出于對(duì)全球氣候變暖和中心城區(qū)空氣質(zhì)量惡化的擔(dān)憂，世界各國正在積極推進(jìn)汽車排放法規(guī)的編制工作。2018年，歐洲提出了首個(gè)重型車CO₂排放標(biāo)準(zhǔn)，并最終敲定了大幅度下調(diào)的輕型車CO₂排放標(biāo)準(zhǔn)。美國加利福尼亞州正在更改一系列法規(guī)，以減少重型車使用過程中的氮氧化物（NO_x）排放。中國公布了“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”策略，以及一系列加快改善本土空氣質(zhì)量的措施。印度正在制訂用車排放的實(shí)際行駛試驗(yàn)規(guī)程。歐洲已經(jīng)開始探討歐6后的新一輪排放法規(guī)。OEM正在對(duì)各種改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣后處理裝置的技術(shù)途徑進(jìn)行測(cè)試，以達(dá)到嚴(yán)苛的CO₂和尾管NO_x排放目標(biāo)。

本文主要介紹了2018年汽車尾管污染物、溫室氣體排放法規(guī)和排放控制技術(shù)的最新動(dòng)向。首先介紹輕型車和重型車的排放法規(guī)，然后闡述發(fā)動(dòng)機(jī)在提高燃油經(jīng)濟(jì)性方面取得的技術(shù)進(jìn)步，最后介紹排氣后處理系統(tǒng)及其部件的研發(fā)情況。

1.1 輕型車排放法規(guī)

1.1.1 CO₂排放法規(guī)

圖1 各主要國家的輕型車CO₂減排目標(biāo)

1.1.1.1 歐盟

歐盟成員國與歐洲各國議會(huì)于2019年初達(dá)成了一項(xiàng)協(xié)議，同意進(jìn)一步收緊車輛尾管的CO₂排放限值。要求以2020年基于新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）的CO₂排放限值（乘用車為95 g/km，輕型商用車為145 g/km）為基準(zhǔn)，到2025年實(shí)現(xiàn)CO₂減排15％，到2030年實(shí)現(xiàn)CO₂減排37.5%。法規(guī)還規(guī)定了零排放和低排放車（ZLEV）的CO₂排放目標(biāo)，ZLEV是指CO₂排放量低于50 g/km的車輛。ZLEV轎車的減排目標(biāo)是到2025年實(shí)現(xiàn)CO₂減排15%，到2030年減排30%。廂式客車的減排目標(biāo)是到2025年要求CO₂減排15%，到2030年要求CO₂減排35%，并根據(jù)尾管的CO₂排放量情況按0.3～1對(duì)車輛進(jìn)行計(jì)數(shù)。蓄電池電動(dòng)汽車可視為全ZLEV，而插電式電動(dòng)車均按0.3～1進(jìn)行計(jì)數(shù)。因此，原設(shè)備制造商（OEM）從理論上可以選用高水平的插電式電動(dòng)車和小型蓄電池/無蓄電池電動(dòng)車來達(dá)到CO₂排放目標(biāo)。目前，CO₂的絕對(duì)排放量（以g/km計(jì)）是按照NEDC進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定的。而一旦2020年確定車隊(duì)排放試驗(yàn)采用的試驗(yàn)循環(huán)要從NEDC改為全球統(tǒng)一的輕型車試驗(yàn)規(guī)程（WLTP）時(shí)，CO₂排放量的絕對(duì)目標(biāo)值將會(huì)有所改變。從2020年開始，要求新車型必須在使用壽命期內(nèi)監(jiān)測(cè)和儲(chǔ)存車輛的燃油耗和能耗數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)將被歐盟委員會(huì)用來評(píng)估認(rèn)證試驗(yàn)與實(shí)際行駛試驗(yàn)之間的排放差異。

1.1.1.2 美國

美國環(huán)境保護(hù)署和國家公路交通安全管理局對(duì)現(xiàn)行的輕型車溫室氣體排放標(biāo)準(zhǔn)提出了一個(gè)修正案。針對(duì)2021—2026年型的乘用車和輕型車，提出了8種備選方案，其中一種方案的目標(biāo)是將溫室氣體排放和燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)在2020年的水平。該提案還詢問了加利福尼亞管理當(dāng)局是否會(huì)通過“先進(jìn)清潔轎車計(jì)劃”來制訂該州自己的溫室氣體和零排放車標(biāo)準(zhǔn)。污染物排放標(biāo)準(zhǔn)最嚴(yán)的低排放車（LEV）Ⅲ計(jì)劃并沒有受到質(zhì)疑。最終的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)會(huì)在2019年4月確定。加利福尼亞空氣資源局采納了另一項(xiàng)法規(guī)修正案，該法規(guī)草案要求OEM必須繼續(xù)執(zhí)行本州的溫室氣體排放標(biāo)準(zhǔn)，如果汽車制造商執(zhí)行不太嚴(yán)的美國國家標(biāo)準(zhǔn)，將被認(rèn)定為“不符合”本州的溫室氣體排放標(biāo)準(zhǔn)。

1.1.1.3 中國

中國正在努力提高車隊(duì)的電氣化水平。下文將詳細(xì)介紹中國實(shí)施的“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”行動(dòng)計(jì)劃。

1.1.1.4 其他國家

墨西哥提出了2021—2025年型乘用車和輕型卡車的溫室氣體排放標(biāo)準(zhǔn)NOM-163。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的排放限值是指車隊(duì)的平均值。墨西哥將參照美國車輛排放法規(guī)的步伐逐年收緊排放限值。

1.1.2 污染物排放法規(guī)

1.1.2.1 歐盟

歐盟已經(jīng)公布了第4套也是最新一套歐6轎車和廂式客車的實(shí)際行駛排放標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)將于2019年1月起生效實(shí)施，規(guī)定了在用車的一致性試驗(yàn)方法，車輛型式認(rèn)證機(jī)構(gòu)可以每年對(duì)運(yùn)行中的車輛進(jìn)行排放檢查。鑒于測(cè)量技術(shù)的改進(jìn)，要求NO_x排放的一致性系數(shù)從1.5降至1.43。歐盟委員會(huì)將繼續(xù)對(duì)一致性系數(shù)進(jìn)行評(píng)估，并有可能最早在2023年要求一致性系數(shù)降至1.0。該套標(biāo)準(zhǔn)還簡(jiǎn)化了實(shí)際行駛排放數(shù)據(jù)的評(píng)定方法，只要求采用移動(dòng)平均窗口（MAW）法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

有關(guān)歐7排放法規(guī)的議題已經(jīng)開始在相關(guān)部門展開討論。在一次探討未來歐洲排放法規(guī)的活動(dòng)中，Martini介紹了其在聯(lián)合研究中心進(jìn)行的工作情況，相關(guān)的研究課題包括23 nm細(xì)小顆粒物的測(cè)定、-7℃下的低溫試驗(yàn)，以及諸如氨、N₂O、異煙酸和醛等法規(guī)未限制組分的排放問題。有人建議將遙感裝置作為便攜式排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（PEMS）的補(bǔ)充工具，用以篩查高排放車和有故障的排氣后處理系統(tǒng)。

1.1.2.2 中國的“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”

中國各地方政府正在積極響應(yīng)這項(xiàng)“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”行動(dòng)計(jì)劃。海南省和深圳市已從2018年12月開始實(shí)施國六排放標(biāo)準(zhǔn)，而上海市則宣布從2019年1月起采用國六排放標(biāo)準(zhǔn)。

2018年，美國沒有對(duì)排放法規(guī)作重大更新。LEV車標(biāo)準(zhǔn)和第3階段（ Tier3）排放標(biāo)準(zhǔn)正在分階段實(shí)施，并將逐年收緊車隊(duì)的非甲烷有機(jī)氣體（NMOG）+NO_x的排放限值。在2018年，Tier3排放標(biāo)準(zhǔn)已要求20%認(rèn)證車輛的顆粒物排放量應(yīng)低于3 mg/mile的排放限值。在加利福尼亞州，顆粒物排放限值將在2025—2028年分階段進(jìn)一步收緊到1 mg/mile。

1.1.2.4 日本

日本正在實(shí)施3.5 t以下的柴油車的實(shí)際行駛排放（RDE）法規(guī)，將從2022年10月開始要求新型式認(rèn)證的車輛執(zhí)行這一法規(guī)，從2024年10月起所有車輛都將執(zhí)行這一法規(guī)。日本的RDE試驗(yàn)規(guī)程與歐洲的RDE試驗(yàn)規(guī)程基本相同，只是對(duì)行駛工況和環(huán)境條件的規(guī)定有所不同，尤其是對(duì)車速的要求作了調(diào)整（降低了車速）。日本要求的NO_x排放一致性系數(shù)為2.0，且沒有規(guī)定顆粒數(shù)的排放限值。低環(huán)境溫度的截止值為-2℃（歐洲為-7 ℃），而最大海拔高度限定為1 000 m（歐洲為1 300 m）。如同歐洲一樣，日本也將采用移動(dòng)平均窗口法進(jìn)行排放數(shù)據(jù)分析。

1.1.2.5 巴西

巴西國家環(huán)境委員會(huì)公布了下一輪車輛尾管排放物和蒸發(fā)排放物的各階段法規(guī)。從2022年開始實(shí)施L7階段排放法規(guī)，該法規(guī)要求的尾管NMOG+NO_x排放限值為80 mg/km，顆粒物排放限值為6 mg/km。L8階段法規(guī)將從2025年到2031年每?jī)赡晔站o一次排放限值，最終目標(biāo)是NMOG+NO_x排放限值為30 mg/km,顆粒物排放限值為3 mg/km。排放的一致性系數(shù)從2.0起步，逐步收緊到1.5。在目前的標(biāo)準(zhǔn)框架內(nèi)，巴西還沒有制訂顆粒數(shù)排放標(biāo)準(zhǔn)。

1.1.2.6 印度

印度最高法院在最近一次裁決中裁定：從2020年1月起將不能銷售BS6車輛。盡管BS6標(biāo)準(zhǔn)參照了歐洲排放法規(guī)的主要內(nèi)容，但目前印度正在進(jìn)行的工作是要制訂一種更適合印度行車狀況的改進(jìn)版RDE試驗(yàn)循環(huán)。更改的主要內(nèi)容是要設(shè)定比歐洲高的環(huán)境溫度邊界條件和比歐洲低的行駛車速。最新的提案是將較低的環(huán)境溫度限定為8 ℃。在城區(qū)行駛的車速規(guī)定為低于45 km/h(歐洲為60 km/h)。對(duì)于印度特有的功率/重量比≤22 W/kg的小功率車輛，法規(guī)將給予特殊考慮。

一些研究人員已開始報(bào)道在印度行車條件下的排放測(cè)量結(jié)果。Dinodia等對(duì)3種符合歐6標(biāo)準(zhǔn)的柴油車在印度實(shí)際行駛條件下的尾管排放情況進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示，按歐洲RDE試驗(yàn)循環(huán)測(cè)得的NO_x排放量要比按車速限定為90 km/h的行駛循環(huán)測(cè)得的排放量高81%，分析認(rèn)為，這是由印度的公路行駛車速造成的。測(cè)得的CO₂排放量要比按歐洲RDE試驗(yàn)循環(huán)測(cè)得的排放量高出19%。Lairenlakpam等比較了1輛中型車在底盤測(cè)功器上和在道路上試驗(yàn)時(shí)的尾管排放情況，在底盤測(cè)功器上按照修改后的印度行駛循環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)，在道路上試驗(yàn)則采用PEMS 測(cè)量排放。在低、中、高3種不同的交通擁擠情況下進(jìn)行了道路試驗(yàn)。道路試驗(yàn)時(shí)的CO排放量比底盤測(cè)功器上試驗(yàn)時(shí)的排放量高出1.8～2.4倍，NO_x排放量要高出1.0～2.3倍，HC排放量要高出2.1～5.0倍，CO₂排放量要高出1.1～1.4倍，排放量的差異隨著交通擁擠程度增加而增大。

1.2 重型車排放法規(guī)

1.2.1 CO₂排放法規(guī)

2018年，歐盟成員國投票通過了第一部重型車CO₂排放標(biāo)準(zhǔn)，但部長委員會(huì)還沒有批準(zhǔn)這一標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：以2019年的排放水平為基準(zhǔn)，要求新卡車到2020年實(shí)現(xiàn)CO₂減排15%，到2030年實(shí)現(xiàn)CO₂減排30%。歐盟委員會(huì)原先提出的目標(biāo)是到2025年實(shí)現(xiàn)CO₂減排25%，到2030年實(shí)現(xiàn)減排30%。歐盟委員會(huì)還要求：到2025年制造商的零排放和低排放車銷售量應(yīng)達(dá)到總銷售量的5%以上，到2030年應(yīng)達(dá)到30%以上。因此，歐盟委員會(huì)將不得不提出實(shí)施實(shí)際行駛CO₂排放試驗(yàn)的計(jì)劃。

其他一些國家正在推進(jìn)下一輪燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作。中國已修訂了重型車的燃油耗目標(biāo)限值。這些第3階段的燃油耗標(biāo)準(zhǔn)將要求車輛的燃油耗降低約15%（視具體的車型和車重而定，燃油耗降低11%～18%）。強(qiáng)制要求新型式認(rèn)證的車輛必須從2019年7月開始實(shí)現(xiàn)燃油耗達(dá)標(biāo)，從2021年7月起所有車輛均應(yīng)實(shí)現(xiàn)燃油耗達(dá)標(biāo)。

加拿大提出了該國的第2階段重型車和發(fā)動(dòng)機(jī)的溫室氣體排放標(biāo)準(zhǔn)。加拿大提出的標(biāo)準(zhǔn)與美國的國家標(biāo)準(zhǔn)基本相同，視車輛的總重和結(jié)構(gòu)而定，要求2027年型的牽引卡車的溫室氣體排放量比2017年型車的排放量減少15%～27%。重型皮卡則要求實(shí)現(xiàn)CO₂減排16%。對(duì)于車輛總重大于140 000磅的牽引卡車也要求強(qiáng)制執(zhí)行這些標(biāo)準(zhǔn)，而美國標(biāo)準(zhǔn)則沒有這一類要求。

日本已最終敲定了該國的第2階段燃油耗標(biāo)準(zhǔn)，要求從2025年起燃油耗應(yīng)比2015年降低約12%。

1.2.2 污染物排放法規(guī)

1.2.2.1 中國

中國的國六重型車排放標(biāo)準(zhǔn)已最終定稿，并由新組建的生態(tài)環(huán)境部于2018年6月正式發(fā)布。第1階段，國六a標(biāo)準(zhǔn)將于2020年7月在全國實(shí)施，而國六b標(biāo)準(zhǔn)則將在2023年7月實(shí)施。國六a法規(guī)與歐6b非常相似。預(yù)料國六b法規(guī)要比歐六d更嚴(yán)。如同歐6標(biāo)準(zhǔn)一樣，國六標(biāo)準(zhǔn)也要求采用PEMS進(jìn)行排放測(cè)量。但是，國六標(biāo)準(zhǔn)向前邁進(jìn)了一步，要求顆粒數(shù)排放值的一致性系數(shù)達(dá)到2.0。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大海拔高度邊界條件為2 400 m，比歐洲規(guī)定的1 700 m要高出不少。

1.2.2.2 美國

作為修訂全國NO_x排放標(biāo)準(zhǔn)的第一步，美國環(huán)境保護(hù)署在2018年12月公布了“清潔卡車倡議”。在美國重型車NO_x排放法規(guī)出臺(tái)后16年之際，這次修訂工作是要著手制訂未來旨在降低重型車和發(fā)動(dòng)機(jī)NO_x排放的標(biāo)準(zhǔn)，也是對(duì)20個(gè)州和地方政府的訴求作出的回應(yīng)，將有助于各個(gè)州達(dá)到針對(duì)臭氧和顆粒物的國家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。修訂草案中還將推出有關(guān)放寬車載診斷（OBD）和認(rèn)證要求的內(nèi)容。具體的排放限值目前還沒有確定，預(yù)料會(huì)在2020年年中推出建議草案。

除了要求車輛尾管的排放限值收緊高達(dá)90%以外，加利福尼亞空氣資源局正在考慮對(duì)法規(guī)作各種更改，以促使在用車提高減排水平。

圖2為72 臺(tái)各類專用卡車在使用過程中測(cè)得的NO_x排放量，這些卡車都配裝了按0.2 g/（hp·h）的NO_x排放限值認(rèn)證的發(fā)動(dòng)機(jī)。從全部數(shù)據(jù)和各類卡車的數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，尾管的NO_x排放量差異很大。大部分發(fā)動(dòng)機(jī)的排放量都超過了認(rèn)證限值，其中有些發(fā)動(dòng)機(jī)的排放量超出了一個(gè)數(shù)量級(jí)。NO_x減排效果差的原因是：(1) SCR的轉(zhuǎn)換效率低，某些數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均轉(zhuǎn)換效率在70%以下；(2)SCR進(jìn)口的溫度較低；(3) SCR出現(xiàn)了故障。

隨著法規(guī)的不斷收緊，車輛尾管的NO_x和顆粒物排放量在過去幾年已有所下降。對(duì)2 315臺(tái)重型車和中型車進(jìn)行的道路行駛排放測(cè)量顯示，由于采用了SCR技術(shù)，從2007年型車到2017年型車，NO_x排放量下降了約90%。但是，與2012年型車進(jìn)行的類似測(cè)量相比，發(fā)現(xiàn)2004～2007年型車和2008～2010年型車的NO_x排放量增加了36%，這可能與排氣再循環(huán)的耐久性問題有關(guān)。2016年型車和2017年型車的平均NO_x排放量為1.6 g/kg（燃油），已接近現(xiàn)行的NO_x認(rèn)證限值。對(duì)于相同年型的車輛，重型車的排放量是中型車排放量的一倍，并遠(yuǎn)大于認(rèn)證的排放限值。

針對(duì)以上情況，正在考慮按以下的思路來修訂相關(guān)的排放法規(guī)：（1）開發(fā)各類專用卡車的低溫和低負(fù)荷試驗(yàn)循環(huán)。美國西南研究院正在開發(fā)一種新的試驗(yàn)循環(huán)來補(bǔ)充現(xiàn)有的法規(guī)，對(duì)低負(fù)荷車輛的行駛特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究。對(duì)橫跨美國25地區(qū)的751臺(tái)在用車的排放數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，這些車輛涉及到44種專用卡車型號(hào)和55個(gè)車隊(duì)。確認(rèn)幾種具有代表性的車輛低負(fù)荷行駛特征，并將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)循環(huán)，根據(jù)幾種候選的試驗(yàn)循環(huán)，涉及高負(fù)荷到低負(fù)荷的躍變、持續(xù)低負(fù)荷和低負(fù)荷到高負(fù)荷的躍變3種頗具挑戰(zhàn)性的運(yùn)行工況。冷起動(dòng)目前還沒有被列入該試驗(yàn)循環(huán)的范圍。（2）重型在用車試驗(yàn)計(jì)劃。用歐6標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)平均窗口法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；將有效窗口的功率閾值降低到小于10%最大功率；將包括起動(dòng)時(shí)和使用過程中的排放閾值設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)限值的1.5倍。（3）修改使用壽命和保用期。建議的更改內(nèi)容包括：將第8類重型車的使用壽命從現(xiàn)在的43.5萬mile延長到100～120萬mile，將保用期從現(xiàn)在的10萬mile延長到43.5萬mile以上。

加利福尼亞州空氣資源局（CARB）已對(duì)重型車OBD系統(tǒng)的運(yùn)行方案作了修改。另一項(xiàng)修改是要求2022—2023年應(yīng)引入實(shí)際排放的評(píng)估記錄，并要求用OBD系統(tǒng)采集和儲(chǔ)存中型車和重型車實(shí)際使用過程中的NO_x排放數(shù)據(jù)，以及所有重型車輛的燃油耗數(shù)據(jù)，用以表征車輛的CO₂排放量。將要求在10次CARB規(guī)定的試驗(yàn)循環(huán)中，對(duì)車輛使用過程中進(jìn)行排放和燃油耗監(jiān)測(cè)的頻率增加3倍。

1.2.2.3 歐盟

歐6d標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在已正式生效，從2018年9月起新車認(rèn)證已經(jīng)開始執(zhí)行這一標(biāo)準(zhǔn)，從2019年9月起所有車輛執(zhí)行這一標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)的主要變化是：在采用移動(dòng)平均窗口法計(jì)算排放量時(shí)，要求將功率閾值從20%最大功率降至10%最大功率，并要求試驗(yàn)時(shí)從10%～100%來施加有效負(fù)荷。目前，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.5一致性系數(shù)只適用于氣態(tài)排放物，且冷起動(dòng)排放量不包括在內(nèi)。下一輪的歐6e法規(guī)將會(huì)考慮提出顆粒數(shù)排放的一致性系數(shù)，并要求計(jì)入冷起動(dòng)的排放量，同時(shí)還會(huì)考慮將城區(qū)行駛的份額從如今的20%提高到30%。為了有助于實(shí)現(xiàn)顆粒數(shù)排放一致性系數(shù)的達(dá)標(biāo)，一些研究人員正在驗(yàn)證顆粒數(shù)PEMS的測(cè)量精度和靈敏度。圖3所示為采用PEMS的測(cè)定結(jié)果，以及與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室裝置測(cè)量結(jié)果的比較。由圖3可見，測(cè)量值的不確定程度達(dá)到了65%，其數(shù)值已接近3×10¹¹/（kW·h）的排放限值，并且排放量測(cè)量值較小時(shí)離散度更大。

圖3  便攜式排放測(cè)量系統(tǒng) (PEMS)與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室裝置顆粒數(shù)測(cè)量值的相關(guān)性

1.2.2.4 巴西

巴西公布了相當(dāng)于歐6c標(biāo)準(zhǔn)的Proconve P8排放法規(guī)，從2022年起新車型將執(zhí)行這一法規(guī)，到2023年所有車輛都要執(zhí)行這一法規(guī)。該法規(guī)要求采用PEMS測(cè)量排放，并要求在實(shí)際行駛條件下達(dá)到排放限值。

1.2.3 非道路移動(dòng)機(jī)械排放法規(guī)

中國已確認(rèn)從2020年開始實(shí)施修改后的第4階段非道路移動(dòng)機(jī)械排放法規(guī)。該法規(guī)的主要內(nèi)容包括：要求37～560 kW的發(fā)動(dòng)機(jī)采用柴油機(jī)顆粒過濾器來達(dá)到5×10¹²/（kW·h）的顆粒數(shù)排放限值，同時(shí)鼓勵(lì)OEM自覺達(dá)到1×10¹²/（kW·h）的歐5顆粒數(shù)排放限值。該法規(guī)草案還要求對(duì)大于37 kW的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行GPS跟蹤，并要求像歐5標(biāo)準(zhǔn)一樣采用PEMS進(jìn)行在用車的排放測(cè)量。

為了應(yīng)對(duì)各主要國家嚴(yán)格的排放法規(guī)，OEM正在采取加快內(nèi)燃機(jī)技術(shù)進(jìn)步和動(dòng)力總成電氣化的雙規(guī)策略。歐洲面臨的挑戰(zhàn)是輕型柴油車的市場(chǎng)份額正在快速下降，盡管輕型柴油車與汽油車相比仍然具15%～20%的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。最新的研究證實(shí)，一些改進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣后處理裝置能夠達(dá)到良好的使用性能，新認(rèn)證柴油機(jī)的尾管排放量已明顯低于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的限值，甚至有可能低于下一階段排放法規(guī)要求的排放限值，正在贏得市場(chǎng)份額的汽油機(jī)也在不斷改進(jìn)。最近的研究顯示，在車輛不采用電氣化或采用輕度電氣化的情況下，未來汽油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性有可能提高20%～30%。盡管如此，為了滿足加利福尼亞州和中國的強(qiáng)制性排放法規(guī)，純蓄電池電動(dòng)車（包括燃料電池電動(dòng)車）的市場(chǎng)份額也在增加。

在重型車領(lǐng)域，柴油機(jī)仍然具有明顯的優(yōu)勢(shì)。該領(lǐng)域的研究工作重點(diǎn)是要開發(fā)各種能夠符合美國溫室氣體標(biāo)準(zhǔn)和低NO_x排放要求的發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣后處理技術(shù)。

2.1 輕型車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

Elgowainy等以1臺(tái)2015年基本型發(fā)動(dòng)機(jī)為基準(zhǔn)進(jìn)行的研究表明，溫室氣體減排達(dá)70%～90%是有可能實(shí)現(xiàn)的，但這將要求在車輛技術(shù)和可再生燃料方面取得一定的進(jìn)步。到2025～2030年，預(yù)計(jì)先進(jìn)的汽油機(jī)能實(shí)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性提高30%，并能使最終用戶的行駛成本更低。在降低CO₂排放方面，混合動(dòng)力車和插電式混合動(dòng)力車的成本更具有吸引力。表1列出了能夠提高燃油經(jīng)濟(jì)性的一些發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。

注：* 美國環(huán)境保護(hù)署的估計(jì)值；** GDCI為汽油直噴壓燃；*** RCCI為反應(yīng)率控制的壓燃。

2.1.1 汽油機(jī)技術(shù)

美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）對(duì)各種現(xiàn)代輕型車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)評(píng)估后指出，各種改進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)正在逐步得到推廣應(yīng)用，并且都具有進(jìn)一步開發(fā)的潛力。圖4為EPA在評(píng)估研究中涉及到的幾種發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，及其在代表性現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用情況。正在被應(yīng)用的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)包括：提高壓縮比、采用較大的行程/缸徑比、整體式排氣歧管、減少摩擦、先進(jìn)的增壓系統(tǒng)、冷卻排氣再循環(huán)，以及米勒循環(huán)。近年來，某些被廣泛應(yīng)用的新技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，包括可變壓縮比、可變氣門升程、動(dòng)態(tài)停缸和火花輔助汽油壓燃等。

據(jù)估計(jì)，采用這些先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)能使燃油經(jīng)濟(jì)性實(shí)現(xiàn)兩位數(shù)級(jí)的改善。Barba等利用EPA的先進(jìn)輕型車動(dòng)力總成和混合動(dòng)力車分析模型進(jìn)行的研究顯示，Mazda公司的Skyactive-X型2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)采用火花輔助汽油壓燃技術(shù)后，該發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性能比2014年Skyactive-G型2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性提高12.5%。該分析是針對(duì)中型尺寸轎車進(jìn)行的，表明該項(xiàng)技術(shù)與其他先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，有可能使車輛尾管的CO₂排放量比2016年的1.5 L小型化渦輪增壓汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的低約30%。Durrett的試驗(yàn)研究表明，1臺(tái)2.2 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)采取大幅度小型化策略使之改變成稀燃運(yùn)行的1.1 L排氣復(fù)合增壓發(fā)動(dòng)機(jī)后，也能實(shí)現(xiàn)兩位數(shù)級(jí)的燃油經(jīng)濟(jì)性提升。在2 000 r/min時(shí)，小型化策略、低溫稀燃和延長膨脹行程都能使燃油效率提高約10%。Kim等介紹了為將1臺(tái)2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率提高到42%以上曾采用的技術(shù)措施，包括提高壓縮比、冷卻排氣再循環(huán)、雙火花塞、減少摩擦和優(yōu)化缸內(nèi)氣體流動(dòng)。他還概要介紹了到2035年達(dá)到50%熱效率的技術(shù)路徑，其中包括進(jìn)一步提高排氣再循環(huán)率，采用輕度混合動(dòng)力、可變壓縮比稀燃和廢熱回收利用。

2.1.1.1 減少燃油加濃

提高燃油經(jīng)濟(jì)性的一種途徑是限制使用目前常見的燃油加濃，以限制排氣溫度上升，防止諸如渦輪增壓器和催化器等下游部件受熱損壞。由于燃油加濃會(huì)導(dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性下降和高排放，未來的排放法規(guī)可能會(huì)對(duì)燃油加濃作出限制。一些研究指出，燃油加濃過程中的CO 排放尤其令人擔(dān)憂。目前只有WLTP對(duì)CO的排放有所限制，而RDE試驗(yàn)規(guī)程還沒有對(duì)CO 排放作出限制。Gorgen等在對(duì)1臺(tái)C-級(jí)車輛進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)際行駛排放試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，測(cè)得的CO 排放量要比WLTP規(guī)定的限值高出3倍以上，這在很大程度上與全負(fù)荷加速時(shí)的燃油加濃有關(guān)。

為了使發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)都能以理論空燃比（l=1）工作，人們正在開發(fā)各種能提高排氣溫度的技術(shù)。這些技術(shù)包括排氣再循環(huán)、可變壓縮比、噴水和先進(jìn)的增壓系統(tǒng)，而先進(jìn)的增壓系統(tǒng)通常會(huì)采取加大渦輪尺寸的電力輔助渦輪增壓與輕度混合動(dòng)力相結(jié)合的做法，以克服低端扭矩的損失。Glahn等概述了這些技術(shù)在提高現(xiàn)代小型發(fā)動(dòng)機(jī)比功率方面的潛力（圖5）。1臺(tái)傳統(tǒng)的3缸渦輪增壓汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，組合采用改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)、整體式排氣歧管和可變幾何截面渦輪增壓米勒循環(huán)等技術(shù)后，能使其比功率從65 kW提高到85 kW，而附加的成本僅增加約10%。外部排氣再循環(huán)能使比功率進(jìn)一步提高到90 kW，但成本要增加30%左右?？勺儔嚎s比和噴水可以使比功率提高到100 kW，但該技術(shù)還不太成熟。

2.1.1.2 噴水

Scharf等論述了配裝1.5 L發(fā)動(dòng)機(jī)的48V輕度混合動(dòng)力車實(shí)現(xiàn)l=1 運(yùn)行的幾種途徑。最近公布的按RDE監(jiān)測(cè)的一組數(shù)據(jù)顯示，對(duì)于功率-質(zhì)量比較小的車輛，即使采用混合動(dòng)力總成，其在高負(fù)荷行駛工況下的CO排放量要比WLTP規(guī)定的限值高出1倍，這可能是在這些運(yùn)行工況下出現(xiàn)了燃油加濃的緣故。在插電式混合動(dòng)力車上，一種可取的技術(shù)方案是米勒循環(huán)與渦輪增壓的結(jié)合，后者采用較大尺寸的渦輪，能承受高達(dá)1 050 ℃的高溫。之所以能采用較大尺寸的渦輪是因?yàn)榭梢砸揽?0 kW的電機(jī)來滿足低端扭矩的要求。對(duì)于輕度混合動(dòng)力車，可以考慮只在高負(fù)荷區(qū)采用噴水。噴水量-噴油量比最大可達(dá)60%，盡管在大部分常規(guī)行駛工況下水耗量都很低。即使在運(yùn)動(dòng)型RDE試驗(yàn)循環(huán)下，耗水量也只有百公里40 mL。因此，可能只需要在兩次使用間隔期內(nèi)加水。

噴水技術(shù)的缺點(diǎn)是要設(shè)置單獨(dú)的水箱裝水，并會(huì)使車輛增加附加的質(zhì)量。Sun等在車輛上進(jìn)行了從排氣中回收水的探索試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在理論空燃比下運(yùn)行時(shí)能回收到容量大于10%的水。有人在1臺(tái)壓縮比為9.5的2.0 L汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了氣道噴水的試驗(yàn)。在兩個(gè)位置進(jìn)行了提取水的試驗(yàn)，其中一個(gè)是在低溫排氣再循環(huán)的冷卻器后面，另一個(gè)是在進(jìn)氣空氣冷卻器之后。在全負(fù)荷（5 000 r/min，平均有效壓力1.81 MPa）下以50%的噴水量-噴油量比運(yùn)行時(shí)，能使燃油的加濃狀態(tài)從15%富油減少到1%富油，熱效率相應(yīng)提高了4.5%，CO排放量降低了93%，HC排放減少了84%，而NO_x排放則因燃油加濃減少而增加了140%。采用旋風(fēng)分離器（被動(dòng)型和主動(dòng)型）和薄膜分離器進(jìn)行的水收集試驗(yàn)表明，薄膜分離器在進(jìn)氣空氣冷卻器后收集水時(shí)，水收集量較高。但是，在高負(fù)荷時(shí)，薄膜分離器的收集效率為50%，而旋風(fēng)分離器的收集效率大于83%，但在低負(fù)荷時(shí)無法收集到水。模擬研究顯示，收集到的水量可能會(huì)超過FTP和WLTP試驗(yàn)循環(huán)試驗(yàn)時(shí)所需的水量。而按美國US 06試驗(yàn)循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，只能收集到所需噴水量的40%～70%，這就需要在車輛上安裝水箱。

2.1.1.3 車上分離燃油

一種正在開發(fā)的爆燃抑制技術(shù)是從汽油混合物中分離出高辛烷值組分。有人開發(fā)了幾種采用有機(jī)薄膜的滲透蒸發(fā)分離模塊，能有選擇性地從商品燃油中濃縮出乙醇、甲醇和芳烴。燃用E10燃油時(shí)，采取了推遲點(diǎn)火和噴射乙醇相結(jié)合的措施。按美國US 06試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行的模擬分析顯示，與最優(yōu)的現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)（壓縮比11.5，自然吸氣方式）相比，燃油經(jīng)濟(jì)性能提高約20%。US06試驗(yàn)循環(huán)所需的乙醇（9.4%）大約是FTP/US06/HWFET試驗(yàn)循環(huán)所需乙醇平均值（4.4%）的1倍。燃油分離系統(tǒng)的缺陷是：分離器加熱遲緩（約10 min）,真空泵和燃油泵的寄生損失約1%。

2.1.1.4 動(dòng)態(tài)停缸

Younkins等探討了在采用輕度混合動(dòng)力和米勒循環(huán)時(shí)，動(dòng)態(tài)停缸的協(xié)同效應(yīng)。在輕度混合動(dòng)力的情況下，既有協(xié)同效應(yīng)，又有附加效果。電機(jī)能在低負(fù)荷時(shí)協(xié)助能量回收，在高負(fù)荷時(shí)提供輔助的扭矩，而停缸則主要是改善部分負(fù)荷的燃油耗。因在減速過程中停缸減少而引起的發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)會(huì)導(dǎo)致再生制動(dòng)有所增加，而電扭矩也會(huì)增加停缸的可能。有人采用1臺(tái)配裝1.8 L渦輪增壓汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)和P0結(jié)構(gòu)48V輕度混合動(dòng)力車進(jìn)行了試驗(yàn)，按城市和公路混合試驗(yàn)循環(huán)（FTP75和HWFET）試驗(yàn)時(shí)，在添加動(dòng)態(tài)停缸的情況下燃油耗降低了16%。該試驗(yàn)中還沒有考察扭轉(zhuǎn)平穩(wěn)的附加好處，但模擬分析顯示，添加動(dòng)態(tài)停缸有可能實(shí)現(xiàn)燃油耗降低20%，動(dòng)態(tài)停缸應(yīng)用于米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，能使高、低充電模式與停缸之間的過渡狀況得到改善。關(guān)鍵的促成因素是能根據(jù)負(fù)荷的要求對(duì)氣門升程和正時(shí)不對(duì)稱的兩個(gè)進(jìn)氣門進(jìn)行獨(dú)立控制。1臺(tái)壓縮比為11.7的2.0 L米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)添加了動(dòng)態(tài)停缸功能后，在轉(zhuǎn)速1 500 r/min、平均有效壓力0.2 MPa工況下工作時(shí)，燃油耗降低了17%。車輛模擬分析預(yù)計(jì)，米勒循環(huán)動(dòng)力總成的燃油耗能降低7%～9%。

在較高負(fù)荷保持只有個(gè)別幾個(gè)氣缸工作的運(yùn)行模式時(shí)，動(dòng)態(tài)停缸還有助于促使均相稀氣燃燒向低負(fù)荷區(qū)延伸。對(duì)1臺(tái)配裝4缸2.0 L米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的C級(jí)車輛進(jìn)行的模擬分析顯示，在整個(gè)CAFE和WLTC工況中，按理論空燃比運(yùn)行的米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的CO₂排放量預(yù)計(jì)能減少4.6%～7.5%，均相稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)的CO₂排放量預(yù)計(jì)能減少5.1%～8.3%。由于個(gè)別氣缸工作時(shí)負(fù)荷較高，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度也能提高約20℃。

2.1.1.5 氫輔助燃燒

Cooper等探索了使1臺(tái)基本型2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性提高10%的可能性，這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)為壓縮比為10.5，采用雙渦殼單級(jí)渦輪增壓，噴油壓力20 MPa，符合超低排放車（SULEV）30和歐6c 排放標(biāo)準(zhǔn)。初步試驗(yàn)表明，采用48V電力輔助渦輪增壓能使RDE試驗(yàn)循環(huán)下的燃油經(jīng)濟(jì)性提高約3%。試驗(yàn)時(shí)還采用的其他改進(jìn)措施包括：將壓縮比提高到12.5，采用低壓EGR，催化器安裝在渦輪增壓器前，以及在高壓EGR回路中設(shè)置1個(gè)氫重整催化器。采用在重整催化器上游直接噴射燃油的方式來產(chǎn)生氫，有助于實(shí)現(xiàn)更高的EGR率。

Chang等提出了一種在發(fā)動(dòng)機(jī)外面通過排氣重整催化的方式來產(chǎn)生氫的新方法。該方法是將某個(gè)以富油狀態(tài)工作的專用氣缸的排氣引入EGR回路中的催化器中進(jìn)行重整。富含氫的重整氣體通過EGR回路重新被引入其他氣缸，由于這時(shí)火焰速度很高，因而能實(shí)現(xiàn)更高的EGR率。在1臺(tái)4缸發(fā)動(dòng)機(jī)上以2 000 r/min 平均有效壓力（BMEP）0.4 MPa運(yùn)行時(shí)收集到的數(shù)據(jù)顯示。與基本型發(fā)動(dòng)機(jī)的25%EGR率相比，該發(fā)動(dòng)機(jī)能在高達(dá)45%～55%的EGR率下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，有效熱效率從29.5%提高到了32.1%，相當(dāng)于有效燃油消耗率降低了約8.3%。試驗(yàn)顯示，在轉(zhuǎn)速1 500 r/min、BMEP為0.08 MPa和轉(zhuǎn)速2 500 r/min、BMEP為0.6 MPa兩種穩(wěn)態(tài)工況下運(yùn)行時(shí)，熱效率也提高了約2%。但在瞬態(tài)控制方面則面臨一定的挑戰(zhàn)，因此必須收集更多運(yùn)轉(zhuǎn)工況點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

研究表明，稀燃與進(jìn)氣門遲關(guān)米勒循環(huán)相結(jié)合能使燃油耗降低18%。該措施的具體實(shí)施方法是，在部分負(fù)荷采用稀氣分層燃燒，在高負(fù)荷時(shí)切換成按理論空燃比米勒循環(huán)運(yùn)行。有人將一臺(tái)3.5 L氣道噴油發(fā)動(dòng)機(jī)改成小型化的2.5 L渦輪增壓汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果顯示，燃油耗降低了約8%。在采用自動(dòng)起停系統(tǒng)和熱管理措施的情況下，二者都能使燃油耗進(jìn)一步降低4%。車輛模擬分析顯示，采用包括減少摩擦和減輕質(zhì)量在內(nèi)的各種改進(jìn)措施，有可能使燃油耗降低35%。排氣溫度則比較低（在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)排氣溫度均小于300 ℃）。因此，NO_x控制將面臨挑戰(zhàn)，需要提出各種先進(jìn)的排氣后處理方案。

Clasen等在1臺(tái)采用先進(jìn)兩級(jí)渦輪增壓和雙線圈點(diǎn)火的4缸2.0 L汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以擴(kuò)大均相稀燃的運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍。在低負(fù)荷低轉(zhuǎn)速工作時(shí)依靠高壓渦輪增壓，而在最大扭矩和額定功率下工作時(shí)則依靠低壓渦輪增壓。在轉(zhuǎn)速1 500 r/min、BMEP為0.8 MPa下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，l為2.0（最稀狀態(tài)）。在轉(zhuǎn)速1 500 r/min、BMEP為1.0 MPa運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，有效比油耗最大降低了12%，這表明，燃油經(jīng)濟(jì)性的提升并非與空氣稀擇程度完全相關(guān)。能夠保持穩(wěn)定燃燒的最大負(fù)荷是轉(zhuǎn)速1 500 r/min、BMEP為1.4 MPa，此時(shí)的l為1.4，但在BMEP為1.0 MPa以上的負(fù)荷下，燃燒的穩(wěn)定性均有所惡化。三效催化器前的排氣溫度為大于250 ℃，因此，預(yù)料能實(shí)現(xiàn)較好的催化轉(zhuǎn)換。

超稀燃（l約為2.0）是一種能使燃油經(jīng)濟(jì)性提高到柴油機(jī)水平的前景看好的技術(shù)途徑。同時(shí)還因燃燒溫度低而能降低NO_x排放。預(yù)燃室燃燒就是一種途徑，能在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)l約為1.6～2.0的超稀燃運(yùn)行。在1臺(tái)排量1.5 L、壓縮比為13的3缸發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行的試驗(yàn)顯示，其熱效率能達(dá)到41%，最低燃油消耗率為203 g/（kW·h）。排氣溫度比較低則對(duì)后處理系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)，按FTP-75試驗(yàn)循環(huán)試驗(yàn)時(shí)達(dá)到的最佳NMOG+NO_x排放量約為90 mg/mile。Niizato等介紹了Honda公司在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定稀燃方面取得的進(jìn)展，利用壓縮行程中的預(yù)燃室直噴燃燒作為氣道噴油燃燒的補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)了空燃比高達(dá)40 的穩(wěn)定燃燒。轉(zhuǎn)速2 000 r/min時(shí)，最高熱效率達(dá)到了47.2%，平均指示壓力為870 kPa，這時(shí)NO_x排放量?jī)H為30 mg/L。

2.1.1.7 預(yù)燃室燃燒

Sens等介紹了一種“活躍”預(yù)燃室火花點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)情況，該發(fā)動(dòng)機(jī)為預(yù)燃室配置了1個(gè)單獨(dú)的供油系統(tǒng)，這樣就能對(duì)預(yù)燃室中的空燃混合氣進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。研究表明，該發(fā)動(dòng)機(jī)能在l高達(dá)2.2的情況下實(shí)現(xiàn)均相稀燃運(yùn)行，NO_x排放量接近0.2 g/（kW·h）的檢測(cè)限值。在隨后的研究中，對(duì)采用米勒循環(huán)的預(yù)燃室點(diǎn)火與冷卻EGR相結(jié)合的技術(shù)措施進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果顯示，預(yù)燃室點(diǎn)火能提高主燃室中的紊流強(qiáng)度，同時(shí)，燃燒穩(wěn)定性提高還能減輕其他技術(shù)帶來的缺點(diǎn)。對(duì)1臺(tái)壓縮比為12、采用冷卻EGR的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行的試驗(yàn)顯示，在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)，預(yù)燃室點(diǎn)火使燃油經(jīng)濟(jì)性提高了1%～11%(高負(fù)荷時(shí)燃油經(jīng)濟(jì)性的提高程度較大)。當(dāng)再采用進(jìn)氣門早關(guān)的米勒循環(huán)時(shí)，預(yù)燃室點(diǎn)火還能使燃油經(jīng)濟(jì)性提高1%～6%。預(yù)燃室的幾何形狀必須進(jìn)行優(yōu)化，以支持催化器加熱所需的后續(xù)燃燒。

動(dòng)力總成的電氣化仍在繼續(xù)向前發(fā)展。Niizato預(yù)計(jì)，到2030年，日本Honda公司的35%轎車將由純內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)，50%的車輛將是混合動(dòng)力車，其余15%車輛將是純電動(dòng)車和燃料電池電動(dòng)車。這與Schaub等的看法一致，他們的預(yù)計(jì)是，到2030年，歐洲超過一半的新認(rèn)證車輛將是輕度混合動(dòng)力車。

48V輕度混合動(dòng)力車的明顯好處是其成本只是全混合動(dòng)力車的一小部分。Knorr等測(cè)定了Ford公司1臺(tái)Focus48V P0結(jié)構(gòu)混合動(dòng)力車的燃油耗和排放。該車輛配裝的是1.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)，其最大功率為92 kW。在實(shí)際行駛情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的停機(jī)時(shí)間約為45%，發(fā)動(dòng)機(jī)承擔(dān)的行駛里程約占85%。對(duì)后處理系統(tǒng)的挑戰(zhàn)是，要應(yīng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)導(dǎo)致的排氣溫度下降。發(fā)現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)的下坡行駛過程中，排氣溫度的下降程度約為150 ℃/min，因此，排氣溫度遠(yuǎn)低于催化器的點(diǎn)火溫度。

Brendel等對(duì)各種結(jié)構(gòu)的48V混合動(dòng)力車（其差異是電力機(jī)械與動(dòng)力總成其他部件的相對(duì)位置各不相同）進(jìn)行了分析。Brendel等預(yù)計(jì)，P0和P1結(jié)構(gòu)混合動(dòng)力車的燃油耗能降低約11%，在B級(jí)～E級(jí)的車輛中，P2～P4結(jié)構(gòu)混合動(dòng)力車的燃油耗能降低約16%。對(duì)于C級(jí)車輛，需要的最大持續(xù)功率為12 kW，依靠48V系統(tǒng)就能滿足這一要求。同時(shí)，還開發(fā)了一種僅需3～10 s就能滿足30～50 kW最大功率需求的雙層疊電容器。以1臺(tái)CO₂排放量為125 g/km的基本型發(fā)動(dòng)機(jī)為基準(zhǔn)，通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱和車輛其他部件的改進(jìn)，使CO₂排放量降低到了90 g/km，依靠電氣化使CO₂排放量進(jìn)一步降低到了65 g/km。值得指出的是，該排放水平已非常接近提議中的歐洲2030年的排放限值。

美國環(huán)境保護(hù)署開發(fā)了先進(jìn)輕型車動(dòng)力總成和混合動(dòng)力車的分析模型，并對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。未來該模型將被用來預(yù)測(cè)48V P0和P2結(jié)構(gòu)輕度混合動(dòng)力車溫室氣體排放和燃油經(jīng)濟(jì)性的改善效果。

Bielaczyc等比較了兩臺(tái)配裝滿足歐5排放的多點(diǎn)噴油發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛（其中一臺(tái)為混合動(dòng)力車，另一臺(tái)為傳統(tǒng)車輛）在城區(qū)行駛工況下的尾管排放。結(jié)果顯示，混合動(dòng)力車的所有氣態(tài)組分的排放量都比較低：CO₂排放量降低了一半，CO排放量減少了90%以上，HC和NO_x排放量也明顯降低（都已低于限值）。在常規(guī)行駛過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的停機(jī)時(shí)間為70%，蓄電池的充電狀態(tài)保持在53%～65%，這表明能量的還原情況良好。

插電式混合動(dòng)力車因其全電力行駛的范圍增加而能使燃油耗降低更多。研究表明，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于短暫運(yùn)行和要即刻達(dá)到高功率或大扭矩的情況下，大負(fù)荷冷起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的污染物排放量會(huì)特別高。Pham等按照模擬大負(fù)荷冷起動(dòng)的試驗(yàn)循環(huán)，在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功器試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)3臺(tái)2013—2016年型插電式混合動(dòng)力車進(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在這些加速試驗(yàn)循環(huán)下產(chǎn)生的排放量要比FTP試驗(yàn)循環(huán)下的排放量高出9倍之多。這表明，現(xiàn)有的認(rèn)證試驗(yàn)循環(huán)不適合用來測(cè)定插電式混合動(dòng)力車如此高的排放量。為了減少插電式混合動(dòng)力車的發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)次數(shù)，Hamza和Laberteaux提出了確定電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率大小的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則, 分析了65 000次短暫運(yùn)行的實(shí)際行駛數(shù)據(jù)，以判斷冷起動(dòng)次數(shù)、全電力驅(qū)動(dòng)和最大電功率之間的關(guān)系。分析結(jié)果顯示，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛和混合動(dòng)力車每天的冷起動(dòng)次數(shù)為 2.15次，如果設(shè)計(jì)的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能提供大于26.5 kW/t車重的動(dòng)力，則插電式混合動(dòng)力車的冷起動(dòng)次數(shù)會(huì)更少。

2.1.2 輕型車柴油機(jī)技術(shù)

柴油車的燃油經(jīng)濟(jì)性繼續(xù)保持比汽油車燃油經(jīng)濟(jì)性高15%～20%的優(yōu)勢(shì)。最新研究表明，這種優(yōu)勢(shì)有可能會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，同時(shí)，柴油車也能滿足收緊的實(shí)際行駛NO_x排放要求。VW公司的Mork等介紹了使1臺(tái)現(xiàn)代柴油機(jī)的CO₂排放量減少大于30%的同時(shí)又能滿足城區(qū)行駛條件下NO_x排放要求而采用的技術(shù)途徑。對(duì)1臺(tái)4缸1.6 L發(fā)動(dòng)機(jī)作了一些重大改進(jìn)。為了降低摩擦，將4缸機(jī)改為3缸機(jī)。改進(jìn)了燃燒室的設(shè)計(jì)，并將壓縮比提高到17，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。對(duì)燃油系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)，采用壓電式噴油器，噴油壓力提高到270 MPa。重要的特點(diǎn)之一是進(jìn)氣和排氣都采用了先進(jìn)的可變氣門正時(shí)系統(tǒng)，以便能有效地降低（米勒/阿克金森循環(huán)）的壓縮比，同時(shí)還能提高低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的排氣溫度。渦輪前的排氣溫度提高了10～40 ℃。依靠有效的排放控制系統(tǒng)，這樣的排氣溫度足以使城市行駛循環(huán)下的NO_x轉(zhuǎn)換效率提高40%。一種緊耦合SCR系統(tǒng)能使NEDC/WLTP/RDE試驗(yàn)循環(huán)下的NO_x排放量遠(yuǎn)低于歐6d的排放限值。為了在低負(fù)荷時(shí)保持較低的排放，必須添加可變氣門正時(shí)和發(fā)動(dòng)機(jī)加熱的措施，同時(shí)，還添加了自動(dòng)起停系統(tǒng)。另外，通過在P2位置設(shè)置48V一體式皮帶驅(qū)動(dòng)起動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)和10 kW電機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)了輕度混合動(dòng)力。在NEDC試驗(yàn)循環(huán)下，CO₂排放量總體減少了31%，其中輕度混合動(dòng)力的貢獻(xiàn)為6.8%。

Schaub等在1臺(tái)2.0 L非混合動(dòng)力D級(jí)車輛上，通過添加48V皮帶驅(qū)動(dòng)起動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)，將發(fā)動(dòng)機(jī)排量減小到1.6 L和降低轉(zhuǎn)速等措施，使車輛在WLTP試驗(yàn)循環(huán)下的CO₂排放量降低了9%。模擬分析顯示，皮帶驅(qū)動(dòng)起動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)帶來的好處約為5.1%。為了解決冷起動(dòng)的排放問題，對(duì)以下兩種排氣后處理系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)：（1）采用稀NO_x收集器（LNT）、催化型柴油機(jī)顆粒過濾器（DPF）和SCR的后處理系統(tǒng)；（2）采用電加熱催化器、一體式SCR/DPF和下游SCR組成的后處理系統(tǒng)。在這兩種情況下還采用了高壓和低壓EGR。在3次不同的實(shí)際行駛排放試驗(yàn)中，當(dāng)環(huán)境溫度為23 ℃和-7 ℃時(shí)，這兩種后處理系統(tǒng)都能使尾管NO_x排放量遠(yuǎn)低于80 g/km，盡管在低環(huán)境溫度下主動(dòng)熱管理起到了較好的作用。

研究人員正在評(píng)估柴油機(jī)采用動(dòng)態(tài)停缸的效果。對(duì)1臺(tái)4缸2.0 L C級(jí)車輛進(jìn)行的模擬分析表明，柴油機(jī)采用動(dòng)態(tài)停缸有可能使CO₂排放減少2%～5%，同時(shí)，如果再使排氣溫度提高40 ℃并改進(jìn)變速箱的換檔，還能使NO_x排放有所降低。

2.2 重型車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

為了提高燃油經(jīng)濟(jì)性，重型車發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)正在不斷改進(jìn)和提高。柴油機(jī)仍然是重型車的首選動(dòng)力。重型車的電氣化也在發(fā)展。除了發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)外。車輛改進(jìn)也是明顯提高燃油經(jīng)濟(jì)性的一種途徑，二者正在相互追趕，以爭(zhēng)取在實(shí)施美國超級(jí)卡車Ⅱ計(jì)劃中發(fā)揮更大的作用。

2.2.1 重型車柴油機(jī)

美國能源部推出的超級(jí)卡車Ⅱ計(jì)劃已進(jìn)入第二個(gè)年頭，參與該計(jì)劃的單位都在朝著以下目標(biāo)努力工作：使實(shí)際運(yùn)行中的有效熱效率提高到55%以上；使運(yùn)費(fèi)效率 (每克燃油行駛英里數(shù)×以噸計(jì)的貨物質(zhì)量)比2009年的基準(zhǔn)水平提高100%；任何技術(shù)改進(jìn)措施的投資回收期要小于3年。

以下就是該計(jì)劃參與者共同的研究課題：（1）改善車輛的空氣動(dòng)力學(xué)水平、減輕質(zhì)量、減少滾動(dòng)阻力和減少摩擦；（2）改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和提高空氣處理的水平（提高壓縮比，優(yōu)化EGR），隔熱技術(shù)和隔熱涂層；（3）開發(fā)輕度混合動(dòng)力車;（4）先進(jìn)的和優(yōu)化的NO_x控制；(5)廢熱回收利用。

Amar和Smith報(bào)道了Volvo公司為達(dá)到超級(jí)卡車Ⅱ計(jì)劃目標(biāo)而采取的策略。策略主要包括：（1）采用渦輪復(fù)合增壓（質(zhì)量會(huì)增加3.5%）；（2）通過選擇合適的材料和設(shè)計(jì)使動(dòng)力總成的凈重量降低5.3%；（3）通過降低發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來減少摩擦；（4）采用隔熱涂層活塞來減少燃燒室的熱損失，以提高熱效率和降低HC和CO排放；（5）在P1位置采用25 kW一體式起動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)輕度混合動(dòng)力車。

Yee和Girbach介紹了Daimler公司采用的技術(shù)途徑：進(jìn)一步降低13 L發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以提高燃油效率；采用48V電動(dòng)發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)輕度混合動(dòng)力車，預(yù)料其能使運(yùn)費(fèi)效率提高4%。還探討了動(dòng)力總成和燃燒方面的其他改進(jìn)措施，包括采用兩級(jí)渦輪增壓，采用更高的壓縮比，采用隔熱涂層，采用米勒循環(huán)和兩級(jí)EGR冷卻等。排氣后處理將包括緊耦合SCR。為了提高瞬態(tài)性能，正在開發(fā)幾種發(fā)動(dòng)機(jī)與排氣后處理相結(jié)合的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型。

Ruth和Damon闡述了Cummins/Peterbit公司為實(shí)現(xiàn)運(yùn)費(fèi)效率提高125%而采取的技術(shù)途徑。他們認(rèn)為，改善空氣動(dòng)力學(xué)性能、減少滾動(dòng)阻力、提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率和減輕車輛質(zhì)量能分別使運(yùn)費(fèi)效率提高25%、16%、32%和24%。預(yù)計(jì)車輛重新設(shè)計(jì)和采用先進(jìn)的車速控制能使空氣動(dòng)力學(xué)阻力降低15%～20%，通過改進(jìn)輪胎能使?jié)L動(dòng)阻力減少30%，相當(dāng)于能使燃油經(jīng)濟(jì)性提高6%。在動(dòng)力總成方面，開發(fā)了采用20 kW電動(dòng)發(fā)電機(jī)的輕度混合動(dòng)力車，并添加了廢熱回收利用，預(yù)料這將能使有效熱效率提高大于4%。

Hergat和Brown介紹了其試驗(yàn)研究的目標(biāo)是要將1臺(tái)基本型發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率（BTE）從47%提高到55%。試驗(yàn)顯示，改進(jìn)燃燒和空氣管理使BTE提高了3.4%，減少摩擦和寄生損失使BTE提高了0.6%，廢熱回收利用使BTE提高了4%。該基本型發(fā)動(dòng)機(jī)在承受道路負(fù)荷時(shí)所需的加權(quán)平均工作負(fù)荷為200 kW，而在車輛爬坡時(shí)所需的負(fù)荷為300～325 kW。為此，有人對(duì)電機(jī)功率為15～120 kW的各種混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。但由于發(fā)現(xiàn)電機(jī)功率較大不太經(jīng)濟(jì)，因而只對(duì)電機(jī)功率為15～30 kW的混合動(dòng)力進(jìn)行了分析。

Zukouski介紹了Navistar公司為達(dá)到超級(jí)卡車Ⅱ計(jì)劃目標(biāo)而采取的技術(shù)措施。其路徑與上述研究采用的技術(shù)途徑大致相同。預(yù)計(jì)廢熱回收利用能使BTE提高3.5%。有人正在對(duì)各種NO_x控制系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，這些系統(tǒng)包括電加熱催化器，氣態(tài)氨噴射和緊耦合SCR。作為一種替代方案，有人還在探索采用汽油壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)的可能性。

Zhang等也在研究汽油壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)在提高燃油效率和減少NO_x排放方面的潛力。采用研究法辛烷值（RON）為58～93的汽油進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。當(dāng)將壓縮比從18.9降低到15.7時(shí)，碳煙排放有所下降，但燃油效率也有所下降。在中、低負(fù)荷時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用汽油時(shí)的燃油效率要高于燃用超低硫柴油時(shí)的燃油效率。使用反應(yīng)率較低（RON較高）的燃油時(shí)，采用了分開噴油的方式。

為了達(dá)到第2階段溫室氣體排放標(biāo)準(zhǔn)和提議中的超低NO_x排放標(biāo)準(zhǔn)，Dahodwala等利用發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣后處理模型對(duì)幾種方案進(jìn)行了探索研究。模擬研究用的基本型發(fā)動(dòng)機(jī)為1臺(tái)4缸排量7.7 L、壓縮比17.6、額定功率為 228 kW，并采用冷卻高壓EGR的發(fā)動(dòng)機(jī)。利用發(fā)動(dòng)機(jī)模型對(duì)5種降低燃油耗的技術(shù)進(jìn)行了評(píng)估：將氣缸數(shù)從6缸減少至4缸；將最高轉(zhuǎn)速降低200 r/min；采用兩級(jí)可變壓縮比；停缸和渦輪復(fù)合增壓。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，減少氣缸數(shù)、降低轉(zhuǎn)速、停缸，以及兩級(jí)可變壓縮比和渦輪復(fù)合增壓分別能使燃油經(jīng)濟(jì)性提高9.2%、4.6%、1.7%和小于1%。還對(duì)兩種技術(shù)組合的效果進(jìn)行了評(píng)估。第1種是降低轉(zhuǎn)速、可變壓縮比、停缸和渦輪復(fù)合增壓的組合，能使HD-FTP試驗(yàn)循環(huán)下的有效比油耗下降7.1%。第2種是減少氣缸數(shù)與兩級(jí)可變壓縮比的組合，能使HD-FTP試驗(yàn)循環(huán)下的有效比油耗降低9.7%。盡管第1種技術(shù)組合的燃油經(jīng)濟(jì)性改善效果偏低，但能產(chǎn)生較高的排氣溫度，這對(duì)于低NO_x控制是有利的。

研究人員正在考慮將一些已經(jīng)在輕型車發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)用于重型車發(fā)動(dòng)機(jī)。Franke等探討了實(shí)現(xiàn)以下這種可變壓縮比模式的可能性：在發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí)使用較高的壓縮比，以提高效率，而在高負(fù)荷時(shí)使用較低的壓縮比，以產(chǎn)生較高的排氣溫度和實(shí)現(xiàn)碳煙/NO_x的均衡排放。停缸能同時(shí)實(shí)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性改善和排氣溫度升高。Gosalaz等在1臺(tái)采用熱管理措施提高排氣溫度的6缸發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在路邊停車怠速工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，使3個(gè)氣缸停缸，燃油節(jié)省了40%，同時(shí)仍然能保持較高的排氣溫度。在HD-FTP和城市大客車試驗(yàn)循環(huán)下，燃油耗分別降低了3%和9%。

研究顯示，通過改善空氣動(dòng)力學(xué)性能可以取得明顯的節(jié)油效果。Hawkins等測(cè)定了1臺(tái)第８類長途臥鋪客車的燃油耗情況，道路試驗(yàn)和滑行試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果顯示，燃油節(jié)省大于９％。

車輛列隊(duì)行駛能夠改變空氣流場(chǎng)和空氣動(dòng)力學(xué)阻力，也是降低車隊(duì)燃油耗的另一種途徑。ＭcAuliffe等用３輛第８類卡車進(jìn)行了列隊(duì)行車試驗(yàn)，卡車的行駛速度恒定為65 mile/h,載質(zhì)量為65 000 lb，車輛的前后間距在4～87 m之間變化。發(fā)現(xiàn)末尾一輛卡車在最佳間距為12 m時(shí)可實(shí)現(xiàn)節(jié)油約13%，而中間一輛卡車即使與前車的間距較小，節(jié)油程度更高，間距為4 m時(shí)節(jié)油達(dá)17%。領(lǐng)頭的卡車即使在車輛間距小于20 m的情況下，同樣也能節(jié)油，間距為4 m時(shí)節(jié)油達(dá)10%。當(dāng)車距為4 m時(shí)，列隊(duì)行車的凈節(jié)油度為13%。盡管節(jié)油效果明顯，但從安全角度來說，4 m間距可能是太小了。Nusskowski等測(cè)試了2臺(tái)第6類卡車列隊(duì)行駛實(shí)現(xiàn)節(jié)油的可能性，卡車的前后間距為車身長度的3～6倍。試驗(yàn)結(jié)果顯示，后面一輛卡車的迎面空氣流速降低了4.0%～8.5%（降幅取決于車輛間距大?。?，燃油經(jīng)濟(jì)性提高了6.5%～9.0%。

2.2.2 重型車電氣化

重型車的電氣化正在不斷向前推進(jìn)，有可能使燃油耗明顯降低。采用輕度混合動(dòng)力是美國能源部超級(jí)卡車Ⅱ計(jì)劃所有參與者的共識(shí)。

據(jù)估計(jì)，某些行車路線和負(fù)荷可預(yù)測(cè)的第6類和第7類中型車和校車會(huì)最快實(shí)現(xiàn)電氣化。Vijayagopal等分析了跨境大客車通過提高電氣化程度來實(shí)現(xiàn)節(jié)油的潛力。按照CARB試驗(yàn)循環(huán)和EPA55試驗(yàn)循環(huán)，預(yù)測(cè)了車輛每天行駛150 mile時(shí)的燃油耗。假設(shè)插電式混合動(dòng)力車的電力行駛里程為 75 mile，蓄電池電動(dòng)車的電力行駛里程為150 mile。模擬分析使用的是Autonomie模型，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗曲線圖取自EPA的溫室氣體排放模型。所有的變量必須符合和超過如下的連續(xù)負(fù)荷性能：巡航車速60 mile/h、6%坡度的車速為29 mile/h、0～30 mile/h瞬時(shí)變速和0～60 mile/h加速。模擬結(jié)果顯示，在瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)下，輕度混合動(dòng)力車能節(jié)油8%，全混合動(dòng)力車能節(jié)油29%，插電式混合動(dòng)力車能節(jié)油53%。在EPA55試驗(yàn)循環(huán)下，輕度混合動(dòng)力車和全混合動(dòng)力車未顯示出任何節(jié)油效果，而插電式混合動(dòng)力車則能節(jié)油39%。以55 mile/h的車速巡航時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎沒有機(jī)會(huì)停機(jī)。盡管實(shí)際的節(jié)油狀況對(duì)本分析中所作的各種假設(shè)比較敏感，但研究顯示，從輕度混合動(dòng)力車到全混合動(dòng)力車都能使燃油經(jīng)濟(jì)性有明顯的改善。Rousseau和Vijayagopal將這一分析擴(kuò)展到了其他中型車和重型車，包括每天行駛150 mile的第4類和第6類送貨車輛和每天行駛500 mile的第8類長途卡車。在城市行駛時(shí)，輕度混合動(dòng)力車能節(jié)油5%～10%，全混合動(dòng)力車能節(jié)油20%～30%，純氫電池電動(dòng)車 (PHEV)能節(jié)油80%～100%。對(duì)于第8類長途卡車，其節(jié)油效果要小許多，輕度混合動(dòng)力車節(jié)油效果為小于5%，全混合動(dòng)力車的節(jié)油效果小于10%，PHEV的節(jié)油效果小于20%。重型車領(lǐng)域的蓄電池電動(dòng)車使用率將取決于總持有成本和地方法規(guī)的要求，總持有成本則與地區(qū)和部門有關(guān)。預(yù)計(jì)到2020—2024年，配送車將達(dá)到總持有成本平價(jià)，而對(duì)長途卡車總持有成本的預(yù)計(jì)仍然存在很大的不確定性。另外，對(duì)于長途卡車，必然會(huì)涉及到充電基礎(chǔ)設(shè)施的問題，在歐洲，估計(jì)長途卡車將至少需要設(shè)置6 000個(gè)大于500 kW的充電站。

人們已經(jīng)對(duì)柴油機(jī)使用過程中的NO_x排放情況開展了詳細(xì)的調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)要滿足現(xiàn)行的和未來的排放法規(guī)仍將是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)。對(duì)NO_x排放進(jìn)行的研究表明，柴油機(jī)能夠在寬廣的運(yùn)轉(zhuǎn)工況下實(shí)現(xiàn)十分清潔的排放。圖6匯總了270臺(tái)歐6d柴油車和汽油車的排放數(shù)據(jù)（一致性系數(shù)CF=2.1）。圖6顯示，大部分車輛都已達(dá)到了歐6d的NO_x和顆粒數(shù)排放要求（CF=1.5）。研究表明，發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)加上先進(jìn)的排氣后處理系統(tǒng)能使柴油機(jī)車輛在頗具挑戰(zhàn)性的城市實(shí)際行駛條件下達(dá)到歐6標(biāo)準(zhǔn)的NO_x排放限值。

Bosch公司的試驗(yàn)研究證實(shí)，在環(huán)境溫度低到0 ℃時(shí)的動(dòng)態(tài)實(shí)際行駛條件下，車輛尾管的NO_x排放量可以達(dá)到小于80 mg/km的水平。他們?cè)趦煞N行駛情況下（包括冷態(tài)起動(dòng)工況）進(jìn)行了排放試驗(yàn)，其中一種行駛情況為排氣冷卻后加速，另一種行駛情況為城市行駛循環(huán)，還包括了會(huì)導(dǎo)致后處理系統(tǒng)溫度降低的停車/起動(dòng)行駛狀況。發(fā)動(dòng)機(jī)采用的熱管理措施包括：推遲燃燒和噴油、為減慢催化器冷卻的氣流管理、優(yōu)化渦輪增壓器，以及提高瞬態(tài)性能和低速扭矩。更進(jìn)一步的NO_x控制措施還包括采用低壓和高壓EGR，而排氣后處理系統(tǒng)則包括柴油機(jī)氧化催化器（DOC）后緊接過濾器上的SCR，以及另一個(gè)下游SCR。附加的NO_x儲(chǔ)存催化器或雙尿素噴射并沒有增加多大的價(jià)值，而電加熱催化器則沒有被采用，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致CO₂排放量增加19%。

大眾公司介紹了為提高新一代2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和控制NO_x排放而采取的對(duì)策。通過減輕質(zhì)量，減少摩擦，使渦輪增壓器效率提高10%，采用皮帶驅(qū)動(dòng)起動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的輕度混合動(dòng)力，采用起動(dòng)/停車系統(tǒng)，以及高轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)停缸等措施，使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性提高了10%。NO_x控制措施包括：采用高壓和低壓EGR，采用緊耦合DOC，增加與SCR一體的過濾器的容積，以及增加下游SCR的容積。為了促使氨更好地分布，改善了氣流的均勻性，同時(shí)，還實(shí)施了一種“溫度保持”功能，以防止SCR冷卻到200 ℃以下。通過重新優(yōu)化設(shè)計(jì)后處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置，使排氣系統(tǒng)的壓力損失減少了40%，其他改進(jìn)措施包括渦輪增壓器與DPF之間采用氣隙隔離，通過8次噴油進(jìn)行DPF再生，以及改進(jìn)排氣后處理控制用的ECU和傳感器。

Landsberg等使1臺(tái)4缸2L C級(jí)車輛在要求的行駛條件下達(dá)到了36 mg/km的尾管NO_x排放量。采用的排氣后處理系統(tǒng)由LNT和在過濾器上的SCR，以及氨逃逸催化器組成。在城區(qū)行駛時(shí)，大部分NO_x排放都在溫度低于200 ℃的情況下發(fā)生，因此，采用一種基于發(fā)動(dòng)機(jī)的加熱措施就能實(shí)現(xiàn)較早的LNT釋放和尿素噴射。

Avolio等提出了一種為達(dá)到歐6后排放限值的排氣后處理方案，由過濾器上的SCR，添加的SCR和熱管理措施組合而成，前者的兩個(gè)SCR各自進(jìn)行單獨(dú)的尿素噴射，后者能夠?qū)崿F(xiàn)尿素提早噴射。他們給出了1輛配裝4缸2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)的C級(jí)車輛的試驗(yàn)結(jié)果。該車還添加了高壓和低壓EGR，以及48V皮帶驅(qū)動(dòng)起動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的輕度混合動(dòng)力。在WLTP試驗(yàn)循環(huán)下，過濾器上的SCR處的NO_x排放量為60 mg/km，已低于歐6的限值。添加了第2個(gè)車身下SCR后，NO_x排放量降低了65%，達(dá)到了21 mg/km。90%的尿素被噴入第1只SCR。設(shè)置在第1只SCR上游的電加熱催化器能使尿素噴射提早150 s,從而能使NOx排放進(jìn)一步降低到13 mg/km。在實(shí)際行駛試驗(yàn)中，采用過濾器上的SCR時(shí)，NO_x排放量為84 mg/km，在加裝車身下SCR后，NO_x排放量進(jìn)一步降低到了24 mg/km(降幅達(dá)71%)。在所有行駛工況下，NO_x排放量都接近35 mg/km。

為了使在用車達(dá)到嚴(yán)苛的LEV Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)，Vakiti等探討了柴油車需要采取的發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣后處理改進(jìn)措施。一種對(duì)策是將SCR移到靠近發(fā)動(dòng)機(jī)的位置，并采用雙尿素噴射。模擬預(yù)測(cè)指出，在緊耦合DOC-SCR后設(shè)置一個(gè)車身下SCR過濾器-氨逃逸催化器（ASC）系統(tǒng)并采用雙尿素噴射，可以使NO_x轉(zhuǎn)換效率比同樣的系統(tǒng)采用單尿素噴射時(shí)的NO_x轉(zhuǎn)換效率提高5%～25%。改進(jìn)SCR催化器和采用主動(dòng)熱管理有助于催化劑提早點(diǎn)火。采用進(jìn)氣門升程可變和排氣門正時(shí)可變的可變氣門正時(shí)系統(tǒng)時(shí)，能使WLTC中第1階段的NO_x排放量降低30%。每次噴入少量燃油的多次噴油產(chǎn)生的燃燒形態(tài)能使燃油經(jīng)濟(jì)性，以及發(fā)動(dòng)機(jī)自身的碳煙、CO和HC排放得到改善。模擬顯示，輕度混合動(dòng)力車中的電力增壓可以使NO_x排放降低約9%，從而有利于提高EGR水平，同時(shí)，在整個(gè)冷態(tài)起動(dòng)FTP試驗(yàn)循環(huán)中能使碳煙排放量減少40%。

3.2 重型車低NO_x控制系統(tǒng)

為達(dá)到CARB和EPA規(guī)定的尾管NO_x排放目標(biāo)，研究人員提出了各種方案。NO_x要減排高達(dá)90%，試驗(yàn)規(guī)范更嚴(yán)，以及必須通過降低燃油耗來達(dá)到第2階段溫室氣體排放標(biāo)準(zhǔn)等各種需要應(yīng)對(duì)的問題，都會(huì)在技術(shù)上迎來相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。因而將要求人們開發(fā)先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣后處理技術(shù)。

要達(dá)到20 mg/（hp·h）尾管NO_x排放目標(biāo)的關(guān)鍵是，提出的各種技術(shù)方案都要解決冷起動(dòng)排放的問題。Singh等指出，1臺(tái)典型的2010—2017年的重型車發(fā)動(dòng)機(jī)在第1個(gè)130 s試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)期間，其累計(jì)NO_x排放量可能已經(jīng)超過了限值。為此，人們正在開發(fā)各種能在冷起動(dòng)時(shí)提高排氣后處理轉(zhuǎn)換效率的解決方案。

為了評(píng)估各種排氣后處理系統(tǒng)NO_x排放達(dá)到20 mg/（hp·h）的目標(biāo)可能性，美國西南研究院和加州空氣資源局正在與多方合作開展試驗(yàn)研究。在該研究計(jì)劃中，被評(píng)估的第1種排氣后處理系統(tǒng)是1臺(tái)13 L發(fā)動(dòng)機(jī)采用的由被動(dòng)NO_x吸附器（PNA）后接微型燃燒器，以及SCR過濾器+SCR+ASC組成的后處理系統(tǒng)。針對(duì)這一系統(tǒng)進(jìn)行的試驗(yàn)研究工作是要評(píng)定各后處理部件在1 000 h老化后的減排水平。在該研究開始時(shí)，冷態(tài)起動(dòng)FTP試驗(yàn)循環(huán)下的NO_x排放量為25 mg/（hp·h），熱態(tài)起動(dòng)FTP試驗(yàn)循環(huán)下的NO_x排放量為5 mg/（hp·h），因此FTP試驗(yàn)循環(huán)下的復(fù)合NO_x排放量為9 mg/（hp·h）。另一個(gè)工作團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)低負(fù)荷排放試驗(yàn)循環(huán)，他們未來的工作計(jì)劃是要評(píng)估2017年型發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)低NO_x排放的潛力。下一階段還將對(duì)低負(fù)荷試驗(yàn)循環(huán)下的污染物排放量和溫室氣體的最低排放目標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。

在眾多研究中涌現(xiàn)出了一種領(lǐng)先的解決方案，是在DPF前采用1個(gè)SCR，以解決冷起動(dòng)排放和低溫時(shí)的轉(zhuǎn)換效率問題。盡管該方案能實(shí)現(xiàn)較快加熱和提早噴射尿素，但需要解決因硫引起的催化劑活性喪失，以及防止積炭、碳?xì)浠衔锱欧藕徒够葐栴}。另外，由于沒有設(shè)置上游DOC，會(huì)使SCR的脫硫更為困難，并會(huì)導(dǎo)致SCR要依賴發(fā)動(dòng)機(jī)排出的NO₂來實(shí)現(xiàn)快速反應(yīng)。最后發(fā)現(xiàn)，雙尿素噴射對(duì)于更好地控制所需的氨和DPF再生時(shí)的NO_x逃逸是有利的，其中一只尿素噴射器安裝在DPF前的SCR前面，另一只尿素噴射器安裝在下游SCR之前。第2只尿素噴射器能在DPF再生期間切斷過濾器上的SCR的尿素噴射，因此，能更好地控制碳煙堆積引起的壓力降。

Wille和Kalwai對(duì)3種排氣后處理系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)定：一種為SCR設(shè)置在DPF后面，另一種為SCR與DPF組成一體，第3種為采用兩個(gè)SCR，其中一個(gè)SCR設(shè)置在DPF之前并與他緊耦合，另一個(gè)SCR設(shè)置在DPF之后。每個(gè)SCR有各自獨(dú)立的尿素噴射系統(tǒng)。在冷態(tài)瞬變?cè)囼?yàn)循環(huán)下，在100 s以內(nèi)，緊耦合位置SCR的進(jìn)口溫度就達(dá)到了200 ℃，而其他兩種系統(tǒng)的SCR則需要400 s以上才能達(dá)到此溫度。然而，對(duì)于在緊耦合位置的銅-沸石SCR，其低溫活性會(huì)受到硫的影響，因而需要采取較好的再生策略來恢復(fù)活性。高溫脫硫和DPF再生也會(huì)使SCR在低溫時(shí)的轉(zhuǎn)換效率變差。Geisselmann等研究了硫?qū)CR催化器的影響，研究認(rèn)為，在硫酸化過程中釩催化器的性能相當(dāng)穩(wěn)定，而銅-基催化器的初始NO_x轉(zhuǎn)換效率比較高，能在400～500 ℃的溫度下進(jìn)行再生后恢復(fù)性能。

Newman在過濾器上的SCR后面再加裝了一個(gè)附加SCR，對(duì)采用單尿素噴射和雙尿素噴射時(shí)SCR的性能和背壓進(jìn)行了比較。所有的系統(tǒng)按HD-FTP試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行的試驗(yàn)顯示，NO_x的整體轉(zhuǎn)換效率比較高。附加的尿素噴射能靈活地控制過濾器的被動(dòng)再生，以改善背壓。有人對(duì)一種采用緊耦合SCR后配置ASC、DOC、DPF，以及另一個(gè)SCR和ASC的后處理系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果顯示，緊耦合SCR還能較好地實(shí)現(xiàn)NO_x:N₂O的均衡。

采用氣態(tài)氨系統(tǒng)是能使SCR在200 ℃以下繼續(xù)保持活性的一種技術(shù)途徑。有人采用該技術(shù)在低負(fù)荷行駛時(shí)溫度會(huì)受到限制的專用卡車上進(jìn)行了開發(fā)研究。Johannessen等介紹了1個(gè)月內(nèi)在采用該技術(shù)的垃圾清運(yùn)車上收集到的數(shù)據(jù)。SCR的平均溫度為207 ℃，氣態(tài)氨系統(tǒng)能使SCR在溫度低到100 ℃時(shí)繼續(xù)保持轉(zhuǎn)換效能。該技術(shù)的第2個(gè)好處是，SCR轉(zhuǎn)換效率的提高可以減少對(duì)EGR的需求，從而能使燃油經(jīng)濟(jì)性得到提高，并使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生有助于過濾器被動(dòng)再生所需的較高的NO_x。

為了使排氣后處理系統(tǒng)快速加熱以實(shí)現(xiàn)提早噴氨和SCR盡快產(chǎn)生活性，主動(dòng)熱管理也正在受到人們的追捧。Culburtson等在1臺(tái)6.7 L Cummins ISB發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了采用24 Vdc加熱器加熱排氣的試驗(yàn)，該發(fā)動(dòng)機(jī)配置了由DOC、DPF、SCR和ASC組成的2017年型排氣后處理系統(tǒng)。采用兩種加熱器進(jìn)行了試驗(yàn)，一種為傳統(tǒng)24 Vdc發(fā)電機(jī)，另一種為兩個(gè)12 Vdc鉛-酸蓄電池，二者在83%負(fù)載時(shí)均為3 kW。在HD-FTP試驗(yàn)循環(huán)的第1個(gè)410 s試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，加熱器被接通，在這段時(shí)間內(nèi)，以2.6 kW的電功率在260 s內(nèi)就使DOC的進(jìn)口溫度升高到了275 ℃。試驗(yàn)循環(huán)中的平均功耗為0.9 kW，使用的最大功率為4.6 kW。在城市客車試驗(yàn)循環(huán)下進(jìn)行的試驗(yàn)顯示，平均溫度從208 ℃提高到了273 ℃，使用的平均功率為2.3 kW。在經(jīng)常間隙負(fù)荷和延長怠速的道路清掃車試驗(yàn)循環(huán)下，加熱器所需的平均功率為0.8 kW。在這兩種試驗(yàn)循環(huán)下，所需的最大功率接近4.5 kW，但在試驗(yàn)循環(huán)中，有一半以上的時(shí)間加熱器都在3 kW以下工作。與只在冷起動(dòng)時(shí)采用發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理來進(jìn)行加熱的基本型后處理系統(tǒng)相比，這種加熱器還有可能在改善燃油耗方面帶來好處。主動(dòng)熱管理部件的可靠性仍然是一個(gè)主要問題。

有人正在利用標(biāo)定模型對(duì)各種不同排氣后處理系統(tǒng)的減NO_x潛力進(jìn)行評(píng)估。Strots和Resaei利用發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣后處理系統(tǒng)的綜合模型評(píng)估了各種基于發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理策略和后處理系統(tǒng)對(duì)排放的影響。評(píng)估用的基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)為采用兩級(jí)渦輪增壓和EGR的6缸歐6發(fā)動(dòng)機(jī)，排氣后處理的配置為DOC、DPF、SCR（銅-沸石）和ASC。發(fā)動(dòng)機(jī)采用的各種標(biāo)定狀態(tài)包括：較早的后噴油、進(jìn)氣節(jié)流、推遲噴油和排氣節(jié)流。在FTP試驗(yàn)循環(huán)下，能使發(fā)動(dòng)機(jī)本身的NO_x排放降低13%，從約2.3 g/（hp·h）降低到約2 g/（hp·h）。對(duì)基準(zhǔn)后處理系統(tǒng)的改進(jìn)是在DOC前采用緊耦合SCR和ASC。圖7所示為兩種后處理系統(tǒng)的配置示意圖和排放改善效果，NO_x的轉(zhuǎn)換效率從95%（基準(zhǔn)系統(tǒng)）提高到了99%，并達(dá)到了低于0.02 g/（hp·h）的尾管NO_x排放目標(biāo)。與基準(zhǔn)后處理系統(tǒng)相比，N₂O的排放量也降低了19%。熱管理導(dǎo)致燃油消耗增加了3%。有人提出了解決燃油消耗增加的方法，其中包括采用PNA及SCR與DPF一體化。由此，產(chǎn)生的較高NO_x轉(zhuǎn)換效率將允許發(fā)動(dòng)機(jī)在NO_x排放較高的情況下工作，并且還能使燃油經(jīng)濟(jì)性有所提高。

Dahodwala等通過模擬分析對(duì)幾種不同的排氣后處理配置進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示，采用一體式DPF-SCR、被動(dòng)NO_x吸附器（PNA）和氣態(tài)氨系統(tǒng)的后處理系統(tǒng)時(shí)，NO_x排放量要比使用2017年參比后處理系統(tǒng)時(shí)的NO_x排放量降低約80%。SCR能在約350 s內(nèi)達(dá)到200 ℃的床溫，而參比后處理系統(tǒng)要在477 s內(nèi)才能達(dá)到此溫度。但尾管的NO_x排放量為約25 mg/（hp·h），還是超過了低NO_x排放的限值目標(biāo)。因此，有人對(duì)主動(dòng)加熱措施作了進(jìn)一步探索。發(fā)現(xiàn)采用電加熱催化器或微型燃燒器是能使NO_x排放量降低到低于20 mg/（hp·h）的有效措施，但二者的問題是會(huì)增加燃油消耗，折算下來，采用電加熱催化器時(shí)燃油消耗最高會(huì)增加6.1%，采用微型燃燒器時(shí)燃油消耗會(huì)增加2.1%。有人對(duì)該措施的噴油劑量進(jìn)行過研究，結(jié)果顯示，通過控制噴油劑量，燃油消耗最少也要增加1.3%，且NO_x排放量勉強(qiáng)接近限值目標(biāo)（21 mg/（hp·h））。最后，有人提出了一種綜合應(yīng)用噴油劑量控制、電加熱催化器和PNA的先進(jìn)加熱策略，試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能達(dá)到NO_x的排放目標(biāo)，并且燃油消耗量增加很少，僅為1.9%。研究表明，改變發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定和采用先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)是一種既能達(dá)到NO_x排放標(biāo)準(zhǔn)，又能使燃油耗降低5%～7%的技術(shù)途徑。

Seykens等以達(dá)到超低NO_x排放標(biāo)準(zhǔn)和同時(shí)保持較好的燃油經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，對(duì)幾種排氣后處理系統(tǒng)進(jìn)行了模擬分析。模擬分析用的參比系統(tǒng)是采用高壓冷卻EGR，以及DOC、DPF、SCR和氨氧化催化器的13 L歐6發(fā)動(dòng)機(jī)。添加的后處理配置包括：PNA、一體式DPF-SCR（通過尿素加熱能以130 ℃噴射尿素），以及在PNA上游的緊耦合SCR和有涂層SCR過濾器。PNA有助于減少冷起動(dòng)時(shí)的排放，但由于在低于SCR點(diǎn)火溫度的情況下PNA會(huì)發(fā)生NO_x釋放，因而會(huì)使NO_x總排放量有所增加。SCR過濾器的效果最好，而緊耦合SCR則因熱質(zhì)量增加而抵消了提早點(diǎn)火的效果，所以其好處不太明顯。盡管這幾種后處理系統(tǒng)都能顯著減少NO_x排放，但沒有一種系統(tǒng)能達(dá)到20 mg/（hp·h）的排放限值，因此，有人提出了幾種基于發(fā)動(dòng)機(jī)的主動(dòng)加熱措施，以進(jìn)一步減少冷起動(dòng)時(shí)的排放。

Zha等介紹了過去3年中在美國能源部資助下開展的提高NO_x轉(zhuǎn)換效率的研究工作情況，其目標(biāo)是要將150℃以下的NO_x轉(zhuǎn)換效率提高到90%以上。他們選擇了一種配置DOC、DPF、銅-沸石SCR和ASC的商品后處理系統(tǒng)作為參比基準(zhǔn)。開發(fā)了一種新型催化器，能在有NO₂存在的情況下使NH₄NO3的生成量最少，并能促使其分解。在150 ℃和NO₂/NO_x比為0.5的情況下，該催化器樣品達(dá)到了86%的NO_x轉(zhuǎn)換效率。在較高的NO₂/NO_x比率下，NH₄NO3會(huì)導(dǎo)致NO_x轉(zhuǎn)換效率變差。這是在商品催化器中觀察到的能在163℃下使NO_x轉(zhuǎn)換效率超過50%的明顯改進(jìn)，但其缺點(diǎn)是在NO₂/NO_x比大于0.4時(shí)會(huì)生成NH₄NO3。其他改進(jìn)措施還包括以下幾項(xiàng)：將DOC移到渦輪前的位置，并采用20%的EGR率，以達(dá)到0.5的最佳NO₂/NO_x比；通過熱管理使渦輪出口溫度提高10℃；采用一個(gè)附加的車身下SCR；采用氣態(tài)氨噴射。在超過16 h的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，這種升級(jí)的后處理系統(tǒng)的NO_x轉(zhuǎn)換效率達(dá)到90%以上。最后，在以低負(fù)荷和低車速行駛為特征的城市客車行駛循環(huán)下進(jìn)行了1.3 h的性能試驗(yàn)。結(jié)果顯示，基準(zhǔn)后處理系統(tǒng)的NO_x轉(zhuǎn)換效率約為88%，升級(jí)的后處理系統(tǒng)NO_x轉(zhuǎn)換效率約為97%。盡管改進(jìn)的效果令人印象深刻，但要完全實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用還有一些問題有待解決，包括要抑制由渦輪前催化器導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)變差，以及要采用先進(jìn)的控制手段按要求對(duì)NO₂/NO_x的比率進(jìn)行優(yōu)化。Ottinger等在實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器上對(duì)一種雙涂層商品催化器（一層為氧化底層，另一層為銅-沸石頂層）進(jìn)行的研究證實(shí)，NH₄NO3的生成需要有NO₂和NH₃，而在175℃時(shí)有NO存在的情況下，NH₄NO3的生成量可以忽略不計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用中，這種情況可能不那么令人擔(dān)憂，因?yàn)榕艢庵型ǔ?huì)存在較高濃度的NO（重型車柴油機(jī)排氣中的NO高達(dá)90%～95%）。

Patil等提出了采用對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)超低NO_x排放的技術(shù)途徑。他們按照1臺(tái)3缸4.9 L發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)開發(fā)了壓縮比為17.5的10.6 L對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，預(yù)料其性能可與13～15 L發(fā)動(dòng)機(jī)的性能相媲美。實(shí)現(xiàn)低排放的關(guān)鍵策略是通過“催化器快速點(diǎn)火模式”來解決冷起動(dòng)排放問題，可以通過控制收集到的內(nèi)部殘余氣體，以及依靠分開噴油和推遲噴油來提高排氣溫度。在冷態(tài)起動(dòng)HD-FTP試驗(yàn)循環(huán)下進(jìn)行的試驗(yàn)顯示，渦輪出口溫度在80 s內(nèi)就達(dá)到了250 ℃。再配置一個(gè)緊耦合SCR后，在第1個(gè)100 s試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)就有可能達(dá)到最高的NO_x轉(zhuǎn)換效率。采用一種包括緊耦合SCR、DOC、DPF和下游SCR的后處理系統(tǒng)進(jìn)行的試驗(yàn)顯示，尾管NO_x排放量有可能達(dá)到0.03 g/（hp·h）。兩臺(tái)10 L發(fā)動(dòng)機(jī)正在投入使用試驗(yàn)，以驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)低NO_x排放和降低燃油耗的效果。

理論空燃比天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用，能夠達(dá)到加利福尼亞州自定的20 mg/（hp·h）的低NO_x排放標(biāo)準(zhǔn)。Smith等探討了在保持燃油補(bǔ)償最少的情況下改善冷起動(dòng)NO_x排放的方法。用1臺(tái)2014年型采用高壓冷卻EGR的理論空燃比天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)按照HD-FTP試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行了試驗(yàn)。對(duì)排氣后處理系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)，在單個(gè)車身下三效催化器（TWC）的基礎(chǔ)上添加了1個(gè)緊耦合TWC。通過推遲點(diǎn)火來使催化器加熱。試驗(yàn)結(jié)果顯示，綜合NO_x排放量達(dá)到了10 mg/（hp·h），但燃油補(bǔ)償高達(dá)4.7%。在第1個(gè)20 s試驗(yàn)期間，采用了其他兩種運(yùn)轉(zhuǎn)策略進(jìn)行試驗(yàn)：（1）在第1次怠速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)以5%燃油加濃和推遲點(diǎn)火方式運(yùn)轉(zhuǎn)，并實(shí)施第2次空氣噴射；（2）發(fā)動(dòng)機(jī)一半時(shí)間以25%燃油加濃運(yùn)轉(zhuǎn)，另一半時(shí)間以15%燃油加濃狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，凈燃油加濃水平為10%。與低NO_x排放的發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定狀態(tài)相比，第2次空氣噴射對(duì)NO_x排放的改善效果最好，且附加的燃油補(bǔ)償僅為0.8%。采用燃油加濃/稀氣運(yùn)行策略時(shí)NO_x排放量與低NO_x發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定狀態(tài)下的排放量相似，燃油耗降低了1.2%，但甲烷排放量有所增加。甲烷排放是天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)要關(guān)注的一個(gè)問題。

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物排放也越來越受到關(guān)注，因?yàn)樵谔烊粴獍l(fā)動(dòng)機(jī)的排氣后處理系統(tǒng)中通常不配置顆粒過濾器。由圖3可見，壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物排放量已接近排放限值。Khalek等對(duì)上述天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)與采用一體式DPF/SCR的2014年Volvo歐6柴油機(jī)的顆粒物和灰分排放進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示，這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的NO_x排放都很低，并能經(jīng)受相當(dāng)于43.5萬mile使用壽命的水熱老化。這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)在FTP、WHTC和RMC試驗(yàn)循環(huán)下都能達(dá)到0.01 g/（hp·h）的顆粒物排放限值。但是，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒數(shù)排放量要高許多。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)大于25 nm的顆粒物排放量是柴油機(jī)的5～8倍，小于25 nm顆粒物的排放量是柴油機(jī)的5～10倍。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的金屬灰顆粒物排放量也比柴油機(jī)的高5～10倍?？紤]到超細(xì)顆粒物對(duì)健康的影響，該研究建議應(yīng)采用顆粒過濾器來清潔天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣。

NO_x傳感器正在快速發(fā)展，并且正在考慮用其進(jìn)行連續(xù)的車載測(cè)量和實(shí)際行駛排放量的跟蹤。有人提出了一個(gè)初步想法，建議采用將NO_x傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)與法規(guī)指標(biāo)進(jìn)行比較的辦法來評(píng)估排放性能，從而擺脫對(duì)實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證試驗(yàn)循環(huán)的依賴。在寬廣的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)和WHTC工況下，用NO_x傳感器測(cè)得的NO_x濃度與用PEMS和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備測(cè)得的NO_x濃度相比，差值在10 mg/L以內(nèi)。

3.3 SCR

基于SCR 的排氣后處理系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)是，要在低于150～180 ℃的溫度下保持持續(xù)的高轉(zhuǎn)換效率。在這方面取得進(jìn)展對(duì)于解決法規(guī)要求的冷起動(dòng)和低負(fù)荷排放問題是至關(guān)重要的。

研究表明，最新的銅-基SCR催化器的NO_x轉(zhuǎn)換效率已有所提高。Newman用1只在650 ℃下老化了50 h的2017年催化器作為參比對(duì)象進(jìn)行的試驗(yàn)顯示，在175℃時(shí)新催化器的NO_x轉(zhuǎn)換效率從65%提高到了73%，600℃高溫下的NO_x轉(zhuǎn)換效率從96%提高到了99%。新催化器的熱耐久性也比較好，即使在900 ℃下老化后，新催化器仍能在寬廣的運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)保持較高的轉(zhuǎn)換效率。Geisselmann等在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的試驗(yàn)顯示，在175 ℃時(shí)新催化器對(duì)NO的轉(zhuǎn)換效率差不多提高了1倍，從40%提高到了80%，同時(shí)高溫下的轉(zhuǎn)換效率也有所提高。由圖8可見，上述兩項(xiàng)研究顯示。新催化器在250～550 ℃時(shí)，SCR對(duì)NO的轉(zhuǎn)換效率幾乎接近100%。氨逃逸催化器也在不斷改進(jìn)，250 ℃時(shí)的N₂O排放量小于20 mg/L，在該溫度下氨幾乎100%完全被氧化。

為了滿足重型車低NO_x排放標(biāo)準(zhǔn)和非道路移動(dòng)機(jī)械的排放法規(guī)，今后設(shè)計(jì)的后處理系統(tǒng)將會(huì)采用一體式的SCR/DPF結(jié)構(gòu)。這就要求將SCR移到靠近發(fā)動(dòng)機(jī)的位置，以實(shí)現(xiàn)較早的加熱和尿素噴射。有人開發(fā)了幾種高孔穴率過濾器，旨在提高SCR催化器的內(nèi)壁涂載量和減少熱質(zhì)量，以更快地產(chǎn)生催化活性。George等用一體式DPF/SCR和尺寸減小的車身下SCR代替原先的DPF和車身下SCR后，使后處理系統(tǒng)的總?cè)莘e減小了10%～15%。在1臺(tái)美國EPA 2017年道路車輛發(fā)動(dòng)機(jī)上，按非道路移動(dòng)機(jī)械瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)（NRTC）進(jìn)行了試驗(yàn)，以評(píng)估該后處理系統(tǒng)的性能和探索第5階段非道路移動(dòng)機(jī)械的排放法規(guī)。一體式DPF/SCR系統(tǒng)能在90～140 s之前達(dá)到180 ℃（較低的尿素噴射溫度界限），具體的升溫情況取決于DPF的熱質(zhì)量（圖9）。在250 ℃時(shí)這相當(dāng)于能在冷態(tài)和熱態(tài)NRTC試驗(yàn)循環(huán)下分別使NO_x排放降低約25%和約40%。一種孔穴尺寸分布窄小的過濾器在相當(dāng)于碳煙承載量為3 g/L的壓力降下，也能使NO_x排放量減少20%以上。

Xu等利用簡(jiǎn)單注入法制備了鈰-錳/二氧化鈦（Ce-Mn/TiO₂）催化器，并優(yōu)化了Ce的含量，以獲得優(yōu)良的低溫活性和耐硫能力。發(fā)現(xiàn)20%是Ce的最佳涂載量，能在140～260 ℃的溫度范圍內(nèi)使標(biāo)準(zhǔn)SCR的轉(zhuǎn)換效率大于90%。當(dāng)排氣中SO₂存在100～200 mg/L時(shí)，轉(zhuǎn)換效率有所下降，尤其是在溫度較低時(shí)更為明顯。Ce含量為20%的催化器在切斷SO₂的情況下其活性大部分能得以恢復(fù)，除非SO₂濃度非常高。

新的銅-SCR催化器對(duì)“負(fù)荷跳變”的響應(yīng)也比較好?！柏?fù)荷跳變”的特征是負(fù)荷突然增加的瞬變過程，通常與氣流速度高和發(fā)動(dòng)機(jī)排出的NO_x高、O₂和NO₂濃度高，以及溫度低等情況有關(guān)聯(lián)。Geisselmann等在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)這種負(fù)荷跳變時(shí)的NO_x排放情況進(jìn)行了比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，銅-SCR催化器與鐵基和釩基催化器相比，呈現(xiàn)出了超優(yōu)的性能。

鐵-沸石也具有良好的NO_x轉(zhuǎn)換效率，尤其是在有足夠NO₂存在的情況下更是如此（快速SCR）。另外，N₂O的排放量要比銅-SCR催化器的低。因此，鐵-銅混合SCR催化系統(tǒng)可能是實(shí)現(xiàn)NO_x排放最少化的較好解決方案。Pauly在配置DOC和上游催化型DPF的6.7 L發(fā)動(dòng)機(jī)上對(duì)含25%的鐵和含75%的銅的催化器進(jìn)行了試驗(yàn)。在WHTC熱態(tài)試驗(yàn)循環(huán)下，當(dāng)SCR進(jìn)口的氣體中含有55% NO₂時(shí)，N₂O的排放量大致減少了一半，并且NO_x的轉(zhuǎn)換效率也稍有提高。

尿素SCR在較低溫度（200 ℃以下）下的反應(yīng)通常會(huì)受到低溫尿素噴射問題的制約。之前介紹過的氣態(tài)氨噴射系統(tǒng)就是一種可行的方案，能使尿素噴射溫度向低延伸到100 ℃。Wilson和Hargrave提出了一種能在較低溫度下制備氨的新系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了1個(gè)附加的反應(yīng)器，能利用尾管的熱量通過壓力控制將尿素分解成氣態(tài)氨和CO₂，并能將冷凝水中的混合物溶解，使之形成氨基甲酸銨溶液。該溶液被儲(chǔ)存在一個(gè)容器內(nèi)，以備在低溫尿素噴射受阻時(shí)使用。氨基甲酸銨溶液在較低溫度下會(huì)分解出NH₃。

3.4 NO_x吸附器

為了解決冷起動(dòng)時(shí)的NO_x排放問題，LNT和PNA正在與SCR催化器一起使用。LNT在濃氣狀態(tài)下還會(huì)生成氨，這有利于被動(dòng)SCR系統(tǒng)的工作。下面介紹這些技術(shù)的最新進(jìn)展。

Wylie等測(cè)定了VW公司1臺(tái)1.6 L 2017年型Passat轎車的尾管排放量，該車配置的排氣后處理系統(tǒng)由DOC、過濾器上的SCR、SCR和ASC組成。按WHTC試驗(yàn)時(shí)，NO_x排放量為60 mg/km，而總排放量和城區(qū)RDE試驗(yàn)的排放量低于40 mg/km，已輕松地達(dá)到了現(xiàn)行的歐6排放限值。有人認(rèn)為，為了滿足未來排放法規(guī)的要求，LNT將會(huì)越來越多地取代DOC。在歐洲Artemis試驗(yàn)循環(huán)下，采用配置NO_x逃逸催化器（NSC）、過濾器上的SCR和SCR的后處理系統(tǒng)時(shí)，NO_x的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了96%，而當(dāng)采用電加熱NSC時(shí)，NO_x的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提高到了99%。

Jung等改進(jìn)了商品LNT的催化劑配方，以生成更多的NH₃供下游SCR使用。為了使低溫NO_x儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)換效率，以及NH₃生成量與硫耐受能力之間實(shí)現(xiàn)良好的平衡，有人對(duì)OSC（儲(chǔ)氧催化劑）、鋇含量、貴金屬涂載量和鉑/銠比進(jìn)行了優(yōu)化。為了提高低溫反應(yīng)活性，鋇的總含量比商品LNT的含量有所減少，而OSC的含量則有所增加。有人開發(fā)了一種雙涂層結(jié)構(gòu)，其中與氣體接觸的頂層涂覆較多的OSC。另外，還增加了銠的含量，并沿基板長度方向設(shè)置涂層區(qū)。在1臺(tái)4缸1.6 L柴油機(jī)上對(duì)這種催化器進(jìn)行了試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)將銠涂層設(shè)在后面區(qū)域時(shí)，能獲得最佳的NO_x轉(zhuǎn)換效率和NH₃生成量。在WLTC工況下，單獨(dú)使用LNT時(shí)NO_x的綜合轉(zhuǎn)換效率為約80%。在WLTC試驗(yàn)循環(huán)下，附加的下游被動(dòng)SCR僅使NO_x的轉(zhuǎn)換效率提高了6%，而在RTS95試驗(yàn)循環(huán)下，NO_x的轉(zhuǎn)換效率則提高了18%。在RTS 95試驗(yàn)循環(huán)中，LNT的反應(yīng)活性比較低，NH₃生成量較高，二者相結(jié)合增加了SCR在該試驗(yàn)中的重要性。

Toops等報(bào)道了在提高DOC低溫活性方面取得的進(jìn)展。在評(píng)估貴金屬-基催化器時(shí)發(fā)現(xiàn)，只含鉑配方的催化器老化后的T90溫度（轉(zhuǎn)換效率達(dá)到90%時(shí)的溫度）要比鉑-鈀雙金屬催化器的低。另外，添加10%～30% SiO₂能使表面積增加和點(diǎn)火溫度降低。雙床結(jié)構(gòu)的Pd/ZSM-5催化器后緊接1個(gè)Pt/PdSiO₂-ZrO₂核-殼催化器，能產(chǎn)生特別好的反應(yīng)活性。分別測(cè)定了催化器在新鮮狀態(tài)下，在800 ℃老化50 h后及在300 ℃下用5 mg/L SO₂進(jìn)行5 h硫酸化處理后的點(diǎn)火溫度。在老化后和硫酸化處理后，CO和HC的T90提高了40 ℃。最終，CO的T90為177 ℃，HC的T90為218 ℃。

研究人員開發(fā)了一種同時(shí)具備ASC和DOC功能的新型混合催化器，包含了多個(gè)涂層，內(nèi)層為氧化NO用的貴金屬涂層，與排氣接觸的是SCR 涂層。這種催化器面臨的挑戰(zhàn)是要在有氨存在的情況下保持較高的NO₂濃度。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的試驗(yàn)顯示，這種催化器與傳統(tǒng)ASC相比，能在300 ℃多生成25%～30%的NO₂，對(duì)氨的抑制作用極小，并且不會(huì)影響N₂O的選擇性。Geisselmann等的試驗(yàn)也指出，在氨/NO_x比為0.6、NO₂/NO_x比為40%時(shí)，以及在氨/NO_x比為1.0、NO₂/NO_x比為25%時(shí)，氨的抑制作用就會(huì)顯現(xiàn)。

DOC正面堵塞會(huì)導(dǎo)致背壓增加，Nakano等對(duì)這些堵塞沉積物的來源進(jìn)行了研究。他們將沉積物中的化合物與柴油機(jī)排氣中的化合物作了比較。結(jié)論是，沉積物一部分來自發(fā)動(dòng)機(jī)排氣，一部分來自催化器正面入口處的不完全氧化物。他們將一個(gè)商品Pt/Pd DOC的貴金屬涂載量增加10倍進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)催化器出現(xiàn)了明顯的堵塞和壓力降增加，因此他們指出，需要通過優(yōu)化貴金屬的涂載量來解決這一問題。

DPF和DOC已經(jīng)有近20年的使用歷史，已是相當(dāng)成熟的技術(shù)，然而，進(jìn)一步提高其性能對(duì)于實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)仍然是很有價(jià)值的。

Sskota等報(bào)道了為增強(qiáng)再生能力而改進(jìn)的銀-基氧化催化器。通過優(yōu)化催化劑的表面覆蓋度以及銀顆粒尺寸與銀表面積的比率改善了碳煙與催化劑的接觸，因而實(shí)現(xiàn)了快速再生。為了在水熱老化期間阻止銀顆粒燒結(jié)，添加了釹（Nd），能使顆粒物的氧化速率提高約10%。為了防止催化器和過濾器在再生時(shí)產(chǎn)生高溫，提出了一種在過濾器后端20%部分不設(shè)置涂層的新涂覆方式。在600 ℃和碳煙承載量為10 g/L的情況下進(jìn)行降速至怠速的試驗(yàn)時(shí)，最高溫度從1 000 ℃下降到了900 ℃，而且沒有影響到顆粒物的燃燒速率。在車輛上試驗(yàn)時(shí)顯示，這種新催化器和涂覆技術(shù)使再生時(shí)間減少了32%。

Petersson等強(qiáng)調(diào)指出，為了滿足歐6 實(shí)際使用試驗(yàn)的排放一致性要求，需要改善過濾器的孔穴結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)過濾能力。在1臺(tái)配置排氣后處理系統(tǒng)的歐6d發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了實(shí)際行駛條件下的排放試驗(yàn)。在過濾器已承載碳煙的情況下，車輛在公路上行駛時(shí)顆粒數(shù)排放量有所增加。該問題已通過采用較小孔穴的過濾器得到了解決。

在美國將輕型車顆粒物排放標(biāo)準(zhǔn)收緊到3 mg/mile的情況下，及時(shí)診斷過濾效率或過濾器（DPF和GPF）的完好度顯得十分重要。Sappok等稱，采用射頻傳感技術(shù)能夠解決這一需求。通過拆除過濾器上的端塞進(jìn)行了采用射頻技術(shù)的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，使碳煙以O(shè)BD限值5.25 mg/mile）的50%～200%的數(shù)量級(jí)向外逃逸。發(fā)現(xiàn)射頻信號(hào)的變化能十分靈敏地反映過濾效率和碳煙累積的微小變化。該技術(shù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，還能監(jiān)測(cè)已承載碳煙的SCR過濾器中氨的儲(chǔ)存量。另外，有人正在研究用該技術(shù)來觀測(cè)催化器老化過程中介電特性的變化，以檢測(cè)催化器的老化狀態(tài)。

6.1 汽油機(jī)顆粒排放物研究

健康影響研究所（HEI）發(fā)表了一份關(guān)于空氣污染對(duì)全球人類健康影響的報(bào)告。該報(bào)告指出，全世界95%人口居住的地區(qū)，其環(huán)境中的顆粒物濃度都超過了世界衛(wèi)生組織確定的PM 2.5小于10 μg/m3的指導(dǎo)線。從全球來看，PM 2.5顆粒物導(dǎo)致了約410萬人死亡。近年來，汽油直噴車輛的市場(chǎng)份額不斷增加，因此，人們擔(dān)憂汽油車的顆粒物排放量會(huì)高于配裝DPF的柴油車的顆粒物排放量。

研究表明，燃油中的芳烴含量增加與顆粒物排放量增加之間存在確定的因果關(guān)系。Yang等按LA92試驗(yàn)循環(huán)測(cè)定了5臺(tái)獲得Tier3排放標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的2016—2017年型汽油直噴車輛的尾管排放量。結(jié)果顯示，當(dāng)燃油中的芳烴含量從20%增加到29%時(shí)，顆粒物質(zhì)量排放量和碳煙排放量大約增加了1倍。

為了解決顆粒物排放問題，研究人員正通過改進(jìn)噴油器來改善空氣-燃油的混合。提高噴油壓力和改進(jìn)噴油器噴孔的幾何形狀能減小油滴直徑、油束貫穿距，以及減少氣缸和活塞的燃油濕壁。對(duì)1臺(tái)6缸3.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)按WLTC試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行的試驗(yàn)顯示，與原先的20 MPa噴油器相比，采用35 MPa噴油器時(shí)顆粒數(shù)排放量減少了30%。研究人員目前正在探索用50 MPa以上的噴油壓力來進(jìn)一步降低顆粒物的排放。

采用氣道噴油與汽油直噴相結(jié)合的模式，以及采用GPF是降低顆粒物排放的另一種途徑。Kwak等介紹了在1臺(tái)3.5 L V6渦輪增壓汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)上采用這種雙噴油系統(tǒng)的試驗(yàn)研究情況。在低轉(zhuǎn)速/低負(fù)荷區(qū)域和節(jié)氣門全開的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域采用汽油直噴，在怠速和部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)采用氣道噴油，在中等負(fù)荷區(qū)域采用汽油直噴與氣道噴油相結(jié)合的模式。在FTP試驗(yàn)循環(huán)下運(yùn)行時(shí)，當(dāng)冷卻液溫度達(dá)到50 ℃和80 ℃時(shí)開始啟用氣道噴油，結(jié)果使顆粒物排放量分別減少了67%和47%。

稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)能提高燃油經(jīng)濟(jì)性，但也需要控制它的顆粒物排放。在一次研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將1臺(tái)2.0 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)從理論空燃比汽油直噴的燃燒模式轉(zhuǎn)換成稀氣分層燃燒模式時(shí)，顆粒物排放有所增加。在稀氣均相燃燒的情況下，顆粒物排放有所下降，但23 nm以下的顆粒物濃度較高。

根據(jù)研究結(jié)果，混合動(dòng)力車中發(fā)動(dòng)機(jī)排出的顆粒物要比純內(nèi)燃機(jī)車輛排放的顆粒物來得高。Niizato等探討了混合動(dòng)力車特有的因發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁低溫起動(dòng)產(chǎn)生的顆粒物排放問題。Yang等按RDE試驗(yàn)規(guī)程測(cè)定了國六汽油直噴混合動(dòng)力車和氣道噴油混合動(dòng)力車的顆粒物排放。這兩臺(tái)車都沒有達(dá)到歐6d規(guī)定的顆粒數(shù)排放限值（一致性系數(shù)要求CF=1.5）。在城區(qū)行駛時(shí)顆粒數(shù)排放量特別高，這與發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁的瞬態(tài)運(yùn)行有關(guān)。氣道噴油混合動(dòng)力車在城區(qū)行駛時(shí)的顆粒物排放量占了總排放量的82%。在發(fā)動(dòng)機(jī)重新起動(dòng)的間隔期內(nèi)，排氣溫度下降了20～70 ℃，這就會(huì)導(dǎo)致因催化器冷卻而引起的較高的顆粒物和氣態(tài)污染物排放。

Scharf等指出，先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定策略和排氣后處理系統(tǒng)有助于減輕插電式混合動(dòng)力車和輕度混合動(dòng)力車顆粒物和氣態(tài)污染物排放偏高的態(tài)勢(shì)。這些標(biāo)定策略包括：（1）針對(duì)高功率冷起動(dòng)的情況優(yōu)化瞬態(tài)噴油正時(shí)；（2）在延長的減速運(yùn)轉(zhuǎn)階段后限制發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩，并依靠電動(dòng)機(jī)來補(bǔ)充扭矩；(3)通過調(diào)整噴油參數(shù)來故意生成碳煙或通過減少再生來形成碳煙層，籍此來提高GPF 的過濾效率。

6.2 GPF

為了滿足排放法規(guī)對(duì)車輛尾管顆粒數(shù)排放的要求，歐洲和中國已開始在汽油機(jī)排氣后處理系統(tǒng)中增加GPF。下面介紹GPF技術(shù)的最新進(jìn)展。

在歐盟和中國進(jìn)行的道路試驗(yàn)表明，GPF能在整個(gè)使用壽命期內(nèi)保持可靠的性能。研究人員用兩臺(tái)配裝無活性涂層緊耦合GPF 的1.2 L汽油直噴C級(jí)車輛在歐洲進(jìn)行了道路試驗(yàn)，用一臺(tái)配裝車身下有活性涂層GPF的2.0 L渦輪增壓汽油直噴SUV車輛在中國進(jìn)行了道路試驗(yàn)。在車輛達(dá)到中間累計(jì)里程時(shí)，按WLTC測(cè)定了這兩種車輛的顆粒數(shù)排放量。這兩項(xiàng)試驗(yàn)的結(jié)果顯示，累積的灰分能夠提高GPF的過濾效率，因此，在24萬km的總行駛里程內(nèi)，顆粒物排放量呈持續(xù)下降的態(tài)勢(shì)，最終，顆粒數(shù)排放量低于法規(guī)要求的限值。

Liu等測(cè)定了無涂層和有活性涂層過濾器在兩種碳煙承載情況下的過濾效率和背壓的變化。過濾效率會(huì)隨著空間速度增加而降低。例如，以50 nm的顆粒物為例，當(dāng)空間速度從12 000 h^-1增加到120 000 h^-1時(shí)，無涂層過濾器的過濾效率從90%下降到了40%，有涂層過濾器的過濾效率也隨著涂層涂載量的增加而降低，這是由于孔穴率減小進(jìn)而導(dǎo)致過濾面積減小的緣故。然而，在有少量碳煙（10～20 mg/L）存在的情況下，有涂層過濾器的過濾效率要比無涂層過濾器的過濾效率來得高。當(dāng)有灰膜存在時(shí)，過濾效率會(huì)進(jìn)一步提高。估計(jì)行駛3 000 km后的積灰量所起的過濾作用約能占到過濾效率的30%～70%，具體情況取決于涂層的涂載量和顆粒的尺寸。當(dāng)有灰分存在時(shí)，碳煙堆積引起的壓力降比較小，因?yàn)榛夷ぷ柚沽松顚舆^濾。

24臺(tái)車輛/過濾器的測(cè)量結(jié)果顯示，平均積灰量為18 mg/km，在16萬～24萬km的車輛使用期內(nèi)，估計(jì)GPF的總積灰量為30～70 g。對(duì)17只經(jīng)受不同行駛里程使用后的GPF進(jìn)行了CT掃描。結(jié)果顯示，灰分主要沿過濾器通道分布。即使GPF經(jīng)受16萬km行駛里程的使用，灰分的堵塞長度也只有4～10 mm，而且在內(nèi)壁沒有發(fā)現(xiàn)任何灰分，這表明灰分的逃逸極少。

Jang等用1個(gè)催化型GPF代替1臺(tái)1.6 L汽油直噴車輛上的緊耦合或車身下的TWC，按照FTP-75、US 06和WLTP試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行了排放試驗(yàn)。結(jié)果顯示，在所有試驗(yàn)循環(huán)下，車身下GPF的過濾效率（77%～86%）要比緊耦合GPF的過濾效率（20%～34%）高得多。緊耦合GPF中的氣流不均勻還可能會(huì)阻止均勻碳煙層的形成，而均勻碳煙層有利于過濾效率的提升。但是，23 nm以下的顆粒物排放量仍然很高，尤其是在高車速行駛時(shí)更是如此。在US 06試驗(yàn)循環(huán)中和WLTC試驗(yàn)循環(huán)的高車速部分，85%以上的顆粒排放物為小于23 nm的顆粒物。這可能是由于這些行駛工況下產(chǎn)生的高溫（600 ℃以上）導(dǎo)致碳煙再生和碳煙膜瓦解的緣故。在歐洲，人們正在討論是否要將法規(guī)限制的顆粒物尺寸降至10 nm的問題，顯然，為了對(duì)這些超細(xì)顆粒物的排放和控制有更好的了解，還需要做更多的工作。

孔穴的設(shè)計(jì)和活性涂層的位置選擇將能在權(quán)衡高轉(zhuǎn)換效率與低壓力降之間的關(guān)系中起到?jīng)Q定性作用。Koei等利用有涂層過濾器壁的X射線斷層掃描圖像，計(jì)算了壁內(nèi)和壁面的涂載量分布情況。對(duì)氣流分布和CO氧化的模擬分析顯示，壁內(nèi)的涂載量對(duì)于低壓力降是理想的，因?yàn)殚_放的孔穴能使過濾器壁具有很高的滲透性。然而，這還與未反應(yīng)的CO逃逸有關(guān)，因此，預(yù)料壁內(nèi)涂層的反應(yīng)活性不如壁面涂層的好。

根據(jù)層析成像數(shù)據(jù)和過濾模型進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)數(shù)字重建正在成為一種有效的分析工具，它能深入觀察過濾器的孔穴形態(tài)及其對(duì)過濾效率的影響。Gong等利用這一技術(shù)進(jìn)行的研究顯示，一種壁內(nèi)呈異質(zhì)孔穴結(jié)構(gòu)且通道壁面附近具有較高孔穴率的過濾器，能夠通過限制顆粒在壁內(nèi)的貫穿來達(dá)到較高的過濾效率和較低的壓力降（與過濾器壁呈均質(zhì)孔穴的情況相比）。

在環(huán)境氧濃度較高時(shí)切斷燃油對(duì)于GPF被動(dòng)再生是一種可行的運(yùn)作方式。Boger等對(duì)可能會(huì)導(dǎo)致再生過程中產(chǎn)生高溫而需要保護(hù)過濾器的狀況進(jìn)行了評(píng)估。在一系列碳煙承載量（0～5 g/L）和初始溫度（610～675 ℃）下，對(duì)一種有三效催化劑涂層的高孔穴率GPF進(jìn)行了切斷燃油的試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，GPF的碳煙承載量每增加1 g/L，其最高溫度就會(huì)提高60～100 ℃。利用模擬的方法在更寬廣的碳煙承載量和初始溫度范圍內(nèi)進(jìn)行了分析，并觀察了氣流速度產(chǎn)生的影響。結(jié)果如圖10所示，過濾器的最高溫度出現(xiàn)了兩種不同的變化態(tài)勢(shì)。

在較低的初始溫度（700 ℃以下）條件下，過濾器的最高溫度受到碳煙氧化速率的制約，且過濾器的最高溫度隨初始溫度增加呈非線性狀態(tài)增加。在較高的進(jìn)口溫度下，過濾器的最高溫度隨進(jìn)口溫度增加呈線性狀態(tài)增加，并會(huì)受碳煙量的制約。一種簡(jiǎn)化的模型可以用來揭示這種現(xiàn)象，并且還能用來識(shí)別可以使用或避免使用切斷燃油的工作條件。

各種實(shí)現(xiàn)主動(dòng)再生的途徑也在研究之中。Achleitner等對(duì)兩種技術(shù)途徑進(jìn)行了研究。采用推遲點(diǎn)火和二次空氣噴射使GPF的溫度提高到了600 ℃以上，并觀測(cè)了其對(duì)CO和NO_x排放的影響。二次空氣噴射與推遲噴油相比，在城市行駛條件下前者引起的CO₂增加量要低很多，僅為3.4%，而后者引起的CO₂增加量則為33%。

對(duì)于混合動(dòng)力車的碳煙管理，可能需要給予專門的考慮。Rose等在道路上對(duì)1臺(tái)渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)車輛和1臺(tái)插電式混合動(dòng)力車的排氣狀況進(jìn)行了比較試驗(yàn)，這兩臺(tái)車輛都搭載1.5 L汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)和改裝的車身下安裝的有涂層GPF。與汽油直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)車輛相比，插電式混合動(dòng)力車由于減速時(shí)能量回收會(huì)使排氣中的氧含量明顯降低。另外，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)排氣會(huì)冷卻下來，因而混合動(dòng)力車GPF位置的溫度比較低。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后負(fù)荷從零提高到60%時(shí)，GPF的溫度可能與顆粒數(shù)的排放峰值有關(guān)聯(lián)。在車輛以70 km/h的平均車速行駛了3 500 km后，在以上兩種情況的綜合影響下，GPF中累計(jì)產(chǎn)生了3.5 g碳煙。這表明，配裝GPF的插電式混合動(dòng)力車可能需要采取主動(dòng)碳煙管理的措施。相反，渦輪增壓汽油直噴車輛上的過濾器則可以在切斷燃油過程中進(jìn)行碳煙被動(dòng)再生。

最新研究證實(shí)，氣道噴油發(fā)動(dòng)機(jī)也會(huì)產(chǎn)生很高的顆粒物排放量。這一驗(yàn)證結(jié)果對(duì)于中國尤為重要，因?yàn)橹袊皇侵灰笃椭眹姲l(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到顆粒數(shù)排放限值，而是要求所有的發(fā)動(dòng)機(jī)都必須實(shí)現(xiàn)顆粒數(shù)排放達(dá)標(biāo)。Czerwinski等測(cè)定了4臺(tái)氣道噴油發(fā)動(dòng)機(jī)車輛的尾管顆粒數(shù)排放量。這4臺(tái)車輛中，1臺(tái)配裝4缸1.2 L發(fā)動(dòng)機(jī)，1臺(tái)配裝4缸1.4 L發(fā)動(dòng)機(jī)，1臺(tái)配裝2缸0.9 L渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，還有1臺(tái)為搭載4缸1.2 L發(fā)動(dòng)機(jī)的混合動(dòng)力車。在穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)情況下，當(dāng)最高車速為90 km/h時(shí)，0.9 L發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒數(shù)排放量要比其他發(fā)動(dòng)機(jī)的高出2個(gè)數(shù)量級(jí)，而1.2 L發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛在怠速時(shí)的顆粒物排放水平最差。在WLTC試驗(yàn)循環(huán)中，除了混合動(dòng)力車外，所有車輛的顆粒物排放量都超過了6×10¹¹/km。在加裝了無涂層和有涂層的GPF后，車輛尾管的顆粒物排放量都能降低到限值以下。Martini的試驗(yàn)顯示，氣道噴油發(fā)動(dòng)機(jī)車輛排出的顆粒物中72%為小于23 nm的顆粒，相比之下，汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)車輛排放的小于23 nm的顆粒物僅為20%。另外，當(dāng)環(huán)境溫度從23℃降至-7 ℃時(shí)，氣道噴油發(fā)動(dòng)機(jī)車輛的顆粒物排放量增加了1.8～6.2倍，在不加裝GPF的情況下，這樣高的排放量肯定會(huì)超過6×10¹¹/km的顆粒數(shù)排放限值。

有明確的證據(jù)表明，多環(huán)芳香烴碳?xì)浠衔铮≒AH）與汽油機(jī)的碳煙有關(guān)聯(lián)。在對(duì)7臺(tái)汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)車輛和1臺(tái)配裝DPF的柴油車進(jìn)行的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，汽油直噴車隊(duì)排放的有遺傳毒性的PAH要比柴油車的高出6～40倍。預(yù)計(jì)加裝GPF能使碳煙吸附的PAH有所減少，而采用催化型過濾器則能進(jìn)一步使蒸汽狀PAH減少。這種情況已由Yang等試驗(yàn)得到了證實(shí)，從2臺(tái)2016年型汽油直噴車輛排出的排氣中檢測(cè)到了若干種致癌的氣態(tài)、顆粒狀和硝酸化的PAH。用催化型GPF替代車身下安裝的TWC后，這些組分的排放量明顯減少。如圖11所示，顆粒狀PAH減少了97%～99%，氣態(tài)PAH減少了54%～61%，硝酸化PAH減少了56%～92%。

圖11  催化型GPF替代車身下安裝的TWC(PAH總量減少了97%以上)

6.3 三效催化器

鑒于排放法規(guī)的收緊和混合動(dòng)力車要獲得更高標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證，估計(jì)至少在未來10年內(nèi)對(duì)催化器的需求仍將保持穩(wěn)定的態(tài)勢(shì)。Mital等預(yù)測(cè)，在2030年之前貴金屬的使用會(huì)保持穩(wěn)定或稍有減少。隨著汽油機(jī)的燃油效率不斷提高，排氣溫度越來越低，因此，需要改善催化劑的低溫活性。考慮到小型化汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的崛起，以及它呈現(xiàn)的像氣道噴油發(fā)動(dòng)機(jī)那樣的高負(fù)荷排氣狀態(tài)，催化器的高溫耐久性還需要進(jìn)一步提高。

減少冷起動(dòng)排放是最大的挑戰(zhàn)，而單獨(dú)依靠增加貴金屬涂載量來解決這一問題是不可行的。Kim等在4臺(tái)SULEV 30超低排放車上對(duì)貴金屬涂載量為2.9～6.9 g/L的催化器進(jìn)行了比較試驗(yàn)。結(jié)果顯示，在貴金屬涂載量最大時(shí)，催化器的NO_x點(diǎn)火溫度僅從229 ℃降低到了211 ℃。他們還探討了各種可能的改進(jìn)途徑，包括采用氧化鈰基的TWC來儲(chǔ)存NO_x，使之在隨后的高溫下釋放和轉(zhuǎn)換，采用HC收集器，以及采用新的TWC設(shè)計(jì)來解決切斷燃油后催化器被氧飽和而引起的NO_x逃逸問題。

Zhang等指出，增加貴金屬涂載量有助于達(dá)到未來的國六排放標(biāo)準(zhǔn)，但收效會(huì)遞減。在1臺(tái)1.5 L汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)上用緊耦合TWC和車身下TWC進(jìn)行的試驗(yàn)表明，在催化器老化后，基底材料前端的貴金屬涂載量必須從20 g/ft³增加到40 g/ft³才能使總HC排放量降低到目標(biāo)限值以下。但是，再進(jìn)一步增加貴金屬涂載量并沒有多大好處。CO和NO_x的排放量則能輕松地降低到它們各自的限值以下。為了控制顆粒物的排放，用1只具有涂層的催化型GPF代替了車身下安裝的TWC（二者的貴金屬含量相同），結(jié)果使尾管的顆粒數(shù)排放量降低到4×10¹⁰/km，比法規(guī)限值低了1個(gè)數(shù)量級(jí)。研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)指出，大部分排放物是在冷起動(dòng)過程中出現(xiàn)的，這正是要提高催化器總體轉(zhuǎn)換效率必須進(jìn)一步研究的問題。

為了降低TWC的點(diǎn)火溫度，人們正在研究新的催化劑配方。Theis等開發(fā)了一種新的催化劑配方，它能在催化器老化后使所有組分（CO、HC和NO_x）的T90(達(dá)到90%轉(zhuǎn)換效率時(shí)的溫度)下降至300 ℃以下。有人采用單層鋯和鈦對(duì)一種二氧化硅-氧化鋁（礬土）載體進(jìn)行了改性，這種改性的載體即使在最高溫度達(dá)960 ℃、含水10%的空氣中老化50 h，仍然具有很好的反應(yīng)活性。這是對(duì)以前研究成果的改進(jìn)。以前的研究認(rèn)為，純鋯和純鈦活性涂層的熱耐久性較差。優(yōu)化研究顯示，與商品TWC相比，采用0.5%銠-8%鈦和0.6%銠-15%鋯配方的TWC，其性能得到了很大的改善(T90降低)，如圖12所示。發(fā)現(xiàn)鈦和鋯在這樣的濃度下，能夠?qū)崿F(xiàn)單層覆蓋的。0.5%～0.6%的銠含量也是最佳的。據(jù)推測(cè)，銠濃度較低時(shí)活性區(qū)較小，而銠濃度較高時(shí)則會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)增加。這兩種催化器在氧化所有組分時(shí)（除了C₃H₈之外）呈現(xiàn)出良好的耐硫酸能力。在含鋯的催化器中，即使在高溫脫硫后，對(duì)C₃H₈的轉(zhuǎn)換效能也不會(huì)得以恢復(fù)，而在含鈦的催化器中，其轉(zhuǎn)換性能則可以得到恢復(fù)。

通過采用新的催化劑配方，氧的儲(chǔ)存量也在不斷提高。Chinzei等開發(fā)了一種燒綠石二氧化鈰-氧化鋯儲(chǔ)氧催化劑（OSC）材料，它的比表面積比傳統(tǒng)的OSC材料的比表面積小。較小的比表面積有助于降低銠的影響和氧化，并有助于提高NO_x的轉(zhuǎn)換效率。采用一種新的催化器孔穴形成技術(shù)后，提高了孔穴的連通性，降低了孔穴的擴(kuò)散阻力。在US06試驗(yàn)循環(huán)的硬加速工況運(yùn)行時(shí)，該催化器的NO_x轉(zhuǎn)換效率有所提高，同時(shí)，使用的貴金屬含量減少了33%。

三效催化器的化學(xué)反應(yīng)是十分復(fù)雜的過程，因而人們廣泛采用建模的方式來預(yù)測(cè)其排放。隨著研究的不斷推進(jìn)，人們會(huì)繼續(xù)增進(jìn)對(duì)TWC化學(xué)機(jī)理的深入了解。

注：用老化的催化器在空間速度SV=30 k/h時(shí)進(jìn)行了反應(yīng)器試驗(yàn)。采用0.5%銠-8%鈦涂層的催化器其所有組分的T90都低于300 ℃，并且還具有較好的脫硫性能（圖中未顯示）。

6.4 HC捕集器

HC捕集器是減少冷起動(dòng)排放的一種解決方案。Lupescu等對(duì)4種不同的HC捕集器配方進(jìn)行了反應(yīng)器試驗(yàn)和車輛運(yùn)行試驗(yàn)。用1臺(tái)搭載2.0 L自然吸氣汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的2012年型FordFocus車按FTP試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行了試驗(yàn)。HC捕集器安裝在車身下方位置，采用了捕集性能較好的大孔穴沸石。這4種催化器的鈀、OSC和其他活性金屬的含量各不相同。OSC含量與貴金屬涂載量無關(guān)，而OSC能抵消貴金屬涂載量減少時(shí)產(chǎn)生的任何影響。芳烴和烯烴是冷起動(dòng)過程中生成量最多的組分，這4種HC捕集器的性能差異較大與其對(duì)儲(chǔ)存的甲苯和芳烴的轉(zhuǎn)換效率有關(guān)，這種轉(zhuǎn)換通常需要有較高的氧化溫度。盡管所有HC捕集器的排放都是針對(duì)冷起動(dòng)時(shí)要求的HC和NO_x轉(zhuǎn)換效率來改進(jìn)的，但面臨的挑戰(zhàn)是要控制發(fā)動(dòng)機(jī)升溫后儲(chǔ)存組分的釋放狀態(tài)。但NO_x排放是個(gè)問題，在整個(gè)FTP試驗(yàn)循環(huán)中，所有HC捕集器（優(yōu)化的HC捕集器除外）的NO_x排放量都有所增加。利用實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器對(duì)甲苯轉(zhuǎn)換效率提高的詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行了研究。觀察結(jié)果顯示，沸石中存在鈀能產(chǎn)生更強(qiáng)的化學(xué)吸附機(jī)制，有助于在TWC活性較強(qiáng)時(shí)在較高的溫度下釋放甲苯。鈀能經(jīng)受得住高溫?zé)Y(jié)，添加了一種賤金屬穩(wěn)定劑后，即使在嚴(yán)酷的老化后仍能使捕集器保持穩(wěn)定的性能。采用優(yōu)化的催化劑時(shí)，在FTP試驗(yàn)循環(huán)下HC排放降低了50%，并且對(duì)NO_x排放沒有影響。

根據(jù)Endo等人的研究，HC捕集器可以安裝在TWC后面的緊耦合位置使用，以便采用更高的沸石涂載量和獨(dú)立控制解吸附過程中各組分的氧化過程。但是，由于鋁會(huì)從沸石架構(gòu)中離解出來，因而捕集器的性能會(huì)明顯變差。為此，他們用磷酸鋯對(duì)沸石進(jìn)行了改性處理，結(jié)果顯示，在950 ℃下經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)老化50 h后，捕集器仍能保持穩(wěn)定的吸附和氧化性能。

Rao等人對(duì)1臺(tái)2 L渦輪增壓汽油直噴車輛在冷起動(dòng)期間排放的HC組分進(jìn)行了研究。在FTP試驗(yàn)循環(huán)的第1個(gè)100 s時(shí)間內(nèi)，60%以上的HC為芳烴與C₅組成的化合物，而且甲烷排放也很高。目前研發(fā)的捕集器還不能解決這些問題。傳統(tǒng)的沸石在溫度接近215 ℃時(shí)就會(huì)使甲苯解吸附，而在該溫度下TWC不能發(fā)揮充分的活性。為此，研究了幾種新的沸石配方，其中有一種配方的效果較好，其解吸附溫度提高到了350 ℃。

Moser等人對(duì)1臺(tái)部分零排放車（PZEV）混合動(dòng)力車的排放性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。該車輛配裝的排氣后處理系統(tǒng)由TWC、HC捕集器和被動(dòng)SCR組成，其中的SCR能依靠TWC產(chǎn)生的氨來工作。為了驗(yàn)證后處理裝置的耐久性，進(jìn)行了10 000 mile和150 000 mile的車輛行駛試驗(yàn)。即使在經(jīng)歷了150 000 mile的行駛試驗(yàn)后，后處理系統(tǒng)仍能達(dá)到SULEV 30規(guī)定的排放限值，尾管的NMHC和NO_x總排放量分別為5.5 mg/mile和22 mg/mile。在進(jìn)行10 000 mile和150 000 mile的試驗(yàn)過程中，HC捕集器呈現(xiàn)出了可靠的性能，可以使HC和NO_x的排放量分別降低了約5 mg/mile和約17～20 mg/mile。在150 000 mile的試驗(yàn)中，SCR使NO_x排放量降低了約5 mg/mile，由于上游HC捕集器的吸附作用會(huì)導(dǎo)致可用的氨減少，因而SCR的性能受到了制約。

6.5 甲烷氧化催化器

通過以上介紹的研究表明，甲烷的轉(zhuǎn)換仍然是現(xiàn)代排氣后處理系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)之一。研究顯示，對(duì)于理論空燃比天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，在稍濃于化學(xué)計(jì)量值的平均空燃比附近實(shí)施稀/濃混合氣交替運(yùn)行時(shí)，能達(dá)到較高的甲烷轉(zhuǎn)換效率。Ferri等對(duì)一種含氧化鋁（礬土）、鈰和氧化鋯的商品鈀-TWC的甲烷轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了研究。在穩(wěn)態(tài)理論空燃比運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，即使在600 ℃溫度下，也沒能實(shí)現(xiàn)甲烷完全轉(zhuǎn)換。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，以稍濃的混合氣（例如l=0.992）為中心實(shí)施稀-濃混合氣交替運(yùn)行時(shí)，能使甲烷的轉(zhuǎn)換效率明顯提高，而NO_x的轉(zhuǎn)換效率則要比CH₄的轉(zhuǎn)換效率低。稀-濃混合氣交替的幅值要比交替的頻率更為重要。

Xi等的研究顯示，TWC中有儲(chǔ)氧組分存在時(shí)，能擴(kuò)大稀-濃混合氣交替運(yùn)行帶來的好處。在實(shí)驗(yàn)室按照模擬的理論空燃比天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣狀態(tài)，測(cè)定了一種TWC和一種鈀基氧化催化器600 ℃時(shí)的CH₄和NO_x的轉(zhuǎn)換效率。在5 Hz的稀-濃混合氣交替頻率下，在濃混合氣區(qū)運(yùn)行時(shí)這兩種催化器的轉(zhuǎn)換效率均為100%。當(dāng)以0.2 Hz的較低頻率進(jìn)行稀-濃混合氣交替運(yùn)行時(shí)，TWC的轉(zhuǎn)換效率比氧化催化器的轉(zhuǎn)換效率高。TWC中的儲(chǔ)氧組分有助于使?jié)饣旌蠚膺\(yùn)行時(shí)的高轉(zhuǎn)換效率延伸到稀混合氣運(yùn)行區(qū)后保持幾秒鐘。

Keenan等介紹了利用臭氧來增強(qiáng)甲烷低溫氧化功能的新方法。用實(shí)驗(yàn)室氣體和Fe-BEA商品SCR催化器進(jìn)行了試驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)室條件下，在220 ℃時(shí)最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了60%。生成物包括CO₂和CO。當(dāng)溫度在120 ℃以下時(shí)，轉(zhuǎn)換效率為零，當(dāng)溫度在300 ℃以上時(shí)，轉(zhuǎn)換效率降至20%。該方法的成功應(yīng)用將需要在車輛上儲(chǔ)備或制備臭氧，但是，這些初步結(jié)果表明，該項(xiàng)技術(shù)是頗具前景的。

6.6 稀燃汽油機(jī)NO_x控制

如前“汽油機(jī)技術(shù)”一節(jié)所述，1臺(tái)3.5 L發(fā)動(dòng)機(jī)采用氣道噴油與米勒循環(huán)相結(jié)合的稀燃運(yùn)行模式，能使燃油耗降低18%。但該發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度較低（300℃以下），這對(duì)于NO_x轉(zhuǎn)換是一個(gè)挑戰(zhàn)。在部分負(fù)荷稀燃運(yùn)行時(shí)采用激進(jìn)的EGR能限制發(fā)動(dòng)機(jī)本身的NO_x排放。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用的排氣后處理系統(tǒng)由以下裝置組成：（1）TWC與NO_x儲(chǔ)存催化器的緊耦合組合；（2）汽油機(jī)氧化催化器，（3）處理顆粒物的GPF；（4）帶尿素噴射系統(tǒng)的下游SCR。該后處理系統(tǒng)依靠被動(dòng)SCR與主動(dòng)SCR的相互結(jié)合來處理排氣，在濃混合氣狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，用TWC產(chǎn)生的NH₃供被動(dòng)SCR使用，在下游SCR前噴射的尿素用于主動(dòng)NO_x控制。

Clasen等使1臺(tái)配裝先進(jìn)渦輪增壓器的2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)在l=2.0的空燃比下實(shí)現(xiàn)了正常運(yùn)行。視負(fù)荷情況而定，該發(fā)動(dòng)機(jī)自身的NO_x有效比排放量在1～8 g/（kW·h）之間變化。在整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)，TWC進(jìn)口的排氣溫度均高于250 ℃。在低負(fù)荷時(shí)，TWC出口的溫度則隨著空燃比變化而增加，這是由于HC排放增加和TWC放熱反應(yīng)的緣故。

Toops介紹了一種改善稀燃汽油機(jī)氨生成和儲(chǔ)存能力的策略。當(dāng)在試驗(yàn)循環(huán)的第1個(gè)200 s時(shí)間內(nèi)使SCR預(yù)先充入NH₃時(shí)，排放會(huì)有所改善。在溫度太高而無法儲(chǔ)存NH₃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)就以l=0.97和l=0.99的空燃比（而不是理論空燃比）運(yùn)行。最后，當(dāng)NO_x逃逸量超過10 mg/L時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)以濃混合氣模式代替稀氣均相燃燒模式運(yùn)行。在6工況穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)下，該策略有效地使發(fā)動(dòng)機(jī)的稀氣運(yùn)轉(zhuǎn)比率從91%降至62%，盡管使燃油耗的收益從10%降到了6%，但是發(fā)動(dòng)機(jī)還是能符合Tier3 Bin30標(biāo)準(zhǔn)的要求。CO排放量仍然是允許限值的1倍。Toops等還用一種改進(jìn)的催化器研究了氨生成的詳細(xì)機(jī)理，這種催化器由TWC和更耐硫酸的NO_x儲(chǔ)存催化器組合而成。用反應(yīng)器進(jìn)行的研究顯示，NH₃的生成不僅要依靠H₂，而且還要通過CO、HC與NO_x的反應(yīng)來完成。

Takeori等人提出用一種“三件式”后處理系統(tǒng)來處理稀燃汽油機(jī)的NO_x和HC排放。對(duì)各種傳統(tǒng)商品催化器的不同組合進(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管LNT的NO_x轉(zhuǎn)換效果很好，但HC排放仍然是個(gè)問題。對(duì)排氣成分的分析表明，稀燃過程中產(chǎn)生的石蠟特別多，傳統(tǒng)TWC很難將其轉(zhuǎn)換，尤其是低濃度石蠟更難轉(zhuǎn)換。要抑制這種情況則與氧被吸附有關(guān)，因此通過增加涂層的酸性來減少氧被吸附，并使氧可用于反應(yīng)。研究人員開發(fā)了一種包含兩個(gè)涂層的新催化器：上涂層用于HC氧化，下涂層用于吸附和還原NO_x。如圖13所示，該催化器添加在緊耦合位置和車身下位置，能有效地轉(zhuǎn)換石蠟。在緊耦合位置還使用了一個(gè)傳統(tǒng)TWC，用來應(yīng)對(duì)理論空燃比運(yùn)行時(shí)的冷起動(dòng)排放問題。在車輛上進(jìn)行的初步試驗(yàn)顯示，在某個(gè)限定的瞬態(tài)行駛工況下，該催化器的轉(zhuǎn)換效率非常高。

7.1 排放法規(guī)

世界各主要國家正以更快的步伐和更嚴(yán)的要求實(shí)施汽車燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)和溫室氣體排放標(biāo)準(zhǔn)。歐洲第1套重型車排放標(biāo)準(zhǔn)和收緊的輕型車排放標(biāo)準(zhǔn)已接近最終定稿。一旦最終定稿，新的重型車排放標(biāo)準(zhǔn)將要求大型卡車到2025年應(yīng)實(shí)現(xiàn)CO₂排放量比2019年的水平減少15%，到2030年減少30%。新的輕型車排放標(biāo)準(zhǔn)將要求到2030年車輛尾管的CO₂排放量比2020年的水平減少37%以上。

對(duì)于污染物的排放，加利福尼亞州正在對(duì)重型車排放法規(guī)作出重大更改，以更好地解決低負(fù)荷和實(shí)際行駛中的NO_x排放問題。提議的低NO_x排放法規(guī)草案要求車輛尾管的NO_x排放量比現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)降低高達(dá)90%。一種低負(fù)荷專用卡車的試驗(yàn)循環(huán)正在開發(fā)之中，今后新車將要求按這種新增的試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行排放達(dá)標(biāo)認(rèn)證。正在討論的其他法規(guī)措施還包括修改OBD、保用期和實(shí)際使用的試驗(yàn)規(guī)范。美國環(huán)境保護(hù)署還通過“清潔卡車倡議”公布了要降低重型卡車NO_x排放的意圖，有跡象表明，美國將有可能在全國實(shí)行統(tǒng)一的排放法規(guī)。

在輕型車領(lǐng)域，歐洲的RDE法規(guī)已經(jīng)最終定稿，現(xiàn)在歐洲正在把注意力轉(zhuǎn)向歐7排放法規(guī)。相關(guān)部門正在提出各種領(lǐng)先的立法思路，包括制訂燃油標(biāo)準(zhǔn)，降低一致性系數(shù)，將23 nm以下的顆粒物納入考核標(biāo)準(zhǔn)，在0 ℃以下的環(huán)境溫度下的試驗(yàn)規(guī)范，制訂諸如氨、N₂O和甲醛等組分的排放標(biāo)準(zhǔn)。

其他國家大多參照美國和歐洲的排放法規(guī)框架，再根據(jù)各自的國情作相應(yīng)的修改后制訂出本國的排放法規(guī)。中國公布了“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”行動(dòng)計(jì)劃，以及一整套旨在加快采用清潔空氣技術(shù)的舉措。中國政府鼓勵(lì)某些城市，甚至比國家的時(shí)間表提前實(shí)施排放法規(guī)，并要求更換掉老舊的車輛。印度正在制訂符合本國車速低和環(huán)境溫度高等實(shí)際情況的本土版RDE試驗(yàn)循環(huán)。巴西已發(fā)布了新一輪輕型車和重型車排放標(biāo)準(zhǔn)，并將于2020年開始正式實(shí)施。這些標(biāo)準(zhǔn)類似于歐6排放標(biāo)準(zhǔn)，但輕型車的允許排放限值將從2025年到2030年進(jìn)一步收緊。

7.2 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

研究表明，車輛采用先進(jìn)內(nèi)燃機(jī)與不同程度的電氣化相結(jié)合是有可能達(dá)到未來燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)的。OEM采取的技術(shù)對(duì)策顯示，存在能使內(nèi)燃機(jī)效率提高20%～30%的技術(shù)。這些技術(shù)途徑包括諸如可變壓縮比、停缸運(yùn)行、輕度混合動(dòng)力、以及采用阿特金森或米勒循環(huán)在內(nèi)的現(xiàn)已商業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)。先進(jìn)的技術(shù)則包括低溫和稀氣燃燒，以及火花輔助壓燃。另外，正在探索的技術(shù)有：采用噴水來消除燃油加濃以改善燃油經(jīng)濟(jì)性和排放。柴油機(jī)繼續(xù)保持燃油耗比汽油機(jī)低15%～20%的優(yōu)勢(shì)，首份RDE工況公共數(shù)據(jù)顯示，可以將NO_x排放量控制到遠(yuǎn)低于法規(guī)限值的水平。

主要OEM通過超級(jí)卡車Ⅱ計(jì)劃繼續(xù)使重型車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率不斷提高。其共同課題是改進(jìn)燃燒和進(jìn)排氣管理、隔熱和保溫、輕度混合動(dòng)力、優(yōu)化排氣后處理系統(tǒng)，以及廢然回收利用。改善車輛的空氣動(dòng)力學(xué)水平，以及減輕質(zhì)量和減少滾動(dòng)阻力也是正在研究的課題。

7.3 稀NO_x控制

為了達(dá)到加利福尼亞州提出的重型車低NO_x排放標(biāo)準(zhǔn)，人們正在對(duì)各種排氣后處理系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)估。所有后處理系統(tǒng)的共同目標(biāo)是通過采用SCR催化器來降低冷起動(dòng)和低負(fù)荷時(shí)的排放。這些后處理系統(tǒng)包括采用緊耦合SCR、雙SCR、氣態(tài)和加熱氨噴射，以及SCR與過濾器的一體化。其他策略包括加快排氣升溫的熱管理措施和采用被動(dòng)NO_x吸附器。這些技術(shù)措施可以通過不同的組合來工作，主要的區(qū)別是所需的燃油補(bǔ)償量有所不同，而為了達(dá)到第2階段溫室氣體排放要求，必須使這種燃油補(bǔ)償降到最少。

RDE試驗(yàn)的數(shù)據(jù)表明，新的輕型車柴油機(jī)在實(shí)際使用中具有很好的排放性能。人們正在提出各種應(yīng)對(duì)歐6后排放法規(guī)的解決方案，包括發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)與采用先進(jìn)排氣后處理系統(tǒng)相結(jié)合的技術(shù)途徑。SCR催化器的低溫反應(yīng)活性正在不斷改善，并且在900℃老化后仍能保持可靠的性能。

未來的挑戰(zhàn)是要在CO₂排放最少或最佳的情況下，以及在滿足后處理系統(tǒng)耐久性要求的情況下，以較好的成本效益來達(dá)到超嚴(yán)的排放要求。

7.4 汽油機(jī)排放控制

研究人員在改善三效催化器點(diǎn)火性能方面取得了一些進(jìn)展。提出了幾種新的催化劑配方，能使老化后的催化器在300 ℃下使CO、HC和NO_x的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到90%。這一改進(jìn)對(duì)于應(yīng)對(duì)收緊的排放標(biāo)準(zhǔn)十分重要，尤其是在排氣溫度隨著發(fā)動(dòng)機(jī)效率提高而下降的情況下更是如此。

汽油機(jī)排放控制的焦點(diǎn)是要加快采用先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和GPF，以應(yīng)對(duì)歐洲和中國的顆粒數(shù)排放標(biāo)準(zhǔn)。研究表明，進(jìn)氣道噴油汽油車的顆粒物排放量也會(huì)超過法規(guī)限值，尤其是在下一輪法規(guī)要求的條件下更會(huì)超過排放限值，如較低的環(huán)境溫度和計(jì)入23 nm以下的顆粒物的情況下。而混合動(dòng)力車和插電式混合動(dòng)力車因發(fā)動(dòng)機(jī)要反復(fù)起動(dòng)，顆粒物的排放量也會(huì)很高。GPF正在展現(xiàn)其可靠性能，有跡象表明，在各種排放法規(guī)的驅(qū)動(dòng)下，對(duì)GPF過濾效率的要求將會(huì)不斷提高。研究人員正在對(duì)各種過濾器的再生策略進(jìn)行評(píng)估。研究表明，采用切斷燃油的被動(dòng)再生措施能夠在大部分行駛條件下實(shí)施。采用催化型GPF時(shí)的有害氣體排放性能與采用TWC時(shí)的排放性能相當(dāng)或更好。某些研究指出，借助于恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，采用GPF不會(huì)導(dǎo)致燃油耗增加。