浅谈我国轻重型车主流排放控制技术及路线

张诗敏

中国汽车技术研究中心有限公司 中汽研汽车检验中心（天津）有限公司 天津市 300300

1 引言

生态环境部最新发布的《中国移动源环境管理年报（2021）》显示：截止2020年底，我国汽车保有量已达到2.81亿辆，同比增长8.1%。全国汽车主要排放污染物排放总量达到1486.3万吨，尤其是NO排放已经占到全国NO总排放的54.5%。进一步根据汽车燃料类型进行细分可得，汽油车CO、HC、NO和PM排放分别占到汽车总排放的80.9%、77.6%、4.8%和1%；柴油车CO、HC、NO和PM排放分别占到汽车总排放的18.0%、11.4%、88.8%和99%；剩余部分由燃气车贡献。在我国轻型车以汽油车为主，重型车以柴油车为主，由此可知，对于轻型车来说污染物排放的控制重点是CO和HC排放，而对于重型车则为NO和PM排放。为有效控制汽车排放，我国分别于2000和2001年实施了国I阶段的轻重型汽车排放标准，目前已经发展到国VI阶段。

轻型车方面，国I和国II阶段的排放标准所涉及的测试项目包括：I型至V型试验，分别为常温排放试验、低怠速排放试验、曲轴箱排放试验、蒸发排放试验以及排放耐久试验；由于低怠速法仅对配备有化油器式发动机的轻型车排放有控制作用，而无法识别配备有电控发动机和后处理系统的轻型车的排放达标情况，因此国III和国IV阶段重点对II型试验进行了补充，采用双怠速法替换低怠速法，此外，考虑到冬季低温启动过程中排放恶劣的问题，增加了VI型低温冷启动排放污染物测试试验，同时增加了对车载诊断系统（OBD）的要求，并对蒸发试验时长、排放耐久里程等方面进行了修订；国V阶段重点添加了颗粒物数目以及非甲烷碳氢排放限值，并在II型试验中添加了自由加速度烟度测试方法，排放耐久里程数进一步延长到16万公里，并添加了后处理系统台架老化试验方法；国VI阶段重点对排放测试工况进行了切换，从原始的偏稳态NEDC（New European Driving Cycle）测 试 工况切换为更加符合实际道路车辆行驶的瞬态WLTC（Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle）测试工况，将II型双怠速试验替换为实际道路RDE（Real Drive Emission）排放测试，并增加了加油过程污染物排放控制试验（VII型试验）。此外，增加了NO排放限值，并丰富了对OBD系统的检测项目，耐久里程也进一步延长至20万公里，并且首次提出了a、b两个阶段限值；在排放限值方面，每次升级的平均加严幅度在30%左右。

重型车方面，国I和国II阶段，仅针对发动机排放进行控制，测试工况为十三工况点法，仅规定了CO、HC和NO的排放限值；国III、国IV和国V阶段增加了PM限值，增加了整车排放试验以及对应的限值，增加了OBD系统、耐久性及在用符合性要求，发动机测试工况从稳态十三工况点切换为瞬态及稳态组合工况，包括ESC（European Steady-state Cycle）、ETC（European Transient Cycle） 和ELR（European Load Response Cycle）；国VI阶 段，在 排 放污染物控制种类方面又增加了非甲烷碳氢NMHC、甲烷CH、氨气NH和颗粒物数量PN限值，增加了实际道路排放测试方法PEMS（Portable Emission Measurement System）以及对应限值，增加了远程排放管理车载终端要求，增加了排放质保期的要求，增加了双燃料发动机试验要求，并提出了油耗和排放联测的要求，发动机测试工况切 换 为WHSC（Worldwide Harmonized Steady-state Cycle）、WHTC（Worldwide Harmonized Transient Cycle） 和WNTE（Worldwide Not to Exceed Cycle）； 在排放限值方面，每次升级的平均加严幅度在30-50%之间。

为满足日益严苛的排放法规要求，汽车的排放控制技术也在不断完善，但由于汽车的主要排放污染物种类繁多，不同污染物的控制方法也不尽相同，因此需要整合多种排放控制技术，通常可以分为机内净化技术和机外后处理技术。由于轻型车和重型车的主要排放污染物有相同之处也有不同之处，汽油机以及柴油机自身燃烧特性也有所不同，使得轻重型车的主流排放控制技术及路线也有相同和不同之处。本文以此为背景，对我国轻重型车主流排放控制技术及路线进行了系统梳理，力求为汽车车型开发提供技术支撑。

2 轻型车主流排放控制技术

总体上来说轻型车机内净化技术包括：废气再循环技术（EGR）、先进的燃烧技术、气门正时技术（VVT）、先进的燃油喷射系统、缸内直喷技术（GDI）等；机外后处理技术包括：三元催化转化技术（TWC）和颗粒捕集技术（GPF）。

废气再循环技术（EGR，Exhaust Gas Re-circulation）主要用于控制轻型车的NO排放，其工作原理是让一部分废气重新进入气缸内参与燃烧，通过废气较大的热容量降低缸内燃烧温度，从而抑制NO的生成。但是EGR的使用也会影响到缸内混合气的燃烧，加剧不完全燃烧，影响整车动力性，因此EGR仅在发动机转速和负荷达到一定水平后才会启用。在实现方式上，EGR技术又分为内部EGR和外部EGR两种。内部EGR主要是通过排气门早关的方式将一部分废气留在缸内，从而与下一循环的新鲜充量混合后共同参与燃烧，内部EGR的最大问题是无法精确控制EGR率，此外，早关排气门也会影响汽油机的排气做功，降低热效率。外部EGR则是从发动机排气中把一部分废气直接引回到进气管中再进入气缸内参与燃烧，通过EGR阀精确控制EGR率。

先进的燃烧技术主要包括均质压燃（H C C I，H o m o g e n e o u s C h a r g e Compression Ignition）技术、预混充量压燃（PCCI，Premixed Charge Compression Ignition）技术、火花塞点火控制压燃点火（SPCCI，Spark Controlled Compression Ignition）技术，上述各种先进燃烧技术的核心是实现对PM和NO排放的同时控制。HCCI的主要原理是将汽油和空气预先混合，形成均质混合气，并采用压燃方式点燃，实现低温火焰燃烧。混合气均质解决了局部过浓问题，抑制了PM的生成，低温火焰燃烧解决了NO生成问题，实现了PM和NO排放的同时降低。但HCCI的主要问题是冷启动困难，适用工况范围极窄，很难实现全工况范围运行，因此PCCI和SPCCI技术应运而生，通过缸内混合气分层或借助火花塞点火的方式进一步扩大其工作范围，实现在全工况范围的平稳运行。

气门正时技术（VVT，Variable Valve Timing）主要是通过调整进排气门开启及关闭时刻有效组织缸内气流运动，从而实现缸内的清洁燃烧。先进的燃油喷射系统主要包括喷油时刻、喷油压力及喷油次数的灵活可调：通过喷油时刻的提前和退后可有效控制NO、HC和CO的生成；喷油压力的提高可有效地改善燃油的雾化性能，形成更加均匀的混合气，促进其充分燃烧，从而降低颗粒物的生成，但充分燃烧也会提高燃烧温度使得NO排放增加，因此不同工况存在最佳的喷油压力；多次喷射包括预喷射、主喷射及后喷射，从而实现多种喷油策略。

缸内直喷技术（GDI，Gasoline Direct Injection）是将燃油直接喷入到气缸，形成混合气，相比于进气道喷射来说，由于喷射压力更大，汽油的雾化更加充分。在部分负荷工况下，通过合理的喷射策略能够实现分层燃烧，在全负荷工况下，通过较早的喷射，能够实现预混燃烧均质混合气的形成，有利于降低颗粒物及不完全燃烧产物HC和CO的排放。但缸内直喷也会带来燃油湿壁的问题，造成火焰焠熄、局部混合气过浓以及润滑油乳化等问题，因此需要对缸内直喷发动机的燃烧室结构、喷油器喷油角度以及缸内气流运动的组织进行设计以避免或尽量减少燃油湿壁的发生。

三元催化转化器（TWC，Three Way Catalyst）主要由载体、贵金属催化剂涂层和金属外壳组成。三元催化转化器的工作机理是：排气中的HC和CO通过催化剂中的铂和钯，被NO氧化成HO和CO，同时在铑催化剂的作用下将NO还原成N和O，从而实现了对HC、CO和NO排放的同时降低。但为了保证三元催化转化器的效率，需要精确控制燃烧的空燃比在理论空燃比附近，因此需要对空燃比进行闭环控制。

颗粒捕集器（GPF，Gasoline Particulate Filter）的作用主要是对排气中的颗粒物进行过滤，从而实现对排气中颗粒物质量以及数目的控制。当颗粒物捕集到一定程度后，就会导致排气背压提高，动力性下降，因此需要对颗粒捕集器进行再生，将吸附在上面的颗粒物烧掉转化为CO排出，而在再生过程中，颗粒物中的灰分由于无法燃尽会沉积在颗粒捕集器中，从而影响其使用寿命。

3 重型车主流排放控制技术

重型车主流机内净化技术与轻型车基本类似，本章不做赘述。本章重点介绍重型车的机外后处理技术，具体包括：氧化型催化（DOC）、选择性催化还原（SCR）、颗粒捕集（DPF）、氨逃逸催化（ASC）和被动氮氧化合物吸附（PNA），其中DPF技术与轻型车类似，同样不做赘述。

氧化型催化器（DOC，Diesel Oxidation Catalyst）主要起到两方面的作用，一方面将排气中的NO进一步氧化为NO，这有助于提高后续SCR的转化效率，尤其是在排气温度较低时；另一方面是氧化排气中的HC和CO等不完全燃烧产物，氧化反应过程中释放的热量也会进一步提高排气温度，这有助于后续SCR对NO的还原。现阶段DOC技术较为成熟，目前最大的挑战是如何进一步降低起燃温度，解决重型车冷启动过程中的HC和CO排放问题。

选择性催化还原转化器（SCR，Selective Catalytic Reduction）主要起到降低排气中NO的作用，使用还原剂将排气中的NO还原为N，通常情况下还原剂为尿素。通过喷嘴将定量的尿素水溶液喷入到SCR系统中，尿素水解生成NH，NH和排气进行充分混合后，在催化剂的作用下，将NO还原为N。现阶段SCR技术的最大挑战是低温性能，一方面排气温度过低会导致尿素喷射结晶，从而堵塞喷嘴，影响尿素的正常喷射；另一方面，排气温度越低，NO的转化效率也越低。前者可以通过优化喷嘴结构，安装混合器和加热器的方式进行改善，后者则可以通过选择低温适应性更好的催化剂加以解决。

氨逃逸催化器（ASC，Ammonia Slip Catalyst）主要起到将SCR转化过程中泄漏出来的NH进一步氧化成N和HO的作用。ASC的转化效率一方面受到催化剂的影响，比如金属催化剂比AlO催化剂的活性更高，转化效果更好；另一方面也受到入口温度和入口气体组分变化的影响。

被动氮氧化物吸附（PNA，Passive NOx adsorber）主要用于解决重型车冷启动过程中的排放问题，在相对低的排气温度（低于200℃）下将NO进行吸附，当排温升高后，后处理系统转化效率达到正常水平后，再将被吸附NO释放出来，经过后处理系统处理后排出。

4 轻重型车主流排放控制技术路线

目前对于轻型车来说，主流机外后处理技术路线有两条，分别为多级TWC催化器无GPF路线以及TWC+GPF路线，前者占比超70%。缸内净化的主流技术路线为缸内直喷技术，市场占比超过60%，但无论是进气道喷射还是缸内直喷发动机，均采用了EGR、VVT以及先进的燃油喷射系统，以满足排放限值的要求。

目前对于重型车来说，主流排放控制技术路线有两条，一条为EGR+SCR路线，即在缸内使用EGR技术降低NO排放，再通过后处理系统中的SCR进一步降低NO排放，以达到限值要求；另一条为SCR-only路线，即仅依赖后处理系统中的SCR降低NO排放，以满足限值要求，而不采取EGR。两条技术路线各有优缺点，EGR+SCR路线对SCR的转化效率要求不高，且燃油及尿素综合消耗略低，但EGR系统的可靠性不高；SCR-only路线对SCR转化效率要求较高，但可靠性高。从市场表现来看，EGR+SCR技术路线占比要高于SCR-only路线。

5 结语

本文主要对目前我国轻重型车的主流排放控制技术及路线进行了梳理，详细介绍了轻重型车各项机内净化技术和机外后处理技术，并结合实际市场占有率，提出了典型技术路线建议，其中轻型车的主流技术路线为缸内直喷结合多级TWC的技术路线，重型车的主流技术路线是EGR+SCR技术路线。