【美】 A.JOSHI

關(guān)鍵詞：輕型車;重型車;排放試驗;減排措施

（接上文）

3 有害污染物減排技術(shù)的進(jìn)展

3.1 柴油機(jī)減排技術(shù)的進(jìn)展

本節(jié)主要介紹輕型車和重型車柴油機(jī)氣態(tài)排放物（主要是氮氧化物（NOx））和顆粒排放物減排技術(shù)，以及排氣后處理技術(shù)的進(jìn)展。

3.1.1 輕型車柴油機(jī)

Molden等人[1]在道路上測定了幾百臺歐三～歐六柴油機(jī)車輛在實際行駛狀態(tài)下NOx 的排放量（圖7）。試驗結(jié)果顯示，雖然在實施歐六的實際行駛排放（RDE）法規(guī)前，車輛的NOx 排放都超過限值，但在執(zhí)行RDE法規(guī)后，并在考慮了一致性系數(shù)的情況下，車輛的NOx 排放均能達(dá)標(biāo)且低于限值。在實施RDE法規(guī)以后，車輛的平均NOx 排放量小于50mg/km，低于80mg/km 的排放限值，甚至無須考慮一致性系數(shù)。

ValverdeMorales等人[2]對符合歐六d-TEMP法規(guī)的2臺2018年型汽油機(jī)車輛和4臺2018年型柴油機(jī)車輛進(jìn)行了道路上的排放試驗。在整個達(dá)標(biāo)試驗過程中，柴油機(jī)車輛的NOx 排放量為33mg/km，比歐六b柴油機(jī)車的限值低1個數(shù)量級。而采用了顆粒過濾器后，顆粒物排放量比限值低2個數(shù)量級。研究發(fā)現(xiàn)，在實施RDE試驗規(guī)程后，車輛在動態(tài)行駛狀態(tài)下的排放量有所增加，尤其是在采用了稀氮氧化物捕集器（LNT）進(jìn)行NOx 減排技術(shù)時，NOx 排放量會顯著增加。發(fā)動機(jī)冷起動時，NOx 和顆粒數(shù)（PN）的排放量要比在城區(qū)行駛且催化器預(yù)熱后行駛時的排放量高1個數(shù)量級，而NO2 的排放量極低，其值小于10mg/km，這表明NO2 的排放限值可能不需要單獨(dú)設(shè)定。

研究人員對顆粒過濾器再生過程的排放情況展開了研究。顆粒過濾器再生過程中顆粒物和NOx 通常會在高溫下產(chǎn)生較高的排放量，這是由于炭煙層破裂而導(dǎo)致過濾效率損失的緣故。但是，即使包括顆粒過濾器再生時產(chǎn)生的排放量，顆粒物和NOx 在1個行駛循環(huán)中的排放量也遠(yuǎn)低于限值。Valverde和Giec-haskiel[3]報道了1臺配裝了2.1L 發(fā)動機(jī)，以及廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（EGR）、柴油機(jī)氧化催化器（DOC）、柴油機(jī)顆粒過濾器（DPF）和選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)的歐六d-TEMP車輛的排放性能。該車輛分別在全球統(tǒng)一的輕型車試驗循環(huán)（WLTC）工況下和試驗道路上進(jìn)行了排放測量，道路上的試驗包括RDE 達(dá)標(biāo)試驗和非RDE達(dá)標(biāo)的動態(tài)試驗。車輛在環(huán)境溫度為14 ℃下進(jìn)行WLTC試驗，并在計入再生時排放量的情況下，PN排放量是限值的5倍，直徑23nm 以下的顆粒數(shù)是總顆粒數(shù)的28%。在相同的條件下，NOx 排放量也超出歐六柴油機(jī)車限值2倍以上。車輛在室溫下進(jìn)行的無顆粒過濾器再生的其他試驗，PN 和NOx 排放量均遠(yuǎn)低于限值。在道路上試驗時，即使計入顆粒過濾器再生時的排放量，PN 和NOx 排放量也低于限值。只有在激進(jìn)的動態(tài)行駛狀態(tài)下，NOx 排放量才超過限值。盡管在所有的法規(guī)試驗條件下，PN 和NOx 排放量都符合限值要求，但是在再生和動態(tài)行駛過程中導(dǎo)致的排放量增加還需要研究人員作進(jìn)一步分析。

，因此車輛在冷起動和低負(fù)荷行駛時的排放量需要引起重視。Schaub等人[4]模擬分析了48V 輕度混合動力對輕型商用車尾管排放的影響。研究人員選擇了1臺符合歐七法規(guī)的車輛作為比較基準(zhǔn)車，該車輛配置了2.0L發(fā)動機(jī)、帶渦輪旁通的可變截面渦輪增壓器、高低壓EGR，以及由DOC、帶SCR 涂層緊耦合顆粒過濾器、車身下安裝的雙尿素供給SCR 系統(tǒng)組成的后處理系統(tǒng)。車輛擬采用P0和P2結(jié)構(gòu)的混合動力總成，并考慮了配裝及未配裝電加熱DOC 的2種情況。在覆蓋城區(qū)、鄉(xiāng)村和公路行駛條件等具有代表性的試驗循環(huán)下，研究人員對該車輛進(jìn)行了改變車速、負(fù)荷及起停行駛狀態(tài)的模擬分析。研究人員發(fā)現(xiàn)該車輛在低速低負(fù)荷下運(yùn)行時，混合動力可使車輛性能改善8%～28%（如采用P2結(jié)構(gòu)時性能改善更明顯），而在公路上行駛時車輛性能改善的效果較小，僅為1%～3%。在大部分情況下，NOx 排放量極低，其值小于20mg/km。但是，對于采用了P0結(jié)構(gòu)混合動力的車輛在城區(qū)路段行駛3.1km 時，NOx 排放量較高，達(dá)到了75mg/km。電加熱催化器（EHC）有助于使車輛的NOx排放量降至62mg/km，但需要增加約5%的燃油耗。

柴油機(jī)車輛的NOx 排放量還能進(jìn)一步降低。Martin等人的研究顯示，混合動力與先進(jìn)的排氣后處理系統(tǒng)相結(jié)合能使車輛尾管接近零排放。研究人員將1臺2.2L柴油機(jī)車輛改裝成1輛最高電功率為30kW的48VP2結(jié)構(gòu)的混合動力車（HEV）。該車輛配置的后處理系統(tǒng)包括：雙尿素供給的SCR 系統(tǒng)、SCR 涂層顆粒過濾器、LNT，以及EHC 冷起動排放控制系統(tǒng)。車輛還配置了二次空氣輔助系統(tǒng)和預(yù)熱30s的系統(tǒng)。通過采用這些技術(shù)，車輛在WLTC 工況下的NOx 排放量減至1.3mg/km，在低車速區(qū)運(yùn)行時的NOx 排放量為4.2mg/km。

3.1.2 重型車發(fā)動機(jī)

各研究團(tuán)隊都在對重型車發(fā)動機(jī)的各種改進(jìn)措施和排氣后處理系統(tǒng)進(jìn)行評估，目標(biāo)是要使NOx 的排放比現(xiàn)有水平減少90%。圖8示出了幾種具有代表性的增強(qiáng)后處理系統(tǒng)實例。與目前使用的系統(tǒng)（DOC+DPF+SCR）相比，未來使用的系統(tǒng)具有1個共同的特點(diǎn)，就是會在上游設(shè)置1個附加的SCR 系統(tǒng)，并采用雙尿素供給系統(tǒng)。

研究人員在美國西南研究院用符合2010年EPA標(biāo)準(zhǔn)的康明斯X15發(fā)動機(jī)對圖8（a）、圖8（b）、圖8（c）所示的3種后處理系統(tǒng)進(jìn)行了試驗評估。這3種系統(tǒng)均采用雙尿素供給的緊耦合SCR 系統(tǒng)。圖8（a）所示的系統(tǒng)采用了下游雙通路SCR 系統(tǒng)，提供了更大的SCR系統(tǒng)容量。該系統(tǒng)還包括1個2kW 尿素加熱裝置，可將最低尿素供給溫度降至140 ℃。為了提高排氣溫度，研究人員對發(fā)動機(jī)進(jìn)行了改裝，其中包括添加EGR冷卻器的旁通和采用停缸技術(shù)。研究人員通過增加EGR率、多次噴油和提高怠速轉(zhuǎn)速的方式改善了熱管理，可使發(fā)動機(jī)在怠速時渦輪的出口溫度提高到100℃。停缸技術(shù)能使該溫度再提高50 ℃，同時還能減少發(fā)動機(jī)的NOx 和CO 排放量。圖8（a）和圖8（c）所示的系統(tǒng)可在冷態(tài)聯(lián)邦試驗規(guī)程（FTP）循環(huán)開始后的42s內(nèi)開始供給尿素。試驗發(fā)現(xiàn)，圖8（b）所示的系統(tǒng)不能達(dá)到低NOx 排放的要求。DOC的附加熱質(zhì)量使開始供給尿素的時間延長至73s，并導(dǎo)致NOx 轉(zhuǎn)換效率有所降低。圖8（a）所示的系統(tǒng)總體性能最佳，在冷態(tài)FTP 循環(huán)試驗階段的NOx 轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了98.0%，熱態(tài)FTP循環(huán)試驗階段的NOx 轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了99.6%，低負(fù)荷試驗循環(huán)（LLC）工況下的NOx 轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了98.0%。在綜合FTP循環(huán)工況下，車輛尾管的NOx 排放量為0.0177g/（hp·h）① ，在LLC工況下車輛尾管的NOx 排放量為0.06g/（hp·h）。此外，與DOC+DPF+SCR 系統(tǒng)的基準(zhǔn)后處理系統(tǒng)相比，這臺超低NOx 排放的發(fā)動機(jī)和排氣后處理系統(tǒng)可使CO2 排放量降低約1.5%。因此，研究人員選擇了圖8（a）所示的系統(tǒng)進(jìn)行最終的試驗驗證，試驗結(jié)果將于2021年公布。

Adelman等人對圖8（c）所示的系統(tǒng)進(jìn)行了評估，該系統(tǒng)在配裝了DOC+DPF+SCR 系統(tǒng)的2010年基準(zhǔn)后處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，添加了1個緊耦合SCR 系統(tǒng)。為了減少N2O的生成，研究人員將下游SCR系統(tǒng)分區(qū)涂覆了鐵和銅。研究人員用1臺12.4L柴油機(jī)評估了排放性能的改善情況。研究人員首先評估了配裝2010年基準(zhǔn)后處理系統(tǒng)時的發(fā)動機(jī)燃油耗和排放性能。結(jié)果顯示，其排放性能超出了現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。隨后，研究人員在該系統(tǒng)中添加了1個緊耦合SCR系統(tǒng)，在冷態(tài)FTP循環(huán)開始后的90s內(nèi)使尿素供給溫度達(dá)到190℃。這一功能再加上ASC，使綜合FTP循環(huán)工況下的尾管NOx 排放量降低到0.11g/（hp·h）。為了使發(fā)動機(jī)自身的NOx 排放量減少20%，研究人員對發(fā)動機(jī)進(jìn)行了重新標(biāo)定，車輛尾管的NOx 排放量低于0.05g/（hp·h）。該研究表明，車輛要達(dá)到0.02g/（hp·h）的NOx 排放標(biāo)準(zhǔn)，必須進(jìn)一步優(yōu)化附加的后處理技術(shù)。

Kavacs等人認(rèn)為，為了滿足NOx 和CO2 排放要求，必須采取減少發(fā)動機(jī)自身NOx 排放、提高發(fā)動機(jī)效率與緊耦合SCR 系統(tǒng)相結(jié)合的技術(shù)措施。研究人員對1臺6缸8.0L重型車發(fā)動機(jī)及其配置的DOC+DPF+SCR系統(tǒng)基準(zhǔn)后處理系統(tǒng)，進(jìn)行了發(fā)動機(jī)瞬態(tài)運(yùn)行和后處理系統(tǒng)的模擬分析。研究人員評估了各種技術(shù)選項，其目標(biāo)是要求在冷態(tài)FTP循環(huán)工況下NOx的排放量達(dá)到0.08g/（hp·h），并要求達(dá)到2027年CO2 排放量為535g/（hp·h）的限值。雖然各種熱管理策略可使排氣溫度升高，但同時CO2 排放量也會增加。研究人員通過采用緊耦合SCR系統(tǒng)，可使NOx 排放量符合目標(biāo)值，此時的CO2 排放量雖未增加，但其排放值仍高于目標(biāo)值。研究人員采用了EGR 率為15%的系統(tǒng)，能在不借助熱管理策略的情況下有效降低發(fā)動機(jī)自身的NOx 排放。同時，通過提高壓縮比和采用高效率的渦輪增壓器能進(jìn)一步減少CO2 排放。

在歐洲開展的1項研究中，研究人員對圖8（d）示出的配置了上游DOC和SCR系統(tǒng)的后處理系統(tǒng)進(jìn)行了評估。試驗將在實際行駛狀態(tài)下進(jìn)行，研究人員預(yù)計通過采用緊耦合DOC和SCR系統(tǒng)以減少冷起動和低車速城區(qū)行駛時的NOx 排放量。

Chundru等人對圖8（e）所示的后處理系統(tǒng)進(jìn)行了模擬分析，并將其與圖8中另外4種系統(tǒng)進(jìn)行了比較。在配置DOC和一體式SCR-DPF的基準(zhǔn)后處理系統(tǒng)基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)增加了1個上游SCR系統(tǒng)和下游SCR系統(tǒng)的雙尿素噴射器，并在下游SCR 系統(tǒng)前端設(shè)置了另1個DOC。研究人員利用1臺2013年型6.7L發(fā)動機(jī)的排氣質(zhì)量流量和排氣溫度數(shù)據(jù)對該后處理系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，一體式SCR-DPF的進(jìn)口溫度為203～366 ℃。研究人員通過計算，分析了NOx 轉(zhuǎn)換效率、NH3 逃逸和炭煙氧化率隨NH3/NOx 比的變化情況，發(fā)現(xiàn)一體式SCR-DPF的炭煙氧化率會隨NH3/NOx 比增加而降低。由于雙尿素噴射能減少DPF上游的NH3 噴射量，因此，該系統(tǒng)能使DPF產(chǎn)生較高的炭煙氧化率，同時還能減少總的NH3 逃逸量。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)NO2 會被一體式SCR-DPF 完全消耗掉，從而導(dǎo)致下游SCR系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率變差。而系統(tǒng)添加1個DOC就能解決上述問題。在此情況下，這種添加雙尿素噴射和第2只DOC的系統(tǒng)可使SCR系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率從97%提高到99%。

Andrisani比較了停缸技術(shù)（CDA）和延遲進(jìn)氣門關(guān)閉（LIVC）對催化器加熱的熱管理措施的優(yōu)勢。研究人員針對1臺配裝DOC+DPF+SCR/ASC傳統(tǒng)后處理系統(tǒng)的6缸0.8L柴油機(jī)進(jìn)行了仿真分析。研究人員固定在3個氣缸實施停缸，優(yōu)化LIVC 的曲柄角度為50°CA，相應(yīng)的氣門升程為4.5mm。研究發(fā)現(xiàn)，與LIVC相比，CDA 在整個發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)會使渦輪后的溫度更高。CAD 和LIVC 所引起的排氣溫度分別升高182℃和107℃。這2種技術(shù)還能使部分運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的燃油耗有所降低。但是，在大部分發(fā)動機(jī)工況下，CDA 將導(dǎo)致燃油耗有所增加，增加值高達(dá)5.8%，而LIVC 導(dǎo)致的燃油耗增加則較小，僅為2.8%。在WHTC 工況下，CDA 能使尾管的NOx 排放量降低18.3%，且燃油耗不會增加。這是由于較高的排氣溫度導(dǎo)致SCR 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換率從90% 提高到92%。另一方面，LIVC能使NOx 排放量降低2.8%，同時也使燃油耗降低0.2%。研究人員預(yù)測在LLC工況下，CDA 能使NOx 和CO2 分別減排32%和11%，而LIVC能達(dá)到的NOx 和CO2 減排量分別為0.2%和1.4%。

Farrell等人通過發(fā)動機(jī)試驗和模擬，應(yīng)用動態(tài)CDA 分析了1臺配裝了可變截面渦輪增壓器和高壓EGR的康明斯X156缸發(fā)動機(jī)同時降低NOx 和CO2的效果。試驗結(jié)果顯示，在600r/min的怠速轉(zhuǎn)速和50N·m 的低負(fù)荷下，研究人員通過減少點(diǎn)火次數(shù)能使燃油耗降低20%，并能使排氣溫度升高40 ℃。在1000r/min和100N·m 的工況下，發(fā)動機(jī)的排氣溫度能升高100℃，燃油耗能降低25%。研究人員還進(jìn)行了瞬態(tài)運(yùn)行的模擬。模擬結(jié)果顯示，在重型車FTP循環(huán)工況和LLC 工況下，NOx 排放量分別減少45%和66%，CO2 排放量分別減少1.5%和3.7%。

AchatesPower公司近期開展的試驗顯示，1臺3缸10.6L的對置活塞柴油機(jī)能夠符合FTP循環(huán)試驗所要求的0.02g/（hp·h）的NOx 排放限值，此外，該發(fā)動機(jī)在補(bǔ)充排放試驗循環(huán)下，CO2 排放量為422g/（hp·h），比美國環(huán)境保護(hù)署要求的2027年CO2 排放限值低了10g/（hp·h）。上述試驗結(jié)果是在采用了傳統(tǒng)后處理系統(tǒng)，且未采用如緊耦合SCR 系統(tǒng)、加熱的尿素供給或停缸等其他技術(shù)的情況下獲得的。

3.1.3 SCR 催化劑，被動NOx 吸附器（PNA）和碳?xì)涫占鳎℉TC）

提高低溫SCR 催化劑的反應(yīng)活性和耐久性是滿足輕型車和重型車未來超低NOx 排放目標(biāo)的關(guān)鍵。因此，研究人員需要重視SCR 反應(yīng)的基礎(chǔ)研究，并詳細(xì)了解SCR 催化劑的反應(yīng)機(jī)理。Tronconi在銅基菱沸石催化劑（Cu-CHA）上進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)SCR催化劑反應(yīng)的還原半衰期（RHC）研究。此外，研究人員還在反應(yīng)器上進(jìn)行了低溫（150～220 ℃）流動試驗。試驗中，催化劑被暴露在NO和NH3 還原劑中。試驗結(jié)果顯示，RHC的二階反應(yīng)動力學(xué)與氧化銅的百分比之間存在一定的依賴關(guān)系。Joshi等人進(jìn)行的SCR 催化劑氧化和還原過程研究也證實了這種依賴關(guān)系。研究人員開發(fā)了1個能再現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)的完整的反應(yīng)動力學(xué)模型，并進(jìn)一步研究了催化劑老化對反應(yīng)動力學(xué)和Cu-SSZ-13催化器中活性銅點(diǎn)位數(shù)的影響。

研究人員進(jìn)行了熱液老化詳細(xì)機(jī)理的基礎(chǔ)研究。Lacobone等人探索了在550℃下熱液老化4h對Cu-CHA 催化劑的影響，并通過反應(yīng)器流動試驗研究了2種銅點(diǎn)位的變化情況。研究人員用NO、NO2 和NH3進(jìn)行的滴定試驗證實了上述假設(shè)，即催化器中存在2種銅反應(yīng)點(diǎn)位，熱液老化會引起ZCu2+ OH 向Z2Cu2+的轉(zhuǎn)換，但后者的還原性較差。Zhang等人對Cu-SSZ-13催化劑進(jìn)行的研究也證實了這一假設(shè)。Ladshaw和Pihl通過對Cu-SSZ-13商品催化器的熱液老化和反應(yīng)器流動試驗研究，量化了NH3 的吸附損失，并開發(fā)了1個一維模型來解釋各種抑制機(jī)理。

研究人員還需要更好地了解和解決SCR 催化劑硫中毒問題。為了使催化劑提前點(diǎn)火，研究人員通常將SCR系統(tǒng)布設(shè)在緊耦合位置。但是，如果上游無顆粒過濾器，SCR催化劑容易受到高濃度硫的影響。Xi等人利用實驗室的反應(yīng)器試驗，比較了脫新老化和現(xiàn)場老化的SCR 催化劑樣品的活性。程序升溫脫附（TPD）研究顯示，物理結(jié)合的硫會在350～500℃時釋放，預(yù)計為硫酸氫氨（NH4HSO4）。強(qiáng)結(jié)合的硫直至較高溫度時才會被去除。經(jīng)高達(dá)550 ℃ 的熱處理后，SCR催化劑的活性能得到明顯恢復(fù)。例如，現(xiàn)場老化的樣品在200 ℃時顯示，其NOx 轉(zhuǎn)換效率極低（小于10%），但經(jīng)過550℃的熱處理后，NOx 轉(zhuǎn)換效率則提高到75%左右。但是，該樣品的NOx 轉(zhuǎn)換效率仍不能完全恢復(fù)到脫新老化樣品在200 ℃ 時大于95% 的NOx 轉(zhuǎn)換效率水平。研究強(qiáng)調(diào)，熱誘導(dǎo)脫硫并不能使SCR催化劑完全恢復(fù)活性，這表明了物理和化學(xué)中毒會影響SCR催化劑的性能。

Tang等人探討了Cu-SSZ-13催化劑熱液老化后暴露在低溫硫環(huán)境下對SCR 催化劑性能的影響。研究人員先將基準(zhǔn)催化劑在650℃的環(huán)境下進(jìn)行熱液老化10h，隨后將該催化劑分別在200 ℃和650 ℃的硫環(huán)境中暴露10h和100h。試驗結(jié)果顯示，在所有情況下，催化劑在200℃的硫環(huán)境中會使其NOx 轉(zhuǎn)換效率降低5%～15%。同時，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)催化劑在200℃硫環(huán)境中暴露100h后，其反應(yīng)活性損失更大，活性損失與活性銅點(diǎn)位減少有關(guān)。TPD 試驗證實，只有在較低的硫酸化溫度下，銅點(diǎn)位處才會產(chǎn)生NH3 吸附損失。與Z2Cu2+ 點(diǎn)位相比，ZCu2+ OH 點(diǎn)位對硫酸化更為敏感。催化劑定期熱液處理可以解決ZCu2+OH 向Z2Cu2+ 轉(zhuǎn)變的問題，并能延緩硫酸化引起的加速老化。試驗還顯示，催化劑的熱液處理可以減少SCR催化劑的活性損失。

上述研究表明，研究人員有必要繼續(xù)深入了解老化的機(jī)理，并意識到現(xiàn)場老化過程可能要比實驗室條件下的熱液老化更為復(fù)雜。

將SCR系統(tǒng)與DPF集成一體化所面臨的挑戰(zhàn)，是SCR催化劑反應(yīng)和被動炭煙再生反應(yīng)會互相爭奪NO2。Rappe 等人介紹了開發(fā)選擇性氧化催化劑（SCO）的最新進(jìn)展，該催化劑由10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的二氧化錳（MnO2）和二氧化鋯（ZrO2）組合而成，可在不采用氧化氨的情況下使NO轉(zhuǎn)換成NO2（快速SCR）。試驗證實，與單獨(dú)使用SCR 催化劑相比，在175 ℃的標(biāo)準(zhǔn)SCR條件下，30%的SCR催化劑與70%的SCO 組合可使NOx 轉(zhuǎn)換效率提高約15%。此外，在溫度高于400℃時，N2O的形成也會受到抑制。下一步，研究人員將繼續(xù)探討硫老化機(jī)理的課題。Martinovic等人提出了1種新的解決方法，將SCR 催化劑與摻有1%鉀的CeO2-PrO2 催化劑混合，以有選擇性地促使NO 和炭煙的氧化（不氧化氨）。實驗室研究顯示，鉀會使酸點(diǎn)位中毒，并能延遲氨氧化。NO 氧化生成NO2 有助于提高Fe-SCR 催化劑活性，其在低溫下的性能提高了20%。

為了解決車輛在冷起動時產(chǎn)生的排放問題，研究人員采用了PNA 和HTC等后處理技術(shù)。Pd/沸石催化劑是PNA 的主要候選催化劑。Szanyi等人測定了Pd/SSZ-13、Pd/FER、Pd/SSZ-39這3種不同的小孔沸石對NO 的吸附和釋放性能。研究人員發(fā)現(xiàn)，在濃度高達(dá)4000×10-6的CO存在時，NOx 的吸附能力會增強(qiáng)，但脫附溫度會降低，這主要是在催化劑上發(fā)生了放熱CO氧化反應(yīng)。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)C2H4 是NOx吸附的抑制劑。Pd/SSZ-39在900 ℃時呈現(xiàn)出良好的熱液穩(wěn)定性。Toops等人采用各種模擬氣體評估了PNA 的NOx 吸附能力減弱情況。研究人員在采用模擬排氣流進(jìn)行了10次吸附/脫附試驗后發(fā)現(xiàn)，1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Pd/SSZ-13 催化劑的NO 吸附能力下降了20%。試驗顯示，吸附能力下降主要原因是由于CO的存在。Harold等人評估了PNA、HC收集器和氧化催化器組合的性能，并采用模擬氣體對1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Pd/SSZ-13催化劑用于PNA 時的性能進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，當(dāng)NO與鈀的比例接近1時，NO 能以較高的吸附能力吸附在由2種元素組成的鈀點(diǎn)位上。對于HCT，研究人員發(fā)現(xiàn)采用底層為Pt/Al2O3，頂層為Pd/BEA 的雙層催化劑具有良好的轉(zhuǎn)換功能，Pd/BEA在100～180℃時可鋪集HC，而Pd/Al2O3 在高溫脫附時會出現(xiàn)HC氧化現(xiàn)象。該HC收集器對不同碳?xì)洌℉C）組分的收集效率是各不相同的。例如，乙烯（C2H4）的吸附會受到水分、CO 和十二烷的抑制，而Ag交換H-ZSM-5催化劑則能增強(qiáng)乙烯的吸附能力。隨后，研究人員評定了1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Pd/SSZ-13的PNA 催化器與Pt-Pd/BEA 的HC收集器組合時的性能。結(jié)果顯示，PNA 中存在的Pt有助于NO 的氧化。HCT的雙層催化劑能提供類似于PNA-HC收集器串聯(lián)時的性能。最后，研究人員對1種新型的銅/鈷/鈰混合氧化催化劑進(jìn)行了評價，結(jié)果表明，該催化劑對NO、CO和C3H6 的低溫氧化有明顯的促進(jìn)作用。

3.1.4 柴油機(jī)顆粒物

研究人員對車隊進(jìn)行的測量研究顯示，拆除10%或放棄顆粒過濾器的高排放車輛，其顆粒物排放量約為車隊總排放量的85%。從2021年開始，歐洲將實施新的定期技術(shù)檢測（NPTI）辦法，該辦法規(guī)定，要用熱怠速時的PN 排放量來標(biāo)識高排放車輛。Giechaskiel等人比較了32臺柴油機(jī)車輛（其中6臺未配裝DPF）在WLTC和新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）工況下用便攜式排放測量系統(tǒng)（PEMS）測量的冷怠速和熱怠速時的PN 排放量。試驗結(jié)果顯示，NPTI怠速排放測量值與型式認(rèn)證測量值之間具有良好的相關(guān)性。該怠速測量法的檢測極限為1.0×105cm-3，低于此限值時，測量數(shù)據(jù)具有相當(dāng)大的離散度。目前，建議的NPTI測量限值為2.5×105cm-3。因此，研究表明，應(yīng)提供1種更可靠的方法來識別無DPF 車輛的顆粒物排放量。對于點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)車輛，如汽油直噴車輛（GDI）、液化石油氣車輛（LPG）和壓縮天然氣車輛（CNG），研究人員還未發(fā)現(xiàn)試驗循環(huán)的PN 排放量與怠速時的PN 排放量之間存在某種相關(guān)性，這表明在將該試驗辦法擴(kuò)展到這類車輛之前，研究人員還需要做更多的工作。

隨著CO2 排放法規(guī)的收緊以及顆粒過濾器使用壽命要求的提高，這意味著DPF必須在使用壽命期內(nèi)始終保持較低的壓力降、良好的被動再生能力和較高的積灰能力。Viswanathan等人的研究顯示，1臺長途運(yùn)輸卡車行駛了600000mile后，由于DPF中的積灰，后處理系統(tǒng)的總壓力降增加了30%，這表明需要提高顆粒過濾器的積灰能力。先進(jìn)的DPF技術(shù)能提高積灰能力、減少壓力降并提高過濾效率。研究人員利用燃燒器流動試驗臺加快DPF積灰的辦法，對各種DPF設(shè)計方案進(jìn)行了比較。如圖9所示，與目前使用的薄壁非對稱通道設(shè)計相比，新一代DPF在有5g/L炭煙的情況下，通過采用新型孔穴設(shè)計和增加高達(dá)20%的正面開口面積設(shè)計，可使壓力降減少45%。研究人員發(fā)現(xiàn)增加正面開口面積可使積灰堵塞長度減少50%。此外，與現(xiàn)有的商品化DPF相比，這些DPF的改進(jìn)設(shè)計顯示，在WHTC工況下，車輛尾管的PN 排放量降低了1個數(shù)量級。研究人員還強(qiáng)調(diào)了改進(jìn)DPF微觀結(jié)構(gòu)的作用，具有通道幾何形狀完全相同的顆粒過濾器，在PN-PEMS循環(huán)試驗時，改進(jìn)壁面微觀結(jié)構(gòu)可使DPF的PN 過濾效率提高95%以上。

DPF分析模型正在不斷地完善，新建立的模型已充分考慮了灰分遷移情況和孔穴尺寸分布對過濾性能的影響。Wang開發(fā)的1種DPF模型能夠結(jié)合實際的孔穴尺寸分布來預(yù)測過濾效率。該模型預(yù)測的結(jié)果與試驗的數(shù)據(jù)誤差在5%以內(nèi)。Koltsakis等人探討了預(yù)測灰分結(jié)塊和灰分累積情況的模型框架。該模型考慮了灰分沿排氣流的遷移情況及其在炭煙顆粒上的累積情況，包括與溫度和氣流相關(guān)的灰分結(jié)塊情況，后者能模擬灰分附著和脫離炭煙顆粒的傾向。研究人員利用燃燒器試驗裝置產(chǎn)生的積灰量對該模型進(jìn)行了標(biāo)定，并從發(fā)動機(jī)瞬態(tài)試驗的壓力降和灰分堵塞長度數(shù)據(jù)成功地驗證了該模型。Kamp對現(xiàn)場使用后回收的過濾器進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)，潤滑油衍生的灰分會以水液形態(tài)存在，并與基底材料相互作用，從而影響DPF的過濾性能。

2020年的回顧文章曾報道過1種能減少炭煙生成的“導(dǎo)管噴油”新方法，該方法的理念是通過導(dǎo)管引入噴油束來改善混合氣形成。近期，Nilsen等人對這種導(dǎo)管噴油法進(jìn)行了擴(kuò)展試驗。研究人員通過改變進(jìn)氣氧濃度、噴油持續(xù)時間、進(jìn)氣壓力、燃燒始點(diǎn)正時、噴油壓力及進(jìn)氣溫度方式，在寬廣的發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)進(jìn)行了試驗。試驗結(jié)果顯示，在所有的試驗條件下，采用導(dǎo)管噴油法時炭煙生成量明顯減少。在某種情況下，NOx 排放量會略有增加，但是該噴油技術(shù)能使發(fā)動機(jī)在炭煙生成量不增加的情況下產(chǎn)生極低的NOx 排放。Millo等人通過試驗和數(shù)值模擬探索了炭煙生成量減少的基本原因。研究人員比較了導(dǎo)管噴油束和自由噴油束的油滴數(shù)量和尺寸。結(jié)果顯示，導(dǎo)管能增強(qiáng)油滴的蒸發(fā)。CFD噴油束模擬顯示，導(dǎo)管進(jìn)口處的壓力降低能增強(qiáng)空氣的卷吸，而導(dǎo)管出口處的渦流則能改善空氣-燃油的混合，二者結(jié)合可使導(dǎo)管出口處的當(dāng)量比降至2以下，從而抑制了炭煙的生成。

3.2 汽油機(jī)排放控制技術(shù)的進(jìn)展

圖10示出了汽油機(jī)排氣后處理系統(tǒng)的發(fā)展演變過程，以及為應(yīng)對歐六后排放法規(guī)及其他先進(jìn)排放法規(guī)而可能采用的后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組合。

歐洲、中國及美國加利福尼亞州的下一輪排放法規(guī)將要求大幅度降低車輛尾管的排放。事實上，目前開展的研究已經(jīng)開始探索車輛尾管有害污染物實現(xiàn)接近零排放甚至負(fù)排放的可能性了。雖然歐七排放法規(guī)的目標(biāo)還未確定，為了使氣態(tài)排放物進(jìn)一步降低，歐洲將要求車輛采用熱管理、高孔穴率基底材料、HC 和NOx 儲存催化器等各種先進(jìn)技術(shù)來減少冷起動時產(chǎn)生的排放量。為了解決NOx 和氨的排放問題，汽油機(jī)有可能會采用SCR催化器。同時，為應(yīng)對收緊的PN 排放法規(guī)，各國必須采用過濾效率非常高的汽油機(jī)顆粒過濾器（GPF）。

3.2.1 汽油機(jī)顆粒物

GPF已經(jīng)在歐洲和中國得到普遍應(yīng)用。研究人員正在開發(fā)新一代GPF并付諸實用，在清潔狀態(tài)下，新一代GPF能達(dá)到超過90%的過濾效率。在即將出臺的歐七和國七排放法規(guī)推動下，針對GPF過濾效率的要求預(yù)計在未來幾年有所增加。本節(jié)重點(diǎn)介紹汽油機(jī)顆粒物控制技術(shù)的最新進(jìn)展。

如圖10所示，在歐六后排放法規(guī)的后處理系統(tǒng)中，GPF采用了緊耦合安裝及車身地板下位置安裝2種形式。GPF 既可以是無涂層的，也可以是帶三元催化器（TWC）催化涂層的，前者便于添加高過濾溶液，后者則是為了使氣態(tài)排放物的轉(zhuǎn)換效率最大化。Rose等人介紹了新開發(fā)的無涂層GPF的最新進(jìn)展。最新一代GPF的特點(diǎn)是優(yōu)化了通道進(jìn)口側(cè)的表面孔穴率，使過濾器在幾乎沒有壓力降的情況下達(dá)到非常高的過濾效率。研究人員進(jìn)行了大范圍的試驗研究，包括選用配裝了1.2～2.0L 發(fā)動機(jī)、符合歐六b和歐六d-TEMP的轎車、運(yùn)動型多功能車（SUV）及插電式混合動力車（PHEV）在各種試驗循環(huán)下進(jìn)行的試驗。如圖11所示，在所有工況下，車輛尾管的PN 排放量都低于6.0×1011km-1，過濾效率超過90%。當(dāng)計入直徑10～23nm顆粒物時，發(fā)動機(jī)排放的總顆粒數(shù)增加了26%～127%。與此同時，研究人員發(fā)現(xiàn)這些成核顆粒也能被GPF有效地過濾掉。過濾性能增強(qiáng)通常都是在壓力降增加的情況下發(fā)生的。研究表明，這種采用了新技術(shù)的過濾器在承載炭煙的狀態(tài)下壓力降很小。GPF安裝在地板下位置的車輛，其過濾性能測量值可達(dá)到20000km 的行駛里程。試驗結(jié)果顯示，在零公里時過濾器清潔狀態(tài)的過濾效率超過了90%，且在耐久性運(yùn)行期間保持了原有的過濾性能。

Dorscheidt等人也報道了這種高過濾效率的GPF。研究人員在1臺配裝無涂層GPF的2.0L渦輪增壓汽油直噴車上測量了顆粒物排放量，并在7種不同的發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況下進(jìn)行了測量。測試結(jié)果顯示，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高（負(fù)荷不變）、負(fù)荷增加（轉(zhuǎn)速不變）和空燃比提高時，測得的PN 均有所增加，這表明，在高轉(zhuǎn)速和高負(fù)荷時，隨著燃油加濃，PN 排放量將會增加。在所有工況下，直徑23nm 以下顆粒物的排放量較大，約占總PN 的27% ～47%。研究人員發(fā)現(xiàn)，在使用了GPF后，直徑23nm 以下的顆粒物占總顆粒數(shù)的比率約為7%～37%。如圖12所示，該GPF在沒有炭煙或灰分清潔狀態(tài)下，過濾效率超過了90%。研究人員發(fā)現(xiàn)，過濾效率會隨著流速的增加而增加，這與之前的一些研究結(jié)論不一致。Walter等人開發(fā)的1款預(yù)測模型顯示，在流速上升到某一點(diǎn)前，過濾效率會隨著流量增加而降低，但當(dāng)流量達(dá)到該分界點(diǎn)后，過濾效率將保持不變，甚至?xí)S著流速的增加而略微增加。

TWC涂層技術(shù)對改善GPF過濾效率具有重要影響。Chen等人對幾種GPF進(jìn)行了研究，這些GPF具有不同的平均孔穴尺寸、不同的TWC涂層涂載量（60～120g/L），且采用的涂層技術(shù)也不同。試驗是在2臺分別配裝了1.5L渦輪增壓多點(diǎn)噴油發(fā)動機(jī)和1.8L渦輪增壓汽油直噴發(fā)動機(jī)的車輛上進(jìn)行的，GPF分別安裝在緊耦合位置和車身地板下位置。試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)TWC涂層涂載量由80g/L增加到120g/L時，過濾效率提高了10%～15%。減小平均孔穴尺寸的效果則較小，僅能使過濾效率提高5%～10%。試驗結(jié)果表明，高過濾效率與高背壓間的權(quán)衡對涂層技術(shù)和孔穴結(jié)構(gòu)的相互作用較為敏感。研究發(fā)現(xiàn)，將內(nèi)壁涂層技術(shù)從平均孔穴尺寸較大的GPF沿用到平均孔穴尺寸較小的GPF上，可明顯增加背壓，尤其是在涂層涂載量較高的時候。壁面涂層與平均孔穴尺寸較大的GPF相結(jié)合能獲得良好的性能：當(dāng)TWC涂載量由80g/L增加到120g/L 時，過濾效率和背壓都增加了30%。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，GPF安裝在車身地板下位置時過濾效率較高，這是由于此時的GPF溫度較低，有利于炭煙層快速形成。

Liu利用單收集器和毛細(xì)管模型預(yù)測了內(nèi)壁和壁面有涂層的顆粒過濾器的性能。結(jié)果顯示，內(nèi)壁有涂層時過濾效率會下降，這是由于此時的過濾表面積減小，并有可能引起孔穴堵塞;而壁面有涂層時過濾效率會有所提高，但同時也會使背壓增加。

HEV 在持續(xù)充電模式下，發(fā)動機(jī)需要頻繁起停，且排氣溫度較低，從而容易產(chǎn)生較高的顆粒物排放。Lenz等人測定了1臺歐六bPHEV 在室溫條件下按NEDC工況運(yùn)行時的顆粒物排放量。在試驗開始時，車輛蓄電池顯示充電狀態(tài)為47%，試驗結(jié)束后充電狀態(tài)為53%。在整個試驗過程中，發(fā)動機(jī)共起動了12次，其中有2次是在冷卻液溫度低于70℃的情況下起動的（稱為冷態(tài)起動）。研究人員發(fā)現(xiàn)冷態(tài)起動時的PN 排放量幾乎占了顆粒總數(shù)的50%，且冷起動都是在試驗開始后的前350s和1.5km 的行程里程內(nèi)發(fā)生的。此外，在總顆粒數(shù)中，直徑小于23nm 的顆粒物約占50%。

Zhang等人比較了GPF在1臺純內(nèi)燃機(jī)車輛和1臺PHEV上的應(yīng)用情況。這2臺車輛配裝了標(biāo)定功率相同的2.0L渦輪增壓發(fā)動機(jī)，但由于增加了20kW·h的電池組，PHEV 的質(zhì)量增加了約500kg。2臺車輛配置的后處理系統(tǒng)相同，均采用緊耦合TWC 和地板下安裝的GPF，其中PHEV 因電池組的原因，GPF往下游再移動了0.7m。研究人員在-30～0 ℃的低環(huán)境溫度下，進(jìn)行了包括冷態(tài)起動在內(nèi)的城區(qū)行駛試驗，然后以小于30 km/h 的車速行駛了不到6 km。PHEV 在持續(xù)充電模式下運(yùn)行。試驗發(fā)現(xiàn)，0 ℃ 時GPF的炭煙承載量為0.02g/L，而-30℃時GPF的炭煙承載量增加到了0.20g/L，后者相當(dāng)于車輛每天2次冷態(tài)起動、1～2周內(nèi)產(chǎn)生的約3.0g/L 積炭量。PHEV的被動炭煙再生緩慢，這可能是GPF位置較遠(yuǎn)而導(dǎo)致其進(jìn)口溫度較低的緣故。此外，在蓄電池充電量較高時，GPF的進(jìn)口溫度也較低。

研究人員正在開展精確估計GPF內(nèi)炭煙承載量的研究工作。Nicolin等人指出，有1種射頻（RF）傳感器能較好地測定GPF的炭煙承載量。研究人員在城市行駛循環(huán)和高負(fù)荷試驗循環(huán)下，測定了地板下安裝的GPF均勻和不均勻積炭時的炭煙承載量。試驗結(jié)果顯示，在所有情況下，RF-傳感器測得的炭煙承載量與采用質(zhì)量分析法測量的炭煙承載量相比，誤差為±2g。

Neystani等人通過模擬，預(yù)測了在美國將氣道噴油車改成汽油直噴車后對環(huán)境和健康產(chǎn)生的影響。從氣道噴油車過渡到汽油直噴車的過程中，與顆粒物排放相關(guān)的死亡人數(shù)預(yù)計將從每年855人增加到1599人，由此帶來的社會成本損失約為70億美元。因此，研究人員建議應(yīng)通過應(yīng)用GPF進(jìn)行補(bǔ)救。

3.2.2 汽油機(jī)氣態(tài)排放物

進(jìn)一步降低車輛尾管排放的最大挑戰(zhàn)是要解決冷起動排放問題。僅采用增加鉑系貴金屬涂載量的方法不實際，也不一定有效。研發(fā)人員正在開發(fā)單原子催化劑以解決這一問題。Datye介紹了這方面的最新進(jìn)展。該催化劑可在單原子層中得到較好地擴(kuò)散。采用原子捕集法能使這種催化劑在高溫下從蒸氣相沉淀下來，二氧化鈰是這種催化劑的最佳載體。催化劑具有極好的反應(yīng)活性，證明CO的起燃溫度小于100 ℃，但這種催化劑必須克服在高溫下的催化劑氧化及需要重新激活等其他問題。為了促進(jìn)NO 與CO 的反應(yīng)，Khivantsev等人探討了單原子銠在二氧化鈰上的反應(yīng)活性。研究人員用0.1%和0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的銠在二氧化鈰上制備了催化劑。試驗證實，該催化劑在100℃下NO與CO的反應(yīng)幾乎能100%完成。在溫度低于100℃的干燥狀態(tài)下，該催化劑對N2O 的選擇能力幾乎為100%，而在更高的溫度下，N2 是主要產(chǎn)物。在有水分存在且中等溫度的情況下，該催化劑還能生成一些氨。

為了應(yīng)對未來的歐七排放限值，Ball等人對由TWC和催化型GPF組成的后處理系統(tǒng)進(jìn)行了研究。TWC和GPF安裝在緊耦合位置，分別在配置1.6L和2.0L渦輪增壓汽油直噴發(fā)動機(jī)的車輛上進(jìn)行了試驗。研究人員評定了TWC 容量、鉑系貴金屬涂載量及GPF的催化涂層涂載量對滿足國六b和歐六/歐七法規(guī)的影響。試驗發(fā)現(xiàn)，對于減少CO 和NOx 排放而言，TWC容量由0.6L增加到1.0L要比鉑系貴金屬涂載量增加27%更為有效。此外，只有大容量TWC與催化層涂載量大的GPF組合才能滿足國六b限值的要求。為了滿足歐七排放目標(biāo)，研究人員必須采用大容量的TWC、高涂載量（66%）的鉑系貴金屬和高涂載量催化層的GPF 組合，即使如此，CO排放限值也達(dá)到了較小的幅度。對于涂層涂載量較高時背壓也會較高。在所有情況下，PN 排放量都遠(yuǎn)低于排放限值，其中最清潔的試驗結(jié)果為2.0×1010km-1。需要指出的是，這些都是在試驗室臺架上和室溫條件下測得的結(jié)果，如果在低氣溫和RDE 條件下進(jìn)行試驗，預(yù)計排放量可能會更高。Sterlepper等人也對TWC 和催化型GPF組合的緊耦合系統(tǒng)進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，隨著熱量和積灰量的增加，該系統(tǒng)的儲氧能力會有所下降，但不是呈線性變化。低環(huán)境溫度對排放有較大影響，在-17 ℃下試驗時，NOx 和HC 排放量分別增加了50%和12倍。而由于GPF的存在，PN 排放量對環(huán)境溫度不敏感。

隨著尾管排放限值收緊至接近零的水平，發(fā)動機(jī)認(rèn)證試驗的可變性顯得更為重要。Warkins等人測定了多次FTP循環(huán)重復(fù)試驗的排放性能，發(fā)現(xiàn)駕駛員操作的可變性單獨(dú)計算后，發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的HC及NOx 排放量差異分別高達(dá)30%和10%。由此產(chǎn)生的尾管排放量變化率為10%～20%，研究人員將車速誤差減少到低于EPA 限值時，尾管排放量的變化率可降至7%。

研究人員在配裝了1.5～2.4L發(fā)動機(jī)的5臺車輛上測定了采用高孔穴率基底材料的優(yōu)勢，這些車輛都通過超低排放車輛（ULEV）和超級超低排放車輛（SULEV）等級認(rèn)證。試驗結(jié)果顯示，這種低熱質(zhì)量基底材料有助于催化劑更早點(diǎn)火。用其替代標(biāo)準(zhǔn)基底材料后，非甲烷碳?xì)浠衔铮∟MHC）和NOx 的排放量各降低了10%～20%。

HC收集器是減少冷起動排放的1種解決方案，也是未來汽油機(jī)排氣后處理系統(tǒng)的1個重要組件。研究人員測定了發(fā)動機(jī)出口和TWC出口的HC組分，以了解進(jìn)入HC收集器的排氣成分。研究人員分別在配裝2.7L渦輪增壓和5.3L自然吸氣汽油直噴發(fā)動機(jī)的2臺皮卡上，測定了在FTP循環(huán)工況下冷起動后第1取樣袋中的排氣組分。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在前250s內(nèi)產(chǎn)生的冷起動排放量占到整個505s的試驗時間總排放量的85%以上。TWC不僅呈現(xiàn)出較高的HC轉(zhuǎn)換率，而且還會使TWC 進(jìn)出口的HC 組分比率發(fā)生改變。TWC 出口的HC 組分包括乙醇、非甲烷鏈烷烴（如乙烷）、甲烷、稀族烴（如乙烯和丙烯）、醛類（如甲醛）和芳烴（如甲苯和其他C6-C11組分）。TWC還可使顆粒數(shù)排放量減少40%～44%。

采用EHC是使車輛尾管排放達(dá)到未來歐七、國七和LEV4排放要求的另1途徑。對于PHEV，高功率冷起動是最差的排放場景，而采用EHC可能是1種可取的解決措施。Bruck等人指出，在某些車輛上可能需要采用配置2個EHC和1個HC收集器的后處理系統(tǒng)。研究人員用1臺配裝了3缸1.0L發(fā)動機(jī)的48V輕度混合動力車進(jìn)行的WLTC試驗顯示，盡管2個2kW的EHC始終處于通電狀態(tài)，但在試驗前80s內(nèi)，非甲烷HC組分的排放量超過了限值的50%。因此，研究人員根據(jù)需要，添加了1個HC收集器，使排放量減少至低于歐六d限值的80%。車輛在0℃環(huán)境溫度下和城區(qū)短距離行駛時，催化器需要預(yù)熱幾秒鐘。

未來的歐洲排放法規(guī)會對諸如NH3、N2O 和CH4等排氣組分設(shè)定排放限值。Suarez-Bertoa等人測定了2臺汽油機(jī)商用車、2臺柴油機(jī)乘用車和1臺壓縮天然氣商用車在道路上行駛時的氣態(tài)排放物。結(jié)果顯示，由于柴油機(jī)車輛配裝有ASC，其NH3 排放量非常低，而汽油機(jī)車輛的NH3 平均排放量為21～49mg/km。研究人員認(rèn)為，這樣的排放量與大氣中的HNO3 相結(jié)合將會產(chǎn)生11～38mg/km 的PM2.5 顆粒物排放量。研究人員已考慮在汽油機(jī)后處理系統(tǒng)中采用SCR 系統(tǒng)來解決NH3 排放問題。Getsoian等人闡述了汽油機(jī)車輛的氨生成和控制問題。在濃混合氣運(yùn)行工況下，鈀基催化劑和銠基催化劑容易生成NH3，當(dāng)切斷燃油時，還會在氧化型TWC催化器的進(jìn)口生成NH3，這些NH3 大部分都會在下游的催化器中被重新氧化成NO，但如果氧化不充分，則會發(fā)生NH3 逃逸。車輛配裝了下游SCR 系統(tǒng)就能完全轉(zhuǎn)換上游TWC 產(chǎn)生的NH3。

Martin等人介紹了1種先進(jìn)后處理系統(tǒng)在1臺汽油機(jī)車輛上應(yīng)用的情況。該車輛為配裝1.0L 渦輪增壓汽油直噴發(fā)動機(jī)的48VP2結(jié)構(gòu)峰值電功率15kW的輕度混合動力車。該車采用的緊耦合系統(tǒng)由EHC、TWC及有涂層GPF組成，下游后處理系統(tǒng)包括SCR系統(tǒng)、另1個EHC 和NOx 存儲催化器。二次空氣噴射系統(tǒng)用于實現(xiàn)下游后處理部件的稀氣狀態(tài)。上游TWC產(chǎn)生的NH3 可被下游的被動SCR系統(tǒng)利用。為了使冷起動排放量接近零，研究人員采取了催化器預(yù)熱30s的措施。試驗結(jié)果顯示，在動態(tài)RDE試驗循環(huán)下，NOx 排放量為1.2mg/km，HC排放量為2.8mg/km。

在過去幾年中，研究人員一直在探索被動SCR 系統(tǒng)在稀燃汽油機(jī)上應(yīng)用的效果。Prikhodko指出了該方法面臨的挑戰(zhàn)。研究人員在1臺稀燃汽油直噴發(fā)動機(jī)上配置了由鈀基TWC（Pd-TWC）和NOx 儲存催化器（二者都會產(chǎn)生NH3），以及緊隨其后的GPF和Cu-CHASCR催化器組成的后處理系統(tǒng)。試驗顯示，被動SCR系統(tǒng)的性能取決于NH3 的儲存量，在大于700℃的溫度下進(jìn)行熱液老化時，NH3 生成量會減少，尤其是在濃排氣狀態(tài)時。在800℃濃排氣狀態(tài)下的老化會導(dǎo)致200 ℃ 時和400 ℃ 時的NH3 儲存量分別損失50%以上和70%以上。這就將導(dǎo)致被動SCR 系統(tǒng)反應(yīng)活性減弱，尤其是在被動SCR 系統(tǒng)反復(fù)經(jīng)受稀/濃排氣的情況下尤為明顯。

3.3 甲烷氧化催化器

天然氣發(fā)動機(jī)必須解決甲烷的逃逸問題，因為甲烷是1種潛在的溫室氣體，而且它很難在TWC的點(diǎn)火溫度下被轉(zhuǎn)換。Suarez-Bertoa等人的研究顯示，1臺配裝歐六b的3.0L壓縮天然氣發(fā)動機(jī)的輕型商用車，在整個RDE試驗路線中CH4 的排放量約為75mg/km，而在高速路段行駛時CH4 的排放量則高達(dá)127mg/km。根據(jù)全球暖化的趨勢，估計這樣的CH4 平均排放量相當(dāng)于6.5g/km 的CO2 排放量。

研究人員正在繼續(xù)探索各種新的催化劑及其合成技術(shù)，以應(yīng)對CH4 逃逸和提高催化劑的轉(zhuǎn)換功能。Lott等人探討了克服水分對鈀基催化劑轉(zhuǎn)換功能抑制作用的策略。研究人員在類似于稀燃天然氣發(fā)動機(jī)排氣狀態(tài)的氣流中進(jìn)行了實驗室試驗。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于0.2%的Pd/Al2O3 催化劑，在有水分存在的情況下，甲烷氧化的點(diǎn)火溫度會升高超過100 ℃。研究人員開發(fā)了1種多反應(yīng)點(diǎn)位的微反應(yīng)動力學(xué)模型，以解釋水分對甲烷轉(zhuǎn)換的抑制作用。試驗顯示，采用二氧化鈰-氧化鋯作為載體時，能有效降低水分的抑制作用。在稀-濃排氣交替流動的情況下，轉(zhuǎn)換功能會明顯提高，即使在有水分存在時也是如此。

Harold等人報道了采用貴金屬-尖晶石組合催化劑來提高甲烷轉(zhuǎn)換效率和減少貴金屬用量的試驗結(jié)果。研究人員篩選了各種尖晶石，發(fā)現(xiàn)NiCoO4 尖晶石的轉(zhuǎn)換功能最佳。這種尖晶石能通過提高儲氧能力和保持活性點(diǎn)位的貴金屬來增強(qiáng)反應(yīng)活性。研究人員還在實驗室的稀-濃模擬氣體中對1 種內(nèi)層為NiCoO4/釩土和外層為Pt/Pd/釩土的雙層催化劑進(jìn)行了試驗。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種催化劑在300 ℃時就能開始轉(zhuǎn)換甲烷，點(diǎn)火溫度為350℃，達(dá)到90%轉(zhuǎn)換率的溫度T90% 為400℃。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)在排氣流中有SO2 存在時，尖晶石催化劑能夠發(fā)揮可靠的轉(zhuǎn)換功能。

4 結(jié)語

隨著大部分國家的車輛尾管CO2 減排目標(biāo)出臺，降低汽車的燃油耗已成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)。2021年公布的歐洲氣候法令將進(jìn)一步要求降低CO2 的排放限值。中國宣布，到2035年混合動力車將占50%的市場份額。發(fā)動機(jī)效率繼續(xù)有所提高，各國也提出了使發(fā)動機(jī)的有效熱效率（BTE）達(dá)到45.0%的各種技術(shù)路徑?；旌蟿恿噷Ｓ冒l(fā)動機(jī)越來越受到關(guān)注，因為該發(fā)動機(jī)有助于使發(fā)動機(jī)始終在低燃油耗區(qū)工作。一些先進(jìn)的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)，諸如汽油壓燃、對置活塞和稀燃等技術(shù)都取得了一定的進(jìn)步。為了減少上游CO2 排放和現(xiàn)有車輛的CO2 排放，研究人員正在開發(fā)可再生燃油和合成燃油。

2020年，歐洲針對歐七排放法規(guī)進(jìn)行了討論，歐七法規(guī)草案也提出了要大幅收緊排放限值，并要求將排放認(rèn)證試驗由試驗室的試驗循環(huán)改成在道路上試驗。其他變化還包括取消排放一致性系數(shù)、將直徑23nm以下顆粒物計入PN 限值，以及修改RDE試驗規(guī)程以強(qiáng)調(diào)城區(qū)行駛時的冷起動排放等。美國加利福尼亞州也在向LEV Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)靠攏，提出了內(nèi)燃機(jī)車隊要達(dá)到20mg/mile的非甲烷有機(jī)氣體（NMOG）與NOx 平均排放量限值（SULEV20）。

歐七和LEV Ⅳ法規(guī)的重點(diǎn)是要求減少冷起動排放。因此，研究人員正在優(yōu)化TWC和SCR催化器、低熱質(zhì)量基底材料、EHC、HC 收集器和被動NOx 吸附器。為了應(yīng)對歐七排放法規(guī)提出的NH3 限值，被動SCR系統(tǒng)也有可能用于汽油機(jī)的排氣后處理系統(tǒng)。GPF的過濾效率將進(jìn)一步提高，以應(yīng)對越來越嚴(yán)的排放法規(guī)。

加利福尼亞州的重型車低NOx 綜合法規(guī)是目前世界上最全面和最嚴(yán)格的法規(guī)。美國環(huán)境保護(hù)署將于2021年公布低NOx 法規(guī)版本，歐七排放法規(guī)也將要求大幅度減少NOx 和其他有害污染物（包括直徑23nm以下顆粒物）的排放量。這些法規(guī)將為未來非道路移動機(jī)械法規(guī)的收緊政策奠定基礎(chǔ)。

為了實現(xiàn)2027年重型卡車和大型客車NOx 減排90%的目標(biāo)，各國研究人員對各種可用的技術(shù)進(jìn)行了試驗評估。目前面臨的挑戰(zhàn)是，車輛要在采用了新移動平均窗口（MAW）排放分析法的新低負(fù)荷試驗循環(huán)下，以及在使用壽命延長至接近百萬英里的情況下實現(xiàn)這些減排目標(biāo)。緊密耦合的SCR 系統(tǒng)是1種較有前途的催化器，但因其通常暴露在含硫的環(huán)境中，因此，研究人員正在開展了解SCR 減活性（包括硫酸化）機(jī)理的研究工作。重型車發(fā)動機(jī)的顆粒物排放限值也要求降低50%，研究人員將會在提高過濾效率、減少壓力降和提高積灰能力等方面對DPF 進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。此外，美國和歐洲的重型車CO2 減排目標(biāo)也已出臺，NOx 的減排技術(shù)還必須同時確保CO2 排放降低。研究人員也正在通過“超級卡車Ⅱ”計劃來提高發(fā)動機(jī)效率，采用廢熱回收技術(shù)可實現(xiàn)55.0%BTE的目標(biāo)。

天然氣發(fā)動機(jī)的效率也在不斷提高，有些發(fā)動機(jī)已經(jīng)通過了超低NOx 排放標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。甲烷逃逸是1個有待繼續(xù)研究的課題，研究人員對新甲烷催化器的研究表明，在400 ℃以下有可能會使催化劑的甲烷轉(zhuǎn)換效率達(dá)到90%。