所下降。在中、低負荷時，發(fā)動機燃用汽油時的燃油效率要高于燃用超低硫柴油時的燃油效率。使用反應率較低（RON較高）的燃油時，采用了分開噴油的方式。
為了達到第2階段溫室氣體排放標準和提議中的超低NOx排放標準，Dahodwala等利用發(fā)動機和排氣后處理模型對幾種方案進行了探索研究。模擬研究用的基本型發(fā)動機為1臺4缸排量7.7 L、壓縮比17.6、額定功率為 228 kW，并采用冷卻高壓EGR的發(fā)動機。利用發(fā)動機模型對5種降低燃油耗的技術進行了評估：將氣缸數(shù)從6缸減少至4缸；將最高轉速降低200 r/min；采用兩級可變壓縮比；停缸和渦輪復合增壓。預測結果顯示，減少氣缸數(shù)、降低轉速、停缸，以及兩級可變壓縮比和渦輪復合增壓分別能使燃油經濟性提高9.2%、4.6%、1.7%和小于1%。還對兩種技術組合的效果進行了評估。第1種是降低轉速、可變壓縮比、停缸和渦輪復合增壓的組合，能使HD-FTP試驗循環(huán)下的有效比油耗下降7.1%。第2種是減少氣缸數(shù)與兩級可變壓縮比的組合，能使HD-FTP試驗循環(huán)下的有效比油耗降低9.7%。盡管第1種技術組合的燃油經濟性改善效果偏低，但能產生較高的排氣溫度，這對于低NOx控制是有利的。
研究人員正在考慮將一些已經在輕型車發(fā)動機領域實現(xiàn)商業(yè)化應用的技術用于重型車發(fā)動機。Franke等探討了實現(xiàn)以下這種可變壓縮比模式的可能性：在發(fā)動機低負荷時使用較高的壓縮比，以提高效率，而在高負荷時使用較低的壓縮比，以產生較高的排氣溫度和實現(xiàn)碳煙/NOx的均衡排放。停缸能同時實現(xiàn)燃油經濟性改善和排氣溫度升高。Gosalaz等在1臺采用熱管理措施提高排氣溫度的6缸發(fā)動機上進行了試驗，當發(fā)動機在路邊停車怠速工況下運轉時，使3個氣缸停缸，燃油節(jié)省了40%，同時仍然能保持較高的排氣溫度。在HD-FTP和城市大客車試驗循環(huán)下，燃油耗分別降低了3%和9%。
研究顯示，通過改善空氣動力學性能可以取得明顯的節(jié)油效果。Hawkins等測定了1臺第８類長途臥鋪客車的燃油耗情況，道路試驗和滑行試驗測得的結果顯示，燃油節(jié)省大于９％。
車輛列隊行駛能夠改變空氣流場和空氣動力學阻力，也是降低車隊燃油耗的另一種途徑。ＭcAuliffe等用３輛第８類卡車進行了列隊行車試驗，卡車的行駛速度恒定為65 mile/h,載質量為65 000 lb，車輛的前后間距在4～87 m之間變化。發(fā)現(xiàn)末尾一輛卡車在最佳間距為12 m時可實現(xiàn)節(jié)油約13%，而中間一輛卡車即使與前車的間距較小，節(jié)油程度更高，間距為4 m時節(jié)油達17%。領頭的卡車即使在車輛間距小于20 m的情況下，同樣也能節(jié)油，間距為4 m時節(jié)油達10%。當車距為4 m時，列隊行車的凈節(jié)油度為13%。盡管節(jié)油效果明顯，但從安全角度來說，4 m間距可能是太小了。Nusskowski等測試了2臺第6類卡車列隊行駛實現(xiàn)節(jié)油的可能性，卡車的前后間距為車身長度的3～6倍。試驗結果顯示，后面一輛卡車的迎面空氣流速降低了4.0%～8.5%（降幅取決于車輛間距大?。加徒洕蕴岣吡?.5%～9.0%。
2.2.2 重型車電氣化
重型車的電氣化正在不斷向前推進，有可能使燃油耗明顯降低。采用輕度混合動力是美國能源部超級卡車Ⅱ計劃所有參與者的共識。
據(jù)估計，某些行車路線和負荷可預測的第6類和第7類中型車和校車會最快實現(xiàn)電氣化。Vijayagopal等分析了跨境大客車通過提高電氣化程度來實現(xiàn)節(jié)油的潛力。按照CARB試驗循環(huán)和EPA55試驗循環(huán)，預測了車輛每天行駛150 mile時的燃油耗。假設插電式混合動力車的電力行駛里程為 75 mile，蓄電池電動車的電力行駛里程為150 mile。模擬分析使用的是Autonomie模型，發(fā)動機燃油耗曲線圖取自EPA的溫室氣體排放模型。所有的變量必須符合和超過如下的連續(xù)負荷性能：巡航車速60 mile/h、6%坡度的車速為29 mile/h、0～30 mile/h瞬時變速和0～60 mile/h加速。模擬結果顯示，在瞬態(tài)試驗循環(huán)下，輕度混合動力車能節(jié)油8%，全混合動力車能節(jié)油29%，插電式混合動力車能節(jié)油53%。在EPA55試驗循環(huán)下，輕度混合動力車和全混合動力車未顯示出任何節(jié)油效果，而插電式混合動力車則能節(jié)油39%。以55 mile/h的車速巡航時發(fā)動機幾乎沒有機會停機。盡管實際的節(jié)油狀況對本分析中所作的各種假設比較敏感，但研究顯示，從輕度混合動力車到全混合動力車都能使燃油經濟性有明顯的改善。Rousseau和Vijayagopal將這一分析擴展到了其他中型車和重型車，包括每天行駛150 mile的第4類和第6類送貨車輛和每天行駛500 mile的第8類長途卡車。在城市行駛時，輕度混合動力車能節(jié)油5%～10%，全混合動力車能節(jié)油20%～30%，純氫電池電動車 (PHEV)能節(jié)油80%～100%。對于第8類長途卡車，其節(jié)油效果要小許多，輕度混合動力車節(jié)油效果為小于5%，全混合動力車的節(jié)油效果小于10%，PHEV的節(jié)油效果小于20%。重型車領域的蓄電池電動車使用率將取決于總持有成本和地方法規(guī)的要求，總持有成本則與地區(qū)和部門有關。預計到2020—2024年，配送車將達到總持有成本平價，而對長途卡車總持有成本的預計仍然存在很大的不確定性。另外，對于長途卡車，必然會涉及到充電基礎設施的問題，在歐洲，估計長途卡車將至少需要設置6 000個大于500 kW的充電站。
3 稀NO x控制
人們已經對柴油機使用過程中的NOx排放情況開展了詳細的調查研究，發(fā)現(xiàn)要滿足現(xiàn)行的和未來的排放法規(guī)仍將是一個重大的挑戰(zhàn)。對NOx排放進行的研究表明，柴油機能夠在寬廣的運轉工況下實現(xiàn)十分清潔的排放。圖6匯總了270臺歐6d柴油車和汽油車的排放數(shù)據(jù)（一致性系數(shù)CF=2.1）。圖6顯示，大部分車輛都已達到了歐6d的NOx和顆粒數(shù)排放要求（CF=1.5）。研究表明，發(fā)動機改進加上先進的排氣后處理系統(tǒng)能使柴油機車輛在頗具挑戰(zhàn)性的城市實際行駛條件下達到歐6標準的NOx排放限值。
圖6 270臺歐6d柴油車實際行駛排放(RDE)試驗時的排放數(shù)據(jù)(圖中橫線為各排放法規(guī)的限值水平)
3.1 輕型車NOx控制系統(tǒng)
Bosch公司的試驗研究證實，在環(huán)境溫度低到0 ℃時的動態(tài)實際行駛條件下，車輛尾管的NOx排放量可以達到小于80 mg/km的水平。他們在兩種行駛情況下（包括冷態(tài)起動工況）進行了排放試驗，其中一種行駛情況為排氣冷卻后加速，另一種行駛情況為城市行駛循環(huán)，還包括了會導致后處理系統(tǒng)溫度降低的停車/起動行駛狀況。發(fā)動機采用的熱管理措施包括：推遲燃燒和噴油、為減慢催化器冷卻的氣流管理、優(yōu)化渦輪增壓器，以及提高瞬態(tài)性能和低速扭矩。更進一步的NOx控制措施還包括采用低壓和高壓EGR，而排氣后處理系統(tǒng)則包括柴油機氧化催化器（DOC）后緊接過濾器上的SCR，以及另一個下游SCR。附加的NOx儲存催化器或雙尿素噴射并沒有增加多大的價值，而電加熱催化器則沒有被采用，因為這會導致 CO 2排放量增加19%。
大眾公司介紹了為提高新一代2.0 L發(fā)動機的燃油經濟性和控制NOx排放而采取的對策。通過減輕質量，減少摩擦，使渦輪增壓器效率提高10%，采用皮帶驅動起動機/發(fā)電機的輕度混合動力，采用起動/停車系統(tǒng)，以及高轉速時發(fā)動機停缸等措施，使發(fā)動機的燃油經濟性提高了10%。NOx控制措施包括：采用高壓和低壓EGR，采用緊耦合DOC，增加與SCR一體的過濾器的容積，以及增加下游SCR的容積。為了促使氨更好地分布，改善了氣流的均勻性，同時，還實施了一種“溫度保持”功能，以防止SCR冷卻到200 ℃以下。通過重新優(yōu)化設計后處理系統(tǒng)的結構布置，使排氣系統(tǒng)的壓力損失減少了40%，其他改進措施包括渦輪增壓器與DPF之間采用氣隙隔離，通過8次噴油進行DPF再生，以及改進排氣后處理控制用的ECU和傳感器。
Landsberg等使1臺4缸2L C級車輛在要求的行駛條件下達到了36 mg/km的尾管NOx排放量。采用的排氣后處理系統(tǒng)由LNT和在過濾器上的SCR，以及氨逃逸催化器組成。在城區(qū)行駛時，大部分NOx排放都在溫度低于200 ℃的情況下發(fā)生，因此，采用一種基于發(fā)動機的加熱措施就能實現(xiàn)較早的LNT釋放和尿素噴射。
Avolio等提出了一種為達到歐6后排放限值的排氣后處理方案，由過濾器上的SCR，添加的SCR和熱管理措施組合而成，前者的兩個SCR各自進行單獨的尿素噴射，后者能夠實現(xiàn)尿素提早噴射。他們給出了1輛配裝4缸2.0 L發(fā)動機的C級車輛的試驗結果。該車還添加了高壓和低壓EGR，以及48V皮帶驅動起動機/發(fā)電機的輕度混合動力。在WLTP試驗循環(huán)下，過濾器上的SCR處的NOx排放量為60 mg/km，已低于歐6的限值。添加了第2個車身下SCR后，NOx排放量降低了65%，達到了21 mg/km。90%的尿素被噴入第1只SCR。設置在第1只SCR上游的電加熱催化器能使尿素噴射提早150 s,從而能使NOx排放進一步降低到13 mg/km。在實際行駛試驗中，采用過濾器上的SCR時，NOx排放量為84 mg/km，在加裝車身下SCR后，NOx排放量進一步降低到了24 mg/km(降幅達71%)。在所有行駛工況下，NOx排放量都接近35 mg/km。
為了使在用車達到嚴苛的LEV Ⅲ排放標準，Vakiti等探討了柴油車需要采取的發(fā)動機和排氣后處理改進措施。一種對策是將SCR移到靠近發(fā)動機的位置，并采用雙尿素噴射。模擬預測指出，在緊耦合DOC-SCR后設置一個車身下SCR過濾器-氨逃逸催化器（ASC）系統(tǒng)并采用雙尿素噴射，可以使NOx轉換效率比同樣的系統(tǒng)采用單尿素噴射時的NOx轉換效率提高5%～25%。改進SCR催化器和采用主動熱管理有助于催化劑提早點火。采用進氣門升程可變和排氣門正時可變的可變氣門正時系統(tǒng)時，能使WLTC中第1階段的NOx排放量降低30%。每次噴入少量燃油的多次噴油產生的燃燒形態(tài)能使燃油經濟性，以及發(fā)動機自身的碳煙、CO和HC排放得到改善。模擬顯示，輕度混合動力車中的電力增壓可以使NOx排放降低約9%，從而有利于提高EGR水平，同時，在整個冷態(tài)起動FTP試驗循環(huán)中能使碳煙排放量減少40%。
3.2 重型車低 NO x控制系統(tǒng)
為達到CARB和EPA規(guī)定的尾管NOx排放目標，研究人員提出了各種方案。NOx要減排高達90%，試驗規(guī)范更嚴，以及必須通過降低燃油耗來達到第2階段溫室氣體排放標準等各種需要應對的問題，都會在技術上迎來相當大的挑戰(zhàn)。因而將要求人們開發(fā)先進的發(fā)動機和排氣后處理技術。
要達到20 mg/（hp•h）尾管NOx排放目標的關鍵是，提出的各種技術方案都要解決冷起動排放的問題。Singh等指出，1臺典型的2010—2017年的重型車發(fā)動機在第1個130 s試驗運轉期間，其累計NOx排放量可能已經超過了限值。為此，人們正在開發(fā)各種能在冷起動時提高排氣后處理轉換效率的解決方案。
為了評估各種排氣后處理系統(tǒng)NOx排放達到20 mg/（hp•h）的目標可能性，美國西南研究院和加州空氣資源局正在與多方合作開展試驗研究。在該研究計劃中，被評估的第1種排氣后處理系統(tǒng)是1臺13 L發(fā)動機采用的由被動NOx吸附器（PNA）后接微型燃燒器，以及SCR過濾器+SCR+ASC組成的后處理系統(tǒng)。針對這一系統(tǒng)進行的試驗研究工作是要評定各后處理部件在1 000 h老化后的減排水平。在該研究開始時，冷態(tài)起動FTP試驗循環(huán)下的 NO x排放量為25 mg/（hp•h），熱態(tài)起動FTP試驗循環(huán)下的NOx排放量為5 mg/（hp•h），因此FTP試驗循環(huán)下的復合NOx排放量為9 mg/（hp•h）。另一個工作團隊正在開發(fā)低負荷排放試驗循環(huán)，他們未來的工作計劃是要評估2017年型發(fā)動機實現(xiàn)低NOx排放的潛力。下一階段還將對低負荷試驗循環(huán)下的污染物排放量和溫室氣體的最低排放目標進行評估。
在眾多研究中涌現(xiàn)出了一種領先的解決方案，是在DPF前采用1個SCR，以解決冷起動排放和低溫時的轉換效率問題。盡管該方案能實現(xiàn)較快加熱和提早噴射尿素，但需要解決因硫引起的催化劑活性喪失，以及防止積炭、碳氫化合物排放和焦化等問題。另外，由于沒有設置上游DOC，會使SCR的脫硫更為困難，并會導致SCR要依賴發(fā)動機排出的N O 2來實現(xiàn)快速反應。最后發(fā)現(xiàn)，雙尿素噴射對于更好地控制所需的氨和DPF再生時的NOx逃逸是有利的，其中一只尿素噴射器安裝在DPF前的SCR前面，另一只尿素噴射器安裝在下游SCR之前。第2只尿素噴射器能在DPF再生期間切斷過濾器上的SCR的尿素噴射，因此，能更好地控制碳煙堆積引起的壓力降。
Wille和Kalwai對3種排氣后處理系統(tǒng)進行了評定：一種為SCR設置在DPF后面，另一種為SCR與DPF組成一體，第3種為采用兩個SCR，其中一個SCR設置在DPF之前并與他緊耦合，另一個SCR設置在DPF之后。每個SCR有各自獨立的尿素噴射系統(tǒng)。在冷態(tài)瞬變試驗循環(huán)下，在100 s以內，緊耦合位置SCR的進口溫度就達到了200 ℃，而其他兩種系統(tǒng)的SCR則需要400 s以上才能達到此溫度。然而，對于在緊耦合位置的銅-沸石SCR，其低溫活性會受到硫的影響，因而需要采取較好的再生策略來恢復活性。高溫脫硫和DPF再生也會使SCR在低溫時的轉換效率變差。Geisselmann等研究了硫對SCR催化器的影響，研究認為，在硫酸化過程中釩催化器的性能相當穩(wěn)定，而銅-基催化器的初始NOx轉換效率比較高，能在400～500 ℃的溫度下進行再生后恢復性能。
Newman在過濾器上的SCR后面再加裝了一個附加SCR，對采用單尿素噴射和雙尿素噴射時SCR的性能和背壓進行了比較。所有的系統(tǒng)按HD-FTP試驗循環(huán)進行的試驗顯示，NOx的整體轉換效率比較高。附加的尿素噴射能靈活地控制過濾器的被動再生，以改善背壓。有人對一種采用緊耦合SCR后配置ASC、DOC、DPF，以及另一個SCR和ASC的后處理系統(tǒng)進行了試驗研究，結果顯示，緊耦合SCR還能較好地實現(xiàn)NOx:N 2O的均衡。
采用氣態(tài)氨系統(tǒng)是能使SCR在200 ℃以下繼續(xù)保持活性的一種技術途徑。有人采用該技術在低負荷行駛時溫度會受到限制的專用卡車上進行了開發(fā)研究。Johannessen等介紹了1個月內在采用該技術的垃圾清運車上收集到的數(shù)據(jù)。SCR的平均溫度為207 ℃，氣態(tài)氨系統(tǒng)能使SCR在溫度低到100 ℃時繼續(xù)保持轉換效能。該技術的第2個好處是，SCR轉換效率的提高可以減少對EGR的需求，從而能使燃油經濟性得到提高，并使發(fā)動機產生有助于過濾器被動再生所需的較高的NOx。
為了使排氣后處理系統(tǒng)快速加熱以實現(xiàn)提早噴氨和SCR盡快產生活性，主動熱管理也正在受到人們的追捧。Culburtson等在1臺6.7 L Cummins ISB發(fā)動機上進行了采用24 Vdc加熱器加熱排氣的試驗，該發(fā)動機配置了由DOC、DPF、SCR和ASC組成的2017年型排氣后處理系統(tǒng)。采用兩種加熱器進行了試驗，一種為傳統(tǒng)24 Vdc發(fā)電機，另一種為兩個12 Vdc鉛-酸蓄電池，二者在83%負載時均為3 kW。在HD-FTP試驗循環(huán)的第1個410 s試驗時間內，加熱器被接通，在這段時間內，以2.6 kW的電功率在260 s內就使DOC的進口溫度升高到了275 ℃。試驗循環(huán)中的平均功耗為0.9 kW，使用的最大功率為4.6 kW。在城市客車試驗循環(huán)下進行的試驗顯示，平均溫度從208 ℃提高到了273 ℃，使用的平均功率為2.3 kW。在經常間隙負荷和延長怠速的道路清掃車試驗循環(huán)下，加熱器所需的平均功率為0.8 kW。在這兩種試驗循環(huán)下，所需的最大功率接近4.5 kW，但在試驗循環(huán)中，有一半以上的時間加熱器都在3 kW以下工作。與只在冷起動時采用發(fā)動機熱管理來進行加熱的基本型后處理系統(tǒng)相比，這種加熱器還有可能在改善燃油耗方面帶來好處。主動熱管理部件的可靠性仍然是一個主要問題。
有人正在利用標定模型對各種不同排氣后處理系統(tǒng)的減NOx潛力進行評估。Strots和Resaei利用發(fā)動機和排氣后處理系統(tǒng)的綜合模型評估了各種基于發(fā)動機的熱管理策略和后處理系統(tǒng)對排放的影響。評估用的基準發(fā)動機為采用兩級渦輪增壓和EGR的6缸歐6發(fā)動機，排氣后處理的配置為DOC、DPF、SCR（銅-沸石）和ASC。發(fā)動機采用的各種標定狀態(tài)包括：較早的后噴油、進氣節(jié)流、推遲噴油和排氣節(jié)流。在FTP試驗循環(huán)下，能使發(fā)動機本身的NOx排放降低13%，從約2.3 g/（hp•h）降低到約2 g/（hp•h）。對基準后處理系統(tǒng)的改進是在DOC前采用緊耦合SCR和ASC。圖7所示為兩種后處理系統(tǒng)的配置示意圖和排放改善效果， NO x的轉換效率從95%（基準系統(tǒng)）提高到了99%，并達到了低于0.02 g/（hp•h）的尾管NOx排放目標。與基準后處理系統(tǒng)相比，N 2O的排放量也降低了19%。熱管理導致燃油消耗增加了3%。有人提出了解決燃油消耗增加的方法，其中包括采用PNA及SCR與DPF一體化。由此，產生的較高NOx轉換效率將允許發(fā)動機在NOx排放較高的情況下工作，并且還能使燃油經濟性有所提高。
圖7  一種發(fā)動機標定和后處理改進方案，包括添加緊耦合SCR和雙尿素噴射，為滿足加利福尼亞州提議的20 mg/（hp•h）低NOx排放限值
Dahodwala等通過模擬分析對幾種不同的排氣后處理配置進行了比較。結果顯示，采用一體式DPF-SCR、被動NOx吸附器（PNA）和氣態(tài)氨系統(tǒng)的后處理系統(tǒng)時，NOx排放量要比使用2017年參比后處理系統(tǒng)時的NOx排放量降低約80%。SCR能在約350 s內達到200 ℃的床溫，而參比后處理系統(tǒng)要在477 s內才能達到此溫度。但尾管的NOx排放量為約25 mg/（hp•h），還是超過了低NOx排放的限值目標。因此，有人對主動加熱措施作了進一步探索。發(fā)現(xiàn)采用電加熱催化器或微型燃燒器是能使NOx排放量降低到低于20 mg/（hp•h）的有效措施，但二者的問題是會增加燃油消耗，折算下來，采用電加熱催化器時燃油消耗最高會增加6.1%，采用微型燃燒器時燃油消耗會增加2.1%。有人對該措施的噴油劑量進行過研究，結果顯示，通過控制噴油劑量，燃油消耗最少也要增加1.3%，且NOx排放量勉強接近限值目標（21 mg/（hp•h））。最后，有人提出了一種綜合應用噴油劑量控制、電加熱催化器和PNA的先進加熱策略，試驗結果表明，該方法能達到NOx的排放目標，并且燃油消耗量增加很少，僅為1.9%。研究表明，改變發(fā)動機標定和采用先進的發(fā)動機技術是一種既能達到NOx排放標準，又能使燃油耗降低5%～7%的技術途徑。
Seykens等以達到超低NOx排放標準和同時保持較好的燃油經濟性為目標，對幾種排氣后處理系統(tǒng)進行了模擬分析。模擬分析用的參比系統(tǒng)是采用高壓冷卻EGR，以及DOC、DPF、SCR和氨氧化催化器的13 L歐6發(fā)動機。添加的后處理配置包括：PNA、一體式DPF-SCR（通過尿素加熱能以130 ℃噴射尿素），以及在PNA上游的緊耦合SCR和有涂層SCR過濾器。PNA有助于減少冷起動時的排放，但由于在低于SCR點火溫度的情況下PNA會發(fā)生 NO x釋放，因而會使NOx總排放量有所增加。SCR過濾器的效果最好，而緊耦合SCR則因熱質量增加而抵消了提早點火的效果，所以其好處不太明顯。盡管這幾種后處理系統(tǒng)都能顯著減少NOx排放，但沒有一種系統(tǒng)能達到20 mg/（hp•h）的排放限值，因此，有人提出了幾種基于發(fā)動機的主動加熱措施，以進一步減少冷起動時的排放。
Zha等介紹了過去3年中在美國能源部資助下開展的提高NOx轉換效率的研究工作情況，其目標是要將150℃以下的NOx轉換效率提高到90%以上。他們選擇了一種配置DOC、DPF、銅-沸石SCR和ASC的商品后處理系統(tǒng)作為參比基準。開發(fā)了一種新型催化器，能在有N O 2存在的情況下使NH4NO3的生成量最少，并能促使其分解。在150 ℃和NO2/ NO x比為0.5的情況下，該催化器樣品達到了86%的NOx轉換效率。在較高的NO2/ NO x比率下， NH 4 NO 3會導致NOx轉換效率變差。這是在商品催化器中觀察到的能在163℃下使NOx轉換效率超過50%的明顯改進，但其缺點是在NO2/ NO x比大于0.4時會生成 NH 4 NO 3。其他改進措施還包括以下幾項：將DOC移到渦輪前的位置，并采用20%的EGR率，以達到0.5的最佳NO2/ NO x比；通過熱管理使渦輪出口溫度提高10℃；采用一個附加的車身下SCR；采用氣態(tài)氨噴射。在超過16 h的發(fā)動機試驗中，這種升級的后處理系統(tǒng)的 NO x轉換效率達到90%以上。最后，在以低負荷和低車速行駛為特征的城市客車行駛循環(huán)下進行了1.3 h的性能試驗。結果顯示，基準后處理系統(tǒng)的 NO x轉換效率約為88%，升級的后處理系統(tǒng) NO x轉換效率約為97%。盡管改進的效果令人印象深刻，但要完全實現(xiàn)商業(yè)化應用還有一些問題有待解決，包括要抑制由渦輪前催化器導致的發(fā)動機瞬態(tài)響應變差，以及要采用先進的控制手段按要求對NO2/ NO x的比率進行優(yōu)化。Ottinger等在實驗室反應器上對一種雙涂層商品催化器（一層為氧化底層，另一層為銅-沸石頂層）進行的研究證實， NH 4 NO 3的生成需要有NO2和 NH 3，而在175℃時有NO存在的情況下， NH 4 NO 3的生成量可以忽略不計。在實際應用中，這種情況可能不那么令人擔憂，因為排氣中通常會存在較高濃度的NO（重型車柴油機排氣中的NO高達90%～95%）。
Patil等提出了采用對置活塞發(fā)動機來實現(xiàn)超低 NO x排放的技術途徑。他們按照1臺3缸4.9 L發(fā)動機的參數(shù)開發(fā)了壓縮比為17.5的10.6 L對置活塞發(fā)動機，預料其性能可與13～15 L發(fā)動機的性能相媲美。實現(xiàn)低排放的關鍵策略是通過“催化器快速點火模式”來解決冷起動排放問題，可以通過控制收集到的內部殘余氣體，以及依靠分開噴油和推遲噴油來提高排氣溫度。在冷態(tài)起動HD-FTP試驗循環(huán)下進行的試驗顯示，渦輪出口溫度在80 s內就達到了250 ℃。再配置一個緊耦合SCR后，在第1個100 s試驗時間內就有可能達到最高的 NO x轉換效率。采用一種包括緊耦合SCR、DOC、DPF和下游SCR的后處理系統(tǒng)進行的試驗顯示，尾管 NO x排放量有可能達到0.03 g/（hp•h）。兩臺10 L發(fā)動機正在投入使用試驗，以驗證發(fā)動機實現(xiàn)低 NO x排放和降低燃油耗的效果。
理論空燃比天然氣發(fā)動機已經投入實際應用，能夠達到加利福尼亞州自定的20 mg/（hp•h）的低 NO x排放標準。Smith等探討了在保持燃油補償最少的情況下改善冷起動 NO x排放的方法。用1臺2014年型采用高壓冷卻EGR的理論空燃比天然氣發(fā)動機按照HD-FTP試驗循環(huán)進行了試驗。對排氣后處理系統(tǒng)進行了升級，在單個車身下三效催化器（TWC）的基礎上添加了1個緊耦合TWC。通過推遲點火來使催化器加熱。試驗結果顯示，綜合 NO x排放量達到了10 mg/（hp•h），但燃油補償高達4.7%。在第1個20 s試驗期間，采用了其他兩種運轉策略進行試驗：（1）在第1次怠速時，發(fā)動機以5%燃油加濃和推遲點火方式運轉，并實施第2次空氣噴射；（2）發(fā)動機一半時間以25%燃油加濃運轉，另一半時間以15%燃油加濃狀態(tài)運轉，凈燃油加濃水平為10%。與低 NO x排放的發(fā)動機標定狀態(tài)相比，第2次空氣噴射對 NO x排放的改善效果最好，且附加的燃油補償僅為0.8%。采用燃油加濃/稀氣運行策略時 NO x排放量與低 NO x發(fā)動機標定狀態(tài)下的排放量相似，燃油耗降低了1.2%，但甲烷排放量有所增加。甲烷排放是天然氣發(fā)動機要關注的一個問題。
天然氣發(fā)動機的顆粒物排放也越來越受到關注，因為在天然氣發(fā)動機的排氣后處理系統(tǒng)中通常不配置顆粒過濾器。由圖3可見，壓縮天然氣發(fā)動機的顆粒物排放量已接近排放限值。Khalek等對上述天然氣發(fā)動機與采用一體式DPF/SCR的2014年Volvo歐6柴油機的顆粒物和灰分排放進行了比較。結果顯示，這兩種發(fā)動機的 NO x排放都很低，并能經受相當于43.5萬mile使用壽命的水熱老化。這兩種發(fā)動機在FTP、WHTC和RMC試驗循環(huán)下都能達到0.01 g/（hp•h）的顆粒物排放限值。但是，天然氣發(fā)動機的顆粒數(shù)排放量要高許多。天然氣發(fā)動機大于25 nm的顆粒物排放量是柴油機的5～8倍，小于25 nm顆粒物的排放量是柴油機的5～10倍。天然氣發(fā)動機的金屬灰顆粒物排放量也比柴油機的高5～10倍?？紤]到超細顆粒物對健康的影響，該研究建議應采用顆粒過濾器來清潔天然氣發(fā)動機的排氣。
NO x傳感器正在快速發(fā)展，并且正在考慮用其進行連續(xù)的車載測量和實際行駛排放量的跟蹤。有人提出了一個初步想法，建議采用將 NO x傳感器測得的數(shù)據(jù)與法規(guī)指標進行比較的辦法來評估排放性能，從而擺脫對實驗室認證試驗循環(huán)的依賴。在寬廣的發(fā)動機運轉工況范圍內和WHTC工況下，用 NO x傳感器測得的 NO x濃度與用PEMS和實驗室設備測得的 NO x濃度相比，差值在10 mg/L以內。
3.3 SCR
基于SCR 的排氣后處理系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)是，要在低于150～180 ℃的溫度下保持持續(xù)的高轉換效率。在這方面取得進展對于解決法規(guī)要求的冷起動和低負荷排放問題是至關重要的。
研究表明，最新的銅-基SCR催化器的 NO x轉換效率已有所提高。Newman用1只在650 ℃下老化了50 h的2017年催化器作為參比對象進行的試驗顯示，在175℃時新催化器的 NO x轉換效率從65%提高到了73%，600℃高溫下的 NO x轉換效率從96%提高到了99%。新催化器的熱耐久性也比較好，即使在900 ℃下老化后，新催化器仍能在寬廣的運轉范圍內保持較高的轉換效率。Geisselmann等在實驗室進行的試驗顯示，在175 ℃時新催化器對NO的轉換效率差不多提高了1倍，從40%提高到了80%，同時高溫下的轉換效率也有所提高。由圖8可見，上述兩項研究顯示。新催化器在250～550 ℃時，SCR對NO的轉換效率幾乎接近100%。氨逃逸催化器也在不斷改進，250 ℃時的N 2O排放量小于20 mg/L，在該溫度下氨幾乎100%完全被氧化。
為了滿足重型車低 NO x排放標準和非道路移動機械的排放法規(guī)，今后設計的后處理系統(tǒng)將會采用一體式的SCR/DPF結構。這就要求將SCR移到靠近發(fā)動機的位置，以實現(xiàn)較早的加熱和尿素噴射。有人開發(fā)了幾種高孔穴率過濾器，旨在提高SCR催化器的內壁涂載量和減少熱質量，以更快地產生催化活性。George等用一體式DPF/SCR和尺寸減小的車身下SCR代替原先的DPF和車身下SCR后，使后處理系統(tǒng)的總容積減小了10%～15%。在1臺美國EPA 2017年道路車輛發(fā)動機上，按非道路移動機械瞬態(tài)試驗循環(huán)（NRTC）進行了試驗，以評估該后處理系統(tǒng)的性能和探索第5階段非道路移動機械的排放法規(guī)。一體式DPF/SCR系統(tǒng)能在90～140 s之前達到180 ℃（較低的尿素噴射溫度界限），具體的升溫情況取決于DPF的熱質量（圖9）。在250 ℃時這相當于能在冷態(tài)和熱態(tài)NRTC試驗循環(huán)下分別使 NO x排放降低約25%和約40%。一種孔穴尺寸分布窄小的過濾器在相當于碳煙承載量為3 g/L的壓力降下，也能使 NO x排放量減少20%以上。
注：上圖為900 ℃老化的耐久性能。下圖為1 000 h的穩(wěn)定性。上、下圖均為（只有NO參與的）標準SCR反應。
圖8 改進的銅-沸石SCR催化器使 NO x轉換效率提高的情況
圖9 用一體式DPF/SCR代替DPF和車身下SCR的后處理系統(tǒng)(能在90～140 s達到180 ℃的尿素噴射溫度，具體升溫情況取決于DPF的熱質量)
Xu等利用簡單注入法制備了鈰-錳/二氧化鈦（Ce-Mn/TiO2）催化器，并優(yōu)化了Ce的含量，以獲得優(yōu)良的低溫活性和耐硫能力。發(fā)現(xiàn)20%是Ce的最佳涂載量，能在140～260 ℃的溫度范圍內使標準SCR的轉換效率大于90%。當排氣中SO2存在100～200 mg/L時，轉換效率有所下降，尤其是在溫度較低時更為明顯。Ce含量為20%的催化器在切斷SO2的情況下其活性大部分能得以恢復，除非SO2濃度非常高。
新的銅-SCR催化器對“負荷跳變”的響應也比較好。“負荷跳變”的特征是負荷突然增加的瞬變過程，通常與氣流速度高和發(fā)動機排出的NOx高、O2和NO2濃度高，以及溫度低等情況有關聯(lián)。Geisselmann等在實驗室條件下對這種負荷跳變時的NOx排放情況進行了比較。結果發(fā)現(xiàn)，銅-SCR催化器與鐵基和釩基催化器相比，呈現(xiàn)出了超優(yōu)的性能。
鐵-沸石也具有良好的NOx轉換效率，尤其是在有足夠NO2存在的情況下更是如此（快速SCR）。另外，N2O的排放量要比銅-SCR催化器的低。因此，鐵-銅混合SCR催化系統(tǒng)可能是實現(xiàn)NOx排放最少化的較好解決方案。Pauly在配置DOC和上游催化型DPF的6.7 L發(fā)動機上對含25%的鐵和含75%的銅的催化器進行了試驗。在WHTC熱態(tài)試驗循環(huán)下，當SCR進口的氣體中含有55% NO2時，N2O的排放量大致減少了一半，并且NOx的轉換效率也稍有提高。
尿素SCR在較低溫度（200 ℃以下）下的反應通常會受到低溫尿素噴射問題的制約。之前介紹過的氣態(tài)氨噴射系統(tǒng)就是一種可行的方案，能使尿素噴射溫度向低延伸到100 ℃。Wilson和Hargrave提出了一種能在較低溫度下制備氨的新系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了1個附加的反應器，能利用尾管的熱量通過壓力控制將尿素分解成氣態(tài)氨和CO2，并能將冷凝水中的混合物溶解，使之形成氨基甲酸銨溶液。該溶液被儲存在一個容器內，以備在低溫尿素噴射受阻時使用。氨基甲酸銨溶液在較低溫度下會分解出 NH 3。
3.4  NO x吸附器
為了解決冷起動時的 NO x排放問題，LNT和PNA正在與SCR催化器一起使用。LNT在濃氣狀態(tài)下還會生成氨，這有利于被動SCR系統(tǒng)的工作。下面介紹這些技術的最新進展。
Wylie等測定了VW公司1臺1.6 L 2017年型Passat轎車的尾管排放量，該車配置的排氣后處理系統(tǒng)由DOC、過濾器上的SCR、SCR和ASC組成。按WHTC試驗時，NOx排放量為60 mg/km，而總排放量和城區(qū)RDE試驗的排放量低于40 mg/km，已輕松地達到了現(xiàn)行的歐6排放限值。有人認為，為了滿足未來排放法規(guī)的要求，LNT將會越來越多地取代DOC。在歐洲Artemis試驗循環(huán)下，采用配置NOx逃逸催化器（NSC）、過濾器上的SCR和SCR的后處理系統(tǒng)時，NOx的轉換效率達到了96%，而當采用電加熱NSC時，NOx的轉換效率進一步提高到了99%。
Jung等改進了商品LNT的催化劑配方，以生成更多的 NH 3供下游SCR使用。為了使低溫NOx儲存與轉換效率，以及 NH 3生成量與硫耐受能力之間實現(xiàn)良好的平衡，有人對OSC（儲氧催化劑）、鋇含量、貴金屬涂載量和鉑/銠比進行了優(yōu)化。為了提高低溫反應活性，鋇的總含量比商品LNT的含量有所減少，而OSC的含量則有所增加。有人開發(fā)了一種雙涂層結構，其中與氣體接觸的頂層涂覆較多的OSC。另外，還增加了銠的含量，并沿基板長度方向設置涂層區(qū)。在1臺4缸1.6 L柴油機上對這種催化器進行了試驗。發(fā)現(xiàn)將銠涂層設在后面區(qū)域時，能獲得最佳的NOx轉換效率和 NH 3生成量。在WLTC工況下，單獨使用LNT時NOx的綜合轉換效率為約80%。在WLTC試驗循環(huán)下，附加的下游被動SCR僅使NOx的轉換效率提高了6%，而在RTS95試驗循環(huán)下，NOx的轉換效率則提高了18%。在RTS 95試驗循環(huán)中，LNT的反應活性比較低， NH 3生成量較高，二者相結合增加了SCR在該試驗中的重要性。
4 DOC
Toops等報道了在提高DOC低溫活性方面取得的進展。在評估貴金屬-基催化器時發(fā)現(xiàn)，只含鉑配方的催化器老化后的T90溫度（轉換效率達到90%時的溫度）要比鉑-鈀雙金屬催化器的低。另外，添加10%～30% Si O 2能使表面積增加和點火溫度降低。雙床結構的Pd/ZSM-5催化器后緊接1個Pt/PdSi O 2-Zr O 2核-殼催化器，能產生特別好的反應活性。分別測定了催化器在新鮮狀態(tài)下，在800 ℃老化50 h后及在300 ℃下用5 mg/L S O 2進行5 h硫酸化處理后的點火溫度。在老化后和硫酸化處理后，CO和HC的T90提高了40 ℃。最終，CO的T90為177 ℃，HC的T90為218 ℃。
研究人員開發(fā)了一種同時具備ASC和DOC功能的新型混合催化器，包含了多個涂層，內層為氧化NO用的貴金屬涂層，與排氣接觸的是SCR 涂層。這種催化器面臨的挑戰(zhàn)是要在有氨存在的情況下保持較高的NO2濃度。在實驗室進行的試驗顯示，這種催化器與傳統(tǒng)ASC相比，能在300 ℃多生成25%～30%的NO2，對氨的抑制作用極小，并且不會影響N2O的選擇性。Geisselmann等的試驗也指出，在氨/NOx比為0.6、NO2/NOx比為40%時，以及在氨/NOx比為1.0、NO2/NOx比為25%時，氨的抑制作用就會顯現(xiàn)。
DOC正面堵塞會導致背壓增加，Nakano等對這些堵塞沉積物的來源進行了研究。他們將沉積物中的化合物與柴油機排氣中的化合物作了比較。結論是，沉積物一部分來自發(fā)動機排氣，一部分來自催化器正面入口處的不完全氧化物。他們將一個商品Pt/Pd DOC的貴金屬涂載量增加10倍進行了試驗，結果發(fā)現(xiàn)催化器出現(xiàn)了明顯的堵塞和壓力降增加，因此他們指出，需要通過優(yōu)化貴金屬的涂載量來解決這一問題。
5 DPF
DPF和DOC已經有近20年的使用歷史，已是相當成熟的技術，然而，進一步提高其性能對于實現(xiàn)減排目標仍然是很有價值的。
Sskota等報道了為增強再生能力而改進的銀-基氧化催化器。通過優(yōu)化催化劑的表面覆蓋度以及銀顆粒尺寸與銀表面積的比率改善了碳煙與催化劑的接觸，因而實現(xiàn)了快速再生。為了在水熱老化期間阻止銀顆粒燒結，添加了釹（Nd），能使顆粒物的氧化速率提高約10%。為了防止催化器和過濾器在再生時產生高溫，提出了一種在過濾器后端20%部分不設置涂層的新涂覆方式。在600 ℃和碳煙承載量為10 g/L的情況下進行降速至怠速的試驗時，最高溫度從1 000 ℃下降到了900 ℃，而且沒有影響到顆粒物的燃燒速率。在車輛上試驗時顯示，這種新催化器和涂覆技術使再生時間減少了32%。
Petersson等強調指出，為了滿足歐6 實際使用試驗的排放一致性要求，需要改善過濾器的孔穴結構，以增強過濾能力。在1臺配置排氣后處理系統(tǒng)的歐6d發(fā)動機上進行了實際行駛條件下的排放試驗。在過濾器已承載碳煙的情況下，車輛在公路上行駛時顆粒數(shù)排放量有所增加。該問題已通過采用較小孔穴的過濾器得到了解決。
在美國將輕型車顆粒物排放標準收緊到3 mg/mile的情況下，及時診斷過濾效率或過濾器（DPF和GPF）的完好度顯得十分重要。Sappok等稱，采用射頻傳感技術能夠解決這一需求。通過拆除過濾器上的端塞進行了采用射頻技術的監(jiān)測試驗，使碳煙以OBD限值5.25 mg/mile）的50%～200%的數(shù)量級向外逃逸。發(fā)現(xiàn)射頻信號的變化能十分靈敏地反映過濾效率和碳煙累積的微小變化。該技術與神經網絡相結合，還能監(jiān)測已承載碳煙的SCR過濾器中氨的儲存量。另外，有人正在研究用該技術來觀測催化器老化過程中介電特性的變化，以檢測催化器的老化狀態(tài)。
6 汽油機排放控制
6.1 汽油機顆粒排放物研究
健康影響研究所（HEI）發(fā)表了一份關于空氣污染對全球人類健康影響的報告。該報告指出，全世界95%人口居住的地區(qū)，其環(huán)境中的顆粒物濃度都超過了世界衛(wèi)生組織確定的PM 2.5小于10 µg/m³的指導線。從全球來看，PM 2.5顆粒物導致了約410萬人死亡。近年來，汽油直噴車輛的市場份額不斷增加，因此，人們擔憂汽油車的顆粒物排放量會高于配裝DPF的柴油車的顆粒物排放量。
研究表明，燃油中的芳烴含量增加與顆粒物排放量增加之間存在確定的因果關系。Yang等按LA92試驗循環(huán)測定了5臺獲得Tier3排放標準認證的2016—2017年型汽油直噴車輛的尾管排放量。結果顯示，當燃油中的芳烴含量從20%增加到29%時，顆粒物質量排放量和碳煙排放量大約增加了1倍。
為了解決顆粒物排放問題，研究人員正通過改進噴油器來改善空氣-燃油的混合。提高噴油壓力和改進噴油器噴孔的幾何形狀能減小油滴直徑、油束貫穿距，以及減少氣缸和活塞的燃油濕壁。對1臺6缸3.0 L發(fā)動機按WLTC試驗循環(huán)進行的試驗顯示，與原先的20 MPa噴油器相比，采用35 MPa噴油器時顆粒數(shù)排放量減少了30%。研究人員目前正在探索用50 MPa以上的噴油壓力來進一步降低顆粒物的排放。
采用氣道噴油與汽油直噴相結合的模式，以及采用GPF是降低顆粒物排放的另一種途徑。Kwak等介紹了在1臺3.5 L V6渦輪增壓汽油直噴發(fā)動機上采用這種雙噴油系統(tǒng)的試驗研究情況。在低轉速/低負荷區(qū)域和節(jié)氣門全開的運轉區(qū)域采用汽油直噴，在怠速和部分負荷運轉時采用氣道噴油，在中等負荷區(qū)域采用汽油直噴與氣道噴油相結合的模式。在FTP試驗循環(huán)下運行時，當冷卻液溫度達到50 ℃和80 ℃時開始啟用氣道噴油，結果使顆粒物排放量分別減少了67%和47%。
稀燃發(fā)動機能提高燃油經濟性，但也需要控制它的顆粒物排放。在一次研究中發(fā)現(xiàn)，當將1臺2.0 L自然吸氣發(fā)動機從理論空燃比汽油直噴的燃燒模式轉換成稀氣分層燃燒模式時，顆粒物排放有所增加。在稀氣均相燃燒的情況下，顆粒物排放有所下降，但23 nm以下的顆粒物濃度較高。
根據(jù)研究結果，混合動力車中發(fā)動機排出的顆粒物要比純內燃機車輛排放的顆粒物來得高。Niizato等探討了混合動力車特有的因發(fā)動機頻繁低溫起動產生的顆粒物排放問題。Yang等按RDE試驗規(guī)程測定了國六汽油直噴混合動力車和氣道噴油混合動力車的顆粒物排放。這兩臺車都沒有達到歐6d規(guī)定的顆粒數(shù)排放限值（一致性系數(shù)要求CF=1.5）。在城區(qū)行駛時顆粒數(shù)排放量特別高，這與發(fā)動機頻繁的瞬態(tài)運行有關。氣道噴油混合動力車在城區(qū)行駛時的顆粒物排放量占了總排放量的82%。在發(fā)動機重新起動的間隔期內，排氣溫度下降了20～70 ℃，這就會導致因催化器冷卻而引起的較高的顆粒物和氣態(tài)污染物排放。
Scharf等指出，先進的發(fā)動機標定策略和排氣后處理系統(tǒng)有助于減輕插電式混合動力車和輕度混合動力車顆粒物和氣態(tài)污染物排放偏高的態(tài)勢。這些標定策略包括：（1）針對高功率冷起動的情況優(yōu)化瞬態(tài)噴油正時；（2）在延長的減速運轉階段后限制發(fā)動機的扭矩，并依靠電動機來補充扭矩；(3)通過調整噴油參數(shù)來故意生成碳煙或通過減少再生來形成碳煙層，籍此來提高GPF 的過濾效率。
6.2 GPF
為了滿足排放法規(guī)對車輛尾管顆粒數(shù)排放的要求，歐洲和中國已開始在汽油機排氣后處理系統(tǒng)中增加GPF。下面介紹GPF技術的最新進展。
在歐盟和中國進行的道路試驗表明，GPF能在整個使用壽命期內保持可靠的性能。研究人員用兩臺配裝無活性涂層緊耦合GPF 的1.2 L汽油直噴C級車輛在歐洲進行了道路試驗，用一臺配裝車身下有活性涂層GPF的2.0 L渦輪增壓汽油直噴SUV車輛在中國進行了道路試驗。在車輛達到中間累計里程時，按WLTC測定了這兩種車輛的顆粒數(shù)排放量。這兩項試驗的結果顯示，累積的灰分能夠提高GPF的過濾效率，因此，在24萬km的總行駛里程內，顆粒物排放量呈持續(xù)下降的態(tài)勢，最終，顆粒數(shù)排放量低于法規(guī)要求的限值。
Liu等測定了無涂層和有活性涂層過濾器在兩種碳煙承載情況下的過濾效率和背壓的變化。過濾效率會隨著空間速度增加而降低。例如，以50 nm的顆粒物為例，當空間速度從12 000 h-1增加到120 000 h-1時，無涂層過濾器的過濾效率從90%下降到了40%，有涂層過濾器的過濾效率也隨著涂層涂載量的增加而降低，這是由于孔穴率減小進而導致過濾面積減小的緣故。然而，在有少量碳煙（10～20 mg/L）存在的情況下，有涂層過濾器的過濾效率要比無涂層過濾器的過濾效率來得高。當有灰膜存在時，過濾效率會進一步提高。估計行駛3 000 km后的積灰量所起的過濾作用約能占到過濾效率的30%～70%，具體情況取決于涂層的涂載量和顆粒的尺寸。當有灰分存在時，碳煙堆積引起的壓力降比較小，因為灰膜阻止了深層過濾。
24臺車輛/過濾器的測量結果顯示，平均積灰量為18 mg/km，在16萬～24萬km的車輛使用期內，估計GPF的總積灰量為30～70 g。對17只經受不同行駛里程使用后的GPF進行了CT掃描。結果顯示，灰分主要沿過濾器通道分布。即使GPF經受16萬km行駛里程的使用，灰分的堵塞長度也只有4～10 mm，而且在內壁沒有發(fā)現(xiàn)任何灰分，這表明灰分的逃逸極少。
Jang等用1個催化型GPF代替1臺1.6 L汽油直噴車輛上的緊耦合或車身下的TWC，按照FTP-75、US 06和WLTP試驗循環(huán)進行了排放試驗。結果顯示，在所有試驗循環(huán)下，車身下GPF的過濾效率（77%～86%）要比緊耦合GPF的過濾效率（20%～34%）高得多。緊耦合GPF中的氣流不均勻還可能會阻止均勻碳煙層的形成，而均勻碳煙層有利于過濾效率的提升。但是，23 nm以下的顆粒物排放量仍然很高，尤其是在高車速行駛時更是如此。在US 06試驗循環(huán)中和WLTC試驗循環(huán)的高車速部分，85%以上的顆粒排放物為小于23 nm的顆粒物。這可能是由于這些行駛工況下產生的高溫（600 ℃以上）導致碳煙再生和碳煙膜瓦解的緣故。在歐洲，人們正在討論是否要將法規(guī)限制的顆粒物尺寸降至10 nm的問題，顯然，為了對這些超細顆粒物的排放和控制有更好的了解，還需要做更多的工作。
孔穴的設計和活性涂層的位置選擇將能在權衡高轉換效率與低壓力降之間的關系中起到決定性作用。Koei等利用有涂層過濾器壁的X射線斷層掃描圖像，計算了壁內和壁面的涂載量分布情況。對氣流分布和CO氧化的模擬分析顯示，壁內的涂載量對于低壓力降是理想的，因為開放的孔穴能使過濾器壁具有很高的滲透性。然而，這還與未反應的CO逃逸有關，因此，預料壁內涂層的反應活性不如壁面涂層的好。
根據(jù)層析成像數(shù)據(jù)和過濾模型進行微觀結構數(shù)字重建正在成為一種有效的分析工具，它能深入觀察過濾器的孔穴形態(tài)及其對過濾效率的影響。Gong等利用這一技術進行的研究顯示，一種壁內呈異質孔穴結構且通道壁面附近具有較高孔穴率的過濾器，能夠通過限制顆粒在壁內的貫穿來達到較高的過濾效率和較低的壓力降（與過濾器壁呈均質孔穴的情況相比）。
在環(huán)境氧濃度較高時切斷燃油對于GPF被動再生是一種可行的運作方式。Boger等對可能會導致再生過程中產生高溫而需要保護過濾器的狀況進行了評估。在一系列碳煙承載量（0～5 g/L）和初始溫度（610～675 ℃）下，對一種有三效催化劑涂層的高孔穴率GPF進行了切斷燃油的試驗。結果發(fā)現(xiàn)，GPF的碳煙承載量每增加1 g/L，其最高溫度就會提高60～100 ℃。利用模擬的方法在更寬廣的碳煙承載量和初始溫度范圍內進行了分析，并觀察了氣流速度產生的影響。結果如圖10所示，過濾器的最高溫度出現(xiàn)了兩種不同的變化態(tài)勢。
圖10 GPF的預測最高溫度隨炭煙承載量和切斷燃油前初始溫度的變化（圓點符號為過濾器模型的預測值，線條為簡化代數(shù)方程式得出的結果）
在較低的初始溫度（700 ℃以下）條件下，過濾器的最高溫度受到碳煙氧化速率的制約，且過濾器的最高溫度隨初始溫度增加呈非線性狀態(tài)增加。在較高的進口溫度下，過濾器的最高溫度隨進口溫度增加呈線性狀態(tài)增加，并會受碳煙量的制約。一種簡化的模型可以用來揭示這種現(xiàn)象，并且還能用來識別可以使用或避免使用切斷燃油的工作條件。
各種實現(xiàn)主動再生的途徑也在研究之中。Achleitner等對兩種技術途徑進行了研究。采用推遲點火和二次空氣噴射使GPF的溫度提高到了600 ℃以上，并觀測了其對CO和 NO x排放的影響。二次空氣噴射與推遲噴油相比，在城市行駛條件下前者引起的 CO 2增加量要低很多，僅為3.4%，而后者引起的 CO 2增加量則為33%。
對于混合動力車的碳煙管理，可能需要給予專門的考慮。Rose等在道路上對1臺渦輪增壓內燃機車輛和1臺插電式混合動力車的排氣狀況進行了比較試驗，這兩臺車輛都搭載1.5 L汽油直噴發(fā)動機和改裝的車身下安裝的有涂層GPF。與汽油直噴增壓發(fā)動機車輛相比，插電式混合動力車由于減速時能量回收會使排氣中的氧含量明顯降低。另外，當發(fā)動機停機時排氣會冷卻下來，因而混合動力車GPF位置的溫度比較低。當發(fā)動機起動后負荷從零提高到60%時，GPF的溫度可能與顆粒數(shù)的排放峰值有關聯(lián)。在車輛以70 km/h的平均車速行駛了3 500 km后，在以上兩種情況的綜合影響下，GPF中累計產生了3.5 g碳煙。這表明，配裝GPF的插電式混合動力車可能需要采取主動碳煙管理的措施。相反，渦輪增壓汽油直噴車輛上的過濾器則可以在切斷燃油過程中進行碳煙被動再生。
最新研究證實，氣道噴油發(fā)動機也會產生很高的顆粒物排放量。這一驗證結果對于中國尤為重要，因為中國不是只要求汽油直噴發(fā)動機達到顆粒數(shù)排放限值，而是要求所有的發(fā)動機都必須實現(xiàn)顆粒數(shù)排放達標。Czerwinski等測定了4臺氣道噴油發(fā)動機車輛的尾管顆粒數(shù)排放量。這4臺車輛中，1臺配裝4缸1.2 L發(fā)動機，1臺配裝4缸1.4 L發(fā)動機，1臺配裝2缸0.9 L渦輪增壓發(fā)動機，還有1臺為搭載4缸1.2 L發(fā)動機的混合動力車。在穩(wěn)態(tài)試驗情況下，當最高車速為90 km/h時，0.9 L發(fā)動機的顆粒數(shù)排放量要比其他發(fā)動機的高出2個數(shù)量級，而1.2 L發(fā)動機的車輛在怠速時的顆粒物排放水平最差。在WLTC試驗循環(huán)中，除了混合動力車外，所有車輛的顆粒物排放量都超過了6×1011 /km。在加裝了無涂層和有涂層的GPF后，車輛尾管的顆粒物排放量都能降低到限值以下。Martini的試驗顯示，氣道噴油發(fā)動機車輛排出的顆粒物中72%為小于23 nm的顆粒，相比之下，汽油直噴發(fā)動機車輛排放的小于23 nm的顆粒物僅為20%。另外，當環(huán)境溫度從23℃降至-7 ℃時，氣道噴油發(fā)動機車輛的顆粒物排放量增加了1.8～6.2倍，在不加裝GPF的情況下，這樣高的排放量肯定會超過6× 10 11/km的顆粒數(shù)排放限值。
有明確的證據(jù)表明，多環(huán)芳香烴碳氫化合物（PAH）與汽油機的碳煙有關聯(lián)。在對7臺汽油直噴發(fā)動機車輛和1臺配裝DPF的柴油車進行的試驗發(fā)現(xiàn)，汽油直噴車隊排放的有遺傳毒性的PAH要比柴油車的高出6～40倍。預計加裝GPF能使碳煙吸附的PAH有所減少，而采用催化型過濾器則能進一步使蒸汽狀PAH減少。這種情況已由Yang等試驗得到了證實，從2臺2016年型汽油直噴車輛排出的排氣中檢測到了若干種致癌的氣態(tài)、顆粒狀和硝酸化的PAH。用催化型GPF替代車身下安裝的TWC后，這些組分的排放量明顯減少。如圖11所示，顆粒狀PAH減少了97%～99%，氣態(tài)PAH減少了54%～61%，硝酸化PAH減少了56%～92%。
圖11 催化型GPF替代車身下安裝的TWC(PAH總量減少了97%以上)
6.3 三效催化器
鑒于排放法規(guī)的收緊和混合動力車要獲得更高標準的認證，估計至少在未來10年內對催化器的需求仍將保持穩(wěn)定的態(tài)勢。Mital等預測，在2030年之前貴金屬的使用會保持穩(wěn)定或稍有減少。隨著汽油機的燃油效率不斷提高，排氣溫度越來越低，因此，需要改善催化劑的低溫活性。考慮到小型化汽油直噴發(fā)動機的崛起，以及它呈現(xiàn)的像氣道噴油發(fā)動機那樣的高負荷排氣狀態(tài)，催化器的高溫耐久性還需要進一步提高。
減少冷起動排放是最大的挑戰(zhàn)，而單獨依靠增加貴金屬涂載量來解決這一問題是不可行的。Kim等在4臺SULEV 30超低排放車上對貴金屬涂載量為2.9～6.9 g/L的催化器進行了比較試驗。結果顯示，在貴金屬涂載量最大時，催化器的 NO x點火溫度僅從229 ℃降低到了211 ℃。他們還探討了各種可能的改進途徑，包括采用氧化鈰基的TWC來儲存 NO x，使之在隨后的高溫下釋放和轉換，采用HC收集器，以及采用新的TWC設計來解決切斷燃油后催化器被氧飽和而引起的 NO x逃逸問題。
Zhang等指出，增加貴金屬涂載量有助于達到未來的國六排放標準，但收效會遞減。在1臺1.5 L汽油直噴發(fā)動機上用緊耦合TWC和車身下TWC進行的試驗表明，在催化器老化后，基底材料前端的貴金屬涂載量必須從20 g/ft3增加到40 g/ft3 才能使總HC排放量降低到目標限值以下。 但是，再進一步增加貴金屬涂載量并沒有多大好處。 CO和 NO x 的排放量則能輕松地降低到它們各自的限值以下。 為了控制顆粒物的排放，用1只具有涂層的催化型GPF代替了車身下安裝的TWC（二者的貴金屬含量相同），結果使尾管的顆粒數(shù)排放量降低到4×10 10 /km，比法規(guī)限值低了1個數(shù)量級。 研究結果強調指出，大部分排放物是在冷起動過程中出現(xiàn)的，這正是要提高催化器總體轉換效率必須進一步研究的問題。
為了降低TWC的點火溫度，人們正在研究新的催化劑配方。Theis等開發(fā)了一種新的催化劑配方，它能在催化器老化后使所有組分（CO、HC和 NO x）的T90(達到90%轉換效率時的溫度)下降至300 ℃以下。有人采用單層鋯和鈦對一種二氧化硅-氧化鋁（礬土）載體進行了改性，這種改性的載體即使在最高溫度達960 ℃、含水10%的空氣中老化50 h，仍然具有很好的反應活性。這是對以前研究成果的改進。以前的研究認為，純鋯和純鈦活性涂層的熱耐久性較差。優(yōu)化研究顯示，與商品TWC相比，采用0.5%銠-8%鈦和0.6%銠-15%鋯配方的TWC，其性能得到了很大的改善(T90降低)，如圖12所示。發(fā)現(xiàn)鈦和鋯在這樣的濃度下，能夠實現(xiàn)單層覆蓋的。0.5%～0.6%的銠含量也是最佳的。據(jù)推測，銠濃度較低時活性區(qū)較小，而銠濃度較高時則會導致燒結增加。這兩種催化器在氧化所有組分時（除了C3H8之外）呈現(xiàn)出良好的耐硫酸能力。在含鋯的催化器中，即使在高溫脫硫后，對 C 3 H 8的轉換效能也不會得以恢復，而在含鈦的催化器中，其轉換性能則可以得到恢復。
通過采用新的催化劑配方，氧的儲存量也在不斷提高。Chinzei等開發(fā)了一種燒綠石二氧化鈰-氧化鋯儲氧催化劑（OSC）材料，它的比表面積比傳統(tǒng)的OSC材料的比表面積小。較小的比表面積有助于降低銠的影響和氧化，并有助于提高 NO x的轉換效率。采用一種新的催化器孔穴形成技術后，提高了孔穴的連通性，降低了孔穴的擴散阻力。在US06試驗循環(huán)的硬加速工況運行時，該催化器的 NO x轉換效率有所提高，同時，使用的貴金屬含量減少了33%。
三效催化器的化學反應是十分復雜的過程，因而人們廣泛采用建模的方式來預測其排放。隨著研究的不斷推進，人們會繼續(xù)增進對TWC化學機理的深入了解。
注：用老化的催化器在空間速度SV=30 k/h時進行了反應器試驗。采用0.5%銠-8%鈦涂層的催化器其所有組分的T90都低于300 ℃，并且還具有較好的脫硫性能（圖中未顯示）。
 
圖12 商品TWC和新配方TWC中CO、NO和HC達到50%和90%轉換效率時的溫度（T50和T90）
6.4 HC捕集器
HC捕集器是減少冷起動排放的一種解決方案。Lupescu等對4種不同的HC捕集器配方進行了反應器試驗和車輛運行試驗。用1臺搭載2.0 L自然吸氣汽油直噴發(fā)動機的2012年型FordFocus車按FTP試驗循環(huán)進行了試驗。HC捕集器安裝在車身下方位置，采用了捕集性能較好的大孔穴沸石。這4種催化器的鈀、OSC和其他活性金屬的含量各不相同。OSC含量與貴金屬涂載量無關，而OSC能抵消貴金屬涂載量減少時產生的任何影響。芳烴和烯烴是冷起動過程中生成量最多的組分，這4種HC捕集器的性能差異較大與其對儲存的甲苯和芳烴的轉換效率有關，這種轉換通常需要有較高的氧化溫度。盡管所有HC捕集器的排放都是針對冷起動時要求的HC和 NO x轉換效率來改進的，但面臨的挑戰(zhàn)是要控制發(fā)動機升溫后儲存組分的釋放狀態(tài)。但 NO x排放是個問題，在整個FTP試驗循環(huán)中，所有HC捕集器（優(yōu)化的HC捕集器除外）的 NO x排放量都有所增加。利用實驗室反應器對甲苯轉換效率提高的詳細機理進行了研究。觀察結果顯示，沸石中存在鈀能產生更強的化學吸附機制，有助于在TWC活性較強時在較高的溫度下釋放甲苯。鈀能經受得住高溫燒結，添加了一種賤金屬穩(wěn)定劑后，即使在嚴酷的老化后仍能使捕集器保持穩(wěn)定的性能。采用優(yōu)化的催化劑時，在FTP試驗循環(huán)下HC排放降低了50%，并且對 NO x排放沒有影響。
根據(jù)Endo等人的研究，HC捕集器可以安裝在TWC后面的緊耦合位置使用，以便采用更高的沸石涂載量和獨立控制解吸附過程中各組分的氧化過程。但是，由于鋁會從沸石架構中離解出來，因而捕集器的性能會明顯變差。為此，他們用磷酸鋯對沸石進行了改性處理，結果顯示，在950 ℃下經發(fā)動機老化50 h后，捕集器仍能保持穩(wěn)定的吸附和氧化性能。
Rao等人對1臺2 L渦輪增壓汽油直噴車輛在冷起動期間排放的HC組分進行了研究。在FTP試驗循環(huán)的第1個100 s時間內，60%以上的HC為芳烴與C5組成的化合物，而且甲烷排放也很高。目前研發(fā)的捕集器還不能解決這些問題。傳統(tǒng)的沸石在溫度接近215 ℃時就會使甲苯解吸附，而在該溫度下TWC不能發(fā)揮充分的活性。為此，研究了幾種新的沸石配方，其中有一種配方的效果較好，其解吸附溫度提高到了350 ℃。
Moser等人對1臺部分零排放車（PZEV）混合動力車的排放性能進行了試驗研究。該車輛配裝的排氣后處理系統(tǒng)由TWC、HC捕集器和被動SCR組成，其中的SCR能依靠TWC產生的氨來工作。為了驗證后處理裝置的耐久性，進行了10 000 mile和150 000 mile的車輛行駛試驗。即使在經歷了150 000 mile的行駛試驗后，后處理系統(tǒng)仍能達到SULEV 30規(guī)定的排放限值，尾管的NMHC和 NO x總排放量分別為5.5 mg/mile和22 mg/mile。在進行10 000 mile和150 000 mile的試驗過程中，HC捕集器呈現(xiàn)出了可靠的性能，可以使HC和 NO x的排放量分別降低了約5 mg/mile和約17～20 mg/mile。在150 000 mile的試驗中，SCR使 NO x排放量降低了約5 mg/mile，由于上游HC捕集器的吸附作用會導致可用的氨減少，因而SCR的性能受到了制約。
6.5 甲烷氧化催化器
通過以上介紹的研究表明，甲烷的轉換仍然是現(xiàn)代排氣后處理系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)之一。研究顯示，對于理論空燃比天然氣發(fā)動機，在稍濃于化學計量值的平均空燃比附近實施稀/濃混合氣交替運行時，能達到較高的甲烷轉換效率。Ferri等對一種含氧化鋁（礬土）、鈰和氧化鋯的商品鈀-TWC的甲烷轉換效率進行了研究。在穩(wěn)態(tài)理論空燃比運轉工況下，即使在600 ℃溫度下，也沒能實現(xiàn)甲烷完全轉換。試驗發(fā)現(xiàn)，以稍濃的混合氣（例如l=0.992）為中心實施稀-濃混合氣交替運行時，能使甲烷的轉換效率明顯提高，而 NO x的轉換效率則要比CH4的轉換效率低。稀-濃混合氣交替的幅值要比交替的頻率更為重要。
Xi等的研究顯示，TWC中有儲氧組分存在時，能擴大稀-濃混合氣交替運行帶來的好處。在實驗室按照模擬的理論空燃比天然氣發(fā)動機的排氣狀態(tài)，測定了一種TWC和一種鈀基氧化催化器600 ℃時的 CH 4和 NO x的轉換效率。在5 Hz的稀-濃混合氣交替頻率下，在濃混合氣區(qū)運行時這兩種催化器的轉換效率均為100%。當以0.2 Hz的較低頻率進行稀-濃混合氣交替運行時，TWC的轉換效率比氧化催化器的轉換效率高。TWC中的儲氧組分有助于使?jié)饣旌蠚膺\行時的高轉換效率延伸到稀混合氣運行區(qū)后保持幾秒鐘。
Keenan等介紹了利用臭氧來增強甲烷低溫氧化功能的新方法。用實驗室氣體和Fe-BEA商品SCR催化器進行了試驗。在實驗室條件下，在220 ℃時最高轉換效率達到了60%。生成物包括 CO 2和CO。當溫度在120 ℃以下時，轉換效率為零，當溫度在300 ℃以上時，轉換效率降至20%。該方法的成功應用將需要在車輛上儲備或制備臭氧，但是，這些初步結果表明，該項技術是頗具前景的。
6.6 稀燃汽油機 NO x控制
如前“汽油機技術”一節(jié)所述，1臺3.5 L發(fā)動機采用氣道噴油與米勒循環(huán)相結合的稀燃運行模式，能使燃油耗降低18%。但該發(fā)動機的排氣溫度較低（300℃以下），這對于 NO x轉換是一個挑戰(zhàn)。在部分負荷稀燃運行時采用激進的EGR能限制發(fā)動機本身的 NO x排放。該發(fā)動機采用的排氣后處理系統(tǒng)由以下裝置組成：（1）TWC與 NO x儲存催化器的緊耦合組合；（2）汽油機氧化催化器，（3）處理顆粒物的GPF；（4）帶尿素噴射系統(tǒng)的下游SCR。該后處理系統(tǒng)依靠被動SCR與主動SCR的相互結合來處理排氣，在濃混合氣狀態(tài)下運行時，用TWC產生的NH3供被動SCR使用，在下游SCR前噴射的尿素用于主動 NO x控制。
Clasen等使1臺配裝先進渦輪增壓器的2.0 L發(fā)動機在l=2.0的空燃比下實現(xiàn)了正常運行。視負荷情況而定，該發(fā)動機自身的 NO x有效比排放量在1～8 g/（kW•h）之間變化。在整個運轉工況范圍內，TWC進口的排氣溫度均高于250 ℃。在低負荷時，TWC出口的溫度則隨著空燃比變化而增加，這是由于HC排放增加和TWC放熱反應的緣故。
Toops介紹了一種改善稀燃汽油機氨生成和儲存能力的策略。當在試驗循環(huán)的第1個200 s時間內使SCR預先充入 NH 3時，排放會有所改善。在溫度太高而無法儲存 NH 3時，發(fā)動機就以l=0.97和l=0.99的空燃比（而不是理論空燃比）運行。最后，當 NO x逃逸量超過10 mg/L時，發(fā)動機以濃混合氣模式代替稀氣均相燃燒模式運行。在6工況穩(wěn)態(tài)試驗循環(huán)下，該策略有效地使發(fā)動機的稀氣運轉比率從91%降至62%，盡管使燃油耗的收益從10%降到了6%，但是發(fā)動機還是能符合Tier3 Bin30標準的要求。CO排放量仍然是允許限值的1倍。Toops等還用一種改進的催化器研究了氨生成的詳細機理，這種催化器由TWC和更耐硫酸的 NO x儲存催化器組合而成。用反應器進行的研究顯示， NH 3的生成不僅要依靠H 2，而且還要通過CO、HC與 NO x的反應來完成。
Takeori等人提出用一種“三件式”后處理系統(tǒng)來處理稀燃汽油機的 NO x和HC排放。對各種傳統(tǒng)商品催化器的不同組合進行了試驗。結果發(fā)現(xiàn)，盡管LNT的 NO x轉換效果很好，但HC排放仍然是個問題。對排氣成分的分析表明，稀燃過程中產生的石蠟特別多，傳統(tǒng)TWC很難將其轉換，尤其是低濃度石蠟更難轉換。要抑制這種情況則與氧被吸附有關，因此通過增加涂層的酸性來減少氧被吸附，并使氧可用于反應。研究人員開發(fā)了一種包含兩個涂層的新催化器：上涂層用于HC氧化，下涂層用于吸附和還原 NO x。如圖13所示，該催化器添加在緊耦合位置和車身下位置，能有效地轉換石蠟。在緊耦合位置還使用了一個傳統(tǒng)TWC，用來應對理論空燃比運行時的冷起動排放問題。在車輛上進行的初步試驗顯示，在某個限定的瞬態(tài)行駛工況下，該催化器的轉換效率非常高。
注：一種簡稱為GOT的新催化器(汽油機氧化和 NO x捕集催化器）能有效地轉換石蠟，同時還能減少 NO x排放。
圖13稀燃汽油機用的排氣后處理系統(tǒng)
7 結語
7.1 排放法規(guī)
世界各主要國家正以更快的步伐和更嚴的要求實施汽車燃油經濟性標準和溫室氣體排放標準。歐洲第1套重型車排放標準和收緊的輕型車排放標準已接近最終定稿。一旦最終定稿，新的重型車排放標準將要求大型卡車到2025年應實現(xiàn) CO 2排放量比2019年的水平減少15%，到2030年減少30%。新的輕型車排放標準將要求到2030年車輛尾管的 CO 2排放量比2020年的水平減少37%以上。
對于污染物的排放，加利福尼亞州正在對重型車排放法規(guī)作出重大更改，以更好地解決低負荷和實際行駛中的 NO x排放問題。提議的低 NO x排放法規(guī)草案要求車輛尾管的 NO x排放量比現(xiàn)行的標準降低高達90%。一種低負荷專用卡車的試驗循環(huán)正在開發(fā)之中，今后新車將要求按這種新增的試驗循環(huán)進行排放達標認證。正在討論的其他法規(guī)措施還包括修改OBD、保用期和實際使用的試驗規(guī)范。美國環(huán)境保護署還通過“清潔卡車倡議”公布了要降低重型卡車 NO x排放的意圖，有跡象表明，美國將有可能在全國實行統(tǒng)一的排放法規(guī)。
在輕型車領域，歐洲的RDE法規(guī)已經最終定稿，現(xiàn)在歐洲正在把注意力轉向歐7排放法規(guī)。相關部門正在提出各種領先的立法思路，包括制訂燃油標準，降低一致性系數(shù)，將23 nm以下的顆粒物納入考核標準，在0 ℃以下的環(huán)境溫度下的試驗規(guī)范，制訂諸如氨、N 2O和甲醛等組分的排放標準。
其他國家大多參照美國和歐洲的排放法規(guī)框架，再根據(jù)各自的國情作相應的修改后制訂出本國的排放法規(guī)。中國公布了“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”行動計劃，以及一整套旨在加快采用清潔空氣技術的舉措。中國政府鼓勵某些城市，甚至比國家的時間表提前實施排放法規(guī)，并要求更換掉老舊的車輛。印度正在制訂符合本國車速低和環(huán)境溫度高等實際情況的本土版RDE試驗循環(huán)。巴西已發(fā)布了新一輪輕型車和重型車排放標準，并將于2020年開始正式實施。這些標準類似于歐6排放標準，但輕型車的允許排放限值將從2025年到2030年進一步收緊。
7.2 發(fā)動機技術
研究表明，車輛采用先進內燃機與不同程度的電氣化相結合是有可能達到未來燃油經濟性標準的。OEM采取的技術對策顯示，存在能使內燃機效率提高20%～30%的技術。這些技術途徑包括諸如可變壓縮比、停缸運行、輕度混合動力、以及采用阿特金森或米勒循環(huán)在內的現(xiàn)已商業(yè)化應用的技術。先進的技術則包括低溫和稀氣燃燒，以及火花輔助壓燃。另外，正在探索的技術有：采用噴水來消除燃油加濃以改善燃油經濟性和排放。柴油機繼續(xù)保持燃油耗比汽油機低15%～20%的優(yōu)勢，首份RDE工況公共數(shù)據(jù)顯示，可以將 NO x排放量控制到遠低于法規(guī)限值的水平。
主要OEM通過超級卡車Ⅱ計劃繼續(xù)使重型車發(fā)動機的燃油效率不斷提高。其共同課題是改進燃燒和進排氣管理、隔熱和保溫、輕度混合動力、優(yōu)化排氣后處理系統(tǒng)，以及廢然回收利用。改善車輛的空氣動力學水平，以及減輕質量和減少滾動阻力也是正在研究的課題。
7.3 稀 NO x控制
為了達到加利福尼亞州提出的重型車低NOx排放標準，人們正在對各種排氣后處理系統(tǒng)進行試驗評估。所有后處理系統(tǒng)的共同目標是通過采用SCR催化器來降低冷起動和低負荷時的排放。這些后處理系統(tǒng)包括采用緊耦合SCR、雙SCR、氣態(tài)和加熱氨噴射，以及SCR與過濾器的一體化。其他策略包括加快排氣升溫的熱管理措施和采用被動NOx吸附器。這些技術措施可以通過不同的組合來工作，主要的區(qū)別是所需的燃油補償量有所不同，而為了達到第2階段溫室氣體排放要求，必須使這種燃油補償降到最少。
RDE試驗的數(shù)據(jù)表明，新的輕型車柴油機在實際使用中具有很好的排放性能。人們正在提出各種應對歐6后排放法規(guī)的解決方案，包括發(fā)動機改進與采用先進排氣后處理系統(tǒng)相結合的技術途徑。SCR催化器的低溫反應活性正在不斷改善，并且在900℃老化后仍能保持可靠的性能。
未來的挑戰(zhàn)是要在CO2排放最少或最佳的情況下，以及在滿足后處理系統(tǒng)耐久性要求的情況下，以較好的成本效益來達到超嚴的排放要求。
7.4 汽油機排放控制
研究人員在改善三效催化器點火性能方面取得了一些進展。提出了幾種新的催化劑配方，能使老化后的催化器在300 ℃下使CO、HC和NOx的轉換效率達到90%。這一改進對于應對收緊的排放標準十分重要，尤其是在排氣溫度隨著發(fā)動機效率提高而下降的情況下更是如此。
汽油機排放控制的焦點是要加快采用先進的發(fā)動機技術和GPF，以應對歐洲和中國的顆粒數(shù)排放標準。研究表明，進氣道噴油汽油車的顆粒物排放量也會超過法規(guī)限值，尤其是在下一輪法規(guī)要求的條件下更會超過排放限值，如較低的環(huán)境溫度和計入23 nm以下的顆粒物的情況下。而混合動力車和插電式混合動力車因發(fā)動機要反復起動，顆粒物的排放量也會很高。GPF正在展現(xiàn)其可靠性能，有跡象表明，在各種排放法規(guī)的驅動下，對GPF過濾效率的要求將會不斷提高。研究人員正在對各種過濾器的再生策略進行評估。研究表明，采用切斷燃油的被動再生措施能夠在大部分行駛條件下實施。采用催化型GPF時的有害氣體排放性能與采用TWC時的排放性能相當或更好。某些研究指出，借助于恰當?shù)脑O計，采用GPF不會導致燃油耗增加。
【整理】朱炳全
【校對】鮑旭騰
【編輯】虞展 
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