【韓】 J.Jeon H.Seo K.Lee S.Kwon K.Bae

0 前言

與歐洲市場(chǎng)柴油乘用車(chē)占大多數(shù)的情況不同，北美的柴油乘用車(chē)僅占市場(chǎng)份額的1%，2011年的數(shù)據(jù)顯示，127.3萬(wàn)輛汽車(chē)中只有10.2萬(wàn)輛柴油車(chē)。然而，由于油價(jià)不斷上漲，市場(chǎng)對(duì)低燃油耗車(chē)輛的需求越來(lái)越迫切，導(dǎo)致對(duì)高燃油效率的柴油乘用車(chē)需求量越來(lái)越大。此外，在美國(guó)國(guó)家公路交通安全局制定的公司平均燃油經(jīng)濟(jì)性［1］，以及加利福尼亞大氣資源局（CARB）的低排放車(chē)第3階段（LEV3）標(biāo)準(zhǔn)中［2］，針對(duì)溫室氣體排放的法規(guī)限值日益收緊，這也促使對(duì)柴油車(chē)的需求不斷增長(zhǎng)，因?yàn)榕c同類(lèi)汽油車(chē)相比，柴油車(chē)具有更高的燃油經(jīng)濟(jì)性。

混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)（HEV）和柴油乘用車(chē)因具有更高的燃油效率，因此被認(rèn)為是能夠替代傳統(tǒng)汽油車(chē)的選擇。但是，北美消費(fèi)者報(bào)告發(fā)現(xiàn)，在一些情況下，HEV的實(shí)際燃油經(jīng)濟(jì)要比驗(yàn)證的低。并且，初始買(mǎi)入價(jià)格和長(zhǎng)期維護(hù)（蓄電池置換）成本會(huì)使HEV方案不那么具有吸引力，從而導(dǎo)致HEV的潛在轉(zhuǎn)售價(jià)格較低。與之相比，柴油車(chē)具有較高的重購(gòu)率，其驅(qū)動(dòng)性主要是出于這些產(chǎn)品的高品質(zhì)（燃油經(jīng)濟(jì)性、功率和耐久性）。

回顧汽車(chē)市場(chǎng)的近年銷(xiāo)售趨勢(shì)，上述現(xiàn)象變得更加明顯，柴油乘用車(chē)的銷(xiāo)量呈增加趨勢(shì)（從2010年到2011年，銷(xiāo)量增加27%），預(yù)期2016年的銷(xiāo)量將達(dá)到54萬(wàn)輛（圖1）。

目前，歐洲汽車(chē)制造商基本壟斷了美國(guó)的柴油車(chē)市場(chǎng)，Volkswagen汽車(chē)公司在2011年占據(jù)72%的市場(chǎng)份額。作為重要的技術(shù)改進(jìn)，整車(chē)廠(chǎng)在減振降噪方面做了很大努力，并促使消費(fèi)者對(duì)柴油車(chē)的了解有了質(zhì)的飛躍。

GM汽車(chē)公司也開(kāi)始向柴油乘用車(chē)市場(chǎng)發(fā)展，并在2013年推出Cruise 2.0L柴油車(chē)型，這表明美系制造商不再認(rèn)為柴油車(chē)市場(chǎng)領(lǐng)域狹小，轉(zhuǎn)而認(rèn)可北美市場(chǎng)是其最為重要的新興領(lǐng)域。

Hyundai汽車(chē)集團(tuán)也意識(shí)到該新興領(lǐng)域的重要意義，正在積極向中小型汽車(chē)領(lǐng)域擴(kuò)展（以1.7L柴油車(chē)型的引入為起點(diǎn)）。

要在北美柴油乘用車(chē)市場(chǎng)占有一席之地所面臨的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)是：以可承受且具有競(jìng)爭(zhēng)性的價(jià)格，提供能滿(mǎn)足更嚴(yán)格排放法規(guī)要求的車(chē)輛，并且確保車(chē)輛具有良好的噪聲-振動(dòng)-平順性（NVH）性能。為了滿(mǎn)足更嚴(yán)格的排放法規(guī)和燃油耗標(biāo)準(zhǔn)要求，必須額外采用氮氧化物（NOx）后處理系統(tǒng)。NOx后處理技術(shù)的解決方案包括稀NOx捕集器（LNT）和選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)。

為滿(mǎn)足低排放車(chē)第2階段（LEV2）和非道路排放法規(guī)第2階段（Tier2）的要求，根據(jù)車(chē)型或整車(chē)廠(chǎng)的不同策略，在北美市場(chǎng)投放的柴油車(chē)會(huì)采用LNT或SCR系統(tǒng)。

盡管如此，為使柴油車(chē)能滿(mǎn)足更為嚴(yán)格的排放法規(guī)，提供更具競(jìng)爭(zhēng)力的燃油經(jīng)濟(jì)性，必須引入新的后處理技術(shù)［3］。

研究人員建議使用LNT＋SCR的后處理系統(tǒng)作為新興市場(chǎng)的解決辦法，這是一種能使清潔柴油車(chē)滿(mǎn)足CARB LEV3排放法規(guī)的獨(dú)特創(chuàng)新方案，是綜合了LNT和SCR的復(fù)合后處理系統(tǒng)。

1 LEV3排放法規(guī)

美國(guó)車(chē)輛排放法規(guī)由階段性法規(guī)、美國(guó)環(huán)保署（EPA）督導(dǎo)的聯(lián)邦法規(guī)，以及由CARB督導(dǎo)的LEV法規(guī)組成。自2012年開(kāi)始，已有11個(gè)州采用CARB的LEV法規(guī)。LEV3修訂法規(guī)將于2015年生效。目前仍在實(shí)施的LEV2和第2階段（Tier2）法規(guī)將被LEV3和非道路排放法規(guī)第3階段（Tier3）取代。從時(shí)間上來(lái)看，CARB的LEV法規(guī)實(shí)施比EPA法規(guī)早2年，CARB的大部分法規(guī)將逐漸轉(zhuǎn)向EPA，以協(xié)調(diào)各種排放標(biāo)準(zhǔn)。

LEV3排放法規(guī)提高了車(chē)輛的安全行駛里程，從12萬(wàn)mile增加至15萬(wàn)mile。此外，美國(guó)聯(lián)邦試驗(yàn)工況（FTP-75）排放法規(guī)比當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格，要求非甲烷有機(jī)氣體（NMOG）＋NOx的平均排放量要不斷下降，從2015年的100mg／mile下降至2025年的30mg／mile。法規(guī)具體規(guī)定更具挑戰(zhàn)性，分為6個(gè)認(rèn)證級(jí)別：LEV160；超低排放車(chē)（ULEV125／70／50）；特超低排放車(chē)（SULEV30／20）。

與分別制定NMOG和NOx限值的法規(guī)不同，新法規(guī)的獨(dú)特之處就是計(jì)算NMOG＋NOx的總量。由于通常柴油機(jī)的NMOG排放較低，因此NOx排放的邊界范圍更寬。柴油機(jī)的NMOG排放約為總碳?xì)浠衔铮═HC）排放的20%～30%。圖2示出了汽車(chē)制造商必須滿(mǎn)足的NMOG＋NOx目標(biāo)平均排放限值。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)與排氣后處理系統(tǒng)

2.1 車(chē)型與發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)格

本次研究采用裝備1.7L渦輪增壓柴油機(jī)的6檔自動(dòng)變速車(chē)型。選擇該款1.7L柴油機(jī)是因?yàn)樗軡M(mǎn)足北美嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，且能夠提供卓越的燃油經(jīng)濟(jì)性（圖3）。1.7L試驗(yàn)柴油機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格如表1所列，壓縮比為16.0，最高功率為137 PS，最大扭矩為34kgf·m。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)規(guī)格

2.2 排氣后處理系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)格

LNT和SCR都是柴油機(jī)滿(mǎn)足NOx排放法規(guī)的具有代表性的后處理措施。LNT可以捕集發(fā)動(dòng)機(jī)排出的NOx，并在濃混合氣條件下將其轉(zhuǎn)化為N2。在北美市場(chǎng)，LNT是滿(mǎn)足LEV2（相當(dāng)于歐6）標(biāo)準(zhǔn)的NOx后處理系統(tǒng)。

LNT系統(tǒng)的簡(jiǎn)潔性使其更易應(yīng)用，并且與SCR相比具有低成本優(yōu)勢(shì)。但是，該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是將捕集的NOx轉(zhuǎn)化為N2或轉(zhuǎn)化為CO、碳?xì)浠衔铮℉C）和NH3排放時(shí)，會(huì)導(dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性下降。另外，還會(huì)由于燃油和機(jī)油中含硫?qū)е麓呋瘎┲卸荆约耙蜷L(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致效率下降［4］。

除LNT外，SCR也是一種能夠滿(mǎn)足北美LEV2和歐6排放法規(guī)的代表性NOx后處理技術(shù)。SCR是一種使用銅基或鐵基沸石涂層的選擇性催化轉(zhuǎn)化器［5］。向催化劑中噴入尿素溶液，尿素經(jīng)熱分解和水解產(chǎn)生NH3，并與NOx反應(yīng)，以減少排氣中的NOx。與LNT相比，SCR具有較強(qiáng)的抗老化性能，并且能在高溫下保持高轉(zhuǎn)化效率。但是，SCR需要獨(dú)立的尿素溶液儲(chǔ)存和噴射系統(tǒng)，這對(duì)使用成本和客戶(hù)便利性構(gòu)成挑戰(zhàn)。

LEV3法規(guī)中的ULEV70規(guī)定，NOx＋NMOG排放量要低于0.070g／mile，與LEV3法規(guī)中ULEV125規(guī)定（0.125g／mile）相比，限值收緊56%。

與LEV2法規(guī)相比，LEV3法規(guī)要求安全行駛里程從12萬(wàn)mile增加至15萬(wàn)mile，使用耐久性提高25%。這也增加了應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的難度，必須開(kāi)發(fā)新技術(shù)，以減少排放和延長(zhǎng)使用壽命。

LEV3法規(guī)要求排氣后處理系統(tǒng)在低溫條件下的NOx轉(zhuǎn)化效率高于50%（表2）。為了在FTP-75、高速公路行駛循環(huán)（HFET）、US06高速高加速度循環(huán)和SC03高溫空調(diào)全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)工況下測(cè)試，在溫度低于450℃的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)化效率必須高于90%（圖4）。為了滿(mǎn)足這些條件，須選用SCR作為主要的NOx轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。

表2 滿(mǎn)足LEV3ULEV70法規(guī)的排氣后處理系統(tǒng)

圖5為FTP-75工況第1階段冷態(tài)初始NOx排放特性。FTP-75工況的初始NOx排放為0.28g／mile，運(yùn)行至200s時(shí)初始NOx排放達(dá)到目標(biāo)限值（0.03g／mile）。盡管初始 NOx排放減少50%，但在250s時(shí)，初始NOx排放還是超過(guò)了限值。所以，為滿(mǎn)足美國(guó)的排放法規(guī)要求，必須減少冷態(tài)NOx排放。本研究中，采用小容積LNT，以獲得較好的NOx轉(zhuǎn)化效果。

研究人員選擇LNT＋SCR后處理系統(tǒng)作為研究對(duì)象。在不低于催化劑起燃溫度的條件下，SCR對(duì)NO2濃度或NOx排放量不太敏感，顯示出其轉(zhuǎn)化性能更加高效。在低溫NOx轉(zhuǎn)化條件下，LNT容積和鉑族金屬用量實(shí)現(xiàn)了最小化，此外，在濃混合氣模式下的NOx轉(zhuǎn)化也實(shí)現(xiàn)最小化，從而降低了成本，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。采用LNT取代氧化催化轉(zhuǎn)化器，同時(shí)采用DPF滿(mǎn)足顆粒（PM）排放法規(guī)的要求。

圖6為L(zhǎng)NT＋DPF＋SCR復(fù)合后處理系統(tǒng)的布置。為了在低溫下獲得穩(wěn)定的NOx轉(zhuǎn)化性能，LNT被布置在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管附近。

表3列出了本次研究所采用的排氣后處理系統(tǒng)具體規(guī)格。如只采用LNT，須使用大量的催化劑和鉑族金屬，從而增加成本，同時(shí)其濃混合氣模式還會(huì)降低燃油經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)將LNT和SCR相組合，可以達(dá)到與LNT接近的成本水平，并且在這種控制排放的模式下，可以提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

表3 滿(mǎn)足LEV3排放標(biāo)準(zhǔn)的排氣后處理系統(tǒng)規(guī)格

2.3 均勻性指標(biāo)性能

采用SCR后處理系統(tǒng)時(shí)，排氣系統(tǒng)布置是重要的開(kāi)發(fā)因素之一。為了獲得更高的NOx轉(zhuǎn)化效率，必須使后處理系統(tǒng)的熱損失最小化，并促使噴入的尿素溶液蒸發(fā)和分解，使其能均勻地分布到SCR催化劑中。

為了滿(mǎn)足上述開(kāi)發(fā)要求，考慮到排氣后處理系統(tǒng)零部件的位置、計(jì)量模塊安裝位置、噴射角度，以及混合器的幾何形狀和位置，對(duì)NOx的轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行優(yōu)化（圖7）。

圖8為美國(guó)排放循環(huán)中具代表性的行駛區(qū)域均勻性指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足并高于開(kāi)發(fā)要求（0.98）。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 冷態(tài)工況減排策略

LNT安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)附近，以便快速激活。LNT要快速轉(zhuǎn)化SCR激活前排出的NOx，并在DPF上游起氧化催化轉(zhuǎn)化器的作用，即氧化HC和CO。

圖9為FTP-75工況下初始NOx，以及LNT／SCR下游的NOx測(cè)量結(jié)果。SCR催化劑的起燃溫度通常高于200℃。由圖9可知，在FTP-75工況第2階段模式下，地板下銅基SCR顯示出高于99%的轉(zhuǎn)化效率。因此，為了在冷起動(dòng)條件下高效轉(zhuǎn)化NOx，必須使FTP-75工況第1階段的冷態(tài)LNT轉(zhuǎn)化效率最大化［6］。

在冷起動(dòng)條件下利用后噴提高排氣溫度，從而縮短催化劑達(dá)到起燃溫度所需的時(shí)間。如圖10所示，升高排氣溫度的策略可分成2個(gè)階段，即LNT加熱和SCR加熱。

在LNT加熱階段，LNT完全起燃。通過(guò)緊靠主噴的早后噴燃燒來(lái)提高排氣溫度。LNT加熱階段結(jié)束后，同時(shí)采用早后噴和晚后噴，以縮短發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和催化劑放熱反應(yīng)（HC在LNT中氧化）過(guò)程中的SCR加熱時(shí)間。

圖11為快速加熱的試驗(yàn)結(jié)果。LNT加熱時(shí)間為50s，SCR加熱時(shí)間為65s。當(dāng)同時(shí)加熱LNT和SCR時(shí)，LNT上游的溫度升至最高，高出基準(zhǔn)溫度40℃，SCR上游的最高溫度高出基準(zhǔn)溫度60℃。

在FTP-75工況第1階段，LNT加熱后的NOx減排量為47%，而采用快速加熱策略后，確認(rèn)的最高NOx減排量為62%。在FTP-75工況第1階段，快速加熱策略使燃油耗的下降比FTP-75工況少0.5%。

加熱策略的建立受是否基于排氣溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)溫度檢測(cè)催化劑轉(zhuǎn)化性能的限制，這種檢測(cè)有助于實(shí)現(xiàn)燃油耗最小化。

3.2 老化催化劑的評(píng)估

更為嚴(yán)格的LEV3法規(guī)要求催化劑在15萬(wàn)mile的使用壽命期內(nèi)滿(mǎn)足NMOG＋NOx限值的要求。使用壽命期過(guò)后，催化劑性能老化的因素包括：在DPF再生和降硫（SOx）階段，因暴露在高溫排氣中導(dǎo)致熱失活（燒結(jié)）；在相對(duì)較低溫度下，燃油和機(jī)油中的硫、磷和鐵導(dǎo)致化學(xué)失活（中毒）；催化劑表面污染或磨損造成的機(jī)械失活（堵塞）［6］。

在上述失活機(jī)理中，熱失活是不可逆的，是導(dǎo)致催化劑轉(zhuǎn)化效率下降的主要原因［7］。

本研究使用的是相當(dāng)于15萬(wàn)mile全生命周期的臺(tái)架老化催化劑。圖12為通過(guò)臺(tái)架老化模式（3模式試驗(yàn)）的1個(gè)樣本，測(cè)試了經(jīng)耐久性老化試驗(yàn)的催化劑性能。

通過(guò)15萬(wàn)mile LNT老化和15萬(wàn)mile SCR老化試驗(yàn)，比較單用LNT系統(tǒng)與采用LNT＋SCR系統(tǒng)的性能老化測(cè)量結(jié)果。綜合初始LNT和15萬(wàn)mile老化后的SCR試驗(yàn)結(jié)果，得出性能的老化程度。

圖13為根據(jù)LNT和SCR催化劑老化試驗(yàn)得到的NOx轉(zhuǎn)化效率。為了測(cè)量催化劑的NOx轉(zhuǎn)化效率，分別在催化劑上游和下游測(cè)量NOx濃度。結(jié)果顯示，單用LNT系統(tǒng)的性能比初始系統(tǒng)老化45%。LNT性能老化是由于鉑族金屬的燒結(jié)。但是，SCR卻顯示出穩(wěn)定的性能。這主要由于LNT與SCR的涂層材料不同，以及因催化劑位置不同而導(dǎo)致高溫暴露頻率不同。

在采用LNT和SCR等NOx后處理系統(tǒng)的柴油車(chē)中，尾氣的NOx排放量隨所用后處理系統(tǒng)的不同會(huì)有很大不同。因此，本研究采用臺(tái)架試驗(yàn)老化樣本測(cè)量實(shí)際車(chē)輛的排放量。

3.3 排放試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 海平面條件下的排放

LEV3排放法規(guī)要求車(chē)輛滿(mǎn)足FTP-75、HFET、US06、SC03在海平面和高海拔條件下的排放要求。本次試驗(yàn)是在海平面條件下進(jìn)行FTP-75、HFET及US06循環(huán)的試驗(yàn)。

圖14為FTP-75試驗(yàn)得出的排放結(jié)果。初始催化劑和老化催化劑均達(dá)到ULEV70規(guī)定對(duì)NMOG＋NOx的限值要求。

排氣后處理系統(tǒng)催化劑的老化結(jié)果表明，NOx的增加量多于NMOG的增加量。NOx排放增加是LNT＋SCR后處理系統(tǒng)中LNT老化與起動(dòng)后NOx排放增加的結(jié)果。

表4為4 000mile老化后的催化劑在FTP-75、HFET和US06工況下的排放試驗(yàn)結(jié)果，排放結(jié)果為限值要求的45%。這意味著，在考慮老化系數(shù)的情況下，該結(jié)果能滿(mǎn)足法規(guī)要求。FTP-75工況下的后處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率為93%。

表4 海平面條件下的排放試驗(yàn)結(jié)果

Hyundai汽車(chē)集團(tuán)考慮了所有行駛循環(huán)中的車(chē)輛負(fù)荷。本研究中的US06和HFET工況代表初始排放方面的挑戰(zhàn)。但是，當(dāng)排氣溫度升高后，NOx后處理效率得到改善，這使US06和HFET工況下的排放更具優(yōu)勢(shì)。

3.3.2 高海拔條件下的排放

表5為高海拔條件下的FTP-75和HFET工況試驗(yàn)結(jié)果。與海平面條件下的FTP-75試驗(yàn)結(jié)果相比，NOx排放量減少50%。與海平面地區(qū)相比，高海拔地區(qū)的增壓壓力要低0.016MPa，平均增壓壓力下降0.016 8MPa。

表5 1 660m（1mile）高海拔條件下的排放試驗(yàn)結(jié)果

盡管如此，LNT的排氣溫度上升50℃，SCR的溫度上升14℃（表6），這都有助于提高催化劑的轉(zhuǎn)化效率。

表6 海平面和高海拔地區(qū)的排氣溫度與增壓壓力比較

表7為催化劑在FPT-75工況下的NOx總轉(zhuǎn)化率，從93%上升至98%，升高5%。此外，HFET工況下的NOx轉(zhuǎn)化效率為99%。

表7 排氣后處理系統(tǒng)在高海拔條件下的NOx轉(zhuǎn)化效率

4 降低HFET工況下的燃油耗

4.1 策略

在HFET工況下，車(chē)輛采用EPA規(guī)定的方式預(yù)熱。當(dāng)車(chē)輛在FTP-75工況的較高負(fù)荷條件下行駛時(shí)，SCR溫度保持最低225℃，SCR的轉(zhuǎn)化率可保持98%。在這種模式下，LNT降NOx的燃油耗最低。此外，主噴油定時(shí)提前，EGR率減小，增壓壓力下降。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果列于表8。SCR上游的NOx排放增加81.4%，SCR下游的NOx排放增加82.9%。盡管如此，測(cè)得的尾氣中NOx排放水平極低，足以滿(mǎn)足HFET工況下NMOG＋NOx的限值要求，即0.07g／mile。與基準(zhǔn)水平相比，HFET工況的燃油經(jīng)濟(jì)性改善5.2%，SCR平均轉(zhuǎn)化效率約為97%。

表8 HFET工況下的CO2和NOx排放比較

5 結(jié)語(yǔ)

為了滿(mǎn)足更為嚴(yán)格的LEV3排放法規(guī)要求，LNT＋SCR后處理系統(tǒng)是一種降低NOx排放的有效方法，有助于提高后處理系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率和燃油經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)優(yōu)化排氣系統(tǒng)和催化劑，可使NOx轉(zhuǎn)化效率滿(mǎn)足更為嚴(yán)格的美國(guó)排放法規(guī)。采用快速加熱策略減少FTP-75工況下的冷態(tài)NOx排放，從而縮短SCR的起燃時(shí)間。與未采用快速加熱策略的后處理系統(tǒng)相比，可使NOx排放減少62%。在HFET工況下，SCR的總轉(zhuǎn)化效率很高，通過(guò)使LNT的降NOx量最小化，以及提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率，能使燃油經(jīng)濟(jì)性改善5.2%。研究發(fā)現(xiàn)，能夠滿(mǎn)足海平面條件下FTP-75工況的LNT＋SCR后處理系統(tǒng)，也能滿(mǎn)足高海拔條件下高速公路排放法規(guī)的要求。

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