2020年全球汽车发动机效率提升和排放控制的发展动向(上)

【美】 A.JOSHI

关键词：排放法规;减排技术;发动机;控制技术

0 前言

2020年，全球插电式混合动力汽车（PHEV）的销售量为230万台，约占全球轻型车总销售量的3%[3]。PHEV 配装有内燃机，而每年销售的约7500万台车辆则完全由内燃机驱动。

为了减少这些车辆的排放，各国政府通过提倡公共交通出行或采用低碳燃油和可再生燃油的策略来实现低碳强度的交通运输。本文将重点关注后者的发展情况。

本文主要回顾了2020年全球轻型车和重型车领域在减少车辆尾管排放方面的进展情况。首先介绍各国轻型车和重型车的CO2 及有害污染物排放法规的最新动向，其次阐述各国为满足严苛的排放法规所选用的各种发动机技术的进展状况，最后介绍排气后处理系统的研发动态。

1 排放法规的动向

本节主要介绍轻型车和重型车的有害污染物排放法规，以及CO2 排放法规/燃油耗标准的最新变化情况。

1.1 轻型车CO2 排放法规或燃油耗标准

图1示出了各主要国家CO2 的排放目标，其中美国的数值为车辆占地面积大于56平方英尺乘用车的范例，2025年中国的数值是根据燃油耗由百公里5.0L降至百公里4.0L的目标值计算而得。目前，最严格的CO2 排放目标是欧洲所规定的59.0g/km，相当于要求在未来10年内实现CO2 减排37.5%。

1.1.1 欧洲

2019年，欧洲轻型车新车的CO2 平均排放量呈现上升趋势，达到了122.4g/km，比2018年的CO2 平均排放水平增加了2.0g/km[4]。这也是欧洲连续第3年出现CO2 排放量增加的现象。该现状表明，2021年车辆要求达到95.0g/km 的排放目标将面临巨大的挑战。因此，欧洲已经加大了混合动力车（HEV）和PHEV 的销售。

2030年欧洲的排放目标将会更为严格。欧洲绿色协议[5]要求到2050年实现温室气体（GHG）零排放。该计划的目标是，到2025年可充电式电动车的销售量要达到130万台，实施更严的空气污染物排放标准，以及修订乘用车和厢式客车的CO2 排放标准。欧盟委员会于2021年6月发布了欧洲气候法令[6]，该法令包括了修订交通运输领域的CO2 排放目标。

1.1.2 美国

美国环境保护署和国家公路交通安全管理局公布了最新的轻型车燃油耗和温室气体标准[7]。针对2021—2026年型的车辆，该标准要求车队的尾管CO2排放量平均每年降低1.5%。加利福尼亚州也已制定了更为严格的标准，要求CO2 排放量每年减少3.7%。但是，燃油经济性的改善效果已被大型轻型车的增量所抵消。2019年，美国新车的CO2 实际平均排放量比上一年增加了3g/mile，达到356g/mile[8]。销售的新车中只有约33.3%是轿车，其余均为大型运动型多用途汽车（SUV）车/皮卡/小型客车。

1.1.3 中国

2020年12月，中国发布了1份2.0版的节能与新能源汽车技术路线图[9]，其目标是：（1）要求交通运输领域的CO2 排放量到2028年达到峰值，随后到2035年CO2 排放量降低20%;（2）要求2021—2025年燃油耗降低20%，车辆尾管的CO2 平均排放量到2025年必须达到95g/km。随着试验循环从新欧洲行驶循环（NEDC）改为全球统一的轻型车试验规程（WLTP），这些排放目标也将同步进行修改。

图2示出了中国节能与新能源汽车技术路线图预设的各种动力总成所占份额。由此预测，到2035年，中国市场在售的车辆中将有50%的车辆是HEV，其余为新能源车。而在新能源车中，预计有95%为纯电动车（BEV）。未来几年，HEV 将会在降低GHG 排放中将发挥重要作用。

1.1.4 韩国

2020年，韩国发布了乘用车CO2 的排放目标，要求在未来10年内实现CO2 减排28%，到2030年车队CO2 平均排放量要求达到70.0g/km。目前韩国车队CO2 平均排放量为97.0g/km[10]。

1.2 轻型车有害污染物排放法规

1.2.1 欧洲

2020年，欧洲议会举行了将于2022年9月30日后取消氮氧化物（NOx）排放测量值一致性系数的投票活动。一致性系数是针对实际行驶排放（RDE）试验中采用便携式排放测量系统（PEMS）测得的较高排放值规定的1个允许限度。取消一致性系数后，欧洲要求排放测量值符合试验室认证试验循环的规定限值。

2020年初，欧盟委员会公布了实施欧七排放法规（欧七为重型车排放法规）的路线图，提出了3种可能的排放立法选项：（1）小范围修改欧六排放法规，简化试验方法，并强调实际行驶试验;（2）对欧六排放法规作较大范围的修改，对现已限制的排放组分设定更严格的排放限值，并对以前尚未限制的污染物组分（例如直径23nm 以下颗粒的颗粒数、N2O、CH4、NH3）和GHG设定新的限值;（3）对现行排放法规作全面的修改，除上述2项修改外，还要求增加在整个车辆寿命期内进行车载监测（OBM），OBM 数据可以用于市场调查、使用过程排放一致性（ISC）监测、定期技术检测，以及地理位置认定。

欧盟委员会的1个新工作小组、汽车排放标准咨询小组（AGVES）和1个称为“CLOVE”的合作商承担了对排放立法提出建议的任务。如果欧七排放法规出台，欧洲车队将面临2种情况：大幅度收紧排放限值，甚至包括收紧颗粒数排放限值，以及扩展RDE试验的边界条件和减少城区行驶距离以强调冷起动排放。相关法规的立法正在讨论过程中，欧盟也邀请了其他利益相关方加入排放立法的探讨，最终的法规草案将于2021年完稿。

预计该法规调整的1个项目是要求将直径23nm以下，10nm 以上的颗粒物计入颗粒数排放限值。Samaras等人提供了1份关于“直径小到10nm 颗粒物”研究项目的最新资料。图3示出了在配装汽油机、柴油机和压缩天然气发动机的传统车辆和混合动力车辆（包括摩托车和非道路移动机械）上采集到的260个试验数据。图中显示，如果直径大于23nm 的颗粒物计入总颗粒数，车辆能符合排放限值，而当计入直径23nm 以下的颗粒物时，车辆就不符合排放限值。出现这些状况的车辆既包括未配置汽油机颗粒过滤器（GPF）的汽油直喷车辆和气道喷射汽油机车辆，也包括配置了GPF并在城区行驶条件下试验的车辆，未配置GPF的HEV 处于临界状态。在计入直径23nm 以下颗粒物时，压缩天然气车辆超出了限值，尽管这些颗粒大部分是润滑油衍生的金属氧化物颗粒。试验结果表明，欧七排放法规的实施和直径小于23nm 颗粒物计入限值将促使大多数点燃式汽油機车辆采用颗粒过滤器，并且还必须随着颗粒数限值的收紧不断提高颗粒过滤器的过滤效率。

Giechaskiel等人对各种PEMS测定直径小于10nm 颗粒物的测量误差进行了定量分析。与参照的测量系统相比，性能最好的PEMS的测量误差在±25%以内，其他PEMS的测量误差则在±40%以内。

对直径23nm 以下颗粒物的测定较为重要，这需要测量装置具备强大的测量能力，确保获得可靠性和重复性较好的数据。此外，新法规也有可能会将非碳质排放物计为固态颗粒。Prasath等人测定了1台欧六重型车发动机直径23nm 以下的颗粒物，发现在其喷射尿素的情况下，当温度大于300℃时，成核颗粒有所增加。选择性催化还原（SCR）催化器逸出的硝酸盐会导致颗粒数增加，该结论可能是1个误导，研究人员还需要进一步研究。

1.2.2 美国

美国环境保护署发布了保持现行国家环境空气质量标准不变的决定。该标准建议，为了公众的健康，每年的平均颗粒物浓度应在12μg/m3 以下。美国环境保护署部分科学家则主张应将标准值收紧到8～10μg/m3，以更有效地保护公众的健康。而世界卫生组织提出的指导标准是10μg/m3。

加利福尼亚州空气资源局对“先进清洁轿车Ⅱ”的法规草案展开了讨论，其中包括制订下一轮有害污染物排放标准低排放车Ⅳ标准（LEV Ⅳ），并建议从2025年型的车辆开始执行该法规。该法规草案将会出现以下几方面的变化：（1）鉴于加利福尼亚州乘用车中的零排放车辆（ZEV）销售比例在不断增加，拟准备对内燃机车辆制订单独的标准;（2）将非甲烷有机气体（NMOG）与NOx 的车队平均排放量设定为20mg/mile （SULEV20），现行的限值为30mg/mile;（3）要求测量不同冷态保温期内的排放量;（4）单独设定冷起动后第1个5s内的怠速排放量限值;（5）设定PHEV 高功率冷起动时的排放限值;（6）将激进行驶状态（US06法规）的颗粒物质量排放量限值从现在的6mg/mile收紧到3mg/mile;（7）要求中型车的认证标准与重型车的低NOx 标准保持一致。

1.2.3 其他国家

智利计划于2022年采用欧六b/EPATier3Bin125排放法规，2024年采用欧六c/EPATier3Bin70排放法规。这些法规适用于轻型车和中型车。智利国内实施欧六c法规时将采用WLTP循环，并规定燃油含硫量降至10×10-6，智利将成为第1个采用欧六排放法规的南美国家。与此同时，巴西也决定从2022年起采用Tier3Bin125排放法规。

一些非洲国家的目标是在2021—2023年采用欧四排放法规。西非国家经济共同体规定燃油含硫量限值为50×10-6。这些国家要求从2021年1月起，进口到该地区的所有车辆必须符合欧四排放标准。

1.3 重型车温室气体排放法规

加利福尼亚州空气资源局采纳了先进清洁卡车法规，该法规设定了重型卡车的ZEV 销售目标。要求从2024年型的卡车开始执行这一法规，届时Class2b-3等级卡车和Class7-8等级牵引卡车的ZEV 销售量须达到5%，Class4-8等级专用卡车的ZEV 销售量须达到9%。这些销售目标还将逐年提高，以力求Class2b-3等级卡车、Class7-8等级牵引卡车及Class4-8等级卡车的ZEV 销售量分别达到55%、40% 及75%。尽管目前只有加利福尼亚州实施了这一销售目标，但美国已有15个州签署了谅解备忘录以表示支持这一做法。

欧洲首个重型车的GHG 排放目标要求车队平均CO2 排放量到2022年和2030年分别比基准值减少15%和30%。该基准值是以2019年7月至2020年6月期间采集到的以g/（t·km）计的排放量数据作为依据，该基准数据已于2021年4月发布。研究人员初步估计，车队平均CO2 排放量的基准值为50～54g/（t·km）。对于未达到CO2 排放目标的车辆，欧盟将会处以高额罚款。预计到2025年和2030年，未达标车辆的罚款金额规定为：超出1g/（t·km）的CO2 排放量，每辆车的罚金分别为4250欧元和6800欧元。

1.4 重型车有害污染物排放法规

1.4.1 美国

加利福尼亚州空气资源局批准的重型车发动机和车辆的综合法规，将是2010年以来发布的最严法规。该法规适用于车辆标定总质量大于6350kg的重型车用发动机。如表1所示，该法规主要有以下3个要点。

1）2024—2026 年型车：NOx 排放量要求减少75%，在重型车联邦试验规程（FTP）循环试验时，排放限值为50mg/（hp·h）。颗粒物排放限值也被要求降低50%，而在FTP循环工况下的颗粒物排放限值为5mg/（hp·h）。发动机还必须在新的低负荷试验循环（LLC）下进行测试，在LLC工況下的NOx 排放限值为FTP循环工况时限值的4倍，即200mg/（hp·h）。

（2）2027—2030年型车：FTP循环工况下的NOx排放限值降至20mg/（hp·h）（比2010年的标准降低90%）。LLC工况下的NOx 限值降低至50mg/（hp·h）。大型重型车发动机的使用寿命要求从435000mile增加到600000mile，但当重型车发动机超过435000mile后，其NOx 排放限值允许适当放宽。

（3）2031年及以后年型车：大型重型车发动机的使用寿命要求进一步增加到800000mile，达435000mile后，其NOx 排放限值允许进一步放宽。

研究人员估算了为达到这些法规要求需要增加的成本，预计1 台7.0L 发动机需要增加的成本约为2500美元，而13.0L发动机则需要增加约3200美元的成本。

美国环境保护署正在进行重型车低NOx 排放标准的制订工作。目前，他们开展了以下几方面的立法评估：（1）引入1种低负荷认证试验循环;（2）采用3-Bin移动平均窗口法评定重型车在使用过程中排放是否达标;（3）提高对重型车使用寿命的要求。制订该标准的通告已于2021年第一季度发布。

加利福尼亚州空气资源局提议要对车上诊断系统（OBD）法规进行修改。随着颗粒物排放限值的降低，专家建议收紧指示灯点亮的阈值限度。目前提案建议从2028年型车开始将阈值从17.5 mg/mile收紧到10.0mg/mile。但该阈值仍比2025—2028年实施的轻型车标准（1.0mg/mile）高了10倍。修订后的OBD法规于2021年3月底公布。

1.4.2 欧洲

欧六e排放法规已于2021年1月开始正式实施，该法规要求进一步降低NOx 的排放量，包括要求减少冷起动的排放量。研究人员对26台通过欧六a～欧六d法规认证的车辆进行了道路排放测量。试验结果显示，车辆在城区低车速运行时，实际行驶的排放量较高。尽管有些卡车在ISC试验路线上试验时能够符合法规限值，但其排放量均超过了城区低车速行驶时的排放限值。例如，1台欧六c长途运输卡车在城区条件下的行驶里程要占到其总行驶里程的37%，在0～50km/h低车速下运行时该车的排放量是限值的6倍;1台欧六cN3配送卡车在ISC试验路线上按欧六d和欧六e试验规程运行时虽能符合限值，但其在实际行驶过程中的排放量比ISC试验路线上的排放量高4～5倍。此外，还有几台N2和N3卡车实际行驶试验的数据也显示，其排放量是城区行驶限值的3～4倍。由此可见，重型车在城区行驶时的排放量将是未来欧洲重型车排放法规需要重点关注的问题。

1.4.3 中国

中国生态环境部发布了1份重型车远程信息处理（遥控OBD）的法规草案，适用于所有的国四和国五重型车。该法规要求将车辆的相关排放数据实时传送到管理部门。这些数据中还包括发动机和车辆的运行状态及排气后处理参数。OBD 被认为是大多数主要国家未来必须采用的技术，中国是第1个要求实施实时数据传送的国家。研究人员将OBM 的数据与在8台重型车上使用PEMS测得的数据进行了比较。结果显示，两者数据颇为一致，平均相对误差为15%。

中国的非道路移动机械第4阶段排放法规已经发布，该法规适用于不超过560kW 的发动机，并将于2022年12月1日正式实施。对于37～560kW 的发动机，相关部门要求引入1种能达到颗粒数限值为5×1012（kW·h）-1的柴油机颗粒过滤器（DPF），这是为了适应全球定位系统（GPS）和OBD 传送的需要。在使用过程达标试验中，PEMS也将用于测量气态排放物，其达到的不得超过（NTE）限值为试验循环限值的2倍。

2 发动机技术的进展

本节主要介绍轻型车和重型车发动机效率提升和排放控制技术的进展情况。

2.1 轻型车发动机技术的进展

面對电动汽车的发展趋势，继续为提高内燃机性能而进行的投资是有必要的。Sens等人测算了欧洲所有乘用车车队全生命周期的CO2 排放量。在欧洲，每年销售的汽车接近1700万台，预计到2035年汽车的销售量将达到2700万台。根据原设备制造商（OEM）的预测，到2035年，新车中电动汽车（BEV 和PHEV）所占的份额将增加到近50%。Sens等人的测算结果显示，考虑到车辆的实际行驶性能，在WLTP循环工况下内燃机车辆的燃油耗会增加25%，电动车的能耗会增加33%。假设现有汽油机和柴油机的最高效率分别为39.5%和45%，则研究人员需要评估到2030年汽油机效率提高19%，以及柴油机效率提高4%所带来的影响。据估计，车队全生命周期的CO2 排放量每年约为7.5亿吨，即使能达到预定的车辆电动化率，在忽略内燃机性能提高的情况下，从2020年到2035年全生命周期的CO2 排放量也会有所增加。Sens等人发现，当计入内燃机效率提高的因素时，CO2 排放量将得到一定程度的降低。因此，只有在采用了CO2 中性燃料（或E-燃料）时，才能实现效果更明显的CO2 减排目标。研究人员预计，到2035年这类燃料的使用量将增加到30%。总而言之，车辆实现电动化，同时采取提高内燃机效率与采用CO2 中性燃料相结合的方式，CO2 的排放量将减少10%～12%。

2.1.1 汽油机技术

目前，发动机的最高热效率约为41.0%，为了达到接近柴油机的效率水平，汽油机的有效热效率（BTE）必须达到45.0%。混合动力车专用发动机（DHE）允许在限定的范围内优化发动机的效率，并能在发动机效率较低时依靠电驱动来推进车辆，因此DHE的开发越来越受到关注。

Conway等人通过模拟定量分析了1台48V 电机辅助的发动机在提高压缩比、优化涡轮增压器尺寸，以及在加浓燃油时所带来的优势。例如，1台1.0L小型化发动机在采用15kW 电机辅助时，其压缩比可以从10.0提高到13.0;在采用35kW 电机辅助时，燃油加浓状态的空燃比λ 为1.3，可提高到理论空燃比（λ 为1.0）。研究人员对各等级车辆进行的模拟试验显示，采用这种电辅助动力总成可使燃油耗降低超过35%。由于车辆在公路上行驶时能量回收受到一定的限制，其节油低于5%的优势并不明显。

Uhimann等人采用模拟方式评估了欧洲地区未来10年内通过车辆混合动力化能够达到的CO2 减排水平。研究人员选用了1台2020年型C 级、总质量为1400kg的轻度混合动力车作为基准车辆，该车配装了3缸1.5L的DHE。研究人员假设，在采用冷却废气再循环系统（EGR，EGR率大于20%）、行程长、压缩比高及摩擦低等技术的情况下，该发动机的热效率能达到42.0%及以上。考虑到车辆将在2025年和2030年采用400V 全混合动力和2kW·h的蓄电池，发动机的排量预计还将减小至1.0～1.2L，预计到2030年，其效率将大于43.5%。研究人员采用的提高发动机效率的其他技术还包括：针对DHE优化的先进涡轮增压器、改善空气动力学阻力及减少滚动阻力。此外，研究人员还考虑在2025年改进车辆的电力驱动，例如改善e-燃料发动机的机油冷却和采用高效率逆变器等。研究人员预测，这台发动机效率为42.0%的2020年型轻度混合动力基本型车辆的CO2 排放量为102g/km。到2025年，车辆的CO2 排放量将降至25%，达到72～77g/km，而到了2030年，车辆的CO2 排放量可进一步降至64g/km，比2020年型基准车辆的CO2 排放量降低了50%。

Zhang等人提出了多种发动机技术改进措施，并在1台输出功率为105kW 的DHE上实现了42.5%的有效热效率。Zhang等人采用的关键技术是改善充量运动的横向燃烧系统。其他技术包括：米勒循环运行、改进气门传动机构、采用120MJ线圈的点火系统、采用35MPa直喷系统以改善燃烧和减少颗粒物排放，以及采用带放气阀的电驱动涡轮增压器。米勒循环与EGR的组合允许压缩比从基准发动机的10.5提高到了13.0，并在发动机整个运转工况范围内实现理论空燃比（λ 为1.0）运行，发动机的摩擦减少了28%。排气后处理系统包括紧耦合的三元催化器（TWC）和汽油机颗粒过滤器（GPF），用于早期点火和被动再生。这些技术措施实施后，发动机可在宽广运转工况范围内实现有效燃油消耗率（BSFC）达到210～230g/（kW·h），最佳的BSFC目标值为198g/（kW·h），相当于达到42.5%的有效热效率。

Tsurushima等人在1台以理论空燃比（λ 为1.0）运行的3缸1.5LDHE上进行了BTE达到43.4%的试验验证，该发动机的升功率为85kW，压缩比为13.5。其改进措施的关键点有：采用能支持30%EGR率的先进燃烧、采用进气门早关的米勒循环运行方式、改善缸内充量运动以确保在空燃比λ 为2.0时实现稳定的稀燃，发动机的摩擦降低了46%。研究人员还探讨了进一步提高效率的途径，采用了基于朗肯循环的废热回收系统。试验结果显示，在全球统一的轻型车试验循环（WLTC）附加高工况下，燃油經济性提高了4.6%。据估计，发动机总BTE能提高到45.0%。此外，该发动机用于串联式混合动力车时有可能实现空燃比λ 为2.0的稀燃运行。试验显示，微弱的分层稀燃可使BTE达到46.0%，预计通过进一步改善传热和采用更大容量的蓄电池，BTE可提高至50.0%。研究人员发现，通过采取限制发动机负荷以避免排气流量减少，推迟燃烧以提高排气热焓等措施，可使该发动机在排气后处理成本不显著增加的情况下满足未来排放法规要求，这是由于断油和燃油加浓受到限制，催化器恶化得到了抑制。

Kapus等人也对DHE 进行了试验研究。研究人员采用稀燃低增压方式使1台BTE为43.0%的2.5L自然吸气发动机达到了接近45.0%的BTE水平。当发动机配合采用米勒循环运行、可变截面涡轮（VTG）、冷却EGR、减少摩擦、轻度至完全混合动力等发动机和变速箱技术，以及采用减少空气动力学阻力和减轻车重等车辆改进技术时，研究人员预计CO2 排放量可比汽油直喷涡轮增压基本型发动机的排放量降低50%。模拟结果显示，该发动机如果在稀气燃烧、改进涡轮增压器和减少热损失等方面开展进一步优化，可使BTE提高到大于50.0%，进而使车辆尾管的CO2排放量再减少5%。图4示出了采用这些改进技术所需增加的成本。仅发动机技术改进就能使CO2 排放减少40%，其增加的成本约为2500欧元，成本/效益比为每减少1%的CO2 排放，相应增加35～90欧元。

Bassett等人介绍了预燃室燃烧系统研究的最新成果。研究人员用1台压缩比为9.2的1.5L直喷发动机作为基本型发动机，并在该发动机上设置了1个预燃室来实现喷油束被动点火，同时采取了以下的技术措施：将压缩比增加到14.7，添加冷却EGR（EGR率高达17%），采用VTG和米勒循环运行。试验结果显示，该发动机最高热效率达到了40.0%，BSFC降至207g/（kW·h），比基本型发动机的BSFC 降低了10.6%。在WLTP循环工况下，这种提高热效率的方式可使1台紧凑型SUV 车型的CO2 排放量减少7%。为了进一步降低与直喷相关的成本，主燃烧室采用了气道喷油方式。由于发动机能在理论空燃比下运行，因此可使TWC和GPF的后处理系统更为简化。试验证实，为促使催化剂较早点火而采取的发动机点火推迟度，以及发动机的冷起动能力，与火花点燃的基本型发动机相似。Bassett等人还探讨了该发动机作为DHE的用途。该发动机用于PHEV 时，在NEDC 工况下，CO2 排放量小于20g/km，是2030年排放目标值的三分之一。

近年来，稀燃被视为提高发动机效率的1种主要途径。实施稀燃技术的主要难点有：（1）为了达到未来的排放标准，必须始终保持稀混合气的稳定燃烧;（2）需要在高负荷时采用适当的策略将稀燃模式切换成其他燃烧模式;（3）需要确保排气后处理系统的成本/效益最佳。Solomon和Battiston详细报道了开发1台稀燃发动机的过程。该发动机在低负荷时以油束引导的分层充气模式运行，研究人员采用双喷射与长电弧点火相结合的方式，确保了发动机稳定点火。为了使发动机自身的NOx 排放量降至每千克燃油燃烧仅产生6g的目标值，研究人员采用了外部冷却的低压EGR。此外，研究人员还采取了包括优化进气门关闭正时、火花塞电极长度、喷油束形态、活塞凹坑形状和压缩比等措施来提高燃烧效率和燃烧稳定性。试验发现，当压缩比提高到11.0时，发动机的燃油耗有所降低，但进一步提高压缩比则会产生相反的结果。试验还显示，双喷射策略有助于减少低气温下运行时碳氢（HC）的排放量，但将会导致颗粒物排放量增加，因为此时的液态燃油容易沉积在活塞表面。与压缩比为10.0的理论空燃比运行的基本型发动机相比，这些措施可使发动机的燃油耗降低5%～23%。

在压燃式发动机中采用燃用汽油（汽油压燃）方式是使汽油机达到与柴油机效率相同的1种途径。汽油固有的耐自燃特性是汽油压燃（GCI）维持低负荷运行的1个挑战，研究人员可采用低研究法辛烷值（RON）燃油来应对汽油的耐自燃特性问题。目前市场上还缺乏这类低RON燃油。因此，如何应对汽油耐自燃特性将是1个长期的课题。Cracknell等人在1台压缩比为16.0的4缸2.0LGCI发动机上进行了试验，研究人员采用的燃油为RON95E10欧洲标准燃油，并在低负荷时采用火花点燃。试验结果显示，在宽广的发动机运转工况范围内，指示燃油消耗率（ISFC）均低于200g/（kW·h）。车辆模拟的预测结果显示，RDE试验的CO2 排放量为118g/km。研究人员探索了在低负荷时结合停缸技术的效果，预计采用这一措施可使CO2 排放量进一步减少约10%。在采用了排气后处理的情况下，NOx 和HC的排放量可低于欧六的限值。AbdulManah等人通过模拟评估了GCI发动机用作混合动力时的性能。分析结果显示，与传统的汽油机混合动力车相比，GCI发动机混合动力车从油井到车轮的GHG 排放量能降低26%～55%，而采用轻度混合动力时，GHG 排放量则能降低50%。

Zoldak开发了1种火花点燃多模式发动机运行方式，可在低负荷时采用火花辅助低温燃烧（SA-LTC），在高负荷时则采用GCI。附加的技术包括：采用喷油压力高达100MPa的高压喷油器、120MJ火花点燃系统、高压和低压双回路EGR、可连续改变气门开启持续时间、气门正时的气门传动机构及可变进气压缩机。试验结果显示，SA-LTC 模式可使燃油耗改善高达18%，并能使最高BTE达到34.0%，而GCI模式能使最高BTE达到43.0%，比传统汽油机的BTE提高了17.5%，比柴油机的BTE提高了2%。

Serrano等人在1台串联插电式混合动力车上评估了对置活塞技术与可变压缩比相结合时燃油效率提升的情况。该HEV车配装的是1台4缸0.5L对置活塞发动机，用以扩展PHEV的行驶里程。研究人员测定了压缩比9.5～12.0和发动机转速1000～4000r/min范围内的燃油耗。实测的最低BSFC为240g/（kW·h），BTE为35.6%。随后，研究人员用测得的发动机性能模拟分析了车辆在WLTP循环工况下，以及在各种城区和乡村道路实际行驶时的性能。研究人员选择了2台车辆作为基准车，1台是配装1.0L汽油直喷发动机的乘用车，另1台是配装1.6L涡轮增压柴油机的SUV 车型。模拟试验结果显示，在WLTP循环工况下，该HEV的燃油耗由乘用车的百公里5.4L降至百公里2.0L，降幅达63%。与SUV车相比，该车的燃油耗则由百公里4.7L降至百公里3.0L，降幅达36%。2种情况下相应的CO2 排放量均低于50g/km，低于2030年的排放目标。

Dernotte等人报道了在1台“排气复合稀释燃烧小型化增压”发动机上进行的试验研究情况。该发动机的显著特点是设有1个膨胀气缸，其功能主要是吸收来自动力主气缸的排气膨胀功，从而起到热量回收装置的作用。每个动力气缸的排量为0.55L，而膨胀气缸的排量为1.33L。在低负荷时，发动机采用火花辅助均质充气压燃（HCCI）实现稀气低温燃烧。在高负荷时，发动机切换成采用双喷射策略的混合燃烧模式运行。残余气体的温度对于控制燃烧模式较重要，研究人员通过改变气门重叠角和EGR 来控制残余气体温度，并在2000r/min的各种负荷下进行了稳态发动机试验。与1台2.2L压缩比为11.0的理论空燃比的自然吸气发动机相比，该发动机低负荷时的燃油耗降低了38%，最高负荷时的燃油耗降低了15%。与另1台压缩比为10.0的1.4L涡轮增压小型化发动机相比，该发动机在低负荷和最高负荷时的燃油耗分别降低了22%和13%。试验发现，膨胀气缸贡献了约10%的附加功率，获得高燃油效率的原因主要是该发动机能实现无节流稀燃运行。

2.1.2 代用燃料

据统计，2019年欧洲车队拥有的车辆约为2.7亿台，其中2008年以前注册的车辆超过了50%。由于车辆的使用寿命通常在10年以上，因此可以预计，即使到2040年新车全部实现电动化，到2050年仍然会存在相当数量的内燃机车辆。低碳燃油将会为这些内燃机车辆的CO2 减排发挥有效作用。

压缩天然气发动机和液化天然气发动机现已实现了商业化应用。由于天然气的含碳量较低、抗爆燃性能良好，并且天然气发动机的效率较高，因此天然气发动机的CO2 排放量较低。当从生物源物质中获取甲烷时，该燃料从油井到油箱的CO2 排放量将会进一步降低。另一方面，由于甲烷容易从上游和车辆尾管逃逸，也会削弱天然气发动机CO2 排放量低的优势。Binder等人的研究显示，燃用甲烷的高效率发动机与混合动力相结合能克服上述的不足，并将有助于释放天然气发动机的全部优势。为使天然气发动机保持在高效率区运行及减少因催化器温度低而导致的甲烷逃逸，发动机在低负荷时可采用电力驱动。研究人员将1台压缩比为12.5、BTE约为39.0%的1.5L涡轮增压汽油直喷发动机改装成燃用甲烷的发动机，其排量增加到了2.0L。采用甲烷燃料和火花塞点燃主动型预燃室后，该发动机的压缩比提高到了17.0。该发动机还添加了EGR率高达35%的冷却EGR。研究人员将原有的TWC移装到渦轮后的位置，并增加了1个电加热器，以确保催化器的进口温度始终大于550 ℃。试验显示，该发动机的最高BTE达到了45.2%，最大功率为115kW，符合该HEV 要求的最佳蓄电池容量为2.5kW·h。甲烷储存罐的容量为16.0L，可确保车辆的行驶里程超过800km，甲烷的储存压力为20MPa。研究人员还模拟了车辆在WLTC工况下的运行情况。在车辆起动之前，发动机先以10kW 的功率运转4s，使排气加热，这种操作方式的代价是使净燃油耗增加3.4%。与1.5L、100kW 的基本型汽油机车辆相比，该车在WLTC 工况下的尾管CO2 排放量降低了37%，约75g/km。因此，当增加可再生燃料的含量时，车辆从油井到车轮的CO2 排放量有可能为负值。

合成燃料或E-燃料正受到各国政府的广泛关注，也是减少“从摇篮到坟墓”的全生命周期CO2 排放量和确保现有车辆实现减排的1种途径。Rothbart指出，用合成燃料代替所有的燃料显然是不切实际的。但是，为了达到减缓气候变化的目标，在车辆实现完全电动化前用合成燃料或E-燃料代替一部分传统燃油则是有必要的，到2050年可以使替代率达到30%。由图5所示，为了保持全球气温升幅小于2 ℃，采用合成燃料是有必要的。随着E-燃料的逐步采用，研究人员预计重型车排放的CO2 份额将会增加。

各国研究人员正在探索使用氢燃料以促使发动机实现清洁燃烧和低排放的可能性。在内燃机中采用氢燃料的优势是可以利用现有的技术和避免附加的基础设施成本。Pauer等人在1台2.0L涡轮增压火花点燃发动机上进行了燃用氢燃料的燃烧和排放试验。在大部分运转工况下，发动机实现了均质稀燃运行，其最高BTE达到了39.0%，升功率为83kW。原发动机的压缩比为9.8，因此，该发动机的压缩比还有可能进一步增加。采用直接喷射时，稀燃运行能使发动机的NOx 排放量降至1×10-6以内。

2.2 重型车发动机技术的进展

Pishinger等人全面回顾了为实现欧洲CO2 减排20%和30%目标而采用的各种技术路径。图6列出了一些关键技术的改进措施：（1）对车辆进行改进，改善空气动力学，采用低滚动阻力轮胎和减轻车辆质量。（2）使发动机BTE大于50.0%。（3）动力总成预测控制，目标是最大限度地降低燃油耗并优化其他性能。例如，根据由遥测系统和导航系统获得的道路信息来优化充电状态和选择变速档位。（4）采用电驱动功率高达30kW 的轻度混合动力。

研究人员对1台采用了上述技术措施的12.8L发动机进行了模拟研究。轻度混合动力系统采用了1.2kW·h的蓄电池。研究人员采用了发动机加热措施，使SCR催化器的温度高于200 ℃，并在排气温度高于210℃时，考虑采用废热回收。车辆在长途运输和工程机械试验工况下运行时，预计燃油耗降低13%～18%，且NOx 排放不会明显增加。这些措施对于满足2025 年的CO2 排放目标有很大的帮助。为达到2030年的减排目标，各国还将要求采取更积极的措施，包括采用全混合动力和使用氢燃料内燃机。如果采用合成燃料，则需要进一步降低从油井到车轮的CO2 排放量。

上述提出的发动机BTE要达到50.0%的假设是合理的。目前，1台BTE为50.3%的13.0L发动机已于2020年实现了商业化应用。美国能源部“超级卡车Ⅱ”计划的目标是，实现有效热效率达到55.0%，并要求车辆的货运效率比2009年水平提高1倍。表2示出了“超级卡车Ⅱ”计划各参与公司的最新研发动态。

各参与公司共同采用的技术方法包括：改进燃烧、通过米勒循环改善空气管理、采用48V混合动力、减轻质量、减少空气动力学阻力和滚动阻力、采用自适应和预测巡航控制。废热回收对于达到55.0%的BTE目标极为重要，该措施实施后预计可使BTE提升3.0%～4.0%。尽管排气后处理的改进并不是“超级卡车Ⅱ”计划的重点，但该计划的所有参与团队也同步开展了相关工作，其中大部分公司都在研究紧耦合SCR系统。

Amar和Li详述了Volvo公司的研发进展情况。在车辆改进方面，Volvo公司旗下研究人员将牵引车和拖车的组合质量减轻了7000lbs，空气动力学阻力降低了15%。该公司的研究人员对1台11.0L的发动机进行了多项技术改进，并测定了发动机的性能。研究人员采用20.0的高压缩比使发动机的BTE提高了0.3%;采用米勒循环运行，使BTE 进一步提高了0.3%～0.7%。在对48V 轻度混合动力车进行试验时，研究人员为车辆配置了包括电驱动的冷却水泵、进气空气冷却器，以及整体式起动机发电机等电驱动附件，在1种试验循环中实际测量得到了1%的燃油经济性改善。此外，研究人员正在设计1种能从排气和冷却液中收集能量的废热回收系统，预计可提供2.0%～3.0%的BTE综合增益。

Dickso和Damon介绍了Commins公司和Peterbilt公司的研究进展。该公司改善货运效率的措施，包括将车辆减重4700lbs、空气动力学阻力减少63%，以及滚动阻力减少33%。发动机的改进使BTE达到了53.3%，主要的技术措施包括采用双近口涡轮设计及改进活塞材料以减少传热损失。公司未来将采取的技术措施还包括，提高涡轮增压器效率、降低发动机摩擦和优化废热回收系统，预计这些措施的实施可使发动机的BTE达到55.0%的目标值。

Zukouki等人提供了有关Navistar公司研发的最新进展，并介绍了该公司采用停缸技术的效果。该公司的研究人员在发动机台架和底盘测功器上进行的城市试验循环试验显示，实测的燃油耗改善了2.9%～6.7%。研究人员配置了以朗肯循环为基础的废热回收系统。结果显示，该系统的BTE改善率大于2.5%，并确认还能进一步提高0.5%。研究人员在排气后处理系统中增加了1个上游SCR 系统和1个氨逃逸催化器（ASC）及二次加热的柴油机排气流喷射器。此外，研究人员正在开发自适应和预测巡航控制策略，并在试验跑道上进行了降低能耗的测试。

Villeneuve和Girbach介绍了Daimler公司BTE达到52.9%和货运效率提高6%的详细情况。发动机的改进可使BSFC 降低9.5%，其具体的技术措施包括：降低转速、提高压缩比、米勒循环运行、二级涡轮增压、二级EGR、降低摩擦（BSFC能改善0.5%）、采用隔热涂层活塞降低热损失（BSFC 能降低0.8%）。研究人员正在评估基于变相冷却的废热回收系统的性能，预计可使BTE提高3.5%。该公司对排气后处理系统进行了升级，采用了紧藕合SCR 系统。与2019年相比，车辆的滚动阻力降低了约15%。

Meijer、Grover详细介绍了Paccar公司和Kenworth公司所采取的技术措施。该公司采用的发动机改进措施与其他团队的基本相同，包括采用快速燃烧、提高压缩比、米勒循环运行、高效率涡轮增压、减少热损失和降低摩擦。研究人员希望通过增加废热回收系统来达到BTE提高4.0%的目标，为此研究人员开展了配置48V、电池容量10kW·h的蓄电池和最大功率为30kW 的轻度混合动力车的试验研究。

废热回收是美国能源部“超级卡车Ⅱ”计划所有参与公司都采用的技术措施，这也是研究人员正在积极开展研究的1个领域。Singh等人在1台ScaniaD13发动机上测定了排气和冷却液流路中可利用的热量，在全球统一的重型车试验循环（WHTC）下的模擬结果显示，采用朗肯循环废热回收系统从排气中回收废热时，能使燃油耗降低5%。同时，从冷却液中回收热量时，燃油耗可再降低4%。但是，后者要求冷却液的温度提升到140℃。

重型车发动机领域也在探索上述介绍过的GCI发动机的可行性。Sim 等人评估了1台压缩比为17.4的6.0 L 欧六柴油机在使用低碳、高反应率燃料RON57时可能获得的效率增益。试验结果显示，改进后的柴油机具有与基本型柴油机相同的功率和扭矩特性。在全负荷时，研究人员发现GCI可降低高达4.3%的燃油耗。由于该燃油的高挥发性改善了燃油与空气的混合状态，炭烟和HC的排放量也有所降低。但是，由于缸内局部燃烧温度升高，NOx 排放量增加了8%，计算流体动力学（CFD）模拟的结果也证实了这一情况。研究人员改变了原喷油策略的预喷油量和后喷油量，在保持燃油耗不变的前提下，采用15%的预喷油量、75%的主喷油量和10%的后喷油量进行优化喷射，可使NOx 排放量降低16%。

未来如果要实现更大幅度的CO2 减排，研究人员需要将先进燃烧与混合动力进行协调配合。Garcia等人进行了混合动力总成与柴油和汽油反应性控制压燃（RCCI）双模式燃烧相结合的试验研究。研究人员对2台额定功率分别为280hp和350hp、最大载质量分别为18t和25t的欧洲中型卡车，以及P2结构混合动力进行了评定。配装的发动机为6缸8.0L的柴油机，为了支持雙燃料燃烧，研究人员对发动机进行了改装，配置了6个气道喷射汽油喷射器和低压EGR，并将压缩比从17.5降至12.8，车辆配置了600V 的Li-Fe-PO4 蓄电池组。研究人员改变了燃烧模式，通过适当的喷油策略，控制中、低负荷时的RCCI向高负荷下的扩散。研究人员在不同发动机运转工况下进行了排放试验。结果显示，发动机的性能与原柴油机的性能相同。最佳的燃油耗为小于200g/（kW·h），炭烟排放极低，NOx 排放量为小于0.2g/（kW·h），低于欧六法规的排放限值。随后，研究人员用1种车辆验证模型进行了参数分析，以探索在改变蓄电池容量、车辆行驶状态和载质量的情况下，该燃烧模式与混合动力总成配合时车辆CO2 减排状况。分析显示，与非混合动力用柴油机相比，根据全球统一的车辆试验循环（WHVC）测试，研究人员估计CO2 排放量减少了12%～25%，车辆载重越低，CO2 排放量也越低。由于增加了制动能量的回收，车辆在城区行驶时，CO2 的减排量将提高到30%。除了CO2 排放量满足2025年欧洲排放目标外，降低的NOx 排放量也表明了完全避免SCR系统的可能性。Garcia等人进行的另1项模拟研究显示，采用该技术措施后，只需配装DOC和DPF就能满足欧六排放标准。

采用双燃料的另1个例子是，Han等人在1台6缸柴油机上进行了燃用乙醇和柴油的组合以减少排放的试验评估。试验时，研究人员将乙醇喷入发动机气道，并改变乙醇与柴油的质量比。发动机转速保持1200r/min不变，发动机在平均有效指示压力（IMEP）为3.4～19.9MPa的负荷范围内变化。试验发现，在高负荷时，因压力升高，乙醇的用量需要限制在40%以下，此时采用纯柴油运行比较理想。而在低负荷时，燃用乙醇将会使CO 和HC 排放显著增加。NOx 排放对乙醇含量的增加相对不敏感，但炭烟排放量则有所减少。Giramondi等人探讨了采用双喷射策略来克服上述限制的可能性。

天然气发动机的效率正在不断提高，未来也是满足超低NOx 排放法规的1种途径。Giordana介绍了为使天然气发动机达到接近柴油机的效率，以及为改善天然气发动机性能而采用的技术路径。研究人员在1台13.0L天然气发动机上采用了顶置气缸盖、直接喷射、可变气门正时和高压冷却EGR 等技术，使发动机的性能提高了10%，同时，也使WHTC工况下的燃油耗降低了4%。对于未来天然气发动机的进一步优化，研究人员将考虑采用主动型预燃室燃烧，以使发动机有效热效率提升到50.0%。研究人员需要进一步研究和探讨的课题，一方面是要采用生物甲烷以减少从油井到车轮的CO2 排放量，另一方面则是要应对甲烷逃逸的难题。Prussi等人认为，到2030年，欧洲的生物甲烷产量有可能增长10倍。但是，考虑到目前的政策，基础设施是1个制约因素。因此，Prussi等人预计，加气站的增长速度不会比压缩天然气/液化石油气（CNG/LPG）汽车数量的增加速度快。

（正文未完待续）