2020年全球汽车发动机效率提升和排放控制的发展动向(下)

【美】 A.JOSHI

关键词：轻型车;重型车;排放试验;减排措施

（接上文）

3 有害污染物减排技术的进展

3.1 柴油机减排技术的进展

本节主要介绍轻型车和重型车柴油机气态排放物（主要是氮氧化物（NOx））和颗粒排放物减排技术，以及排气后处理技术的进展。

3.1.1 轻型车柴油机

Molden等人[1]在道路上测定了几百台欧三～欧六柴油机车辆在实际行驶状态下NOx 的排放量（图7）。试验结果显示，虽然在实施欧六的实际行驶排放（RDE）法规前，车辆的NOx 排放都超过限值，但在执行RDE法规后，并在考虑了一致性系数的情况下，车辆的NOx 排放均能达标且低于限值。在实施RDE法规以后，车辆的平均NOx 排放量小于50mg/km，低于80mg/km 的排放限值，甚至无须考虑一致性系数。

ValverdeMorales等人[2]对符合欧六d-TEMP法规的2台2018年型汽油机车辆和4台2018年型柴油机车辆进行了道路上的排放试验。在整个达标试验过程中，柴油机车辆的NOx 排放量为33mg/km，比欧六b柴油机车的限值低1个数量级。而采用了颗粒过滤器后，颗粒物排放量比限值低2个数量级。研究发现，在實施RDE试验规程后，车辆在动态行驶状态下的排放量有所增加，尤其是在采用了稀氮氧化物捕集器（LNT）进行NOx 减排技术时，NOx 排放量会显著增加。发动机冷起动时，NOx 和颗粒数（PN）的排放量要比在城区行驶且催化器预热后行驶时的排放量高1个数量级，而NO2 的排放量极低，其值小于10mg/km，这表明NO2 的排放限值可能不需要单独设定。

研究人员对颗粒过滤器再生过程的排放情况展开了研究。颗粒过滤器再生过程中颗粒物和NOx 通常会在高温下产生较高的排放量，这是由于炭烟层破裂而导致过滤效率损失的缘故。但是，即使包括颗粒过滤器再生时产生的排放量，颗粒物和NOx 在1个行驶循环中的排放量也远低于限值。Valverde和Giec-haskiel[3]报道了1台配装了2.1L 发动机，以及废气再循环系统（EGR）、柴油机氧化催化器（DOC）、柴油机颗粒过滤器（DPF）和选择性催化还原（SCR）系统的欧六d-TEMP车辆的排放性能。该车辆分别在全球统一的轻型车试验循环（WLTC）工况下和试验道路上进行了排放测量，道路上的试验包括RDE 达标试验和非RDE达标的动态试验。车辆在环境温度为14 ℃下进行WLTC试验，并在计入再生时排放量的情况下，PN排放量是限值的5倍，直径23nm 以下的颗粒数是总颗粒数的28%。在相同的条件下，NOx 排放量也超出欧六柴油机车限值2倍以上。车辆在室温下进行的无颗粒过滤器再生的其他试验，PN 和NOx 排放量均远低于限值。在道路上试验时，即使计入颗粒过滤器再生时的排放量，PN 和NOx 排放量也低于限值。只有在激进的动态行驶状态下，NOx 排放量才超过限值。尽管在所有的法规试验条件下，PN 和NOx 排放量都符合限值要求，但是在再生和动态行驶过程中导致的排放量增加还需要研究人员作进一步分析。

，因此车辆在冷起动和低负荷行驶时的排放量需要引起重视。Schaub等人[4]模拟分析了48V 轻度混合动力对轻型商用车尾管排放的影响。研究人员选择了1台符合欧七法规的车辆作为比较基准车，该车辆配置了2.0L发动机、带涡轮旁通的可变截面涡轮增压器、高低压EGR，以及由DOC、带SCR 涂层紧耦合颗粒过滤器、车身下安装的双尿素供给SCR 系统组成的后处理系统。车辆拟采用P0和P2结构的混合动力总成，并考虑了配装及未配装电加热DOC 的2种情况。在覆盖城区、乡村和公路行驶条件等具有代表性的试验循环下，研究人员对该车辆进行了改变车速、负荷及起停行驶状态的模拟分析。研究人员发现该车辆在低速低负荷下运行时，混合动力可使车辆性能改善8%～28%（如采用P2结构时性能改善更明显），而在公路上行驶时车辆性能改善的效果较小，仅为1%～3%。在大部分情况下，NOx 排放量极低，其值小于20mg/km。但是，对于采用了P0结构混合动力的车辆在城区路段行驶3.1km 时，NOx 排放量较高，达到了75mg/km。电加热催化器（EHC）有助于使车辆的NOx排放量降至62mg/km，但需要增加约5%的燃油耗。

柴油机车辆的NOx 排放量还能进一步降低。Martin等人的研究显示，混合动力与先进的排气后处理系统相结合能使车辆尾管接近零排放。研究人员将1台2.2L柴油机车辆改装成1辆最高电功率为30kW的48VP2结构的混合动力车（HEV）。该车辆配置的后处理系统包括：双尿素供给的SCR 系统、SCR 涂层颗粒过滤器、LNT，以及EHC 冷起动排放控制系统。车辆还配置了二次空气辅助系统和预热30s的系统。通过采用这些技术，车辆在WLTC 工况下的NOx 排放量减至1.3mg/km，在低车速区运行时的NOx 排放量为4.2mg/km。

3.1.2 重型车发动机

各研究团队都在对重型车发动机的各种改进措施和排气后处理系统进行评估，目标是要使NOx 的排放比现有水平减少90%。图8示出了几种具有代表性的增强后处理系统实例。与目前使用的系统（DOC+DPF+SCR）相比，未来使用的系统具有1个共同的特点，就是会在上游设置1个附加的SCR 系统，并采用双尿素供给系统。

研究人员在美国西南研究院用符合2010年EPA标准的康明斯X15发动机对图8（a）、图8（b）、图8（c）所示的3种后处理系统进行了试验评估。这3种系统均采用双尿素供给的紧耦合SCR 系统。图8（a）所示的系统采用了下游双通路SCR 系统，提供了更大的SCR系统容量。该系统还包括1个2kW 尿素加热装置，可将最低尿素供给温度降至140 ℃。为了提高排气温度，研究人员对发动机进行了改装，其中包括添加EGR冷却器的旁通和采用停缸技术。研究人员通过增加EGR率、多次喷油和提高怠速转速的方式改善了热管理，可使发动机在怠速时涡轮的出口温度提高到100℃。停缸技术能使该温度再提高50 ℃，同时还能减少发动机的NOx 和CO 排放量。图8（a）和图8（c）所示的系统可在冷态联邦试验规程（FTP）循环开始后的42s内开始供给尿素。试验发现，图8（b）所示的系统不能达到低NOx 排放的要求。DOC的附加热质量使开始供给尿素的时间延长至73s，并导致NOx 转换效率有所降低。图8（a）所示的系统总体性能最佳，在冷态FTP 循环试验阶段的NOx 转换效率达到了98.0%，热态FTP循环试验阶段的NOx 转换效率达到了99.6%，低负荷试验循环（LLC）工况下的NOx 转换效率达到了98.0%。在综合FTP循环工况下，车辆尾管的NOx 排放量为0.0177g/（hp·h）① ，在LLC工况下车辆尾管的NOx 排放量为0.06g/（hp·h）。此外，与DOC+DPF+SCR 系统的基准后处理系统相比，这台超低NOx 排放的发动机和排气后处理系统可使CO2 排放量降低约1.5%。因此，研究人员选择了图8（a）所示的系统进行最终的试验验证，试验结果将于2021年公布。

Adelman等人对图8（c）所示的系统进行了评估，该系统在配装了DOC+DPF+SCR 系统的2010年基准后处理系统的基础上，添加了1个紧耦合SCR 系统。为了减少N2O的生成，研究人员将下游SCR系统分区涂覆了铁和铜。研究人员用1台12.4L柴油机评估了排放性能的改善情况。研究人员首先评估了配装2010年基准后处理系统时的发动机燃油耗和排放性能。结果显示，其排放性能超出了现行标准。随后，研究人员在该系统中添加了1个紧耦合SCR系统，在冷态FTP循环开始后的90s内使尿素供给温度达到190℃。这一功能再加上ASC，使综合FTP循环工况下的尾管NOx 排放量降低到0.11g/（hp·h）。为了使发动机自身的NOx 排放量减少20%，研究人员对发动机进行了重新标定，车辆尾管的NOx 排放量低于0.05g/（hp·h）。该研究表明，车辆要达到0.02g/（hp·h）的NOx 排放标准，必须进一步优化附加的后处理技术。

Kavacs等人认为，为了满足NOx 和CO2 排放要求，必须采取减少发动机自身NOx 排放、提高发动机效率与紧耦合SCR 系统相结合的技术措施。研究人员对1台6缸8.0L重型车发动机及其配置的DOC+DPF+SCR系统基准后处理系统，进行了发动机瞬态运行和后处理系统的模拟分析。研究人员评估了各种技术选项，其目标是要求在冷态FTP循环工况下NOx的排放量达到0.08g/（hp·h），并要求达到2027年CO2 排放量为535g/（hp·h）的限值。虽然各种热管理策略可使排气温度升高，但同时CO2 排放量也会增加。研究人员通过采用紧耦合SCR系统，可使NOx 排放量符合目标值，此时的CO2 排放量虽未增加，但其排放值仍高于目标值。研究人员采用了EGR 率为15%的系统，能在不借助热管理策略的情况下有效降低发动机自身的NOx 排放。同时，通过提高压缩比和采用高效率的涡轮增压器能进一步减少CO2 排放。

在欧洲开展的1项研究中，研究人员对图8（d）示出的配置了上游DOC和SCR系统的后处理系统进行了评估。试验将在实际行驶状态下进行，研究人员预计通过采用紧耦合DOC和SCR系统以减少冷起动和低车速城区行驶时的NOx 排放量。

Chundru等人对图8（e）所示的后处理系统进行了模拟分析，并将其与图8中另外4种系统进行了比较。在配置DOC和一体式SCR-DPF的基准后处理系统基础上，该系统增加了1个上游SCR系统和下游SCR系统的双尿素喷射器，并在下游SCR 系统前端设置了另1个DOC。研究人员利用1台2013年型6.7L发动机的排气质量流量和排气温度数据对该后处理系统进行了模拟，一体式SCR-DPF的进口温度为203～366 ℃。研究人员通过计算，分析了NOx 转换效率、NH3 逃逸和炭烟氧化率随NH3/NOx 比的变化情况，发现一体式SCR-DPF的炭烟氧化率会随NH3/NOx 比增加而降低。由于双尿素喷射能减少DPF上游的NH3 喷射量，因此，该系统能使DPF产生较高的炭烟氧化率，同时还能减少总的NH3 逃逸量。此外，研究人员还发现NO2 会被一体式SCR-DPF 完全消耗掉，从而导致下游SCR系统的转换效率变差。而系统添加1个DOC就能解决上述问题。在此情况下，这种添加双尿素喷射和第2只DOC的系统可使SCR系统的转换效率从97%提高到99%。

Andrisani比较了停缸技术（CDA）和延迟进气门关闭（LIVC）对催化器加热的热管理措施的优势。研究人员针对1台配装DOC+DPF+SCR/ASC传统后处理系统的6缸0.8L柴油机进行了仿真分析。研究人员固定在3个气缸实施停缸，优化LIVC 的曲柄角度为50°CA，相应的气门升程为4.5mm。研究发现，与LIVC相比，CDA 在整个发动机运转工况范围内会使涡轮后的温度更高。CAD 和LIVC 所引起的排气温度分别升高182℃和107℃。这2种技术还能使部分运转工况下的燃油耗有所降低。但是，在大部分发动机工况下，CDA 将导致燃油耗有所增加，增加值高达5.8%，而LIVC 导致的燃油耗增加则较小，仅为2.8%。在WHTC 工况下，CDA 能使尾管的NOx 排放量降低18.3%，且燃油耗不会增加。这是由于较高的排气温度导致SCR 系统的转换率从90% 提高到92%。另一方面，LIVC能使NOx 排放量降低2.8%，同时也使燃油耗降低0.2%。研究人员预测在LLC工况下，CDA 能使NOx 和CO2 分别减排32%和11%，而LIVC能达到的NOx 和CO2 减排量分别为0.2%和1.4%。

Farrell等人通过发动机试验和模拟，应用动态CDA 分析了1台配装了可变截面涡轮增压器和高压EGR的康明斯X156缸发动机同时降低NOx 和CO2的效果。试验结果显示，在600r/min的怠速转速和50N·m 的低负荷下，研究人員通过减少点火次数能使燃油耗降低20%，并能使排气温度升高40 ℃。在1000r/min和100N·m 的工况下，发动机的排气温度能升高100℃，燃油耗能降低25%。研究人员还进行了瞬态运行的模拟。模拟结果显示，在重型车FTP循环工况和LLC 工况下，NOx 排放量分别减少45%和66%，CO2 排放量分别减少1.5%和3.7%。

AchatesPower公司近期开展的试验显示，1台3缸10.6L的对置活塞柴油机能够符合FTP循环试验所要求的0.02g/（hp·h）的NOx 排放限值，此外，该发动机在补充排放试验循环下，CO2 排放量为422g/（hp·h），比美国环境保护署要求的2027年CO2 排放限值低了10g/（hp·h）。上述试验结果是在采用了传统后处理系统，且未采用如紧耦合SCR 系统、加热的尿素供给或停缸等其他技术的情况下获得的。

3.1.3 SCR 催化剂，被动NOx 吸附器（PNA）和碳氢收集器（HTC）

提高低温SCR 催化剂的反应活性和耐久性是满足轻型车和重型车未来超低NOx 排放目标的关键。因此，研究人员需要重视SCR 反应的基础研究，并详细了解SCR 催化剂的反应机理。Tronconi在铜基菱沸石催化剂（Cu-CHA）上进行了标准SCR催化剂反应的还原半衰期（RHC）研究。此外，研究人员还在反应器上进行了低温（150～220 ℃）流动试验。试验中，催化剂被暴露在NO和NH3 还原剂中。试验结果显示，RHC的二阶反应动力学与氧化铜的百分比之间存在一定的依赖关系。Joshi等人进行的SCR 催化剂氧化和还原过程研究也证实了这种依赖关系。研究人员开发了1个能再现观测数据的完整的反应动力学模型，并进一步研究了催化剂老化对反应动力学和Cu-SSZ-13催化器中活性铜点位数的影响。

研究人员进行了热液老化详细机理的基础研究。Lacobone等人探索了在550℃下热液老化4h对Cu-CHA 催化剂的影响，并通过反应器流动试验研究了2种铜点位的变化情况。研究人员用NO、NO2 和NH3进行的滴定试验证实了上述假设，即催化器中存在2种铜反应点位，热液老化会引起ZCu2+ OH 向Z2Cu2+的转换，但后者的还原性较差。Zhang等人对Cu-SSZ-13催化剂进行的研究也证实了这一假设。Ladshaw和Pihl通过对Cu-SSZ-13商品催化器的热液老化和反应器流动试验研究，量化了NH3 的吸附损失，并开发了1个一维模型来解释各种抑制机理。

研究人员还需要更好地了解和解决SCR 催化剂硫中毒问题。为了使催化剂提前点火，研究人员通常将SCR系统布设在紧耦合位置。但是，如果上游无颗粒过滤器，SCR催化剂容易受到高浓度硫的影响。Xi等人利用实验室的反应器试验，比较了脱新老化和现场老化的SCR 催化剂样品的活性。程序升温脱附（TPD）研究显示，物理结合的硫会在350～500℃时释放，预计为硫酸氢氨（NH4HSO4）。强结合的硫直至较高温度时才会被去除。经高达550 ℃ 的热处理后，SCR催化剂的活性能得到明显恢复。例如，现场老化的样品在200 ℃时显示，其NOx 转换效率极低（小于10%），但经过550℃的热处理后，NOx 转换效率则提高到75%左右。但是，该样品的NOx 转换效率仍不能完全恢复到脱新老化样品在200 ℃ 时大于95% 的NOx 转换效率水平。研究强调，热诱导脱硫并不能使SCR催化剂完全恢复活性，这表明了物理和化学中毒会影响SCR催化剂的性能。

Tang等人探讨了Cu-SSZ-13催化剂热液老化后暴露在低温硫环境下对SCR 催化剂性能的影响。研究人员先将基准催化剂在650℃的环境下进行热液老化10h，随后将该催化剂分别在200 ℃和650 ℃的硫环境中暴露10h和100h。试验结果显示，在所有情况下，催化剂在200℃的硫环境中会使其NOx 转换效率降低5%～15%。同时，研究人员发现，当催化剂在200℃硫环境中暴露100h后，其反应活性损失更大，活性损失与活性铜点位减少有关。TPD 试验证实，只有在较低的硫酸化温度下，铜点位处才会产生NH3 吸附损失。与Z2Cu2+ 点位相比，ZCu2+ OH 点位对硫酸化更为敏感。催化剂定期热液处理可以解决ZCu2+OH 向Z2Cu2+ 转变的问题，并能延缓硫酸化引起的加速老化。试验还显示，催化剂的热液处理可以减少SCR催化剂的活性损失。

上述研究表明，研究人员有必要继续深入了解老化的机理，并意识到现场老化过程可能要比实验室条件下的热液老化更为复杂。

将SCR系统与DPF集成一体化所面临的挑战，是SCR催化剂反应和被动炭烟再生反应会互相争夺NO2。Rappe 等人介绍了开发选择性氧化催化剂（SCO）的最新进展，该催化剂由10%（质量分数）的二氧化锰（MnO2）和二氧化锆（ZrO2）组合而成，可在不采用氧化氨的情况下使NO转换成NO2（快速SCR）。试验证实，与单独使用SCR 催化剂相比，在175 ℃的标准SCR条件下，30%的SCR催化剂与70%的SCO 组合可使NOx 转换效率提高约15%。此外，在温度高于400℃时，N2O的形成也会受到抑制。下一步，研究人員将继续探讨硫老化机理的课题。Martinovic等人提出了1种新的解决方法，将SCR 催化剂与掺有1%钾的CeO2-PrO2 催化剂混合，以有选择性地促使NO 和炭烟的氧化（不氧化氨）。实验室研究显示，钾会使酸点位中毒，并能延迟氨氧化。NO 氧化生成NO2 有助于提高Fe-SCR 催化剂活性，其在低温下的性能提高了20%。

为了解决车辆在冷起动时产生的排放问题，研究人员采用了PNA 和HTC等后处理技术。Pd/沸石催化剂是PNA 的主要候选催化剂。Szanyi等人测定了Pd/SSZ-13、Pd/FER、Pd/SSZ-39这3种不同的小孔沸石对NO 的吸附和释放性能。研究人员发现，在浓度高达4000×10-6的CO存在时，NOx 的吸附能力会增强，但脱附温度会降低，这主要是在催化剂上发生了放热CO氧化反应。此外，研究人员还发现C2H4 是NOx吸附的抑制剂。Pd/SSZ-39在900 ℃时呈现出良好的热液稳定性。Toops等人采用各种模拟气体评估了PNA 的NOx 吸附能力减弱情况。研究人员在采用模拟排气流进行了10次吸附/脱附试验后发现，1%（质量分数）Pd/SSZ-13 催化剂的NO 吸附能力下降了20%。试验显示，吸附能力下降主要原因是由于CO的存在。Harold等人评估了PNA、HC收集器和氧化催化器组合的性能，并采用模拟气体对1%（质量分数）Pd/SSZ-13催化剂用于PNA 时的性能进行了研究。结果显示，当NO与钯的比例接近1时，NO 能以较高的吸附能力吸附在由2种元素组成的钯点位上。对于HCT，研究人员发现采用底层为Pt/Al2O3，顶层为Pd/BEA 的双层催化剂具有良好的转换功能，Pd/BEA在100～180℃时可铺集HC，而Pd/Al2O3 在高温脱附时会出现HC氧化现象。该HC收集器对不同碳氢（HC）组分的收集效率是各不相同的。例如，乙烯（C2H4）的吸附会受到水分、CO 和十二烷的抑制，而Ag交换H-ZSM-5催化剂则能增强乙烯的吸附能力。随后，研究人员评定了1%（质量分数）Pd/SSZ-13的PNA 催化器与Pt-Pd/BEA 的HC收集器组合时的性能。结果显示，PNA 中存在的Pt有助于NO 的氧化。HCT的双层催化剂能提供类似于PNA-HC收集器串联时的性能。最后，研究人员对1种新型的铜/钴/铈混合氧化催化剂进行了评价，结果表明，该催化剂对NO、CO和C3H6 的低温氧化有明显的促进作用。

3.1.4 柴油机颗粒物

研究人员对车队进行的测量研究显示，拆除10%或放弃颗粒过滤器的高排放车辆，其颗粒物排放量约为车队总排放量的85%。从2021年开始，欧洲将实施新的定期技术检测（NPTI）办法，该办法规定，要用热怠速时的PN 排放量来标识高排放车辆。Giechaskiel等人比较了32台柴油机车辆（其中6台未配装DPF）在WLTC和新欧洲行驶循环（NEDC）工况下用便携式排放测量系统（PEMS）測量的冷怠速和热怠速时的PN 排放量。试验结果显示，NPTI怠速排放测量值与型式认证测量值之间具有良好的相关性。该怠速测量法的检测极限为1.0×105cm-3，低于此限值时，测量数据具有相当大的离散度。目前，建议的NPTI测量限值为2.5×105cm-3。因此，研究表明，应提供1种更可靠的方法来识别无DPF 车辆的颗粒物排放量。对于点燃式发动机车辆，如汽油直喷车辆（GDI）、液化石油气车辆（LPG）和压缩天然气车辆（CNG），研究人员还未发现试验循环的PN 排放量与怠速时的PN 排放量之间存在某种相关性，这表明在将该试验办法扩展到这类车辆之前，研究人员还需要做更多的工作。

随着CO2 排放法规的收紧以及颗粒过滤器使用寿命要求的提高，这意味着DPF必须在使用寿命期内始终保持较低的压力降、良好的被动再生能力和较高的积灰能力。Viswanathan等人的研究显示，1台长途运输卡车行驶了600000mile后，由于DPF中的积灰，后处理系统的总压力降增加了30%，这表明需要提高颗粒过滤器的积灰能力。先进的DPF技术能提高积灰能力、减少压力降并提高过滤效率。研究人员利用燃烧器流动试验台加快DPF积灰的办法，对各种DPF设计方案进行了比较。如图9所示，与目前使用的薄壁非对称通道设计相比，新一代DPF在有5g/L炭烟的情况下，通过采用新型孔穴设计和增加高达20%的正面开口面积设计，可使压力降减少45%。研究人员发现增加正面开口面积可使积灰堵塞长度减少50%。此外，与现有的商品化DPF相比，这些DPF的改进设计显示，在WHTC工况下，车辆尾管的PN 排放量降低了1个数量级。研究人员还强调了改进DPF微观结构的作用，具有通道几何形状完全相同的颗粒过滤器，在PN-PEMS循环试验时，改进壁面微观结构可使DPF的PN 过滤效率提高95%以上。

DPF分析模型正在不断地完善，新建立的模型已充分考虑了灰分迁移情况和孔穴尺寸分布对过滤性能的影响。Wang开发的1种DPF模型能够结合实际的孔穴尺寸分布来预测过滤效率。该模型预测的结果与试验的数据误差在5%以内。Koltsakis等人探讨了预测灰分结块和灰分累积情况的模型框架。该模型考虑了灰分沿排气流的迁移情况及其在炭烟颗粒上的累积情况，包括与温度和气流相关的灰分结块情况，后者能模拟灰分附着和脱离炭烟颗粒的倾向。研究人员利用燃烧器试验装置产生的积灰量对该模型进行了标定，并从发动机瞬态试验的压力降和灰分堵塞长度数据成功地验证了该模型。Kamp对现场使用后回收的过滤器进行研究时发现，润滑油衍生的灰分会以水液形态存在，并与基底材料相互作用，从而影响DPF的过滤性能。

2020年的回顾文章曾报道过1种能减少炭烟生成的“导管喷油”新方法，该方法的理念是通过导管引入喷油束来改善混合气形成。近期，Nilsen等人对这种导管喷油法进行了扩展试验。研究人员通过改变进气氧浓度、喷油持续时间、进气压力、燃烧始点正时、喷油压力及进气温度方式，在宽广的发动机运转工况范围内进行了试验。试验结果显示，在所有的试验条件下，采用导管喷油法时炭烟生成量明显减少。在某种情况下，NOx 排放量会略有增加，但是该喷油技术能使发动机在炭烟生成量不增加的情况下产生极低的NOx 排放。Millo等人通过试验和数值模拟探索了炭烟生成量减少的基本原因。研究人员比较了导管喷油束和自由喷油束的油滴数量和尺寸。结果显示，导管能增强油滴的蒸发。CFD喷油束模拟显示，导管进口处的压力降低能增强空气的卷吸，而导管出口处的涡流则能改善空气-燃油的混合，二者结合可使导管出口处的当量比降至2以下，从而抑制了炭烟的生成。

3.2 汽油机排放控制技术的进展

图10示出了汽油机排气后处理系统的发展演变过程，以及为应对欧六后排放法规及其他先进排放法规而可能采用的后处理系统结构组合。

欧洲、中国及美国加利福尼亚州的下一轮排放法规将要求大幅度降低车辆尾管的排放。事实上，目前开展的研究已经开始探索车辆尾管有害污染物实现接近零排放甚至负排放的可能性了。虽然欧七排放法规的目标还未确定，为了使气态排放物进一步降低，欧洲将要求车辆采用热管理、高孔穴率基底材料、HC 和NOx 储存催化器等各种先进技术来减少冷起动时产生的排放量。为了解决NOx 和氨的排放问题，汽油机有可能会采用SCR催化器。同时，为应对收紧的PN 排放法规，各国必须采用过滤效率非常高的汽油机颗粒过滤器（GPF）。

3.2.1 汽油机颗粒物

GPF已经在欧洲和中国得到普遍应用。研究人员正在开发新一代GPF并付诸实用，在清洁状态下，新一代GPF能达到超过90%的过滤效率。在即将出台的欧七和国七排放法规推动下，针对GPF过滤效率的要求预计在未来几年有所增加。本节重点介绍汽油机颗粒物控制技术的最新进展。

如图10所示，在欧六后排放法规的后处理系统中，GPF采用了紧耦合安装及车身地板下位置安装2种形式。GPF 既可以是无涂层的，也可以是带三元催化器（TWC）催化涂层的，前者便于添加高过滤溶液，后者则是为了使气态排放物的转换效率最大化。Rose等人介绍了新开发的无涂层GPF的最新进展。最新一代GPF的特点是优化了通道进口侧的表面孔穴率，使过滤器在几乎没有压力降的情况下达到非常高的过滤效率。研究人员进行了大范围的试验研究，包括选用配装了1.2～2.0L 发动机、符合欧六b和欧六d-TEMP的轿车、运动型多功能车（SUV）及插电式混合动力车（PHEV）在各种试验循环下进行的试验。如图11所示，在所有工况下，车辆尾管的PN 排放量都低于6.0×1011km-1，过滤效率超过90%。当计入直径10～23nm颗粒物时，发动机排放的总颗粒数增加了26%～127%。与此同时，研究人员发现这些成核颗粒也能被GPF有效地过滤掉。过滤性能增强通常都是在压力降增加的情况下发生的。研究表明，这种采用了新技术的过滤器在承载炭烟的状态下压力降很小。GPF安装在地板下位置的车辆，其过滤性能测量值可达到20000km 的行驶里程。试验结果显示，在零公里时过滤器清洁状态的过滤效率超过了90%，且在耐久性运行期间保持了原有的过滤性能。

Dorscheidt等人也报道了这种高过滤效率的GPF。研究人员在1台配装无涂层GPF的2.0L涡轮增压汽油直喷车上测量了颗粒物排放量，并在7种不同的发动机运转工况下进行了测量。测试结果显示，当转速升高（负荷不变）、负荷增加（转速不变）和空燃比提高时，测得的PN 均有所增加，这表明，在高转速和高负荷时，随着燃油加浓，PN 排放量将会增加。在所有工况下，直径23nm 以下颗粒物的排放量较大，约占总PN 的27% ～47%。研究人员发现，在使用了GPF后，直径23nm 以下的颗粒物占总颗粒数的比率约为7%～37%。如图12所示，该GPF在没有炭烟或灰分清洁状态下，过滤效率超过了90%。研究人员发现，过滤效率会随着流速的增加而增加，这与之前的一些研究结论不一致。Walter等人开发的1款预测模型显示，在流速上升到某一点前，过滤效率会随着流量增加而降低，但当流量达到该分界点后，过滤效率将保持不变，甚至会随着流速的增加而略微增加。

TWC涂层技术对改善GPF过滤效率具有重要影响。Chen等人对几种GPF进行了研究，这些GPF具有不同的平均孔穴尺寸、不同的TWC涂层涂载量（60～120g/L），且采用的涂层技术也不同。试验是在2台分别配装了1.5L涡轮增压多点喷油发动机和1.8L涡轮增压汽油直喷发动机的车辆上进行的，GPF分别安装在紧耦合位置和车身地板下位置。试验发现，当TWC涂层涂载量由80g/L增加到120g/L时，过滤效率提高了10%～15%。减小平均孔穴尺寸的效果则较小，仅能使过滤效率提高5%～10%。试验结果表明，高过滤效率与高背压间的权衡对涂层技术和孔穴结构的相互作用较为敏感。研究发现，将内壁涂层技术从平均孔穴尺寸较大的GPF沿用到平均孔穴尺寸较小的GPF上，可明显增加背压，尤其是在涂层涂载量较高的时候。壁面涂层与平均孔穴尺寸较大的GPF相结合能获得良好的性能：当TWC涂载量由80g/L增加到120g/L 时，过滤效率和背压都增加了30%。此外，研究人员还发现，GPF安装在车身地板下位置时过滤效率较高，这是由于此时的GPF温度较低，有利于炭烟层快速形成。

Liu利用单收集器和毛细管模型预测了内壁和壁面有涂层的颗粒过滤器的性能。结果显示，内壁有涂层时过滤效率会下降，这是由于此时的过滤表面积减小，并有可能引起孔穴堵塞;而壁面有涂层时过滤效率会有所提高，但同时也会使背压增加。

HEV 在持续充电模式下，发动机需要频繁起停，且排气温度较低，从而容易产生较高的颗粒物排放。Lenz等人测定了1台欧六bPHEV 在室温条件下按NEDC工况运行时的颗粒物排放量。在试验开始时，车辆蓄电池显示充电状态为47%，试验结束后充电状态为53%。在整个试验过程中，发动机共起动了12次，其中有2次是在冷却液温度低于70℃的情况下起动的（称为冷态起动）。研究人员发现冷态起动时的PN 排放量几乎占了颗粒总数的50%，且冷起动都是在试验开始后的前350s和1.5km 的行程里程内发生的。此外，在总颗粒数中，直径小于23nm 的颗粒物约占50%。

Zhang等人比较了GPF在1台纯内燃机车辆和1台PHEV上的应用情况。这2台车辆配装了标定功率相同的2.0L涡轮增压发动机，但由于增加了20kW·h的电池组，PHEV 的质量增加了约500kg。2台车辆配置的后处理系统相同，均采用紧耦合TWC 和地板下安装的GPF，其中PHEV 因电池组的原因，GPF往下游再移动了0.7m。研究人员在-30～0 ℃的低环境温度下，进行了包括冷态起动在内的城区行驶试验，然后以小于30 km/h 的车速行驶了不到6 km。PHEV 在持续充电模式下运行。试验发现，0 ℃ 时GPF的炭烟承载量为0.02g/L，而-30℃时GPF的炭烟承载量增加到了0.20g/L，后者相當于车辆每天2次冷态起动、1～2周内产生的约3.0g/L 积炭量。PHEV的被动炭烟再生缓慢，这可能是GPF位置较远而导致其进口温度较低的缘故。此外，在蓄电池充电量较高时，GPF的进口温度也较低。

研究人员正在开展精确估计GPF内炭烟承载量的研究工作。Nicolin等人指出，有1种射频（RF）传感器能较好地测定GPF的炭烟承载量。研究人员在城市行驶循环和高负荷试验循环下，测定了地板下安装的GPF均匀和不均匀积炭时的炭烟承载量。试验结果显示，在所有情况下，RF-传感器测得的炭烟承载量与采用质量分析法测量的炭烟承载量相比，误差为±2g。

Neystani等人通过模拟，预测了在美国将气道喷油车改成汽油直喷车后对环境和健康产生的影响。从气道喷油车过渡到汽油直喷车的过程中，与颗粒物排放相关的死亡人数预计将从每年855人增加到1599人，由此带来的社会成本损失约为70亿美元。因此，研究人员建议应通过应用GPF进行补救。

3.2.2 汽油机气态排放物

进一步降低车辆尾管排放的最大挑战是要解决冷起动排放问题。仅采用增加铂系贵金属涂载量的方法不实际，也不一定有效。研发人员正在开发单原子催化剂以解决这一问题。Datye介绍了这方面的最新进展。该催化剂可在单原子层中得到较好地扩散。采用原子捕集法能使这种催化剂在高温下从蒸气相沉淀下来，二氧化铈是这种催化剂的最佳载体。催化剂具有极好的反应活性，证明CO的起燃温度小于100 ℃，但这种催化剂必须克服在高温下的催化剂氧化及需要重新激活等其他问题。为了促进NO 与CO 的反应，Khivantsev等人探讨了单原子铑在二氧化铈上的反应活性。研究人员用0.1%和0.5%（质量分数）的铑在二氧化铈上制备了催化剂。试验证实，该催化剂在100℃下NO与CO的反应几乎能100%完成。在温度低于100℃的干燥状态下，该催化剂对N2O 的选择能力几乎为100%，而在更高的温度下，N2 是主要产物。在有水分存在且中等温度的情况下，该催化剂还能生成一些氨。

为了应对未来的欧七排放限值，Ball等人对由TWC和催化型GPF组成的后处理系统进行了研究。TWC和GPF安装在紧耦合位置，分别在配置1.6L和2.0L涡轮增压汽油直喷发动机的车辆上进行了试验。研究人员评定了TWC 容量、铂系贵金属涂载量及GPF的催化涂层涂载量对满足国六b和欧六/欧七法规的影响。试验发现，对于减少CO 和NOx 排放而言，TWC容量由0.6L增加到1.0L要比铂系贵金属涂载量增加27%更为有效。此外，只有大容量TWC与催化层涂载量大的GPF组合才能满足国六b限值的要求。为了满足欧七排放目标，研究人员必须采用大容量的TWC、高涂载量（66%）的铂系贵金属和高涂载量催化层的GPF 组合，即使如此，CO排放限值也达到了较小的幅度。对于涂层涂载量较高时背压也会较高。在所有情况下，PN 排放量都远低于排放限值，其中最清洁的试验结果为2.0×1010km-1。需要指出的是，这些都是在试验室台架上和室温条件下测得的结果，如果在低气温和RDE 条件下进行试验，预计排放量可能会更高。Sterlepper等人也对TWC 和催化型GPF组合的紧耦合系统进行了研究。研究发现，随着热量和积灰量的增加，该系统的储氧能力会有所下降，但不是呈线性变化。低环境温度对排放有较大影响，在-17 ℃下试验时，NOx 和HC 排放量分别增加了50%和12倍。而由于GPF的存在，PN 排放量对环境温度不敏感。

随着尾管排放限值收紧至接近零的水平，发动机认证试验的可变性显得更为重要。Warkins等人测定了多次FTP循环重复试验的排放性能，发现驾驶员操作的可变性单独计算后，发动机产生的HC及NOx 排放量差异分别高达30%和10%。由此产生的尾管排放量变化率为10%～20%，研究人员将车速误差减少到低于EPA 限值时，尾管排放量的变化率可降至7%。

研究人员在配装了1.5～2.4L发动机的5台车辆上测定了采用高孔穴率基底材料的优势，这些车辆都通过超低排放车辆（ULEV）和超级超低排放车辆（SULEV）等级认证。试验结果显示，这种低热质量基底材料有助于催化剂更早点火。用其替代标准基底材料后，非甲烷碳氢化合物（NMHC）和NOx 的排放量各降低了10%～20%。

HC收集器是減少冷起动排放的1种解决方案，也是未来汽油机排气后处理系统的1个重要组件。研究人员测定了发动机出口和TWC出口的HC组分，以了解进入HC收集器的排气成分。研究人员分别在配装2.7L涡轮增压和5.3L自然吸气汽油直喷发动机的2台皮卡上，测定了在FTP循环工况下冷起动后第1取样袋中的排气组分。试验结果发现，在前250s内产生的冷起动排放量占到整个505s的试验时间总排放量的85%以上。TWC不仅呈现出较高的HC转换率，而且还会使TWC 进出口的HC 组分比率发生改变。TWC 出口的HC 组分包括乙醇、非甲烷链烷烃（如乙烷）、甲烷、稀族烃（如乙烯和丙烯）、醛类（如甲醛）和芳烃（如甲苯和其他C6-C11组分）。TWC还可使颗粒数排放量减少40%～44%。

采用EHC是使车辆尾管排放达到未来欧七、国七和LEV4排放要求的另1途径。对于PHEV，高功率冷起动是最差的排放场景，而采用EHC可能是1种可取的解决措施。Bruck等人指出，在某些车辆上可能需要采用配置2个EHC和1个HC收集器的后处理系统。研究人员用1台配装了3缸1.0L发动机的48V轻度混合动力车进行的WLTC试验显示，尽管2个2kW的EHC始终处于通电状态，但在试验前80s内，非甲烷HC组分的排放量超过了限值的50%。因此，研究人员根据需要，添加了1个HC收集器，使排放量减少至低于欧六d限值的80%。车辆在0℃环境温度下和城区短距离行驶时，催化器需要预热几秒钟。

未来的欧洲排放法规会对诸如NH3、N2O 和CH4等排气组分设定排放限值。Suarez-Bertoa等人测定了2台汽油机商用车、2台柴油机乘用车和1台压缩天然气商用车在道路上行驶时的气态排放物。结果显示，由于柴油机车辆配装有ASC，其NH3 排放量非常低，而汽油机车辆的NH3 平均排放量为21～49mg/km。研究人员认为，这样的排放量与大气中的HNO3 相结合将会产生11～38mg/km 的PM2.5 颗粒物排放量。研究人员已考虑在汽油机后处理系统中采用SCR 系统来解决NH3 排放问题。Getsoian等人阐述了汽油机车辆的氨生成和控制问题。在浓混合气运行工况下，钯基催化剂和铑基催化剂容易生成NH3，当切断燃油时，还会在氧化型TWC催化器的进口生成NH3，这些NH3 大部分都会在下游的催化器中被重新氧化成NO，但如果氧化不充分，则会发生NH3 逃逸。车辆配装了下游SCR 系统就能完全转换上游TWC 产生的NH3。

Martin等人介绍了1种先进后处理系统在1台汽油机车辆上应用的情况。该车辆为配装1.0L 涡轮增压汽油直喷发动机的48VP2结构峰值电功率15kW的轻度混合动力车。该车采用的紧耦合系统由EHC、TWC及有涂层GPF组成，下游后处理系统包括SCR系统、另1个EHC 和NOx 存储催化器。二次空气喷射系统用于实现下游后处理部件的稀气状态。上游TWC产生的NH3 可被下游的被动SCR系统利用。为了使冷起动排放量接近零，研究人员采取了催化器预热30s的措施。试验结果显示，在动态RDE试验循环下，NOx 排放量为1.2mg/km，HC排放量为2.8mg/km。

在过去几年中，研究人员一直在探索被动SCR 系统在稀燃汽油机上应用的效果。Prikhodko指出了该方法面临的挑战。研究人员在1台稀燃汽油直喷发动机上配置了由钯基TWC（Pd-TWC）和NOx 储存催化器（二者都会产生NH3），以及紧随其后的GPF和Cu-CHASCR催化器组成的后处理系统。试验显示，被动SCR系统的性能取决于NH3 的储存量，在大于700℃的温度下进行热液老化时，NH3 生成量会减少，尤其是在浓排气状态时。在800℃浓排气状态下的老化会导致200 ℃ 时和400 ℃ 时的NH3 储存量分别损失50%以上和70%以上。这就将导致被动SCR 系统反应活性减弱，尤其是在被动SCR 系统反复经受稀/浓排气的情况下尤为明显。

3.3 甲烷氧化催化器

天然气发动机必须解决甲烷的逃逸问题，因为甲烷是1种潜在的温室气体，而且它很难在TWC的点火温度下被转换。Suarez-Bertoa等人的研究显示，1台配装欧六b的3.0L压缩天然气发动机的轻型商用车，在整个RDE试验路线中CH4 的排放量约为75mg/km，而在高速路段行驶时CH4 的排放量则高达127mg/km。根据全球暖化的趋势，估计这样的CH4 平均排放量相当于6.5g/km 的CO2 排放量。

研究人员正在继续探索各种新的催化剂及其合成技术，以应对CH4 逃逸和提高催化剂的转换功能。Lott等人探讨了克服水分对钯基催化剂转换功能抑制作用的策略。研究人员在类似于稀燃天然气发动机排气状态的气流中进行了实验室试验。试验结果发现，对于0.2%的Pd/Al2O3 催化剂，在有水分存在的情况下，甲烷氧化的点火温度会升高超过100 ℃。研究人员开发了1种多反应点位的微反应动力学模型，以解释水分对甲烷转换的抑制作用。试验显示，采用二氧化铈-氧化锆作为载体时，能有效降低水分的抑制作用。在稀-浓排气交替流动的情况下，转换功能会明显提高，即使在有水分存在时也是如此。

Harold等人报道了采用贵金属-尖晶石组合催化剂来提高甲烷转换效率和减少贵金属用量的试验结果。研究人员筛选了各种尖晶石，发现NiCoO4 尖晶石的转换功能最佳。这种尖晶石能通过提高储氧能力和保持活性点位的贵金属来增强反应活性。研究人员还在实验室的稀-浓模拟气体中对1 种内层为NiCoO4/钒土和外层为Pt/Pd/钒土的双层催化剂进行了试验。试验结果发现，这种催化剂在300 ℃时就能开始转换甲烷，点火温度为350℃，达到90%转换率的温度T90% 为400℃。此外，研究人员还发现在排气流中有SO2 存在时，尖晶石催化剂能够发挥可靠的转换功能。

4 结语

随着大部分国家的车辆尾管CO2 减排目标出台，降低汽车的燃油耗已成为业内关注的焦点。2021年公布的欧洲气候法令将进一步要求降低CO2 的排放限值。中国宣布，到2035年混合动力车将占50%的市场份额。发动机效率继续有所提高，各国也提出了使发动机的有效热效率（BTE）达到45.0%的各种技术路径。混合动力车专用发动机越来越受到关注，因为该发动机有助于使发动机始终在低燃油耗区工作。一些先进的内燃机技术，诸如汽油压燃、对置活塞和稀燃等技术都取得了一定的进步。为了减少上游CO2 排放和现有车辆的CO2 排放，研究人员正在开发可再生燃油和合成燃油。

2020年，欧洲针对欧七排放法规进行了讨论，欧七法规草案也提出了要大幅收紧排放限值，并要求将排放认证试验由试验室的试验循环改成在道路上试验。其他变化还包括取消排放一致性系数、将直径23nm以下颗粒物计入PN 限值，以及修改RDE试验规程以强调城区行驶时的冷起动排放等。美国加利福尼亚州也在向LEV Ⅳ排放标准靠拢，提出了内燃机车队要达到20mg/mile的非甲烷有机气体（NMOG）与NOx 平均排放量限值（SULEV20）。

欧七和LEV Ⅳ法规的重点是要求减少冷起动排放。因此，研究人员正在优化TWC和SCR催化器、低热质量基底材料、EHC、HC 收集器和被动NOx 吸附器。为了应对欧七排放法规提出的NH3 限值，被动SCR系统也有可能用于汽油机的排气后处理系统。GPF的过滤效率将进一步提高，以应对越来越严的排放法规。

加利福尼亚州的重型车低NOx 综合法规是目前世界上最全面和最严格的法规。美国环境保护署将于2021年公布低NOx 法规版本，欧七排放法规也将要求大幅度减少NOx 和其他有害污染物（包括直径23nm以下颗粒物）的排放量。这些法规将为未来非道路移动机械法规的收紧政策奠定基础。

为了实现2027年重型卡车和大型客车NOx 减排90%的目标，各国研究人员对各种可用的技术进行了试验评估。目前面临的挑战是，车辆要在采用了新移动平均窗口（MAW）排放分析法的新低负荷试验循环下，以及在使用寿命延长至接近百万英里的情况下实现这些减排目标。紧密耦合的SCR 系统是1种较有前途的催化器，但因其通常暴露在含硫的环境中，因此，研究人员正在开展了解SCR 减活性（包括硫酸化）机理的研究工作。重型车发动机的颗粒物排放限值也要求降低50%，研究人员将会在提高过滤效率、减少压力降和提高积灰能力等方面对DPF 进行设计优化。此外，美国和欧洲的重型车CO2 减排目标也已出台，NOx 的减排技术还必须同时确保CO2 排放降低。研究人员也正在通过“超级卡车Ⅱ”计划来提高发动机效率，采用废热回收技术可实现55.0%BTE的目标。

天然气發动机的效率也在不断提高，有些发动机已经通过了超低NOx 排放标准的认证。甲烷逃逸是1个有待继续研究的课题，研究人员对新甲烷催化器的研究表明，在400 ℃以下有可能会使催化剂的甲烷转换效率达到90%。