2020年全球汽車發動機效率提升和排放控制的發展動向(下)

【美】 A.JOSHI

關鍵詞：輕型車;重型車;排放試驗;減排措施

（接上文）

3 有害污染物減排技術的進展

3.1 柴油機減排技術的進展

本節主要介紹輕型車和重型車柴油機氣態排放物（主要是氮氧化物（NOx））和顆粒排放物減排技術，以及排氣后處理技術的進展。

3.1.1 輕型車柴油機

Molden等人[1]在道路上測定了幾百臺歐三～歐六柴油機車輛在實際行駛狀態下NOx 的排放量（圖7）。試驗結果顯示，雖然在實施歐六的實際行駛排放（RDE）法規前，車輛的NOx 排放都超過限值，但在執行RDE法規后，并在考慮了一致性系數的情況下，車輛的NOx 排放均能達標且低于限值。在實施RDE法規以后，車輛的平均NOx 排放量小于50mg/km，低于80mg/km 的排放限值，甚至無須考慮一致性系數。

ValverdeMorales等人[2]對符合歐六d-TEMP法規的2臺2018年型汽油機車輛和4臺2018年型柴油機車輛進行了道路上的排放試驗。在整個達標試驗過程中，柴油機車輛的NOx 排放量為33mg/km，比歐六b柴油機車的限值低1個數量級。而采用了顆粒過濾器后，顆粒物排放量比限值低2個數量級。研究發現，在實施RDE試驗規程后，車輛在動態行駛狀態下的排放量有所增加，尤其是在采用了稀氮氧化物捕集器（LNT）進行NOx 減排技術時，NOx 排放量會顯著增加。發動機冷起動時，NOx 和顆粒數（PN）的排放量要比在城區行駛且催化器預熱后行駛時的排放量高1個數量級，而NO2 的排放量極低，其值小于10mg/km，這表明NO2 的排放限值可能不需要單獨設定。

研究人員對顆粒過濾器再生過程的排放情況展開了研究。顆粒過濾器再生過程中顆粒物和NOx 通常會在高溫下產生較高的排放量，這是由于炭煙層破裂而導致過濾效率損失的緣故。但是，即使包括顆粒過濾器再生時產生的排放量，顆粒物和NOx 在1個行駛循環中的排放量也遠低于限值。Valverde和Giec-haskiel[3]報道了1臺配裝了2.1L 發動機，以及廢氣再循環系統（EGR）、柴油機氧化催化器（DOC）、柴油機顆粒過濾器（DPF）和選擇性催化還原（SCR）系統的歐六d-TEMP車輛的排放性能。該車輛分別在全球統一的輕型車試驗循環（WLTC）工況下和試驗道路上進行了排放測量，道路上的試驗包括RDE 達標試驗和非RDE達標的動態試驗。車輛在環境溫度為14 ℃下進行WLTC試驗，并在計入再生時排放量的情況下，PN排放量是限值的5倍，直徑23nm 以下的顆粒數是總顆粒數的28%。在相同的條件下，NOx 排放量也超出歐六柴油機車限值2倍以上。車輛在室溫下進行的無顆粒過濾器再生的其他試驗，PN 和NOx 排放量均遠低于限值。在道路上試驗時，即使計入顆粒過濾器再生時的排放量，PN 和NOx 排放量也低于限值。只有在激進的動態行駛狀態下，NOx 排放量才超過限值。盡管在所有的法規試驗條件下，PN 和NOx 排放量都符合限值要求，但是在再生和動態行駛過程中導致的排放量增加還需要研究人員作進一步分析。

，因此車輛在冷起動和低負荷行駛時的排放量需要引起重視。Schaub等人[4]模擬分析了48V 輕度混合動力對輕型商用車尾管排放的影響。研究人員選擇了1臺符合歐七法規的車輛作為比較基準車，該車輛配置了2.0L發動機、帶渦輪旁通的可變截面渦輪增壓器、高低壓EGR，以及由DOC、帶SCR 涂層緊耦合顆粒過濾器、車身下安裝的雙尿素供給SCR 系統組成的后處理系統。車輛擬采用P0和P2結構的混合動力總成，并考慮了配裝及未配裝電加熱DOC 的2種情況。在覆蓋城區、鄉村和公路行駛條件等具有代表性的試驗循環下，研究人員對該車輛進行了改變車速、負荷及起停行駛狀態的模擬分析。研究人員發現該車輛在低速低負荷下運行時，混合動力可使車輛性能改善8%～28%（如采用P2結構時性能改善更明顯），而在公路上行駛時車輛性能改善的效果較小，僅為1%～3%。在大部分情況下，NOx 排放量極低，其值小于20mg/km。但是，對于采用了P0結構混合動力的車輛在城區路段行駛3.1km 時，NOx 排放量較高，達到了75mg/km。電加熱催化器（EHC）有助于使車輛的NOx排放量降至62mg/km，但需要增加約5%的燃油耗。

柴油機車輛的NOx 排放量還能進一步降低。Martin等人的研究顯示，混合動力與先進的排氣后處理系統相結合能使車輛尾管接近零排放。研究人員將1臺2.2L柴油機車輛改裝成1輛最高電功率為30kW的48VP2結構的混合動力車（HEV）。該車輛配置的后處理系統包括：雙尿素供給的SCR 系統、SCR 涂層顆粒過濾器、LNT，以及EHC 冷起動排放控制系統。車輛還配置了二次空氣輔助系統和預熱30s的系統。通過采用這些技術，車輛在WLTC 工況下的NOx 排放量減至1.3mg/km，在低車速區運行時的NOx 排放量為4.2mg/km。

3.1.2 重型車發動機

各研究團隊都在對重型車發動機的各種改進措施和排氣后處理系統進行評估，目標是要使NOx 的排放比現有水平減少90%。圖8示出了幾種具有代表性的增強后處理系統實例。與目前使用的系統（DOC+DPF+SCR）相比，未來使用的系統具有1個共同的特點，就是會在上游設置1個附加的SCR 系統，并采用雙尿素供給系統。

研究人員在美國西南研究院用符合2010年EPA標準的康明斯X15發動機對圖8（a）、圖8（b）、圖8（c）所示的3種后處理系統進行了試驗評估。這3種系統均采用雙尿素供給的緊耦合SCR 系統。圖8（a）所示的系統采用了下游雙通路SCR 系統，提供了更大的SCR系統容量。該系統還包括1個2kW 尿素加熱裝置，可將最低尿素供給溫度降至140 ℃。為了提高排氣溫度，研究人員對發動機進行了改裝，其中包括添加EGR冷卻器的旁通和采用停缸技術。研究人員通過增加EGR率、多次噴油和提高怠速轉速的方式改善了熱管理，可使發動機在怠速時渦輪的出口溫度提高到100℃。停缸技術能使該溫度再提高50 ℃，同時還能減少發動機的NOx 和CO 排放量。圖8（a）和圖8（c）所示的系統可在冷態聯邦試驗規程（FTP）循環開始后的42s內開始供給尿素。試驗發現，圖8（b）所示的系統不能達到低NOx 排放的要求。DOC的附加熱質量使開始供給尿素的時間延長至73s，并導致NOx 轉換效率有所降低。圖8（a）所示的系統總體性能最佳，在冷態FTP 循環試驗階段的NOx 轉換效率達到了98.0%，熱態FTP循環試驗階段的NOx 轉換效率達到了99.6%，低負荷試驗循環（LLC）工況下的NOx 轉換效率達到了98.0%。在綜合FTP循環工況下，車輛尾管的NOx 排放量為0.0177g/（hp·h）① ，在LLC工況下車輛尾管的NOx 排放量為0.06g/（hp·h）。此外，與DOC+DPF+SCR 系統的基準后處理系統相比，這臺超低NOx 排放的發動機和排氣后處理系統可使CO2 排放量降低約1.5%。因此，研究人員選擇了圖8（a）所示的系統進行最終的試驗驗證，試驗結果將于2021年公布。

Adelman等人對圖8（c）所示的系統進行了評估，該系統在配裝了DOC+DPF+SCR 系統的2010年基準后處理系統的基礎上，添加了1個緊耦合SCR 系統。為了減少N2O的生成，研究人員將下游SCR系統分區涂覆了鐵和銅。研究人員用1臺12.4L柴油機評估了排放性能的改善情況。研究人員首先評估了配裝2010年基準后處理系統時的發動機燃油耗和排放性能。結果顯示，其排放性能超出了現行標準。隨后，研究人員在該系統中添加了1個緊耦合SCR系統，在冷態FTP循環開始后的90s內使尿素供給溫度達到190℃。這一功能再加上ASC，使綜合FTP循環工況下的尾管NOx 排放量降低到0.11g/（hp·h）。為了使發動機自身的NOx 排放量減少20%，研究人員對發動機進行了重新標定，車輛尾管的NOx 排放量低于0.05g/（hp·h）。該研究表明，車輛要達到0.02g/（hp·h）的NOx 排放標準，必須進一步優化附加的后處理技術。

Kavacs等人認為，為了滿足NOx 和CO2 排放要求，必須采取減少發動機自身NOx 排放、提高發動機效率與緊耦合SCR 系統相結合的技術措施。研究人員對1臺6缸8.0L重型車發動機及其配置的DOC+DPF+SCR系統基準后處理系統，進行了發動機瞬態運行和后處理系統的模擬分析。研究人員評估了各種技術選項，其目標是要求在冷態FTP循環工況下NOx的排放量達到0.08g/（hp·h），并要求達到2027年CO2 排放量為535g/（hp·h）的限值。雖然各種熱管理策略可使排氣溫度升高，但同時CO2 排放量也會增加。研究人員通過采用緊耦合SCR系統，可使NOx 排放量符合目標值，此時的CO2 排放量雖未增加，但其排放值仍高于目標值。研究人員采用了EGR 率為15%的系統，能在不借助熱管理策略的情況下有效降低發動機自身的NOx 排放。同時，通過提高壓縮比和采用高效率的渦輪增壓器能進一步減少CO2 排放。

在歐洲開展的1項研究中，研究人員對圖8（d）示出的配置了上游DOC和SCR系統的后處理系統進行了評估。試驗將在實際行駛狀態下進行，研究人員預計通過采用緊耦合DOC和SCR系統以減少冷起動和低車速城區行駛時的NOx 排放量。

Chundru等人對圖8（e）所示的后處理系統進行了模擬分析，并將其與圖8中另外4種系統進行了比較。在配置DOC和一體式SCR-DPF的基準后處理系統基礎上，該系統增加了1個上游SCR系統和下游SCR系統的雙尿素噴射器，并在下游SCR 系統前端設置了另1個DOC。研究人員利用1臺2013年型6.7L發動機的排氣質量流量和排氣溫度數據對該后處理系統進行了模擬，一體式SCR-DPF的進口溫度為203～366 ℃。研究人員通過計算，分析了NOx 轉換效率、NH3 逃逸和炭煙氧化率隨NH3/NOx 比的變化情況，發現一體式SCR-DPF的炭煙氧化率會隨NH3/NOx 比增加而降低。由于雙尿素噴射能減少DPF上游的NH3 噴射量，因此，該系統能使DPF產生較高的炭煙氧化率，同時還能減少總的NH3 逃逸量。此外，研究人員還發現NO2 會被一體式SCR-DPF 完全消耗掉，從而導致下游SCR系統的轉換效率變差。而系統添加1個DOC就能解決上述問題。在此情況下，這種添加雙尿素噴射和第2只DOC的系統可使SCR系統的轉換效率從97%提高到99%。

Andrisani比較了停缸技術（CDA）和延遲進氣門關閉（LIVC）對催化器加熱的熱管理措施的優勢。研究人員針對1臺配裝DOC+DPF+SCR/ASC傳統后處理系統的6缸0.8L柴油機進行了仿真分析。研究人員固定在3個氣缸實施停缸，優化LIVC 的曲柄角度為50°CA，相應的氣門升程為4.5mm。研究發現，與LIVC相比，CDA 在整個發動機運轉工況范圍內會使渦輪后的溫度更高。CAD 和LIVC 所引起的排氣溫度分別升高182℃和107℃。這2種技術還能使部分運轉工況下的燃油耗有所降低。但是，在大部分發動機工況下，CDA 將導致燃油耗有所增加，增加值高達5.8%，而LIVC 導致的燃油耗增加則較小，僅為2.8%。在WHTC 工況下，CDA 能使尾管的NOx 排放量降低18.3%，且燃油耗不會增加。這是由于較高的排氣溫度導致SCR 系統的轉換率從90% 提高到92%。另一方面，LIVC能使NOx 排放量降低2.8%，同時也使燃油耗降低0.2%。研究人員預測在LLC工況下，CDA 能使NOx 和CO2 分別減排32%和11%，而LIVC能達到的NOx 和CO2 減排量分別為0.2%和1.4%。

Farrell等人通過發動機試驗和模擬，應用動態CDA 分析了1臺配裝了可變截面渦輪增壓器和高壓EGR的康明斯X156缸發動機同時降低NOx 和CO2的效果。試驗結果顯示，在600r/min的怠速轉速和50N·m 的低負荷下，研究人員通過減少點火次數能使燃油耗降低20%，并能使排氣溫度升高40 ℃。在1000r/min和100N·m 的工況下，發動機的排氣溫度能升高100℃，燃油耗能降低25%。研究人員還進行了瞬態運行的模擬。模擬結果顯示，在重型車FTP循環工況和LLC 工況下，NOx 排放量分別減少45%和66%，CO2 排放量分別減少1.5%和3.7%。

AchatesPower公司近期開展的試驗顯示，1臺3缸10.6L的對置活塞柴油機能夠符合FTP循環試驗所要求的0.02g/（hp·h）的NOx 排放限值，此外，該發動機在補充排放試驗循環下，CO2 排放量為422g/（hp·h），比美國環境保護署要求的2027年CO2 排放限值低了10g/（hp·h）。上述試驗結果是在采用了傳統后處理系統，且未采用如緊耦合SCR 系統、加熱的尿素供給或停缸等其他技術的情況下獲得的。

3.1.3 SCR 催化劑，被動NOx 吸附器（PNA）和碳氫收集器（HTC）

提高低溫SCR 催化劑的反應活性和耐久性是滿足輕型車和重型車未來超低NOx 排放目標的關鍵。因此，研究人員需要重視SCR 反應的基礎研究，并詳細了解SCR 催化劑的反應機理。Tronconi在銅基菱沸石催化劑（Cu-CHA）上進行了標準SCR催化劑反應的還原半衰期（RHC）研究。此外，研究人員還在反應器上進行了低溫（150～220 ℃）流動試驗。試驗中，催化劑被暴露在NO和NH3 還原劑中。試驗結果顯示，RHC的二階反應動力學與氧化銅的百分比之間存在一定的依賴關系。Joshi等人進行的SCR 催化劑氧化和還原過程研究也證實了這種依賴關系。研究人員開發了1個能再現觀測數據的完整的反應動力學模型，并進一步研究了催化劑老化對反應動力學和Cu-SSZ-13催化器中活性銅點位數的影響。

研究人員進行了熱液老化詳細機理的基礎研究。Lacobone等人探索了在550℃下熱液老化4h對Cu-CHA 催化劑的影響，并通過反應器流動試驗研究了2種銅點位的變化情況。研究人員用NO、NO2 和NH3進行的滴定試驗證實了上述假設，即催化器中存在2種銅反應點位，熱液老化會引起ZCu2+ OH 向Z2Cu2+的轉換，但后者的還原性較差。Zhang等人對Cu-SSZ-13催化劑進行的研究也證實了這一假設。Ladshaw和Pihl通過對Cu-SSZ-13商品催化器的熱液老化和反應器流動試驗研究，量化了NH3 的吸附損失，并開發了1個一維模型來解釋各種抑制機理。

研究人員還需要更好地了解和解決SCR 催化劑硫中毒問題。為了使催化劑提前點火，研究人員通常將SCR系統布設在緊耦合位置。但是，如果上游無顆粒過濾器，SCR催化劑容易受到高濃度硫的影響。Xi等人利用實驗室的反應器試驗，比較了脫新老化和現場老化的SCR 催化劑樣品的活性。程序升溫脫附（TPD）研究顯示，物理結合的硫會在350～500℃時釋放，預計為硫酸氫氨（NH4HSO4）。強結合的硫直至較高溫度時才會被去除。經高達550 ℃ 的熱處理后，SCR催化劑的活性能得到明顯恢復。例如，現場老化的樣品在200 ℃時顯示，其NOx 轉換效率極低（小于10%），但經過550℃的熱處理后，NOx 轉換效率則提高到75%左右。但是，該樣品的NOx 轉換效率仍不能完全恢復到脫新老化樣品在200 ℃ 時大于95% 的NOx 轉換效率水平。研究強調，熱誘導脫硫并不能使SCR催化劑完全恢復活性，這表明了物理和化學中毒會影響SCR催化劑的性能。

Tang等人探討了Cu-SSZ-13催化劑熱液老化后暴露在低溫硫環境下對SCR 催化劑性能的影響。研究人員先將基準催化劑在650℃的環境下進行熱液老化10h，隨后將該催化劑分別在200 ℃和650 ℃的硫環境中暴露10h和100h。試驗結果顯示，在所有情況下，催化劑在200℃的硫環境中會使其NOx 轉換效率降低5%～15%。同時，研究人員發現，當催化劑在200℃硫環境中暴露100h后，其反應活性損失更大，活性損失與活性銅點位減少有關。TPD 試驗證實，只有在較低的硫酸化溫度下，銅點位處才會產生NH3 吸附損失。與Z2Cu2+ 點位相比，ZCu2+ OH 點位對硫酸化更為敏感。催化劑定期熱液處理可以解決ZCu2+OH 向Z2Cu2+ 轉變的問題，并能延緩硫酸化引起的加速老化。試驗還顯示，催化劑的熱液處理可以減少SCR催化劑的活性損失。

上述研究表明，研究人員有必要繼續深入了解老化的機理，并意識到現場老化過程可能要比實驗室條件下的熱液老化更為復雜。

將SCR系統與DPF集成一體化所面臨的挑戰，是SCR催化劑反應和被動炭煙再生反應會互相爭奪NO2。Rappe 等人介紹了開發選擇性氧化催化劑（SCO）的最新進展，該催化劑由10%（質量分數）的二氧化錳（MnO2）和二氧化鋯（ZrO2）組合而成，可在不采用氧化氨的情況下使NO轉換成NO2（快速SCR）。試驗證實，與單獨使用SCR 催化劑相比，在175 ℃的標準SCR條件下，30%的SCR催化劑與70%的SCO 組合可使NOx 轉換效率提高約15%。此外，在溫度高于400℃時，N2O的形成也會受到抑制。下一步，研究人員將繼續探討硫老化機理的課題。Martinovic等人提出了1種新的解決方法，將SCR 催化劑與摻有1%鉀的CeO2-PrO2 催化劑混合，以有選擇性地促使NO 和炭煙的氧化（不氧化氨）。實驗室研究顯示，鉀會使酸點位中毒，并能延遲氨氧化。NO 氧化生成NO2 有助于提高Fe-SCR 催化劑活性，其在低溫下的性能提高了20%。

為了解決車輛在冷起動時產生的排放問題，研究人員采用了PNA 和HTC等后處理技術。Pd/沸石催化劑是PNA 的主要候選催化劑。Szanyi等人測定了Pd/SSZ-13、Pd/FER、Pd/SSZ-39這3種不同的小孔沸石對NO 的吸附和釋放性能。研究人員發現，在濃度高達4000×10-6的CO存在時，NOx 的吸附能力會增強，但脫附溫度會降低，這主要是在催化劑上發生了放熱CO氧化反應。此外，研究人員還發現C2H4 是NOx吸附的抑制劑。Pd/SSZ-39在900 ℃時呈現出良好的熱液穩定性。Toops等人采用各種模擬氣體評估了PNA 的NOx 吸附能力減弱情況。研究人員在采用模擬排氣流進行了10次吸附/脫附試驗后發現，1%（質量分數）Pd/SSZ-13 催化劑的NO 吸附能力下降了20%。試驗顯示，吸附能力下降主要原因是由于CO的存在。Harold等人評估了PNA、HC收集器和氧化催化器組合的性能，并采用模擬氣體對1%（質量分數）Pd/SSZ-13催化劑用于PNA 時的性能進行了研究。結果顯示，當NO與鈀的比例接近1時，NO 能以較高的吸附能力吸附在由2種元素組成的鈀點位上。對于HCT，研究人員發現采用底層為Pt/Al2O3，頂層為Pd/BEA 的雙層催化劑具有良好的轉換功能，Pd/BEA在100～180℃時可鋪集HC，而Pd/Al2O3 在高溫脫附時會出現HC氧化現象。該HC收集器對不同碳氫（HC）組分的收集效率是各不相同的。例如，乙烯（C2H4）的吸附會受到水分、CO 和十二烷的抑制，而Ag交換H-ZSM-5催化劑則能增強乙烯的吸附能力。隨后，研究人員評定了1%（質量分數）Pd/SSZ-13的PNA 催化器與Pt-Pd/BEA 的HC收集器組合時的性能。結果顯示，PNA 中存在的Pt有助于NO 的氧化。HCT的雙層催化劑能提供類似于PNA-HC收集器串聯時的性能。最后，研究人員對1種新型的銅/鈷/鈰混合氧化催化劑進行了評價，結果表明，該催化劑對NO、CO和C3H6 的低溫氧化有明顯的促進作用。

3.1.4 柴油機顆粒物

研究人員對車隊進行的測量研究顯示，拆除10%或放棄顆粒過濾器的高排放車輛，其顆粒物排放量約為車隊總排放量的85%。從2021年開始，歐洲將實施新的定期技術檢測（NPTI）辦法，該辦法規定，要用熱怠速時的PN 排放量來標識高排放車輛。Giechaskiel等人比較了32臺柴油機車輛（其中6臺未配裝DPF）在WLTC和新歐洲行駛循環（NEDC）工況下用便攜式排放測量系統（PEMS）測量的冷怠速和熱怠速時的PN 排放量。試驗結果顯示，NPTI怠速排放測量值與型式認證測量值之間具有良好的相關性。該怠速測量法的檢測極限為1.0×105cm-3，低于此限值時，測量數據具有相當大的離散度。目前，建議的NPTI測量限值為2.5×105cm-3。因此，研究表明，應提供1種更可靠的方法來識別無DPF 車輛的顆粒物排放量。對于點燃式發動機車輛，如汽油直噴車輛（GDI）、液化石油氣車輛（LPG）和壓縮天然氣車輛（CNG），研究人員還未發現試驗循環的PN 排放量與怠速時的PN 排放量之間存在某種相關性，這表明在將該試驗辦法擴展到這類車輛之前，研究人員還需要做更多的工作。

隨著CO2 排放法規的收緊以及顆粒過濾器使用壽命要求的提高，這意味著DPF必須在使用壽命期內始終保持較低的壓力降、良好的被動再生能力和較高的積灰能力。Viswanathan等人的研究顯示，1臺長途運輸卡車行駛了600000mile后，由于DPF中的積灰，后處理系統的總壓力降增加了30%，這表明需要提高顆粒過濾器的積灰能力。先進的DPF技術能提高積灰能力、減少壓力降并提高過濾效率。研究人員利用燃燒器流動試驗臺加快DPF積灰的辦法，對各種DPF設計方案進行了比較。如圖9所示，與目前使用的薄壁非對稱通道設計相比，新一代DPF在有5g/L炭煙的情況下，通過采用新型孔穴設計和增加高達20%的正面開口面積設計，可使壓力降減少45%。研究人員發現增加正面開口面積可使積灰堵塞長度減少50%。此外，與現有的商品化DPF相比，這些DPF的改進設計顯示，在WHTC工況下，車輛尾管的PN 排放量降低了1個數量級。研究人員還強調了改進DPF微觀結構的作用，具有通道幾何形狀完全相同的顆粒過濾器，在PN-PEMS循環試驗時，改進壁面微觀結構可使DPF的PN 過濾效率提高95%以上。

DPF分析模型正在不斷地完善，新建立的模型已充分考慮了灰分遷移情況和孔穴尺寸分布對過濾性能的影響。Wang開發的1種DPF模型能夠結合實際的孔穴尺寸分布來預測過濾效率。該模型預測的結果與試驗的數據誤差在5%以內。Koltsakis等人探討了預測灰分結塊和灰分累積情況的模型框架。該模型考慮了灰分沿排氣流的遷移情況及其在炭煙顆粒上的累積情況，包括與溫度和氣流相關的灰分結塊情況，后者能模擬灰分附著和脫離炭煙顆粒的傾向。研究人員利用燃燒器試驗裝置產生的積灰量對該模型進行了標定，并從發動機瞬態試驗的壓力降和灰分堵塞長度數據成功地驗證了該模型。Kamp對現場使用后回收的過濾器進行研究時發現，潤滑油衍生的灰分會以水液形態存在，并與基底材料相互作用，從而影響DPF的過濾性能。

2020年的回顧文章曾報道過1種能減少炭煙生成的“導管噴油”新方法，該方法的理念是通過導管引入噴油束來改善混合氣形成。近期，Nilsen等人對這種導管噴油法進行了擴展試驗。研究人員通過改變進氣氧濃度、噴油持續時間、進氣壓力、燃燒始點正時、噴油壓力及進氣溫度方式，在寬廣的發動機運轉工況范圍內進行了試驗。試驗結果顯示，在所有的試驗條件下，采用導管噴油法時炭煙生成量明顯減少。在某種情況下，NOx 排放量會略有增加，但是該噴油技術能使發動機在炭煙生成量不增加的情況下產生極低的NOx 排放。Millo等人通過試驗和數值模擬探索了炭煙生成量減少的基本原因。研究人員比較了導管噴油束和自由噴油束的油滴數量和尺寸。結果顯示，導管能增強油滴的蒸發。CFD噴油束模擬顯示，導管進口處的壓力降低能增強空氣的卷吸，而導管出口處的渦流則能改善空氣-燃油的混合，二者結合可使導管出口處的當量比降至2以下，從而抑制了炭煙的生成。

3.2 汽油機排放控制技術的進展

圖10示出了汽油機排氣后處理系統的發展演變過程，以及為應對歐六后排放法規及其他先進排放法規而可能采用的后處理系統結構組合。

歐洲、中國及美國加利福尼亞州的下一輪排放法規將要求大幅度降低車輛尾管的排放。事實上，目前開展的研究已經開始探索車輛尾管有害污染物實現接近零排放甚至負排放的可能性了。雖然歐七排放法規的目標還未確定，為了使氣態排放物進一步降低，歐洲將要求車輛采用熱管理、高孔穴率基底材料、HC 和NOx 儲存催化器等各種先進技術來減少冷起動時產生的排放量。為了解決NOx 和氨的排放問題，汽油機有可能會采用SCR催化器。同時，為應對收緊的PN 排放法規，各國必須采用過濾效率非常高的汽油機顆粒過濾器（GPF）。

3.2.1 汽油機顆粒物

GPF已經在歐洲和中國得到普遍應用。研究人員正在開發新一代GPF并付諸實用，在清潔狀態下，新一代GPF能達到超過90%的過濾效率。在即將出臺的歐七和國七排放法規推動下，針對GPF過濾效率的要求預計在未來幾年有所增加。本節重點介紹汽油機顆粒物控制技術的最新進展。

如圖10所示，在歐六后排放法規的后處理系統中，GPF采用了緊耦合安裝及車身地板下位置安裝2種形式。GPF 既可以是無涂層的，也可以是帶三元催化器（TWC）催化涂層的，前者便于添加高過濾溶液，后者則是為了使氣態排放物的轉換效率最大化。Rose等人介紹了新開發的無涂層GPF的最新進展。最新一代GPF的特點是優化了通道進口側的表面孔穴率，使過濾器在幾乎沒有壓力降的情況下達到非常高的過濾效率。研究人員進行了大范圍的試驗研究，包括選用配裝了1.2～2.0L 發動機、符合歐六b和歐六d-TEMP的轎車、運動型多功能車（SUV）及插電式混合動力車（PHEV）在各種試驗循環下進行的試驗。如圖11所示，在所有工況下，車輛尾管的PN 排放量都低于6.0×1011km-1，過濾效率超過90%。當計入直徑10～23nm顆粒物時，發動機排放的總顆粒數增加了26%～127%。與此同時，研究人員發現這些成核顆粒也能被GPF有效地過濾掉。過濾性能增強通常都是在壓力降增加的情況下發生的。研究表明，這種采用了新技術的過濾器在承載炭煙的狀態下壓力降很小。GPF安裝在地板下位置的車輛，其過濾性能測量值可達到20000km 的行駛里程。試驗結果顯示，在零公里時過濾器清潔狀態的過濾效率超過了90%，且在耐久性運行期間保持了原有的過濾性能。

Dorscheidt等人也報道了這種高過濾效率的GPF。研究人員在1臺配裝無涂層GPF的2.0L渦輪增壓汽油直噴車上測量了顆粒物排放量，并在7種不同的發動機運轉工況下進行了測量。測試結果顯示，當轉速升高（負荷不變）、負荷增加（轉速不變）和空燃比提高時，測得的PN 均有所增加，這表明，在高轉速和高負荷時，隨著燃油加濃，PN 排放量將會增加。在所有工況下，直徑23nm 以下顆粒物的排放量較大，約占總PN 的27% ～47%。研究人員發現，在使用了GPF后，直徑23nm 以下的顆粒物占總顆粒數的比率約為7%～37%。如圖12所示，該GPF在沒有炭煙或灰分清潔狀態下，過濾效率超過了90%。研究人員發現，過濾效率會隨著流速的增加而增加，這與之前的一些研究結論不一致。Walter等人開發的1款預測模型顯示，在流速上升到某一點前，過濾效率會隨著流量增加而降低，但當流量達到該分界點后，過濾效率將保持不變，甚至會隨著流速的增加而略微增加。

TWC涂層技術對改善GPF過濾效率具有重要影響。Chen等人對幾種GPF進行了研究，這些GPF具有不同的平均孔穴尺寸、不同的TWC涂層涂載量（60～120g/L），且采用的涂層技術也不同。試驗是在2臺分別配裝了1.5L渦輪增壓多點噴油發動機和1.8L渦輪增壓汽油直噴發動機的車輛上進行的，GPF分別安裝在緊耦合位置和車身地板下位置。試驗發現，當TWC涂層涂載量由80g/L增加到120g/L時，過濾效率提高了10%～15%。減小平均孔穴尺寸的效果則較小，僅能使過濾效率提高5%～10%。試驗結果表明，高過濾效率與高背壓間的權衡對涂層技術和孔穴結構的相互作用較為敏感。研究發現，將內壁涂層技術從平均孔穴尺寸較大的GPF沿用到平均孔穴尺寸較小的GPF上，可明顯增加背壓，尤其是在涂層涂載量較高的時候。壁面涂層與平均孔穴尺寸較大的GPF相結合能獲得良好的性能：當TWC涂載量由80g/L增加到120g/L 時，過濾效率和背壓都增加了30%。此外，研究人員還發現，GPF安裝在車身地板下位置時過濾效率較高，這是由于此時的GPF溫度較低，有利于炭煙層快速形成。

Liu利用單收集器和毛細管模型預測了內壁和壁面有涂層的顆粒過濾器的性能。結果顯示，內壁有涂層時過濾效率會下降，這是由于此時的過濾表面積減小，并有可能引起孔穴堵塞;而壁面有涂層時過濾效率會有所提高，但同時也會使背壓增加。

HEV 在持續充電模式下，發動機需要頻繁起停，且排氣溫度較低，從而容易產生較高的顆粒物排放。Lenz等人測定了1臺歐六bPHEV 在室溫條件下按NEDC工況運行時的顆粒物排放量。在試驗開始時，車輛蓄電池顯示充電狀態為47%，試驗結束后充電狀態為53%。在整個試驗過程中，發動機共起動了12次，其中有2次是在冷卻液溫度低于70℃的情況下起動的（稱為冷態起動）。研究人員發現冷態起動時的PN 排放量幾乎占了顆粒總數的50%，且冷起動都是在試驗開始后的前350s和1.5km 的行程里程內發生的。此外，在總顆粒數中，直徑小于23nm 的顆粒物約占50%。

Zhang等人比較了GPF在1臺純內燃機車輛和1臺PHEV上的應用情況。這2臺車輛配裝了標定功率相同的2.0L渦輪增壓發動機，但由于增加了20kW·h的電池組，PHEV 的質量增加了約500kg。2臺車輛配置的后處理系統相同，均采用緊耦合TWC 和地板下安裝的GPF，其中PHEV 因電池組的原因，GPF往下游再移動了0.7m。研究人員在-30～0 ℃的低環境溫度下，進行了包括冷態起動在內的城區行駛試驗，然后以小于30 km/h 的車速行駛了不到6 km。PHEV 在持續充電模式下運行。試驗發現，0 ℃ 時GPF的炭煙承載量為0.02g/L，而-30℃時GPF的炭煙承載量增加到了0.20g/L，后者相當于車輛每天2次冷態起動、1～2周內產生的約3.0g/L 積炭量。PHEV的被動炭煙再生緩慢，這可能是GPF位置較遠而導致其進口溫度較低的緣故。此外，在蓄電池充電量較高時，GPF的進口溫度也較低。

研究人員正在開展精確估計GPF內炭煙承載量的研究工作。Nicolin等人指出，有1種射頻（RF）傳感器能較好地測定GPF的炭煙承載量。研究人員在城市行駛循環和高負荷試驗循環下，測定了地板下安裝的GPF均勻和不均勻積炭時的炭煙承載量。試驗結果顯示，在所有情況下，RF-傳感器測得的炭煙承載量與采用質量分析法測量的炭煙承載量相比，誤差為±2g。

Neystani等人通過模擬，預測了在美國將氣道噴油車改成汽油直噴車后對環境和健康產生的影響。從氣道噴油車過渡到汽油直噴車的過程中，與顆粒物排放相關的死亡人數預計將從每年855人增加到1599人，由此帶來的社會成本損失約為70億美元。因此，研究人員建議應通過應用GPF進行補救。

3.2.2 汽油機氣態排放物

進一步降低車輛尾管排放的最大挑戰是要解決冷起動排放問題。僅采用增加鉑系貴金屬涂載量的方法不實際，也不一定有效。研發人員正在開發單原子催化劑以解決這一問題。Datye介紹了這方面的最新進展。該催化劑可在單原子層中得到較好地擴散。采用原子捕集法能使這種催化劑在高溫下從蒸氣相沉淀下來，二氧化鈰是這種催化劑的最佳載體。催化劑具有極好的反應活性，證明CO的起燃溫度小于100 ℃，但這種催化劑必須克服在高溫下的催化劑氧化及需要重新激活等其他問題。為了促進NO 與CO 的反應，Khivantsev等人探討了單原子銠在二氧化鈰上的反應活性。研究人員用0.1%和0.5%（質量分數）的銠在二氧化鈰上制備了催化劑。試驗證實，該催化劑在100℃下NO與CO的反應幾乎能100%完成。在溫度低于100℃的干燥狀態下，該催化劑對N2O 的選擇能力幾乎為100%，而在更高的溫度下，N2 是主要產物。在有水分存在且中等溫度的情況下，該催化劑還能生成一些氨。

為了應對未來的歐七排放限值，Ball等人對由TWC和催化型GPF組成的后處理系統進行了研究。TWC和GPF安裝在緊耦合位置，分別在配置1.6L和2.0L渦輪增壓汽油直噴發動機的車輛上進行了試驗。研究人員評定了TWC 容量、鉑系貴金屬涂載量及GPF的催化涂層涂載量對滿足國六b和歐六/歐七法規的影響。試驗發現，對于減少CO 和NOx 排放而言，TWC容量由0.6L增加到1.0L要比鉑系貴金屬涂載量增加27%更為有效。此外，只有大容量TWC與催化層涂載量大的GPF組合才能滿足國六b限值的要求。為了滿足歐七排放目標，研究人員必須采用大容量的TWC、高涂載量（66%）的鉑系貴金屬和高涂載量催化層的GPF 組合，即使如此，CO排放限值也達到了較小的幅度。對于涂層涂載量較高時背壓也會較高。在所有情況下，PN 排放量都遠低于排放限值，其中最清潔的試驗結果為2.0×1010km-1。需要指出的是，這些都是在試驗室臺架上和室溫條件下測得的結果，如果在低氣溫和RDE 條件下進行試驗，預計排放量可能會更高。Sterlepper等人也對TWC 和催化型GPF組合的緊耦合系統進行了研究。研究發現，隨著熱量和積灰量的增加，該系統的儲氧能力會有所下降，但不是呈線性變化。低環境溫度對排放有較大影響，在-17 ℃下試驗時，NOx 和HC 排放量分別增加了50%和12倍。而由于GPF的存在，PN 排放量對環境溫度不敏感。

隨著尾管排放限值收緊至接近零的水平，發動機認證試驗的可變性顯得更為重要。Warkins等人測定了多次FTP循環重復試驗的排放性能，發現駕駛員操作的可變性單獨計算后，發動機產生的HC及NOx 排放量差異分別高達30%和10%。由此產生的尾管排放量變化率為10%～20%，研究人員將車速誤差減少到低于EPA 限值時，尾管排放量的變化率可降至7%。

研究人員在配裝了1.5～2.4L發動機的5臺車輛上測定了采用高孔穴率基底材料的優勢，這些車輛都通過超低排放車輛（ULEV）和超級超低排放車輛（SULEV）等級認證。試驗結果顯示，這種低熱質量基底材料有助于催化劑更早點火。用其替代標準基底材料后，非甲烷碳氫化合物（NMHC）和NOx 的排放量各降低了10%～20%。

HC收集器是減少冷起動排放的1種解決方案，也是未來汽油機排氣后處理系統的1個重要組件。研究人員測定了發動機出口和TWC出口的HC組分，以了解進入HC收集器的排氣成分。研究人員分別在配裝2.7L渦輪增壓和5.3L自然吸氣汽油直噴發動機的2臺皮卡上，測定了在FTP循環工況下冷起動后第1取樣袋中的排氣組分。試驗結果發現，在前250s內產生的冷起動排放量占到整個505s的試驗時間總排放量的85%以上。TWC不僅呈現出較高的HC轉換率，而且還會使TWC 進出口的HC 組分比率發生改變。TWC 出口的HC 組分包括乙醇、非甲烷鏈烷烴（如乙烷）、甲烷、稀族烴（如乙烯和丙烯）、醛類（如甲醛）和芳烴（如甲苯和其他C6-C11組分）。TWC還可使顆粒數排放量減少40%～44%。

采用EHC是使車輛尾管排放達到未來歐七、國七和LEV4排放要求的另1途徑。對于PHEV，高功率冷起動是最差的排放場景，而采用EHC可能是1種可取的解決措施。Bruck等人指出，在某些車輛上可能需要采用配置2個EHC和1個HC收集器的后處理系統。研究人員用1臺配裝了3缸1.0L發動機的48V輕度混合動力車進行的WLTC試驗顯示，盡管2個2kW的EHC始終處于通電狀態，但在試驗前80s內，非甲烷HC組分的排放量超過了限值的50%。因此，研究人員根據需要，添加了1個HC收集器，使排放量減少至低于歐六d限值的80%。車輛在0℃環境溫度下和城區短距離行駛時，催化器需要預熱幾秒鐘。

未來的歐洲排放法規會對諸如NH3、N2O 和CH4等排氣組分設定排放限值。Suarez-Bertoa等人測定了2臺汽油機商用車、2臺柴油機乘用車和1臺壓縮天然氣商用車在道路上行駛時的氣態排放物。結果顯示，由于柴油機車輛配裝有ASC，其NH3 排放量非常低，而汽油機車輛的NH3 平均排放量為21～49mg/km。研究人員認為，這樣的排放量與大氣中的HNO3 相結合將會產生11～38mg/km 的PM2.5 顆粒物排放量。研究人員已考慮在汽油機后處理系統中采用SCR 系統來解決NH3 排放問題。Getsoian等人闡述了汽油機車輛的氨生成和控制問題。在濃混合氣運行工況下，鈀基催化劑和銠基催化劑容易生成NH3，當切斷燃油時，還會在氧化型TWC催化器的進口生成NH3，這些NH3 大部分都會在下游的催化器中被重新氧化成NO，但如果氧化不充分，則會發生NH3 逃逸。車輛配裝了下游SCR 系統就能完全轉換上游TWC 產生的NH3。

Martin等人介紹了1種先進后處理系統在1臺汽油機車輛上應用的情況。該車輛為配裝1.0L 渦輪增壓汽油直噴發動機的48VP2結構峰值電功率15kW的輕度混合動力車。該車采用的緊耦合系統由EHC、TWC及有涂層GPF組成，下游后處理系統包括SCR系統、另1個EHC 和NOx 存儲催化器。二次空氣噴射系統用于實現下游后處理部件的稀氣狀態。上游TWC產生的NH3 可被下游的被動SCR系統利用。為了使冷起動排放量接近零，研究人員采取了催化器預熱30s的措施。試驗結果顯示，在動態RDE試驗循環下，NOx 排放量為1.2mg/km，HC排放量為2.8mg/km。

在過去幾年中，研究人員一直在探索被動SCR 系統在稀燃汽油機上應用的效果。Prikhodko指出了該方法面臨的挑戰。研究人員在1臺稀燃汽油直噴發動機上配置了由鈀基TWC（Pd-TWC）和NOx 儲存催化器（二者都會產生NH3），以及緊隨其后的GPF和Cu-CHASCR催化器組成的后處理系統。試驗顯示，被動SCR系統的性能取決于NH3 的儲存量，在大于700℃的溫度下進行熱液老化時，NH3 生成量會減少，尤其是在濃排氣狀態時。在800℃濃排氣狀態下的老化會導致200 ℃ 時和400 ℃ 時的NH3 儲存量分別損失50%以上和70%以上。這就將導致被動SCR 系統反應活性減弱，尤其是在被動SCR 系統反復經受稀/濃排氣的情況下尤為明顯。

3.3 甲烷氧化催化器

天然氣發動機必須解決甲烷的逃逸問題，因為甲烷是1種潛在的溫室氣體，而且它很難在TWC的點火溫度下被轉換。Suarez-Bertoa等人的研究顯示，1臺配裝歐六b的3.0L壓縮天然氣發動機的輕型商用車，在整個RDE試驗路線中CH4 的排放量約為75mg/km，而在高速路段行駛時CH4 的排放量則高達127mg/km。根據全球暖化的趨勢，估計這樣的CH4 平均排放量相當于6.5g/km 的CO2 排放量。

研究人員正在繼續探索各種新的催化劑及其合成技術，以應對CH4 逃逸和提高催化劑的轉換功能。Lott等人探討了克服水分對鈀基催化劑轉換功能抑制作用的策略。研究人員在類似于稀燃天然氣發動機排氣狀態的氣流中進行了實驗室試驗。試驗結果發現，對于0.2%的Pd/Al2O3 催化劑，在有水分存在的情況下，甲烷氧化的點火溫度會升高超過100 ℃。研究人員開發了1種多反應點位的微反應動力學模型，以解釋水分對甲烷轉換的抑制作用。試驗顯示，采用二氧化鈰-氧化鋯作為載體時，能有效降低水分的抑制作用。在稀-濃排氣交替流動的情況下，轉換功能會明顯提高，即使在有水分存在時也是如此。

Harold等人報道了采用貴金屬-尖晶石組合催化劑來提高甲烷轉換效率和減少貴金屬用量的試驗結果。研究人員篩選了各種尖晶石，發現NiCoO4 尖晶石的轉換功能最佳。這種尖晶石能通過提高儲氧能力和保持活性點位的貴金屬來增強反應活性。研究人員還在實驗室的稀-濃模擬氣體中對1 種內層為NiCoO4/釩土和外層為Pt/Pd/釩土的雙層催化劑進行了試驗。試驗結果發現，這種催化劑在300 ℃時就能開始轉換甲烷，點火溫度為350℃，達到90%轉換率的溫度T90% 為400℃。此外，研究人員還發現在排氣流中有SO2 存在時，尖晶石催化劑能夠發揮可靠的轉換功能。

4 結語

隨著大部分國家的車輛尾管CO2 減排目標出臺，降低汽車的燃油耗已成為業內關注的焦點。2021年公布的歐洲氣候法令將進一步要求降低CO2 的排放限值。中國宣布，到2035年混合動力車將占50%的市場份額。發動機效率繼續有所提高，各國也提出了使發動機的有效熱效率（BTE）達到45.0%的各種技術路徑。混合動力車專用發動機越來越受到關注，因為該發動機有助于使發動機始終在低燃油耗區工作。一些先進的內燃機技術，諸如汽油壓燃、對置活塞和稀燃等技術都取得了一定的進步。為了減少上游CO2 排放和現有車輛的CO2 排放，研究人員正在開發可再生燃油和合成燃油。

2020年，歐洲針對歐七排放法規進行了討論，歐七法規草案也提出了要大幅收緊排放限值，并要求將排放認證試驗由試驗室的試驗循環改成在道路上試驗。其他變化還包括取消排放一致性系數、將直徑23nm以下顆粒物計入PN 限值，以及修改RDE試驗規程以強調城區行駛時的冷起動排放等。美國加利福尼亞州也在向LEV Ⅳ排放標準靠攏，提出了內燃機車隊要達到20mg/mile的非甲烷有機氣體（NMOG）與NOx 平均排放量限值（SULEV20）。

歐七和LEV Ⅳ法規的重點是要求減少冷起動排放。因此，研究人員正在優化TWC和SCR催化器、低熱質量基底材料、EHC、HC 收集器和被動NOx 吸附器。為了應對歐七排放法規提出的NH3 限值，被動SCR系統也有可能用于汽油機的排氣后處理系統。GPF的過濾效率將進一步提高，以應對越來越嚴的排放法規。

加利福尼亞州的重型車低NOx 綜合法規是目前世界上最全面和最嚴格的法規。美國環境保護署將于2021年公布低NOx 法規版本，歐七排放法規也將要求大幅度減少NOx 和其他有害污染物（包括直徑23nm以下顆粒物）的排放量。這些法規將為未來非道路移動機械法規的收緊政策奠定基礎。

為了實現2027年重型卡車和大型客車NOx 減排90%的目標，各國研究人員對各種可用的技術進行了試驗評估。目前面臨的挑戰是，車輛要在采用了新移動平均窗口（MAW）排放分析法的新低負荷試驗循環下，以及在使用壽命延長至接近百萬英里的情況下實現這些減排目標。緊密耦合的SCR 系統是1種較有前途的催化器，但因其通常暴露在含硫的環境中，因此，研究人員正在開展了解SCR 減活性（包括硫酸化）機理的研究工作。重型車發動機的顆粒物排放限值也要求降低50%，研究人員將會在提高過濾效率、減少壓力降和提高積灰能力等方面對DPF 進行設計優化。此外，美國和歐洲的重型車CO2 減排目標也已出臺，NOx 的減排技術還必須同時確保CO2 排放降低。研究人員也正在通過“超級卡車Ⅱ”計劃來提高發動機效率，采用廢熱回收技術可實現55.0%BTE的目標。

天然氣發動機的效率也在不斷提高，有些發動機已經通過了超低NOx 排放標準的認證。甲烷逃逸是1個有待繼續研究的課題，研究人員對新甲烷催化器的研究表明，在400 ℃以下有可能會使催化劑的甲烷轉換效率達到90%。