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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)正在采取多種技術手段來減少污染物排放和燃油耗。在眾多技術路線圖中，1種領先的技術途徑是采用電動汽車。因此，許多汽車公司正在開發(fā)電動車輛[1]，以盡早滿足市場的需求和政府的強制性法規(guī)。但是，目前市場大多數(shù)的預測分析顯示，內(nèi)燃機至少在未來20年仍將在汽車領域中占主導地位。另外，在電網(wǎng)成為低溫室氣體的主要來源之前，電動汽車和先進內(nèi)燃機車輛“油井到車輪”(WTW)的CO2排放水平不會有很大的差別[2]。因此，人們關于車用發(fā)動機排放和燃油效率的技術研究仍在繼續(xù)。隨著全球污染物排放標準和溫室氣體法規(guī)的收緊，車用發(fā)動機在排放和燃油效率這兩方面將繼續(xù)面臨挑戰(zhàn)。

重點回顧了2016年輕型車和重型車領域柴油機和汽油機在排放控制和效率提升領域的主要發(fā)展[3]。首先簡要介紹了污染物和CO2排放標準的進展情況。然后，回顧了輕型車柴油機和汽油機，以及重型車柴油機技術的發(fā)展狀況。隨后，介紹了汽油機排放控制的發(fā)展情況，包括快速發(fā)展的汽油機顆粒過濾器技術。

1 排放法規(guī)

2016年提出的排放法規(guī)主要有以下幾項,它們將會對車用發(fā)動機的排放控制技術和效率提升技術產(chǎn)生一定的影響：

(1)歐6輕型車實際行駛排放(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個階段收緊限值標準，國六a和國六b將分別于2020年和2023年開始實施。預計這些排放法規(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)一實施。

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

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年實施。可以預見，歐洲RDE法規(guī)將于2023年生效，印度的BS4(全國實施)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)已被機動車技術委員會采納。這套法規(guī)文件的要點包括：

(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)須定期進行評估。該合格指數(shù)適用于整個RDE試驗過程和城區(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，從2018年9月起適用于所有的新車型。

(3)冷起動排放量應作為城區(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試驗的數(shù)據(jù)資料必須通過免費的網(wǎng)站向公眾發(fā)布。提供的數(shù)據(jù)資料必須包括實際行駛中NOx和PN的最大排放量。

(5)原始設備制造商(OEM)應提供一套有關輔助排放策略的補充文件。

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

RDE法規(guī)還遠未達到收尾進程，相關的研究工作仍在繼續(xù)進行，以確定現(xiàn)有的不足之處，便于今后改進。事實上，以PN作為考核基準時，由于大多數(shù)顆粒物為微小的顆粒，因而在RDE試驗中應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)域進行的RDE試驗顯示，車輛在低車速行駛時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)今的認證試驗循環(huán)或RDE試驗循環(huán)中。另外，發(fā)現(xiàn)在交通擁擠的情況下，排氣溫度比較低，這不利于催化器點火，同時選擇性催化還原(SCR)催化器會不起作用，而且試驗表明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)標準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。這些標準將分2步實施，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試驗的結果進行監(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：

圖1 國六排放法規(guī)摘要

(1)2023年實施的國六污染物排放標準限值更加嚴格，要求CO和碳氫化合物(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)動機(柴油機、缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動機和進氣道噴油發(fā)動機),而歐洲的PM限值只適用于柴油機和汽油直噴發(fā)動機。

型式試驗將由OEM廠商和汽車公司合作來完成，試驗應在經(jīng)認證的實驗室進行，并應向法規(guī)監(jiān)管部門提交試驗報告。法規(guī)要求采用WLTC規(guī)定進行氣態(tài)排放物、PM和PN的測定試驗，應在正常環(huán)境溫度和低環(huán)境溫度下從冷態(tài)起動開始進行試驗。OEM廠商還應對產(chǎn)品車輛和在用車輛進行排放達標試驗，法規(guī)監(jiān)管部門可以對這些試驗進行部分或全部試驗驗證。法規(guī)還要求提高燃油的品質(zhì)，從2017年開始強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)，但是詳細情況尚未宣布。北京的京六燃油標準已最終定稿，并從2017年1月開始執(zhí)行。該標準要求汽油的芳香族化合物和烯烴含量分別比其他燃油標準的規(guī)定值減少35%和15%，目的是要減少揮發(fā)性有機物、臭氧和PM 2.5的排放。

1.3 美國2022—2025年輕型車GHG排放標準

2016年1月，美國環(huán)保署發(fā)布了最終決定：確認2022—2025年輕型車仍然執(zhí)行現(xiàn)有的GHG排放標準。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份技術評估報告。這份中期技術評估報告的結論認為，汽車制造商能夠以較低的生產(chǎn)成本，通過采用各種先進的汽油機技術和車輛電氣化(混合動力電動車、插電式混合動力車和電動車)來滿足GHG排放標準。

1.4 重型車排放標準

2016年，重型車的污染物排放標準和溫室氣體排放標準都有明顯的收緊。中國提出了相當于歐6的排放標準，印度最終決定在2020—2021年將排放標準收緊到歐6的水平。美國環(huán)保署提出了一份關于采用氧化釩SCR的指導性文件。加利福尼亞州以及美國環(huán)保署準備收緊重型車的NOx排放標準，美國最終確定了Tier 2重型車溫室氣體排放標準。另外，歐洲的Tier 5非道路移動機械的排放法規(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標準非常相似。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標準為160 000 km。國六法規(guī)要求采用遙控車載診斷系統(tǒng)(OBD)，且OBD應定期將車輛的狀態(tài)傳送給政府機關。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)進行車輛排放達標試驗時，相應的海拔高度為2 400 m，而歐6則為1 600 m。在車輛排放達標的最小功率閾值范圍為10%，與2018/2019年9月開始實施的新歐6標準相當。國六法規(guī)的實施時間可能會晚于2020年。北京市可能會比國內(nèi)其他地區(qū)提前2年實施國六標準，而執(zhí)行國六排放法規(guī)的時間可能會提前3年。

1.4.2美國環(huán)保署關于氧化釩SCR催化器的指導性文件

在經(jīng)過了5年的評估后，美國環(huán)保署發(fā)表了1份關于在重型車發(fā)動機排放系統(tǒng)中采用氧化釩SCR催化器的指導性文件。要求車輛制造商提供有關氧化釩升華溫度的數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)應按推薦的試驗方法獲取,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不超過該升華溫度外，還應在催化器萬一發(fā)生因發(fā)動機零部件故障和HC積聚而引起的溫升時，確定采用對應的控制措施來保護催化器。這些預防措施應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)量標準，加利福尼亞州的排放法規(guī)正在繼續(xù)向前推進，到2024年，要求新重型卡車的NOx排放削減高達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項試驗計劃，以便為排放法規(guī)提供可行性數(shù)據(jù)。

關于收緊的NOx排放法規(guī)是否會導致燃油耗增加這一問題產(chǎn)生了很多爭議。排放控制設備制造商協(xié)會利用2002年以來的發(fā)動機認證數(shù)據(jù)評估了兩者的相互關系。主要結果如圖2所示。

圖2 由美國環(huán)保署的重型車發(fā)動機認證數(shù)據(jù)揭示的排放控制技術對CO2和NOx排放的影響

一般來說，控制NOx和PM排放的技術會導致CO2排放增加。但是，2010年及以后的發(fā)動機采用了廢氣再循環(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的排放標準并沒有改變，但在這期間，經(jīng)認證的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排放標準。與實施到2017年的GHG排放標準相似，該新標準要求在2017年、2024年和2027年分3步實現(xiàn)強制性CO2減排。該標準要求CO2排放量比Tier 1 GHG標準降低約5%，并首次將拖掛車列為減排考核對象。牽引車發(fā)動機要按照修訂后的穩(wěn)態(tài)試驗法進行試驗，該穩(wěn)態(tài)試驗法反映了現(xiàn)代商用車常用的發(fā)動機低轉速工況。采用了1種改進的車輛模擬模型(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排放標準時燃油耗比2010年減少的情況。實施Tier 2 GHG標準后，估計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準實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的長途運輸卡車的燃油耗進行了比較。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，預計到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告，要求采用車輛能耗計算(VECTO)整車模擬工具來監(jiān)測和通報重型車的CO2排放情況，該報告將于2017年發(fā)布，將于2018年或2019年按照計劃進行車輛能耗監(jiān)測。目的是要得到有關卡車燃油耗的連續(xù)信息，同時可以利用這些信息來提出重型車的CO2排放法規(guī)。

1.5 非道路移動機械排放法規(guī)

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

表1 各種CO2減排技術的減排效果推測和發(fā)展現(xiàn)狀

2 發(fā)動機技術

大多數(shù)主要國家都已設定了輕型車的燃油效率目標和CO2減排目標。新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)標準下各國CO2排放目標是：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。為了滿足嚴格的CO2排放法規(guī)，發(fā)動機技術正在快速發(fā)展。在輕型車領域，為滿足用戶的需求和GHG排放法規(guī)，未來技術方案的取向會繼續(xù)選擇最經(jīng)濟的方案。迄今為止，采用的是以發(fā)動機為基礎的逐漸向混合動力發(fā)展的技術途徑。技術的進步已能使OEM廠商達到和超過如今的各種排放目標。例如，2015年，歐洲新注冊車輛的CO2排放量幾乎已達到了120 g/km,它要比當年的目標值130 g/km低8%。盡管如此，想要達到未來的排放目標，從現(xiàn)在到2020年必須實現(xiàn)20%～25%的CO2減排。另外，由實驗室試驗達到的燃油效率改善效果還沒有在實際行駛狀態(tài)中得到反映。在重型車領域，技術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)動機技術

2.1.1汽油機

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

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

圖4 先進內(nèi)燃機和電動車WTW的CO2排放比較

以滿足Tier3 Bin30限值為目標的汽油直噴壓縮著火發(fā)動機的開發(fā)工作取得了積極進展。試驗證實，在寬廣的負荷范圍內(nèi)，這種發(fā)動機的有效燃油消耗率已達到了211～214 g/(kW·h)，略高于200 g/(kW·h)的目標值。第三代設計采用了16的高壓縮比和35 MPa噴油壓力。然而，與低溫燃燒相關的催化器點火問題仍然是這種發(fā)動機面臨的主要挑戰(zhàn)。為了滿足排放標準，就需要使催化器達到非常高的HC轉換率(高于99%)，在排氣溫度非常低的情況下，要達到這樣高的轉換率是特別困難的。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催化器和被動再生汽油機顆粒過濾器(GPF)。

專用EGR概念取得了積極的進展，這種專用EGR是將4缸發(fā)動機中1個氣缸的排氣以25% EGR率反饋給進氣歧管。試驗證實，壓縮比高達13.6的優(yōu)化設計發(fā)動機采用雙EGR后，制動平均有效壓力(BMEP)為1.2～1.4 MPa和轉速為1 500～3 500 r/min時，有效燃油消耗率(BSFC)不高于200 g/(kW·h)。以前的車輛試驗顯示，NOx+非甲烷有機氣體(NMOG)的排放量達到了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)動機的性能進行了比較。結果發(fā)現(xiàn)，采用AKI81燃油時，向雙EGR氣缸超量供油35%時產(chǎn)生的爆燃極限最大扭矩與燃用AKI89燃油不超量供油時產(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結合在一起作為進一步改善發(fā)動機WTW CO2排放水平的1個途徑。

2016年中，在提高燃油經(jīng)濟性方面的1個重要里程碑是可變壓縮比(VCR)技術實現(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)行器電機驅(qū)動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。這一技術與進氣道多點噴油和缸內(nèi)直噴相結合，能給燃油經(jīng)濟性帶來附加的好處。通過進一步與小型化相結合，將傳統(tǒng)的3.5 L V6發(fā)動機改為2.0 L可變壓縮比發(fā)動機后，燃油經(jīng)濟性提高了30%。由于能在整個發(fā)動機運行工況范圍內(nèi)改變壓縮比，可以預計，除了燃油經(jīng)濟性提高外，排放也能有所降低。其他幾種可變壓縮比技術也正在開發(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)動機樣機，它們的目標是要在8.2～17.5之間實現(xiàn)可變壓縮比。

汽油直噴發(fā)動機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用，這些發(fā)動機的比功率正在增加。同時，一些能克服高負荷爆燃和進一步提高燃油效率的技術也在向前發(fā)展。噴水就是這類技術中的一種，盡管這并不是新技術，但它正在重新引起大眾的興趣。為了探索在進氣道噴油的同時直接向氣缸內(nèi)噴水的潛力，曾經(jīng)對單缸試驗進行過研究。在部分負荷(2 000 r/min，90 N·m)和轉速為1 500～3 000 r/min的全負荷下，研究了噴水的效果。該研究顯示，在所有發(fā)動機轉速下均存在最佳噴水量，偏離該最佳噴水量時，發(fā)動機的性能和排放都會惡化。在部分負荷時，BSFC能降低7%，在全負荷工況時，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：在部分負荷時排氣溫度約降低125 ℃，在全負荷時排氣溫度降低約300 ℃。在全負荷時，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荷低轉速(1 500 r/min)工況時噴油量的2倍。

Hoppe等人還進行了將排氣和EGR的冷凝水收集利用起來直接噴射的試驗研究。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)動機上進行。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個側置的噴射器進行噴射。噴水始點優(yōu)化在上止點前120°CA。試驗顯示，在水/燃油比為50%～60%時，燃油耗最佳。在低負荷時，效率提升高達3.8%，在全負荷時，效率提升高達16%。在水/燃油比為50%時，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。所有這些結果與以前的研究頗為一致。他們還在空燃比λ為1.4，在轉速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轉時的噴水效果。在水/燃油比為26%時,效率提高了4.5%，排氣溫度下降了50 ℃。

盡管發(fā)動機技術在進步，但Thomas認為，為了滿足2025年GHG排放目標，還需要更快地改善和推廣插電式混合動力車。他分析了過去10年在提高燃油經(jīng)濟性方面取得的進展。對2005年和2015年的相同型號車輛以每組40輛進行了比較，指出在過去10年中，燃油經(jīng)濟性令人驚訝地提高了26%。比較結果如圖5所示。然而，為了滿足2025年排放標準，必須進一步加快技術發(fā)展的步伐，并應在今后10年中使燃油經(jīng)濟性提高44%～53%。車輛WTW的效率必須從2015年的22%提高到2025年的33%，而單靠汽油機動力總成是很難滿足這一要求的。

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

除了提高車輛的效率和電氣化程度外,要想達到未來GHG排放標準，還應增加可再生能源的使用量。加利福尼亞州確定的目標是，到2050年要求達到CO2排放48 g/km的排放水平，它要比2010年的排放水平減少80%。國家可再生能源實驗室進行的一項最新研究指出，為了達到碳排放的目標，大部分能源將必須來自可再生能源，傳統(tǒng)內(nèi)燃機使用的燃油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(太陽能和風能)，蓄電池電動車使用的由煤產(chǎn)生的電力必須低于30%。

2.1.2柴油機

由于輕型柴油機技術已有較大的進步，因而提高效率和減少NOx排放的重點是要優(yōu)化其增益。Zaccardi和De Paola對效率損失進行了分析，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展情況。按WLTC進行的試驗顯示，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、壓縮比和燃燒室設計來提升火焰擴散燃燒的性能，可使燃油耗減少約8%。對可變氣門技術、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)時間進行了模擬，估計發(fā)動機能在有效熱效率達到40.3%的情況下使燃油耗減少16%(轉速2 000 r/min,BMEP 1.9 MPa時，燃油耗為209 g/(kW·h))。

盡管柴油機混合動力電動車實現(xiàn)商用化已有好幾年，但是在采用48 V供電的皮帶傳動的起動發(fā)電機(BSG)系統(tǒng)時，柴油機混合電動車的NOx和CO2減排有明顯改善。Moergastel在1輛配裝2.0 L發(fā)動機的1 700 kg車輛上采用BSG系統(tǒng)時，車輛在WLTC試驗中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)時車輛的CO2排放量相差約1%，而發(fā)動機的NOx排放量則沒有差異。在高負荷時，NOx排放減少了30%，而CO2排放變化很小。此外，瞬態(tài)響應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、1臺串聯(lián)安裝的60 kW電動機和2 kW·h鋰離子蓄電池配裝了2 200 kg混合動力電動車。該車從0～100 km的加速時間由6.8 s縮短到5.5 s,按WLTC試驗時CO2排放量減少了13%，同時，發(fā)動機排放的NOx減少了20%。在RDE工況試驗中，與純柴油機車相比，CO2排放減少了10%，NOx排放降低了20%。在城市工況行駛時，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)動機。這種直列3缸(6個活塞)發(fā)動機按WLTC行駛循環(huán)試驗得出的結果顯示，與傳統(tǒng)發(fā)動機相比，它的燃油耗、NOx和PM分別減少了28%、42%和74%。采用這種發(fā)動機的輕型車樣車預計會在2018年問世，估計它的綜合燃油經(jīng)濟性(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)動機的效率進行了分析，并將它與1臺具有當代技術水平(2020年型)的1.2 L 3缸四行程發(fā)動機作了比較。按WLTC試驗時，這臺對置活塞發(fā)動機的CO2排放量要比傳統(tǒng)發(fā)動機的低13%。該發(fā)動機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換成了有效功。

2.2 重型車發(fā)動機技術

與輕型車柴油機相同，重型車柴油機技術也在朝著提高技術增益的方向發(fā)展。但是，由于燃油成本始終是重型車領域的一項主要運行費用，因而需要采用更先進的節(jié)油技術。本節(jié)將介紹這些技術的進展情況。另外還將討論天然氣發(fā)動機及重型車動力總成電氣化的進展情況。

2.2.1柴油機

去年，美國能源部結束了超級卡車1計劃，該計劃的目標是要求卡車的貨運效率(每加侖燃油的噸載貨英里數(shù))比2009年的水平提高50%，發(fā)動機的有效熱效率(BTE)要達到50%。Gravel總結了實施超級卡車1計劃后取得的主要成果：(1)卡車的貨運效率提高了76%～115%；(2)BTE從42%提高到了50%～51%；(3)卡車質(zhì)量減少高達1 270 kg；(4)卡車的牽引阻力降低了54%；(5)許多技術都準備投入生產(chǎn)應用。

Gravel還介紹了新啟動的超級卡車2計劃和它的目標。該計劃要求卡車的貨運效率比2009年水平提高100%，發(fā)動機的BTE要達到50%，同時，其他性能應保持或好于超級卡車1計劃的水平。有4家公司(Cummins,Daimler,Navistar和Volvo)參與了超級卡車2計劃。在實施該計劃的過程中，至少由2家參與公司負責評估的發(fā)動機技術，包括廢熱回收、減少摩擦、提高壓縮比或最高氣缸壓力、改進排氣后處理、減少熱損失和改進冷卻系統(tǒng)。各參與公司獨自采用的技術途徑有：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的發(fā)動機控制(Daimler公司)；高壓噴油和可變氣門技術(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，分開進行工作循環(huán)的發(fā)動機被認為是效率最高的內(nèi)燃機，因為它能達到很高的壓縮比，但是，它很難付諸實際應用。作為超級卡車2計劃的一部分，Volvo公司將對一種分開循環(huán)發(fā)動機進行試驗評估，這臺6循環(huán)發(fā)動機將能達到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?？諝馐紫仍诘蛪簹飧變?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，在此對空氣進行第三次壓縮，同時向該氣缸噴入燃油。

圖6 在實施超級卡車2計劃中，Volvo公司正在試驗評估的分開循環(huán)(Split-Cycle)發(fā)動機示意圖

Okamoto和Uchida正在對一種不同的柴油機擴散火焰燃燒方法進行試驗評估，試圖將燃燒分成兩個階段(先進行接近定容的燃燒過程，緊接著再進行定壓燃燒過程)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個附加噴油器的單缸2.0 L柴油機上驗證了這種燃燒方式的效果，這兩個噴油器呈傾斜狀態(tài)安裝，以產(chǎn)生旋轉渦流。實際上，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)噴油量和噴油正時來控制這兩個階段的燃燒過程。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排放能同時得到降低。采用EGR還能使NOx和PM進一步降低。他們的測試結果顯示，指示熱效率約為57%(轉速1 000 r/min,80%負荷,λ為3,壓縮比18)，并且還可能上升至50%的有效熱效率。

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

圖7 新擴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)動機進行的瞬態(tài)試驗。結果表明，該發(fā)動機完全能滿足瞬態(tài)運行的要求。與1臺2011年的6.7 L傳統(tǒng)柴油機相比，該發(fā)動機按熱態(tài)美國聯(lián)邦試驗規(guī)程(FTP)試驗循環(huán)試驗時，燃油耗降低了18%。發(fā)動機的污染物排放量與采用傳統(tǒng)排放控制技術時的排放水平相同。

2.2.2天然氣發(fā)動機

如果用沼氣作為發(fā)動機燃料，那么天然氣正成為人們用來減少發(fā)動機GHG和運行成本的發(fā)展途徑。Kruse報道稱，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力。Thiruvengadam測定了火花點燃理論空燃比甲烷燃料發(fā)動機卡車(配裝三效催化器)、高壓直噴壓燃雙燃料發(fā)動機卡車(配裝DPF+SCR)和柴油機卡車(配裝DPF+SCR)在低負荷行駛時的NOx排放。結果顯示，在本地和碼頭行駛時，柴油機卡車的NOx排放量(1.25～1.83 g/(bhp·h))是高壓直噴壓燃雙燃料發(fā)動機卡車NOx排放量的7倍，是火花點燃甲烷發(fā)動機卡車NOx排放量(40～90 mg/(bhp·h))的24倍。在大于95%的運行時間內(nèi)，甲烷發(fā)動機卡車的排氣溫度要比柴油機卡車和高壓直噴雙燃料發(fā)動機卡車的低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排放計劃促進了天然氣卡車的發(fā)展，但這種卡車還需要繼續(xù)改進。Roberts介紹了在1臺2012年Cummins 12.0 L火花點燃理論空燃比天然氣卡車上進行的開發(fā)試驗。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，車輛按FTP循環(huán)進行試驗時，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力外，正朝著蓄電池供電和電動道路系統(tǒng)方向發(fā)展，例如，采用架空線或懸鏈電纜來驅(qū)動卡車。Lehmann評述了電動道路系統(tǒng)的最新情況。電動道路系統(tǒng)卡車獲得的80%電力相當于的柴油機卡車65%的能源消耗，而單位距離排放的NOx是柴油機卡車的30%。據(jù)報道，瑞典、美國加利福尼亞州和德國將打算開展電動道路系統(tǒng)卡車的試驗。

3 稀NOx控制

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

3.1 SCR催化器

SCR催化器的配方仍在不斷改進，并正在取得出色的效果?，F(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”結構銅沸石，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，且高溫時氨氧化較少，因而能在550 ℃時產(chǎn)生很好的NOx轉換率。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。這種小籠形沸石結構還具有耐碳氫的能力，當它暴露在丙烯中時不會影響其性能。

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

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行了比較。結果顯示，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，鐵沸石的NOx轉換率喪失量是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，當后者直接暴露在尿素中時，耐腐蝕可能就是1個問題。但是，當它們在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，則會存在一些難度。

Tang等人論述了重型車領域采用氧化釩催化器時出現(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致NOx轉換率降低。當1輛國四城市公共汽車累計行駛了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，前半部分的NOx轉換率只有20%，而下游部位的NOx轉換率為70%，相比之下，基準催化器的NOx轉換率則為95%。在另一個應用實例中，因尿素沉積引起的表面堵塞造成了催化器表面碳煙積聚，最終導致因背壓過高而使碳煙發(fā)生災難性燃燒，進而最終導致氧化釩SCR催化器熔化。這個例子表明，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催化器指導性文件中，提供了發(fā)動機零部件故障和碳氫積聚引起的升溫問題。

SCR過濾器是輕型車柴油機排放控制系統(tǒng)中的1個重要部件。Demuynck等人評估了2輛只采用SCR過濾器進行NOx后處理的(2014年款和2015年款)柴油機轎車的實際行駛排放性能。結果是，2014年型車輛起初沒能通過試驗，但經(jīng)過重新標定后該車通過了試驗，而且其NOx排放量下降了50%。2015年車型則通過了試驗。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，碳煙與SCR反應的相互影響已引起人們的關注，某些研究顯示，碳煙會消耗快速SCR反應時所需的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，有碳煙存在時其反應活性明顯較高。有人認為，碳煙能阻止硝酸銨生成，因為觀察到在較低的溫度下會生成CO2，并且在有碳煙存在時，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，為了實現(xiàn)輕型車柴油機的低NOx排放，現(xiàn)在人們正將LNT與SCR組合在一起使用。LNT的低溫性能可以補充SCR的不足，它能在高濃度再生期間產(chǎn)生替代或補充尿素的氨。此外，人們對被動NOx吸附器(PNA)越來越感興趣，它能在較低的溫度下吸收NOx，在較高的溫度時以熱方式而不是以化學方式釋放NOx。本節(jié)將討論這兩種技術方案的進展情況。

Li等人采用循環(huán)運行和順序升溫2種濃NOx還原方法進行了LNT的基礎性研究。結果顯示，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)轉變的過程中會發(fā)生NOx逸出?；瘜W動力學分析表明，在激活能為180±14 kJ/mol時，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。

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等人推進了此項工作，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行了試驗研究。結果發(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)進行了試驗，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，H2的還原有效性最好，C3H8的還原有效性最差，但是，在500 ℃時，情況正好相反。一般來說，可以得出這樣的結論：在中等溫度和較高溫度范圍內(nèi)，由于碳氫還原器的氮選擇能力相對較強，因而具有較高的NOx轉換效率，而且碳氫的反應活性十分重要。

在PNA方面，Chen對3種不同的鈀沸石結構BEA、MFI和CHA的性能進行了評估，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，然后逐漸減弱，CHA的吸附能力在100 ℃之前呈快速增強狀態(tài)，然后保持不變或繼續(xù)增強，而CeO2的吸附能力在80～170 ℃時較為恒定。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，柴油機面對的壓力是要減少NOx排放，但是，在滿足GHG排放標準方面柴油機還是很有吸引力的。因此，柴油機混合電動車在實現(xiàn)NOx和溫室氣體減排上具有一定的潛力。Methe通過添加1個2.5 kW·h蓄電池和1臺60 kW電動機配置了1輛排量3.0 L功率200 kW整備質(zhì)量2 200 kg的柴油機混合動力電動車。該車按WLTC、RDE試驗循環(huán)和城市行駛循環(huán)試驗時，發(fā)動機的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試驗中該混合動力電動車的尾管NOx排放量與傳統(tǒng)車輛的比較?？梢娀旌蟿恿囕v尾管NOx排放的影響是明顯的，該混合動力電動車在WLTC和RDE試驗循環(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SCR催化器或者用柴油機氧化催化器(DOC)代替LNT時，混合動力電動車在所有試驗循環(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，在所有試驗循環(huán)中NOx排放都明顯增加。

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

混合動力電動車與傳統(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電動機-72%-72%-51%HEV取消第二個SCR-32%-19%+30%HEV用DOC代替LNT-1%-34%+27%HEVSCR過濾器,取消第二個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注，該法規(guī)要求車輛按FTP試驗時NOx的排放限值為20 mg/(bhp·h)。在西南研究院正在開展一項政府與汽車行業(yè)合作的項目，該項目的任務是要驗證用渦輪復合增壓發(fā)動機(低溫排氣)來穩(wěn)定排放系統(tǒng)開發(fā)的技術可行性。Roberts等人介紹了幾種令人關注的后處理系統(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)的情況下仍不能達到NOx排放目標。在FTP試驗循環(huán)中，該系統(tǒng)在發(fā)動機熱管理上要多消耗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。該系統(tǒng)在6 kW EHC后安裝了1個較小的點火用SCR催化器，目的是要使FTP試驗中的附加燃油消耗減少到1%。為了滿足排放目標，需要對點火SCR催化器進行優(yōu)化，但由于時間上不允許而未能完成。系統(tǒng)c也是頗具前景的系統(tǒng)，但由于受該計劃的資源所限，未能對它進行優(yōu)化。在燃燒器試驗臺上，它達到了與系統(tǒng)a和b相同的NOx排放結果(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個噴射點并需要進行較好的標定。選擇系統(tǒng)d進行了多次發(fā)動機試驗，它在1臺采用減排技術的發(fā)動機上按FTP循環(huán)進行試驗時，NOx的排放水平為11 mg/(bhp·h)。在FTP試驗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)動機熱管理平均分擔。

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(按FTP試驗)

為了在排氣溫度較低的情況下(例如在城市行駛時和采用高效率發(fā)動機時)實現(xiàn)持續(xù)的低NOx排放，人們正在探索其它一些技術途徑。Zha等人探討了3種值得作進一步試驗研究的技術途徑。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能實現(xiàn)0.40的NO2與NOx比)。如果DOC緊隨渦輪增壓器安裝，這時NO2將會被HC還原成NO，而且DOC可能要與直接點火SCR催化器一起工作。這就是探討的第3種途徑——系統(tǒng)設計。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)實現(xiàn)了較好的NOx還原。Clark 和Pauly的試驗顯示，25%鐵沸石和75%銅沸石相結合(或者鐵沸石再少些，銅沸石再多些)還能減少N2O的排放。

GeiBelmann等人也探索了實現(xiàn)重型車低NOx排放的途徑。根據(jù)研究報道得出，有一種銅沸石催化器在不提供NO2的情況下能在175 ℃時還原95%的NOx(但在150 ℃時NOx還原率為60%)。如果NO2達到快速SCR反應所需的最佳值，鐵沸石催化器就能夠在150 ℃時還原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?、EHC或氣態(tài)氨來獲得低溫氨。它們還給出了1種帶點火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，在前SCR催化器不優(yōu)化的情況下能達到40% NOx還原率。如果點火SCR催化器中發(fā)生氨逃逸，它會在DOC中被轉換成N2O，并能限制第二個SCR催化器中生成NO2。在溫度高于260 ℃時，第一個SCR催化器就沒有能力來促成DPF中碳煙與NO2的燃燒。

關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)點是對硫的耐受度較高，但在溫度較低時它需要提供較多的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一步的定量分析。

關于低溫性能對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)試驗循環(huán)(WHSC)中，氧化釩的NOx轉換效率還是比銅沸石催化器的低5%(前者為95%，后者為100%)，WHTC的結果也與此相同。然而，在200 ℃的臺架試驗時發(fā)現(xiàn)，即使NOx中混有35% NO2，氧化釩催化器在200 ℃時的NOx轉換效率也比銅沸石催化器的低10%，直到300～350 ℃時，氧化釩催化器的NOx轉換效率還達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。當在200 ℃下以飽和狀態(tài)暴露在硫中，銅沸石催化器在220 ℃時的減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效率完全復原。當它暴露在400 ℃的硫酸鹽中時，硫的影響更厲害。當用NO2來增強較低溫度下的NOx轉換效率時，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 ℃時的NOx轉換效率僅比新鮮銅沸石催化器的轉換效率減少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，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)品對柴油機總PN排放量的影響。尿素的供給會導致整個WHTC試驗中尾管排放的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、尿素熱解和尿素蒸發(fā)時微爆，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，因為后者具有非常好的低溫減NOx性能

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