重型柴油車是世界各國長途貨物運輸?shù)闹饕ぞ咧?，具有運輸靈活、便捷、成本低的優(yōu)勢，在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著重要作用；但其氮氧化物（nitrogen oxides,NOx）和顆粒物 (particle matter, PM) 等有害物排放也是機(jī)動車大氣污染的主要來源之一。為此，各國對重型柴油車制定了越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)。隨著各國排放法規(guī)日趨加嚴(yán)，重型柴油車排放對大氣環(huán)境的影響逐步降低，國VI、歐VI法規(guī)中 NOx 瞬態(tài)排放限值只有 0.46g/kWh。

重型車在低速低負(fù)載狀態(tài)下的排放是很高的，這表明SCR系統(tǒng)在尾氣溫度較低時的轉(zhuǎn)化效率是比較低的。根據(jù)加州清潔空氣委員會（CARB）的評估，到2030年，重型車在低速低負(fù)載狀態(tài)下的行駛里程約占總行程的10%，但其氮氧化物（NOx）排放量將占到重型車NOx排放總量的一半。怠速在車輛運行中所占的比例相當(dāng)大并且怠速期間也會產(chǎn)生大量的NOx排放。根據(jù)國際清潔交通委員會（ICCT）對美國環(huán)保局重型在用車測試（HDIUT）數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析，重型車的怠速占比可高達(dá)總運行時間的30%-40%。

不同車速下的NOx排放量(來源于Badshah等人2019年相關(guān)研究著作)

面向下階段更為嚴(yán)苛的重型柴油機(jī)NOx近零排放法規(guī)，最大的挑戰(zhàn)是低負(fù)荷條件下的NOx排放。排氣溫度是SCR催化還原性能的決定性因素，在冷啟動、怠速或低負(fù)荷工況實際運行時排氣溫度低造成催化效率很低，在排氣溫度200℃或更低條件下尿素是不噴射的。目前，采用先進(jìn)的發(fā)動機(jī)和后處理裝置協(xié)同熱管理策略（燃油后噴）可以保障低負(fù)荷工況下排氣溫度快速上升，但是會在一定程度上降低綜合熱效率。采用優(yōu)化催化器貴金屬配方，提升催化器的低溫活性，但是會增加系統(tǒng)成本。緊耦合技術(shù)路線采用雙尿素噴嘴，第一個尿素噴嘴安裝在溫度最高的位置（比如渦輪增壓出氣口），能夠在循環(huán)中更早地噴射尿素，有助于提升低溫時的 NOx轉(zhuǎn)化效率。

緊耦合式雙SCR技術(shù)路線

近期，歐洲赫羅納大學(xué)開展了電加熱器對降低NOx以滿足歐VII排放法規(guī)的前瞻性研究。在滿足歐VI排放法規(guī)的MAN TGX重型柴油車上進(jìn)行了加裝排氣加熱器（Exhaust gas heater,EGH）的測試和優(yōu)化，在轉(zhuǎn)轂臺上測試車輛的功率、速度、扭矩等參數(shù)，讀取發(fā)動機(jī)ECU的運行參數(shù)（轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、SCR入口溫度和排氣流量），排氣加熱器的位置和測試架構(gòu)如下圖。

系統(tǒng)架構(gòu)及數(shù)據(jù)采集試驗臺

此系統(tǒng)基于滿足歐VI排放法規(guī)的排氣后處理系統(tǒng)，加裝排氣加熱器EGH來進(jìn)行優(yōu)化，加熱器位于渦輪下游、后處理系統(tǒng)上游，根據(jù)加熱需求，基于加熱器入口溫度和排氣流量由PID控制其出口溫度，其功率為12kW，配置功率監(jiān)測儀、PID溫度控制器和數(shù)采模塊及顯示系統(tǒng)，加熱器的電能由重型車的電池供應(yīng)。

排氣電加熱器EGH系統(tǒng)

排氣加熱器EGH位于渦輪下游和后處理系統(tǒng)ATS的上游，緊挨著下一個模塊為尾氣處理液DEF單元，其包含尿素箱、供應(yīng)模塊和噴射裝置。在SCR中，噴射尿素與排氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)消除減少NOx。ECU用于控制尿素的噴射量，當(dāng)排氣溫度低于180℃時尿素不會噴射。下一個部件為SCR和可連續(xù)再生的捕集器CRT，SCR用于NOx的還原反應(yīng)，封裝的CRT可分為柴油氧化催化器DOC和柴油機(jī)顆粒物捕集器DPF。DOC用于氧化CO和THC，DPF用于捕集顆粒物。

配置熱電發(fā)電器模塊ATEG供應(yīng)電加熱器EGH的系統(tǒng)

由于電加熱器會消耗電池的電量，間接的降低了車輛的綜合能效，增加了1.47%燃油消耗率，于是考慮在后處理系統(tǒng)下游安裝了熱電發(fā)電器模塊（Automotive thermoelectric generator,ATEG），熱點發(fā)電模塊可以將排氣廢熱直接轉(zhuǎn)化為電能，進(jìn)而為電加熱器供應(yīng)電能，使得不增加車輛的額外電負(fù)荷。熱電發(fā)電器模塊是利用塞貝克效應(yīng)的溫差發(fā)電原理，利用發(fā)動機(jī)排氣溫度的熱量結(jié)合傳熱強(qiáng)化的排氣流道設(shè)計，實現(xiàn)排氣廢熱轉(zhuǎn)化為電能，見下圖。

熱電發(fā)電器模塊ATEG

研究表明，在重型柴油車后處理系統(tǒng)上游加置排氣加熱器并進(jìn)行標(biāo)定和優(yōu)化，可以大幅度減低NOx的排放尤其是在怠速或低負(fù)荷工況條件下，預(yù)測滿足歐VII的排放限值要求。同時證明，無論車輛處于何種運行工況，使用5kW的電加熱器足以實現(xiàn)傳統(tǒng)后處理系統(tǒng)SCR在其最大催化轉(zhuǎn)換效率95%條件下正常工作，但綜合電加熱器消耗的電能則會增加車輛燃油消耗率1.47%，但采用熱電發(fā)電器模塊利用排氣廢熱轉(zhuǎn)換為電能作為電能來源即可避免額外的油耗。