全球汽車排放控制的最新發(fā)展動(dòng)向（下）

A.JOSHI

摘要：介紹了幾種主要的技術(shù)方案，包括采用雙尿素供給、創(chuàng)新的低溫尿素噴射方案、停缸、先進(jìn)的燃燒技術(shù)、動(dòng)力總成電動(dòng)化和天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)等。在輕型車方面，實(shí)際行駛排放（RDE）標(biāo)準(zhǔn)似乎要想解決實(shí)驗(yàn)室與道路上行駛時(shí)NOx排放數(shù)據(jù)的差異，對(duì)該方面相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。目前，行業(yè)內(nèi)正在對(duì)歐6后的排放法規(guī)展開討論，探討了新法規(guī)的可能變化和排氣后處理系統(tǒng)的發(fā)展，焦點(diǎn)仍然是要減少冷起動(dòng)排放。介紹了柴油機(jī)和汽油機(jī)冷起動(dòng)排放的研究情況。歐洲和中國(guó)的顆粒數(shù)排放標(biāo)準(zhǔn)已促使汽油機(jī)顆粒過(guò)濾器（GPF）在這些地區(qū)被廣泛應(yīng)用。概要介紹了GPF技術(shù)的最新改進(jìn)情況。隨著排放法規(guī)的進(jìn)一步收緊，對(duì)GPF過(guò)濾效率的要求將會(huì)提高，并且預(yù)計(jì)未來(lái)也會(huì)要求氣道噴油發(fā)動(dòng)機(jī)車輛采用GPF。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);過(guò)濾效率;顆粒物;灰分;燃油經(jīng)濟(jì)性

3?柴油機(jī)排放控制

3.1?輕型車的排放控制系統(tǒng)

最新的研究和認(rèn)證數(shù)據(jù)表明，配置先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣后處理系統(tǒng)的柴油機(jī)車輛在寬廣的實(shí)際行駛條件下運(yùn)行時(shí)排放是十分清潔的。Thewes等人比較了車輛在遵守歐6d排放法規(guī)前后的排放性能。如圖6所示，在執(zhí)行排放法規(guī)后，所有車輛的排放都明顯降低。

歐6后排放標(biāo)準(zhǔn)提出進(jìn)一步減少車輛排放的要求，歐洲正在促進(jìn)柴油機(jī)不斷地改進(jìn)。Choi等人介紹了1款升級(jí)的新一代柴油機(jī)，它能在性能提高且不影響燃油耗的情況下滿足未來(lái)的排放要求。這款發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)措施包括：采用能使顆粒物排放減少10%的220 MPa噴油系統(tǒng)、改進(jìn)渦輪增壓器、減輕質(zhì)量、采用雙回路高低壓廢氣再循環(huán)（EGR），以及能降低燃油耗和縮短催化劑點(diǎn)火時(shí)間的水冷式進(jìn)氣冷卻器。采用的排氣后處理系統(tǒng)由緊耦合稀燃氮氧化物（NOx）捕集技術(shù)（LNT）和柴油機(jī)顆粒捕集器（DPF），以及緊隨其后的車身下選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)組成。它有助于車輛滿足歐6d的實(shí)際行駛排放（RDE）法規(guī)要求。為了使催化劑提早點(diǎn)火，通常需要采取燃油后噴，但這可能會(huì)導(dǎo)致燃油耗增加，尤其是在滿足RDE法規(guī)要求時(shí)。

可以預(yù)料，柴油機(jī)在輕型車領(lǐng)域的份額會(huì)有所增加，尤其是在北美地區(qū)。對(duì)于輕型車而言，柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性明顯要比汽油機(jī)的高20%～30%。因此，人們一直在推出新的柴油機(jī)。Verdino等人介紹了1款3.0 L直立6缸新柴油機(jī)的開發(fā)情況和性能。排氣后處理系統(tǒng)按滿足Bin 160排放限值的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括高低壓EGR、緊耦合柴油機(jī)氧化催化器（DOC）、一體式SCR/顆粒過(guò)濾器、下游SCR和氨逃逸催化器（ASC）。為了要在冷起動(dòng)后180 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)碳?xì)洌℉C）和NOx的100%轉(zhuǎn)換，采用了1種多次噴油的預(yù)熱策略。

Kruger等人介紹了使1臺(tái)已經(jīng)符合歐6標(biāo)準(zhǔn)的車輛進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)NOx減排的技術(shù)路線。研究人員選擇了1臺(tái)配裝1.7 L發(fā)動(dòng)機(jī)的緊湊型轎車進(jìn)行研究。目前采用的排氣后處理系統(tǒng)包括：DOC、緊耦合SCR.顆粒過(guò)濾器、車身下安裝的SCR和ASC。在符合歐6d RDE要求的15次試驗(yàn)運(yùn)行中，測(cè)得的NOx平均排放量為13 mg/km。發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)措施包括改進(jìn)噴油系統(tǒng)和采用可變截面渦輪增壓器，能使發(fā)動(dòng)機(jī)自身的NOx排放量有所降低，并能使冷起動(dòng)期間的排氣熱焓增加。為了應(yīng)對(duì)瞬態(tài)和高速運(yùn)行時(shí)的NOx逃逸，將車身下SCR和ASC的容積分別增加了2.6倍和2.2倍。增加排氣在后處理系統(tǒng)中的滯留時(shí)間有助于達(dá)到更高的轉(zhuǎn)換效率。由于采用了雙尿素供給和混合器，因而為車身下SCR配置了1個(gè)專用的尿素供給系統(tǒng)。這些改變使車身下SCR的轉(zhuǎn)換效率提高到了90%，并使尿素消耗量減少了20%。按照“ADAC BAB130”試驗(yàn)循環(huán)和內(nèi)部制訂的“挑戰(zhàn)性試驗(yàn)循環(huán)”（這2種試驗(yàn)循環(huán)的要求均比現(xiàn)行RDE的高）運(yùn)行時(shí)，NOx的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提高，因而使NOx排放量比已經(jīng)很低的基準(zhǔn)值降低了30%～60%。在以“走走停停”行駛狀態(tài)為特征的“倫敦交通運(yùn)輸”城區(qū)試驗(yàn)循環(huán)下，CO和HC排放也有所減少。這證實(shí)了良好的熱管理是改進(jìn)的關(guān)鍵因素。研究人員正在研究用添加NOx儲(chǔ)存催化器的辦法來(lái)進(jìn)一步減少排放的可能性。

Demuyuck等人配置了1臺(tái)帶先進(jìn)排氣后處理系統(tǒng)的48 V P0結(jié)構(gòu)柴電混合動(dòng)力車并進(jìn)行了試驗(yàn)，以證明能在城區(qū)低車速和公路高車速行駛狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)超低NOx排放。發(fā)動(dòng)機(jī)的排量為1.5 L，它符合RDE歐6b前的排放標(biāo)準(zhǔn)。排氣后處理系統(tǒng)包括：LNT、低熱質(zhì)量SCR和緊耦合安裝的有SCR涂層的顆粒過(guò)濾器、后接的車身下SCR和ASC。在2個(gè)SCR系統(tǒng)的上游配置了雙尿素供給系統(tǒng)和1套閉環(huán)控制軟件，并采用了高低壓EGR控制。輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)為排放控制帶來(lái)了一些好處。例如：主動(dòng)熱管理有利于催化劑點(diǎn)火、LNT的不間斷再生和應(yīng)對(duì)瞬時(shí)大扭矩產(chǎn)生的NOx。主動(dòng)熱管理和推遲后噴油能使緊耦合SCR的溫度快速上升，因而能在全球統(tǒng)一的輕型車試驗(yàn)規(guī)程（WLTP）試驗(yàn)循環(huán)下允許尿素噴射比基準(zhǔn)狀態(tài)提早300 s。在幾種不同的試驗(yàn)循環(huán)下進(jìn)行了試驗(yàn)，這些試驗(yàn)循環(huán)覆蓋了寬廣的行駛狀態(tài)。按RDE試驗(yàn)時(shí)，城區(qū)行駛的尾管NOx排放量為31 mg/km，總NOx排放量為20 mg/km。即使在低車速的倫敦交通運(yùn)輸試驗(yàn)循環(huán)下，尾管的NOx排放量也只有48 mg/km。在城區(qū)行駛（低于30 km/h）到高速公路行駛（高于100 km/h）的寬廣車速下，NOx的減排率為84%。

Christmann介紹了在另1臺(tái)P0結(jié)構(gòu)輕度混合動(dòng)力車上進(jìn)行的試驗(yàn)研究。他探索了采用主動(dòng)方法和被動(dòng)方法來(lái)減少渦輪散熱和加快催化器預(yù)燃的可能性。被動(dòng)方法主要是改善隔熱，而主動(dòng)方法則是使渦輪旁通和將排氣后處理部件移到渦輪增壓器的上游。Lindemann等人對(duì)布置在渦輪前的排氣后處理系統(tǒng)的性能進(jìn)行了評(píng)估。他們?cè)u(píng)估的對(duì)象是1臺(tái)48 V柴電輕度混合動(dòng)力車樣車，柴油機(jī)的排量為2.0 L。該車將DOC和一體式SCR/顆粒過(guò)濾器安裝在渦輪增壓器前，在渦輪后還配置了1個(gè)附加的車身下SCR，并為它單獨(dú)為配置了尿素供給系統(tǒng)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)WLTP試驗(yàn)循環(huán)中，這種渦輪前催化系統(tǒng)導(dǎo)致渦輪的熱焓損失了4%。為此，他們采用了1個(gè)11 kW的電輔助增壓器來(lái)補(bǔ)償熱焓損失。他們還對(duì)電加熱DOC和發(fā)動(dòng)機(jī)加熱措施進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，為了使車輛在各種試驗(yàn)循環(huán)（包括低負(fù)荷城市行駛循環(huán)）下都能達(dá)到低于35 mg/km的NOx排放量，采用電加熱和發(fā)動(dòng)機(jī)加熱方式是必需的。與1臺(tái)參比的48 V混合動(dòng)力車相比，催化系統(tǒng)安裝在渦輪前能減少主動(dòng)熱管理的負(fù)擔(dān)，并能使CO2排放量減少6%～19%。

停缸技術(shù)正在引起輕型車和重型車領(lǐng)域的關(guān)注，因?yàn)樗膬?yōu)點(diǎn)是能減少燃油耗和提高排氣溫度，后者能使NOx的轉(zhuǎn)換效率提高。動(dòng)態(tài)停缸允許個(gè)別氣缸根據(jù)要求的扭矩實(shí)施逐個(gè)停缸。Scassa等人評(píng)估了輕型車柴油機(jī)采用這種技術(shù)的好處。他們針對(duì)1臺(tái)配裝2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)的C級(jí)SUV車輛進(jìn)行了模擬研究。該車輛配置的排氣后處理系統(tǒng)為：DOC、一體式SCR.顆粒過(guò)濾器、車身下SCR，以及高低壓EGR。研究發(fā)現(xiàn)，燃油耗會(huì)隨著傳熱損失和泵氣損失減少而降低，而在低負(fù)荷和高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，燃油耗會(huì)有所增加。模擬顯示，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在平均有效壓力（BMEP）為0.1 MPa、轉(zhuǎn)速為3 000 r/min的工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，燃油耗降低高達(dá)24%。視運(yùn)轉(zhuǎn)工況而定，渦輪后的溫度能提高25～130 ℃。在RDE試驗(yàn)循環(huán)下，這些改進(jìn)措施能使燃油耗降低2%～4%，NOx排放量能減少14%。研究人員還對(duì)48 V P0結(jié)構(gòu)輕度混合動(dòng)力車的協(xié)同效應(yīng)進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果顯示，燃油耗能額外降低2%～3%。

3.2?重型車的NOx排放控制系統(tǒng)

要在燃油耗不增加的情況下實(shí)現(xiàn)NOx再減少90%，這并不是1件輕松的事。這需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣后處理系統(tǒng)作重大改進(jìn)。Tennison指出，為了達(dá)到0.02 g/（hp·h）①的NOx排放量，要求在聯(lián)邦試驗(yàn)規(guī)程（FTP）試驗(yàn)循環(huán)的冷態(tài)和熱態(tài)試驗(yàn)階段運(yùn)行時(shí)，NOx的轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到97.0%和99.3%，即使在發(fā)動(dòng)機(jī)自身的NOx排放量降低的情況下也是如此。對(duì)于如此高的要求，可采用的技術(shù)路徑和它們的可行性存在更大的不確定性，尤其是在要求增加使用壽命、引入新的低負(fù)荷試驗(yàn)循環(huán)和排放分析方法更改為歐洲移動(dòng)平均窗口法的情況下更是如此。因此，研究人員正在探索各種降低NOx排放的策略。

排放控制制造商協(xié)會(huì)發(fā)表了1份白皮書，詳細(xì)介紹了為滿足加利福尼亞州空氣資源局（CARB）和美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA）提出的NOx減排目標(biāo)而采用的各種策略。該白皮書匯總了17年來(lái)重型車發(fā)動(dòng)機(jī)在FTP試驗(yàn)循環(huán)下測(cè)得的 NOx和CO2排放量EPA認(rèn)證數(shù)據(jù)（圖7）。這些數(shù)據(jù)凸現(xiàn)了當(dāng)今發(fā)動(dòng)機(jī)排放水平的進(jìn)步，不少發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放量已達(dá)到了低于0.1 g/（hp·h）的水平，即排放量要比認(rèn)證限值低50%，其中有些發(fā)動(dòng)機(jī)甚至還達(dá)到了2027年型第二階段專用車發(fā)動(dòng)機(jī)的溫室氣體（GHG）排放限值。數(shù)據(jù)的趨勢(shì)還顯示，2010年以后，在較嚴(yán)的排放法規(guī)推動(dòng)下，隨著先進(jìn)技術(shù)的引入，CO2和NOx的排放量均逐年有所下降。

該白皮書對(duì)各種減排的技術(shù)選項(xiàng)作了詳細(xì)探討。其中指出，除了改進(jìn)基底材料（薄壁，低熱質(zhì)量等）、催化劑（提高SCR轉(zhuǎn)換效率、熱耐久性等）和封裝技術(shù)（保存熱量）等措施以外，采用以下技術(shù)既能減少NOx排放，又能減少GHG排放：（1）在低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，利用渦輪增壓器和EGR的旁通為排氣后處理系統(tǒng)提供排氣的熱量。（2）停缸能使發(fā)動(dòng)機(jī)在效率較高的工況下工作，同時(shí)被停氣缸的進(jìn)排氣門關(guān)閉后能消除泵氣損失和避免冷空氣進(jìn)入排氣。對(duì)1臺(tái)中型車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行的測(cè)功器臺(tái)架試驗(yàn)顯示，在0.3 MPa以下開始停缸時(shí)，按FTP試驗(yàn)循環(huán)運(yùn)行時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性降低了3.4%～8.7%（具體下降量與發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定有關(guān)）。在貨運(yùn)車試驗(yàn)循環(huán)下，視運(yùn)轉(zhuǎn)模式而定，燃油經(jīng)濟(jì)性能改善4%～35%。另外，保持工作氣缸更好地工作并使之產(chǎn)生更多的熱量，能使排氣后處理系統(tǒng)更早激活。在低負(fù)荷試驗(yàn)循環(huán)下運(yùn)行時(shí)，停缸的時(shí)間為試驗(yàn)循環(huán)時(shí)長(zhǎng)的60%，因而能使渦輪出口溫度明顯升高（25～50 ℃），這有利于試驗(yàn)循環(huán)中大部分工況下的尿素供給。（3）采用48 V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)能通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的電氣化來(lái)減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，并能通過(guò)制動(dòng)能量的恢復(fù)來(lái)減少損失。（4）采用通過(guò)氣態(tài)氨供給和尿素加熱供給的低溫下的先進(jìn)尿素供給方式，可以將尿素噴入加熱的催化器中來(lái)實(shí)現(xiàn)尿素加熱，也可以將尿素噴嘴加熱來(lái)幫助尿素快速霧化。

白皮書還對(duì)各種先進(jìn)的排氣后處理系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)估，包括配置雙尿素供給SCR催化器的后處理系統(tǒng)，以及采用帶DOC和碳煙再生催化劑的單區(qū)涂層顆粒過(guò)濾器后處理系統(tǒng)。評(píng)估結(jié)果顯示，即使在發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定參數(shù)和尿素供給劑量不優(yōu)化的情況下，采用這些后處理系統(tǒng)時(shí)，車輛在熱態(tài)FTP下運(yùn)行時(shí)的尾管NOx排放量接近于0.02 g/（hp·h）。另外，N2O的排放量為0.015 g/（hp·h），比第二階段GHG排放限值0.1 g/（hp·h）的要低85%?？紤]到N2O對(duì)全球變暖的潛在影響，可以采用較低的N2O排放量作為交換來(lái)實(shí)現(xiàn)GHG的排放達(dá)標(biāo)。研究人員對(duì)1種配置單個(gè)SCR的傳統(tǒng)排氣后處理系統(tǒng)進(jìn)行了建模研究。結(jié)果顯示，增加SCR的容積和采用先進(jìn)的氨逃逸催化器是有效的手段，它能使綜合FTP試驗(yàn)循環(huán)下的NOx排放量降低到0.02 g/（hp·h）。這表明采用當(dāng)今已經(jīng)商用化的后處理系統(tǒng)是有可能達(dá)到2024年型車0.05 g/（hp·h）的排放目標(biāo)的。

Sharp介紹了美國(guó)西南研究院試驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)劃取得的一些結(jié)果。他們針對(duì)1臺(tái)頗具市場(chǎng)代表性的Cummins X15發(fā)動(dòng)機(jī)開展了試驗(yàn)研究。除了修改發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定參數(shù)外，還對(duì)關(guān)鍵硬件作了更改，包括采用停缸技術(shù)和添加EGR冷卻器旁通。在冷態(tài)FTP試驗(yàn)循環(huán)下運(yùn)行時(shí)，這些改變能使排氣更快地?zé)崞饋?lái)，在50 s內(nèi)能使渦輪出口溫度達(dá)到250 ℃，并且不會(huì)導(dǎo)致CO2排放增加。評(píng)估后最終選擇的排氣后處理系統(tǒng)由以下部件組成：1個(gè)后端有涂層并帶ASC的SCR、1個(gè)帶DOC和碳煙再生涂層的DPF，以及2個(gè)并聯(lián)的SCR和ASC組合，布置結(jié)構(gòu)如圖8所示。圖8還給出了采用該后處理系統(tǒng)時(shí)，在各種試驗(yàn)循環(huán)（包括新的低負(fù)荷試驗(yàn)循環(huán)）下達(dá)到的NOx和CO2排放量。在綜合FTP試驗(yàn)循環(huán)下，NOx排放量不到0.020 g/（hp·h），而在低負(fù)荷試驗(yàn)循環(huán)下，NOx排放量達(dá)到了0.064 g/（hp·h），比前者高出了3倍。同時(shí)，綜合FTP試驗(yàn)循環(huán)和低負(fù)荷試驗(yàn)循環(huán)下的CO2排放量也減少了1.0%～1.5%。

研究人員正在考慮排氣后處理系統(tǒng)的其他各種配置。Stephenson探討了20多種排氣后處理系統(tǒng)的配置組合，包括緊耦合SCR、一體式SCR.DPF、雙尿素供給分區(qū)涂覆DOC的DPF、在第1只SCR前（甚至在第2只SCR前）設(shè)置DOC、在SCR和DPF前各裝1個(gè)DOC。上面提到的停缸技術(shù)也能在這些后處理系統(tǒng)中起到杠桿輔助作用。初步試驗(yàn)表明，在寬廣的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，停缸能使發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度達(dá)到500 ℃以上的目標(biāo)值。

Singh等人介紹了為模擬排氣后處理系統(tǒng)而開發(fā)的幾種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛻?yīng)用情況。利用試驗(yàn)室獲得的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)，研究人員繪制了SCR轉(zhuǎn)換效率隨催化器溫度和空間速度而變化的曲線，并利用模型觀察了后處理部件的性能隨排氣溫度升高而改善的情況。促使排氣溫度升高的方法有：更好地隔熱、使SCR更靠近發(fā)動(dòng)機(jī)、采用一體式SCR.DPF。對(duì)于傳統(tǒng)的DOC+DPF+SCR的后處理系統(tǒng)，在FTP試驗(yàn)循環(huán)下排氣溫度升高30 ℃能使SCR的轉(zhuǎn)換效率提高25%。研究人員對(duì)1種在DOC上游添加1只SCR的后處理系統(tǒng)進(jìn)行了模擬分析。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，在冷態(tài)FTP試驗(yàn)循環(huán)下，能使NOx的轉(zhuǎn)換率和尾管排放量分別達(dá)到97.9%和007 g/（hp·h）。在熱態(tài)FTP試驗(yàn)循環(huán)下，二者分別能達(dá)到99.9%和0.005 g/（hp·h）。Harris和Gardner采用建模方式評(píng)估了改善熱管理及其對(duì)后處理系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)換率的影響。該后處理系統(tǒng)由DOC+DPF+SCR組成。模型的輸入?yún)?shù)為1臺(tái)13 L渦輪復(fù)合增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的排放參數(shù)。預(yù)測(cè)表明，采用隔熱和縮短下游管路產(chǎn)生的效果最小。當(dāng)減少后處理系統(tǒng)的熱質(zhì)量時(shí)，能起到更實(shí)質(zhì)性的作用。將DOC和DPF的壁厚分別從4 mil減少到2 mil和從12 mil減少到8 mil時(shí)，DOC和DPF的長(zhǎng)度減少了20%，凈質(zhì)量分別減輕了59%和45%。SCR的進(jìn)口溫度在90 s內(nèi)能達(dá)到200 ℃，從而能使冷起動(dòng)后300 s內(nèi)的NOx排放量減少高達(dá)25%。為了評(píng)估添加1只緊耦合SCR的效果，Harris等人進(jìn)行了另1項(xiàng)建模研究。他們以1臺(tái)配裝DOC、DPF和SCR的歐6發(fā)動(dòng)機(jī)作為分析對(duì)象，探索了緊耦合SCR相對(duì)于渦輪增壓器的最佳位置。從轉(zhuǎn)換效率和安裝位置的角度來(lái)看，SCR設(shè)置在渦輪后是最佳的。試驗(yàn)人員還利用模型研究了開環(huán)狀態(tài)下DEF供給劑量和NH3儲(chǔ)存的控制策略。后者能實(shí)現(xiàn)更高的NOx轉(zhuǎn)換效率，盡管必須通過(guò)控制NH3的儲(chǔ)存目標(biāo)來(lái)限制NH3逃逸。增加SCR的容積和NH3儲(chǔ)存用的涂層是提高NOx轉(zhuǎn)換率的有力手段。

Carlson等人探討了動(dòng)態(tài)停缸技術(shù)在重型車發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的潛力。針對(duì)1臺(tái)6缸7.7 L柴油機(jī)，研究人員進(jìn)行了模擬研究。該發(fā)動(dòng)機(jī)配裝了高壓EGR和由DOC、DPF、SCR和ASC組成的后處理系統(tǒng)。模擬顯示，按FTP試驗(yàn)循環(huán)運(yùn)行時(shí)，CO2排放量減少了35%，同時(shí)NOx排放量也減少了50%。研究發(fā)現(xiàn)，在低負(fù)荷試驗(yàn)循環(huán)下效果更好，CO2和NOx排放量分別減少了9%和77%。NOx排放量減少主要是由于排氣溫度升高而使SCR轉(zhuǎn)換效率提高的緣故。

NOx排放量認(rèn)證值達(dá)到0.02 g/（hp·h）的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)已在市場(chǎng)上有售，并且相關(guān)技術(shù)還在繼續(xù)改進(jìn)。Li等人測(cè)定了1臺(tái)垃圾清運(yùn)車和1臺(tái)城際大客車的排放，這2臺(tái)車輛均配裝了理論空燃比火花點(diǎn)燃8.9 L天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)和三效催化器（TWC）排氣后處理系統(tǒng)。在一系列試驗(yàn)循環(huán)（包括冷態(tài)和熱態(tài)EPA城市測(cè)功器行駛循環(huán)（UDDS），碼頭邊、本地和區(qū)域運(yùn)輸車的負(fù)荷循環(huán)，以及城際大客車和垃圾清運(yùn)車行駛循環(huán)）下進(jìn)行了試驗(yàn)。在這些試驗(yàn)循環(huán)下，NOx排放量均達(dá)到了002 g/（hp·h）或更低的水平。事實(shí)上，在某些試驗(yàn)循環(huán)下，NOx排放幾乎為“零”，因?yàn)榇髿庵械腘Ox濃度已高于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的NOx濃度。即使在碼頭邊運(yùn)輸車試驗(yàn)循環(huán)下，NOx排放量也小于0.02 g/（hp·h），而柴油機(jī)在這樣的低負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)是很難達(dá)到SCR所需的高排氣溫度的。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其他氣態(tài)排放物（包括甲烷）的排放量均低于認(rèn)證限值。顆粒物的質(zhì)量排放量也比10 mg/（hp·h）的限值低90%。但是，在某些試驗(yàn)循環(huán)下，顆粒數(shù)排放量則達(dá)到了1.0×1012/mile，至少要比柴油機(jī)配置DPF時(shí)的顆粒數(shù)排放量高出1個(gè)數(shù)量級(jí)。有些顆粒都是成核的顆粒，其中直徑10～20 nm的顆粒濃度最高。Johnson介紹了另外2臺(tái)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的排放情況，1臺(tái)是NOx排放量認(rèn)證值為0.02 g/（hp·h）的12 L發(fā)動(dòng)機(jī)，另1臺(tái)是NOx排放量認(rèn)證值為0.1 g/（hp·h）的6.7 L發(fā)動(dòng)機(jī)。在一系列試驗(yàn)循環(huán)（包括低負(fù)荷試驗(yàn)循環(huán)）下，這2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放量均低于認(rèn)證限值。但NH3的排放量是令人擔(dān)憂的，要比柴油機(jī)的NH3排放量高出10～40倍。同時(shí)，顆粒數(shù)排放量也比配置DPF的柴油機(jī)的排放量高20倍，并超過(guò)了歐洲的顆粒數(shù)排放限值。

研究人員還在探索各種先進(jìn)的燃燒技術(shù)，以便將它們作為減少燃油耗和NOx排放的備選技術(shù)路徑。Regner介紹了在1臺(tái)8級(jí)3缸10.6 L長(zhǎng)途運(yùn)輸車發(fā)動(dòng)機(jī)上采用對(duì)置活塞二行程發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的試驗(yàn)情況。試驗(yàn)的目標(biāo)是要使CO2排放量比2017年GHG目標(biāo)值低10%，同時(shí)還要要使NOx排放量達(dá)到0.02 g/（hp·h）。選擇的排氣后處理系統(tǒng)由緊耦合SCR、DOC、一體式SCR.DPF、SCR和ASC集成組合。模擬的預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，在綜合FTP試驗(yàn)循環(huán)下，該排氣后處理系統(tǒng)能使NOx排放量達(dá)到0.01 g/（hp·h）。NOx排放性能得到改善的原因之一是這些發(fā)動(dòng)機(jī)能使排氣快速熱起來(lái)。Patil等人介紹了在1臺(tái)3缸4.9 L研究發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得的試驗(yàn)結(jié)果，在全球統(tǒng)一的重型車穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)（WHSC）下， 冷起動(dòng)后100 s發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度達(dá)到了250 ℃。為了滿足BS6排放法規(guī)，他們對(duì)1種由DOC、催化型DPF、銅.SCR和ASC組成的排氣后處理系統(tǒng)進(jìn)行了模擬研究。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，SCR的進(jìn)口溫度能在150 s內(nèi)達(dá)到250 ℃，因而能提早供給尿素，并能在冷態(tài)起動(dòng)WHSC試驗(yàn)循環(huán)下使NOx平均轉(zhuǎn)換率達(dá)到98%。良好的NOx轉(zhuǎn)換率為SCR的小型化創(chuàng)造了條件。模擬顯示，即使SCR的容積減小60%，仍有可能使NOx排放量符合法規(guī)要求。

Andersson指出，可以將分開循環(huán)作為降低NOx的技術(shù)路線之一。將工作過(guò)程分?jǐn)偨o多個(gè)氣缸能為排氣后處理系統(tǒng)的高度整合提供1種途徑。在燃燒氣缸與膨脹氣缸之間設(shè)置1個(gè)高壓箱能使NOx實(shí)現(xiàn)均勻還原，高壓箱中700 ℃以上的高溫足以滿足非催化SCR的需要。單缸試驗(yàn)表明，NOx轉(zhuǎn)換率有可能達(dá)到80%。另一種途徑是利用膨脹氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)尿素向氨的轉(zhuǎn)換，以提早激發(fā)下游SCR的反應(yīng)活性。

鑒于低NOx排放法規(guī)草案，要求將SCR使用壽命延長(zhǎng)到800 000～1 000 000 mile，研究人員因此增強(qiáng)了對(duì)良好燃油品質(zhì)的重視程度。燃油中的雜質(zhì)會(huì)增加催化劑失去活性的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，燃油中的總灰分含量增加會(huì)使后處理系統(tǒng)的背壓增加和使用壽命縮短。

3.3?NOx的選擇性催化還原

SCR催化器正在不斷改進(jìn)。Kim等人指出，1種分區(qū)涂層SCR催化器能夠擴(kuò)展熱液穩(wěn)定性，同時(shí)還能保持Cu/LTA分子篩配方的低溫活性。這種催化器由基底材料前端的Cu/LTA催化劑和后端的Cu/SSZ.13催化劑組成，這2種催化劑都用10% H2O在900 ℃下老化了12 h。在實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)SCR條件下，Cu/LTA催化劑200 ℃時(shí)的NOx轉(zhuǎn)換率為30%，而相比之下，Cu/SSZ.13催化劑的NOx轉(zhuǎn)換率為10%。但是，在較溫和的條件下老化時(shí)，這一優(yōu)點(diǎn)則會(huì)喪失，而在680 ℃老化25 h時(shí)，商品催化劑Cu/SSZ.13的表現(xiàn)更好。因此，研究人員提出了上述能發(fā)揮各自長(zhǎng)處的分區(qū)涂層方案。

考慮到重型車低NOx排放法規(guī)對(duì)使用壽命和質(zhì)保的要求明顯提高，Partridge等人介紹了他們正在進(jìn)行的旨在了解SCR減活性過(guò)程的基礎(chǔ)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究。他們采用1種瞬態(tài)響應(yīng)法測(cè)定了SCR反應(yīng)開始時(shí)轉(zhuǎn)換率的變化情況。該方法特別靈敏，因而能用它來(lái)獲得反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的詳細(xì)機(jī)理和參數(shù)。同時(shí)，他們提出了1種銅氧化還原循環(huán)，并設(shè)定了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。未來(lái)的工作是要開發(fā)1個(gè)模型及了解催化劑配方的作用。該研究是1項(xiàng)多年的項(xiàng)目，目前只是該項(xiàng)目實(shí)施的第1年。

必須指出的是，應(yīng)該避免在低于180 ℃的溫度下供給尿素，因?yàn)檫@時(shí)會(huì)生成中間分解產(chǎn)物異氰酸（NHCO），并會(huì)形成沉積物。為此，人們正在開發(fā)各種方法以克服這一問(wèn)題。Hartley等人提出的辦法是，將草酸鈦氨（1種能促使NHCO水解的催化劑）直接融入尿素.水溶液中，并添加1種表面活化劑來(lái)促進(jìn)水蒸發(fā)。結(jié)果顯示，尿素.水溶液中添加了這種新催化劑和表面活化劑后，在180 ℃下能使沉積物減少高達(dá)72%。他們還嘗試了用車載反應(yīng)器來(lái)解決這一問(wèn)題。這種車載反應(yīng)器能利用排氣的廢熱將尿素轉(zhuǎn)換成氨基甲酸脂溶液，并能在60 ℃的溫度下分解出氨。Wilson等人在1臺(tái)歐6乘用車樣車上驗(yàn)證了這一技術(shù)。他們?cè)诟咚俟泛蜕絽^(qū)的行駛條件下測(cè)定了車輛的排放。在這2種行駛條件下，SCR的進(jìn)口溫度為200 ℃或更低，NOx的轉(zhuǎn)換率也相當(dāng)高。Okada等人進(jìn)行了用電熱塞來(lái)促進(jìn)尿素在低溫下分解的試驗(yàn)。試驗(yàn)在1臺(tái)配裝DOC、DPF和SCR后處理系統(tǒng)的6缸7.6 L發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行。在低于180 ℃的溫度下，用6只功率為70 W的電熱塞來(lái)重整尿素。結(jié)果顯示，該重整器產(chǎn)生的氨大于尿素供給量的90%。在各種負(fù)荷下的試驗(yàn)顯示，在SCR進(jìn)口溫度為160 ℃時(shí)，NOx轉(zhuǎn)換率達(dá)到了60%。Lasson等人采用1種新型生物特征泡騰噴射器來(lái)提高尿素溶液的溫度。尿素溶液被儲(chǔ)存在1個(gè)腔室內(nèi)，并用16個(gè)電子棒加熱器進(jìn)行加熱，以每小時(shí)1 kg尿素液流量匹配200 W的電力使尿素溶液的溫度保持在160 ℃。噴射器噴出的噴束會(huì)崩裂成約20 μm的細(xì)小液滴。在噴射器與催化器之間設(shè)置和不設(shè)置混合器板的情況下，在1臺(tái)配裝SCR催化器（它的上游無(wú)其他催化器）的13 L重型車發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)。與商品催化器相比，由于這種噴射器的噴霧得到了改善，因而SCR能達(dá)到較高的轉(zhuǎn)換率。

SCR與DPF一體化的好處是能提高溫度和實(shí)現(xiàn)后處理系統(tǒng)的小型化。因此，預(yù)料該技術(shù)會(huì)在輕型車和重型車排氣后處理中得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)的挑戰(zhàn)是要控制好SCR反應(yīng)和被動(dòng)碳煙再生所需的NO2需求量。Rappe等人開發(fā)了1種選擇性氧化催化劑，它能促使NO氧化成NO2，以用于快速SCR反應(yīng)。他們選擇了1種活性和耐久性較高的10% MnO2/ZrO2催化劑。在實(shí)驗(yàn)室中，他們將這種催化劑與SCR催化劑物理混合后進(jìn)行了試驗(yàn)（前者含量為10%）。研究結(jié)果顯示，在標(biāo)準(zhǔn)SCR條件下，NOx的轉(zhuǎn)換效能明顯增強(qiáng)，這表明在原位形成了快速SCR所需的NO2。他們還研究了這種催化劑的老化情況。研究結(jié)果顯示，反應(yīng)穩(wěn)定性可以保持到650 ℃，但在800 ℃時(shí)反應(yīng)活性明顯減弱。

Robb等人探討了將顆粒過(guò)濾器涂覆SCR催化劑的技術(shù)用于非道路移動(dòng)機(jī)械時(shí)工程上需要考慮的問(wèn)題。他們針對(duì)1臺(tái)7.5 L發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了模擬分析。該發(fā)動(dòng)機(jī)配裝了DOC和涂覆SCR催化劑的顆粒過(guò)濾器。SCR的總?cè)莘e為發(fā)動(dòng)機(jī)排量的3.6倍。通過(guò)模擬，探索了各種進(jìn)口條件對(duì)SCR反應(yīng)和碳煙再生所需NO2的敏感性，以及顆粒過(guò)濾器最終能達(dá)到的碳煙承載量。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，碳煙的平衡點(diǎn)（碳煙進(jìn)入過(guò)濾器和被動(dòng)再生同時(shí)發(fā)生時(shí)留存下來(lái)的碳煙量）對(duì)碳煙/NOx比最敏感。其次是NOx/NO2比，最后是進(jìn)入過(guò)濾器的排氣溫度。研究人員模擬分析了各種非道路移動(dòng)機(jī)械（挖掘裝載機(jī)、履帶式拖拉機(jī)、挖掘機(jī)和農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)）在4種EPA非法規(guī)試驗(yàn)循環(huán)下的性能。結(jié)果顯示，所有模擬對(duì)象的尾管NOx排放量均低于規(guī)定的限值。同時(shí)，模擬結(jié)果還顯示，可以通過(guò)控制上述敏感因素來(lái)管理顆粒過(guò)濾器的碳煙承載量。

Hruby等人在進(jìn)行非道路移動(dòng)機(jī)械排放研究中指出，要防止催化器因暴露在高溫下及因鉑從DOC轉(zhuǎn)移到下游SCR催化器而導(dǎo)致的NOx轉(zhuǎn)換率下降。研究人員用1臺(tái)4.5 L發(fā)動(dòng)機(jī)在63 kW 和110 kW額定功率下按非道路移動(dòng)機(jī)械試驗(yàn)循環(huán)（NRTC）和斜坡模式試驗(yàn)循環(huán)（RMC）進(jìn)行了排放試驗(yàn)。對(duì)以下3種不同的排氣后處理系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究：（1）DOC+純DPF后接柴油機(jī)排氣流（DEF）供給+SCR;（2）DOC后接DEF供給+一體式SCR/DPF+SCR;（3）DOC后接DEF供給+純DPF+SCR。試驗(yàn)結(jié)果顯示，所有這些系統(tǒng)都能符合規(guī)定的NOx和顆粒數(shù)排放限值，其中系統(tǒng)（2）的NOx轉(zhuǎn)換率更高，尤其是在低溫和低負(fù)荷下仍能達(dá)到較高的轉(zhuǎn)換率。但是，系統(tǒng)（2）和（3）在額定功率穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)后性能有所下降。研究發(fā)現(xiàn)，NH3氧化是導(dǎo)致性能下降的原因。將系統(tǒng)（3）中的DPF移到DEF供給點(diǎn)的上游能使性能得以恢復(fù)。這些試驗(yàn)觀察支持如下假設(shè)：DOC中丟失的貴金屬可以被下游的顆粒過(guò)濾器捕獲，這些貴金屬會(huì)使NH3氧化，并會(huì)導(dǎo)致SCR性能損失。另外，他們還將SCR的進(jìn)口溫度提高到600 ℃進(jìn)行了25 h的熱老化試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)（2）的尾管NOx排放量明顯增加，尤其是在高溫下進(jìn)行RMC和額定功率試驗(yàn)時(shí)更是如此。對(duì)顆粒過(guò)濾器的觀察分析發(fā)現(xiàn)，過(guò)濾器前端存在的鉑要比后端的多。

3.4?DOC/NOx吸附器（PNA）/HC收集器

歐6后的輕型車排放法規(guī)、歐6e重型車排放法規(guī)和美國(guó)低NOx排放法規(guī)都把冷起動(dòng)排放作為減排的焦點(diǎn)。行業(yè)正在考慮的NOx減排措施包括：提高DOC的轉(zhuǎn)換率，將NOx和HC儲(chǔ)存在稀NOx收集器（LNT）中，以及采用被動(dòng)NOx吸附器（PNA）和HC收集器。

鈀/沸石 （Pd/Zeolite）催化劑是PNA的主要候選材料。各種研究都把注意力集中在SSZ.13催化劑上，認(rèn)為它是1種很好的選擇。Szanyi等人測(cè)定了Pd/SSZ.13催化劑吸收和釋放NO的情況，發(fā)現(xiàn)Pd的利用率對(duì)催化劑制備途徑、Si/Al比和Pd涂載量非常敏感。當(dāng)Si/Al比為 6時(shí)，Pd的原子分散度是最佳的。此時(shí)，每個(gè)Pd位點(diǎn)能吸收1 g分子的NO。采用原子分散法制備的催化劑具有較好的熱液穩(wěn)定性，在750 ℃下用水蒸氣老化16 h后，性能損失20%。

Crocker還發(fā)現(xiàn)，與Pd/Beta結(jié)構(gòu)分子篩（BEA）催化劑或Pd/CeO2催化劑相比，Pd/CHA催化劑具有更高的儲(chǔ)存效率。NOx的儲(chǔ)存與稀燃狀態(tài)（柴油機(jī)）和理論空燃比狀態(tài)（汽油機(jī)）下的氧濃度無(wú)關(guān)。但是，在其他情況下儲(chǔ)存效率可能會(huì)下降。對(duì)Pd組分的研究顯示，對(duì)NO吸附起主要作用的是Pd+離子，而不是Pd/PdO。

Toops等人在改進(jìn)DOC與被動(dòng)氮氧化物吸附器（PNA）組合方面進(jìn)行的試驗(yàn)研究，他們的目標(biāo)是要在150 ℃時(shí)達(dá)到90%轉(zhuǎn)換率。DOC是1種ZrO2覆蓋在SiO2上的核.殼型催化劑，而Pt/Pd則承載在ZeO2殼上。這種催化劑在800 ℃下經(jīng)受10 h熱液老化后，170 ℃時(shí)的CO轉(zhuǎn)換率能達(dá)到90%。HC轉(zhuǎn)換的反應(yīng)率也很高，但要到250 ℃才能達(dá)到90%轉(zhuǎn)換率。研究人員利用實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器測(cè)定了1%離子交換Pd/SSZ.13催化劑的NOx儲(chǔ)存能力，包括測(cè)定100 ℃時(shí)的NOx儲(chǔ)存能力，以及緊隨其后的解吸附情況。NOx儲(chǔ)存能力會(huì)隨著800 ℃老化后的重復(fù)運(yùn)行次數(shù)增加而降低。ZSM.5催化劑與Pt/Pd SiO2.ZrO2核.殼催化劑組合能使NOx吸附量增加。

Harold等人介紹了最新的做法，目標(biāo)是要在150 ℃下達(dá)到90%轉(zhuǎn)換率，并要使先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到美國(guó)Tier3排放標(biāo)準(zhǔn)。他們探索了1種由PNA、HC收集器、DOC和SCR組成的排氣后處理系統(tǒng)，選擇的基本型PNA也是Pd/SSZ.13催化劑，它能使NOx/Pd的利用率達(dá)到100%，并能在200 ℃時(shí)釋放NOx。他們將各種不同組合的氣體輸入HC收集器進(jìn)行了試驗(yàn)，該HC收集器的基本配方是Pd/H.BEA。氧化催化器的基本配方是Pt/Pd/CeO2。試驗(yàn)結(jié)果顯示，150 ℃時(shí)的轉(zhuǎn)換率幾乎達(dá)到了100%，但是，在這樣低的溫度下NO和HC的氧化是不小的挑戰(zhàn)。

Sethuraman等人探討了DOC與催化型顆粒過(guò)濾器的組合。這一技術(shù)措施能使后處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小型化，并有助于將SCR移到上游位置，以提高NOx轉(zhuǎn)換率。他們對(duì)以下3種組合的系統(tǒng)進(jìn)行了比較：（1）DOC+無(wú)催化涂層DPF;（2）DOC+有催化涂層DPF（鉑系貴金屬含量25%以上）;（3）DOC與有催化涂層DPF（鉑系貴金屬含量12%以上）組合成一體。該系統(tǒng)的容積減小了40%。發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)顯示，系統(tǒng)3的氧化能力要比系統(tǒng)2的低，因?yàn)樗馁F金屬含量較少且催化器容積較小。但是，在350 ℃和碳煙承載量為5 g/L時(shí)，系統(tǒng)3的被動(dòng)碳煙氧化更快，這是由于那些與催化材料接觸的碳煙能更好地利用NO2來(lái)加快氧化的緣故。他們?cè)谂渲孟掠蜸CR和ASC的情況下，按WHTC試驗(yàn)循環(huán)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果顯示，由于系統(tǒng)3熱質(zhì)量減小，因而它能使系統(tǒng)更快地?zé)崞饋?lái)，并允許提早60 s噴射尿素，它的NOx排放量要比其他系統(tǒng)的低33%。

3.5?柴油機(jī)顆粒物控制

DPF已被證實(shí)是1種有效的顆粒物控制技術(shù)，已在輕型車和重型車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。研究人員對(duì)幾百臺(tái)車輛進(jìn)行的車隊(duì)測(cè)量，顯示大多數(shù)采用先進(jìn)顆粒物控制技術(shù)車輛的。顆粒數(shù)排放量都小于2×104/m3，相當(dāng)于10 μg/m3。鑒于主要城市的環(huán)境顆粒物濃度通常都在100 μg/m3，配置DPF的柴油機(jī)車輛是能夠使環(huán)境空氣保持清潔的。盡管如此，為了確保顆粒物排放達(dá)標(biāo)，仍需要繼續(xù)提高DPF的過(guò)濾效率。另外，重型車低NOx排放法規(guī)還提出要進(jìn)一步將顆粒排放限值減少2倍，這也激勵(lì)著人們對(duì)柴油機(jī)和汽油機(jī)顆粒排放控制技術(shù)的研究。

目前，研究人員與正在采用各種先進(jìn)技術(shù)手段來(lái)了解和改善DPF的過(guò)濾性能和壓力降。Cooper等人利用磁共振成像技術(shù)測(cè)定了純DPF和有催化涂層DPF中的流場(chǎng)。他們測(cè)量了顆粒過(guò)濾器進(jìn)出口的紊流擴(kuò)散率。這是過(guò)濾器進(jìn)出口處壓縮和膨脹壓力損失的1個(gè)直接度量。他們還測(cè)量了過(guò)濾器進(jìn)出通道內(nèi)的流速。這是摩擦損失的1個(gè)度量，它還能用來(lái)了解有催化涂層過(guò)濾器壁面滲透性的不均勻度。

Wang等人分析了DPF通道被堵塞進(jìn)而導(dǎo)致過(guò)濾容積減少和背壓明顯上升的現(xiàn)象。他們采用改變碳煙/灰分比來(lái)加快灰分積聚的辦法測(cè)定了DPF的壓力降。研究人員利用成像技術(shù)觀察了灰分的分布情況。在試驗(yàn)中，在碳煙/灰分比較高時(shí)，發(fā)現(xiàn)上游和中間通道位置的灰分沉積量較多。引起堵塞的可能原因是：碳煙量較多時(shí)會(huì)導(dǎo)致再生時(shí)溫度較高和顆粒燒結(jié)。相反，在碳煙量較少時(shí)則會(huì)形成較大的灰團(tuán)群，這些灰團(tuán)群被傳送到通道下游時(shí)會(huì)形成灰塞。Wang和Wong分析了灰分沿過(guò)濾器通道的分布情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，過(guò)濾器通道中部形成的灰塞與較高的壓力降有關(guān)，這與以前的研究結(jié)果相同。

除了采用DPF之外，研究人員還在進(jìn)行減少發(fā)動(dòng)機(jī)碳煙生成的研究。Mueller介紹了1種減少發(fā)動(dòng)機(jī)碳煙生成的新方法“導(dǎo)管噴油法”。這種方法的理念是通過(guò)導(dǎo)管引入噴油來(lái)改善混合氣的形成（圖9）。導(dǎo)管能像本生燈那樣促進(jìn)良好混合，并能改善熱場(chǎng)和速度場(chǎng)。在燃燒容器中進(jìn)行的試驗(yàn)顯示，在NOx不增加情況下碳煙明顯減少，碳煙.NOx之間的均衡關(guān)系比傳統(tǒng)柴油機(jī)的更好。

Svensson和Martin通過(guò)改變導(dǎo)管的長(zhǎng)度（8～14 mm）和導(dǎo)管的安置距離（0.1～6.0 mm）研究了這些幾何尺寸改變對(duì)碳煙減少程度的影響。發(fā)現(xiàn)安置距離較小和導(dǎo)管較長(zhǎng)時(shí)，碳煙減少的效果最佳。

4?汽油機(jī)排放控制

4.1?汽油機(jī)顆粒物控制

在歐洲和中國(guó)，汽油機(jī)顆粒過(guò)濾器 （GPF）已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。它已成為汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)排氣后處理系統(tǒng)1個(gè)不可或缺的組件。鑒于歐7排放標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)對(duì)所有車輛統(tǒng)一，并會(huì)對(duì)試驗(yàn)和排放達(dá)標(biāo)提出更高的要求，預(yù)料GPF技術(shù)也會(huì)在氣道噴油發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得更多的應(yīng)用。目前，人們繼續(xù)在研究灰分對(duì)GPF性能的影響。Liu等人對(duì)1只空穴率為65%的純GPF進(jìn)行了承載氧化鋁氣溶膠人造灰分的試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，灰分承載量為1.2 g/L時(shí)，GPF的過(guò)濾效率提高了30%。GPF對(duì)較小碳煙顆粒的過(guò)濾效率已經(jīng)很高了，承載灰分時(shí)GPF對(duì)較大碳煙顆粒的過(guò)濾效率明顯提高。他們還在各種認(rèn)證試驗(yàn)循環(huán)下對(duì)1臺(tái)配裝GPF的2017年型2.3 L汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)。在0.5 g/L和1.5 g/L 2種灰分承載量下（大致相當(dāng)于行駛5 000～7 000 mile的積灰量）進(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)果顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)在FTP試驗(yàn)循環(huán)下運(yùn)行時(shí)顆粒物排放量平均為2 mg/mile。GPF的過(guò)濾效率隨著灰分承載量的增加而提高，在灰分承載量較高時(shí)，車輛尾管的顆粒物排放量能達(dá)到0.2 g/mile。GPF過(guò)濾效率提高與灰膜形成有關(guān)，因?yàn)榛夷つ軠p少碳煙顆粒的滲透和阻止碳煙從過(guò)濾器壁逸出。

Xia等人用發(fā)動(dòng)機(jī)快速老化的方法測(cè)定了有催化涂層GPF的耐久性。研究人員在1臺(tái)采用有催化涂層GPF的1.6 L汽油直噴車上進(jìn)行了試驗(yàn)，并開發(fā)了1種3段式加速老化方案，代表了因灰分、碳煙和熱暴露而產(chǎn)生的老化狀況。GPF承載的灰分為25 g/L，以模擬車輛行駛200 000 km的積灰情況。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在清潔狀態(tài)時(shí)，GPF的過(guò)濾效率為75%，在老化結(jié)束時(shí)，過(guò)濾效率幾乎提高到了100%。這再一次證實(shí)，GPF能確保車輛隨著行駛時(shí)間的增加而變得更清潔。

Sterlepper等人探討了灰分累積對(duì)過(guò)濾性能和氣態(tài)排放物轉(zhuǎn)換性能的影響。他們?cè)谌紵髟囼?yàn)臺(tái)上進(jìn)行了使GPF快速承載灰分的試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，清潔狀態(tài)的過(guò)濾器效率為75%，在灰分承載量很少時(shí)（低于1 g/L），過(guò)濾效率就快速達(dá)到90%，當(dāng)灰分承載量進(jìn)一步增加時(shí)，過(guò)濾效率幾乎達(dá)到了100%。灰分沿過(guò)濾器通道壁的沉積厚度從進(jìn)口到出口呈逐漸增加的態(tài)勢(shì)，幾乎沒(méi)有灰分進(jìn)入過(guò)濾器壁的空穴。他們還進(jìn)行了觀察灰分與TWC相互作用的試驗(yàn)，結(jié)果如圖10 所示。實(shí)測(cè)的氧儲(chǔ)存能力隨著灰分增加而減少。傳統(tǒng) TWC在遭受灰分時(shí)，它的氧儲(chǔ)存能力會(huì)快速下降，而在相同的時(shí)間內(nèi)，有催化涂層DPF的氧儲(chǔ)存能力則沒(méi)有明顯減少。該研究的結(jié)論是：灰分是通過(guò)掩蓋催化層和使催化劑中毒，進(jìn)而阻止有害氣體與催化劑接觸來(lái)降低TWC活性的。采用有催化涂層的GPF時(shí)則可以避免催化劑涂層被灰分掩蓋，因?yàn)橛泻怏w會(huì)被迫通過(guò)過(guò)濾器薄壁，并使它們與催化劑保持良好接觸。

在車輛減速時(shí)切斷燃油會(huì)使排氣中的氧濃度升高，因而促使碳煙氧化。Feng等人通過(guò)道路行駛試驗(yàn)測(cè)定了切斷燃油時(shí)純GPF和有催化涂層GPF的碳煙氧化速率。試驗(yàn)在汽油直噴和多點(diǎn)噴油發(fā)動(dòng)機(jī)車輛上進(jìn)行，GPF分別安裝在車身下和緊耦合位置。在試驗(yàn)前，GPF承載了5 g/L的灰分，并通過(guò)車輛加速運(yùn)行使GPF的進(jìn)口溫度達(dá)到550～850 ℃。在切斷燃油后，測(cè)定了GPF的再生溫度隨進(jìn)口溫度和碳煙承載量變化的關(guān)系。研究人員用模擬的方法了解這些數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)。模擬結(jié)果顯示，在進(jìn)口溫度較低時(shí)（550～650 ℃），過(guò)濾器溫度上升受到流體動(dòng)力學(xué)的限制，而在進(jìn)口溫度較高時(shí)，碳煙質(zhì)量會(huì)限制過(guò)濾器溫度上升。有催化涂層GPF的溫度上升幅度比較大，這可能是由于TWC發(fā)生附加放熱反應(yīng)的緣故。利用該模型，可以找到1個(gè)使GPF最高溫度不超過(guò)故障極限的斷油策略。

涂層技術(shù)的進(jìn)步增強(qiáng)了催化劑對(duì)有害氣體的轉(zhuǎn)換效能。Schonhaber介紹了采用催化涂層增加30%或采用先進(jìn)催化劑配方來(lái)提高TWC活性的試驗(yàn)結(jié)果。催化劑的改進(jìn)包括降低HC和NOx催化劑的點(diǎn)火溫度（降低50～75 ℃）和增強(qiáng)NOx的轉(zhuǎn)換效能。

混合動(dòng)力系統(tǒng)能改善車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，并且能在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛時(shí)減少有害污染物的排放。然而，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)次數(shù)增加會(huì)導(dǎo)致顆粒物排放增加。Yang等人測(cè)定了2臺(tái)符合國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的混合動(dòng)力車的實(shí)際行駛排放量，1臺(tái)配裝2 L汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，另1臺(tái)配裝的是1.8 L氣道噴油發(fā)動(dòng)機(jī)。他們將排放測(cè)量結(jié)果與只采用內(nèi)燃機(jī)的同一車型的排放值作了比較。2臺(tái)混合動(dòng)力車的顆粒數(shù)排放量都比較高，達(dá)到了1×1012/km，已高于歐洲和中國(guó)第六階段的顆粒數(shù)排放限值。瞬態(tài)分析表明，顆粒數(shù)排放量與發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)次數(shù)及CO排放高相關(guān)。造成這一結(jié)果的主要原因是燃油加濃。令人更擔(dān)憂的是，雖然氣道噴油發(fā)動(dòng)機(jī)的總顆粒數(shù)排放量比較低，但是在城區(qū)行駛時(shí)，它會(huì)因頻繁的起動(dòng).停車而導(dǎo)致顆粒質(zhì)量排放量比較高。他們分析了試驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中的充電狀態(tài)。得出的結(jié)論是：目前采用的只考慮燃油經(jīng)濟(jì)性的充電管理策略并不是最佳的辦法，有待進(jìn)一步改進(jìn)。采用GPF也被視為是混合動(dòng)力車的1個(gè)解決方案。Thoms等人進(jìn)一步分析了混合動(dòng)力車的顆粒物尺寸分布，發(fā)現(xiàn)只是在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)成核狀態(tài)的顆粒（約20 nm），而在熱態(tài)起動(dòng)時(shí)則不會(huì)產(chǎn)生這種顆粒。顆粒數(shù)排放總量對(duì)蓄電池的初始充電狀態(tài)比較敏感，充電量低會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁起動(dòng)，從而產(chǎn)生較高的顆粒物排放。

為了減少發(fā)動(dòng)機(jī)自身的顆粒數(shù)排放量和改善GPF的性能，研究人員正在開展探索噴油系統(tǒng)對(duì)碳煙生成影響的基礎(chǔ)性研究。Easter等人的研究發(fā)現(xiàn)，碳煙的形態(tài)和反應(yīng)率會(huì)影響GPF的過(guò)濾性能和再生性能，而這又與噴油參數(shù)有關(guān)。他們?cè)?臺(tái)2 L汽油直噴渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)，測(cè)定了某個(gè)固定工況下以不同噴油正時(shí)運(yùn)行時(shí)的顆粒物排放。試驗(yàn)結(jié)果顯示，推遲噴油時(shí)生成的顆粒初始尺寸較小，且呈枝狀結(jié)構(gòu)。它們能使GPF產(chǎn)生較高的過(guò)濾效率。碳煙的反應(yīng)率與噴油參數(shù)有關(guān)，早噴油時(shí)生成的碳煙燃燒速率比較低，這被假設(shè)為是灰分/碳煙比隨噴油正時(shí)改變的緣故。

Bock等人觀測(cè)了燃油品質(zhì)和各種燃燒方式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放和有催化涂層GPF過(guò)濾效率的影響。研究人員使1臺(tái)2 L自然吸氣汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)分別以理論空燃比燃燒、稀氣均質(zhì)燃燒和稀氣分層燃燒的方式運(yùn)行，采用7種具有不同芳香烴和乙醇含量的燃油進(jìn)行了試驗(yàn)。燃用乙醇含量最高（50%）的燃油時(shí)，在高負(fù)荷下，以稀氣均質(zhì)燃燒方式運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的顆粒物最多，而以稀氣分層燃燒方式運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的顆粒物最少。乙醇是通過(guò)較高的含氧量、較高的汽化熱和芳香烴置換而生成顆粒物的。該試驗(yàn)結(jié)果表明，顆粒物生成對(duì)燃油成分和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況是十分敏感的。在稀氣分層燃燒時(shí)，當(dāng)碳煙含量為25 mg/L時(shí)，GPF的過(guò)濾效率從清潔狀態(tài)的60%快速提高到了95%以上，而在稀氣均質(zhì)燃燒時(shí)，過(guò)濾效率增加就沒(méi)有這樣快。過(guò)濾效率演變的差異與排氣溫度和顆粒尺寸分布有關(guān)聯(lián)，而后者又與燃燒方式有關(guān)。研究人員發(fā)現(xiàn)，在235 ℃時(shí)就開始碳煙再生了。由于稀氣均質(zhì)燃燒時(shí)排氣溫度較高，而且顆粒的大小剛好能穿透過(guò)濾器壁，因而導(dǎo)致過(guò)濾效率較低。在稀燃狀態(tài)下排氣中有充裕的氧氣，因而碳煙氧化能在較低的溫度下發(fā)生，尤其是在有TWC涂層時(shí)更為明顯。

Fanick等人比較了2臺(tái)不同車輛的排放情況，1臺(tái)為氣道噴油發(fā)動(dòng)機(jī)車輛，另1臺(tái)為氣道噴油和汽油直噴雙噴油系統(tǒng)車輛。試驗(yàn)結(jié)果顯示，添加汽油直噴后，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性提高了約10%，NMOG+NOx排放量減少了50%，但顆粒物排放量因直噴的緣故增加了3倍。

行業(yè)內(nèi)試圖提高噴油壓力的趨勢(shì)仍在繼續(xù)。Min等人將Hyundai.Kia公司的1.5 L渦輪增壓汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油壓力由25 MPa提高到35 MPa，并進(jìn)行了試驗(yàn)。研究人員發(fā)現(xiàn)仍然需要采用GPF。提高噴油壓力和優(yōu)化噴油器設(shè)計(jì)不僅能減少發(fā)動(dòng)機(jī)自身的顆粒數(shù)排放量，而且還能減少因燃油品質(zhì)差而引起的顆粒數(shù)變化。

Piock等人提供了20～80 MPa噴油壓力對(duì)顆粒排放影響的相關(guān)數(shù)據(jù)。隨著噴油壓力的提高，顆粒數(shù)排放量會(huì)減少，并且噴油器頂端的積炭也會(huì)減少。他們針對(duì)1臺(tái)C級(jí)車輛按全球統(tǒng)一的輕型車瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)（WLTC）進(jìn)行了模擬分析，并預(yù)測(cè)了從20 MPa起提高噴油壓力對(duì)顆粒物排放的影響。結(jié)果顯示，噴油壓力為35 MPa時(shí)，顆粒排放量減少了20%～70%，噴油壓力為60 MPa時(shí)，顆粒排放量減少了30%～90%。另外，因?yàn)槿紵玫搅烁纳疲A(yù)計(jì)提高噴油壓力還能使燃油耗降低1%～2%。Moren等人打算推出1種采用45 MPa噴油壓力和配置GPF的新汽油機(jī)。可以預(yù)計(jì)，在低氣溫下試驗(yàn)時(shí)和計(jì)入23 nm以下顆粒時(shí)，氣道噴油發(fā)動(dòng)機(jī)自身的顆粒排放量會(huì)更高，因此，必須采用GPF。

Giechaskiel等人回顧了歐洲汽油車顆粒物排放的演變情況，并匯總了1990—2019年的車輛顆粒物排放量數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的提高，顆粒的質(zhì)量排放量和顆粒數(shù)排放量均逐年明顯下降。毫無(wú)疑問(wèn)，現(xiàn)有的汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)車輛配裝GPF后都達(dá)到了非常低的顆粒數(shù)排放量。氣道噴油發(fā)動(dòng)機(jī)車輛的顆粒數(shù)排放量很高，通常在1×1011～3×1012/km范圍內(nèi)，幾乎有三分之一的氣道噴油車輛都超過(guò)了6×1011/km的顆粒數(shù)限值。另外，當(dāng)試驗(yàn)測(cè)量在-7 ℃下進(jìn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)自身的顆粒數(shù)排放量增加了2～4倍，并且全部超過(guò)6×1011/km的限值（圖11）。然而，配置GPF的汽油直噴車輛即使在低環(huán)境溫度下運(yùn)行其顆粒物排放量也沒(méi)有明顯增加。當(dāng)計(jì)入23 nm以下甚至10 nm顆粒時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)自身的顆粒數(shù)排放量都有所增加，氣道噴油發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒數(shù)排放量增加較多（高達(dá)75%），而汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒數(shù)排放量增加較少（45%～60%）。

為了測(cè)定小到10 nm的顆粒數(shù)，研究人員正在開發(fā)新的測(cè)試方法。Andersson等人開發(fā)了1種便攜式排氣顆粒采樣系統(tǒng)，用于測(cè)量了各種車輛（柴油機(jī)車輛、汽油直噴車輛、氣道噴油車輛、壓縮天然氣車輛和摩托車）在配置和不配置顆粒過(guò)濾器時(shí)的小到10 nm的顆粒數(shù)排放量。與計(jì)入23 nm以上顆粒的情況相比，計(jì)入10 nm顆粒時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)自身排放的顆粒數(shù)增加了5～10倍。當(dāng)計(jì)入小到10 nm顆粒時(shí)，某些發(fā)動(dòng)機(jī)（包括只配置TWC的壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)）的顆粒數(shù)排放量都超過(guò)了現(xiàn)行的顆粒數(shù)排放限值6×1011/km。他們進(jìn)一步測(cè)量了計(jì)入10 nm以下的顆粒數(shù)排放量。結(jié)果顯示，如果法規(guī)要求測(cè)定10 nm以下的顆粒數(shù)，那么氣道噴油.壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)超過(guò)顆粒數(shù)限值的風(fēng)險(xiǎn)特別大。采用顆粒過(guò)濾器是捕集23 nm以下顆粒的有效手段。

Zinola等人測(cè)定了1臺(tái)歐6b車輛計(jì)入23 nm以下顆粒的顆粒數(shù)排放量。該車輛配裝的是4缸渦輪增壓雙噴油系統(tǒng)（汽油直噴和氣道噴油）發(fā)動(dòng)機(jī)。結(jié)果顯示，在計(jì)入23 nm以下顆粒的情況下，實(shí)測(cè)的顆粒數(shù)排放量增加了20%～80%。顆粒數(shù)排放量增加對(duì)燃油品質(zhì)、所用潤(rùn)滑油的硫酸鹽灰分（SAPS）含量、車輛行駛狀態(tài)和發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)溫度較為敏感。采用E25和高硫燃油時(shí)，顆粒數(shù)排放量會(huì)增加，冷起動(dòng)后顆粒數(shù)排放量會(huì)明顯增加。

GPF能解決低氣溫時(shí)顆粒數(shù)排放量增加的問(wèn)題，并能捕獲23 nm以下的顆粒。Suarez.Berton等人評(píng)定了1臺(tái)配置GPF的歐6b 1.4 L汽油直噴車輛的顆粒物排放性能。在全球統(tǒng)一的輕型車試驗(yàn)規(guī)程（WLTP）試驗(yàn)循環(huán)下，顆粒數(shù)排放量的范圍為3.5×1010～7×1010/km，其中包括了-7 ℃和計(jì)入小到10 nm顆粒時(shí)的測(cè)量值。他們還在道路上測(cè)定了實(shí)際行駛條件下和動(dòng)態(tài)行駛狀態(tài)下的顆粒排放。結(jié)果顯示，所有情況下的顆粒數(shù)排放量都小于5×1010/km，排放量比規(guī)定的限值低了1個(gè)數(shù)量級(jí)。

Araji和Stokes在23 ℃和-7 ℃的情況下，測(cè)定了1臺(tái)氣道噴油和2臺(tái)汽油直噴輕型卡車在裝和不裝GPF時(shí)的尾管顆粒物排放。測(cè)量在FTP.75和US06試驗(yàn)循環(huán)下進(jìn)行。氣道噴油車和1臺(tái)汽油直噴車配置了純GPF ，而另1臺(tái)汽油直噴車配置的是有催化涂層的GPF。在所有的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)溫度下，GPF的過(guò)濾效率在53%～89%范圍內(nèi)，有催化涂層GPF的過(guò)濾效率較低，但它對(duì)有害氣體的轉(zhuǎn)換率較高。試驗(yàn)中也出現(xiàn)過(guò)炭煙排放，在FTP.75試驗(yàn)循環(huán)下，GPF的過(guò)濾效率能達(dá)到64%～95%。

由這些初步的結(jié)果可以預(yù)料，GPF將是應(yīng)對(duì)歐6后排放法規(guī)的1個(gè)可靠的解決方案。然而，為了應(yīng)對(duì)不斷收緊的排放法規(guī)，預(yù)料未來(lái)幾年中對(duì)GPF過(guò)濾效率的要求只會(huì)更高。

4.2?汽油機(jī)氣態(tài)排放物控制

提高理論空燃比汽油機(jī)有害氣體轉(zhuǎn)換效率的重要路徑是減少冷起動(dòng)排放和更早地激活TWC?？梢灶A(yù)料，CO排放限值降低和要求減少燃油加濃，將會(huì)促使發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)工況范圍內(nèi)都采用過(guò)量空氣系數(shù)λ=1的空燃比運(yùn)行。一系列最新的輕度混合動(dòng)力車顯示，為了從遵守歐6/國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)變?yōu)樽袷靥爻团欧跑嚕⊿ULEV）排放標(biāo)準(zhǔn)，必須使催化器的容積增加50%，并且要將緊耦合TWC進(jìn)一步上移到渦輪安裝位置。渦輪前的排氣溫度從980 ℃提高到1 030 ℃，并采用整體式排氣歧管，也能擴(kuò)大λ=1的運(yùn)行范圍和使燃油加濃減至最少，進(jìn)而減少CO排放。

隨著歐7排放法規(guī)的實(shí)施，預(yù)料將要求汽油機(jī)的排氣后處理系統(tǒng)有更大的進(jìn)步。Schmitz在1臺(tái)歐6b 1.4 L汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)上采用了車身下安裝的4 kW電加熱催化器。在WLTC工況下進(jìn)行的試驗(yàn)顯示，催化器加熱有助于減少冷起動(dòng)排放，HC排放減少了45%。然而，即使采用電加熱催化器，因老化而導(dǎo)致的催化性能惡化也不能完全恢復(fù)原狀。在上游設(shè)置1個(gè)HC捕集器能使HC排放量比基準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)降低66%。眾所周知，在濃混合氣狀態(tài)下運(yùn)行容易生成氨?？紤]到未來(lái)的排放法規(guī)有可能會(huì)限制氨的排放，他們還對(duì)采用SCR和ASC的后處理系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分別用SCR和ASC代替車身下安裝的TWC。在WLTC試驗(yàn)循環(huán)下，二者都能使尾管的NH3排放量接近或低于1 mg/km，ASC的減排效果更好。采用SCR的系統(tǒng)還能使NOx進(jìn)一步減少20%（與只用TWC的系統(tǒng)相比）。

進(jìn)一步減少NOx排放和燃油耗是業(yè)內(nèi)繼續(xù)追求的目標(biāo)。在車輛減速過(guò)程中切斷燃油能減少燃油耗，但是在重新開始噴油時(shí)，過(guò)量的氧氣會(huì)導(dǎo)致催化劑飽和，并會(huì)抑制NOx的轉(zhuǎn)換。Choi等人開發(fā)了1種“切斷燃油時(shí)用的NOx捕集器”，并將其中的NOx儲(chǔ)存功能添加到車身下TWC中。在300～500 ℃的排氣溫度下進(jìn)行的切斷燃油試驗(yàn)顯示，這種新催化器的NOx轉(zhuǎn)換率有所提高，尤其是在溫度較低時(shí)更為明顯。他們還將該催化器安裝在更下游的位置進(jìn)行了試驗(yàn)，以降低進(jìn)口溫度。研究人員用1臺(tái)配置4缸2.4 L發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛在FTP.75試驗(yàn)循環(huán)下進(jìn)行了試驗(yàn)。將LEV Ⅲ ULEV70車輛切斷燃油100 s的運(yùn)行性能與SULEV30車輛的性能作了比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，ULEV70車輛采用切斷燃油時(shí)用的催化器后，NOx排放量降低到了SULEV30車輛的排放水平，同時(shí)切斷燃油還減少了車輛的燃油消耗。

有些研究人員已開始探索車輛實(shí)現(xiàn)接近零排放或“負(fù)”排放的可能性（“負(fù)”排放是指車輛尾管排放物的濃度低于環(huán)境污染物的濃度）。Kawaguchi等人的試驗(yàn)證實(shí)，1臺(tái)2016年型Prius Prime插電式混合動(dòng)力車在經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，在FTP.75試驗(yàn)循環(huán)下的NMOG+NOx排放量為3 mg/km（它比SULEV30車輛的排放限值低了90%），在WLTC試驗(yàn)循環(huán)下NOx排放量為1 mg/km。在進(jìn)行FTP試驗(yàn)循環(huán)時(shí)，該車輛后處理系統(tǒng)中的第1只催化器預(yù)熱了55 s。在催化器預(yù)燃期間，車輛由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，因而避免了冷起動(dòng)排放。同樣，Thewes等人模擬分析了1臺(tái)2.0 L汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)在WLTC工況下的性能，并提出了1個(gè)能在燃油補(bǔ)償量最少的情況下使尾管污染物排放接近大氣污染物濃度的解決方案。結(jié)果顯示，在發(fā)動(dòng)機(jī)開動(dòng)前使催化器預(yù)熱是必須的，這種預(yù)燃可以通過(guò)電加熱和二次空氣流來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，他們添加了1個(gè)HC捕集器，以使發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后的幾秒內(nèi)排放減至最少。為了確保顆粒物排放接近零，研究人員還添加了1個(gè)過(guò)濾效率較高的GPF。有分析指出，催化器預(yù)熱77 s并在500 ℃的溫度下激活催化劑是最佳的。如此高的預(yù)熱度將要求車輛采用重度混合動(dòng)力系統(tǒng)。計(jì)算表明，與歐6d TEMP標(biāo)準(zhǔn)的水平相比，燃油耗要增加4.5%。

4.3?稀燃汽油機(jī)NOx控制

Parks等人介紹了1臺(tái)4缸2.0 L稀燃汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制的最新情況。該發(fā)動(dòng)機(jī)在4 500 r/min和75%負(fù)荷之前采用稀燃運(yùn)行，之后切換成理論空燃比運(yùn)行。稀燃區(qū)運(yùn)行的空燃比范圍為1.4～2.2。更新后的排氣后處理系統(tǒng)包括：1個(gè)只含Pd的TWC和后接的能儲(chǔ)存NOx和生成NH3的催化器、1個(gè)控制顆粒物的GPF、1個(gè)銅.沸石被動(dòng)SCR（無(wú)尿素）、1個(gè)能阻止CO、HC和NH3逃逸的吸除催化器。與理論空燃比運(yùn)行的基本型發(fā)動(dòng)機(jī)相比，該發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性提高了8.3%。在不配置吸除催化器的情況下，該后處理系統(tǒng)能在Pseudo.瞬態(tài)6工況試驗(yàn)循環(huán)下滿足第3階段第30級(jí)（ Tier3 Bin30）的NOx+NMHC限值（30 mg/mile）要求。要使CO排放量降低到接近1 g/mile的限值，采用吸除催化器是必不可少的，盡管它會(huì)導(dǎo)致一些NH3轉(zhuǎn)換成NOx。這表明還需要做更多的研究工作。

Jung和Kim同時(shí)提出了1種后處理系統(tǒng)方案，就是在采用被動(dòng)SCR的后處理系統(tǒng)中再添加1個(gè)能產(chǎn)生氨的催化器和1個(gè)CO吸除催化器。試驗(yàn)結(jié)果顯示，按FTP.75試驗(yàn)循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)自身NOx排放量高達(dá)10 g的情況下，該后處理系統(tǒng)能滿足SULEV30車輛的排放限值要求，且燃油補(bǔ)償小于1%。CO逃逸量為0.1 g/mile，它比限值低了1個(gè)數(shù)量級(jí)。

Osborne等人介紹了開發(fā)2.0 L渦輪增壓汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的最新信息。該發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)以稀氣均質(zhì)燃燒方式運(yùn)行，在高負(fù)荷時(shí)以理論空燃比方式運(yùn)行。為了提高增壓壓力，配置了1只可變截面渦輪增壓器和1只48 V電動(dòng)增壓器，同時(shí)利用可變凸輪正時(shí)和可變氣門升程實(shí)現(xiàn)米勒循環(huán)運(yùn)行。NOx控制系統(tǒng)包括：緊耦合LNT、車身下安裝的帶尿素噴射的SCR催化器和低壓EGR。SCR為鐵.基催化劑，它能在理論空燃比燃燒時(shí)氧氣較少的情況下保持較高的耐久性。同時(shí)，他們還添加了1個(gè)電加熱催化器和1個(gè)GPF系統(tǒng)。該GPF系統(tǒng)能過(guò)濾23 nm以下的顆粒，在計(jì)入小到10 nm的顆粒時(shí)，它的過(guò)濾效率從85%提高到了96%。目前，車輛的開發(fā)和標(biāo)定工作正在進(jìn)行之中，目標(biāo)是要使燃油經(jīng)濟(jì)性提高15%。

4.4?甲烷氧化催化器

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)必須解決甲烷逃逸的問(wèn)題。因?yàn)榧淄槭?種強(qiáng)效的溫室氣體，它很難在TWC的點(diǎn)火溫度下被轉(zhuǎn)換。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)和提高催化效率，研究人員繼續(xù)在探索催化劑和合成技術(shù)。

Harold等人提出了采用尖晶石與低含量貴金屬組合的辦法來(lái)有效控制天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)車輛的甲烷和NOx排放。他們將95%Pt和5%Pd的貴金屬催化劑與Mn0.5Fe2.5O4尖晶石催化劑混合后進(jìn)行了流動(dòng)反應(yīng)器試驗(yàn)研究。在穩(wěn)態(tài)給氣的狀態(tài)下，研究人員發(fā)現(xiàn)尖晶石本身的活性很差。但是，在試驗(yàn)中調(diào)制供給氣體中的氧氣時(shí)，尖晶石的活性明顯增強(qiáng)。尖晶石似乎是依靠增加氧儲(chǔ)存量和保持貴金屬活性狀態(tài)來(lái)增強(qiáng)活性的。他們通過(guò)改變氧氣濃度在λ為0.98～1.00的范圍內(nèi)進(jìn)行了試驗(yàn)。在1 Hz的頻率下，甲烷的轉(zhuǎn)換效率隨著氧氣的調(diào)制幅度增加而提高。甲烷轉(zhuǎn)換效率最佳時(shí)的點(diǎn)火溫度為350 ℃。他們對(duì)涂層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察研究，發(fā)現(xiàn)尖晶石與貴金屬貼近并不重要，而且單涂層組合和雙涂層組合的效果是相同的。

Cut的試驗(yàn)證實(shí)，Pd基催化劑能增強(qiáng)甲烷的轉(zhuǎn)換效能。他們采用1種合成技術(shù)，將Pd.CeOx固溶體與SiO2固封在一起，以形成1種殼.核催化劑。在實(shí)驗(yàn)室條件下，這種催化劑的甲烷點(diǎn)火溫度為400 ℃。有人開發(fā)了1種單原子Pd/Rh.CeO2催化劑，它的性能更好，在350 ℃下轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到80%。

5?結(jié)語(yǔ)

在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，本文詳細(xì)回顧了輕型車和重型車領(lǐng)域排放法規(guī)、發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和排放控制技術(shù)的最新發(fā)展動(dòng)向?，F(xiàn)將要點(diǎn)總結(jié)如下。

5.1?排放法規(guī)

歐洲設(shè)定了最嚴(yán)格的CO2排放標(biāo)準(zhǔn)，要求到2030年CO2排放量比2021年的基準(zhǔn)值減少37.5%。2018年測(cè)得的車隊(duì)CO2平均排放量增加了2 g/km，這可能會(huì)增加2020—2021年排放超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。

美國(guó)的排放法規(guī)存在很大的不確定性，其中有1項(xiàng)法規(guī)草案提出，要撤銷加利福尼亞州制訂本州GHG和ZEV標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)利。目前，該法案正面臨訴訟。

中國(guó)將2023年的新能源車信貸目標(biāo)擴(kuò)大到了18%。為了強(qiáng)調(diào)能源效率，修改了信貸的計(jì)算方法，降低了最高信貸額度，并對(duì)燃油效率高的車輛（如混合動(dòng)力車）獲得新能源車信貸作出了規(guī)定。

目前，6個(gè)主要國(guó)家的CO2排放法規(guī)已經(jīng)發(fā)布到位。歐洲批準(zhǔn)了第1部CO2排放法規(guī)，要求到2030年CO2排放量比2019年的減少30%。

CARB提出了重型車ZEV的銷售目標(biāo)，要求從2024年開始到2030年7.8級(jí)的牽引卡車和4.8級(jí)的專用卡車的ZEV銷量分別增加15%和50%。

正在討論的歐6后排放法規(guī)的要點(diǎn)主要包括：收緊排放限值，規(guī)定其他排放組分（如NO2、N2O等）的排放限值，將23 nm以下的顆粒計(jì)入顆粒數(shù)排放量，以及要求在-7 ℃的低溫下進(jìn)行試驗(yàn)。

加利福尼亞州的超低NOx排放法規(guī)草案的主要目標(biāo)包括：擬將低負(fù)荷排放納入考核范圍，將實(shí)際行駛試驗(yàn)的考核分析方法由NTE法改為移動(dòng)平均窗口法，以及要求2027年的排放限值比目前的限值降低90%。美國(guó)EPA正在仿效這一做法，預(yù)計(jì)將會(huì)在2027年以前與加利福尼亞州協(xié)調(diào)一致。

歐6e排放法規(guī)已經(jīng)發(fā)布，它要求在進(jìn)行型式認(rèn)證和實(shí)際行駛排放達(dá)標(biāo)試驗(yàn)時(shí)，將冷起動(dòng)排放納入考核范圍，并要求采用便攜式排放測(cè)量系統(tǒng)（PEMS）測(cè)定顆粒數(shù)排放量。

中國(guó)的國(guó)六b排放標(biāo)準(zhǔn)已開始在北京的城市車輛和新卡車領(lǐng)域?qū)嵤?。非道路移?dòng)機(jī)械第四階段排放法規(guī)的正式發(fā)布已被推遲，盡管該法規(guī)原來(lái)打算在2020年開始實(shí)施。

5.2?發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

試驗(yàn)證實(shí)，1臺(tái)2018年的非混合動(dòng)力車用的4缸2.5 L自然吸氣阿特金森循環(huán)汽油機(jī)的最高有效熱效率（BTE）已達(dá)到了39.8%。模擬顯示，在不采用電動(dòng)化技術(shù)的情況下，通過(guò)減輕質(zhì)量、減少空氣動(dòng)力學(xué)阻力和滾動(dòng)阻力、停缸等技術(shù)途徑能使溫室氣體排放減少35%。

單缸發(fā)動(dòng)機(jī)研究顯示，采用米勒循環(huán)、高壓縮比、先進(jìn)渦輪增壓、冷卻EGR、噴水和稀氣均質(zhì)燃燒等技術(shù)的組合能使BTE達(dá)到45%。

與2015年的汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)相比，汽油壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)以及輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)能使燃油耗降低高達(dá)44%。在寬廣的發(fā)動(dòng)機(jī)工況范圍內(nèi)，最低燃油耗均低于200 g/（kW·h）。

可以預(yù)測(cè)，到2030年，純電動(dòng)汽車可能會(huì)贏得20%～30%的市場(chǎng)份額。但是，今后十年內(nèi)銷售的新車中大多數(shù)仍然會(huì)配裝內(nèi)燃機(jī)。如今最好的混合動(dòng)力車“從搖籃到墳?zāi)埂钡娜芷贑O2排放量與最好的純電動(dòng)汽車的排放量是相同的。在蓄電池尺寸歸一化的情況下，混合動(dòng)力車能更有效地減少CO2排放。

當(dāng)柴油機(jī)的BTE達(dá)到超級(jí)卡車Ⅱ計(jì)劃的目標(biāo)值（BTE為55%）時(shí)，能使CO2排放量減少15%～17%。當(dāng)與改善空氣動(dòng)力學(xué)和滾動(dòng)阻力等技術(shù)措施相結(jié)合時(shí)，預(yù)料車輛的CO2排放量能減少高達(dá)30%。采用可再生燃油和生物質(zhì)燃油能使CO2減排量提高80%，混合動(dòng)力車能使城區(qū)行駛情況下的CO2排放量減少高達(dá)30%。為實(shí)現(xiàn)超級(jí)卡車Ⅱ計(jì)劃目標(biāo)而采用的技術(shù)途徑是：改進(jìn)燃燒和空氣管理，減輕質(zhì)量，減少空氣動(dòng)力學(xué)阻力和滾動(dòng)阻力，廢熱回收利用，以及采用輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)。

在2025—2030年內(nèi)，全電動(dòng)卡車的價(jià)格可以實(shí)現(xiàn)與內(nèi)燃機(jī)車輛平價(jià)。盡管基礎(chǔ)設(shè)施仍然是障礙之一，但是充電網(wǎng)絡(luò)的利用率和成本可能會(huì)使8級(jí)卡車實(shí)現(xiàn)平價(jià)的時(shí)間再推遲5～10年，估計(jì)要到2030年以后才能實(shí)現(xiàn)平價(jià)。

符合歐6d排放法規(guī)的車輛的排放法規(guī)和新技術(shù)有效地促進(jìn)了汽車排放的明顯降低，柴油機(jī)車輛是可以實(shí)現(xiàn)清潔運(yùn)行的。盡管柴油機(jī)車輛的市場(chǎng)份額遭受了一些損失，但是2019年仍然有新發(fā)動(dòng)機(jī)陸續(xù)推出。為了應(yīng)對(duì)歐6后的排放法規(guī)，人們正在開展排氣后處理系統(tǒng)及其組件的研究，并取得了一定的進(jìn)展。

為了滿足加利福尼亞州重型車低NOx排放法規(guī)的要求，研究人員正在對(duì)各種技術(shù)選項(xiàng)進(jìn)行評(píng)估。可以預(yù)料，其中有些技術(shù)對(duì)于滿足歐6e和歐6后法規(guī)是必需的。停缸是1種既能提高排氣溫度又能降低燃油耗的技術(shù)措施。緊耦合SCR、緊耦合SCR前采用DOC、有SCR涂層的顆粒過(guò)濾器，以及低溫尿素供給的新方法都是能減少冷起動(dòng)排放的有效技術(shù)手段。試驗(yàn)研究證實(shí)，在綜合FTP試驗(yàn)循環(huán)下，NOx排放量已能達(dá)到低于0.02 g/（hp·h）的水平，但在新推出的低負(fù)荷試驗(yàn)循環(huán)下，NOx排放量是FTP試驗(yàn)循環(huán)排放量的3倍。在這2種試驗(yàn)循環(huán)下，CO2排放量都降低了15%。

SCR催化器正在不斷改進(jìn)，但主要的挑戰(zhàn)仍然是低溫尿素供給問(wèn)題。研究人員正在對(duì)各種創(chuàng)新的技術(shù)措施進(jìn)行評(píng)估。這些措施包括：采用在尿素溶液中添加水解催化劑，利用廢熱使尿素在車載反應(yīng)器中轉(zhuǎn)換成氨，采用電子棒加熱器使尿素保持高溫的新尿素噴射系統(tǒng)。

5.3?汽油機(jī)排放控制

在歐洲和中國(guó)，GPF現(xiàn)已成為汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)排氣后處理系統(tǒng)的1個(gè)組成部分。研究顯示，混合動(dòng)力車和氣道噴油發(fā)動(dòng)機(jī)車輛也存在顆粒數(shù)排放量增加的風(fēng)險(xiǎn)。因此，可能也需要配置GPF，尤其是在應(yīng)對(duì)歐6后排放法規(guī)時(shí)。為了要測(cè)量直徑在10 nm以下的顆粒數(shù)和要在-7 ℃溫度下進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，人們正在對(duì)測(cè)量規(guī)程和設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)。按照這2個(gè)要求測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)自身的顆粒數(shù)排放量明顯增加。初步的跡象表明，GPF能有效地滿足顆粒數(shù)排放的要求。

鑒于歐6后排放法規(guī)有可能會(huì)規(guī)定NH3的排放限值，這可能會(huì)促使汽油機(jī)排氣后處理系統(tǒng)中也會(huì)采用象柴油機(jī)那樣的SCR或ASC。研究人員正在改進(jìn)稀燃汽油機(jī)用的被動(dòng)SCR催化器。1種用來(lái)儲(chǔ)存NOx和生成NH3的上游催化器可能是頗具前景的技術(shù)途徑。為了解決汽油機(jī)的顆粒物排放問(wèn)題，GPF將是必不可少的。

5.4?天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)

目前，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)在重型車上實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。它能夠達(dá)到提議中的超低NOx排放限值。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研究重點(diǎn)是進(jìn)一步提高燃油效率。業(yè)內(nèi)人員正在開發(fā)新的催化器，以解決低溫時(shí)的甲烷轉(zhuǎn)換問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)，尖晶石催化劑與貴金屬組合的催化器在調(diào)制空燃比的情況下，能使催化劑在350 ℃的溫度下點(diǎn)火，同時(shí)，還能減少與貴金屬相關(guān)的成本。

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