2020年全球汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)效率提升和排放控制的發(fā)展動(dòng)向(上)

【美】 A.JOSHI

關(guān)鍵詞：排放法規(guī);減排技術(shù);發(fā)動(dòng)機(jī);控制技術(shù)

0 前言

2020年，全球插電式混合動(dòng)力汽車(chē)（PHEV）的銷(xiāo)售量為230萬(wàn)臺(tái)，約占全球輕型車(chē)總銷(xiāo)售量的3%[3]。PHEV 配裝有內(nèi)燃機(jī)，而每年銷(xiāo)售的約7500萬(wàn)臺(tái)車(chē)輛則完全由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)。

為了減少這些車(chē)輛的排放，各國(guó)政府通過(guò)提倡公共交通出行或采用低碳燃油和可再生燃油的策略來(lái)實(shí)現(xiàn)低碳強(qiáng)度的交通運(yùn)輸。本文將重點(diǎn)關(guān)注后者的發(fā)展情況。

本文主要回顧了2020年全球輕型車(chē)和重型車(chē)領(lǐng)域在減少車(chē)輛尾管排放方面的進(jìn)展情況。首先介紹各國(guó)輕型車(chē)和重型車(chē)的CO2 及有害污染物排放法規(guī)的最新動(dòng)向，其次闡述各國(guó)為滿(mǎn)足嚴(yán)苛的排放法規(guī)所選用的各種發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)展?fàn)顩r，最后介紹排氣后處理系統(tǒng)的研發(fā)動(dòng)態(tài)。

1 排放法規(guī)的動(dòng)向

本節(jié)主要介紹輕型車(chē)和重型車(chē)的有害污染物排放法規(guī)，以及CO2 排放法規(guī)/燃油耗標(biāo)準(zhǔn)的最新變化情況。

1.1 輕型車(chē)CO2 排放法規(guī)或燃油耗標(biāo)準(zhǔn)

圖1示出了各主要國(guó)家CO2 的排放目標(biāo)，其中美國(guó)的數(shù)值為車(chē)輛占地面積大于56平方英尺乘用車(chē)的范例，2025年中國(guó)的數(shù)值是根據(jù)燃油耗由百公里5.0L降至百公里4.0L的目標(biāo)值計(jì)算而得。目前，最嚴(yán)格的CO2 排放目標(biāo)是歐洲所規(guī)定的59.0g/km，相當(dāng)于要求在未來(lái)10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)CO2 減排37.5%。

1.1.1 歐洲

2019年，歐洲輕型車(chē)新車(chē)的CO2 平均排放量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，達(dá)到了122.4g/km，比2018年的CO2 平均排放水平增加了2.0g/km[4]。這也是歐洲連續(xù)第3年出現(xiàn)CO2 排放量增加的現(xiàn)象。該現(xiàn)狀表明，2021年車(chē)輛要求達(dá)到95.0g/km 的排放目標(biāo)將面臨巨大的挑戰(zhàn)。因此，歐洲已經(jīng)加大了混合動(dòng)力車(chē)（HEV）和PHEV 的銷(xiāo)售。

2030年歐洲的排放目標(biāo)將會(huì)更為嚴(yán)格。歐洲綠色協(xié)議[5]要求到2050年實(shí)現(xiàn)溫室氣體（GHG）零排放。該計(jì)劃的目標(biāo)是，到2025年可充電式電動(dòng)車(chē)的銷(xiāo)售量要達(dá)到130萬(wàn)臺(tái)，實(shí)施更嚴(yán)的空氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，以及修訂乘用車(chē)和廂式客車(chē)的CO2 排放標(biāo)準(zhǔn)。歐盟委員會(huì)于2021年6月發(fā)布了歐洲氣候法令[6]，該法令包括了修訂交通運(yùn)輸領(lǐng)域的CO2 排放目標(biāo)。

1.1.2 美國(guó)

美國(guó)環(huán)境保護(hù)署和國(guó)家公路交通安全管理局公布了最新的輕型車(chē)燃油耗和溫室氣體標(biāo)準(zhǔn)[7]。針對(duì)2021—2026年型的車(chē)輛，該標(biāo)準(zhǔn)要求車(chē)隊(duì)的尾管CO2排放量平均每年降低1.5%。加利福尼亞州也已制定了更為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，要求CO2 排放量每年減少3.7%。但是，燃油經(jīng)濟(jì)性的改善效果已被大型輕型車(chē)的增量所抵消。2019年，美國(guó)新車(chē)的CO2 實(shí)際平均排放量比上一年增加了3g/mile，達(dá)到356g/mile[8]。銷(xiāo)售的新車(chē)中只有約33.3%是轎車(chē)，其余均為大型運(yùn)動(dòng)型多用途汽車(chē)（SUV）車(chē)/皮卡/小型客車(chē)。

1.1.3 中國(guó)

2020年12月，中國(guó)發(fā)布了1份2.0版的節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖[9]，其目標(biāo)是：（1）要求交通運(yùn)輸領(lǐng)域的CO2 排放量到2028年達(dá)到峰值，隨后到2035年CO2 排放量降低20%;（2）要求2021—2025年燃油耗降低20%，車(chē)輛尾管的CO2 平均排放量到2025年必須達(dá)到95g/km。隨著試驗(yàn)循環(huán)從新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）改為全球統(tǒng)一的輕型車(chē)試驗(yàn)規(guī)程（WLTP），這些排放目標(biāo)也將同步進(jìn)行修改。

圖2示出了中國(guó)節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖預(yù)設(shè)的各種動(dòng)力總成所占份額。由此預(yù)測(cè)，到2035年，中國(guó)市場(chǎng)在售的車(chē)輛中將有50%的車(chē)輛是HEV，其余為新能源車(chē)。而在新能源車(chē)中，預(yù)計(jì)有95%為純電動(dòng)車(chē)（BEV）。未來(lái)幾年，HEV 將會(huì)在降低GHG 排放中將發(fā)揮重要作用。

1.1.4 韓國(guó)

2020年，韓國(guó)發(fā)布了乘用車(chē)CO2 的排放目標(biāo)，要求在未來(lái)10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)CO2 減排28%，到2030年車(chē)隊(duì)CO2 平均排放量要求達(dá)到70.0g/km。目前韓國(guó)車(chē)隊(duì)CO2 平均排放量為97.0g/km[10]。

1.2 輕型車(chē)有害污染物排放法規(guī)

1.2.1 歐洲

2020年，歐洲議會(huì)舉行了將于2022年9月30日后取消氮氧化物（NOx）排放測(cè)量值一致性系數(shù)的投票活動(dòng)。一致性系數(shù)是針對(duì)實(shí)際行駛排放（RDE）試驗(yàn)中采用便攜式排放測(cè)量系統(tǒng)（PEMS）測(cè)得的較高排放值規(guī)定的1個(gè)允許限度。取消一致性系數(shù)后，歐洲要求排放測(cè)量值符合試驗(yàn)室認(rèn)證試驗(yàn)循環(huán)的規(guī)定限值。

2020年初，歐盟委員會(huì)公布了實(shí)施歐七排放法規(guī)（歐七為重型車(chē)排放法規(guī)）的路線圖，提出了3種可能的排放立法選項(xiàng)：（1）小范圍修改歐六排放法規(guī)，簡(jiǎn)化試驗(yàn)方法，并強(qiáng)調(diào)實(shí)際行駛試驗(yàn);（2）對(duì)歐六排放法規(guī)作較大范圍的修改，對(duì)現(xiàn)已限制的排放組分設(shè)定更嚴(yán)格的排放限值，并對(duì)以前尚未限制的污染物組分（例如直徑23nm 以下顆粒的顆粒數(shù)、N2O、CH4、NH3）和GHG設(shè)定新的限值;（3）對(duì)現(xiàn)行排放法規(guī)作全面的修改，除上述2項(xiàng)修改外，還要求增加在整個(gè)車(chē)輛壽命期內(nèi)進(jìn)行車(chē)載監(jiān)測(cè)（OBM），OBM 數(shù)據(jù)可以用于市場(chǎng)調(diào)查、使用過(guò)程排放一致性（ISC）監(jiān)測(cè)、定期技術(shù)檢測(cè)，以及地理位置認(rèn)定。

歐盟委員會(huì)的1個(gè)新工作小組、汽車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)咨詢(xún)小組（AGVES）和1個(gè)稱(chēng)為“CLOVE”的合作商承擔(dān)了對(duì)排放立法提出建議的任務(wù)。如果歐七排放法規(guī)出臺(tái)，歐洲車(chē)隊(duì)將面臨2種情況：大幅度收緊排放限值，甚至包括收緊顆粒數(shù)排放限值，以及擴(kuò)展RDE試驗(yàn)的邊界條件和減少城區(qū)行駛距離以強(qiáng)調(diào)冷起動(dòng)排放。相關(guān)法規(guī)的立法正在討論過(guò)程中，歐盟也邀請(qǐng)了其他利益相關(guān)方加入排放立法的探討，最終的法規(guī)草案將于2021年完稿。

預(yù)計(jì)該法規(guī)調(diào)整的1個(gè)項(xiàng)目是要求將直徑23nm以下，10nm 以上的顆粒物計(jì)入顆粒數(shù)排放限值。Samaras等人提供了1份關(guān)于“直徑小到10nm 顆粒物”研究項(xiàng)目的最新資料。圖3示出了在配裝汽油機(jī)、柴油機(jī)和壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)車(chē)輛和混合動(dòng)力車(chē)輛（包括摩托車(chē)和非道路移動(dòng)機(jī)械）上采集到的260個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖中顯示，如果直徑大于23nm 的顆粒物計(jì)入總顆粒數(shù)，車(chē)輛能符合排放限值，而當(dāng)計(jì)入直徑23nm 以下的顆粒物時(shí)，車(chē)輛就不符合排放限值。出現(xiàn)這些狀況的車(chē)輛既包括未配置汽油機(jī)顆粒過(guò)濾器（GPF）的汽油直噴車(chē)輛和氣道噴射汽油機(jī)車(chē)輛，也包括配置了GPF并在城區(qū)行駛條件下試驗(yàn)的車(chē)輛，未配置GPF的HEV 處于臨界狀態(tài)。在計(jì)入直徑23nm 以下顆粒物時(shí)，壓縮天然氣車(chē)輛超出了限值，盡管這些顆粒大部分是潤(rùn)滑油衍生的金屬氧化物顆粒。試驗(yàn)結(jié)果表明，歐七排放法規(guī)的實(shí)施和直徑小于23nm 顆粒物計(jì)入限值將促使大多數(shù)點(diǎn)燃式汽油機(jī)車(chē)輛采用顆粒過(guò)濾器，并且還必須隨著顆粒數(shù)限值的收緊不斷提高顆粒過(guò)濾器的過(guò)濾效率。

Giechaskiel等人對(duì)各種PEMS測(cè)定直徑小于10nm 顆粒物的測(cè)量誤差進(jìn)行了定量分析。與參照的測(cè)量系統(tǒng)相比，性能最好的PEMS的測(cè)量誤差在±25%以?xún)?nèi)，其他PEMS的測(cè)量誤差則在±40%以?xún)?nèi)。

對(duì)直徑23nm 以下顆粒物的測(cè)定較為重要，這需要測(cè)量裝置具備強(qiáng)大的測(cè)量能力，確保獲得可靠性和重復(fù)性較好的數(shù)據(jù)。此外，新法規(guī)也有可能會(huì)將非碳質(zhì)排放物計(jì)為固態(tài)顆粒。Prasath等人測(cè)定了1臺(tái)歐六重型車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)直徑23nm 以下的顆粒物，發(fā)現(xiàn)在其噴射尿素的情況下，當(dāng)溫度大于300℃時(shí)，成核顆粒有所增加。選擇性催化還原（SCR）催化器逸出的硝酸鹽會(huì)導(dǎo)致顆粒數(shù)增加，該結(jié)論可能是1個(gè)誤導(dǎo)，研究人員還需要進(jìn)一步研究。

1.2.2 美國(guó)

美國(guó)環(huán)境保護(hù)署發(fā)布了保持現(xiàn)行國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不變的決定。該標(biāo)準(zhǔn)建議，為了公眾的健康，每年的平均顆粒物濃度應(yīng)在12μg/m3 以下。美國(guó)環(huán)境保護(hù)署部分科學(xué)家則主張應(yīng)將標(biāo)準(zhǔn)值收緊到8～10μg/m3，以更有效地保護(hù)公眾的健康。而世界衛(wèi)生組織提出的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)是10μg/m3。

加利福尼亞州空氣資源局對(duì)“先進(jìn)清潔轎車(chē)Ⅱ”的法規(guī)草案展開(kāi)了討論，其中包括制訂下一輪有害污染物排放標(biāo)準(zhǔn)低排放車(chē)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)（LEV Ⅳ），并建議從2025年型的車(chē)輛開(kāi)始執(zhí)行該法規(guī)。該法規(guī)草案將會(huì)出現(xiàn)以下幾方面的變化：（1）鑒于加利福尼亞州乘用車(chē)中的零排放車(chē)輛（ZEV）銷(xiāo)售比例在不斷增加，擬準(zhǔn)備對(duì)內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛制訂單獨(dú)的標(biāo)準(zhǔn);（2）將非甲烷有機(jī)氣體（NMOG）與NOx 的車(chē)隊(duì)平均排放量設(shè)定為20mg/mile （SULEV20），現(xiàn)行的限值為30mg/mile;（3）要求測(cè)量不同冷態(tài)保溫期內(nèi)的排放量;（4）單獨(dú)設(shè)定冷起動(dòng)后第1個(gè)5s內(nèi)的怠速排放量限值;（5）設(shè)定PHEV 高功率冷起動(dòng)時(shí)的排放限值;（6）將激進(jìn)行駛狀態(tài)（US06法規(guī)）的顆粒物質(zhì)量排放量限值從現(xiàn)在的6mg/mile收緊到3mg/mile;（7）要求中型車(chē)的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)與重型車(chē)的低NOx 標(biāo)準(zhǔn)保持一致。

1.2.3 其他國(guó)家

智利計(jì)劃于2022年采用歐六b/EPATier3Bin125排放法規(guī)，2024年采用歐六c/EPATier3Bin70排放法規(guī)。這些法規(guī)適用于輕型車(chē)和中型車(chē)。智利國(guó)內(nèi)實(shí)施歐六c法規(guī)時(shí)將采用WLTP循環(huán)，并規(guī)定燃油含硫量降至10×10-6，智利將成為第1個(gè)采用歐六排放法規(guī)的南美國(guó)家。與此同時(shí)，巴西也決定從2022年起采用Tier3Bin125排放法規(guī)。

一些非洲國(guó)家的目標(biāo)是在2021—2023年采用歐四排放法規(guī)。西非國(guó)家經(jīng)濟(jì)共同體規(guī)定燃油含硫量限值為50×10-6。這些國(guó)家要求從2021年1月起，進(jìn)口到該地區(qū)的所有車(chē)輛必須符合歐四排放標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 重型車(chē)溫室氣體排放法規(guī)

加利福尼亞州空氣資源局采納了先進(jìn)清潔卡車(chē)法規(guī)，該法規(guī)設(shè)定了重型卡車(chē)的ZEV 銷(xiāo)售目標(biāo)。要求從2024年型的卡車(chē)開(kāi)始執(zhí)行這一法規(guī)，屆時(shí)Class2b-3等級(jí)卡車(chē)和Class7-8等級(jí)牽引卡車(chē)的ZEV 銷(xiāo)售量須達(dá)到5%，Class4-8等級(jí)專(zhuān)用卡車(chē)的ZEV 銷(xiāo)售量須達(dá)到9%。這些銷(xiāo)售目標(biāo)還將逐年提高，以力求Class2b-3等級(jí)卡車(chē)、Class7-8等級(jí)牽引卡車(chē)及Class4-8等級(jí)卡車(chē)的ZEV 銷(xiāo)售量分別達(dá)到55%、40% 及75%。盡管目前只有加利福尼亞州實(shí)施了這一銷(xiāo)售目標(biāo)，但美國(guó)已有15個(gè)州簽署了諒解備忘錄以表示支持這一做法。

歐洲首個(gè)重型車(chē)的GHG 排放目標(biāo)要求車(chē)隊(duì)平均CO2 排放量到2022年和2030年分別比基準(zhǔn)值減少15%和30%。該基準(zhǔn)值是以2019年7月至2020年6月期間采集到的以g/（t·km）計(jì)的排放量數(shù)據(jù)作為依據(jù)，該基準(zhǔn)數(shù)據(jù)已于2021年4月發(fā)布。研究人員初步估計(jì)，車(chē)隊(duì)平均CO2 排放量的基準(zhǔn)值為50～54g/（t·km）。對(duì)于未達(dá)到CO2 排放目標(biāo)的車(chē)輛，歐盟將會(huì)處以高額罰款。預(yù)計(jì)到2025年和2030年，未達(dá)標(biāo)車(chē)輛的罰款金額規(guī)定為：超出1g/（t·km）的CO2 排放量，每輛車(chē)的罰金分別為4250歐元和6800歐元。

1.4 重型車(chē)有害污染物排放法規(guī)

1.4.1 美國(guó)

加利福尼亞州空氣資源局批準(zhǔn)的重型車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)和車(chē)輛的綜合法規(guī)，將是2010年以來(lái)發(fā)布的最嚴(yán)法規(guī)。該法規(guī)適用于車(chē)輛標(biāo)定總質(zhì)量大于6350kg的重型車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)。如表1所示，該法規(guī)主要有以下3個(gè)要點(diǎn)。

1）2024—2026 年型車(chē)：NOx 排放量要求減少75%，在重型車(chē)聯(lián)邦試驗(yàn)規(guī)程（FTP）循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，排放限值為50mg/（hp·h）。顆粒物排放限值也被要求降低50%，而在FTP循環(huán)工況下的顆粒物排放限值為5mg/（hp·h）。發(fā)動(dòng)機(jī)還必須在新的低負(fù)荷試驗(yàn)循環(huán)（LLC）下進(jìn)行測(cè)試，在LLC工況下的NOx 排放限值為FTP循環(huán)工況時(shí)限值的4倍，即200mg/（hp·h）。

（2）2027—2030年型車(chē)：FTP循環(huán)工況下的NOx排放限值降至20mg/（hp·h）（比2010年的標(biāo)準(zhǔn)降低90%）。LLC工況下的NOx 限值降低至50mg/（hp·h）。大型重型車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命要求從435000mile增加到600000mile，但當(dāng)重型車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)超過(guò)435000mile后，其N(xiāo)Ox 排放限值允許適當(dāng)放寬。

（3）2031年及以后年型車(chē)：大型重型車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命要求進(jìn)一步增加到800000mile，達(dá)435000mile后，其N(xiāo)Ox 排放限值允許進(jìn)一步放寬。

研究人員估算了為達(dá)到這些法規(guī)要求需要增加的成本，預(yù)計(jì)1 臺(tái)7.0L 發(fā)動(dòng)機(jī)需要增加的成本約為2500美元，而13.0L發(fā)動(dòng)機(jī)則需要增加約3200美元的成本。

美國(guó)環(huán)境保護(hù)署正在進(jìn)行重型車(chē)低NOx 排放標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作。目前，他們開(kāi)展了以下幾方面的立法評(píng)估：（1）引入1種低負(fù)荷認(rèn)證試驗(yàn)循環(huán);（2）采用3-Bin移動(dòng)平均窗口法評(píng)定重型車(chē)在使用過(guò)程中排放是否達(dá)標(biāo);（3）提高對(duì)重型車(chē)使用壽命的要求。制訂該標(biāo)準(zhǔn)的通告已于2021年第一季度發(fā)布。

加利福尼亞州空氣資源局提議要對(duì)車(chē)上診斷系統(tǒng)（OBD）法規(guī)進(jìn)行修改。隨著顆粒物排放限值的降低，專(zhuān)家建議收緊指示燈點(diǎn)亮的閾值限度。目前提案建議從2028年型車(chē)開(kāi)始將閾值從17.5 mg/mile收緊到10.0mg/mile。但該閾值仍比2025—2028年實(shí)施的輕型車(chē)標(biāo)準(zhǔn)（1.0mg/mile）高了10倍。修訂后的OBD法規(guī)于2021年3月底公布。

1.4.2 歐洲

歐六e排放法規(guī)已于2021年1月開(kāi)始正式實(shí)施，該法規(guī)要求進(jìn)一步降低NOx 的排放量，包括要求減少冷起動(dòng)的排放量。研究人員對(duì)26臺(tái)通過(guò)歐六a～歐六d法規(guī)認(rèn)證的車(chē)輛進(jìn)行了道路排放測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果顯示，車(chē)輛在城區(qū)低車(chē)速運(yùn)行時(shí)，實(shí)際行駛的排放量較高。盡管有些卡車(chē)在ISC試驗(yàn)路線上試驗(yàn)時(shí)能夠符合法規(guī)限值，但其排放量均超過(guò)了城區(qū)低車(chē)速行駛時(shí)的排放限值。例如，1臺(tái)歐六c長(zhǎng)途運(yùn)輸卡車(chē)在城區(qū)條件下的行駛里程要占到其總行駛里程的37%，在0～50km/h低車(chē)速下運(yùn)行時(shí)該車(chē)的排放量是限值的6倍;1臺(tái)歐六cN3配送卡車(chē)在ISC試驗(yàn)路線上按歐六d和歐六e試驗(yàn)規(guī)程運(yùn)行時(shí)雖能符合限值，但其在實(shí)際行駛過(guò)程中的排放量比ISC試驗(yàn)路線上的排放量高4～5倍。此外，還有幾臺(tái)N2和N3卡車(chē)實(shí)際行駛試驗(yàn)的數(shù)據(jù)也顯示，其排放量是城區(qū)行駛限值的3～4倍。由此可見(jiàn)，重型車(chē)在城區(qū)行駛時(shí)的排放量將是未來(lái)歐洲重型車(chē)排放法規(guī)需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

1.4.3 中國(guó)

中國(guó)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了1份重型車(chē)遠(yuǎn)程信息處理（遙控OBD）的法規(guī)草案，適用于所有的國(guó)四和國(guó)五重型車(chē)。該法規(guī)要求將車(chē)輛的相關(guān)排放數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到管理部門(mén)。這些數(shù)據(jù)中還包括發(fā)動(dòng)機(jī)和車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)及排氣后處理參數(shù)。OBD 被認(rèn)為是大多數(shù)主要國(guó)家未來(lái)必須采用的技術(shù)，中國(guó)是第1個(gè)要求實(shí)施實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送的國(guó)家。研究人員將OBM 的數(shù)據(jù)與在8臺(tái)重型車(chē)上使用PEMS測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示，兩者數(shù)據(jù)頗為一致，平均相對(duì)誤差為15%。

中國(guó)的非道路移動(dòng)機(jī)械第4階段排放法規(guī)已經(jīng)發(fā)布，該法規(guī)適用于不超過(guò)560kW 的發(fā)動(dòng)機(jī)，并將于2022年12月1日正式實(shí)施。對(duì)于37～560kW 的發(fā)動(dòng)機(jī)，相關(guān)部門(mén)要求引入1種能達(dá)到顆粒數(shù)限值為5×1012（kW·h）-1的柴油機(jī)顆粒過(guò)濾器（DPF），這是為了適應(yīng)全球定位系統(tǒng)（GPS）和OBD 傳送的需要。在使用過(guò)程達(dá)標(biāo)試驗(yàn)中，PEMS也將用于測(cè)量氣態(tài)排放物，其達(dá)到的不得超過(guò)（NTE）限值為試驗(yàn)循環(huán)限值的2倍。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)展

本節(jié)主要介紹輕型車(chē)和重型車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)效率提升和排放控制技術(shù)的進(jìn)展情況。

2.1 輕型車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)展

面對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)，繼續(xù)為提高內(nèi)燃機(jī)性能而進(jìn)行的投資是有必要的。Sens等人測(cè)算了歐洲所有乘用車(chē)車(chē)隊(duì)全生命周期的CO2 排放量。在歐洲，每年銷(xiāo)售的汽車(chē)接近1700萬(wàn)臺(tái)，預(yù)計(jì)到2035年汽車(chē)的銷(xiāo)售量將達(dá)到2700萬(wàn)臺(tái)。根據(jù)原設(shè)備制造商（OEM）的預(yù)測(cè)，到2035年，新車(chē)中電動(dòng)汽車(chē)（BEV 和PHEV）所占的份額將增加到近50%。Sens等人的測(cè)算結(jié)果顯示，考慮到車(chē)輛的實(shí)際行駛性能，在WLTP循環(huán)工況下內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛的燃油耗會(huì)增加25%，電動(dòng)車(chē)的能耗會(huì)增加33%。假設(shè)現(xiàn)有汽油機(jī)和柴油機(jī)的最高效率分別為39.5%和45%，則研究人員需要評(píng)估到2030年汽油機(jī)效率提高19%，以及柴油機(jī)效率提高4%所帶來(lái)的影響。據(jù)估計(jì)，車(chē)隊(duì)全生命周期的CO2 排放量每年約為7.5億噸，即使能達(dá)到預(yù)定的車(chē)輛電動(dòng)化率，在忽略?xún)?nèi)燃機(jī)性能提高的情況下，從2020年到2035年全生命周期的CO2 排放量也會(huì)有所增加。Sens等人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)計(jì)入內(nèi)燃機(jī)效率提高的因素時(shí)，CO2 排放量將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）時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)效果更明顯的CO2 減排目標(biāo)。研究人員預(yù)計(jì)，到2035年這類(lèi)燃料的使用量將增加到30%。總而言之，車(chē)輛實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化，同時(shí)采取提高內(nèi)燃機(jī)效率與采用CO2 中性燃料相結(jié)合的方式，CO2 的排放量將減少10%～12%。

2.1.1 汽油機(jī)技術(shù)

目前，發(fā)動(dòng)機(jī)的最高熱效率約為41.0%，為了達(dá)到接近柴油機(jī)的效率水平，汽油機(jī)的有效熱效率（BTE）必須達(dá)到45.0%。混合動(dòng)力車(chē)專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)（DHE）允許在限定的范圍內(nèi)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，并能在發(fā)動(dòng)機(jī)效率較低時(shí)依靠電驅(qū)動(dòng)來(lái)推進(jìn)車(chē)輛，因此DHE的開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到關(guān)注。

Conway等人通過(guò)模擬定量分析了1臺(tái)48V 電機(jī)輔助的發(fā)動(dòng)機(jī)在提高壓縮比、優(yōu)化渦輪增壓器尺寸，以及在加濃燃油時(shí)所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。例如，1臺(tái)1.0L小型化發(fā)動(dòng)機(jī)在采用15kW 電機(jī)輔助時(shí)，其壓縮比可以從10.0提高到13.0;在采用35kW 電機(jī)輔助時(shí)，燃油加濃狀態(tài)的空燃比λ 為1.3，可提高到理論空燃比（λ 為1.0）。研究人員對(duì)各等級(jí)車(chē)輛進(jìn)行的模擬試驗(yàn)顯示，采用這種電輔助動(dòng)力總成可使燃油耗降低超過(guò)35%。由于車(chē)輛在公路上行駛時(shí)能量回收受到一定的限制，其節(jié)油低于5%的優(yōu)勢(shì)并不明顯。

Uhimann等人采用模擬方式評(píng)估了歐洲地區(qū)未來(lái)10年內(nèi)通過(guò)車(chē)輛混合動(dòng)力化能夠達(dá)到的CO2 減排水平。研究人員選用了1臺(tái)2020年型C 級(jí)、總質(zhì)量為1400kg的輕度混合動(dòng)力車(chē)作為基準(zhǔn)車(chē)輛，該車(chē)配裝了3缸1.5L的DHE。研究人員假設(shè)，在采用冷卻廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（EGR，EGR率大于20%）、行程長(zhǎng)、壓縮比高及摩擦低等技術(shù)的情況下，該發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率能達(dá)到42.0%及以上。考慮到車(chē)輛將在2025年和2030年采用400V 全混合動(dòng)力和2kW·h的蓄電池，發(fā)動(dòng)機(jī)的排量預(yù)計(jì)還將減小至1.0～1.2L，預(yù)計(jì)到2030年，其效率將大于43.5%。研究人員采用的提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率的其他技術(shù)還包括：針對(duì)DHE優(yōu)化的先進(jìn)渦輪增壓器、改善空氣動(dòng)力學(xué)阻力及減少滾動(dòng)阻力。此外，研究人員還考慮在2025年改進(jìn)車(chē)輛的電力驅(qū)動(dòng)，例如改善e-燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油冷卻和采用高效率逆變器等。研究人員預(yù)測(cè)，這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)效率為42.0%的2020年型輕度混合動(dòng)力基本型車(chē)輛的CO2 排放量為102g/km。到2025年，車(chē)輛的CO2 排放量將降至25%，達(dá)到72～77g/km，而到了2030年，車(chē)輛的CO2 排放量可進(jìn)一步降至64g/km，比2020年型基準(zhǔn)車(chē)輛的CO2 排放量降低了50%。

Zhang等人提出了多種發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)改進(jìn)措施，并在1臺(tái)輸出功率為105kW 的DHE上實(shí)現(xiàn)了42.5%的有效熱效率。Zhang等人采用的關(guān)鍵技術(shù)是改善充量運(yùn)動(dòng)的橫向燃燒系統(tǒng)。其他技術(shù)包括：米勒循環(huán)運(yùn)行、改進(jìn)氣門(mén)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、采用120MJ線圈的點(diǎn)火系統(tǒng)、采用35MPa直噴系統(tǒng)以改善燃燒和減少顆粒物排放，以及采用帶放氣閥的電驅(qū)動(dòng)渦輪增壓器。米勒循環(huán)與EGR的組合允許壓縮比從基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的10.5提高到了13.0，并在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)理論空燃比（λ 為1.0）運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦減少了28%。排氣后處理系統(tǒng)包括緊耦合的三元催化器（TWC）和汽油機(jī)顆粒過(guò)濾器（GPF），用于早期點(diǎn)火和被動(dòng)再生。這些技術(shù)措施實(shí)施后，發(fā)動(dòng)機(jī)可在寬廣運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效燃油消耗率（BSFC）達(dá)到210～230g/（kW·h），最佳的BSFC目標(biāo)值為198g/（kW·h），相當(dāng)于達(dá)到42.5%的有效熱效率。

Tsurushima等人在1臺(tái)以理論空燃比（λ 為1.0）運(yùn)行的3缸1.5LDHE上進(jìn)行了BTE達(dá)到43.4%的試驗(yàn)驗(yàn)證，該發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率為85kW，壓縮比為13.5。其改進(jìn)措施的關(guān)鍵點(diǎn)有：采用能支持30%EGR率的先進(jìn)燃燒、采用進(jìn)氣門(mén)早關(guān)的米勒循環(huán)運(yùn)行方式、改善缸內(nèi)充量運(yùn)動(dòng)以確保在空燃比λ 為2.0時(shí)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的稀燃，發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦降低了46%。研究人員還探討了進(jìn)一步提高效率的途徑，采用了基于朗肯循環(huán)的廢熱回收系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在全球統(tǒng)一的輕型車(chē)試驗(yàn)循環(huán)（WLTC）附加高工況下，燃油經(jīng)濟(jì)性提高了4.6%。據(jù)估計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)總BTE能提高到45.0%。此外，該發(fā)動(dòng)機(jī)用于串聯(lián)式混合動(dòng)力車(chē)時(shí)有可能實(shí)現(xiàn)空燃比λ 為2.0的稀燃運(yùn)行。試驗(yàn)顯示，微弱的分層稀燃可使BTE達(dá)到46.0%，預(yù)計(jì)通過(guò)進(jìn)一步改善傳熱和采用更大容量的蓄電池，BTE可提高至50.0%。研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)采取限制發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷以避免排氣流量減少，推遲燃燒以提高排氣熱焓等措施，可使該發(fā)動(dòng)機(jī)在排氣后處理成本不顯著增加的情況下滿(mǎn)足未來(lái)排放法規(guī)要求，這是由于斷油和燃油加濃受到限制，催化器惡化得到了抑制。

Kapus等人也對(duì)DHE 進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究人員采用稀燃低增壓方式使1臺(tái)BTE為43.0%的2.5L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到了接近45.0%的BTE水平。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)配合采用米勒循環(huán)運(yùn)行、可變截面渦輪（VTG）、冷卻EGR、減少摩擦、輕度至完全混合動(dòng)力等發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱技術(shù)，以及采用減少空氣動(dòng)力學(xué)阻力和減輕車(chē)重等車(chē)輛改進(jìn)技術(shù)時(shí)，研究人員預(yù)計(jì)CO2 排放量可比汽油直噴渦輪增壓基本型發(fā)動(dòng)機(jī)的排放量降低50%。模擬結(jié)果顯示，該發(fā)動(dòng)機(jī)如果在稀氣燃燒、改進(jìn)渦輪增壓器和減少熱損失等方面開(kāi)展進(jìn)一步優(yōu)化，可使BTE提高到大于50.0%，進(jìn)而使車(chē)輛尾管的CO2排放量再減少5%。圖4示出了采用這些改進(jìn)技術(shù)所需增加的成本。僅發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)改進(jìn)就能使CO2 排放減少40%，其增加的成本約為2500歐元，成本/效益比為每減少1%的CO2 排放，相應(yīng)增加35～90歐元。

Bassett等人介紹了預(yù)燃室燃燒系統(tǒng)研究的最新成果。研究人員用1臺(tái)壓縮比為9.2的1.5L直噴發(fā)動(dòng)機(jī)作為基本型發(fā)動(dòng)機(jī)，并在該發(fā)動(dòng)機(jī)上設(shè)置了1個(gè)預(yù)燃室來(lái)實(shí)現(xiàn)噴油束被動(dòng)點(diǎn)火，同時(shí)采取了以下的技術(shù)措施：將壓縮比增加到14.7，添加冷卻EGR（EGR率高達(dá)17%），采用VTG和米勒循環(huán)運(yùn)行。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該發(fā)動(dòng)機(jī)最高熱效率達(dá)到了40.0%，BSFC降至207g/（kW·h），比基本型發(fā)動(dòng)機(jī)的BSFC 降低了10.6%。在WLTP循環(huán)工況下，這種提高熱效率的方式可使1臺(tái)緊湊型SUV 車(chē)型的CO2 排放量減少7%。為了進(jìn)一步降低與直噴相關(guān)的成本，主燃燒室采用了氣道噴油方式。由于發(fā)動(dòng)機(jī)能在理論空燃比下運(yùn)行，因此可使TWC和GPF的后處理系統(tǒng)更為簡(jiǎn)化。試驗(yàn)證實(shí)，為促使催化劑較早點(diǎn)火而采取的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火推遲度，以及發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)能力，與火花點(diǎn)燃的基本型發(fā)動(dòng)機(jī)相似。Bassett等人還探討了該發(fā)動(dòng)機(jī)作為DHE的用途。該發(fā)動(dòng)機(jī)用于PHEV 時(shí)，在NEDC 工況下，CO2 排放量小于20g/km，是2030年排放目標(biāo)值的三分之一。

近年來(lái)，稀燃被視為提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率的1種主要途徑。實(shí)施稀燃技術(shù)的主要難點(diǎn)有：（1）為了達(dá)到未來(lái)的排放標(biāo)準(zhǔn)，必須始終保持稀混合氣的穩(wěn)定燃燒;（2）需要在高負(fù)荷時(shí)采用適當(dāng)?shù)牟呗詫⑾∪寄Ｊ角袚Q成其他燃燒模式;（3）需要確保排氣后處理系統(tǒng)的成本/效益最佳。Solomon和Battiston詳細(xì)報(bào)道了開(kāi)發(fā)1臺(tái)稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)程。該發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷時(shí)以油束引導(dǎo)的分層充氣模式運(yùn)行，研究人員采用雙噴射與長(zhǎng)電弧點(diǎn)火相結(jié)合的方式，確保了發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定點(diǎn)火。為了使發(fā)動(dòng)機(jī)自身的NOx 排放量降至每千克燃油燃燒僅產(chǎn)生6g的目標(biāo)值，研究人員采用了外部冷卻的低壓EGR。此外，研究人員還采取了包括優(yōu)化進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉正時(shí)、火花塞電極長(zhǎng)度、噴油束形態(tài)、活塞凹坑形狀和壓縮比等措施來(lái)提高燃燒效率和燃燒穩(wěn)定性。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓縮比提高到11.0時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油耗有所降低，但進(jìn)一步提高壓縮比則會(huì)產(chǎn)生相反的結(jié)果。試驗(yàn)還顯示，雙噴射策略有助于減少低氣溫下運(yùn)行時(shí)碳?xì)洌℉C）的排放量，但將會(huì)導(dǎo)致顆粒物排放量增加，因?yàn)榇藭r(shí)的液態(tài)燃油容易沉積在活塞表面。與壓縮比為10.0的理論空燃比運(yùn)行的基本型發(fā)動(dòng)機(jī)相比，這些措施可使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油耗降低5%～23%。

在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中采用燃用汽油（汽油壓燃）方式是使汽油機(jī)達(dá)到與柴油機(jī)效率相同的1種途徑。汽油固有的耐自燃特性是汽油壓燃（GCI）維持低負(fù)荷運(yùn)行的1個(gè)挑戰(zhàn)，研究人員可采用低研究法辛烷值（RON）燃油來(lái)應(yīng)對(duì)汽油的耐自燃特性問(wèn)題。目前市場(chǎng)上還缺乏這類(lèi)低RON燃油。因此，如何應(yīng)對(duì)汽油耐自燃特性將是1個(gè)長(zhǎng)期的課題。Cracknell等人在1臺(tái)壓縮比為16.0的4缸2.0LGCI發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)，研究人員采用的燃油為RON95E10歐洲標(biāo)準(zhǔn)燃油，并在低負(fù)荷時(shí)采用火花點(diǎn)燃。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在寬廣的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)，指示燃油消耗率（ISFC）均低于200g/（kW·h）。車(chē)輛模擬的預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，RDE試驗(yàn)的CO2 排放量為118g/km。研究人員探索了在低負(fù)荷時(shí)結(jié)合停缸技術(shù)的效果，預(yù)計(jì)采用這一措施可使CO2 排放量進(jìn)一步減少約10%。在采用了排氣后處理的情況下，NOx 和HC的排放量可低于歐六的限值。AbdulManah等人通過(guò)模擬評(píng)估了GCI發(fā)動(dòng)機(jī)用作混合動(dòng)力時(shí)的性能。分析結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)的汽油機(jī)混合動(dòng)力車(chē)相比，GCI發(fā)動(dòng)機(jī)混合動(dòng)力車(chē)從油井到車(chē)輪的GHG 排放量能降低26%～55%，而采用輕度混合動(dòng)力時(shí)，GHG 排放量則能降低50%。

Zoldak開(kāi)發(fā)了1種火花點(diǎn)燃多模式發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式，可在低負(fù)荷時(shí)采用火花輔助低溫燃燒（SA-LTC），在高負(fù)荷時(shí)則采用GCI。附加的技術(shù)包括：采用噴油壓力高達(dá)100MPa的高壓噴油器、120MJ火花點(diǎn)燃系統(tǒng)、高壓和低壓雙回路EGR、可連續(xù)改變氣門(mén)開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間、氣門(mén)正時(shí)的氣門(mén)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及可變進(jìn)氣壓縮機(jī)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，SA-LTC 模式可使燃油耗改善高達(dá)18%，并能使最高BTE達(dá)到34.0%，而GCI模式能使最高BTE達(dá)到43.0%，比傳統(tǒng)汽油機(jī)的BTE提高了17.5%，比柴油機(jī)的BTE提高了2%。

Serrano等人在1臺(tái)串聯(lián)插電式混合動(dòng)力車(chē)上評(píng)估了對(duì)置活塞技術(shù)與可變壓縮比相結(jié)合時(shí)燃油效率提升的情況。該HEV車(chē)配裝的是1臺(tái)4缸0.5L對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，用以擴(kuò)展PHEV的行駛里程。研究人員測(cè)定了壓縮比9.5～12.0和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1000～4000r/min范圍內(nèi)的燃油耗。實(shí)測(cè)的最低BSFC為240g/（kW·h），BTE為35.6%。隨后，研究人員用測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)性能模擬分析了車(chē)輛在WLTP循環(huán)工況下，以及在各種城區(qū)和鄉(xiāng)村道路實(shí)際行駛時(shí)的性能。研究人員選擇了2臺(tái)車(chē)輛作為基準(zhǔn)車(chē)，1臺(tái)是配裝1.0L汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的乘用車(chē)，另1臺(tái)是配裝1.6L渦輪增壓柴油機(jī)的SUV 車(chē)型。模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示，在WLTP循環(huán)工況下，該HEV的燃油耗由乘用車(chē)的百公里5.4L降至百公里2.0L，降幅達(dá)63%。與SUV車(chē)相比，該車(chē)的燃油耗則由百公里4.7L降至百公里3.0L，降幅達(dá)36%。2種情況下相應(yīng)的CO2 排放量均低于50g/km，低于2030年的排放目標(biāo)。

Dernotte等人報(bào)道了在1臺(tái)“排氣復(fù)合稀釋燃燒小型化增壓”發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行的試驗(yàn)研究情況。該發(fā)動(dòng)機(jī)的顯著特點(diǎn)是設(shè)有1個(gè)膨脹氣缸，其功能主要是吸收來(lái)自動(dòng)力主氣缸的排氣膨脹功，從而起到熱量回收裝置的作用。每個(gè)動(dòng)力氣缸的排量為0.55L，而膨脹氣缸的排量為1.33L。在低負(fù)荷時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)采用火花輔助均質(zhì)充氣壓燃（HCCI）實(shí)現(xiàn)稀氣低溫燃燒。在高負(fù)荷時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)切換成采用雙噴射策略的混合燃燒模式運(yùn)行。殘余氣體的溫度對(duì)于控制燃燒模式較重要，研究人員通過(guò)改變氣門(mén)重疊角和EGR 來(lái)控制殘余氣體溫度，并在2000r/min的各種負(fù)荷下進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)。與1臺(tái)2.2L壓縮比為11.0的理論空燃比的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比，該發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí)的燃油耗降低了38%，最高負(fù)荷時(shí)的燃油耗降低了15%。與另1臺(tái)壓縮比為10.0的1.4L渦輪增壓小型化發(fā)動(dòng)機(jī)相比，該發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷和最高負(fù)荷時(shí)的燃油耗分別降低了22%和13%。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，膨脹氣缸貢獻(xiàn)了約10%的附加功率，獲得高燃油效率的原因主要是該發(fā)動(dòng)機(jī)能實(shí)現(xiàn)無(wú)節(jié)流稀燃運(yùn)行。

2.1.2 代用燃料

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年歐洲車(chē)隊(duì)擁有的車(chē)輛約為2.7億臺(tái)，其中2008年以前注冊(cè)的車(chē)輛超過(guò)了50%。由于車(chē)輛的使用壽命通常在10年以上，因此可以預(yù)計(jì)，即使到2040年新車(chē)全部實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化，到2050年仍然會(huì)存在相當(dāng)數(shù)量的內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛。低碳燃油將會(huì)為這些內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛的CO2 減排發(fā)揮有效作用。

壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)和液化天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。由于天然氣的含碳量較低、抗爆燃性能良好，并且天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的效率較高，因此天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的CO2 排放量較低。當(dāng)從生物源物質(zhì)中獲取甲烷時(shí)，該燃料從油井到油箱的CO2 排放量將會(huì)進(jìn)一步降低。另一方面，由于甲烷容易從上游和車(chē)輛尾管逃逸，也會(huì)削弱天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)CO2 排放量低的優(yōu)勢(shì)。Binder等人的研究顯示，燃用甲烷的高效率發(fā)動(dòng)機(jī)與混合動(dòng)力相結(jié)合能克服上述的不足，并將有助于釋放天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的全部?jī)?yōu)勢(shì)。為使天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)保持在高效率區(qū)運(yùn)行及減少因催化器溫度低而導(dǎo)致的甲烷逃逸，發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷時(shí)可采用電力驅(qū)動(dòng)。研究人員將1臺(tái)壓縮比為12.5、BTE約為39.0%的1.5L渦輪增壓汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)改裝成燃用甲烷的發(fā)動(dòng)機(jī)，其排量增加到了2.0L。采用甲烷燃料和火花塞點(diǎn)燃主動(dòng)型預(yù)燃室后，該發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比提高到了17.0。該發(fā)動(dòng)機(jī)還添加了EGR率高達(dá)35%的冷卻EGR。研究人員將原有的TWC移裝到渦輪后的位置，并增加了1個(gè)電加熱器，以確保催化器的進(jìn)口溫度始終大于550 ℃。試驗(yàn)顯示，該發(fā)動(dòng)機(jī)的最高BTE達(dá)到了45.2%，最大功率為115kW，符合該HEV 要求的最佳蓄電池容量為2.5kW·h。甲烷儲(chǔ)存罐的容量為16.0L，可確保車(chē)輛的行駛里程超過(guò)800km，甲烷的儲(chǔ)存壓力為20MPa。研究人員還模擬了車(chē)輛在WLTC工況下的運(yùn)行情況。在車(chē)輛起動(dòng)之前，發(fā)動(dòng)機(jī)先以10kW 的功率運(yùn)轉(zhuǎn)4s，使排氣加熱，這種操作方式的代價(jià)是使凈燃油耗增加3.4%。與1.5L、100kW 的基本型汽油機(jī)車(chē)輛相比，該車(chē)在WLTC 工況下的尾管CO2 排放量降低了37%，約75g/km。因此，當(dāng)增加可再生燃料的含量時(shí)，車(chē)輛從油井到車(chē)輪的CO2 排放量有可能為負(fù)值。

合成燃料或E-燃料正受到各國(guó)政府的廣泛關(guān)注，也是減少“從搖籃到墳?zāi)埂钡娜芷贑O2 排放量和確保現(xiàn)有車(chē)輛實(shí)現(xiàn)減排的1種途徑。Rothbart指出，用合成燃料代替所有的燃料顯然是不切實(shí)際的。但是，為了達(dá)到減緩氣候變化的目標(biāo)，在車(chē)輛實(shí)現(xiàn)完全電動(dòng)化前用合成燃料或E-燃料代替一部分傳統(tǒng)燃油則是有必要的，到2050年可以使替代率達(dá)到30%。由圖5所示，為了保持全球氣溫升幅小于2 ℃，采用合成燃料是有必要的。隨著E-燃料的逐步采用，研究人員預(yù)計(jì)重型車(chē)排放的CO2 份額將會(huì)增加。

各國(guó)研究人員正在探索使用氫燃料以促使發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)清潔燃燒和低排放的可能性。在內(nèi)燃機(jī)中采用氫燃料的優(yōu)勢(shì)是可以利用現(xiàn)有的技術(shù)和避免附加的基礎(chǔ)設(shè)施成本。Pauer等人在1臺(tái)2.0L渦輪增壓火花點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了燃用氫燃料的燃燒和排放試驗(yàn)。在大部分運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了均質(zhì)稀燃運(yùn)行，其最高BTE達(dá)到了39.0%，升功率為83kW。原發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比為9.8，因此，該發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比還有可能進(jìn)一步增加。采用直接噴射時(shí)，稀燃運(yùn)行能使發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx 排放量降至1×10-6以?xún)?nèi)。

2.2 重型車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)展

Pishinger等人全面回顧了為實(shí)現(xiàn)歐洲CO2 減排20%和30%目標(biāo)而采用的各種技術(shù)路徑。圖6列出了一些關(guān)鍵技術(shù)的改進(jìn)措施：（1）對(duì)車(chē)輛進(jìn)行改進(jìn)，改善空氣動(dòng)力學(xué)，采用低滾動(dòng)阻力輪胎和減輕車(chē)輛質(zhì)量。（2）使發(fā)動(dòng)機(jī)BTE大于50.0%。（3）動(dòng)力總成預(yù)測(cè)控制，目標(biāo)是最大限度地降低燃油耗并優(yōu)化其他性能。例如，根據(jù)由遙測(cè)系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)獲得的道路信息來(lái)優(yōu)化充電狀態(tài)和選擇變速檔位。（4）采用電驅(qū)動(dòng)功率高達(dá)30kW 的輕度混合動(dòng)力。

研究人員對(duì)1臺(tái)采用了上述技術(shù)措施的12.8L發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了模擬研究。輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)采用了1.2kW·h的蓄電池。研究人員采用了發(fā)動(dòng)機(jī)加熱措施，使SCR催化器的溫度高于200 ℃，并在排氣溫度高于210℃時(shí)，考慮采用廢熱回收。車(chē)輛在長(zhǎng)途運(yùn)輸和工程機(jī)械試驗(yàn)工況下運(yùn)行時(shí)，預(yù)計(jì)燃油耗降低13%～18%，且NOx 排放不會(huì)明顯增加。這些措施對(duì)于滿(mǎn)足2025 年的CO2 排放目標(biāo)有很大的幫助。為達(dá)到2030年的減排目標(biāo)，各國(guó)還將要求采取更積極的措施，包括采用全混合動(dòng)力和使用氫燃料內(nèi)燃機(jī)。如果采用合成燃料，則需要進(jìn)一步降低從油井到車(chē)輪的CO2 排放量。

上述提出的發(fā)動(dòng)機(jī)BTE要達(dá)到50.0%的假設(shè)是合理的。目前，1臺(tái)BTE為50.3%的13.0L發(fā)動(dòng)機(jī)已于2020年實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。美國(guó)能源部“超級(jí)卡車(chē)Ⅱ”計(jì)劃的目標(biāo)是，實(shí)現(xiàn)有效熱效率達(dá)到55.0%，并要求車(chē)輛的貨運(yùn)效率比2009年水平提高1倍。表2示出了“超級(jí)卡車(chē)Ⅱ”計(jì)劃各參與公司的最新研發(fā)動(dòng)態(tài)。

各參與公司共同采用的技術(shù)方法包括：改進(jìn)燃燒、通過(guò)米勒循環(huán)改善空氣管理、采用48V混合動(dòng)力、減輕質(zhì)量、減少空氣動(dòng)力學(xué)阻力和滾動(dòng)阻力、采用自適應(yīng)和預(yù)測(cè)巡航控制。廢熱回收對(duì)于達(dá)到55.0%的BTE目標(biāo)極為重要，該措施實(shí)施后預(yù)計(jì)可使BTE提升3.0%～4.0%。盡管排氣后處理的改進(jìn)并不是“超級(jí)卡車(chē)Ⅱ”計(jì)劃的重點(diǎn)，但該計(jì)劃的所有參與團(tuán)隊(duì)也同步開(kāi)展了相關(guān)工作，其中大部分公司都在研究緊耦合SCR系統(tǒng)。

Amar和Li詳述了Volvo公司的研發(fā)進(jìn)展情況。在車(chē)輛改進(jìn)方面，Volvo公司旗下研究人員將牽引車(chē)和拖車(chē)的組合質(zhì)量減輕了7000lbs，空氣動(dòng)力學(xué)阻力降低了15%。該公司的研究人員對(duì)1臺(tái)11.0L的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了多項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)，并測(cè)定了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。研究人員采用20.0的高壓縮比使發(fā)動(dòng)機(jī)的BTE提高了0.3%;采用米勒循環(huán)運(yùn)行，使BTE 進(jìn)一步提高了0.3%～0.7%。在對(duì)48V 輕度混合動(dòng)力車(chē)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，研究人員為車(chē)輛配置了包括電驅(qū)動(dòng)的冷卻水泵、進(jìn)氣空氣冷卻器，以及整體式起動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)等電驅(qū)動(dòng)附件，在1種試驗(yàn)循環(huán)中實(shí)際測(cè)量得到了1%的燃油經(jīng)濟(jì)性改善。此外，研究人員正在設(shè)計(jì)1種能從排氣和冷卻液中收集能量的廢熱回收系統(tǒng)，預(yù)計(jì)可提供2.0%～3.0%的BTE綜合增益。

Dickso和Damon介紹了Commins公司和Peterbilt公司的研究進(jìn)展。該公司改善貨運(yùn)效率的措施，包括將車(chē)輛減重4700lbs、空氣動(dòng)力學(xué)阻力減少63%，以及滾動(dòng)阻力減少33%。發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)使BTE達(dá)到了53.3%，主要的技術(shù)措施包括采用雙近口渦輪設(shè)計(jì)及改進(jìn)活塞材料以減少傳熱損失。公司未來(lái)將采取的技術(shù)措施還包括，提高渦輪增壓器效率、降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦和優(yōu)化廢熱回收系統(tǒng)，預(yù)計(jì)這些措施的實(shí)施可使發(fā)動(dòng)機(jī)的BTE達(dá)到55.0%的目標(biāo)值。

Zukouki等人提供了有關(guān)Navistar公司研發(fā)的最新進(jìn)展，并介紹了該公司采用停缸技術(shù)的效果。該公司的研究人員在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架和底盤(pán)測(cè)功器上進(jìn)行的城市試驗(yàn)循環(huán)試驗(yàn)顯示，實(shí)測(cè)的燃油耗改善了2.9%～6.7%。研究人員配置了以朗肯循環(huán)為基礎(chǔ)的廢熱回收系統(tǒng)。結(jié)果顯示，該系統(tǒng)的BTE改善率大于2.5%，并確認(rèn)還能進(jìn)一步提高0.5%。研究人員在排氣后處理系統(tǒng)中增加了1個(gè)上游SCR 系統(tǒng)和1個(gè)氨逃逸催化器（ASC）及二次加熱的柴油機(jī)排氣流噴射器。此外，研究人員正在開(kāi)發(fā)自適應(yīng)和預(yù)測(cè)巡航控制策略，并在試驗(yàn)跑道上進(jìn)行了降低能耗的測(cè)試。

Villeneuve和Girbach介紹了Daimler公司BTE達(dá)到52.9%和貨運(yùn)效率提高6%的詳細(xì)情況。發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)可使BSFC 降低9.5%，其具體的技術(shù)措施包括：降低轉(zhuǎn)速、提高壓縮比、米勒循環(huán)運(yùn)行、二級(jí)渦輪增壓、二級(jí)EGR、降低摩擦（BSFC能改善0.5%）、采用隔熱涂層活塞降低熱損失（BSFC 能降低0.8%）。研究人員正在評(píng)估基于變相冷卻的廢熱回收系統(tǒng)的性能，預(yù)計(jì)可使BTE提高3.5%。該公司對(duì)排氣后處理系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)，采用了緊藕合SCR 系統(tǒng)。與2019年相比，車(chē)輛的滾動(dòng)阻力降低了約15%。

Meijer、Grover詳細(xì)介紹了Paccar公司和Kenworth公司所采取的技術(shù)措施。該公司采用的發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)措施與其他團(tuán)隊(duì)的基本相同，包括采用快速燃燒、提高壓縮比、米勒循環(huán)運(yùn)行、高效率渦輪增壓、減少熱損失和降低摩擦。研究人員希望通過(guò)增加廢熱回收系統(tǒng)來(lái)達(dá)到BTE提高4.0%的目標(biāo)，為此研究人員開(kāi)展了配置48V、電池容量10kW·h的蓄電池和最大功率為30kW 的輕度混合動(dòng)力車(chē)的試驗(yàn)研究。

廢熱回收是美國(guó)能源部“超級(jí)卡車(chē)Ⅱ”計(jì)劃所有參與公司都采用的技術(shù)措施，這也是研究人員正在積極開(kāi)展研究的1個(gè)領(lǐng)域。Singh等人在1臺(tái)ScaniaD13發(fā)動(dòng)機(jī)上測(cè)定了排氣和冷卻液流路中可利用的熱量，在全球統(tǒng)一的重型車(chē)試驗(yàn)循環(huán)（WHTC）下的模擬結(jié)果顯示，采用朗肯循環(huán)廢熱回收系統(tǒng)從排氣中回收廢熱時(shí)，能使燃油耗降低5%。同時(shí)，從冷卻液中回收熱量時(shí)，燃油耗可再降低4%。但是，后者要求冷卻液的溫度提升到140℃。

重型車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域也在探索上述介紹過(guò)的GCI發(fā)動(dòng)機(jī)的可行性。Sim 等人評(píng)估了1臺(tái)壓縮比為17.4的6.0 L 歐六柴油機(jī)在使用低碳、高反應(yīng)率燃料RON57時(shí)可能獲得的效率增益。試驗(yàn)結(jié)果顯示，改進(jìn)后的柴油機(jī)具有與基本型柴油機(jī)相同的功率和扭矩特性。在全負(fù)荷時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)GCI可降低高達(dá)4.3%的燃油耗。由于該燃油的高揮發(fā)性改善了燃油與空氣的混合狀態(tài)，炭煙和HC的排放量也有所降低。但是，由于缸內(nèi)局部燃燒溫度升高，NOx 排放量增加了8%，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬的結(jié)果也證實(shí)了這一情況。研究人員改變了原噴油策略的預(yù)噴油量和后噴油量，在保持燃油耗不變的前提下，采用15%的預(yù)噴油量、75%的主噴油量和10%的后噴油量進(jìn)行優(yōu)化噴射，可使NOx 排放量降低16%。

未來(lái)如果要實(shí)現(xiàn)更大幅度的CO2 減排，研究人員需要將先進(jìn)燃燒與混合動(dòng)力進(jìn)行協(xié)調(diào)配合。Garcia等人進(jìn)行了混合動(dòng)力總成與柴油和汽油反應(yīng)性控制壓燃（RCCI）雙模式燃燒相結(jié)合的試驗(yàn)研究。研究人員對(duì)2臺(tái)額定功率分別為280hp和350hp、最大載質(zhì)量分別為18t和25t的歐洲中型卡車(chē)，以及P2結(jié)構(gòu)混合動(dòng)力進(jìn)行了評(píng)定。配裝的發(fā)動(dòng)機(jī)為6缸8.0L的柴油機(jī)，為了支持雙燃料燃燒，研究人員對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了改裝，配置了6個(gè)氣道噴射汽油噴射器和低壓EGR，并將壓縮比從17.5降至12.8，車(chē)輛配置了600V 的Li-Fe-PO4 蓄電池組。研究人員改變了燃燒模式，通過(guò)適當(dāng)?shù)膰娪筒呗裕刂浦小⒌拓?fù)荷時(shí)的RCCI向高負(fù)荷下的擴(kuò)散。研究人員在不同發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況下進(jìn)行了排放試驗(yàn)。結(jié)果顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與原柴油機(jī)的性能相同。最佳的燃油耗為小于200g/（kW·h），炭煙排放極低，NOx 排放量為小于0.2g/（kW·h），低于歐六法規(guī)的排放限值。隨后，研究人員用1種車(chē)輛驗(yàn)證模型進(jìn)行了參數(shù)分析，以探索在改變蓄電池容量、車(chē)輛行駛狀態(tài)和載質(zhì)量的情況下，該燃燒模式與混合動(dòng)力總成配合時(shí)車(chē)輛CO2 減排狀況。分析顯示，與非混合動(dòng)力用柴油機(jī)相比，根據(jù)全球統(tǒng)一的車(chē)輛試驗(yàn)循環(huán)（WHVC）測(cè)試，研究人員估計(jì)CO2 排放量減少了12%～25%，車(chē)輛載重越低，CO2 排放量也越低。由于增加了制動(dòng)能量的回收，車(chē)輛在城區(qū)行駛時(shí)，CO2 的減排量將提高到30%。除了CO2 排放量滿(mǎn)足2025年歐洲排放目標(biāo)外，降低的NOx 排放量也表明了完全避免SCR系統(tǒng)的可能性。Garcia等人進(jìn)行的另1項(xiàng)模擬研究顯示，采用該技術(shù)措施后，只需配裝DOC和DPF就能滿(mǎn)足歐六排放標(biāo)準(zhǔn)。

采用雙燃料的另1個(gè)例子是，Han等人在1臺(tái)6缸柴油機(jī)上進(jìn)行了燃用乙醇和柴油的組合以減少排放的試驗(yàn)評(píng)估。試驗(yàn)時(shí)，研究人員將乙醇噴入發(fā)動(dòng)機(jī)氣道，并改變乙醇與柴油的質(zhì)量比。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持1200r/min不變，發(fā)動(dòng)機(jī)在平均有效指示壓力（IMEP）為3.4～19.9MPa的負(fù)荷范圍內(nèi)變化。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在高負(fù)荷時(shí)，因壓力升高，乙醇的用量需要限制在40%以下，此時(shí)采用純柴油運(yùn)行比較理想。而在低負(fù)荷時(shí)，燃用乙醇將會(huì)使CO 和HC 排放顯著增加。NOx 排放對(duì)乙醇含量的增加相對(duì)不敏感，但炭煙排放量則有所減少。Giramondi等人探討了采用雙噴射策略來(lái)克服上述限制的可能性。

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的效率正在不斷提高，未來(lái)也是滿(mǎn)足超低NOx 排放法規(guī)的1種途徑。Giordana介紹了為使天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到接近柴油機(jī)的效率，以及為改善天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能而采用的技術(shù)路徑。研究人員在1臺(tái)13.0L天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)上采用了頂置氣缸蓋、直接噴射、可變氣門(mén)正時(shí)和高壓冷卻EGR 等技術(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提高了10%，同時(shí)，也使WHTC工況下的燃油耗降低了4%。對(duì)于未來(lái)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步優(yōu)化，研究人員將考慮采用主動(dòng)型預(yù)燃室燃燒，以使發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率提升到50.0%。研究人員需要進(jìn)一步研究和探討的課題，一方面是要采用生物甲烷以減少?gòu)挠途杰?chē)輪的CO2 排放量，另一方面則是要應(yīng)對(duì)甲烷逃逸的難題。Prussi等人認(rèn)為，到2030年，歐洲的生物甲烷產(chǎn)量有可能增長(zhǎng)10倍。但是，考慮到目前的政策，基礎(chǔ)設(shè)施是1個(gè)制約因素。因此，Prussi等人預(yù)計(jì)，加氣站的增長(zhǎng)速度不會(huì)比壓縮天然氣/液化石油氣（CNG/LPG）汽車(chē)數(shù)量的增加速度快。

（正文未完待續(xù)）