淺談我國(guó)輕重型車主流排放控制技術(shù)及路線

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中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司 中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司 天津市 300300

1 引言

生態(tài)環(huán)境部最新發(fā)布的《中國(guó)移動(dòng)源環(huán)境管理年報(bào)（2021）》顯示：截止2020年底，我國(guó)汽車保有量已達(dá)到2.81億輛，同比增長(zhǎng)8.1%。全國(guó)汽車主要排放污染物排放總量達(dá)到1486.3萬(wàn)噸，尤其是NO排放已經(jīng)占到全國(guó)NO總排放的54.5%。進(jìn)一步根據(jù)汽車燃料類型進(jìn)行細(xì)分可得，汽油車CO、HC、NO和PM排放分別占到汽車總排放的80.9%、77.6%、4.8%和1%；柴油車CO、HC、NO和PM排放分別占到汽車總排放的18.0%、11.4%、88.8%和99%；剩余部分由燃?xì)廛囏暙I(xiàn)。在我國(guó)輕型車以汽油車為主，重型車以柴油車為主，由此可知，對(duì)于輕型車來(lái)說(shuō)污染物排放的控制重點(diǎn)是CO和HC排放，而對(duì)于重型車則為NO和PM排放。為有效控制汽車排放，我國(guó)分別于2000和2001年實(shí)施了國(guó)I階段的輕重型汽車排放標(biāo)準(zhǔn)，目前已經(jīng)發(fā)展到國(guó)VI階段。

輕型車方面，國(guó)I和國(guó)II階段的排放標(biāo)準(zhǔn)所涉及的測(cè)試項(xiàng)目包括：I型至V型試驗(yàn)，分別為常溫排放試驗(yàn)、低怠速排放試驗(yàn)、曲軸箱排放試驗(yàn)、蒸發(fā)排放試驗(yàn)以及排放耐久試驗(yàn)；由于低怠速法僅對(duì)配備有化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)的輕型車排放有控制作用，而無(wú)法識(shí)別配備有電控發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理系統(tǒng)的輕型車的排放達(dá)標(biāo)情況，因此國(guó)III和國(guó)IV階段重點(diǎn)對(duì)II型試驗(yàn)進(jìn)行了補(bǔ)充，采用雙怠速法替換低怠速法，此外，考慮到冬季低溫啟動(dòng)過(guò)程中排放惡劣的問(wèn)題，增加了VI型低溫冷啟動(dòng)排放污染物測(cè)試試驗(yàn)，同時(shí)增加了對(duì)車載診斷系統(tǒng)（OBD）的要求，并對(duì)蒸發(fā)試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)、排放耐久里程等方面進(jìn)行了修訂；國(guó)V階段重點(diǎn)添加了顆粒物數(shù)目以及非甲烷碳?xì)渑欧畔拗担⒃贗I型試驗(yàn)中添加了自由加速度煙度測(cè)試方法，排放耐久里程數(shù)進(jìn)一步延長(zhǎng)到16萬(wàn)公里，并添加了后處理系統(tǒng)臺(tái)架老化試驗(yàn)方法；國(guó)VI階段重點(diǎn)對(duì)排放測(cè)試工況進(jìn)行了切換，從原始的偏穩(wěn)態(tài)NEDC（New European Driving Cycle）測(cè) 試 工況切換為更加符合實(shí)際道路車輛行駛的瞬態(tài)WLTC（Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle）測(cè)試工況，將II型雙怠速試驗(yàn)替換為實(shí)際道路RDE（Real Drive Emission）排放測(cè)試，并增加了加油過(guò)程污染物排放控制試驗(yàn)（VII型試驗(yàn)）。此外，增加了NO排放限值，并豐富了對(duì)OBD系統(tǒng)的檢測(cè)項(xiàng)目，耐久里程也進(jìn)一步延長(zhǎng)至20萬(wàn)公里，并且首次提出了a、b兩個(gè)階段限值；在排放限值方面，每次升級(jí)的平均加嚴(yán)幅度在30%左右。

重型車方面，國(guó)I和國(guó)II階段，僅針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放進(jìn)行控制，測(cè)試工況為十三工況點(diǎn)法，僅規(guī)定了CO、HC和NO的排放限值；國(guó)III、國(guó)IV和國(guó)V階段增加了PM限值，增加了整車排放試驗(yàn)以及對(duì)應(yīng)的限值，增加了OBD系統(tǒng)、耐久性及在用符合性要求，發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試工況從穩(wěn)態(tài)十三工況點(diǎn)切換為瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)組合工況，包括ESC（European Steady-state Cycle）、ETC（European Transient Cycle） 和ELR（European Load Response Cycle）；國(guó)VI階 段，在 排 放污染物控制種類方面又增加了非甲烷碳?xì)銷MHC、甲烷CH、氨氣NH和顆粒物數(shù)量PN限值，增加了實(shí)際道路排放測(cè)試方法PEMS（Portable Emission Measurement System）以及對(duì)應(yīng)限值，增加了遠(yuǎn)程排放管理車載終端要求，增加了排放質(zhì)保期的要求，增加了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)要求，并提出了油耗和排放聯(lián)測(cè)的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試工況切 換 為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，每次升級(jí)的平均加嚴(yán)幅度在30-50%之間。

為滿足日益嚴(yán)苛的排放法規(guī)要求，汽車的排放控制技術(shù)也在不斷完善，但由于汽車的主要排放污染物種類繁多，不同污染物的控制方法也不盡相同，因此需要整合多種排放控制技術(shù)，通常可以分為機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)和機(jī)外后處理技術(shù)。由于輕型車和重型車的主要排放污染物有相同之處也有不同之處，汽油機(jī)以及柴油機(jī)自身燃燒特性也有所不同，使得輕重型車的主流排放控制技術(shù)及路線也有相同和不同之處。本文以此為背景，對(duì)我國(guó)輕重型車主流排放控制技術(shù)及路線進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，力求為汽車車型開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。

2 輕型車主流排放控制技術(shù)

總體上來(lái)說(shuō)輕型車機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)包括：廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR）、先進(jìn)的燃燒技術(shù)、氣門正時(shí)技術(shù)（VVT）、先進(jìn)的燃油噴射系統(tǒng)、缸內(nèi)直噴技術(shù)（GDI）等；機(jī)外后處理技術(shù)包括：三元催化轉(zhuǎn)化技術(shù)（TWC）和顆粒捕集技術(shù)（GPF）。

廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR，Exhaust Gas Re-circulation）主要用于控制輕型車的NO排放，其工作原理是讓一部分廢氣重新進(jìn)入氣缸內(nèi)參與燃燒，通過(guò)廢氣較大的熱容量降低缸內(nèi)燃燒溫度，從而抑制NO的生成。但是EGR的使用也會(huì)影響到缸內(nèi)混合氣的燃燒，加劇不完全燃燒，影響整車動(dòng)力性，因此EGR僅在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷達(dá)到一定水平后才會(huì)啟用。在實(shí)現(xiàn)方式上，EGR技術(shù)又分為內(nèi)部EGR和外部EGR兩種。內(nèi)部EGR主要是通過(guò)排氣門早關(guān)的方式將一部分廢氣留在缸內(nèi)，從而與下一循環(huán)的新鮮充量混合后共同參與燃燒，內(nèi)部EGR的最大問(wèn)題是無(wú)法精確控制EGR率，此外，早關(guān)排氣門也會(huì)影響汽油機(jī)的排氣做功，降低熱效率。外部EGR則是從發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中把一部分廢氣直接引回到進(jìn)氣管中再進(jìn)入氣缸內(nèi)參與燃燒，通過(guò)EGR閥精確控制EGR率。

先進(jìn)的燃燒技術(shù)主要包括均質(zhì)壓燃（H C C I，H o m o g e n e o u s C h a r g e Compression Ignition）技術(shù)、預(yù)混充量壓燃（PCCI，Premixed Charge Compression Ignition）技術(shù)、火花塞點(diǎn)火控制壓燃點(diǎn)火（SPCCI，Spark Controlled Compression Ignition）技術(shù)，上述各種先進(jìn)燃燒技術(shù)的核心是實(shí)現(xiàn)對(duì)PM和NO排放的同時(shí)控制。HCCI的主要原理是將汽油和空氣預(yù)先混合，形成均質(zhì)混合氣，并采用壓燃方式點(diǎn)燃，實(shí)現(xiàn)低溫火焰燃燒。混合氣均質(zhì)解決了局部過(guò)濃問(wèn)題，抑制了PM的生成，低溫火焰燃燒解決了NO生成問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了PM和NO排放的同時(shí)降低。但HCCI的主要問(wèn)題是冷啟動(dòng)困難，適用工況范圍極窄，很難實(shí)現(xiàn)全工況范圍運(yùn)行，因此PCCI和SPCCI技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，通過(guò)缸內(nèi)混合氣分層或借助火花塞點(diǎn)火的方式進(jìn)一步擴(kuò)大其工作范圍，實(shí)現(xiàn)在全工況范圍的平穩(wěn)運(yùn)行。

氣門正時(shí)技術(shù)（VVT，Variable Valve Timing）主要是通過(guò)調(diào)整進(jìn)排氣門開(kāi)啟及關(guān)閉時(shí)刻有效組織缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)的清潔燃燒。先進(jìn)的燃油噴射系統(tǒng)主要包括噴油時(shí)刻、噴油壓力及噴油次數(shù)的靈活可調(diào)：通過(guò)噴油時(shí)刻的提前和退后可有效控制NO、HC和CO的生成；噴油壓力的提高可有效地改善燃油的霧化性能，形成更加均勻的混合氣，促進(jìn)其充分燃燒，從而降低顆粒物的生成，但充分燃燒也會(huì)提高燃燒溫度使得NO排放增加，因此不同工況存在最佳的噴油壓力；多次噴射包括預(yù)噴射、主噴射及后噴射，從而實(shí)現(xiàn)多種噴油策略。

缸內(nèi)直噴技術(shù)（GDI，Gasoline Direct Injection）是將燃油直接噴入到氣缸，形成混合氣，相比于進(jìn)氣道噴射來(lái)說(shuō)，由于噴射壓力更大，汽油的霧化更加充分。在部分負(fù)荷工況下，通過(guò)合理的噴射策略能夠?qū)崿F(xiàn)分層燃燒，在全負(fù)荷工況下，通過(guò)較早的噴射，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)混燃燒均質(zhì)混合氣的形成，有利于降低顆粒物及不完全燃燒產(chǎn)物HC和CO的排放。但缸內(nèi)直噴也會(huì)帶來(lái)燃油濕壁的問(wèn)題，造成火焰焠熄、局部混合氣過(guò)濃以及潤(rùn)滑油乳化等問(wèn)題，因此需要對(duì)缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室結(jié)構(gòu)、噴油器噴油角度以及缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)的組織進(jìn)行設(shè)計(jì)以避免或盡量減少燃油濕壁的發(fā)生。

三元催化轉(zhuǎn)化器（TWC，Three Way Catalyst）主要由載體、貴金屬催化劑涂層和金屬外殼組成。三元催化轉(zhuǎn)化器的工作機(jī)理是：排氣中的HC和CO通過(guò)催化劑中的鉑和鈀，被NO氧化成HO和CO，同時(shí)在銠催化劑的作用下將NO還原成N和O，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)HC、CO和NO排放的同時(shí)降低。但為了保證三元催化轉(zhuǎn)化器的效率，需要精確控制燃燒的空燃比在理論空燃比附近，因此需要對(duì)空燃比進(jìn)行閉環(huán)控制。

顆粒捕集器（GPF，Gasoline Particulate Filter）的作用主要是對(duì)排氣中的顆粒物進(jìn)行過(guò)濾，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)排氣中顆粒物質(zhì)量以及數(shù)目的控制。當(dāng)顆粒物捕集到一定程度后，就會(huì)導(dǎo)致排氣背壓提高，動(dòng)力性下降，因此需要對(duì)顆粒捕集器進(jìn)行再生，將吸附在上面的顆粒物燒掉轉(zhuǎn)化為CO排出，而在再生過(guò)程中，顆粒物中的灰分由于無(wú)法燃盡會(huì)沉積在顆粒捕集器中，從而影響其使用壽命。

3 重型車主流排放控制技術(shù)

重型車主流機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)與輕型車基本類似，本章不做贅述。本章重點(diǎn)介紹重型車的機(jī)外后處理技術(shù)，具體包括：氧化型催化（DOC）、選擇性催化還原（SCR）、顆粒捕集（DPF）、氨逃逸催化（ASC）和被動(dòng)氮氧化合物吸附（PNA），其中DPF技術(shù)與輕型車類似，同樣不做贅述。

氧化型催化器（DOC，Diesel Oxidation Catalyst）主要起到兩方面的作用，一方面將排氣中的NO進(jìn)一步氧化為NO，這有助于提高后續(xù)SCR的轉(zhuǎn)化效率，尤其是在排氣溫度較低時(shí)；另一方面是氧化排氣中的HC和CO等不完全燃燒產(chǎn)物，氧化反應(yīng)過(guò)程中釋放的熱量也會(huì)進(jìn)一步提高排氣溫度，這有助于后續(xù)SCR對(duì)NO的還原。現(xiàn)階段DOC技術(shù)較為成熟，目前最大的挑戰(zhàn)是如何進(jìn)一步降低起燃溫度，解決重型車?yán)鋯?dòng)過(guò)程中的HC和CO排放問(wèn)題。

選擇性催化還原轉(zhuǎn)化器（SCR，Selective Catalytic Reduction）主要起到降低排氣中NO的作用，使用還原劑將排氣中的NO還原為N，通常情況下還原劑為尿素。通過(guò)噴嘴將定量的尿素水溶液噴入到SCR系統(tǒng)中，尿素水解生成NH，NH和排氣進(jìn)行充分混合后，在催化劑的作用下，將NO還原為N。現(xiàn)階段SCR技術(shù)的最大挑戰(zhàn)是低溫性能，一方面排氣溫度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致尿素噴射結(jié)晶，從而堵塞噴嘴，影響尿素的正常噴射；另一方面，排氣溫度越低，NO的轉(zhuǎn)化效率也越低。前者可以通過(guò)優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)，安裝混合器和加熱器的方式進(jìn)行改善，后者則可以通過(guò)選擇低溫適應(yīng)性更好的催化劑加以解決。

氨逃逸催化器（ASC，Ammonia Slip Catalyst）主要起到將SCR轉(zhuǎn)化過(guò)程中泄漏出來(lái)的NH進(jìn)一步氧化成N和HO的作用。ASC的轉(zhuǎn)化效率一方面受到催化劑的影響，比如金屬催化劑比AlO催化劑的活性更高，轉(zhuǎn)化效果更好；另一方面也受到入口溫度和入口氣體組分變化的影響。

被動(dòng)氮氧化物吸附（PNA，Passive NOx adsorber）主要用于解決重型車?yán)鋯?dòng)過(guò)程中的排放問(wèn)題，在相對(duì)低的排氣溫度（低于200℃）下將NO進(jìn)行吸附，當(dāng)排溫升高后，后處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率達(dá)到正常水平后，再將被吸附NO釋放出來(lái)，經(jīng)過(guò)后處理系統(tǒng)處理后排出。

4 輕重型車主流排放控制技術(shù)路線

目前對(duì)于輕型車來(lái)說(shuō)，主流機(jī)外后處理技術(shù)路線有兩條，分別為多級(jí)TWC催化器無(wú)GPF路線以及TWC+GPF路線，前者占比超70%。缸內(nèi)凈化的主流技術(shù)路線為缸內(nèi)直噴技術(shù)，市場(chǎng)占比超過(guò)60%，但無(wú)論是進(jìn)氣道噴射還是缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，均采用了EGR、VVT以及先進(jìn)的燃油噴射系統(tǒng)，以滿足排放限值的要求。

目前對(duì)于重型車來(lái)說(shuō)，主流排放控制技術(shù)路線有兩條，一條為EGR+SCR路線，即在缸內(nèi)使用EGR技術(shù)降低NO排放，再通過(guò)后處理系統(tǒng)中的SCR進(jìn)一步降低NO排放，以達(dá)到限值要求；另一條為SCR-only路線，即僅依賴后處理系統(tǒng)中的SCR降低NO排放，以滿足限值要求，而不采取EGR。兩條技術(shù)路線各有優(yōu)缺點(diǎn)，EGR+SCR路線對(duì)SCR的轉(zhuǎn)化效率要求不高，且燃油及尿素綜合消耗略低，但EGR系統(tǒng)的可靠性不高；SCR-only路線對(duì)SCR轉(zhuǎn)化效率要求較高，但可靠性高。從市場(chǎng)表現(xiàn)來(lái)看，EGR+SCR技術(shù)路線占比要高于SCR-only路線。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)目前我國(guó)輕重型車的主流排放控制技術(shù)及路線進(jìn)行了梳理，詳細(xì)介紹了輕重型車各項(xiàng)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)和機(jī)外后處理技術(shù)，并結(jié)合實(shí)際市場(chǎng)占有率，提出了典型技術(shù)路線建議，其中輕型車的主流技術(shù)路線為缸內(nèi)直噴結(jié)合多級(jí)TWC的技術(shù)路線，重型車的主流技術(shù)路線是EGR+SCR技術(shù)路線。