车用发动机效率提升和排放控制回顾(上)

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0 前言

为了满足社会对更清洁空气和更低温室气体(GHG)排放的需求，汽车行业正在采取多种技术手段来减少污染物排放和燃油耗。在众多技术路线图中，1种领先的技术途径是采用电动汽车。因此，许多汽车公司正在开发电动车辆[1]，以尽早满足市场的需求和政府的强制性法规。但是，目前市场大多数的预测分析显示，内燃机至少在未来20年仍将在汽车领域中占主导地位。另外，在电网成为低温室气体的主要来源之前，电动汽车和先进内燃机车辆“油井到车轮”(WTW)的CO2排放水平不会有很大的差别[2]。因此，人们关于车用发动机排放和燃油效率的技术研究仍在继续。随着全球污染物排放标准和温室气体法规的收紧，车用发动机在排放和燃油效率这两方面将继续面临挑战。

重点回顾了2016年轻型车和重型车领域柴油机和汽油机在排放控制和效率提升领域的主要发展[3]。首先简要介绍了污染物和CO2排放标准的进展情况。然后，回顾了轻型车柴油机和汽油机，以及重型车柴油机技术的发展状况。随后，介绍了汽油机排放控制的发展情况，包括快速发展的汽油机颗粒过滤器技术。

1 排放法规

2016年提出的排放法规主要有以下几项,它们将会对车用发动机的排放控制技术和效率提升技术产生一定的影响：

(1)欧6轻型车实际行驶排放(RDE)法规确定氮氧化物(NOx)排放的合格指数为2.1，颗粒数(PN)排放的合格指数建议为1.5。

(2)中国的国六排放法规已最终定稿，将分2个阶段收紧限值标准，国六a和国六b将分别于2020年和2023年开始实施。预计这些排放法规将于2017年公布，尽管排放法规要到2020年才能在全国统一实施。

(3)美国环保署发布了最终决定，确认2020—2023年型轻型车仍然执行现有的温室气体排放标准。

值得注意的是，印度最终决定将排放法规跳过这一阶段，轻型车排放法规将直接从BS4跨越到BS6，而BS6重型车排放法规将于2020年实施。可以预见，欧洲RDE法规将于2023年生效，印度的BS4(全国实施)排放法规要比欧洲落后约11年，BS6排放法规则比欧洲落后7年。

1.1 欧洲轻型车实际行驶排放法规

欧6轿车和厢式客车的第三版RDE法规已被机动车技术委员会采纳。这套法规文件的要点包括：

(1)PN的合格指数(CF)为1.5(CF=1+允差)，其中允差考虑了便携式排放监测系统可能产生的测量误差。这一合格指数须定期进行评估。该合格指数适用于整个RDE试验过程和城区部分的行驶过程。

(2)PN的合格指数从2017年9月开始适用于新车型台架试验，从2018年9月起适用于所有的新车型。

(3)冷起动排放量应作为城区行驶循环部分的数据归入车速分档(EMROAD)和功率分档(CLEAR)的后期处理分析中。

(4)RDE试验的数据资料必须通过免费的网站向公众发布。提供的数据资料必须包括实际行驶中NOx和PN的最大排放量。

(5)原始设备制造商(OEM)应提供一套有关辅助排放策略的补充文件。

一些OEM厂商已开始对此作出响应措施。例如，Allgemeiner Deutscher汽车社团对25辆满足欧6排放的柴油机轿车进行了车辆对环境影响的试验。结果显示，几乎有一半的车辆都低于全球统一的轻型车试验循环(WLTC)规定的NOx限值。但是，其中10台汽油直喷发动机中只有1台符合PN限值。

RDE法规还远未达到收尾进程，相关的研究工作仍在继续进行，以确定现有的不足之处，便于今后改进。事实上，以PN作为考核基准时，由于大多数颗粒物为微小的颗粒，因而在RDE试验中应考虑到包括尺寸小于23 nm在内的颗粒物(PM)。Andrews等人[6]在城市中交通拥挤区域进行的RDE试验显示，车辆在低车速行驶时和在多次从怠速开始加速的情况下会产生很高的排放量(10倍于限值)，而这样的交通拥挤条件并没有包括在现今的认证试验循环或RDE试验循环中。另外，发现在交通拥挤的情况下，排气温度比较低，这不利于催化器点火，同时选择性催化还原(SCR)催化器会不起作用，而且试验表明NH3的排放量要比NOx的排放量高出数倍。Northrop等人指出，低温燃烧虽然对降低燃油耗有利，但会导致半挥发性颗粒物增加。因此提出质疑，将来是否会在总颗粒数标准中对这些排放物限值作出规定。

1.2 中国的国六排放法规

2016年,中国环境保护部公布了最终定稿的国六轻型车排放法规。图1汇总了该排放法规的主要内容。这些标准将分2步实施，国六a法规将于2020年生效，国六b将于2023年生效。国六a规定的PN排放限值为6×1011/km,并要求对RDE试验的结果进行监测。PN的合格指数将会在2022年最终确定，要求从2023年开始全面实施RDE法规。国六排放法规与欧6排放法规的主要差别包括以下几点：

图1 国六排放法规摘要

(1)2023年实施的国六污染物排放标准限值更加严格，要求CO和碳氢化合物(HC)的限值降低2倍，NOx限值降低大约40%，PM排放限值降低33%。

(2)到2025年，要求耐久性提高到200 000 km，而欧6的耐久性要求为160 000 km。

(3)PN限值适用于所有的发动机(柴油机、缸内直喷汽油发动机和进气道喷油发动机),而欧洲的PM限值只适用于柴油机和汽油直喷发动机。

型式试验将由OEM厂商和汽车公司合作来完成，试验应在经认证的实验室进行，并应向法规监管部门提交试验报告。法规要求采用WLTC规定进行气态排放物、PM和PN的测定试验，应在正常环境温度和低环境温度下从冷态起动开始进行试验。OEM厂商还应对产品车辆和在用车辆进行排放达标试验，法规监管部门可以对这些试验进行部分或全部试验验证。法规还要求提高燃油的品质，从2017年开始强制性要求在全国使用超低含硫量(10-6)的国六燃油。

在中国的一些主要的地区(如北京)可能会比其他地区更早地执行这些排放法规，但是详细情况尚未宣布。北京的京六燃油标准已最终定稿，并从2017年1月开始执行。该标准要求汽油的芳香族化合物和烯烃含量分别比其他燃油标准的规定值减少35%和15%，目的是要减少挥发性有机物、臭氧和PM 2.5的排放。

1.3 美国2022—2025年轻型车GHG排放标准

2016年1月，美国环保署发布了最终决定：确认2022—2025年轻型车仍然执行现有的GHG排放标准。这一最终决定公布后，美国环保署、国家公路交通安全委员会和加利福尼亚州空气资源局等单位于2016年中期共同发表了1份技术评估报告。这份中期技术评估报告的结论认为，汽车制造商能够以较低的生产成本，通过采用各种先进的汽油机技术和车辆电气化(混合动力电动车、插电式混合动力车和电动车)来满足GHG排放标准。

1.4 重型车排放标准

2016年，重型车的污染物排放标准和温室气体排放标准都有明显的收紧。中国提出了相当于欧6的排放标准，印度最终决定在2020—2021年将排放标准收紧到欧6的水平。美国环保署提出了一份关于采用氧化钒SCR的指导性文件。加利福尼亚州以及美国环保署准备收紧重型车的NOx排放标准，美国最终确定了Tier 2重型车温室气体排放标准。另外，欧洲的Tier 5非道路移动机械的排放法规也已最终定稿。

1.4.1中国的国六重型车排放法规

中国已提出了国六重型车排放法规草案，除了在以下几方面稍有差别外，该法规与欧6标准非常相似。对于N1(车辆总质量<3 500 kg)以及M1和M2(车辆总质量<5 000 kg的乘用车)等级的车辆，国六法规要求满足5年200 000 km的质量保证，而欧6标准为160 000 km。国六法规要求采用遥控车载诊断系统(OBD)，且OBD应定期将车辆的状态传送给政府机关。由于中国许多公路的海拔高度要高于欧洲公路，因而在采用便携式排放检测系统(PEMS)进行车辆排放达标试验时，相应的海拔高度为2 400 m，而欧6则为1 600 m。在车辆排放达标的最小功率阈值范围为10%，与2018/2019年9月开始实施的新欧6标准相当。国六法规的实施时间可能会晚于2020年。北京市可能会比国内其他地区提前2年实施国六标准，而执行国六排放法规的时间可能会提前3年。

1.4.2美国环保署关于氧化钒SCR催化器的指导性文件

在经过了5年的评估后，美国环保署发表了1份关于在重型车发动机排放系统中采用氧化钒SCR催化器的指导性文件。要求车辆制造商提供有关氧化钒升华温度的数据,该数据应按推荐的试验方法获取,采用氧化铝基床收集氧化钒,采用电感耦合等离子体-光发射光谱法分析氧化钒。制造商除了要保证催化器在正常工作时不超过该升华温度外，还应在催化器万一发生因发动机零部件故障和HC积聚而引起的温升时，确定采用对应的控制措施来保护催化器。这些预防措施应能防止氧化钒向外排放。

①为了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定单位——编注。

1.4.3加利福尼亚州和美国环保署的低NOx排放法规

为了满足国家的空气质量标准，加利福尼亚州的排放法规正在继续向前推进，到2024年，要求新重型卡车的NOx排放削减高达90%，NOx排放量要降低到26 mg/(kW·h)。为此，加利福尼亚州、美国环保署和整车厂正在美国西南研究院开展1项试验计划，以便为排放法规提供可行性数据。

关于收紧的NOx排放法规是否会导致燃油耗增加这一问题产生了很多争议。排放控制设备制造商协会利用2002年以来的发动机认证数据评估了两者的相互关系。主要结果如图2所示。

图2 由美国环保署的重型车发动机认证数据揭示的排放控制技术对CO2和NOx排放的影响

一般来说，控制NOx和PM排放的技术会导致CO2排放增加。但是，2010年及以后的发动机采用了废气再循环(EGR)、SCR和DPF后的排放情况则显示，它们的CO2和NOx排放量都有所降低。尽管在2010—2016年间NOx的排放标准并没有改变，但在这期间，经认证的NOx和CO2排放量也分别降低了20%和7%。

1.4.4温室气体排放法规

美国环保署和国家公路交通安全委员会最终确定了Tier 2重型车GHG排放标准。与实施到2017年的GHG排放标准相似，该新标准要求在2017年、2024年和2027年分3步实现强制性CO2减排。该标准要求CO2排放量比Tier 1 GHG标准降低约5%，并首次将拖挂车列为减排考核对象。牵引车发动机要按照修订后的稳态试验法进行试验，该稳态试验法反映了现代商用车常用的发动机低转速工况。采用了1种改进的车辆模拟模型(GHG排放模型)估算了车辆的CO2减排情况。图3所示为各种车辆在执行Tier 1和Tier 2 CO2排放标准时燃油耗比2010年减少的情况。实施Tier 2 GHG标准后，估计各种车辆的成本将会有所增加。

图3 美国重型车温室气体排放标准实施后重型车燃油耗降低的情况

Delgado和Muncrief对欧洲和美国的净载质量为19.3 t的长途运输卡车的燃油耗进行了比较。研究发现，在2015年，美国卡车的燃油耗要比欧洲的高5%。但是，考虑到美国卡车正以每年2.5%的水平改善燃油耗，而欧洲卡车则以每年1.7%的水平改善燃油耗，预计到2021年美国和欧洲卡车的燃油耗水平将会趋于一致。在这方面，欧洲委员会正在起草一份建议报告，要求采用车辆能耗计算(VECTO)整车模拟工具来监测和通报重型车的CO2排放情况，该报告将于2017年发布，将于2018年或2019年按照计划进行车辆能耗监测。目的是要得到有关卡车燃油耗的连续信息，同时可以利用这些信息来提出重型车的CO2排放法规。

1.5 非道路移动机械排放法规

欧盟最终决定了非道路移动机械的Tier 5排放法规。最明显的是，该法规要求19～560 kW的非道路设备发动机、功率大于300 kW的内陆水运船舶发动机和轨道车发动机应达到1×1012/(kW·h)的PN限值，估计这些发动机必须配装DPF才能达到这一限值。该法规将于2018年1月起用于发动机型式鉴定，并在1年后投入市场应用。功率56～130 kW的非道路设备发动机和功率300 kW以上的内河水运船舶发动机(主机和辅机)可能推迟1年执行该法规，铁路机车和轨道车用发动机则可能推迟2年实施该法规。对排放耐久性的要求如下：功率小于19 kW的发动机为3 000 h；功率19～37 kW的发动机为5 000 h；功率大于37 kW的发动机为8 000 h。此外，该法规还首次要求制造商监测和报告发动机在使用过程中的排放情况。

表1 各种CO2减排技术的减排效果推测和发展现状

2 发动机技术

大多数主要国家都已设定了轻型车的燃油效率目标和CO2减排目标。新欧洲行驶循环(NEDC)标准下各国CO2排放目标是：欧洲2021年起为95 g/km,美国2025年起为97 g/km，中国2020年起为117 g/km，日本2020年起为122 g/km。为了满足严格的CO2排放法规，发动机技术正在快速发展。在轻型车领域，为满足用户的需求和GHG排放法规，未来技术方案的取向会继续选择最经济的方案。迄今为止，采用的是以发动机为基础的逐渐向混合动力发展的技术途径。技术的进步已能使OEM厂商达到和超过如今的各种排放目标。例如，2015年，欧洲新注册车辆的CO2排放量几乎已达到了120 g/km,它要比当年的目标值130 g/km低8%。尽管如此，想要达到未来的排放目标，从现在到2020年必须实现20%～25%的CO2减排。另外，由实验室试验达到的燃油效率改善效果还没有在实际行驶状态中得到反映。在重型车领域，技术方案的选择范围只是局限于矿物燃油种类的选择，柴油的开发仍有一定的优势。

2.1 轻型车发动机技术

2.1.1汽油机

在针对2022—2025年GHG排放标准所作的中期技术评估中，人们已确认有些发动机技术能够满足2025年车辆的排放目标，这些发动机技术包括停缸、可变气门正时、涡轮增压小型化汽油直喷发动机、EGR、阿特金森循环和米勒循环、降低发动机摩擦等。表1示出了一些具有前景的能实现燃油耗降低和CO2减排的发动机技术。

马自达公司的Okita介绍了他们欲使内燃机效率再提高25%的设想，其目的是要使内燃机WTW的CO2排放水平与电网供电电动车的CO2水平相等(图4)。他们提出的技术策略包括：(1)将3.7 L的V6发动机改小为2.5 L的直列4缸发动机，使泵气损失和摩擦损失各降低30%；(2)通过加强低转速时的扫气和中、高转速时的高压冷却EGR，以及采用10.5的有效压缩比来改善高转速时的抗爆燃性能。据报道，有一款HCCI(均质压燃)发动机已首次投入了实际应用，尽管马自达公司尚未对此发布官方消息。另外，人们还在考虑通过改进车辆和变速箱来提高燃油经济性。根据美国环保署进行的模拟研究显示, 从马自达公司的2014年Skyactiv 2.0 L车辆入手，通过采用减轻质量、减少滚动阻力和空气动力学阻力、采用停车起动系统和8档自动变速箱等未来的技术，有可能使车辆的城市和公路综合燃油耗达到52 g/mile。

图4 先进内燃机和电动车WTW的CO2排放比较

以满足Tier3 Bin30限值为目标的汽油直喷压缩着火发动机的开发工作取得了积极进展。试验证实，在宽广的负荷范围内，这种发动机的有效燃油消耗率已达到了211～214 g/(kW·h)，略高于200 g/(kW·h)的目标值。第三代设计采用了16的高压缩比和35 MPa喷油压力。然而，与低温燃烧相关的催化器点火问题仍然是这种发动机面临的主要挑战。为了满足排放标准，就需要使催化器达到非常高的HC转换率(高于99%)，在排气温度非常低的情况下，要达到这样高的转换率是特别困难的。目前正在研究的排气后处理系统有安装在涡轮增压器前的催化器、HC收集器、SCR催化器和被动再生汽油机颗粒过滤器(GPF)。

专用EGR概念取得了积极的进展，这种专用EGR是将4缸发动机中1个气缸的排气以25% EGR率反馈给进气歧管。试验证实，压缩比高达13.6的优化设计发动机采用双EGR后，制动平均有效压力(BMEP)为1.2～1.4 MPa和转速为1 500～3 500 r/min时，有效燃油消耗率(BSFC)不高于200 g/(kW·h)。以前的车辆试验显示，NOx+非甲烷有机气体(NMOG)的排放量达到了31 mg/mile,它略高于低排放车(LEV)-3的排放限值。较低的排气温度是对HC排放提出的1个挑战，因此，人们正在考虑采用HC收集器来解决这一问题。有人用抗爆燃指数(AKI)为81～93的燃油对发动机的性能进行了比较。结果发现，采用AKI81燃油时，向双EGR气缸超量供油35%时产生的爆燃极限最大扭矩与燃用AKI89燃油不超量供油时产生的这一扭矩相同。因而可以将燃用低辛烷值燃油和双EGR结合在一起作为进一步改善发动机WTW CO2排放水平的1个途径。

2016年中，在提高燃油经济性方面的1个重要里程碑是可变压缩比(VCR)技术实现了商用化。日产公司开发了一种能使压缩比在8～14之间变化的“多连接杆”系统，它是通过执行器电机驱动控制轴及通过改变连接活塞的各连接杆位置来改变压缩比的。这一技术与进气道多点喷油和缸内直喷相结合，能给燃油经济性带来附加的好处。通过进一步与小型化相结合，将传统的3.5 L V6发动机改为2.0 L可变压缩比发动机后，燃油经济性提高了30%。由于能在整个发动机运行工况范围内改变压缩比，可以预计，除了燃油经济性提高外，排放也能有所降低。其他几种可变压缩比技术也正在开发之中，例如两级可变连杆和Envera公司与Eaton公司研发的2.4 L可变压缩比发动机样机，它们的目标是要在8.2～17.5之间实现可变压缩比。

汽油直喷发动机正在取得一定的市场份额，随着涡轮增压和小型化的同步应用，这些发动机的比功率正在增加。同时，一些能克服高负荷爆燃和进一步提高燃油效率的技术也在向前发展。喷水就是这类技术中的一种，尽管这并不是新技术，但它正在重新引起大众的兴趣。为了探索在进气道喷油的同时直接向气缸内喷水的潜力，曾经对单缸试验进行过研究。在部分负荷(2 000 r/min，90 N·m)和转速为1 500～3 000 r/min的全负荷下，研究了喷水的效果。该研究显示，在所有发动机转速下均存在最佳喷水量，偏离该最佳喷水量时，发动机的性能和排放都会恶化。在部分负荷时，BSFC能降低7%，在全负荷工况时，由于排除了燃油加浓，BSFC可降低17%。在所有情况下，燃油耗改善都伴随着排气温度的降低：在部分负荷时排气温度约降低125 ℃，在全负荷时排气温度降低约300 ℃。在全负荷时，CO和NOx排放也有所降低，尽管HC排放因喷水而有所增加，其最大喷水量是高负荷低转速(1 500 r/min)工况时喷油量的2倍。

Hoppe等人还进行了将排气和EGR的冷凝水收集利用起来直接喷射的试验研究。该研究在1台压缩比为13.5的采用米勒循环和冷却外部EGR的单缸直喷发动机上进行。燃油和水都直接喷入气缸,燃油通过中央布置的喷油器喷射,水则由2个侧置的喷射器进行喷射。喷水始点优化在上止点前120°CA。试验显示，在水/燃油比为50%～60%时，燃油耗最佳。在低负荷时，效率提升高达3.8%，在全负荷时，效率提升高达16%。在水/燃油比为50%时，排气温度下降了约100 ℃。NOx排放有所减少，但HC排放则有所增加。所有这些结果与以前的研究颇为一致。他们还在空燃比λ为1.4，在转速3 000 r/min和1.4 MPa平均指示压力(IMEP)的条件下观测了稀燃运转时的喷水效果。在水/燃油比为26%时,效率提高了4.5%，排气温度下降了50 ℃。

尽管发动机技术在进步，但Thomas认为，为了满足2025年GHG排放目标，还需要更快地改善和推广插电式混合动力车。他分析了过去10年在提高燃油经济性方面取得的进展。对2005年和2015年的相同型号车辆以每组40辆进行了比较，指出在过去10年中，燃油经济性令人惊讶地提高了26%。比较结果如图5所示。然而，为了满足2025年排放标准，必须进一步加快技术发展的步伐，并应在今后10年中使燃油经济性提高44%～53%。车辆WTW的效率必须从2015年的22%提高到2025年的33%，而单靠汽油机动力总成是很难满足这一要求的。

图5 40辆轿车的燃油经济性认证评定值与2012—2025年燃油经济性法规的比较

除了提高车辆的效率和电气化程度外,要想达到未来GHG排放标准，还应增加可再生能源的使用量。加利福尼亚州确定的目标是，到2050年要求达到CO2排放48 g/km的排放水平，它要比2010年的排放水平减少80%。国家可再生能源实验室进行的一项最新研究指出，为了达到碳排放的目标，大部分能源将必须来自可再生能源，传统内燃机使用的燃油60%～80%要来自纤维素乙醇，燃料电池车辆使用的氢气几乎一半要来自低碳的可再生能源(太阳能和风能)，蓄电池电动车使用的由煤产生的电力必须低于30%。

2.1.2柴油机

由于轻型柴油机技术已有较大的进步，因而提高效率和减少NOx排放的重点是要优化其增益。Zaccardi和De Paola对效率损失进行了分析，评估了通过采用可变压缩比和减少热损失来提高效率的进展情况。按WLTC进行的试验显示，采用可变压缩比和使摩擦减少20%，能节省燃油10%左右，但NOx排放会增加约7%。通过采用较小的喷油嘴，以及优化涡流、压缩比和燃烧室设计来提升火焰扩散燃烧的性能，可使燃油耗减少约8%。对可变气门技术、热涂层、低温燃烧、减小气缸面-容比，以及优化燃烧相位和燃烧持续时间进行了模拟，估计发动机能在有效热效率达到40.3%的情况下使燃油耗减少16%(转速2 000 r/min,BMEP 1.9 MPa时，燃油耗为209 g/(kW·h))。

尽管柴油机混合动力电动车实现商用化已有好几年，但是在采用48 V供电的皮带传动的起动发电机(BSG)系统时，柴油机混合电动车的NOx和CO2减排有明显改善。Moergastel在1辆配装2.0 L发动机的1 700 kg车辆上采用BSG系统时，车辆在WLTC试验中NOx排放减少了40%，CO2排放减少了3%。采用10 kW和15 kW BSG系统时车辆的CO2排放量相差约1%，而发动机的NOx排放量则没有差异。在高负荷时，NOx排放减少了30%，而CO2排放变化很小。此外，瞬态响应和排气温度有所改善。

Methe等人采用1台200 kW的3.0 L柴油机、1台串联安装的60 kW电动机和2 kW·h锂离子蓄电池配装了2 200 kg混合动力电动车。该车从0～100 km的加速时间由6.8 s缩短到5.5 s,按WLTC试验时CO2排放量减少了13%，同时，发动机排放的NOx减少了20%。在RDE工况试验中，与纯柴油机车相比，CO2排放减少了10%，NOx排放降低了20%。在城市工况行驶时，CO2和NOx分别降低了22%和31%。

Achates Power公司正在开发1种2.25 L的二行程对置活塞轻型车发动机。这种直列3缸(6个活塞)发动机按WLTC行驶循环试验得出的结果显示，与传统发动机相比，它的燃油耗、NOx和PM分别减少了28%、42%和74%。采用这种发动机的轻型车样车预计会在2018年问世，估计它的综合燃油经济性(城市+公路)为37 mile/g。

Warey等人利用模拟方法对1台0.9 L 3缸对置活塞发动机的效率进行了分析，并将它与1台具有当代技术水平(2020年型)的1.2 L 3缸四行程发动机作了比较。按WLTC试验时，这台对置活塞发动机的CO2排放量要比传统发动机的低13%。该发动机效率较高的主要原因是热损失低(没有气缸盖)，并且热能被有效地转换成了有效功。

2.2 重型车发动机技术

与轻型车柴油机相同，重型车柴油机技术也在朝着提高技术增益的方向发展。但是，由于燃油成本始终是重型车领域的一项主要运行费用，因而需要采用更先进的节油技术。本节将介绍这些技术的进展情况。另外还将讨论天然气发动机及重型车动力总成电气化的进展情况。

2.2.1柴油机

去年，美国能源部结束了超级卡车1计划，该计划的目标是要求卡车的货运效率(每加仑燃油的吨载货英里数)比2009年的水平提高50%，发动机的有效热效率(BTE)要达到50%。Gravel总结了实施超级卡车1计划后取得的主要成果：(1)卡车的货运效率提高了76%～115%；(2)BTE从42%提高到了50%～51%；(3)卡车质量减少高达1 270 kg；(4)卡车的牵引阻力降低了54%；(5)许多技术都准备投入生产应用。

Gravel还介绍了新启动的超级卡车2计划和它的目标。该计划要求卡车的货运效率比2009年水平提高100%，发动机的BTE要达到50%，同时，其他性能应保持或好于超级卡车1计划的水平。有4家公司(Cummins,Daimler,Navistar和Volvo)参与了超级卡车2计划。在实施该计划的过程中，至少由2家参与公司负责评估的发动机技术，包括废热回收、减少摩擦、提高压缩比或最高气缸压力、改进排气后处理、减少热损失和改进冷却系统。各参与公司独自采用的技术途径有：减小尺寸和减轻质量，以及采用较高的压缩比(Cummins公司)；低温燃烧和以模型为基础的发动机控制(Daimler公司)；高压喷油和可变气门技术(Navistar公司)；新型燃烧循环和新耐高温材料(Volvo公司)。

从概念上来讲，分开进行工作循环的发动机被认为是效率最高的内燃机，因为它能达到很高的压缩比，但是，它很难付诸实际应用。作为超级卡车2计划的一部分，Volvo公司将对一种分开循环发动机进行试验评估，这台6循环发动机将能达到55的压缩比和30 MPa最高气缸压力。图6所示为这种分开循环概念的示意图。空气首先在低压气缸内被压缩，该低压气缸也用作燃烧气缸。然后，空气流到高压气缸，并被第二次压缩，空气经第二次压缩后再流回到燃烧气缸，在此对空气进行第三次压缩，同时向该气缸喷入燃油。

图6 在实施超级卡车2计划中，Volvo公司正在试验评估的分开循环(Split-Cycle)发动机示意图

Okamoto和Uchida正在对一种不同的柴油机扩散火焰燃烧方法进行试验评估，试图将燃烧分成两个阶段(先进行接近定容的燃烧过程，紧接着再进行定压燃烧过程)来降低最高气缸压力(该燃烧过程类似于Sabathe循环)。他们在1台安装2个附加喷油器的单缸2.0 L柴油机上验证了这种燃烧方式的效果，这两个喷油器呈倾斜状态安装，以产生旋转涡流。实际上，这就是形成了由中央布置喷油器喷油产生的中心燃烧区(早期定容燃烧)和由倾斜安装喷油器喷油产生的外围燃烧区(后期定压燃烧)。他们可以通过调节喷油量和喷油正时来控制这两个阶段的燃烧过程。如图7所示，该燃烧过程的压力曲线较为平缓，放热率曲线呈双峰形态。由于峰值温度较低和混合良好，因而NOx和PM排放能同时得到降低。采用EGR还能使NOx和PM进一步降低。他们的测试结果显示，指示热效率约为57%(转速1 000 r/min,80%负荷,λ为3,压缩比18)，并且还可能上升至50%的有效热效率。

在非道路移动机械领域，发动机和排气后处理系统的安装是个问题，所以发动机小型化是关键问题的核心。Dahodwala等人在保持发动机性能的情况下将1台225 kW 7.5 L 6缸非道路移动机械发动机改小为4缸5.0 L的发动机，并对若干发动机技术进行了模拟研究。他们通过添加二级涡轮增压器(普通增压器或顺序增压器)及附加的进气空气冷却器来实现他们的目标。峰值气缸压力比较高(该发动机为26 MPa,基准机型为22 MPa)是要综合考虑的问题。该发动机在农业耕作机和前端装载机上使用时，燃油耗能降低6%。

图7 新扩散火焰燃烧策略的燃烧特性

Sharma和Redon介绍了对1台4.9 L 3缸二行程对置活塞发动机进行的瞬态试验。结果表明，该发动机完全能满足瞬态运行的要求。与1台2011年的6.7 L传统柴油机相比，该发动机按热态美国联邦试验规程(FTP)试验循环试验时，燃油耗降低了18%。发动机的污染物排放量与采用传统排放控制技术时的排放水平相同。

2.2.2天然气发动机

如果用沼气作为发动机燃料，那么天然气正成为人们用来减少发动机GHG和运行成本的发展途径。Kruse报道称，与采用矿物天然气相比，采用由城市固体废物产生的沼气能使WTW的GHG排放减少50%，采用由垃圾填埋场产生的沼气能减少WTW的GHG排放85%，采用废水处理厂产生的沼气能减少WTW的GHG 100%，采用由农业肥料产生的沼气能减少WTW的GHG 130%(可以避免GHG)。

减少NOx排放是促使人们采用天然气车辆的第三推动力。Thiruvengadam测定了火花点燃理论空燃比甲烷燃料发动机卡车(配装三效催化器)、高压直喷压燃双燃料发动机卡车(配装DPF+SCR)和柴油机卡车(配装DPF+SCR)在低负荷行驶时的NOx排放。结果显示，在本地和码头行驶时，柴油机卡车的NOx排放量(1.25～1.83 g/(bhp·h))是高压直喷压燃双燃料发动机卡车NOx排放量的7倍，是火花点燃甲烷发动机卡车NOx排放量(40～90 mg/(bhp·h))的24倍。在大于95%的运行时间内，甲烷发动机卡车的排气温度要比柴油机卡车和高压直喷双燃料发动机卡车的低250 ℃,这明显会限制SCR催化器的功能。

加利福尼亚州的重型车低NOx排放计划促进了天然气卡车的发展，但这种卡车还需要继续改进。Roberts介绍了在1台2012年Cummins 12.0 L火花点燃理论空燃比天然气卡车上进行的开发试验。通过对燃油系统、EGR、传感器和控制系统、以及排气后处理系统的改进，车辆按FTP循环进行试验时，NOx的综合排放量从110 mg/(bhp·h)降到了14 mg/(bhp·h)。

压缩天然气的储气罐在车辆上会占据很大的空间，并且难以安装，Kruse介绍了一种一次成型的新型天然气储气罐，与刚性圆筒形储气罐相比，它的安装更加灵活方便。

2.2.3重型车的电气化

重型车电气化除了采用混合动力外，正朝着蓄电池供电和电动道路系统方向发展，例如，采用架空线或悬链电缆来驱动卡车。Lehmann评述了电动道路系统的最新情况。电动道路系统卡车获得的80%电力相当于的柴油机卡车65%的能源消耗，而单位距离排放的NOx是柴油机卡车的30%。据报道，瑞典、美国加利福尼亚州和德国将打算开展电动道路系统卡车的试验。

3 稀NOx控制

稀NOx控制是柴油机和稀燃汽油机的重要排放控制技术。第一套SCR系统是20多年前在车辆上进行试验的，而SCR系统首次投入商业化应用大约是在14年前。NOx储存催化技术的商业化应用要更早一些，该技术仍在快速发展之中。本节将介绍这两项技术在去年取得的重要进展。

3.1 SCR催化器

SCR催化器的配方仍在不断改进，并正在取得出色的效果。现今市场上大多数铜沸石配方的热稳定性都能保持到了800 ℃左右。Ryu等人开发了1种“LTA”结构铜沸石，这种沸石在900 ℃下暴露12 h后性能几乎没有恶化，图8示出了它的一些性能结果。与Cu-SSZ-13相比，“LTA”沸石的N2O排放量与它大致相同或稍低一些，且高温时氨氧化较少，因而能在550 ℃时产生很好的NOx转换率。对硫的耐受度与Cu-SSZ-13的相同，且脱硫更容易，在500 ℃下脱硫2 h后可以将硫全部回收。这种小笼形沸石结构还具有耐碳氢的能力，当它暴露在丙烯中时不会影响其性能。

图8 LTA铜沸石的NOx转换率与Cu-SSZ-13催化器(图中标记为“x”，左上角给出了它的最佳配方)NOx转换率的比较

Jacques等人对大空穴铁沸石、氧化钒催化器和两种小空穴铜沸石SCR催化器(CuSPZ-SAPO和CuSPZ-沸石)的耐久性和中毒情况进行了比较。结果显示，铜沸石对铂中毒的耐受度最好(只有6×10-6铂中毒污染)，铁沸石对铂中毒的耐受度最差，在20×10-6铂中毒污染时，铁沸石的NOx转换率丧失量是SPA-SAPO的4倍。氧化钒抗铂中毒的能力也较差。CuSPZ-沸石对腐蚀性液体(pH11)的耐受度要比CuSPZ-SAPO的高，所以，当后者直接暴露在尿素中时，耐腐蚀可能就是1个问题。但是，当它们在800 ℃的浓混合气(λ为0.96)中暴露16 h后，CuSPZ-沸石的性能恶化程度要比CuSPZ-SAPO的更大，所以，如果采用NOx吸附催化器时，则会存在一些难度。

Tang等人论述了重型车领域采用氧化钒催化器时出现的一些问题，尤其是在发展中国家地区。例如，催化器被润滑油中的磷污染后会导致NOx转换率降低。当1辆国四城市公共汽车累计行驶了400 000 km后，22.4 L的氧化钒催化器的前半部分含有4.0% P2O3，而在33 cm的下游位置P2O5的含量为0.6%。在250 ℃时，前半部分的NOx转换率只有20%，而下游部位的NOx转换率为70%，相比之下，基准催化器的NOx转换率则为95%。在另一个应用实例中，因尿素沉积引起的表面堵塞造成了催化器表面碳烟积聚，最终导致因背压过高而使碳烟发生灾难性燃烧，进而最终导致氧化钒SCR催化器熔化。这个例子表明，必须避免氧化钒催化器暴露在各种高温环境中。因此，在美国环保署发布的氧化钒SCR催化器指导性文件中，提供了发动机零部件故障和碳氢积聚引起的升温问题。

SCR过滤器是轻型车柴油机排放控制系统中的1个重要部件。Demuynck等人评估了2辆只采用SCR过滤器进行NOx后处理的(2014年款和2015年款)柴油机轿车的实际行驶排放性能。结果是，2014年型车辆起初没能通过试验，但经过重新标定后该车通过了试验，而且其NOx排放量下降了50%。2015年车型则通过了试验。这表明SCR过滤器本身有足够的能力来满足RDE法规的要求。

采用SCR过滤器时，碳烟与SCR反应的相互影响已引起人们的关注，某些研究显示，碳烟会消耗快速SCR反应时所需的NO2。但是，Mihai等人的研究显示，对于在150 ℃起的温度下产生的快速SCR反应，有碳烟存在时其反应活性明显较高。有人认为，碳烟能阻止硝酸铵生成，因为观察到在较低的温度下会生成CO2，并且在有碳烟存在时，硝酸铵的分解产物N2O比较少。

3.2 稀NOx收集器

虽然LNT(稀NOx收集器)已被用于NOx控制，但它可能还不足以满足RDE法规的要求。然而，为了实现轻型车柴油机的低NOx排放，现在人们正将LNT与SCR组合在一起使用。LNT的低温性能可以补充SCR的不足，它能在高浓度再生期间产生替代或补充尿素的氨。此外，人们对被动NOx吸附器(PNA)越来越感兴趣，它能在较低的温度下吸收NOx，在较高的温度时以热方式而不是以化学方式释放NOx。本节将讨论这两种技术方案的进展情况。

Li等人采用循环运行和顺序升温2种浓NOx还原方法进行了LNT的基础性研究。结果显示，铑会在还原状态呈现出较好的性能而不是在氧化状态，在氧化状态向还原状态转变的过程中会发生NOx逸出。化学动力学分析表明，在激活能为180±14 kJ/mol时，催化器还原过程中NO的还原首先取决于NO的入口浓度，而与老化或还原器种类无关。

2011年，Bisaiji等人曾通过将还原器的喷射脉冲频率提高到1 s(而不是采用常规的10 s)改善了LNT的高温性能。Reihani等人推进了此项工作，他们对喷射脉冲的混合均匀性、还原器种类和还原器浓度进行了试验研究。结果发现，还原器径向均匀混合和轴向分开喷射能形成最佳的混合状态，因而能获得最好的性能。对不同的还原剂(H2、CO、C2H4、C3H6和C3H8)进行了试验，发现它们的还原有效性会随温度而发生变化。例如，在温度低于270 ℃时，H2的还原有效性最好，C3H8的还原有效性最差，但是，在500 ℃时，情况正好相反。一般来说，可以得出这样的结论：在中等温度和较高温度范围内，由于碳氢还原器的氮选择能力相对较强，因而具有较高的NOx转换效率，而且碳氢的反应活性十分重要。

在PNA方面，Chen对3种不同的钯沸石结构BEA、MFI和CHA的性能进行了评估，并将它们与CeO2基NOx吸附器的性能作了比较。这三种沸石各自有不同的吸附温度曲线，BEA的吸附能力从80 ℃到170 ℃随温度升高而下降，MFI的吸附能力在100 ℃之前随温度上升而增强，然后逐渐减弱，CHA的吸附能力在100 ℃之前呈快速增强状态，然后保持不变或继续增强，而CeO2的吸附能力在80～170 ℃时较为恒定。BEA的NOx储存量最大(比CeO2的NOx储存量高出50%)，MFI的NOx储存量次之，CHA的NOx储存量最小。所有沸石的硫耐受度都明显比CeO2的好。BEA、MFI和CHA的解吸附起始温度分别为200 ℃、220 ℃和250 ℃，它们的最高解吸附温度分别为250 ℃、280 ℃和370 ℃。

3.3 后处理系统

如前所述，柴油机面对的压力是要减少NOx排放，但是，在满足GHG排放标准方面柴油机还是很有吸引力的。因此，柴油机混合电动车在实现NOx和温室气体减排上具有一定的潜力。Methe通过添加1个2.5 kW·h蓄电池和1台60 kW电动机配置了1辆排量3.0 L功率200 kW整备质量2 200 kg的柴油机混合动力电动车。该车按WLTC、RDE试验循环和城市行驶循环试验时，发动机的NOx排放量分别比传统车辆的NOx减少了20%、20%和31%，而燃油耗分别降低了13%、10%和22%。表2所示为在WLTC试验中该混合动力电动车的尾管NOx排放量与传统车辆的比较。可见混合动力对车辆尾管NOx排放的影响是明显的，该混合动力电动车在WLTC和RDE试验循环中尾管的NOx排放均减少了72%，在城市行驶循环中NOx排放量减少了51%(传统车辆的NOx排放量则增加了69%)。这就为优化NOx排放留出了一定的空间。取消第二个SCR催化器或者用柴油机氧化催化器(DOC)代替LNT时，混合动力电动车在所有试验循环中的NOx排放仍比传统车辆的有所减少，但在城市行驶循环中，由于没有使用LNT，因而NOx排放有所增加。在拆除尿素系统和只依靠LNT来产生氨的情况下，在所有试验循环中NOx排放都明显增加。

表21辆柴油机混合动力电动轿车配装不同的NOx控制系统时，尾管NOx排放与传统车辆排放水平的比较(按WLTC试验)

混合动力电动车与传统车辆的比较WLTCRDE城市行驶循环传统车辆过滤器+SCR过滤器0%-14%+69%HEV2.5kW蓄电池,60kW电动机-72%-72%-51%HEV取消第二个SCR-32%-19%+30%HEV用DOC代替LNT-1%-34%+27%HEVSCR过滤器,取消第二个SCR+62%+127%+165%

美国加利福尼亚州和美国环保署的重型车低NOx排放法规将会对排放控制系统产生的什么样影响值得关注，该法规要求车辆按FTP试验时NOx的排放限值为20 mg/(bhp·h)。在西南研究院正在开展一项政府与汽车行业合作的项目，该项目的任务是要验证用涡轮复合增压发动机(低温排气)来稳定排放系统开发的技术可行性。Roberts等人介绍了几种令人关注的后处理系统。这四种后处理系统如图9所示。系统a最简单，它在采用6 kW电加热催化器(EHC)的情况下仍不能达到NOx排放目标。在FTP试验循环中，该系统在发动机热管理上要多消耗3%的附加燃油。系统b与系统a相似，它有可能满足排放目标。该系统在6 kW EHC后安装了1个较小的点火用SCR催化器，目的是要使FTP试验中的附加燃油消耗减少到1%。为了满足排放目标，需要对点火SCR催化器进行优化，但由于时间上不允许而未能完成。系统c也是颇具前景的系统，但由于受该计划的资源所限，未能对它进行优化。在燃烧器试验台上，它达到了与系统a和b相同的NOx排放结果(22～25 mg/(bhp·h))，附加燃油耗为1%。尿素系统从排气歧管获取排气，采用2个喷射点并需要进行较好的标定。选择系统d进行了多次发动机试验，它在1台采用减排技术的发动机上按FTP循环进行试验时，NOx的排放水平为11 mg/(bhp·h)。在FTP试验中微型燃烧器引起的附加燃油耗为1%。另外还有1%附加燃油耗则由SCR过滤器的再生和发动机热管理平均分担。

图9 4种重型车排放控制后处理系统，它们有希望满足加利福尼亚州20 mg/(bhp·h)的低NOx排放目标(按FTP试验)

为了在排气温度较低的情况下(例如在城市行驶时和采用高效率发动机时)实现持续的低NOx排放，人们正在探索其它一些技术途径。Zha等人探讨了3种值得作进一步试验研究的技术途径。第一种是低温催化。Gao等人开发的1种有助于消除硝酸铵的大空穴铁沸石配方催化器就是1种方案，它能在190 ℃下还原约90%的NOx，但它需要提供NO2。第二种途径是在低温条件下提供确当数量的NO2。Zha等人给出了能使EGR率与NO2份额比为1:1的EGR数据(40% EGR能实现0.40的NO2与NOx比)。如果DOC紧随涡轮增压器安装，这时NO2将会被HC还原成NO，而且DOC可能要与直接点火SCR催化器一起工作。这就是探讨的第3种途径——系统设计。Zha等人采取将铁沸石催化器置于铜沸石催化器前面的办法，在一定的NO2范围内实现了较好的NOx还原。Clark 和Pauly的试验显示，25%铁沸石和75%铜沸石相结合(或者铁沸石再少些，铜沸石再多些)还能减少N2O的排放。

GeiBelmann等人也探索了实现重型车低NOx排放的途径。根据研究报道得出，有一种铜沸石催化器在不提供NO2的情况下能在175 ℃时还原95%的NOx(但在150 ℃时NOx还原率为60%)。如果NO2达到快速SCR反应所需的最佳值，铁沸石催化器就能够在150 ℃时还原100% NOx。它们援引了Zha等人介绍的几种提供NO2的可能方法。可以利用排气歧管的热量、EHC或气态氨来获得低温氨。它们还给出了1种带点火SCR催化器的两级SCR系统的数据。最佳的喷射策略为0.8/0.4(前/后SCR的NH3与NOx之比，总和为1.2),这时，在前SCR催化器不优化的情况下能达到40% NOx还原率。如果点火SCR催化器中发生氨逃逸，它会在DOC中被转换成N2O，并能限制第二个SCR催化器中生成NO2。在温度高于260 ℃时，第一个SCR催化器就没有能力来促成DPF中碳烟与NO2的燃烧。

关于氧化钒或铜沸石催化器的讨论仍在继续，尤其是在目前正在开发欧6排放控制系统的中国和印度。过去的研究显示，氧化钒具备的优点是对硫的耐受度较高，但在温度较低时它需要提供较多的NO2才能很好地工作。一般来说，氧化钒催化器比较便宜。但是这些论断还需要作进一步的定量分析。

关于低温性能对NO2的要求，Chatterjee等人的研究显示，即使将DOC中的贵金属涂载量增加50%(Pt由10 g/ft3增加到15 g/ft3)来帮助NO2生成，在重型车稳态试验循环(WHSC)中，氧化钒的NOx转换效率还是比铜沸石催化器的低5%(前者为95%，后者为100%)，WHTC的结果也与此相同。然而，在200 ℃的台架试验时发现，即使NOx中混有35% NO2，氧化钒催化器在200 ℃时的NOx转换效率也比铜沸石催化器的低10%，直到300～350 ℃时，氧化钒催化器的NOx转换效率还达不到铜沸石催化器的相同水平。

在硫耐受度方面，在200～300 ℃下，氧化钒催化器本身对硫酸铵/硫酸氢铵混合物是比较敏感的，而硫对它的影响并不太大。Kumar等人指出，来自DOC的NO2会受到硫的损害。当在浓度20×10-6SO2中暴露12 h后，DOC在250 ℃生成的NO2会从40%下降到12%。可以认为，这会削减氧化钒SCR催化器系统的性能。对于铜沸石催化器来说，硫的影响则在于SCR催化器本身的性能。当在200 ℃下以饱和状态暴露在硫中，铜沸石催化器在220 ℃时的减NOx效率会从100%降至80%，而且要在500 ℃下保持30 min后才能使减NOx效率完全复原。当它暴露在400 ℃的硫酸盐中时，硫的影响更厉害。当用NO2来增强较低温度下的NOx转换效率时，硫的影响会明显减弱。一种经过充分硫酸化的能生成40%NO2的铜沸石催化器，在245 ℃时的NOx转换效率仅比新鲜铜沸石催化器的转换效率减少15%。另外，Kumar等人还指出，如果利用剩余的氨来作还原器，铜沸石的脱硫过程能得以加速。

Hallstrom等人估计，为了满足印度的BS6排放法规，最佳的氧化钒系统需要增加8%～9%的贵金属涂载量，而且系统尺寸要比铜沸石系统的增大22%～35%。如图10所示，尽管在挤压成型的氧化钒系统中DOC上的贵金属涂载量增加了两倍，在热态WHTC试验中，容积小30%的铜沸石催化器的累积NOx排放量只有氧化钒催化器的一半。

Robinson等人定量分析了尿素副产品对柴油机总PN排放量的影响。尿素的供给会导致整个WHTC试验中尾管排放的PN增加460%～610%。产生这种情况的可能原因是氰酸(HNCO)聚合反应、尿素热解和尿素蒸发时微爆，后者会形成固态尿素和缩二脲。在正常的尿素剂量下，总颗粒数中超过80%的颗粒都是尿素基颗粒。

图10 即使DOC的贵金属涂载量增加2倍，氧化钒SCR系统的累积NOx排放量仍比容积较小的铜沸石催化器的高，因为后者具有非常好的低温减NOx性能

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