全球汽车排放控制的最新发展动向（上）

A.JOSHI

摘要：阐述汽车尾管温室气体（GHG）和有害污染物排放控制的最新进展。详细介绍新出台和即将出台的排放法规，以及为改进发动机和排气后处理系统而开发的各种技术。报道了各主要国家通过CO2减排和车辆电动化目标来减少GHG排放的最新动向。对某些能促使CO2实现大幅减排的成熟内燃机技术作了详细评述，其中包括汽油压燃、预燃室燃烧、喷水和停缸等发动机技术的发展动向。探讨了动力总成电动化和采用先进发动机技术的协同效应。在评估各种动力总成的选择方案和强调混合动力系统在实现CO2减排中的作用时，必须进行类似于“从摇篮到坟墓”的全生命周期分析。对先进燃油在改善车辆排放中的作用及其潜力进行了分析。在有害污染物排放方面，着重论述了氮氧化物（NOx）和颗粒物的减排情况。美国加利福尼亚州正在领导1项重型卡车综合法规的制定工作，目标是使NOx排放减少90%，对该法规草案的主要内容作了介绍。工作面临的主要挑战是要在不影响CO2排放的情况下达到NOx的减排目标。为此，人们正在开展各种研究，并提出了各种技术路径。

关键词：排放法规;控制;轻型车;重型车;热效率

0 前言

交通运输领域正在经历一场加快采用各种先进技术的重大变革，以满足社会对减少车辆有害污染物（主要是氮氧化物（NOx）和颗粒物）和温室气体（GHG）排放的期望。尽管动力总成电动化被认为是减排的有效方式之一，但在去年销售的新款乘用车中，仍有超过97%的车辆配装了内燃机[1]。为了应对人们对健康、空气质量和全球变暖的担忧，迫切需要继续改善车辆尾管的排放。本文介绍了汽车排放法规的最新进展情况，以及技术进步推进轻型乘用车和重型卡车尾管排放改善的情况。

当今，最好的轻型车汽油机的最高有效热效率（BTE）大约为40%，还存在较大的提高空间。在此，回顾了一些能使BTE达到47%以上的主要技术和系统的研发情况，包括在燃烧、减少燃油加浓、改善空气管理、减少摩擦、热量回收利用和排气后处理系统改进等方面的研究进展情况。预测显示，当这些发动机技术与诸如减轻质量、改善空气动力学、先进的变速箱，以及轻度和重度混合动力系统等车辆技术相结合时，CO2的排放量将能进一步减少40%以上。

本文首次介绍车用燃油与先进发动机配合时对减少排放的协同作用。纯蓄电池电动汽车和燃料电池车辆也在获得一定的市场份额，它们将被用来应对更为严格的CO2减排目标，同样也能使有害污染物排放明显降低。新的实际行驶排放（RDE）试验的数据显示，与欧6d之前的排放法规相比，该新标准的实施使柴油机的NOx排放量减少了70%～90%。汽油机颗粒过滤器（GPF）已在欧洲和中国的汽油直喷发动机上得到了普遍应用，随着排放法规的不断收紧，GPF很可能会扩大应用到气道喷油发动机上。新的排放法规会继续不断地出台并付诸实施。中国已经修订了最新的新能源政策，并确认了混合动力车在达到未来CO2排放目标中的作用。中国的国六排放标准已提前开始实施。欧6 后排放法规的要点正变得更加清晰。本文将对这些要点及其含义进行介绍。印度从2020年开始实施BS6排放标准，预计将在新的柴油机车辆上也采用颗粒过滤器和选择性催化还原（SCR）系统。RDE法规的边界条件已经敲定，预料GPF同样也会越来越多地受到重视及应用。

此外，重型车发动机也显示出其BTE达到55%的潜力。本文回顾参与美国能源部“超级卡车II计划”的各研究团队在这方面取得的进展。燃油效率提高将有助于达到美国第二阶段的GHG排放目标和欧洲首个CO2排放目标。美国和欧洲这2个地区还在推出更严苛的NOx减排标准。欧6e排放标准已最终定稿，其中包括了对冷起动排放的要求。美国加利福尼亚州的重型车低NOx排放标准草案要求到2027年实现NOx 排放减少高达90%，同时还对冷起动和低负荷排放提出了要求。在达到这一要求的同时，还要满足GHG排放和更长使用寿命的要求，这并不是1件轻而易举的事情。为此，人们已开始对各种排气后处理系统开展研究，以充分掌握各项技术的优缺点。本文将介绍这些研究的最新动向。1种采用车载NOx传感器和远程通讯的技术用来确保车辆在使用过程中排放达标的新运行模式正在探索之中。

上述所有改进措施的核心是要持续改善排气后处理部件的性能，包括提高颗粒过滤器的过滤效率、提高SCR系统的低温转换效率，以及改进NOx和碳氢（HC）收集器，以解决冷起动排放问题。

1 排放法规

1.1 轻型车排放法规

1.1.1 CO2排放法规或燃油耗标准

图1 所示为各主要国家设定的轻型车CO2减排目标。2018年，在欧洲注册的新轻型车的CO2平均排放量为120.4 g/km，它比2017年的排放量增加了2.0 g/km[1.2]。造成这种情况的部分原因是，柴油机的份额减少了约36%，而SUV车型配装的大型汽油机的份额则由25%增加到了31%。这意味着汽车工业很可能要付出极大的努力才能达到2021年95 g/km的CO2排放目标，否则将会面临巨额罚款。另外，目前世界上最严格的2025年和2030年CO2排放目标已经确定，要求到2030年实现CO2排放量比2021年的基准值减少37.5%，并决定从2020年起按全球统一的轻型车试验规程（WLTP）试验循环测定CO2排放量。

美国的燃油经济性标准存在很大的不确定性。2019年9月，美國国家公路交通安全管理局和美国环境保护署（EPA）公布了1份法案，目标是要实施全美国统一的燃油经济性/GHG排放标准，并且不允许各州制订自己的GHG排放标准和零排放车（ZEV）强制性标准。该法案建议取消授予加利福尼亚州在实施先进清洁轿车（ACC）计划中拥有的GHG和ZEV排放立法权，但不影响他们在ACC计划中制订更严格的法规来限值有害污染物排放。全国性的GHG排放法规和燃油耗标准已最终定稿。 同时，加利福尼亚州已与4家汽车制造商达成了1项协议，要求从2022年起到2027年实现GHG每年减排3.7%（原先的计划是从2021年起到2026年实施该减排目标），并提供电动汽车信贷。其他原设备制造商（OEM）则表示，他们更倾向于采用全国性的排放标准。所有这些立法举动将面临来自法院的挑战，预料将会在未来提起起诉。

中国在1份新能源汽车计划草案（修订版）中提出，对新能源汽车的信贷要求将放宽到2022年的16%和2023年的18%。另一方面，从2019年7月起中国已减少了对新能源汽车的财政激励，因而导致了新能源汽车的销量有所下降。为此，中国政府正在重新考虑2020年再大幅削减新能源汽车补贴的计划。同时还建议改变以全电力行驶里程为依据的信贷计算方法。蓄电池电动汽车的最大信贷系数从5.0降低到了3.4，插电式混合动力车的信贷系数从2.0降低到了16，同时对考虑能量消耗的修正系数作了修改，并强调了对能源效率的重视。双信贷体系也有所改变，用于补偿公司平均燃油耗要求的新能源汽车信贷系数从20降低到了1.6。另1个重要变化是将“低燃油耗”乘用车也包括在内，这样就能使混合动力车获得新能源汽车信贷。所有这些变化强调了内燃机在实现中国能源安全目标中的重要性。从长远来看，中国工业和信息化部还公布了1份修订后的“2021—2025年新能源汽车产业计划[3]”。该计划提出了增加新能源汽车投放的策略，目标是到2025年要使新能源汽车的销售量占比达到25%。该计划还要求，到2025年电动汽车的能耗应小于百公里12 kW·h，插电式混合动力车的能耗应小于百公里21 kW·h。

日本发布了新的燃油耗标准，要求到2030年车队平均燃油經济性达到25.4 km/L，这要比2016年的燃油经济性提高32.4%[4]。燃油耗的目标值要求按WLTP试验循环进行测定，同时也适用于电动化车辆，但要求计入为生产电力而产生的上游CO2排放量。

1.1.2 有害污染物排放法规

目前，欧洲正在考虑对排放法规的框架和严格程度作某些重大改变，旨在减少车辆尾气排放和提高使用过程中的排放达标度。以下是目前正在讨论的建议在“欧6后”排放法规中采取的一些新举措，其中有些举措也可能适用于重型车排放标准：（1）制订中性的燃油和技术标准，以均衡柴油机和汽油机的NOx排放限值，并促使汽油直喷发动机车辆也遵守颗粒数排放限值。（2）设定更低的尾管NOx排放限值，可能的目标是35 mg/km，这也是中国设定的2023年的NOx排放限值，这相当于欧6汽油车排放限值的50%。应当指出的是，美国第3阶段30级（Tier3 Bin30）的限值仍然是目前世界上最严格的气态排放物标准。（3）将10～23 nm 的颗粒物计入总颗粒数排放量。（4）对以前不受限制的排放组分（如NO2、N2O、NH3、HNCO和HCHO）也设定排放限值。（5）对非甲烷碳氢（NMHC）单独设定排放限值，考虑到甲烷对全球变暖的潜在影响，可采用CO2的当量来计算 CH4的排放量。（6）要求在-7 ℃的低温下在底盘测功器上进行颗粒物和气态排放物的测定试验。（7）设定RDE试验中CO的不得超过非法规工况（NTE）限值，以及有效的燃油加浓限值。（8）修改城区RDE行驶循环，可能会引入行驶距离较短的新行驶循环，以强调需要减少城市空气中的颗粒物。（9）提高对耐久性的要求。应当指出的是，中国的国六b标准已设定了200 000 km的耐久性限值。相比之下，欧洲现在的耐久性要求仅为160 000 km。

除了以上各项举措外，欧洲还将对排放的一致性系数（CF）定期进行评估，并将会随着测量设备的改进及时下调CF。事实上，NOx的CF已从2.10减小到了1.50和1.45。欧盟委员会初步决定，会将 NOx的CF进一步减小到1.32[5]。从2020年9月起，欧洲引入1种新的市场监管系统。该监管系统有权责令欧盟成员国撤销型式认证和召回排放不达标的车辆。 为了减少较高的颗粒物排放，欧洲提出了1项新的定期技术检测（PTI）计划。Burtscher等人对这种技术检测方法作了简要介绍[6]。PTI被看作是1种快速路边试验，试验时间小于2 min，它能检测柴油机颗粒过滤器（DPF）是正常工作还是有故障。研究人员开发了1种低怠速试验法。试验显示，测试结果与认证试验循环的测量值具有很好的相关性。一些国家将从2021年开始实施PTI计划，拟先对柴油机车辆进行这种检测，预料紧接着也会对汽油机车辆进行这种检测。

中国的国六a轻型车排放标准正在全国范围逐步实施，而某些主要地区则将从2019—2020年起提前实施国六b排放标准。有关部门目前正在拟订RDE试验的详细规则。行业内已开始对国七排放标准展开初步讨论，但对于国七标准的走向和时间表还没有任何官方的解释。预计国七标准会进一步收紧气态排放物的排放限值，并且国七的要点可能会与欧6后法规的要点相同，例如会将小于23 nm的颗粒计入总颗粒数。

美国没有发布有关排放法规变更的重要资料。美国环境保护署（EPA）正在观察细小颗粒物（PM2.5）对国家环境空气质量的影响，以决定是否要将PM2.5的年排放量限值收紧到目前的12 μg/m3以下。EPA的专家在1份草拟的政策评估报告中建议，应根据近期流行病学研究的审评结果来收紧排放标准。预料该评估报告将在2020年内完成。

印度的RDE试验边界条件已最终定稿。尽管印度引用了欧洲排放标准的总体框架，但为了更好地反映本国的行驶条件，他们对标准的边界条件作了一些重要改变。将城区的行驶车速限定在40 km/h以下，将公路上的行驶车速限定为60～80 km/h。相比之下，欧洲的这2种车速则分别为60 km/h和90～145 km/h。另外，RDE试验的有效温度在正常情况下规定为10～40 ℃，在扩展的情况下规定为8～45 ℃，它们要比欧洲和中国要求的零度以下的试验温度高出许多。对CF的要求也将最终定稿，预计会在2020年开始的监测阶段之前确定CF值。

预计其他国家和地区会在未来几年内开始改善燃油品质，并逐渐收紧排放法规。泰国的现行排放法规相当于欧4的水平，该国的目标是要求到2023年采用含硫量为10×10-6的燃油。Koson[9]探讨了2023年泰国实施欧6排放法规的可能性，但实现这一目标的可行性还存在很大的不确定性。

1.2 重型车排放法规

1.2.1 温室气体排放法规

美国、中国、日本、印度、加拿大和欧洲等6个主要国家和地区现在都颁布了温室气体排放法规。欧州部长会议已批准了欧盟首次提出的重型车CO2 排放标准[10]。该标准要求到2020年和2030年新卡车的CO2排放量應比2019年分别减少15%和30%。与美国不一样的是，欧盟的标准没有单独制订发动机的排放标准。车辆的实际燃油耗和能耗要采用车载测量装置进行监测，并需要向有关部门报告监测结果。

加利福尼亚州空气资源局（CARB）通过先进清洁卡车法规提出了重型车的ZEV销售目标，要求从2024年起2.3级和7.8级牵引卡车的ZEV年销售量占比应达到3%，到2030年应上升到15%。对于4.8级的专用车辆，在相同年限内ZEV的年销售量占比要从7%开始上升到50%。混合动力车可以根据其全电力行驶的里程给予一部分信贷。ZEV也能获得第2阶段（Tier2）GHG排放的信贷。

1.2.2 有害污染物排放法规

为了进一步降低NOx排放和提高使用过程中的排放达标度，美国提出了一些新的排放法规。Preble等人的研究显示，采用SCR能使NOx排放明显降低。在2014—2018年期间，在加利福尼亚州的2个不同地区，采用路边排气流采样法采集了几千辆重型车的排放物气样。调查显示，其中1个地区已有59%的车队配装了SCR系统，而另1个地区只有25%的车队配置SCR系统。测量结果发现，2010—2018年型发动机的NOx排放量平均要比2004—2005年型发动机的NOx排放量低77%。采用SCR后，NO2的排放量也减少了27%。采用SCR还能使发动机进行重新标定，进而使CO2排放减少约4%。尽管这些改善颇为明显，但是只有三分之一的2010年型新卡车的NOx排放量低于认证标准。N2O的排放量也比采用SCR前接近零的排放量有所增加，而且所有卡车的排放值均超过了认证标准。采用SCR后导致NH3的排放量有所增加（与原先接近零的排放量相比），但是发现NH3排放量增加的情况大多数是在NOx排放量非常低的卡车上发生。观察表明，需要采用更为有效的氨供给策略和氨逃逸催化器。少数高排放卡车的排放量占了车队总排放量的很多份额，10%卡车排放的NOx、NO2、N2O和NH3分别为车队排放总量的39%、52%、63%和95%。这项研究强调了采用SCR的好处，同时也指出，需要提高车辆使用过程中的排放达标度。

Badshah等人用便携式排放测量系统（PEMS）测量了160台2010年后的重型柴油机车辆使用过程中的排放量，并对测量结果进行了分析。这些车辆在NTE试验过程中的运行时间平均仅为8.7%。在NTE试验中的NOx平均排放量为0.18 g/（hp·h）①，而在包括怠速在内的整个试验运行过程中，NOx的平均排放量则为0.36 g/（hp·h），后者的NOx排放量比前者的增加了1倍。在低车速运行时，NOx排放量呈现出不成比例增加的态势。如图2所示，车速低于25 mile/h时，NOx排放量大于1 g/（hp·h），比认证限值高出了约5倍。而长途运输卡车在城区低速行驶时，NOx排放量大约是认证限值的7倍。

Pasada等人对5台卡车排放数据所作的分析显示，虽然放宽NTE试验法的边界条件有助于缩小排放的差距，但是采用欧洲基于工作状态的窗口法是1种更有效的方法，它能使累计的排放量与城区行驶的排放状况更为一致。

为了解决以上的问题，CARB提出了1项重型车低NOx排放的综合规则，目前的提案拟分3步逐渐减少NOx排放：第1步，针对2022年型车辆对NTE试验作较小的修改。第2步，针对2024—2026年型车辆按联邦试验规程（FTP）试验时，NOx排放限值降至005 g/（hp·h），提出新的低负荷试验循环（NOx排放限值设定为FTP限值的1～3倍），实际使用过程的试验方法从NTE试验法改变为欧洲的移动平均窗口法（欧6d），颗粒物排放限值降低50%，为0.005 g/（hp·h）。第3步，针对2027年型车辆按FTP试验的NOx排放限值进一步降至0.01x g/（hp·h）（“x”值待定），进一步收紧试验过程中的测试要求，包括收紧对冷起动的要求（欧6e）。除了以上提议之外，CARB还建议提高对使用寿命和质保的要求。

有研究人员详细描述了美国EPA“清洁卡车倡议”的主要内容，其中包括：全国性的NOx减排目标应与CARB提出的要求一致，提高对使用寿命和质保的要求，加快柴油机排气后处理系统的老化过程，以及利用车载传感器的数据监测排放达标度。重点是要通过新的实际使用试验方法和单独设定怠速排放限值来确保车辆在所有运行条件下达到低排放目标。为了确保在实际行驶中实现NOx减排，研究人员正在探索1种采用车载NOx传感器和远程信息技术的新监测模式。预料这种检测方法能对高排放车辆进行快速检测，同时还能减轻PEMS的一些试验负担。加利福尼亚州还准备提出，要像道路车辆一样减少非道路用柴油机的NOx和颗粒物排放。他们正在进行的研究项目是测定第4阶段（Tier4）发动机实际使用过程中的排放量，以及采用模拟手段观察先进排气后处理技术实现进一步减排的潜力。

目前，欧6e排放法规已由官方正式发布，从2020年1月开始，新车型式认证将执行该标准，从2022年1月起要求所有车辆都执行该法规。该法规的重要变化是要求在进行型式认证和实际试验排放达标试验时，采用PEMS测量冷起动的废气排放量和颗粒数排放量。实际使用排放达标试验的颗粒数一致性系数CF设定为1.63。对PEMS设备的评估显示，CF尚有063的余量，它要比轻型车的CF余量（0.50）大一些。火花点燃发动机和双燃料发动机允许有2年的准备期，该法规将从2023年开始适用于这些发动机。欧6后的排放法规正在讨论之中。Grigoratos等人研究了5台重型车的实际排放性能。这些车辆包括几台长途和区间运输卡车及1台大客车，配装的是7.5～13.0 L排量发动机，并且所有的车辆均配置柴油机氧化催化器+柴油机颗粒过滤器+选择性催化还原/氨逃逸催化器 （DOC+DPF+SCR/ASC）。测量结果显示，大部分车辆的NOx排放量都低于认证限值，颗粒物排放量要比限值低1个数量级。低车速行驶时的NOx排放量特别高，其中1台车在7～11 ℃的环境温度下试验时，NOx排放量超过了限值。NO2的含量为总NOx的10%～67%。因此，未来可能需要单独设定NO2的排放限值。

研究人员正在进行23 nm以下颗粒数测量的试验研究，以评估测量的精度和可靠性。Giechaskiel等人对直接测量尾管10 nm以上颗粒数的各种取样方法进行了评估。他们在7台柴油机和 2台天然气发动机上进行了测量研究，这些发动机都符合欧6c或欧6d标准。评估结论认为，虽然各种稀释方法（固定流量和比例流量）的功能相当，但是用冷稀释法测得的颗粒数被高估了50%，因而强调需要引入恰当的标定程序，尤其是对23 nm以下的颗粒。研究人员发现采用催化分离器测得的小于23 nm以下的颗粒数要比采用蒸发管测得的颗粒数来得少。这些结果表明，冷凝的液态颗粒对23 nm以下的颗粒群测量提出了挑战。这些发动机在全球统一的重型车瞬态试验循环（WHTC）下的测量结果显示，小于23 nm的颗粒数是大于23 nm颗粒数的18%～365%。在计入23 nm以下颗粒数的情况下，1台柴油机车辆和1台压缩天然气车辆的颗粒数排放量超过了规定的限值。

Mamakos等人的研究指出，尿素喷射会产生不挥发的颗粒物。2台重型车柴油机在WHTC下进行的试验显示，当尿素喷射开始时，颗粒数排放量增加到了2.2×1011/（kW·h），比规定的限值高出了三分之一。这些颗粒中数量最多的是小于20 nm的颗粒，这表明需要采用能计及这些尿素基颗粒的测量方法。

国六b标准已提前在北京实施，要求城市车辆从2019年1月起执行该标准，新卡车从2020年1月起执行该标准。目前，中国的非道路移动机械第4阶段排放法规仍未发布，原先的意图是要从2020年开始实施该排放法规。

墨西哥已将该国采用超低硫柴油的时间推迟到了2025年，这可能会影响到原定于2021年实施欧6重型车排放标准的计划。

2 发动机技术

本节介绍轻型车和重型车发动机效率提升的进展情况，并简要阐述燃油及其品质对发动机有效燃烧的影响。

2.1 轻型车发动机技术

Weiss等人对3种德国流行的紧凑型轿车在过去40年的发展过程进行了研究，50%以上的发动机是为了迎合消费者对高功率车辆的偏好而提升效率的。如果这些车辆的功率和载质量仍然保持1980年的水平，那么CO2排放量可能会减少约25%。这充分说明，需要继续提高发动机的效率，若不这么做，消费者预期改善性能的愿望就会阻碍CO2减排的进程。同时这也表明，在改善车辆燃油经济性时，需要采取包括减轻质量、发动机小型化、改善空气动力学和动力总成电动化在内的综合技术措施。

表1所列是为提高轻型车燃油经济性而采用的一些领先的发动机技术。

Kargul等人介绍了美国EPA对最新的轻型车发动机技术进行的评估。他们对1台丰田公司的2018年型4缸2.5 L自然吸气阿特金森循环发动机进行了试验评定。该发动机采用了双气道和燃油直喷以及冷却废气再循环（EGR），EGR率高达24.1%。通过进气门迟关来实现阿特金森循环，并将几何压缩比从13降至7。实测的BTE达到了39.8%，這是EPA在非混合动力火花点燃发动机上测得的最高BTE。他们利用ALPHA模拟工具评估了1台中型车的CO2排放情况，并以1台配装2016年型2.5 L汽油直喷发动机和6速变速箱的车辆作为比较基准。试验结果发现，配装Toyota 2018年型发动机和8速变速箱（带起动.停车装置）的车辆，按城市和公路混合试验循环运行时CO2排放量降低了17.3%。另外，他们还评估了1台2015年型车辆采取车重减轻7.5%，以及空气动力学阻力和滚动阻力各减少10%等措施后的排放情况。结果显示，该车辆的CO2排放量比2018年型车辆的CO2排放量减少了15.0%。最后，发现采用固定停缸或动态停缸技术时，能使车辆的CO2排放量比2015年基本型发动机的排放量再进一步减少7.7%。模拟显示，与2016年的参比发动机相比，这些技术组合在一起能使温室气体的净排放量减少高达35%。应当指出的是，上述这些改善效果还没有包括电动化所起的作用。

Kapus阐述了利用现有的技术实现更高有效热效率的各种策略。理论空燃比汽油直喷发动机在不采用喷水保持过量空气系数λ=1运转的情况下，可以通过采用米勒循环、可变截面涡轮增压器和冷却EGR来达到42%以上的BTE和100 kW/L以上的比功率。比功率可以换取更高的热效率，采用低增压时，在70 kW/L的比功率下能使BTE达到43.8%。虽然在λ=1.6的稀燃状态下能使BTE进一步提高到45%，但是，即使混合气较稀也要求控制NOx的排放。Sellers等人的试验证实，1台单缸发动机通过各种先进燃烧技术的组合使BTE达到了45%。这台发动机的缸径/行程比为0.7，压缩比为17，并采用了几种减轻爆燃的策略，包括进气门早开的米勒循环，稀气均质燃烧和直接喷水。为了要在λ>2.0的状态下保持稳定燃烧，必须采用电晕放电点火。可以预料，发动机自身的NOx排放量会随着λ增加而减少。

2.1.1 汽油压燃

在压燃式发动机中燃用汽油是使汽油机达到像柴油机那样热效率的1种途径。汽油固有的耐自燃特性是对汽油压燃发动机确保低负荷稳定运转的挑战之一。研究人员正在推出各种措施以应对这些挑战，例如：Mazda公司提出的在低负荷时采用火花点燃，采用汽油直喷压燃技术和燃用耐自燃特性较差的低辛烷值燃油。Mazda公司介绍了在Skyactiv.X 2.0 L发动机上采用汽油压燃技术的详细情况。该发动机的压缩比由以前汽油机的14.0提高到了16.3。引入的发动机技术包括：用增压器作为进气稀释器（稀释进气空气），采用配置10孔喷油器的高压（70 MPa）喷油系统，以及改进燃烧室设计。这些措施能使发动机在宽广的运转工况范围内实现稀气燃烧，而在高负荷区再将稀气燃烧转换成理论空燃比燃烧。采用的排气后处理系统由低压EGR、三效催化器（TWC）和汽油机颗粒过滤器（GPF）组成。为了在车辆停车时保持住热量并使发动机慢慢地冷下来，将发动机包封了起来。试验结果显示，该发动机的扭矩提高了10%以上，燃油耗平均改善了10%。Mazda公司还配置了1套轻度混合动力系统，并进行了车辆试验，在城市行驶条件下，车辆的燃油经济性提高了30%。有报道称，汽油直喷压燃技术已取得了显著的进步，1种全新的燃烧策略能克服以前对高负荷燃烧控制的限制。该燃烧策略包含了在接近上止点时实施由高压（180 MPa）喷油系统支持的二次喷油。试验在1台压缩比为17的4缸2.2 L发动机上进行。汽油直喷压燃技术的其他进步还包括：采用先进的可变喷嘴涡轮增压器和冷起动用的2.5 kW进气空气电加热器。对这台三代发动机进行的测功器台架试验显示，发动机的最高BTE达到了435%，最低有效燃油消耗率（BSFC）为194 g/（kW·h），并且在宽广的发动机运转工况范围内的BSFC 均低于210 g/（kW·h）（BTE约为40%）。同时，发动机的性能还有可能进一步提高，这也是未来四代发动机的研发重点。传热损失减少50%和摩擦降低10%有可能使BTE进一步提高到47.6%。对于车辆性能水平的模拟分析显示，在采用轻度混合动力系统的情况下，三代发动机（带起动发电机（ISG））的燃油耗有可能比2015年型汽油直喷中型车的燃油耗降低34%（图3）。四代发动机在轻度混合动力系统中有可能实现节油44%的目标。

Graknell等人介绍了在1台4缸2.0 L汽油直喷发动机上进行燃用不同品质燃油的试验。发动机的压缩比保持为16，喷油压力小于60 MPa。通过改变燃油的乙醇含量（5%，10%）、挥发性和研究法辛烷值（RON92和RON102），用5种市场上具有代表性的燃油进行了试验。试验采用火花点燃辅助低负荷运行，并采用了主动涡流比控制。试验发现，发动机能在宽广的工况范围内保持可靠运转，且与燃油的特性差异无关，只是在采用高辛烷值燃油时才需要附加的辅助燃烧手段。最低BSFC为186 g/（kW·h），在宽广的发动机工况范围内测得的燃油消耗率均小于200 g/（kW·h）。但是，在低负荷时BTE有所下降，这时就需要采用火花点燃来辅助燃烧。

2.1.2 喷水

喷水被人们看作是1种能抑制爆燃和扩大λ=1.0运转范围的技术途径。Neumann等人研究了用喷水技术来提升高压缩比米勒循环效率的可能性。研究人员采用1台排量为375 mL的单缸汽油直喷发动机进行了试验研究。发动机的压缩比为12.8，采用进气门早关的方式实现米勒循环。采用了气道喷水和（缸内）直接喷水2种喷水方式，在2 000 r/min和1.6 MPa 平均有效压力（BMEP）的爆燃敏感点测定了排放量。在水.燃油比为50%时，气道喷水时燃油耗的降低量在24%以下。在相同的水.燃油比下，直接喷水时燃油耗的降低量增加到了4.7%，采用多次直接喷水时燃油耗降低量能进一步达到7.0%。正如研究所述，采用喷水技术后排气温度有所降低，并能使NOx排放量减少。研究显示，对于采用米勒循环和高压缩比的小排量发动机，喷水技术有可能使燃油效率进一步提高。

Cordier等人在另1台单缸发动机上进行了喷水与EGR相结合的试验研究，并比较了叠加好处。该发动机的排量为350 mL，压缩比为12.5。在2 000 r/min和1.7 MPa BMEP的运转工况下测定了相关数据。研究发现直接喷水时排气温度较低，燃油耗比气道喷水时的低50%。这些好处会随着喷水量和喷水压力的增加而增加，不过在水.燃油比超过50%时，进一步的得益有限。试验发现，在单独采用喷水和EGR时，它们分别能使燃油耗改善约10%和7%。喷水的机理是通过改善燃烧相位来实现燃油耗降低的，而EGR的作用主要是减少壁面热损失。当这2种技术结合在一起时，EGR能使燃油耗降低3%～5%，在EGR率为5%～15%时，净燃油耗降低量可达15%左右。

喷水还能使发动机在保持性能不变的情况下采用低辛烷值燃油。Khatri等人采用3种不同的燃油（辛烷值为RON91、RON95和RON98），测定了喷水对1台3缸1.5 L涡轮增压发动机性能的影响。气道喷水的喷射压力为1.0 MPa，直接喷水的喷射压力为20 MPa。采用喷水技术时，发动机燃用RON91燃油时的全负荷性能与燃用RON95和RON98燃油时的性能相同。当燃油的辛烷值降低时。爆燃倾向会增加，因而需要采用更大的喷水量来保持相同的性能。

采用喷水技术的缺陷是消费者对装满水箱的接受度较低。研究显示，排气中充足的水蒸气含量能满足宽广发动机运转工况下所需的水量。Hebert等人开发了1种设置在排气后处理系统下游的水收集系统。他们采用了两级冷却装置来使水冷凝，并在其后设置了1个分离冷凝水滴的装置。早先的模拟结果显示，收集到的水量有可能比实际需要的水量来得多，并且收集到的水表现纯度也不错。目前还没有人给出考虑到冷凝能耗的燃油消耗量数据。

2.1.3 预燃室喷束着火燃烧

Bunce等人回顾了过去10年中在开发预燃室喷束着火燃烧发动机方面取得的进展。来自预燃室的喷束穿入主燃烧室后会产生多个着火点。它与低温燃烧一起能降低爆燃的可能性。他们开发了主动型和被动型2种预燃室方案。前者包括1个为预燃室单独配置的直接喷油器，而后者是依靠压缩行程将部分充量送人预燃室。他们在1台压缩比为9的3缸1.5 L发动机上进行了试验。

主动型预燃室系统能使发动机的压缩比提高到14，稀燃裕度可达到λ=2.0以上。最高BTE达到了42.3%，它比基本型发动机的BTE提高了19%。最低BSFC低于200 g/（kW·h）。在整个发动机运转工况范围内，发动机自身的NOx排放量降低了95%。发动机整个运转工况范围的性能如图4所示。

可以预料，预燃室喷束着火燃烧发动机也需要采用像柴油机那样的排气后处理系统。但是，由于它自身的排放较低和排气温度较高，因而有可能减小排气后处理系统的尺寸。这种预燃室发动机的主要缺陷是低负荷燃烧稳定性差和点火推迟能力差，这2点对于冷起动时催化器较快加热十分不利。在采用主动型预燃室时，可以通过发动机稀燃运行和采用与基本型发动机一样的推迟点火正时来克服这一缺陷。

在采用被动型预燃室系统时，燃油喷入气道后进入主燃室。发动机采用米勒循环和低压EGR相结合的运行方式。发动机在理论空燃比条件下运行时，涡轮前的排氣温度低于950 ℃。被动型预燃室发动机的EGR率裕度可扩大到25%以上。最低BSFC达到了211 g/（kW·h），它比主动型预燃室发动机的最低BSFC高出约5%。好处是可以降低结构复杂性和减少硬件数量，并能简化排气后处理系统（预料在理论空燃比下运行时，只需要采用TWC）。与混合动力系统配合运行时，这种发动机的BSFC有可能进一步降至207 g/（kW·h）。

Brannys等人介绍了在1台Volkswagen公司1.5 L发动机上采用预燃室燃烧的情况。该发动机按混合动力系统的要求进行了优化。为了发挥混合动力系统的协同效应，他们采取了以下几种技术措施：（1）借助于电力驱动降低了发动机所需的低端扭矩，因而能在不发生爆燃的情况下允许采用15的较高压缩比。由于采用了可变截面涡轮增压器，因而能在整个发动机运转工况范围内采用外部EGR。采用这2种技术后，使部分负荷时的燃油耗降低了5%。（2）由于是在混合动力系统中采用上面介绍的被动型预燃室燃烧，因而它能解决低负荷和冷起动时的技术问题。在高负荷下运行时燃油耗能降低4%。它还能使排气温度降低约60 K，因而能在无需燃油加浓的情况下使发动机的最大功率达到100 kW的目标值。（3）对进气凸轮作了优化，以进一步降低爆燃倾向，并使燃油耗降低1%～3%。（4）由于采用了可变截面涡轮增压器，因而能使上面提到的低压EGR率达到20%，结果使燃油耗降低了5%。

总的来说，通过以上改进，燃油耗降低了10%，最低BSFC为204 g/（kW·h），最高BTE为41.5%。在宽广的发动机运转工况范围内，燃油耗都比较低（210 g/（kW·h）以下），即使在100 kW的最大功率时，燃油耗也能达到208 g/（kW·h）。与混合动力系统配合时，在全球统一的轻型车瞬态试验循环（WLTC）下试验时发动机的CO2排放量为6.5 g/km。

2.1.4 电动化

具有不同电动化水平的动力系统正在不断进步，因此人们对这些动力系统的市场前景颇为关注。在最近的会议上，有人预测认为，到2030年，纯电动汽车（蓄电池和燃料电池电动汽车）将会占到20%～30%的市场份额。所有的研究都认为，在相同的时间段内，插电式混合动力汽车能占的市场份额比较少（低于20%）。混合动力车（轻度混合动力和全混合动力车）能占的市场份额为20%～40%。有1项研究的预测认为，混合动力车在欧洲将可能会有70%的市场份额。Kimura以本田公司为例，介绍了其电动化策略，到2030年要使纯电动汽车和燃料电池电动汽车及混合动力车和插电式混合动力车的市场份额分别达到15%和50%，并使纯内燃机车辆的市场份额保持在35%。这些预测指出，即使到2030年，在销售的新车中，内燃机车辆的占比仍将会达到70%～80%，并强调内燃机和电动化技术需要协同改进。

国际能源署发表了1份关于全球电动化动力系统展望的综合研究报告，图5是该报告中给出的内燃机车辆和电动化车辆“从摇篮到坟墓”全生命周期的CO2排放量分析。结果发现，混合动力车的CO2排放量要比基本型内燃机车辆的CO2排放量低约20%。在400 km的行驶里程范围内，蓄电池电动汽车的CO2排放量还能再减少5%。从图5可见，最好的混合动力车的CO2排放量与最好的纯电动汽车的CO2排放量是相同的。这些结论是根据全球电力生产的碳强度得出的。该研究报告进一步指出，在电网极度依赖于化石燃料和煤炭的地区，蓄电池电动汽车的CO2排放量可能会比混合动力车的更高。当然，随着可再生能源份额的增加，电动化的好处会得到提升。因此，政策制订者在设定CO2排放目标时，必须进行类似于“从摇篮到坟墓”的全生命周期分析。此外，该报告还强调指出，混合动力车辆在基础设施、激励和原材料消耗方面所需的投入要比纯电力汽车的少得多。

在实际行驶条件下进行的车队试验显示，采用48 V蓄电池（平均容量为1.2 kW）的轻度混合动力车辆和全混合动力车辆的CO2排放量要比传统车辆的低约30%。在蓄电池容量归一化的情况下，混合动力车辆是减少CO2排放的最有效途径。显然，混合动力车辆的CO2减排量也是有限度的，因而未来需要采取更深度的电动化措施来减少CO2排放，包括采用插电式混合动力车和全电力驱动的车辆。

可以预料，采用48 V蓄电池的轻度混合动力车在未来几年中会赢得相当大的市场份额，尤其是在欧洲地区。因此，研究人员为这种混合动力车考虑了各种不同的结构布置方案，并根据电力机械（电动机/发电机）的安装位置将它们定名为：P0（电力机械通过皮带与发电机连接）、P1（电力机械与曲轴连接）、P2（电力机械设置在发动机与变速箱之间）、P3（电力机械与变速箱连接，并与发电机脱离）、P4（电力机械与后轴连接）。

Blumenroder等人介绍了该技术在Volkswagen公司的3缸1.0 L和4缸1.5 L发动机平台上应用的情况，结果使车辆的百公里平均燃油耗降低了0.4 L。Volkswagen公司采用了P0结构布置，起动机发电机由皮带驱动，发电机的最大输出功率为12 kW，电动机的功率为9 kW。蓄电池的容量为250 W·h。轻度混合动力车辆的主要好处是车辆能在油门踏板松开时实现发动机停机滑行，并在车辆恢复运行时能使40%的减速能量得到回收利用。发动机怠速也得到了改善，因而怠速运行期间的燃油消耗减少了20%。除了燃油经济性的好处外，电力还能帮助提供附加的低端扭矩，以使车辆更快地达到最大扭矩的25%。

Alt等人分析了1台C级车辆采用不同的48 V轻度混合动力系统结构布置时CO2的减排潜力。该车辆配置的是额定功率为85 kW的1.2 L汽油直喷发动机。结果显示，CO2的减排潜力取决于电力机械与动力系统其他部件的相对位置。P1结构能使CO2减排8%～12%，P2结构的CO2减排量为12%～16%，P3结构能实现CO2减排14%～19%。采用诸如可变截面涡轮增压器、米勒循环和提高压缩比之类的先进内燃机技术时，CO2的减排量更高。研究人员还进行了成本效益分析，估计轻度混合动力车的CO2减排成本为40～80欧元/（kg·km），还发现P3结构的CO2减排量最大，而且成本.效益比也最佳。

Blaxill指出，对于1台高性能C级轿车，采用P0结构时CO2减排量为6%，而采用P4结构时CO2减排量可增加到15%。為了达到最佳效率，需要的最大功率为25 kW，而10～12 kW的持续功率足以满足充电和放电的需要。

研究人员还在考虑将48 V系统用于全混合动力车辆。Graf介绍了1台最大功率达30 kW的48 V全混合动力车的性能。除了具备轻度混合动力车的功能外，这台全混合动力车还增强了恢复行使的能力，并能提供电力行驶。CO2减排量由轻度混合动力车的10%～14%提高到了全混合动力车的20%。模拟预测显示，该车辆的燃油耗能达到百公里3.9 L，在城市行驶时CO2排放量为91.7 g/km，按WLTC运行时内燃机停机的时间为97%。与功率对分的多点喷油混合动力车相比，预测这台48 V高功率混合动力车采用汽油直喷和多点喷油时的成本会分别降低15%和28%。

电池技术正在不断进步，在过去几年中电池的成本在快速下降。Weiss等人分析了电动汽车能达到的智能化率，还分析了德国传统车辆和油电混合动力车削减CO2、NOx和颗粒物排放所需的成本。在分析了2010—2016年的数据后发现，蓄电池电动汽车的智能化率为32%（混合动力车的智能化率为37%）。这意味着要在电动汽车的产量增加到7亿台时才能达到蓄电池电动汽车与内燃机车辆的盈亏平衡点。考虑到生产电力时产生的上游排放物，电动汽车的NOx和颗粒物减排成本要比传统车辆添加排气后处理系统所需的成本高出几个数量级。

2.2 重型车发动机技术的发展

2019年，美国国家科学、工程和医学科学院发表了1份综合性报告，详细论述了中型车和重型车降低燃油耗的技术路径。该报告指出，到2030年，中型车和重型车的负荷燃油消耗率（燃油耗/有效负荷/行驶里程）比2019年的基准值降低12%～19%是有可能实现的。研究人员对1台2b级皮卡和1台8级牵引车.挂车在4种发动机/车辆组合下的性能进行了模拟，前者配装的是6.7 L柴油机，后者配装的是15.0 L理论空燃比天然气发动机和柴油机。模拟结果显示，对于8级卡车，通过发动机改进能使它的BTE达到超级卡车计划的目标值55%，这表明柴油机的CO2排放量能减少15%～17%。6级专用车和皮卡车的CO2排放量分别能减少12%和12%～15%。可以预计，当发动机改进与诸如降低空气动力学阻力和滚动阻力等车辆改进技术相结合时，CO2排放量能减少30%左右。若再采用低碳燃油（例如，生物柴油和加氢衍生的可再生柴油），甚至有可能使“油井到车轮”的CO2排放量降低高达80%。在城市行驶条件下，重度混合动力车的燃油耗预计能降低20%～30%。表2所示为目前重型车正在实施是CO2减排技术，以及能达到的CO2减排量。

美国能源部推出的超级卡车Ⅱ计划已进入该计划的后半期。该计划的目标是：在实际运行中有效热效率要达到55%以上，货运效率计的燃油效率要比2019年的基准值提高100%。参与该计划的所有研究团队都报告了进展，并声称正在实现该计划的目标。所有研究团队的共同课题是：减轻质量、改善车辆的空气动力学、降低滚动阻力、改进燃烧和空气管理（优化米勒循环，改进涡轮增压器）。大部分研究团队都认为废热回收利用是达到BTE目标的主要途径之一。在动力系统方面，轻度混合动力系统同样也受到各研究团队的追捧。有人还对排气后处理系统的改进进行了评估，认为既可以通过减小后处理系统的尺寸和压力降，也可以通过降低NOx排放来满足未来排放法规的要求。

Zukouski介绍了Navistar公司为了使BTE超过55%而采用的技术途径。废热回收利用是其中的关键要素之一。研究人员对各种工作流体进行了评估，发现有可能使BTE提高约0.5%。将朗肯循环的膨胀效率从60%提高到70%，BTE提高了0.5%。他们通过提早和推迟喷油正时及采用双喷油系统（气道喷油/直喷）进行了汽油压燃的试验研究，以增强预混合燃烧。研究人员还评估了上述策略与E85燃油相配合时的发动机性能，发现E85燃油与双喷油系统相结合能使BTE再提升0.7%。为了减少NOx排放，对1种紧耦合SCR进行了试验评估，该SCR在DOC上游提供双尿素供给，并设有1个ASC区，以使NH3逃逸和N2O生成量最少。按FTP试验循环运行时，上游SCR的转换效率为70%～95%。研究人员配置了1台采用48 V蓄电池的轻度混合动力车，并探索自适应巡航控制系统，以进一步提升车队的燃油效率。

Dickson和Damon列举了Cummins和Peterbilt公司为使BTE从50%提高到55%而采用的几种技术。这些技术包括减少摩擦、改进涡轮增压器、采用低传热气缸盖和活塞、改善喷油。废热回收利用也是重要途径之一，目标是提高4%的BTE。他们已完成48 V混合动力系统的电机与蓄电池的一体化，预料现阶段能节省燃油3.4%。货运效率得到提高的关键措施是空气动力学阻力减少了56%，车重减轻了4 685 lb，滚动阻力降低了30%。

Amar和Li介绍了Volvo公司在实施超级卡车计划中取得的进展。他们借助于发动机建模进行了改进燃烧的研究，采取的措施主要包括：高压缩比波浪型活塞设计、多次喷油、优化米勒循环的正时和优化涡轮复合增压。与其他研究团队一样，他们也进行了48 V轻度混合动力系统的试验研究。并且还在探索用隔热涂层来提高发动机热效率。为了减少背压，他们实施了排气后处理系统的小型化，包括采用高空穴密度基底材料、薄壁顆粒过滤器和电加热催化器，还研究了将SCR设置在涡轮前来利用较高排气温度的可能性。试验显示，该位置的压力上升并没有对NOx的转换效率产生影响，而且NH3逃逸有所减少。他们选择了1种相变冷却方法，而不是采用基于制冷剂的冷却系统。

Rotz和Girbach探讨了Daimler卡车公司的技术路线，通过采用高压缩比、高气缸压力和隔热涂层来改善燃烧，并利用两级涡轮增压器来完成降速。他们通过优化米勒循环的气门正时来改善空气管理，同时也采用了48 V轻度混合动力系统，并依靠它来支持车辆的动力转向和电气化附件。用48 V电动发电机替代了交流发电机，有助于能量回收。他们还采用了废热回收利用的技术，预料它能使BTE提高3.5%。

对置活塞发动机技术正在不断进步，有研究人员介绍了采用该技术在1台8级450 hp的3缸10.6 L发动机上的试验结果。发动机试验台上测得的燃油耗为186.3 g/（kW·h），这意味着BTE已达到了45.1%。Lam等人在1台双压缩.膨胀发动机上进行了用分开循环来提高燃油经济性的探索试验。发动机循环在2个或3个气缸中完成。在这些气缸中，压缩、燃烧和膨胀过程是单独发生的。这些过程分开发生有许多好处，例如：膨胀更强（相对于压缩而言），混合气更稀，压缩比更低，传热损失更小，摩擦损失更小。发动机试验和模拟分析所得的结果证实，最高BTE能达到53.8%。

重型车领域的电动化也在向前发展。分析发现，对于行驶里程较短的电动卡车，每英里的行驶成本会有所增加。车辆上附加的重达7 t的蓄电池组会使负载减少28%。在蓄电池容量相同的情况下，当车辆在坡度为1%～2%的道路上行驶时，能量消耗（用电量）会增加1倍，而且行驶里程会明显缩短。

Sharpe强调了基础设施对支持重型车电动化的重要性。对于8级长途运输牵引车.挂车来说，柴油车与蓄电池电动汽车的成本可能要到2026—2028年才能达到平价。然而，在计入基础设施成本的情况下，二者实现总持有成本平价的时间可能会推迟5～10年，也就是要到2030年以后推出。有研究人员预测，到2030年，采用天然气衍生的氢作为燃料的燃料电池电动汽车的总持有成本可能会比蓄电池电动车的低10%，主要原因是天然气比较便宜。地区内运货的6级电动卡车则能在较短的时间内实现成本平价，预料到2025年就能达到较低的总持有成本。

（未完待续）