全球汽车排放控制的最新发展动向（下）

A.JOSHI

摘要：介绍了几种主要的技术方案，包括采用双尿素供给、创新的低温尿素喷射方案、停缸、先进的燃烧技术、动力总成电动化和天然气发动机等。在轻型车方面，实际行驶排放（RDE）标准似乎要想解决实验室与道路上行驶时NOx排放数据的差异，对该方面相关的数据进行了分析。目前，行业内正在对欧6后的排放法规展开讨论，探讨了新法规的可能变化和排气后处理系统的发展，焦点仍然是要减少冷起动排放。介绍了柴油机和汽油机冷起动排放的研究情况。欧洲和中国的颗粒数排放标准已促使汽油机颗粒过滤器（GPF）在这些地区被广泛应用。概要介绍了GPF技术的最新改进情况。随着排放法规的进一步收紧，对GPF过滤效率的要求将会提高，并且预计未来也会要求气道喷油发动机车辆采用GPF。

关键词：柴油机;过滤效率;颗粒物;灰分;燃油经济性

3 柴油机排放控制

3.1 轻型车的排放控制系统

最新的研究和认证数据表明，配置先进发动机和排气后处理系统的柴油机车辆在宽广的实际行驶条件下运行时排放是十分清洁的。Thewes等人比较了车辆在遵守欧6d排放法规前后的排放性能。如图6所示，在执行排放法规后，所有车辆的排放都明显降低。

欧6后排放标准提出进一步减少车辆排放的要求，欧洲正在促进柴油机不断地改进。Choi等人介绍了1款升级的新一代柴油机，它能在性能提高且不影响燃油耗的情况下满足未来的排放要求。这款发动机的改进措施包括：采用能使颗粒物排放减少10%的220 MPa喷油系统、改进涡轮增压器、减轻质量、采用双回路高低压废气再循环（EGR），以及能降低燃油耗和缩短催化剂点火时间的水冷式进气冷却器。采用的排气后处理系统由紧耦合稀燃氮氧化物（NOx）捕集技术（LNT）和柴油机颗粒捕集器（DPF），以及紧随其后的车身下选择性催化还原（SCR）系统组成。它有助于车辆满足欧6d的实际行驶排放（RDE）法规要求。为了使催化剂提早点火，通常需要采取燃油后喷，但这可能会导致燃油耗增加，尤其是在满足RDE法规要求时。

可以预料，柴油机在轻型车领域的份额会有所增加，尤其是在北美地区。对于轻型车而言，柴油机的燃油经济性明显要比汽油机的高20%～30%。因此，人们一直在推出新的柴油机。Verdino等人介绍了1款3.0 L直立6缸新柴油机的开发情况和性能。排气后处理系统按满足Bin 160排放限值的要求进行设计，包括高低压EGR、紧耦合柴油机氧化催化器（DOC）、一体式SCR/颗粒过滤器、下游SCR和氨逃逸催化器（ASC）。为了要在冷起动后180 s内实现碳氢（HC）和NOx的100%转换，采用了1种多次喷油的预热策略。

Kruger等人介绍了使1台已经符合欧6标准的车辆进一步实现NOx减排的技术路线。研究人员选择了1台配装1.7 L发动机的紧凑型轿车进行研究。目前采用的排气后处理系统包括：DOC、紧耦合SCR.颗粒过滤器、车身下安装的SCR和ASC。在符合欧6d RDE要求的15次试验运行中，测得的NOx平均排放量为13 mg/km。发动机的改进措施包括改进喷油系统和采用可变截面涡轮增压器，能使发动机自身的NOx排放量有所降低，并能使冷起动期间的排气热焓增加。为了应对瞬态和高速运行时的NOx逃逸，将车身下SCR和ASC的容积分别增加了2.6倍和2.2倍。增加排气在后处理系统中的滞留时间有助于达到更高的转换效率。由于采用了双尿素供给和混合器，因而为车身下SCR配置了1个专用的尿素供给系统。这些改变使车身下SCR的转换效率提高到了90%，并使尿素消耗量减少了20%。按照“ADAC BAB130”试验循环和内部制订的“挑战性试验循环”（这2种试验循环的要求均比现行RDE的高）运行时，NOx的转换效率进一步提高，因而使NOx排放量比已经很低的基准值降低了30%～60%。在以“走走停停”行驶状态为特征的“伦敦交通运输”城区试验循环下，CO和HC排放也有所减少。这证实了良好的热管理是改进的关键因素。研究人员正在研究用添加NOx储存催化器的办法来进一步减少排放的可能性。

Demuyuck等人配置了1台带先进排气后处理系统的48 V P0结构柴电混合动力车并进行了试验，以证明能在城区低车速和公路高车速行驶状态下实现超低NOx排放。发动机的排量为1.5 L，它符合RDE欧6b前的排放标准。排气后处理系统包括：LNT、低热质量SCR和紧耦合安装的有SCR涂层的颗粒过滤器、后接的车身下SCR和ASC。在2个SCR系统的上游配置了双尿素供给系统和1套闭环控制软件，并采用了高低压EGR控制。轻度混合动力系统为排放控制带来了一些好处。例如：主动热管理有利于催化剂点火、LNT的不间断再生和应对瞬时大扭矩产生的NOx。主动热管理和推迟后喷油能使紧耦合SCR的温度快速上升，因而能在全球统一的轻型车试验规程（WLTP）试验循环下允许尿素喷射比基准状态提早300 s。在几种不同的试验循环下进行了试验，这些试验循环覆盖了宽广的行驶状态。按RDE试验时，城区行驶的尾管NOx排放量为31 mg/km，总NOx排放量为20 mg/km。即使在低车速的伦敦交通运输试验循环下，尾管的NOx排放量也只有48 mg/km。在城区行驶（低于30 km/h）到高速公路行驶（高于100 km/h）的宽广车速下，NOx的减排率为84%。

Christmann介绍了在另1台P0结构轻度混合动力车上进行的试验研究。他探索了采用主动方法和被动方法来减少涡轮散热和加快催化器预燃的可能性。被动方法主要是改善隔热，而主动方法则是使涡轮旁通和将排气后处理部件移到涡轮增压器的上游。Lindemann等人对布置在涡轮前的排气后处理系统的性能进行了评估。他们评估的对象是1台48 V柴电轻度混合动力车样车，柴油机的排量为2.0 L。该车将DOC和一体式SCR/颗粒过滤器安装在涡轮增压器前，在涡轮后还配置了1个附加的车身下SCR，并为它单独为配置了尿素供给系统。试验发现，在整个WLTP试验循环中，这种涡轮前催化系统导致涡轮的热焓损失了4%。为此，他们采用了1个11 kW的电辅助增压器来补偿热焓损失。他们还对电加热DOC和发动机加热措施进行了评估。结果发现，为了使车辆在各种试验循环（包括低负荷城市行驶循环）下都能达到低于35 mg/km的NOx排放量，采用電加热和发动机加热方式是必需的。与1台参比的48 V混合动力车相比，催化系统安装在涡轮前能减少主动热管理的负担，并能使CO2排放量减少6%～19%。

停缸技术正在引起轻型车和重型车领域的关注，因为它的优点是能减少燃油耗和提高排气温度，后者能使NOx的转换效率提高。动态停缸允许个别气缸根据要求的扭矩实施逐个停缸。Scassa等人评估了轻型车柴油机采用这种技术的好处。他们针对1台配装2.0 L发动机的C级SUV车辆进行了模拟研究。该车辆配置的排气后处理系统为：DOC、一体式SCR.颗粒过滤器、车身下SCR，以及高低压EGR。研究发现，燃油耗会随着传热损失和泵气损失减少而降低，而在低负荷和高转速运行时，燃油耗会有所增加。模拟显示，当发动机在平均有效压力（BMEP）为0.1 MPa、转速为3 000 r/min的工况下运转时，燃油耗降低高达24%。视运转工况而定，涡轮后的温度能提高25～130 ℃。在RDE试验循环下，这些改进措施能使燃油耗降低2%～4%，NOx排放量能减少14%。研究人员还对48 V P0结构轻度混合动力车的协同效应进行了评估。结果显示，燃油耗能额外降低2%～3%。

3.2 重型车的NOx排放控制系统

要在燃油耗不增加的情况下实现NOx再减少90%，这并不是1件轻松的事。这需要对发动机和排气后处理系统作重大改进。Tennison指出，为了达到0.02 g/（hp·h）①的NOx排放量，要求在联邦试验规程（FTP）试验循环的冷态和热态试验阶段运行时，NOx的转换效率分别达到97.0%和99.3%，即使在发动机自身的NOx排放量降低的情况下也是如此。对于如此高的要求，可采用的技术路径和它们的可行性存在更大的不确定性，尤其是在要求增加使用寿命、引入新的低负荷试验循环和排放分析方法更改为欧洲移动平均窗口法的情况下更是如此。因此，研究人员正在探索各种降低NOx排放的策略。

排放控制制造商协会发表了1份白皮书，详细介绍了为满足加利福尼亚州空气资源局（CARB）和美国环境保护署（EPA）提出的NOx减排目标而采用的各种策略。该白皮书汇总了17年来重型车发动机在FTP试验循环下测得的 NOx和CO2排放量EPA认证数据（图7）。这些数据凸现了当今发动机排放水平的进步，不少发动机的NOx排放量已达到了低于0.1 g/（hp·h）的水平，即排放量要比认证限值低50%，其中有些发动机甚至还达到了2027年型第二阶段专用车发动机的温室气体（GHG）排放限值。数据的趋势还显示，2010年以后，在较严的排放法规推动下，随着先进技术的引入，CO2和NOx的排放量均逐年有所下降。

该白皮书对各种减排的技术选项作了详细探讨。其中指出，除了改进基底材料（薄壁，低热质量等）、催化剂（提高SCR转换效率、热耐久性等）和封装技术（保存热量）等措施以外，采用以下技术既能减少NOx排放，又能减少GHG排放：（1）在低转速运转时，利用涡轮增压器和EGR的旁通为排气后处理系统提供排气的热量。（2）停缸能使发动机在效率较高的工况下工作，同时被停气缸的进排气门关闭后能消除泵气损失和避免冷空气进入排气。对1台中型车发动机进行的测功器台架试验显示，在0.3 MPa以下开始停缸时，按FTP试验循环运行时的燃油经济性降低了3.4%～8.7%（具体下降量与发动机标定有关）。在货运车试验循环下，视运转模式而定，燃油经济性能改善4%～35%。另外，保持工作气缸更好地工作并使之产生更多的热量，能使排气后处理系统更早激活。在低负荷试验循环下运行时，停缸的时间为试验循环时长的60%，因而能使涡轮出口温度明显升高（25～50 ℃），这有利于试验循环中大部分工况下的尿素供给。（3）采用48 V轻度混合动力系统能通过发动机部件的电气化来减轻发动机的负荷，并能通过制动能量的恢复来减少损失。（4）采用通过气态氨供给和尿素加热供给的低温下的先进尿素供给方式，可以将尿素喷入加热的催化器中来实现尿素加热，也可以将尿素喷嘴加热来帮助尿素快速雾化。

白皮书还对各种先进的排气后处理系统进行了评估，包括配置双尿素供给SCR催化器的后处理系统，以及采用带DOC和碳烟再生催化剂的单区涂层颗粒过滤器后处理系统。评估结果显示，即使在发动机标定参数和尿素供给剂量不优化的情况下，采用这些后处理系统时，车辆在热态FTP下运行时的尾管NOx排放量接近于0.02 g/（hp·h）。另外，N2O的排放量为0.015 g/（hp·h），比第二阶段GHG排放限值0.1 g/（hp·h）的要低85%。考虑到N2O对全球变暖的潜在影响，可以采用较低的N2O排放量作为交换来实现GHG的排放达标。研究人员对1种配置单个SCR的传统排气后处理系统进行了建模研究。结果显示，增加SCR的容积和采用先进的氨逃逸催化器是有效的手段，它能使综合FTP试验循环下的NOx排放量降低到0.02 g/（hp·h）。这表明采用当今已经商用化的后处理系统是有可能达到2024年型车0.05 g/（hp·h）的排放目标的。

Sharp介绍了美国西南研究院试验验证计划取得的一些结果。他们针对1台颇具市场代表性的Cummins X15发动机开展了试验研究。除了修改发动机标定参数外，还对关键硬件作了更改，包括采用停缸技术和添加EGR冷却器旁通。在冷态FTP试验循环下运行时，这些改变能使排氣更快地热起来，在50 s内能使涡轮出口温度达到250 ℃，并且不会导致CO2排放增加。评估后最终选择的排气后处理系统由以下部件组成：1个后端有涂层并带ASC的SCR、1个带DOC和碳烟再生涂层的DPF，以及2个并联的SCR和ASC组合，布置结构如图8所示。图8还给出了采用该后处理系统时，在各种试验循环（包括新的低负荷试验循环）下达到的NOx和CO2排放量。在综合FTP试验循环下，NOx排放量不到0.020 g/（hp·h），而在低负荷试验循环下，NOx排放量达到了0.064 g/（hp·h），比前者高出了3倍。同时，综合FTP试验循环和低负荷试验循环下的CO2排放量也减少了1.0%～1.5%。

研究人员正在考虑排气后处理系统的其他各种配置。Stephenson探讨了20多种排气后处理系统的配置组合，包括紧耦合SCR、一体式SCR.DPF、双尿素供给分区涂覆DOC的DPF、在第1只SCR前（甚至在第2只SCR前）设置DOC、在SCR和DPF前各装1个DOC。上面提到的停缸技术也能在这些后处理系统中起到杠杆辅助作用。初步试验表明，在宽广的负荷和转速范围内，停缸能使发动机的排气温度达到500 ℃以上的目标值。

Singh等人介绍了为模拟排气后处理系统而开发的几种经验模型和应用情况。利用试验室获得的发动机数据，研究人员绘制了SCR转换效率随催化器温度和空间速度而变化的曲线，并利用模型观察了后处理部件的性能随排气温度升高而改善的情况。促使排气温度升高的方法有：更好地隔热、使SCR更靠近发动机、采用一体式SCR.DPF。对于传统的DOC+DPF+SCR的后处理系统，在FTP试验循环下排气温度升高30 ℃能使SCR的转换效率提高25%。研究人员对1种在DOC上游添加1只SCR的后处理系统进行了模拟分析。预测结果显示，在冷态FTP试验循环下，能使NOx的转换率和尾管排放量分别达到97.9%和007 g/（hp·h）。在热态FTP试验循环下，二者分别能达到99.9%和0.005 g/（hp·h）。Harris和Gardner采用建模方式评估了改善热管理及其对后处理系统NOx转换率的影响。该后处理系统由DOC+DPF+SCR组成。模型的输入参数为1台13 L涡轮复合增压发动机的排放参数。预测表明，采用隔热和缩短下游管路产生的效果最小。当减少后处理系统的热质量时，能起到更实质性的作用。将DOC和DPF的壁厚分别从4 mil减少到2 mil和从12 mil减少到8 mil时，DOC和DPF的长度减少了20%，净质量分别减轻了59%和45%。SCR的进口温度在90 s内能达到200 ℃，从而能使冷起动后300 s内的NOx排放量减少高达25%。为了评估添加1只紧耦合SCR的效果，Harris等人进行了另1项建模研究。他们以1台配装DOC、DPF和SCR的欧6发动机作为分析对象，探索了紧耦合SCR相对于涡轮增压器的最佳位置。从转换效率和安装位置的角度来看，SCR设置在涡轮后是最佳的。试验人员还利用模型研究了开环状态下DEF供给剂量和NH3储存的控制策略。后者能实现更高的NOx转换效率，尽管必须通过控制NH3的储存目标来限制NH3逃逸。增加SCR的容积和NH3储存用的涂层是提高NOx转换率的有力手段。

Carlson等人探讨了动态停缸技术在重型车发动机上应用的潜力。针对1台6缸7.7 L柴油机，研究人员进行了模拟研究。该发动机配装了高压EGR和由DOC、DPF、SCR和ASC组成的后处理系统。模拟显示，按FTP试验循环运行时，CO2排放量减少了35%，同时NOx排放量也减少了50%。研究发现，在低负荷试验循环下效果更好，CO2和NOx排放量分别减少了9%和77%。NOx排放量减少主要是由于排气温度升高而使SCR转换效率提高的缘故。

NOx排放量认证值达到0.02 g/（hp·h）的天然气发动机已在市场上有售，并且相关技术还在继续改进。Li等人测定了1台垃圾清运车和1台城际大客车的排放，这2台车辆均配装了理论空燃比火花点燃8.9 L天然气发动机和三效催化器（TWC）排气后处理系统。在一系列试验循环（包括冷态和热态EPA城市测功器行驶循环（UDDS），码头边、本地和区域运输车的负荷循环，以及城际大客车和垃圾清运车行驶循环）下进行了试验。在这些试验循环下，NOx排放量均达到了002 g/（hp·h）或更低的水平。事实上，在某些试验循环下，NOx排放几乎为“零”，因为大气中的NOx濃度已高于发动机排气中的NOx浓度。即使在码头边运输车试验循环下，NOx排放量也小于0.02 g/（hp·h），而柴油机在这样的低负荷下运转时是很难达到SCR所需的高排气温度的。试验发现，其他气态排放物（包括甲烷）的排放量均低于认证限值。颗粒物的质量排放量也比10 mg/（hp·h）的限值低90%。但是，在某些试验循环下，颗粒数排放量则达到了1.0×1012/mile，至少要比柴油机配置DPF时的颗粒数排放量高出1个数量级。有些颗粒都是成核的颗粒，其中直径10～20 nm的颗粒浓度最高。Johnson介绍了另外2台天然气发动机的排放情况，1台是NOx排放量认证值为0.02 g/（hp·h）的12 L发动机，另1台是NOx排放量认证值为0.1 g/（hp·h）的6.7 L发动机。在一系列试验循环（包括低负荷试验循环）下，这2台发动机的NOx排放量均低于认证限值。但NH3的排放量是令人担忧的，要比柴油机的NH3排放量高出10～40倍。同时，颗粒数排放量也比配置DPF的柴油机的排放量高20倍，并超过了欧洲的颗粒数排放限值。

研究人员还在探索各种先进的燃烧技术，以便将它们作为减少燃油耗和NOx排放的备选技术路径。Regner介绍了在1台8级3缸10.6 L长途运输车发动机上采用对置活塞二行程发动机技术的试验情况。试验的目标是要使CO2排放量比2017年GHG目标值低10%，同时还要要使NOx排放量达到0.02 g/（hp·h）。选择的排气后处理系统由紧耦合SCR、DOC、一体式SCR.DPF、SCR和ASC集成组合。模拟的预测结果显示，在综合FTP试验循环下，该排气后处理系统能使NOx排放量达到0.01 g/（hp·h）。NOx排放性能得到改善的原因之一是这些发动机能使排气快速热起来。Patil等人介绍了在1台3缸4.9 L研究发动机上获得的试验结果，在全球统一的重型车稳态试验循环（WHSC）下， 冷起动后100 s发动机的排气温度达到了250 ℃。为了满足BS6排放法规，他们对1种由DOC、催化型DPF、铜.SCR和ASC组成的排气后处理系统进行了模拟研究。预测结果显示，SCR的进口温度能在150 s内达到250 ℃，因而能提早供给尿素，并能在冷态起动WHSC试验循环下使NOx平均转换率达到98%。良好的NOx转换率为SCR的小型化创造了条件。模拟显示，即使SCR的容积减小60%，仍有可能使NOx排放量符合法规要求。

Andersson指出，可以将分开循环作为降低NOx的技术路线之一。将工作过程分摊给多个气缸能为排气后处理系统的高度整合提供1种途径。在燃烧气缸与膨胀气缸之间设置1个高压箱能使NOx实现均匀还原，高压箱中700 ℃以上的高温足以满足非催化SCR的需要。单缸试验表明，NOx转换率有可能达到80%。另一种途径是利用膨胀气缸来实现尿素向氨的转换，以提早激发下游SCR的反应活性。

鉴于低NOx排放法规草案，要求将SCR使用寿命延长到800 000～1 000 000 mile，研究人员因此增强了对良好燃油品质的重视程度。燃油中的杂质会增加催化剂失去活性的风险，同时，燃油中的总灰分含量增加会使后处理系统的背压增加和使用寿命缩短。

3.3 NOx的选择性催化还原

SCR催化器正在不断改进。Kim等人指出，1种分区涂层SCR催化器能够扩展热液稳定性，同时还能保持Cu/LTA分子筛配方的低温活性。这种催化器由基底材料前端的Cu/LTA催化剂和后端的Cu/SSZ.13催化剂组成，这2种催化剂都用10% H2O在900 ℃下老化了12 h。在实验室的标准SCR条件下，Cu/LTA催化剂200 ℃时的NOx转换率为30%，而相比之下，Cu/SSZ.13催化剂的NOx转换率为10%。但是，在较温和的条件下老化时，这一优点则会丧失，而在680 ℃老化25 h时，商品催化剂Cu/SSZ.13的表现更好。因此，研究人员提出了上述能发挥各自长处的分区涂层方案。

考虑到重型车低NOx排放法规对使用寿命和质保的要求明显提高，Partridge等人介绍了他们正在进行的旨在了解SCR减活性过程的基础反应动力学研究。他们采用1种瞬态响应法测定了SCR反应开始时转换率的变化情况。该方法特别灵敏，因而能用它来获得反应动力学的详细机理和参数。同时，他们提出了1种铜氧化还原循环，并设定了反应动力学参数。未来的工作是要开发1个模型及了解催化剂配方的作用。该研究是1项多年的项目，目前只是该项目实施的第1年。

必须指出的是，应该避免在低于180 ℃的温度下供给尿素，因为这时会生成中间分解产物异氰酸（NHCO），并会形成沉积物。为此，人们正在开发各种方法以克服这一问题。Hartley等人提出的办法是，将草酸钛氨（1种能促使NHCO水解的催化剂）直接融入尿素.水溶液中，并添加1种表面活化剂来促进水蒸发。结果显示，尿素.水溶液中添加了这种新催化剂和表面活化剂后，在180 ℃下能使沉积物减少高达72%。他们还尝试了用车载反应器来解决这一问题。这种车载反应器能利用排气的废热将尿素转换成氨基甲酸脂溶液，并能在60 ℃的温度下分解出氨。Wilson等人在1台欧6乘用车样车上验证了这一技术。他们在高速公路和山区的行駛条件下测定了车辆的排放。在这2种行驶条件下，SCR的进口温度为200 ℃或更低，NOx的转换率也相当高。Okada等人进行了用电热塞来促进尿素在低温下分解的试验。试验在1台配装DOC、DPF和SCR后处理系统的6缸7.6 L发动机上进行。在低于180 ℃的温度下，用6只功率为70 W的电热塞来重整尿素。结果显示，该重整器产生的氨大于尿素供给量的90%。在各种负荷下的试验显示，在SCR进口温度为160 ℃时，NOx转换率达到了60%。Lasson等人采用1种新型生物特征泡腾喷射器来提高尿素溶液的温度。尿素溶液被储存在1个腔室内，并用16个电子棒加热器进行加热，以每小时1 kg尿素液流量匹配200 W的电力使尿素溶液的温度保持在160 ℃。喷射器喷出的喷束会崩裂成约20 μm的细小液滴。在喷射器与催化器之间设置和不设置混合器板的情况下，在1台配装SCR催化器（它的上游无其他催化器）的13 L重型车发动机上进行了试验。与商品催化器相比，由于这种喷射器的喷雾得到了改善，因而SCR能达到较高的转换率。

SCR与DPF一体化的好处是能提高温度和实现后处理系统的小型化。因此，预料该技术会在轻型车和重型车排气后处理中得到广泛应用。该技术的挑战是要控制好SCR反应和被动碳烟再生所需的NO2需求量。Rappe等人开发了1种选择性氧化催化剂，它能促使NO氧化成NO2，以用于快速SCR反应。他们选择了1种活性和耐久性较高的10% MnO2/ZrO2催化剂。在实验室中，他们将这种催化剂与SCR催化剂物理混合后进行了试验（前者含量为10%）。研究结果显示，在标准SCR条件下，NOx的转换效能明显增强，这表明在原位形成了快速SCR所需的NO2。他们还研究了这种催化剂的老化情况。研究结果显示，反应稳定性可以保持到650 ℃，但在800 ℃时反应活性明显减弱。

Robb等人探讨了将颗粒过滤器涂覆SCR催化剂的技术用于非道路移动机械时工程上需要考虑的问题。他们针对1台7.5 L发动机进行了模拟分析。该发动机配装了DOC和涂覆SCR催化剂的颗粒过滤器。SCR的总容积为发动机排量的3.6倍。通过模拟，探索了各种进口条件对SCR反应和碳烟再生所需NO2的敏感性，以及颗粒过滤器最终能达到的碳烟承载量。试验发现，碳烟的平衡点（碳烟进入过滤器和被动再生同时发生时留存下来的碳烟量）对碳烟/NOx比最敏感。其次是NOx/NO2比，最后是进入过滤器的排气温度。研究人员模拟分析了各种非道路移动机械（挖掘装载机、履带式拖拉机、挖掘机和农业拖拉机）在4种EPA非法规试验循环下的性能。结果显示，所有模拟对象的尾管NOx排放量均低于规定的限值。同时，模拟结果还显示，可以通过控制上述敏感因素来管理颗粒过滤器的碳烟承载量。

Hruby等人在进行非道路移动机械排放研究中指出，要防止催化器因暴露在高温下及因铂从DOC转移到下游SCR催化器而导致的NOx转换率下降。研究人员用1台4.5 L发动机在63 kW 和110 kW额定功率下按非道路移动机械试验循环（NRTC）和斜坡模式试验循环（RMC）进行了排放试验。对以下3种不同的排气后处理系统进行了试验研究：（1）DOC+纯DPF后接柴油机排气流（DEF）供给+SCR;（2）DOC后接DEF供给+一体式SCR/DPF+SCR;（3）DOC后接DEF供给+纯DPF+SCR。试验结果显示，所有这些系统都能符合规定的NOx和颗粒数排放限值，其中系统（2）的NOx转换率更高，尤其是在低温和低负荷下仍能达到较高的转换率。但是，系统（2）和（3）在额定功率稳态试验后性能有所下降。研究发现，NH3氧化是导致性能下降的原因。将系统（3）中的DPF移到DEF供给点的上游能使性能得以恢复。这些试验观察支持如下假设：DOC中丢失的贵金属可以被下游的颗粒过滤器捕获，这些贵金属会使NH3氧化，并会导致SCR性能损失。另外，他们还将SCR的进口温度提高到600 ℃进行了25 h的热老化试验。结果发现，系统（2）的尾管NOx排放量明显增加，尤其是在高温下进行RMC和额定功率试验时更是如此。对颗粒过滤器的观察分析发现，过滤器前端存在的铂要比后端的多。

3.4 DOC/NOx吸附器（PNA）/HC收集器

欧6后的轻型车排放法规、欧6e重型车排放法规和美国低NOx排放法规都把冷起动排放作为减排的焦点。行业正在考虑的NOx减排措施包括：提高DOC的转换率，将NOx和HC储存在稀NOx收集器（LNT）中，以及采用被动NOx吸附器（PNA）和HC收集器。

钯/沸石 （Pd/Zeolite）催化剂是PNA的主要候选材料。各种研究都把注意力集中在SSZ.13催化剂上，认为它是1种很好的选择。Szanyi等人测定了Pd/SSZ.13催化剂吸收和释放NO的情况，发现Pd的利用率对催化剂制备途径、Si/Al比和Pd涂载量非常敏感。当Si/Al比为 6时，Pd的原子分散度是最佳的。此时，每个Pd位点能吸收1 g分子的NO。采用原子分散法制备的催化剂具有较好的热液稳定性，在750 ℃下用水蒸气老化16 h后，性能损失20%。

Crocker还发现，与Pd/Beta结构分子筛（BEA）催化剂或Pd/CeO2催化剂相比，Pd/CHA催化剂具有更高的储存效率。NOx的储存与稀燃状态（柴油机）和理论空燃比状态（汽油机）下的氧浓度无关。但是，在其他情况下储存效率可能会下降。对Pd组分的研究显示，对NO吸附起主要作用的是Pd+离子，而不是Pd/PdO。

Toops等人在改进DOC与被动氮氧化物吸附器（PNA）组合方面进行的试验研究，他们的目标是要在150 ℃时达到90%转换率。DOC是1种ZrO2覆盖在SiO2上的核.壳型催化剂，而Pt/Pd则承载在ZeO2壳上。这种催化剂在800 ℃下经受10 h热液老化后，170 ℃时的CO转换率能达到90%。HC转换的反应率也很高，但要到250 ℃才能达到90%转换率。研究人员利用实验室反应器测定了1%离子交换Pd/SSZ.13催化剂的NOx储存能力，包括测定100 ℃时的NOx储存能力，以及紧随其后的解吸附情况。NOx储存能力会随着800 ℃老化后的重复运行次数增加而降低。ZSM.5催化剂与Pt/Pd SiO2.ZrO2核.壳催化剂组合能使NOx吸附量增加。

Harold等人介绍了最新的做法，目标是要在150 ℃下达到90%转换率，并要使先进发动机达到美国Tier3排放标准。他们探索了1种由PNA、HC收集器、DOC和SCR组成的排气后处理系统，选择的基本型PNA也是Pd/SSZ.13催化剂，它能使NOx/Pd的利用率达到100%，并能在200 ℃时释放NOx。他们将各种不同组合的气体输入HC收集器进行了试验，该HC收集器的基本配方是Pd/H.BEA。氧化催化器的基本配方是Pt/Pd/CeO2。试验结果显示，150 ℃时的转换率几乎达到了100%，但是，在这样低的温度下NO和HC的氧化是不小的挑战。

Sethuraman等人探讨了DOC与催化型颗粒过滤器的组合。这一技术措施能使后处理系统实现小型化，并有助于将SCR移到上游位置，以提高NOx转换率。他们对以下3种组合的系统进行了比较：（1）DOC+无催化涂层DPF;（2）DOC+有催化涂层DPF（铂系贵金属含量25%以上）;（3）DOC与有催化涂层DPF（铂系贵金属含量12%以上）组合成一体。该系统的容积减小了40%。发动机的稳态试验显示，系统3的氧化能力要比系统2的低，因为它的贵金属含量较少且催化器容积较小。但是，在350 ℃和碳烟承载量为5 g/L时，系统3的被动碳烟氧化更快，这是由于那些与催化材料接触的碳烟能更好地利用NO2来加快氧化的缘故。他们在配置下游SCR和ASC的情况下，按WHTC试验循环对系统进行了模拟分析。结果显示，由于系统3热质量减小，因而它能使系统更快地热起来，并允许提早60 s喷射尿素，它的NOx排放量要比其他系统的低33%。

3.5 柴油机颗粒物控制

DPF已被证实是1种有效的颗粒物控制技术，已在轻型车和重型车领域得到广泛应用。研究人员对几百台车辆进行的车队测量，显示大多数采用先进颗粒物控制技术车辆的。颗粒数排放量都小于2×104/m3，相当于10 μg/m3。鉴于主要城市的环境颗粒物浓度通常都在100 μg/m3，配置DPF的柴油机车辆是能够使环境空气保持清洁的。尽管如此，为了确保颗粒物排放达标，仍需要继续提高DPF的过濾效率。另外，重型车低NOx排放法规还提出要进一步将颗粒排放限值减少2倍，这也激励着人们对柴油机和汽油机颗粒排放控制技术的研究。

目前，研究人员与正在采用各种先进技术手段来了解和改善DPF的过滤性能和压力降。Cooper等人利用磁共振成像技术测定了纯DPF和有催化涂层DPF中的流场。他们测量了颗粒过滤器进出口的紊流扩散率。这是过滤器进出口处压缩和膨胀压力损失的1个直接度量。他们还测量了过滤器进出通道内的流速。这是摩擦损失的1个度量，它还能用来了解有催化涂层过滤器壁面渗透性的不均匀度。

Wang等人分析了DPF通道被堵塞进而导致过滤容积减少和背压明显上升的现象。他们采用改变碳烟/灰分比来加快灰分积聚的办法测定了DPF的压力降。研究人员利用成像技术观察了灰分的分布情况。在试验中，在碳烟/灰分比较高时，发现上游和中间通道位置的灰分沉积量较多。引起堵塞的可能原因是：碳烟量较多时会导致再生时温度较高和颗粒烧结。相反，在碳烟量较少时则会形成较大的灰团群，这些灰团群被传送到通道下游时会形成灰塞。Wang和Wong分析了灰分沿过滤器通道的分布情况。结果发现，过滤器通道中部形成的灰塞与较高的压力降有关，这与以前的研究结果相同。

除了采用DPF之外，研究人员还在进行减少发动机碳烟生成的研究。Mueller介绍了1种减少发动机碳烟生成的新方法“导管喷油法”。这种方法的理念是通过导管引入喷油来改善混合气的形成（图9）。导管能像本生灯那样促进良好混合，并能改善热场和速度场。在燃烧容器中进行的试验显示，在NOx不增加情况下碳烟明显减少，碳烟.NOx之间的均衡关系比传统柴油机的更好。

Svensson和Martin通过改变导管的长度（8～14 mm）和导管的安置距离（0.1～6.0 mm）研究了这些几何尺寸改变对碳烟减少程度的影响。发现安置距离较小和导管较长时，碳烟减少的效果最佳。

4 汽油机排放控制

4.1 汽油机颗粒物控制

在欧洲和中国，汽油机颗粒过滤器 （GPF）已实现了商业化应用。它已成为汽油直喷发动机排气后處理系统1个不可或缺的组件。鉴于欧7排放标准将会对所有车辆统一，并会对试验和排放达标提出更高的要求，预料GPF技术也会在气道喷油发动机上获得更多的应用。目前，人们继续在研究灰分对GPF性能的影响。Liu等人对1只空穴率为65%的纯GPF进行了承载氧化铝气溶胶人造灰分的试验。结果发现，灰分承载量为1.2 g/L时，GPF的过滤效率提高了30%。GPF对较小碳烟颗粒的过滤效率已经很高了，承载灰分时GPF对较大碳烟颗粒的过滤效率明显提高。他们还在各种认证试验循环下对1台配装GPF的2017年型2.3 L汽油直喷发动机进行了试验。在0.5 g/L和1.5 g/L 2种灰分承载量下（大致相当于行驶5 000～7 000 mile的积灰量）进行了试验。结果显示，发动机在FTP试验循环下运行时颗粒物排放量平均为2 mg/mile。GPF的过滤效率随着灰分承载量的增加而提高，在灰分承载量较高时，车辆尾管的颗粒物排放量能达到0.2 g/mile。GPF过滤效率提高与灰膜形成有关，因为灰膜能减少碳烟颗粒的渗透和阻止碳烟从过滤器壁逸出。

Xia等人用发动机快速老化的方法测定了有催化涂层GPF的耐久性。研究人员在1台采用有催化涂层GPF的1.6 L汽油直喷车上进行了试验，并开发了1种3段式加速老化方案，代表了因灰分、碳烟和热暴露而产生的老化状况。GPF承载的灰分为25 g/L，以模拟车辆行驶200 000 km的积灰情况。试验结果显示，在清洁状态时，GPF的过滤效率为75%，在老化结束时，过滤效率几乎提高到了100%。这再一次证实，GPF能确保车辆随着行驶时间的增加而变得更清洁。

Sterlepper等人探讨了灰分累积对过滤性能和气态排放物转换性能的影响。他们在燃烧器试验台上进行了使GPF快速承载灰分的试验。结果发现，清洁状态的过滤器效率为75%，在灰分承载量很少时（低于1 g/L），过滤效率就快速达到90%，当灰分承载量进一步增加时，过滤效率几乎达到了100%。灰分沿过滤器通道壁的沉积厚度从进口到出口呈逐渐增加的态势，几乎没有灰分进入过滤器壁的空穴。他们还进行了观察灰分与TWC相互作用的试验，结果如图10 所示。实测的氧储存能力随着灰分增加而减少。传统 TWC在遭受灰分时，它的氧储存能力会快速下降，而在相同的时间内，有催化涂层DPF的氧储存能力则没有明显减少。该研究的结论是：灰分是通过掩盖催化层和使催化剂中毒，进而阻止有害气体与催化剂接触来降低TWC活性的。采用有催化涂层的GPF时则可以避免催化剂涂层被灰分掩盖，因为有害气体会被迫通过过滤器薄壁，并使它们与催化剂保持良好接触。

在车辆减速时切断燃油会使排气中的氧浓度升高，因而促使碳烟氧化。Feng等人通过道路行驶试验测定了切断燃油时纯GPF和有催化涂层GPF的碳烟氧化速率。试验在汽油直喷和多点喷油发动机车辆上进行，GPF分别安装在车身下和紧耦合位置。在试验前，GPF承载了5 g/L的灰分，并通过车辆加速运行使GPF的进口温度达到550～850 ℃。在切断燃油后，测定了GPF的再生温度随进口温度和碳烟承载量变化的关系。研究人员用模拟的方法了解这些数据的变化趋势。模拟结果显示，在进口温度较低时（550～650 ℃），过滤器温度上升受到流体动力学的限制，而在进口温度较高时，碳烟质量会限制过滤器温度上升。有催化涂层GPF的温度上升幅度比较大，这可能是由于TWC发生附加放热反应的缘故。利用该模型，可以找到1个使GPF最高温度不超过故障极限的断油策略。

涂层技术的进步增强了催化剂对有害气体的转换效能。Schonhaber介绍了采用催化涂层增加30%或采用先进催化剂配方来提高TWC活性的试验结果。催化剂的改进包括降低HC和NOx催化剂的点火温度（降低50～75 ℃）和增强NOx的转换效能。

混合动力系统能改善车辆的燃油经济性，并且能在电动机驱动车辆时减少有害污染物的排放。然而，发动机起动次数增加会导致颗粒物排放增加。Yang等人测定了2台符合国六排放标准的混合动力车的实际行驶排放量，1台配装2 L汽油直喷发动机，另1台配装的是1.8 L气道喷油发动机。他们将排放测量结果与只采用内燃机的同一车型的排放值作了比较。2台混合动力车的颗粒数排放量都比较高，达到了1×1012/km，已高于欧洲和中国第六阶段的颗粒数排放限值。瞬态分析表明，颗粒数排放量与发动机起动次数及CO排放高相关。造成这一结果的主要原因是燃油加浓。令人更担忧的是，虽然气道喷油发动机的总颗粒数排放量比较低，但是在城区行驶时，它会因频繁的起动.停车而导致颗粒质量排放量比较高。他们分析了试验运行过程中的充电状态。得出的结论是：目前采用的只考虑燃油经济性的充电管理策略并不是最佳的办法，有待进一步改进。采用GPF也被视为是混合动力车的1个解决方案。Thoms等人进一步分析了混合动力车的颗粒物尺寸分布，发现只是在发动机冷起动时会出现成核状态的颗粒（约20 nm），而在热态起动时则不会产生这种颗粒。颗粒数排放总量对蓄电池的初始充电状态比较敏感，充电量低会导致发动机频繁起动，从而产生较高的颗粒物排放。

为了减少发动机自身的颗粒数排放量和改善GPF的性能，研究人员正在开展探索喷油系统对碳烟生成影响的基础性研究。Easter等人的研究发现，碳烟的形态和反应率会影响GPF的过滤性能和再生性能，而这又与喷油参数有关。他们在1台2 L汽油直喷涡轮增压发动机上进行了试验，测定了某个固定工况下以不同喷油正时运行时的颗粒物排放。试验结果显示，推迟喷油时生成的颗粒初始尺寸较小，且呈枝状结构。它们能使GPF产生较高的过滤效率。碳烟的反应率与喷油参数有关，早喷油时生成的碳烟燃烧速率比较低，这被假设为是灰分/碳烟比随喷油正时改变的缘故。

Bock等人观测了燃油品质和各种燃烧方式对发动机颗粒物排放和有催化涂层GPF过滤效率的影响。研究人员使1台2 L自然吸气汽油直喷发动机分别以理论空燃比燃烧、稀气均质燃烧和稀气分层燃烧的方式运行，采用7种具有不同芳香烃和乙醇含量的燃油进行了试验。燃用乙醇含量最高（50%）的燃油时，在高负荷下，以稀气均质燃烧方式运行时产生的颗粒物最多，而以稀气分层燃烧方式运行时产生的颗粒物最少。乙醇是通过较高的含氧量、较高的汽化热和芳香烃置换而生成颗粒物的。该试验结果表明，颗粒物生成对燃油成分和发动机运转工况是十分敏感的。在稀气分层燃烧时，当碳烟含量为25 mg/L时，GPF的过滤效率从清洁状态的60%快速提高到了95%以上，而在稀气均质燃烧时，过滤效率增加就没有这样快。过滤效率演变的差异与排气温度和颗粒尺寸分布有关联，而后者又与燃烧方式有关。研究人员发现，在235 ℃时就开始碳烟再生了。由于稀气均质燃烧时排气温度较高，而且颗粒的大小刚好能穿透过滤器壁，因而导致过滤效率较低。在稀燃状态下排气中有充裕的氧气，因而碳烟氧化能在较低的温度下发生，尤其是在有TWC涂层时更为明显。

Fanick等人比较了2台不同车辆的排放情况，1台为气道喷油发动机车辆，另1台为气道喷油和汽油直喷双喷油系统车辆。试验结果显示，添加汽油直喷后，发动机的燃油经济性提高了约10%，NMOG+NOx排放量减少了50%，但颗粒物排放量因直喷的缘故增加了3倍。

行业内试图提高喷油压力的趋势仍在继续。Min等人将Hyundai.Kia公司的1.5 L涡轮增压汽油直喷发动机的喷油压力由25 MPa提高到35 MPa，并进行了试验。研究人员发现仍然需要采用GPF。提高喷油压力和优化喷油器设计不仅能减少发动机自身的颗粒数排放量，而且还能减少因燃油品质差而引起的颗粒数变化。

Piock等人提供了20～80 MPa喷油压力对颗粒排放影响的相关数据。随着喷油压力的提高，颗粒数排放量会减少，并且喷油器顶端的积炭也会减少。他们针对1台C级车辆按全球统一的轻型车瞬态试验循环（WLTC）进行了模拟分析，并预测了从20 MPa起提高喷油压力对颗粒物排放的影响。结果显示，喷油压力为35 MPa时，颗粒排放量减少了20%～70%，喷油压力为60 MPa时，颗粒排放量减少了30%～90%。另外，因为燃烧得到了改善，预计提高喷油压力还能使燃油耗降低1%～2%。Moren等人打算推出1种采用45 MPa喷油压力和配置GPF的新汽油机。可以预计，在低气温下试验时和计入23 nm以下颗粒时，气道喷油发动机自身的颗粒排放量会更高，因此，必须采用GPF。

Giechaskiel等人回顾了欧洲汽油车颗粒物排放的演变情况，并汇总了1990—2019年的车辆颗粒物排放量数据。结果显示，随着发动机技术的提高，颗粒的质量排放量和颗粒数排放量均逐年明显下降。毫无疑问，现有的汽油直喷发动机车辆配装GPF后都达到了非常低的颗粒数排放量。气道喷油发动机车辆的颗粒数排放量很高，通常在1×1011～3×1012/km范围内，几乎有三分之一的气道喷油车辆都超过了6×1011/km的颗粒数限值。另外，当试验测量在-7 ℃下进行时，发动机自身的颗粒数排放量增加了2～4倍，并且全部超过6×1011/km的限值（图11）。然而，配置GPF的汽油直喷车辆即使在低环境温度下运行其颗粒物排放量也没有明显增加。当计入23 nm以下甚至10 nm颗粒时，发动机自身的颗粒数排放量都有所增加，气道喷油发动机的颗粒数排放量增加较多（高达75%），而汽油直喷发动机的颗粒数排放量增加较少（45%～60%）。

为了测定小到10 nm的颗粒数，研究人员正在开发新的测试方法。Andersson等人开发了1种便携式排气颗粒采样系统，用于测量了各种车辆（柴油机车辆、汽油直喷车辆、气道喷油车辆、压缩天然气车辆和摩托车）在配置和不配置颗粒过滤器时的小到10 nm的颗粒数排放量。与计入23 nm以上颗粒的情况相比，计入10 nm颗粒时发动机自身排放的颗粒数增加了5～10倍。当计入小到10 nm颗粒时，某些发动机（包括只配置TWC的压缩天然气发动机）的颗粒数排放量都超过了现行的颗粒数排放限值6×1011/km。他们进一步测量了计入10 nm以下的颗粒数排放量。结果显示，如果法规要求测定10 nm以下的颗粒数，那么气道喷油.压缩天然气发动机超过颗粒数限值的风险特别大。采用颗粒过滤器是捕集23 nm以下颗粒的有效手段。

Zinola等人测定了1台欧6b车辆计入23 nm以下颗粒的颗粒数排放量。该车辆配装的是4缸涡轮增压双喷油系统（汽油直喷和气道喷油）发动机。结果显示，在计入23 nm以下颗粒的情况下，实测的颗粒数排放量增加了20%～80%。颗粒数排放量增加对燃油品质、所用润滑油的硫酸盐灰分（SAPS）含量、车辆行驶状态和发动机起动温度较为敏感。采用E25和高硫燃油时，颗粒数排放量会增加，冷起动后颗粒数排放量会明显增加。

GPF能解决低气温时颗粒数排放量增加的问题，并能捕获23 nm以下的颗粒。Suarez.Berton等人评定了1台配置GPF的欧6b 1.4 L汽油直喷车辆的颗粒物排放性能。在全球统一的轻型车试验规程（WLTP）试验循环下，颗粒数排放量的范围为3.5×1010～7×1010/km，其中包括了-7 ℃和计入小到10 nm颗粒时的测量值。他们还在道路上测定了实际行驶条件下和动态行驶状态下的颗粒排放。结果显示，所有情况下的颗粒数排放量都小于5×1010/km，排放量比规定的限值低了1个数量级。

Araji和Stokes在23 ℃和-7 ℃的情況下，测定了1台气道喷油和2台汽油直喷轻型卡车在装和不装GPF时的尾管颗粒物排放。测量在FTP.75和US06试验循环下进行。气道喷油车和1台汽油直喷车配置了纯GPF ，而另1台汽油直喷车配置的是有催化涂层的GPF。在所有的试验条件和试验温度下，GPF的过滤效率在53%～89%范围内，有催化涂层GPF的过滤效率较低，但它对有害气体的转换率较高。试验中也出现过炭烟排放，在FTP.75试验循环下，GPF的过滤效率能达到64%～95%。

由这些初步的结果可以预料，GPF将是应对欧6后排放法规的1个可靠的解决方案。然而，为了应对不断收紧的排放法规，预料未来几年中对GPF过滤效率的要求只会更高。

4.2 汽油机气态排放物控制

提高理论空燃比汽油机有害气体转换效率的重要路径是减少冷起动排放和更早地激活TWC。可以预料，CO排放限值降低和要求减少燃油加浓，将会促使发动机在整个工况范围内都采用过量空气系数λ=1的空燃比运行。一系列最新的轻度混合动力车显示，为了从遵守欧6/国六排放标准转变为遵守特超低排放车（SULEV）排放标准，必须使催化器的容积增加50%，并且要将紧耦合TWC进一步上移到涡轮安装位置。涡轮前的排气温度从980 ℃提高到1 030 ℃，并采用整体式排气歧管，也能扩大λ=1的运行范围和使燃油加浓减至最少，进而减少CO排放。

随着欧7排放法规的实施，预料将要求汽油机的排气后处理系统有更大的进步。Schmitz在1台欧6b 1.4 L汽油直喷发动机上采用了车身下安装的4 kW电加热催化器。在WLTC工况下进行的试验显示，催化器加热有助于减少冷起动排放，HC排放减少了45%。然而，即使采用电加热催化器，因老化而导致的催化性能恶化也不能完全恢复原状。在上游设置1个HC捕集器能使HC排放量比基准状态时降低66%。众所周知，在浓混合气状态下运行容易生成氨。考虑到未来的排放法规有可能会限制氨的排放，他们还对采用SCR和ASC的后处理系统进行了试验研究，分别用SCR和ASC代替车身下安装的TWC。在WLTC试验循环下，二者都能使尾管的NH3排放量接近或低于1 mg/km，ASC的减排效果更好。采用SCR的系统还能使NOx進一步减少20%（与只用TWC的系统相比）。

进一步减少NOx排放和燃油耗是业内继续追求的目标。在车辆减速过程中切断燃油能减少燃油耗，但是在重新开始喷油时，过量的氧气会导致催化剂饱和，并会抑制NOx的转换。Choi等人开发了1种“切断燃油时用的NOx捕集器”，并将其中的NOx储存功能添加到车身下TWC中。在300～500 ℃的排气温度下进行的切断燃油试验显示，这种新催化器的NOx转换率有所提高，尤其是在温度较低时更为明显。他们还将该催化器安装在更下游的位置进行了试验，以降低进口温度。研究人员用1台配置4缸2.4 L发动机的车辆在FTP.75试验循环下进行了试验。将LEV Ⅲ ULEV70车辆切断燃油100 s的运行性能与SULEV30车辆的性能作了比较。结果发现，ULEV70车辆采用切断燃油时用的催化器后，NOx排放量降低到了SULEV30车辆的排放水平，同时切断燃油还减少了车辆的燃油消耗。

有些研究人员已开始探索车辆实现接近零排放或“负”排放的可能性（“负”排放是指车辆尾管排放物的浓度低于环境污染物的浓度）。Kawaguchi等人的试验证实，1台2016年型Prius Prime插电式混合动力车在经过改进后，在FTP.75试验循环下的NMOG+NOx排放量为3 mg/km（它比SULEV30车辆的排放限值低了90%），在WLTC试验循环下NOx排放量为1 mg/km。在进行FTP试验循环时，该车辆后处理系统中的第1只催化器预热了55 s。在催化器预燃期间，车辆由电动机驱动，因而避免了冷起动排放。同样，Thewes等人模拟分析了1台2.0 L汽油直喷发动机在WLTC工况下的性能，并提出了1个能在燃油补偿量最少的情况下使尾管污染物排放接近大气污染物浓度的解决方案。结果显示，在发动机开动前使催化器预热是必须的，这种预燃可以通过电加热和二次空气流来实现。另外，他们添加了1个HC捕集器，以使发动机起动后的几秒内排放减至最少。为了确保颗粒物排放接近零，研究人员还添加了1个过滤效率较高的GPF。有分析指出，催化器预热77 s并在500 ℃的温度下激活催化剂是最佳的。如此高的预热度将要求车辆采用重度混合动力系统。计算表明，与欧6d TEMP标准的水平相比，燃油耗要增加4.5%。

4.3 稀燃汽油机NOx控制

Parks等人介绍了1台4缸2.0 L稀燃汽油直喷发动机排放控制的最新情况。该发动机在4 500 r/min和75%负荷之前采用稀燃运行，之后切换成理论空燃比运行。稀燃区运行的空燃比范围为1.4～2.2。更新后的排气后处理系统包括：1个只含Pd的TWC和后接的能储存NOx和生成NH3的催化器、1个控制颗粒物的GPF、1个铜.沸石被动SCR（无尿素）、1个能阻止CO、HC和NH3逃逸的吸除催化器。与理论空燃比运行的基本型发动机相比，该发动机的燃油经济性提高了8.3%。在不配置吸除催化器的情况下，该后处理系统能在Pseudo.瞬态6工况试验循环下满足第3阶段第30级（ Tier3 Bin30）的NOx+NMHC限值（30 mg/mile）要求。要使CO排放量降低到接近1 g/mile的限值，采用吸除催化器是必不可少的，尽管它会导致一些NH3转换成NOx。这表明还需要做更多的研究工作。

Jung和Kim同时提出了1种后处理系统方案，就是在采用被动SCR的后处理系统中再添加1个能产生氨的催化器和1个CO吸除催化器。试验结果显示，按FTP.75试验循环试验时，在发动机自身NOx排放量高达10 g的情况下，该后处理系统能满足SULEV30车辆的排放限值要求，且燃油补偿小于1%。CO逃逸量为0.1 g/mile，它比限值低了1个数量级。

Osborne等人介绍了开发2.0 L涡轮增压汽油直喷发动机的最新信息。该发动机在部分负荷时以稀气均质燃烧方式运行，在高负荷时以理论空燃比方式运行。为了提高增压压力，配置了1只可变截面涡轮增压器和1只48 V电动增压器，同时利用可变凸轮正时和可变气门升程实现米勒循环运行。NOx控制系统包括：紧耦合LNT、车身下安装的带尿素喷射的SCR催化器和低压EGR。SCR为铁.基催化剂，它能在理论空燃比燃烧时氧气较少的情况下保持较高的耐久性。同时，他们还添加了1个电加热催化器和1个GPF系统。该GPF系统能过滤23 nm以下的颗粒，在计入小到10 nm的颗粒时，它的过滤效率从85%提高到了96%。目前，车辆的开发和标定工作正在进行之中，目标是要使燃油经济性提高15%。

4.4 甲烷氧化催化器

天然气发动机必须解决甲烷逃逸的问题。因为甲烷是1种强效的温室气体，它很难在TWC的点火温度下被转换。为了应对这一挑战和提高催化效率，研究人员继续在探索催化剂和合成技术。

Harold等人提出了采用尖晶石与低含量贵金属组合的办法来有效控制天然气发动机车辆的甲烷和NOx排放。他们将95%Pt和5%Pd的贵金属催化剂与Mn0.5Fe2.5O4尖晶石催化剂混合后进行了流动反应器试验研究。在稳态给气的状态下，研究人员发现尖晶石本身的活性很差。但是，在试验中调制供给气体中的氧气时，尖晶石的活性明顯增强。尖晶石似乎是依靠增加氧储存量和保持贵金属活性状态来增强活性的。他们通过改变氧气浓度在λ为0.98～1.00的范围内进行了试验。在1 Hz的频率下，甲烷的转换效率随着氧气的调制幅度增加而提高。甲烷转换效率最佳时的点火温度为350 ℃。他们对涂层结构进行了观察研究，发现尖晶石与贵金属贴近并不重要，而且单涂层组合和双涂层组合的效果是相同的。

Cut的试验证实，Pd基催化剂能增强甲烷的转换效能。他们采用1种合成技术，将Pd.CeOx固溶体与SiO2固封在一起，以形成1种壳.核催化剂。在实验室条件下，这种催化剂的甲烷点火温度为400 ℃。有人开发了1种单原子Pd/Rh.CeO2催化剂，它的性能更好，在350 ℃下转换效率能达到80%。

5 结语

在查阅大量文献的基础上，本文详细回顾了轻型车和重型车领域排放法规、发动机技术和排放控制技术的最新发展动向。现将要点总结如下。

5.1 排放法规

欧洲设定了最严格的CO2排放标准，要求到2030年CO2排放量比2021年的基准值减少37.5%。2018年测得的车队CO2平均排放量增加了2 g/km，这可能会增加2020—2021年排放超标的风险。

美国的排放法规存在很大的不确定性，其中有1项法规草案提出，要撤销加利福尼亚州制订本州GHG和ZEV标准的权利。目前，该法案正面临诉讼。

中国将2023年的新能源车信贷目标扩大到了18%。为了强调能源效率，修改了信贷的计算方法，降低了最高信贷额度，并对燃油效率高的车辆（如混合动力车）获得新能源车信贷作出了规定。

目前，6个主要国家的CO2排放法规已经发布到位。欧洲批准了第1部CO2排放法规，要求到2030年CO2排放量比2019年的减少30%。

CARB提出了重型车ZEV的销售目标，要求从2024年开始到2030年7.8级的牵引卡车和4.8级的专用卡车的ZEV销量分别增加15%和50%。

正在讨论的欧6后排放法规的要点主要包括：收紧排放限值，规定其他排放组分（如NO2、N2O等）的排放限值，将23 nm以下的颗粒计入颗粒数排放量，以及要求在-7 ℃的低温下进行试验。

加利福尼亚州的超低NOx排放法规草案的主要目标包括：拟将低负荷排放纳入考核范围，将实际行驶试验的考核分析方法由NTE法改为移动平均窗口法，以及要求2027年的排放限值比目前的限值降低90%。美国EPA正在仿效这一做法，预计将会在2027年以前与加利福尼亚州协调一致。

欧6e排放法规已经发布，它要求在进行型式认证和实际行驶排放达标试验时，将冷起动排放纳入考核范围，并要求采用便携式排放测量系统（PEMS）测定颗粒数排放量。

中国的国六b排放标准已开始在北京的城市车辆和新卡车领域实施。非道路移动机械第四阶段排放法规的正式发布已被推迟，尽管该法规原来打算在2020年开始实施。

5.2 发动机技术

试验证实，1台2018年的非混合动力车用的4缸2.5 L自然吸气阿特金森循环汽油机的最高有效热效率（BTE）已达到了39.8%。模拟显示，在不采用电动化技术的情况下，通过减轻质量、减少空气动力学阻力和滚动阻力、停缸等技术途径能使温室气体排放减少35%。

单缸发动机研究显示，采用米勒循环、高压缩比、先进涡轮增压、冷却EGR、喷水和稀气均质燃烧等技术的组合能使BTE达到45%。

与2015年的汽油直喷发动机相比，汽油压燃发动机以及轻度混合动力系统能使燃油耗降低高达44%。在宽广的发动机工况范围内，最低燃油耗均低于200 g/（kW·h）。

可以预测，到2030年，纯电动汽车可能会赢得20%～30%的市场份额。但是，今后十年内销售的新车中大多数仍然会配装内燃机。如今最好的混合动力车“从摇篮到坟墓”的全生命周期CO2排放量与最好的纯电动汽车的排放量是相同的。在蓄电池尺寸归一化的情况下，混合动力车能更有效地减少CO2排放。

当柴油机的BTE达到超级卡车Ⅱ计划的目标值（BTE为55%）时，能使CO2排放量减少15%～17%。当与改善空气动力学和滚动阻力等技术措施相结合时，预料车辆的CO2排放量能减少高达30%。采用可再生燃油和生物质燃油能使CO2减排量提高80%，混合动力车能使城区行驶情况下的CO2排放量减少高达30%。为实现超级卡车Ⅱ计划目标而采用的技术途径是：改进燃烧和空气管理，减轻质量，减少空气动力学阻力和滚动阻力，废热回收利用，以及采用轻度混合动力系统。

在2025—2030年内，全电动卡车的价格可以实现与内燃机车辆平价。尽管基础设施仍然是障碍之一，但是充电网络的利用率和成本可能会使8级卡车实现平价的时间再推迟5～10年，估计要到2030年以后才能实现平价。

符合欧6d排放法规的车辆的排放法规和新技术有效地促进了汽车排放的明显降低，柴油机车辆是可以实现清洁运行的。尽管柴油机车辆的市场份额遭受了一些损失，但是2019年仍然有新发动机陆续推出。为了应对欧6后的排放法规，人们正在开展排气后处理系统及其组件的研究，并取得了一定的进展。

為了满足加利福尼亚州重型车低NOx排放法规的要求，研究人员正在对各种技术选项进行评估。可以预料，其中有些技术对于满足欧6e和欧6后法规是必需的。停缸是1种既能提高排气温度又能降低燃油耗的技术措施。紧耦合SCR、紧耦合SCR前采用DOC、有SCR涂层的颗粒过滤器，以及低温尿素供给的新方法都是能减少冷起动排放的有效技术手段。试验研究证实，在综合FTP试验循环下，NOx排放量已能达到低于0.02 g/（hp·h）的水平，但在新推出的低负荷试验循环下，NOx排放量是FTP试验循环排放量的3倍。在这2种试验循环下，CO2排放量都降低了15%。

SCR催化器正在不断改进，但主要的挑战仍然是低温尿素供给问题。研究人员正在对各种创新的技术措施进行评估。这些措施包括：采用在尿素溶液中添加水解催化剂，利用废热使尿素在车载反应器中转换成氨，采用电子棒加热器使尿素保持高温的新尿素喷射系统。

5.3 汽油机排放控制

在欧洲和中国，GPF现已成为汽油直喷发动机排气后处理系统的1个组成部分。研究显示，混合动力车和气道喷油发动机车辆也存在颗粒数排放量增加的风险。因此，可能也需要配置GPF，尤其是在应对欧6后排放法规时。为了要测量直径在10 nm以下的颗粒数和要在-7 ℃温度下进行试验测量，人们正在对测量规程和设备进行改进。按照这2个要求测得的发动机自身的颗粒数排放量明显增加。初步的迹象表明，GPF能有效地满足颗粒数排放的要求。

鉴于欧6后排放法规有可能会规定NH3的排放限值，这可能会促使汽油机排气后处理系统中也会采用象柴油机那样的SCR或ASC。研究人员正在改进稀燃汽油机用的被动SCR催化器。1种用来储存NOx和生成NH3的上游催化器可能是颇具前景的技术途径。为了解决汽油机的颗粒物排放问题，GPF将是必不可少的。

5.4 天然气发动机

目前，天然气发动机已经在重型车上实现了商业化应用。它能够达到提议中的超低NOx排放限值。天然气发动机的研究重点是进一步提高燃油效率。业内人员正在开发新的催化器，以解决低温时的甲烷转换问题。研究发现，尖晶石催化剂与贵金属组合的催化器在调制空燃比的情况下，能使催化剂在350 ℃的温度下点火，同时，还能减少与贵金属相关的成本。

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