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1 柴油機(jī)顆粒捕集器(DPF)

Heibel介紹了重型車柴油機(jī)顆粒過(guò)濾器在碳煙再生方法和灰分影響方面的最新研究動(dòng)態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)排放的氮氧化物(NOx)/顆粒物(PM)>200時(shí)，在DPF中積聚的碳煙通常是很少的，因?yàn)樘紵煏?huì)“被動(dòng)”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(dòng)的方法來(lái)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(duì)于NOx/PM約為75的發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)當(dāng)在車輛每行駛3 000～3 500 km后清除過(guò)濾器中積聚的碳煙，并在525～550 ℃下進(jìn)行20～30 min主動(dòng)再生，以充分清潔過(guò)濾器。Heibel還把“視線”投向了過(guò)濾器整個(gè)壽命期內(nèi)的積灰量，并引證了DPF設(shè)計(jì)的進(jìn)展情況?！盎拘汀边^(guò)濾器能儲(chǔ)存900 g的灰分，車輛需要在行駛500 000 km左右時(shí)清潔過(guò)濾器。最近，有人推出了幾種容積減少15%的過(guò)濾器，它們能儲(chǔ)存1 700 g灰分，且有可能在車輛行駛900 000 km時(shí)仍無(wú)需清潔顆粒過(guò)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(jìn)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(lái)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(shí)間仍保持相同。

對(duì)于SCR過(guò)濾器來(lái)說(shuō)，SCR催化器是要消耗NO2的，而不是由NO2來(lái)氧化碳煙，實(shí)際上這就是排除了SCR過(guò)濾器的被動(dòng)再生。Walker通過(guò)改進(jìn)涂層的設(shè)計(jì)和位置減少了這種負(fù)面影響，并且沒有損害到SCR過(guò)濾器的減NOx性能和背壓。這種新SCR過(guò)濾器中幾乎沒有碳煙存積。另外，SCR過(guò)濾器的灰分積聚也沒有對(duì)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(guò)濾器是否需要進(jìn)行主動(dòng)的高溫碳煙再生的問(wèn)題，Cumaranatunge的研究指出，即使采用碳煙燃燒氧化來(lái)進(jìn)行高溫再生，花費(fèi)的時(shí)間也比較長(zhǎng)：在600 ℃下將1個(gè)SCR過(guò)濾器中的碳煙燒盡80%需要30 min。在再生過(guò)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(guò)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(qiáng)碳煙的燃燒。對(duì)于SCR過(guò)濾器來(lái)說(shuō)，NO2只來(lái)自氧化催化器(DOC)，雖然NO2會(huì)從SCR過(guò)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(guò)濾器中，NO2會(huì)從入口的2%增加到出口的7%。

2 柴油機(jī)氧化催化器(DOC)

柴油機(jī)DOC和甲烷氧化催化器是稀燃排放控制系統(tǒng)的1個(gè)重要部件。DOC能將NO轉(zhuǎn)換成NO2，這對(duì)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(lái)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(wèn)題的困擾。為此正在開展多項(xiàng)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(bào)道了Pt/Pd/Al2O3柴油機(jī)氧化催化器燃油燃燒特性評(píng)定工作的進(jìn)展情況。他們采用基于Kissinger模型的激活能分析法作為評(píng)定工具，該方法是利用熱斜升率和峰值溫度來(lái)計(jì)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(diǎn)火性能(T50(轉(zhuǎn)換效率達(dá)到50%時(shí)的溫度)約為150 ℃)，因而它能減少CO對(duì)HC氧化的抑制作用。最新的配方是將CuOx-CoOy-CeO2與Pt2O3進(jìn)行物理混合，在CO、丙烯和丙烷混合氣中，這種催化器對(duì)丙烯的點(diǎn)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(jìn)展。這種催化器在HC+CO混合氣中的T50為250 ℃，但T90的溫度相對(duì)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(duì)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(duì)甲烷的氧化性能為T50=235 ℃,T10=200 ℃，但這是在無(wú)水分的稀氣體中測(cè)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(duì)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(yàn)結(jié)果。雖然性能令人印象深刻，但是，耐久性試驗(yàn)只在250 ℃的空氣中進(jìn)行了50 h，硫中毒問(wèn)題還需要作進(jìn)一步的試驗(yàn)。然而，在這次試驗(yàn)研究中，甲烷催化器的某些引人注目的成分得到了驗(yàn)證。

3 汽油機(jī)排放控制

3.1 顆粒物排放

如前所述，歐洲國(guó)家、中國(guó)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(duì)這些排放法規(guī)，2016年人們對(duì)影響PM排放的各種因素(如燃油、發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)、后處理系統(tǒng)汽油機(jī)顆粒過(guò)濾器(GPF)、以及試驗(yàn)條件和設(shè)備等)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并取得了較大的進(jìn)展。

燃油的成分和品質(zhì)必然會(huì)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(jìn)碳煙初生粒子形成的組分(如芳香族化合物)，會(huì)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(duì)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(diǎn)對(duì)于中國(guó)尤為重要，因?yàn)閾?jù)報(bào)道，中國(guó)國(guó)六汽油的芳香族化合物含量要比歐洲國(guó)家和美國(guó)的高。Chan等人也指出采用E10混合燃油時(shí)，在聯(lián)邦測(cè)試工況(FTP)循環(huán)中冷起動(dòng)階段的PM排放量有所減少。然而，乙醇燃油的混和方式也會(huì)對(duì)PM排放產(chǎn)生影響，采用飛濺混和時(shí)能使PN排放量減少，采用配比混和時(shí)則會(huì)導(dǎo)致PN排放量增加。

對(duì)噴油器積炭對(duì)PM增加的影響進(jìn)行了定量研究。Wen等人利用1臺(tái)經(jīng)國(guó)五認(rèn)證的1.6 L自然吸氣直噴汽油機(jī)，觀察了噴油器的積炭形態(tài)及其對(duì)噴油束形狀和PM排放的影響。他們對(duì)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(huì)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(jìn)行了排放測(cè)定。結(jié)果顯示，采用積炭噴油器時(shí)的PM質(zhì)量排放量是采用潔凈噴油器時(shí)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(yàn)車輛，觀察研究了發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷下運(yùn)行后進(jìn)氣門的積炭情況。發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣門的積炭主要是曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)中的機(jī)油粘附在氣門上導(dǎo)致的。研究還發(fā)現(xiàn)，采用機(jī)油添加劑能使積炭減少高達(dá)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(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用，因?yàn)樗哂辛己玫娜紵阅芎蜏p少PM排放的潛力。Golzari等人研究了雙噴油系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、效率和排放的影響，采用了1臺(tái)增壓直噴汽油機(jī)在3種發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和中等負(fù)荷工況條件下進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)時(shí)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(dòng)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(shí)，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(shí)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(shí)，排氣溫度稍有降低(約降低25～30 ℃)。

由于冷起動(dòng)時(shí)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(shí)間少,因而會(huì)產(chǎn)生較高的PM排放。寒冷的環(huán)境溫度也會(huì)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(tái)氣道噴油(PFI)車輛(包括混合動(dòng)力電動(dòng)車)、10臺(tái)汽油直噴(GDI)車輛和2臺(tái)配裝GPF的柴油機(jī)車輛冷態(tài)起動(dòng)時(shí)的PM排放特性。如圖2所示，當(dāng)車輛按NEDC試驗(yàn)時(shí)，幾乎所有的汽油機(jī)車輛(包括PFI車)的PM排放都超過(guò)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(jī)車輛在低氣溫下進(jìn)行冷態(tài)起動(dòng)NEDC試驗(yàn)時(shí)的PM排放量

正在進(jìn)一步探索對(duì)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的多環(huán)芳香烴(PAH)排放物的認(rèn)識(shí)。PAH 的初生物最有可能對(duì)碳煙的生成起一定的作用。Kalavakis等人的試驗(yàn)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(yàn)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(lái)越受到人們的關(guān)注。GPF 的性能正在不斷得到改進(jìn)，一些研究已經(jīng)證實(shí)，GPF可以在整個(gè)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(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響是需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)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(gè)FTP 75和US06試驗(yàn)循環(huán)中，GDI車輛在有、無(wú)催化型GPF時(shí)CO2的排放量差別不大。Lambert等人在研究灰分對(duì)GPF性能的影響時(shí)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(yàn)循環(huán)測(cè)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(guó)加利福尼亞州法規(guī)1 mg/mile的PM限值。配裝普通GPF時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性與配裝車身下TWC時(shí)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(duì)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(guò)濾效率有較大提升，過(guò)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(shí)的90%和積灰1 g時(shí)的80%。研究還顯示，較高的催化涂層涂載量對(duì)于提高過(guò)濾效率并不是那么有效。在1輛3.5 L GDI車輛上對(duì)車身下安裝的GPF進(jìn)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(lái)自機(jī)油源，其余灰分來(lái)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(jì)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(jì)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(duì)提升過(guò)濾效率和壓力降有影響外,還能在增強(qiáng)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(duì)值決定的。有人通過(guò)排列組合研究法研究了潤(rùn)滑油品質(zhì)對(duì)灰分的影響以及灰分對(duì)GPF性能的影響，為了加快灰分在過(guò)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(jī)油與燃油混合的辦法進(jìn)行了試驗(yàn)。該研究的主要結(jié)論是：(1)機(jī)油配方對(duì)碳煙的氧化速率有明顯影響，例如，硫酸鹽灰分含量高的機(jī)油能使碳煙氧化速率更快。(2)機(jī)油的配方會(huì)對(duì)積炭引起的壓力降產(chǎn)生影響，例如，硫酸鹽含量較高的機(jī)油會(huì)導(dǎo)致較大的壓力降，含鈣基洗滌劑的機(jī)油能使過(guò)濾器較早地從床過(guò)濾轉(zhuǎn)變?yōu)闉V餅過(guò)濾。(3)在有少量積灰時(shí)過(guò)濾效率會(huì)快速增加，這種情況與機(jī)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(guò)濾器。這種正在開發(fā)的催化型顆粒過(guò)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(shí)，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(yàn)結(jié)果顯示，在美國(guó)FTP 75試驗(yàn)循環(huán)中，在上游緊耦合TWC完成大部分NOx轉(zhuǎn)換的同時(shí)，GPF會(huì)再幫助完成18%～30%的NOx轉(zhuǎn)換。這一附加的NOx轉(zhuǎn)換率對(duì)于滿足特超抵排放車(SULEV)30 mg 非甲烷有機(jī)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(shí)的排放情況。在FTP 75試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)循環(huán)中的積極行駛工況下減少NOx的排放。在中國(guó)，研究人員用1臺(tái)1.4 L GDI發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了有催化涂層GPF的耐久性。在經(jīng)過(guò)160 000 km試驗(yàn)后，發(fā)動(dòng)機(jī)的排放量沒有發(fā)生變化，TWC的性能完好，點(diǎn)火溫度只是稍有升高(約15 ℃),在整個(gè)試驗(yàn)運(yùn)行期內(nèi)TWC始終能保持在大約85%的高過(guò)濾效率。Rose等人對(duì)普通GPF進(jìn)行了耐久性試驗(yàn)，結(jié)果顯示，這兩輛車采用不同的機(jī)油(機(jī)油的灰分相差2倍)運(yùn)行時(shí)，在100 000 km運(yùn)行期間的PN排放性能有所改善。另外，在使用這兩種機(jī)油時(shí)，GPF的背壓完全相同。

針對(duì)GPF是否需要采取主動(dòng)方式再生的問(wèn)題，相關(guān)的研究仍在繼續(xù)進(jìn)行。之前研究顯示，通過(guò)切斷燃油就能發(fā)生被動(dòng)碳煙氧化，因?yàn)檫@時(shí)氧濃度很高。Chan提出了類似的看法。他們證實(shí)，在FTP 75和US06試驗(yàn)循環(huán)的某些減速工況期間，當(dāng)氧濃度達(dá)到約20%時(shí)就會(huì)發(fā)生被動(dòng)再生。發(fā)現(xiàn)在US06試驗(yàn)循環(huán)的公路行駛工況下會(huì)發(fā)生被動(dòng)再生，但在FTP 75試驗(yàn)的城市行駛工況下發(fā)生被動(dòng)再生的機(jī)會(huì)非常有限。

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

S.Zinola等人用1臺(tái)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了試驗(yàn)運(yùn)行，模擬了NEDC試驗(yàn)循環(huán)中 混合動(dòng)力電動(dòng)車(HEV)上發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)和起動(dòng)時(shí)的運(yùn)行情況。盡管發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間僅為試驗(yàn)循環(huán)的28%，但PN排放量卻比發(fā)動(dòng)機(jī)在傳統(tǒng)運(yùn)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(dòng)停車系統(tǒng)和混合動(dòng)力電動(dòng)車的擴(kuò)大應(yīng)用，這一問(wèn)題會(huì)在今后的實(shí)際運(yùn)行中暴露出來(lái)。

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(lì)人們?cè)谝韵聝煞矫骈_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(duì)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(duì)排放物的轉(zhuǎn)換效率要求更高,因而也強(qiáng)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(yàn)證了它對(duì)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(chǔ)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(yàn)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(huì)限制氧的有效利用率。這種催化器已經(jīng)實(shí)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(duì)波動(dòng)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(huì)導(dǎo)致老化狀態(tài)下性能下降。因此，采用了一種過(guò)氧化物結(jié)構(gòu)來(lái)抑制鐵晶體結(jié)構(gòu)的變化。發(fā)現(xiàn)在Rh涂載量?jī)H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(wú)鉑系貴金屬或少鉑系貴金屬TWC能夠在滿足未來(lái)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(yàn)驗(yàn)證了鉑系貴金屬涂載量較少的先進(jìn)尖晶石氧化物的耐久性。

另外，根據(jù)Ball和Moser的觀察，為了達(dá)到42 mg/mile的非甲烷總烴(NMHC)+NOx排放量，所需的鉑系貴金屬費(fèi)用會(huì)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(huì)因催化器的設(shè)計(jì)不同而達(dá)到不同的NMHC+NOx排放量(105～30 mg/mile)。

基底材料的設(shè)計(jì)能在改善冷起動(dòng)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(shí)，它在FTP試驗(yàn)循環(huán)中的NMHC+NOx排放量比采用標(biāo)準(zhǔn)基底材料時(shí)的排放量減少了10%～12%。被試驗(yàn)的系統(tǒng)裝了兩個(gè)緊耦合催化器，發(fā)現(xiàn)大部分排放物轉(zhuǎn)換都在第一個(gè)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(shí)，系統(tǒng)的NMHC+NOx排放量達(dá)到了25 mg/mile。

3.3 稀燃汽油機(jī)NOx控制

可以預(yù)料，稀燃GDI發(fā)動(dòng)機(jī)與理論空燃比GDI發(fā)動(dòng)機(jī)相比，燃油經(jīng)濟(jì)性能夠提高5%～15%。Parks等人的報(bào)道稱，無(wú)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(dòng)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(shí)，上游TWC會(huì)在周期性的短暫濃燃條件下生成NH3，下游的SCR催化器則會(huì)利用這些NH3來(lái)還原前期儲(chǔ)存下來(lái)的NOx。為了實(shí)現(xiàn)被動(dòng)NOx控制，需要依靠調(diào)整濃燃期來(lái)生成氨，這時(shí)會(huì)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(guò)95%的過(guò)濾效率來(lái)非常有效地捕集顆粒物。

Nakayama等人開發(fā)了一種無(wú)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(lái)還原NO。它通過(guò)上游的TWC來(lái)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(cè)功器試驗(yàn)所得的結(jié)果。在1臺(tái)2.4 L自然吸氣滿足PZEV的發(fā)動(dòng)機(jī)上，這種新型車身下安裝的催化器在LA4試驗(yàn)循環(huán)中的NOx轉(zhuǎn)換率達(dá)到了85%，在US06試驗(yàn)循環(huán)中的NOx轉(zhuǎn)換率達(dá)到了40%。

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

Pridhodko等人為實(shí)現(xiàn)稀NOx被動(dòng)SCR控制而進(jìn)行的濃-稀燃調(diào)整研究發(fā)現(xiàn)，減少濃-稀燃循環(huán)的時(shí)間對(duì)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(duì)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(shí)際行駛排放(RDE)法規(guī)，其要點(diǎn)是要求采用隨車安裝的便攜式排放測(cè)量系統(tǒng)(PEMS)測(cè)定汽油直噴車輛在街道和公路上行駛時(shí)的PN排放量。實(shí)測(cè)的排放量可以不大于測(cè)功器試驗(yàn)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(lái)源的冷起動(dòng)PN排放量。該法規(guī)從2017年9月開始到2018年9月逐步實(shí)施，未來(lái)它會(huì)推動(dòng)GPF的使用。輕型車柴油機(jī)的RDE NOx排放法規(guī)隨后將會(huì)出臺(tái)。

中國(guó)和印度最終決定,將從2020年開始實(shí)施新一輪輕型車排放法規(guī)。中國(guó)將分兩步實(shí)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(guó)也將實(shí)施RDE法規(guī)。

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

美國(guó)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(shí)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(dòng)機(jī)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(xiàng)監(jiān)測(cè)重型車CO2排放的綜合計(jì)劃。

4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

內(nèi)燃機(jī)的不斷改進(jìn)延緩了電動(dòng)汽車的發(fā)展。分析表明，未來(lái)的汽油機(jī)技術(shù)正在挑戰(zhàn)電動(dòng)汽車油井到車輪(WTW)的CO2排放水平。各種輕型車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)(諸如阿特金森循環(huán)、自動(dòng)起停系統(tǒng)、主動(dòng)停缸和可變壓縮比)都在投入市場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，這些技術(shù)能使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油耗比汽油直噴基本型發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)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?dòng)力車輛的CO2排放水平已達(dá)到和低于歐洲2021年和美國(guó)2025年法規(guī)的GHG排放限值。

重型車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)也在快速向前發(fā)展。有效熱效率(BTE)為50%的發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)在4種不同的干線貨運(yùn)卡車上得到了驗(yàn)證，這些卡車的貨運(yùn)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(guó)能源部正在啟動(dòng)一項(xiàng)由4家公司參與的超級(jí)卡車2的新4年計(jì)劃，每家參與公司將設(shè)計(jì)一款BTE達(dá)55%的發(fā)動(dòng)機(jī)，為此，每家參與公司都在提出各自獨(dú)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(dòng)機(jī)。在代用燃料方面，人們對(duì)沼氣和天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，以及電動(dòng)道路系統(tǒng)卡車的GHG排放和成本進(jìn)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(dá)到了當(dāng)今市場(chǎng)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(jìn)步，它能通過(guò)改變車輛標(biāo)定來(lái)滿足歐洲RDE法規(guī)，并且能在溫度較低時(shí)依靠碳煙來(lái)抑制硝酸銨的生成。對(duì)稀NOx收集器中Rh的氧化狀態(tài)有了更進(jìn)一步的了解，可以通過(guò)提高還原劑的噴射脈沖頻率來(lái)改善稀NOx收集器的高溫性能。

輕型車采用柴油機(jī)混合動(dòng)力有助于減少NOx排放，因而可以采用價(jià)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(dòng)NOx吸附器、點(diǎn)火SCR催化器、SCR過(guò)濾器、以及低溫NO2和尿素管理等技術(shù)手段來(lái)減少重型車的NOx排放。對(duì)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(wèn)題和系統(tǒng)的總成本進(jìn)行了分析比較。

4.4 DPF

重點(diǎn)介紹了重型車DPF的再生策略。有種低溫高NOx對(duì)策是在450 ℃高溫下利用NO2來(lái)對(duì)過(guò)濾器再生，而一種主動(dòng)高溫再生策略則是在550 ℃下利用氧來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)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(jìn)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(guò)濾器比催化型碳煙過(guò)濾器(CSF)更難再生，即使采用高溫氧化再生也是如此，因?yàn)镾CR催化器要消耗NO2。在CSF中，盡管在高溫再生中沒有來(lái)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(jì)有助于SCR過(guò)濾器利用NO2來(lái)進(jìn)行被動(dòng)再生。

4.5 氧化催化器

在排氣中存在CO的情況下，柴油機(jī)HC的點(diǎn)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(shí)的溫度)降到了225 ℃。雖然這種催化器還沒有在排氣流中進(jìn)行過(guò)耐久性試驗(yàn)，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(jī)排放控制

大多數(shù)的車輛排放研究工作或許都會(huì)涉及到汽油機(jī)的PM處理。人們針對(duì)燃油和潤(rùn)滑油對(duì)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(dòng)機(jī)的PAH排放物要比PFI發(fā)動(dòng)機(jī)的PAH多出好幾倍。GPF正在不斷發(fā)展，耐用性有所提高。

通過(guò)GPF的耐久性試驗(yàn)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(rùn)滑油進(jìn)行240 000 km行駛試驗(yàn)后，GPF的性能沒有出現(xiàn)明顯的問(wèn)題，車輛的燃油消耗與使用新鮮顆粒過(guò)濾器時(shí)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(guó)Tier 3排放法規(guī)的要求，許多實(shí)驗(yàn)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。