A.JOSHI

摘要：闡述汽車尾管溫室氣體（GHG）和有害污染物排放控制的最新進(jìn)展。詳細(xì)介紹新出臺(tái)和即將出臺(tái)的排放法規(guī)，以及為改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣后處理系統(tǒng)而開發(fā)的各種技術(shù)。報(bào)道了各主要國家通過CO2減排和車輛電動(dòng)化目標(biāo)來減少GHG排放的最新動(dòng)向。對(duì)某些能促使CO2實(shí)現(xiàn)大幅減排的成熟內(nèi)燃機(jī)技術(shù)作了詳細(xì)評(píng)述，其中包括汽油壓燃、預(yù)燃室燃燒、噴水和停缸等發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向。探討了動(dòng)力總成電動(dòng)化和采用先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的協(xié)同效應(yīng)。在評(píng)估各種動(dòng)力總成的選擇方案和強(qiáng)調(diào)混合動(dòng)力系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)CO2減排中的作用時(shí)，必須進(jìn)行類似于“從搖籃到墳?zāi)埂钡娜芷诜治?。?duì)先進(jìn)燃油在改善車輛排放中的作用及其潛力進(jìn)行了分析。在有害污染物排放方面，著重論述了氮氧化物（NOx）和顆粒物的減排情況。美國加利福尼亞州正在領(lǐng)導(dǎo)1項(xiàng)重型卡車綜合法規(guī)的制定工作，目標(biāo)是使NOx排放減少90%，對(duì)該法規(guī)草案的主要內(nèi)容作了介紹。工作面臨的主要挑戰(zhàn)是要在不影響CO2排放的情況下達(dá)到NOx的減排目標(biāo)。為此，人們正在開展各種研究，并提出了各種技術(shù)路徑。

關(guān)鍵詞：排放法規(guī);控制;輕型車;重型車;熱效率

0?前言

交通運(yùn)輸領(lǐng)域正在經(jīng)歷一場(chǎng)加快采用各種先進(jìn)技術(shù)的重大變革，以滿足社會(huì)對(duì)減少車輛有害污染物（主要是氮氧化物（NOx）和顆粒物）和溫室氣體（GHG）排放的期望。盡管動(dòng)力總成電動(dòng)化被認(rèn)為是減排的有效方式之一，但在去年銷售的新款乘用車中，仍有超過97%的車輛配裝了內(nèi)燃機(jī)[1]。為了應(yīng)對(duì)人們對(duì)健康、空氣質(zhì)量和全球變暖的擔(dān)憂，迫切需要繼續(xù)改善車輛尾管的排放。本文介紹了汽車排放法規(guī)的最新進(jìn)展情況，以及技術(shù)進(jìn)步推進(jìn)輕型乘用車和重型卡車尾管排放改善的情況。

當(dāng)今，最好的輕型車汽油機(jī)的最高有效熱效率（BTE）大約為40%，還存在較大的提高空間。在此，回顧了一些能使BTE達(dá)到47%以上的主要技術(shù)和系統(tǒng)的研發(fā)情況，包括在燃燒、減少燃油加濃、改善空氣管理、減少摩擦、熱量回收利用和排氣后處理系統(tǒng)改進(jìn)等方面的研究進(jìn)展情況。預(yù)測(cè)顯示，當(dāng)這些發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)與諸如減輕質(zhì)量、改善空氣動(dòng)力學(xué)、先進(jìn)的變速箱，以及輕度和重度混合動(dòng)力系統(tǒng)等車輛技術(shù)相結(jié)合時(shí)，CO2的排放量將能進(jìn)一步減少40%以上。

本文首次介紹車用燃油與先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)配合時(shí)對(duì)減少排放的協(xié)同作用。純蓄電池電動(dòng)汽車和燃料電池車輛也在獲得一定的市場(chǎng)份額，它們將被用來應(yīng)對(duì)更為嚴(yán)格的CO2減排目標(biāo)，同樣也能使有害污染物排放明顯降低。新的實(shí)際行駛排放（RDE）試驗(yàn)的數(shù)據(jù)顯示，與歐6d之前的排放法規(guī)相比，該新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施使柴油機(jī)的NOx排放量減少了70%～90%。汽油機(jī)顆粒過濾器（GPF）已在歐洲和中國的汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了普遍應(yīng)用，隨著排放法規(guī)的不斷收緊，GPF很可能會(huì)擴(kuò)大應(yīng)用到氣道噴油發(fā)動(dòng)機(jī)上。新的排放法規(guī)會(huì)繼續(xù)不斷地出臺(tái)并付諸實(shí)施。中國已經(jīng)修訂了最新的新能源政策，并確認(rèn)了混合動(dòng)力車在達(dá)到未來CO2排放目標(biāo)中的作用。中國的國六排放標(biāo)準(zhǔn)已提前開始實(shí)施。歐6 后排放法規(guī)的要點(diǎn)正變得更加清晰。本文將對(duì)這些要點(diǎn)及其含義進(jìn)行介紹。印度從2020年開始實(shí)施BS6排放標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計(jì)將在新的柴油機(jī)車輛上也采用顆粒過濾器和選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)。RDE法規(guī)的邊界條件已經(jīng)敲定，預(yù)料GPF同樣也會(huì)越來越多地受到重視及應(yīng)用。

此外，重型車發(fā)動(dòng)機(jī)也顯示出其BTE達(dá)到55%的潛力。本文回顧參與美國能源部“超級(jí)卡車II計(jì)劃”的各研究團(tuán)隊(duì)在這方面取得的進(jìn)展。燃油效率提高將有助于達(dá)到美國第二階段的GHG排放目標(biāo)和歐洲首個(gè)CO2排放目標(biāo)。美國和歐洲這2個(gè)地區(qū)還在推出更嚴(yán)苛的NOx減排標(biāo)準(zhǔn)。歐6e排放標(biāo)準(zhǔn)已最終定稿，其中包括了對(duì)冷起動(dòng)排放的要求。美國加利福尼亞州的重型車低NOx排放標(biāo)準(zhǔn)草案要求到2027年實(shí)現(xiàn)NOx 排放減少高達(dá)90%，同時(shí)還對(duì)冷起動(dòng)和低負(fù)荷排放提出了要求。在達(dá)到這一要求的同時(shí)，還要滿足GHG排放和更長(zhǎng)使用壽命的要求，這并不是1件輕而易舉的事情。為此，人們已開始對(duì)各種排氣后處理系統(tǒng)開展研究，以充分掌握各項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。本文將介紹這些研究的最新動(dòng)向。1種采用車載NOx傳感器和遠(yuǎn)程通訊的技術(shù)用來確保車輛在使用過程中排放達(dá)標(biāo)的新運(yùn)行模式正在探索之中。

上述所有改進(jìn)措施的核心是要持續(xù)改善排氣后處理部件的性能，包括提高顆粒過濾器的過濾效率、提高SCR系統(tǒng)的低溫轉(zhuǎn)換效率，以及改進(jìn)NOx和碳?xì)洌℉C）收集器，以解決冷起動(dòng)排放問題。

1?排放法規(guī)

1.1?輕型車排放法規(guī)

1.1.1?CO2排放法規(guī)或燃油耗標(biāo)準(zhǔn)

圖1 所示為各主要國家設(shè)定的輕型車CO2減排目標(biāo)。2018年，在歐洲注冊(cè)的新輕型車的CO2平均排放量為120.4 g/km，它比2017年的排放量增加了2.0 g/km[1.2]。造成這種情況的部分原因是，柴油機(jī)的份額減少了約36%，而SUV車型配裝的大型汽油機(jī)的份額則由25%增加到了31%。這意味著汽車工業(yè)很可能要付出極大的努力才能達(dá)到2021年95 g/km的CO2排放目標(biāo)，否則將會(huì)面臨巨額罰款。另外，目前世界上最嚴(yán)格的2025年和2030年CO2排放目標(biāo)已經(jīng)確定，要求到2030年實(shí)現(xiàn)CO2排放量比2021年的基準(zhǔn)值減少37.5%，并決定從2020年起按全球統(tǒng)一的輕型車試驗(yàn)規(guī)程（WLTP）試驗(yàn)循環(huán)測(cè)定CO2排放量。

美國的燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)存在很大的不確定性。2019年9月，美國國家公路交通安全管理局和美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）公布了1份法案，目標(biāo)是要實(shí)施全美國統(tǒng)一的燃油經(jīng)濟(jì)性/GHG排放標(biāo)準(zhǔn)，并且不允許各州制訂自己的GHG排放標(biāo)準(zhǔn)和零排放車（ZEV）強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。該法案建議取消授予加利福尼亞州在實(shí)施先進(jìn)清潔轎車（ACC）計(jì)劃中擁有的GHG和ZEV排放立法權(quán)，但不影響他們?cè)贏CC計(jì)劃中制訂更嚴(yán)格的法規(guī)來限值有害污染物排放。全國性的GHG排放法規(guī)和燃油耗標(biāo)準(zhǔn)已最終定稿。 同時(shí)，加利福尼亞州已與4家汽車制造商達(dá)成了1項(xiàng)協(xié)議，要求從2022年起到2027年實(shí)現(xiàn)GHG每年減排3.7%（原先的計(jì)劃是從2021年起到2026年實(shí)施該減排目標(biāo)），并提供電動(dòng)汽車信貸。其他原設(shè)備制造商（OEM）則表示，他們更傾向于采用全國性的排放標(biāo)準(zhǔn)。所有這些立法舉動(dòng)將面臨來自法院的挑戰(zhàn)，預(yù)料將會(huì)在未來提起起訴。

中國在1份新能源汽車計(jì)劃草案（修訂版）中提出，對(duì)新能源汽車的信貸要求將放寬到2022年的16%和2023年的18%。另一方面，從2019年7月起中國已減少了對(duì)新能源汽車的財(cái)政激勵(lì)，因而導(dǎo)致了新能源汽車的銷量有所下降。為此，中國政府正在重新考慮2020年再大幅削減新能源汽車補(bǔ)貼的計(jì)劃。同時(shí)還建議改變以全電力行駛里程為依據(jù)的信貸計(jì)算方法。蓄電池電動(dòng)汽車的最大信貸系數(shù)從5.0降低到了3.4，插電式混合動(dòng)力車的信貸系數(shù)從2.0降低到了16，同時(shí)對(duì)考慮能量消耗的修正系數(shù)作了修改，并強(qiáng)調(diào)了對(duì)能源效率的重視。雙信貸體系也有所改變，用于補(bǔ)償公司平均燃油耗要求的新能源汽車信貸系數(shù)從20降低到了1.6。另1個(gè)重要變化是將“低燃油耗”乘用車也包括在內(nèi)，這樣就能使混合動(dòng)力車獲得新能源汽車信貸。所有這些變化強(qiáng)調(diào)了內(nèi)燃機(jī)在實(shí)現(xiàn)中國能源安全目標(biāo)中的重要性。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，中國工業(yè)和信息化部還公布了1份修訂后的“2021—2025年新能源汽車產(chǎn)業(yè)計(jì)劃[3]”。該計(jì)劃提出了增加新能源汽車投放的策略，目標(biāo)是到2025年要使新能源汽車的銷售量占比達(dá)到25%。該計(jì)劃還要求，到2025年電動(dòng)汽車的能耗應(yīng)小于百公里12 kW·h，插電式混合動(dòng)力車的能耗應(yīng)小于百公里21 kW·h。

日本發(fā)布了新的燃油耗標(biāo)準(zhǔn)，要求到2030年車隊(duì)平均燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)到25.4 km/L，這要比2016年的燃油經(jīng)濟(jì)性提高32.4%[4]。燃油耗的目標(biāo)值要求按WLTP試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)也適用于電動(dòng)化車輛，但要求計(jì)入為生產(chǎn)電力而產(chǎn)生的上游CO2排放量。

1.1.2?有害污染物排放法規(guī)

目前，歐洲正在考慮對(duì)排放法規(guī)的框架和嚴(yán)格程度作某些重大改變，旨在減少車輛尾氣排放和提高使用過程中的排放達(dá)標(biāo)度。以下是目前正在討論的建議在“歐6后”排放法規(guī)中采取的一些新舉措，其中有些舉措也可能適用于重型車排放標(biāo)準(zhǔn)：（1）制訂中性的燃油和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以均衡柴油機(jī)和汽油機(jī)的NOx排放限值，并促使汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)車輛也遵守顆粒數(shù)排放限值。（2）設(shè)定更低的尾管NOx排放限值，可能的目標(biāo)是35 mg/km，這也是中國設(shè)定的2023年的NOx排放限值，這相當(dāng)于歐6汽油車排放限值的50%。應(yīng)當(dāng)指出的是，美國第3階段30級(jí)（Tier3 Bin30）的限值仍然是目前世界上最嚴(yán)格的氣態(tài)排放物標(biāo)準(zhǔn)。（3）將10～23 nm 的顆粒物計(jì)入總顆粒數(shù)排放量。（4）對(duì)以前不受限制的排放組分（如NO2、N2O、NH3、HNCO和HCHO）也設(shè)定排放限值。（5）對(duì)非甲烷碳?xì)洌∟MHC）單獨(dú)設(shè)定排放限值，考慮到甲烷對(duì)全球變暖的潛在影響，可采用CO2的當(dāng)量來計(jì)算 CH4的排放量。（6）要求在-7 ℃的低溫下在底盤測(cè)功器上進(jìn)行顆粒物和氣態(tài)排放物的測(cè)定試驗(yàn)。（7）設(shè)定RDE試驗(yàn)中CO的不得超過非法規(guī)工況（NTE）限值，以及有效的燃油加濃限值。（8）修改城區(qū)RDE行駛循環(huán)，可能會(huì)引入行駛距離較短的新行駛循環(huán)，以強(qiáng)調(diào)需要減少城市空氣中的顆粒物。（9）提高對(duì)耐久性的要求。應(yīng)當(dāng)指出的是，中國的國六b標(biāo)準(zhǔn)已設(shè)定了200 000 km的耐久性限值。相比之下，歐洲現(xiàn)在的耐久性要求僅為160 000 km。

除了以上各項(xiàng)舉措外，歐洲還將對(duì)排放的一致性系數(shù)（CF）定期進(jìn)行評(píng)估，并將會(huì)隨著測(cè)量設(shè)備的改進(jìn)及時(shí)下調(diào)CF。事實(shí)上，NOx的CF已從2.10減小到了1.50和1.45。歐盟委員會(huì)初步?jīng)Q定，會(huì)將 NOx的CF進(jìn)一步減小到1.32[5]。從2020年9月起，歐洲引入1種新的市場(chǎng)監(jiān)管系統(tǒng)。該監(jiān)管系統(tǒng)有權(quán)責(zé)令歐盟成員國撤銷型式認(rèn)證和召回排放不達(dá)標(biāo)的車輛。 為了減少較高的顆粒物排放，歐洲提出了1項(xiàng)新的定期技術(shù)檢測(cè)（PTI）計(jì)劃。Burtscher等人對(duì)這種技術(shù)檢測(cè)方法作了簡(jiǎn)要介紹[6]。PTI被看作是1種快速路邊試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間小于2 min，它能檢測(cè)柴油機(jī)顆粒過濾器（DPF）是正常工作還是有故障。研究人員開發(fā)了1種低怠速試驗(yàn)法。試驗(yàn)顯示，測(cè)試結(jié)果與認(rèn)證試驗(yàn)循環(huán)的測(cè)量值具有很好的相關(guān)性。一些國家將從2021年開始實(shí)施PTI計(jì)劃，擬先對(duì)柴油機(jī)車輛進(jìn)行這種檢測(cè)，預(yù)料緊接著也會(huì)對(duì)汽油機(jī)車輛進(jìn)行這種檢測(cè)。

中國的國六a輕型車排放標(biāo)準(zhǔn)正在全國范圍逐步實(shí)施，而某些主要地區(qū)則將從2019—2020年起提前實(shí)施國六b排放標(biāo)準(zhǔn)。有關(guān)部門目前正在擬訂RDE試驗(yàn)的詳細(xì)規(guī)則。行業(yè)內(nèi)已開始對(duì)國七排放標(biāo)準(zhǔn)展開初步討論，但對(duì)于國七標(biāo)準(zhǔn)的走向和時(shí)間表還沒有任何官方的解釋。預(yù)計(jì)國七標(biāo)準(zhǔn)會(huì)進(jìn)一步收緊氣態(tài)排放物的排放限值，并且國七的要點(diǎn)可能會(huì)與歐6后法規(guī)的要點(diǎn)相同，例如會(huì)將小于23 nm的顆粒計(jì)入總顆粒數(shù)。

美國沒有發(fā)布有關(guān)排放法規(guī)變更的重要資料。美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）正在觀察細(xì)小顆粒物（PM2.5）對(duì)國家環(huán)境空氣質(zhì)量的影響，以決定是否要將PM2.5的年排放量限值收緊到目前的12 μg/m3以下。EPA的專家在1份草擬的政策評(píng)估報(bào)告中建議，應(yīng)根據(jù)近期流行病學(xué)研究的審評(píng)結(jié)果來收緊排放標(biāo)準(zhǔn)。預(yù)料該評(píng)估報(bào)告將在2020年內(nèi)完成。

印度的RDE試驗(yàn)邊界條件已最終定稿。盡管印度引用了歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)的總體框架，但為了更好地反映本國的行駛條件，他們對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的邊界條件作了一些重要改變。將城區(qū)的行駛車速限定在40 km/h以下，將公路上的行駛車速限定為60～80 km/h。相比之下，歐洲的這2種車速則分別為60 km/h和90～145 km/h。另外，RDE試驗(yàn)的有效溫度在正常情況下規(guī)定為10～40 ℃，在擴(kuò)展的情況下規(guī)定為8～45 ℃，它們要比歐洲和中國要求的零度以下的試驗(yàn)溫度高出許多。對(duì)CF的要求也將最終定稿，預(yù)計(jì)會(huì)在2020年開始的監(jiān)測(cè)階段之前確定CF值。

預(yù)計(jì)其他國家和地區(qū)會(huì)在未來幾年內(nèi)開始改善燃油品質(zhì)，并逐漸收緊排放法規(guī)。泰國的現(xiàn)行排放法規(guī)相當(dāng)于歐4的水平，該國的目標(biāo)是要求到2023年采用含硫量為10×10-6的燃油。Koson[9]探討了2023年泰國實(shí)施歐6排放法規(guī)的可能性，但實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的可行性還存在很大的不確定性。

1.2?重型車排放法規(guī)

1.2.1?溫室氣體排放法規(guī)

美國、中國、日本、印度、加拿大和歐洲等6個(gè)主要國家和地區(qū)現(xiàn)在都頒布了溫室氣體排放法規(guī)。歐州部長(zhǎng)會(huì)議已批準(zhǔn)了歐盟首次提出的重型車CO2 排放標(biāo)準(zhǔn)[10]。該標(biāo)準(zhǔn)要求到2020年和2030年新卡車的CO2排放量應(yīng)比2019年分別減少15%和30%。與美國不一樣的是，歐盟的標(biāo)準(zhǔn)沒有單獨(dú)制訂發(fā)動(dòng)機(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)。車輛的實(shí)際燃油耗和能耗要采用車載測(cè)量裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并需要向有關(guān)部門報(bào)告監(jiān)測(cè)結(jié)果。

加利福尼亞州空氣資源局（CARB）通過先進(jìn)清潔卡車法規(guī)提出了重型車的ZEV銷售目標(biāo)，要求從2024年起2.3級(jí)和7.8級(jí)牽引卡車的ZEV年銷售量占比應(yīng)達(dá)到3%，到2030年應(yīng)上升到15%。對(duì)于4.8級(jí)的專用車輛，在相同年限內(nèi)ZEV的年銷售量占比要從7%開始上升到50%?；旌蟿?dòng)力車可以根據(jù)其全電力行駛的里程給予一部分信貸。ZEV也能獲得第2階段（Tier2）GHG排放的信貸。

1.2.2?有害污染物排放法規(guī)

為了進(jìn)一步降低NOx排放和提高使用過程中的排放達(dá)標(biāo)度，美國提出了一些新的排放法規(guī)。Preble等人的研究顯示，采用SCR能使NOx排放明顯降低。在2014—2018年期間，在加利福尼亞州的2個(gè)不同地區(qū)，采用路邊排氣流采樣法采集了幾千輛重型車的排放物氣樣。調(diào)查顯示，其中1個(gè)地區(qū)已有59%的車隊(duì)配裝了SCR系統(tǒng)，而另1個(gè)地區(qū)只有25%的車隊(duì)配置SCR系統(tǒng)。測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2010—2018年型發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放量平均要比2004—2005年型發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放量低77%。采用SCR后，NO2的排放量也減少了27%。采用SCR還能使發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行重新標(biāo)定，進(jìn)而使CO2排放減少約4%。盡管這些改善頗為明顯，但是只有三分之一的2010年型新卡車的NOx排放量低于認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。N2O的排放量也比采用SCR前接近零的排放量有所增加，而且所有卡車的排放值均超過了認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。采用SCR后導(dǎo)致NH3的排放量有所增加（與原先接近零的排放量相比），但是發(fā)現(xiàn)NH3排放量增加的情況大多數(shù)是在NOx排放量非常低的卡車上發(fā)生。觀察表明，需要采用更為有效的氨供給策略和氨逃逸催化器。少數(shù)高排放卡車的排放量占了車隊(duì)總排放量的很多份額，10%卡車排放的NOx、NO2、N2O和NH3分別為車隊(duì)排放總量的39%、52%、63%和95%。這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了采用SCR的好處，同時(shí)也指出，需要提高車輛使用過程中的排放達(dá)標(biāo)度。

Badshah等人用便攜式排放測(cè)量系統(tǒng)（PEMS）測(cè)量了160臺(tái)2010年后的重型柴油機(jī)車輛使用過程中的排放量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了分析。這些車輛在NTE試驗(yàn)過程中的運(yùn)行時(shí)間平均僅為8.7%。在NTE試驗(yàn)中的NOx平均排放量為0.18 g/（hp·h）①，而在包括怠速在內(nèi)的整個(gè)試驗(yàn)運(yùn)行過程中，NOx的平均排放量則為0.36 g/（hp·h），后者的NOx排放量比前者的增加了1倍。在低車速運(yùn)行時(shí)，NOx排放量呈現(xiàn)出不成比例增加的態(tài)勢(shì)。如圖2所示，車速低于25 mile/h時(shí)，NOx排放量大于1 g/（hp·h），比認(rèn)證限值高出了約5倍。而長(zhǎng)途運(yùn)輸卡車在城區(qū)低速行駛時(shí)，NOx排放量大約是認(rèn)證限值的7倍。

Pasada等人對(duì)5臺(tái)卡車排放數(shù)據(jù)所作的分析顯示，雖然放寬NTE試驗(yàn)法的邊界條件有助于縮小排放的差距，但是采用歐洲基于工作狀態(tài)的窗口法是1種更有效的方法，它能使累計(jì)的排放量與城區(qū)行駛的排放狀況更為一致。

為了解決以上的問題，CARB提出了1項(xiàng)重型車低NOx排放的綜合規(guī)則，目前的提案擬分3步逐漸減少NOx排放：第1步，針對(duì)2022年型車輛對(duì)NTE試驗(yàn)作較小的修改。第2步，針對(duì)2024—2026年型車輛按聯(lián)邦試驗(yàn)規(guī)程（FTP）試驗(yàn)時(shí)，NOx排放限值降至005 g/（hp·h），提出新的低負(fù)荷試驗(yàn)循環(huán)（NOx排放限值設(shè)定為FTP限值的1～3倍），實(shí)際使用過程的試驗(yàn)方法從NTE試驗(yàn)法改變?yōu)闅W洲的移動(dòng)平均窗口法（歐6d），顆粒物排放限值降低50%，為0.005 g/（hp·h）。第3步，針對(duì)2027年型車輛按FTP試驗(yàn)的NOx排放限值進(jìn)一步降至0.01x g/（hp·h）（“x”值待定），進(jìn)一步收緊試驗(yàn)過程中的測(cè)試要求，包括收緊對(duì)冷起動(dòng)的要求（歐6e）。除了以上提議之外，CARB還建議提高對(duì)使用壽命和質(zhì)保的要求。

有研究人員詳細(xì)描述了美國EPA“清潔卡車倡議”的主要內(nèi)容，其中包括：全國性的NOx減排目標(biāo)應(yīng)與CARB提出的要求一致，提高對(duì)使用壽命和質(zhì)保的要求，加快柴油機(jī)排氣后處理系統(tǒng)的老化過程，以及利用車載傳感器的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)排放達(dá)標(biāo)度。重點(diǎn)是要通過新的實(shí)際使用試驗(yàn)方法和單獨(dú)設(shè)定怠速排放限值來確保車輛在所有運(yùn)行條件下達(dá)到低排放目標(biāo)。為了確保在實(shí)際行駛中實(shí)現(xiàn)NOx減排，研究人員正在探索1種采用車載NOx傳感器和遠(yuǎn)程信息技術(shù)的新監(jiān)測(cè)模式。預(yù)料這種檢測(cè)方法能對(duì)高排放車輛進(jìn)行快速檢測(cè)，同時(shí)還能減輕PEMS的一些試驗(yàn)負(fù)擔(dān)。加利福尼亞州還準(zhǔn)備提出，要像道路車輛一樣減少非道路用柴油機(jī)的NOx和顆粒物排放。他們正在進(jìn)行的研究項(xiàng)目是測(cè)定第4階段（Tier4）發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用過程中的排放量，以及采用模擬手段觀察先進(jìn)排氣后處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步減排的潛力。

目前，歐6e排放法規(guī)已由官方正式發(fā)布，從2020年1月開始，新車型式認(rèn)證將執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)，從2022年1月起要求所有車輛都執(zhí)行該法規(guī)。該法規(guī)的重要變化是要求在進(jìn)行型式認(rèn)證和實(shí)際試驗(yàn)排放達(dá)標(biāo)試驗(yàn)時(shí)，采用PEMS測(cè)量冷起動(dòng)的廢氣排放量和顆粒數(shù)排放量。實(shí)際使用排放達(dá)標(biāo)試驗(yàn)的顆粒數(shù)一致性系數(shù)CF設(shè)定為1.63。對(duì)PEMS設(shè)備的評(píng)估顯示，CF尚有063的余量，它要比輕型車的CF余量（0.50）大一些?；鸹c(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)和雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)允許有2年的準(zhǔn)備期，該法規(guī)將從2023年開始適用于這些發(fā)動(dòng)機(jī)。歐6后的排放法規(guī)正在討論之中。Grigoratos等人研究了5臺(tái)重型車的實(shí)際排放性能。這些車輛包括幾臺(tái)長(zhǎng)途和區(qū)間運(yùn)輸卡車及1臺(tái)大客車，配裝的是7.5～13.0 L排量發(fā)動(dòng)機(jī)，并且所有的車輛均配置柴油機(jī)氧化催化器+柴油機(jī)顆粒過濾器+選擇性催化還原/氨逃逸催化器 （DOC+DPF+SCR/ASC）。測(cè)量結(jié)果顯示，大部分車輛的NOx排放量都低于認(rèn)證限值，顆粒物排放量要比限值低1個(gè)數(shù)量級(jí)。低車速行駛時(shí)的NOx排放量特別高，其中1臺(tái)車在7～11 ℃的環(huán)境溫度下試驗(yàn)時(shí)，NOx排放量超過了限值。NO2的含量為總NOx的10%～67%。因此，未來可能需要單獨(dú)設(shè)定NO2的排放限值。

研究人員正在進(jìn)行23 nm以下顆粒數(shù)測(cè)量的試驗(yàn)研究，以評(píng)估測(cè)量的精度和可靠性。Giechaskiel等人對(duì)直接測(cè)量尾管10 nm以上顆粒數(shù)的各種取樣方法進(jìn)行了評(píng)估。他們?cè)?臺(tái)柴油機(jī)和 2臺(tái)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了測(cè)量研究，這些發(fā)動(dòng)機(jī)都符合歐6c或歐6d標(biāo)準(zhǔn)。評(píng)估結(jié)論認(rèn)為，雖然各種稀釋方法（固定流量和比例流量）的功能相當(dāng)，但是用冷稀釋法測(cè)得的顆粒數(shù)被高估了50%，因而強(qiáng)調(diào)需要引入恰當(dāng)?shù)臉?biāo)定程序，尤其是對(duì)23 nm以下的顆粒。研究人員發(fā)現(xiàn)采用催化分離器測(cè)得的小于23 nm以下的顆粒數(shù)要比采用蒸發(fā)管測(cè)得的顆粒數(shù)來得少。這些結(jié)果表明，冷凝的液態(tài)顆粒對(duì)23 nm以下的顆粒群測(cè)量提出了挑戰(zhàn)。這些發(fā)動(dòng)機(jī)在全球統(tǒng)一的重型車瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)（WHTC）下的測(cè)量結(jié)果顯示，小于23 nm的顆粒數(shù)是大于23 nm顆粒數(shù)的18%～365%。在計(jì)入23 nm以下顆粒數(shù)的情況下，1臺(tái)柴油機(jī)車輛和1臺(tái)壓縮天然氣車輛的顆粒數(shù)排放量超過了規(guī)定的限值。

Mamakos等人的研究指出，尿素噴射會(huì)產(chǎn)生不揮發(fā)的顆粒物。2臺(tái)重型車柴油機(jī)在WHTC下進(jìn)行的試驗(yàn)顯示，當(dāng)尿素噴射開始時(shí)，顆粒數(shù)排放量增加到了2.2×1011/（kW·h），比規(guī)定的限值高出了三分之一。這些顆粒中數(shù)量最多的是小于20 nm的顆粒，這表明需要采用能計(jì)及這些尿素基顆粒的測(cè)量方法。

國六b標(biāo)準(zhǔn)已提前在北京實(shí)施，要求城市車輛從2019年1月起執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)，新卡車從2020年1月起執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)。目前，中國的非道路移動(dòng)機(jī)械第4階段排放法規(guī)仍未發(fā)布，原先的意圖是要從2020年開始實(shí)施該排放法規(guī)。

墨西哥已將該國采用超低硫柴油的時(shí)間推遲到了2025年，這可能會(huì)影響到原定于2021年實(shí)施歐6重型車排放標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)劃。

2?發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

本節(jié)介紹輕型車和重型車發(fā)動(dòng)機(jī)效率提升的進(jìn)展情況，并簡(jiǎn)要闡述燃油及其品質(zhì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有效燃燒的影響。

2.1?輕型車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

Weiss等人對(duì)3種德國流行的緊湊型轎車在過去40年的發(fā)展過程進(jìn)行了研究，50%以上的發(fā)動(dòng)機(jī)是為了迎合消費(fèi)者對(duì)高功率車輛的偏好而提升效率的。如果這些車輛的功率和載質(zhì)量仍然保持1980年的水平，那么CO2排放量可能會(huì)減少約25%。這充分說明，需要繼續(xù)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，若不這么做，消費(fèi)者預(yù)期改善性能的愿望就會(huì)阻礙CO2減排的進(jìn)程。同時(shí)這也表明，在改善車輛燃油經(jīng)濟(jì)性時(shí)，需要采取包括減輕質(zhì)量、發(fā)動(dòng)機(jī)小型化、改善空氣動(dòng)力學(xué)和動(dòng)力總成電動(dòng)化在內(nèi)的綜合技術(shù)措施。

表1所列是為提高輕型車燃油經(jīng)濟(jì)性而采用的一些領(lǐng)先的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。

Kargul等人介紹了美國EPA對(duì)最新的輕型車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)行的評(píng)估。他們對(duì)1臺(tái)豐田公司的2018年型4缸2.5 L自然吸氣阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)評(píng)定。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用了雙氣道和燃油直噴以及冷卻廢氣再循環(huán)（EGR），EGR率高達(dá)24.1%。通過進(jìn)氣門遲關(guān)來實(shí)現(xiàn)阿特金森循環(huán)，并將幾何壓縮比從13降至7。實(shí)測(cè)的BTE達(dá)到了39.8%，這是EPA在非混合動(dòng)力火花點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)上測(cè)得的最高BTE。他們利用ALPHA模擬工具評(píng)估了1臺(tái)中型車的CO2排放情況，并以1臺(tái)配裝2016年型2.5 L汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)和6速變速箱的車輛作為比較基準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，配裝Toyota 2018年型發(fā)動(dòng)機(jī)和8速變速箱（帶起動(dòng).停車裝置）的車輛，按城市和公路混合試驗(yàn)循環(huán)運(yùn)行時(shí)CO2排放量降低了17.3%。另外，他們還評(píng)估了1臺(tái)2015年型車輛采取車重減輕7.5%，以及空氣動(dòng)力學(xué)阻力和滾動(dòng)阻力各減少10%等措施后的排放情況。結(jié)果顯示，該車輛的CO2排放量比2018年型車輛的CO2排放量減少了15.0%。最后，發(fā)現(xiàn)采用固定停缸或動(dòng)態(tài)停缸技術(shù)時(shí)，能使車輛的CO2排放量比2015年基本型發(fā)動(dòng)機(jī)的排放量再進(jìn)一步減少7.7%。模擬顯示，與2016年的參比發(fā)動(dòng)機(jī)相比，這些技術(shù)組合在一起能使溫室氣體的凈排放量減少高達(dá)35%。應(yīng)當(dāng)指出的是，上述這些改善效果還沒有包括電動(dòng)化所起的作用。

Kapus闡述了利用現(xiàn)有的技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高有效熱效率的各種策略。理論空燃比汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)在不采用噴水保持過量空氣系數(shù)λ=1運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，可以通過采用米勒循環(huán)、可變截面渦輪增壓器和冷卻EGR來達(dá)到42%以上的BTE和100 kW/L以上的比功率。比功率可以換取更高的熱效率，采用低增壓時(shí)，在70 kW/L的比功率下能使BTE達(dá)到43.8%。雖然在λ=1.6的稀燃狀態(tài)下能使BTE進(jìn)一步提高到45%，但是，即使混合氣較稀也要求控制NOx的排放。Sellers等人的試驗(yàn)證實(shí)，1臺(tái)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)通過各種先進(jìn)燃燒技術(shù)的組合使BTE達(dá)到了45%。這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的缸徑/行程比為0.7，壓縮比為17，并采用了幾種減輕爆燃的策略，包括進(jìn)氣門早開的米勒循環(huán)，稀氣均質(zhì)燃燒和直接噴水。為了要在λ>2.0的狀態(tài)下保持穩(wěn)定燃燒，必須采用電暈放電點(diǎn)火?？梢灶A(yù)料，發(fā)動(dòng)機(jī)自身的NOx排放量會(huì)隨著λ增加而減少。

2.1.1?汽油壓燃

在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中燃用汽油是使汽油機(jī)達(dá)到像柴油機(jī)那樣熱效率的1種途徑。汽油固有的耐自燃特性是對(duì)汽油壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)確保低負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的挑戰(zhàn)之一。研究人員正在推出各種措施以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，例如：Mazda公司提出的在低負(fù)荷時(shí)采用火花點(diǎn)燃，采用汽油直噴壓燃技術(shù)和燃用耐自燃特性較差的低辛烷值燃油。Mazda公司介紹了在Skyactiv.X 2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)上采用汽油壓燃技術(shù)的詳細(xì)情況。該發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比由以前汽油機(jī)的14.0提高到了16.3。引入的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)包括：用增壓器作為進(jìn)氣稀釋器（稀釋進(jìn)氣空氣），采用配置10孔噴油器的高壓（70 MPa）噴油系統(tǒng)，以及改進(jìn)燃燒室設(shè)計(jì)。這些措施能使發(fā)動(dòng)機(jī)在寬廣的運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)稀氣燃燒，而在高負(fù)荷區(qū)再將稀氣燃燒轉(zhuǎn)換成理論空燃比燃燒。采用的排氣后處理系統(tǒng)由低壓EGR、三效催化器（TWC）和汽油機(jī)顆粒過濾器（GPF）組成。為了在車輛停車時(shí)保持住熱量并使發(fā)動(dòng)機(jī)慢慢地冷下來，將發(fā)動(dòng)機(jī)包封了起來。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩提高了10%以上，燃油耗平均改善了10%。Mazda公司還配置了1套輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)，并進(jìn)行了車輛試驗(yàn)，在城市行駛條件下，車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性提高了30%。有報(bào)道稱，汽油直噴壓燃技術(shù)已取得了顯著的進(jìn)步，1種全新的燃燒策略能克服以前對(duì)高負(fù)荷燃燒控制的限制。該燃燒策略包含了在接近上止點(diǎn)時(shí)實(shí)施由高壓（180 MPa）噴油系統(tǒng)支持的二次噴油。試驗(yàn)在1臺(tái)壓縮比為17的4缸2.2 L發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行。汽油直噴壓燃技術(shù)的其他進(jìn)步還包括：采用先進(jìn)的可變噴嘴渦輪增壓器和冷起動(dòng)用的2.5 kW進(jìn)氣空氣電加熱器。對(duì)這臺(tái)三代發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行的測(cè)功器臺(tái)架試驗(yàn)顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)的最高BTE達(dá)到了435%，最低有效燃油消耗率（BSFC）為194 g/（kW·h），并且在寬廣的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)的BSFC 均低于210 g/（kW·h）（BTE約為40%）。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能還有可能進(jìn)一步提高，這也是未來四代發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)重點(diǎn)。傳熱損失減少50%和摩擦降低10%有可能使BTE進(jìn)一步提高到47.6%。對(duì)于車輛性能水平的模擬分析顯示，在采用輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)的情況下，三代發(fā)動(dòng)機(jī)（帶起動(dòng)發(fā)電機(jī)（ISG））的燃油耗有可能比2015年型汽油直噴中型車的燃油耗降低34%（圖3）。四代發(fā)動(dòng)機(jī)在輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)中有可能實(shí)現(xiàn)節(jié)油44%的目標(biāo)。

Graknell等人介紹了在1臺(tái)4缸2.0 L汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行燃用不同品質(zhì)燃油的試驗(yàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比保持為16，噴油壓力小于60 MPa。通過改變?nèi)加偷囊掖己浚?%，10%）、揮發(fā)性和研究法辛烷值（RON92和RON102），用5種市場(chǎng)上具有代表性的燃油進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)采用火花點(diǎn)燃輔助低負(fù)荷運(yùn)行，并采用了主動(dòng)渦流比控制。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)能在寬廣的工況范圍內(nèi)保持可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，且與燃油的特性差異無關(guān)，只是在采用高辛烷值燃油時(shí)才需要附加的輔助燃燒手段。最低BSFC為186 g/（kW·h），在寬廣的發(fā)動(dòng)機(jī)工況范圍內(nèi)測(cè)得的燃油消耗率均小于200 g/（kW·h）。但是，在低負(fù)荷時(shí)BTE有所下降，這時(shí)就需要采用火花點(diǎn)燃來輔助燃燒。

2.1.2?噴水

噴水被人們看作是1種能抑制爆燃和擴(kuò)大λ=1.0運(yùn)轉(zhuǎn)范圍的技術(shù)途徑。Neumann等人研究了用噴水技術(shù)來提升高壓縮比米勒循環(huán)效率的可能性。研究人員采用1臺(tái)排量為375 mL的單缸汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比為12.8，采用進(jìn)氣門早關(guān)的方式實(shí)現(xiàn)米勒循環(huán)。采用了氣道噴水和（缸內(nèi)）直接噴水2種噴水方式，在2 000 r/min和1.6 MPa 平均有效壓力（BMEP）的爆燃敏感點(diǎn)測(cè)定了排放量。在水.燃油比為50%時(shí)，氣道噴水時(shí)燃油耗的降低量在24%以下。在相同的水.燃油比下，直接噴水時(shí)燃油耗的降低量增加到了4.7%，采用多次直接噴水時(shí)燃油耗降低量能進(jìn)一步達(dá)到7.0%。正如研究所述，采用噴水技術(shù)后排氣溫度有所降低，并能使NOx排放量減少。研究顯示，對(duì)于采用米勒循環(huán)和高壓縮比的小排量發(fā)動(dòng)機(jī)，噴水技術(shù)有可能使燃油效率進(jìn)一步提高。

Cordier等人在另1臺(tái)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了噴水與EGR相結(jié)合的試驗(yàn)研究，并比較了疊加好處。該發(fā)動(dòng)機(jī)的排量為350 mL，壓縮比為12.5。在2 000 r/min和1.7 MPa BMEP的運(yùn)轉(zhuǎn)工況下測(cè)定了相關(guān)數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)直接噴水時(shí)排氣溫度較低，燃油耗比氣道噴水時(shí)的低50%。這些好處會(huì)隨著噴水量和噴水壓力的增加而增加，不過在水.燃油比超過50%時(shí)，進(jìn)一步的得益有限。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在單獨(dú)采用噴水和EGR時(shí)，它們分別能使燃油耗改善約10%和7%。噴水的機(jī)理是通過改善燃燒相位來實(shí)現(xiàn)燃油耗降低的，而EGR的作用主要是減少壁面熱損失。當(dāng)這2種技術(shù)結(jié)合在一起時(shí)，EGR能使燃油耗降低3%～5%，在EGR率為5%～15%時(shí)，凈燃油耗降低量可達(dá)15%左右。

噴水還能使發(fā)動(dòng)機(jī)在保持性能不變的情況下采用低辛烷值燃油。Khatri等人采用3種不同的燃油（辛烷值為RON91、RON95和RON98），測(cè)定了噴水對(duì)1臺(tái)3缸1.5 L渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。氣道噴水的噴射壓力為1.0 MPa，直接噴水的噴射壓力為20 MPa。采用噴水技術(shù)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用RON91燃油時(shí)的全負(fù)荷性能與燃用RON95和RON98燃油時(shí)的性能相同。當(dāng)燃油的辛烷值降低時(shí)。爆燃傾向會(huì)增加，因而需要采用更大的噴水量來保持相同的性能。

采用噴水技術(shù)的缺陷是消費(fèi)者對(duì)裝滿水箱的接受度較低。研究顯示，排氣中充足的水蒸氣含量能滿足寬廣發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況下所需的水量。Hebert等人開發(fā)了1種設(shè)置在排氣后處理系統(tǒng)下游的水收集系統(tǒng)。他們采用了兩級(jí)冷卻裝置來使水冷凝，并在其后設(shè)置了1個(gè)分離冷凝水滴的裝置。早先的模擬結(jié)果顯示，收集到的水量有可能比實(shí)際需要的水量來得多，并且收集到的水表現(xiàn)純度也不錯(cuò)。目前還沒有人給出考慮到冷凝能耗的燃油消耗量數(shù)據(jù)。

2.1.3?預(yù)燃室噴束著火燃燒

Bunce等人回顧了過去10年中在開發(fā)預(yù)燃室噴束著火燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)方面取得的進(jìn)展。來自預(yù)燃室的噴束穿入主燃燒室后會(huì)產(chǎn)生多個(gè)著火點(diǎn)。它與低溫燃燒一起能降低爆燃的可能性。他們開發(fā)了主動(dòng)型和被動(dòng)型2種預(yù)燃室方案。前者包括1個(gè)為預(yù)燃室單獨(dú)配置的直接噴油器，而后者是依靠壓縮行程將部分充量送人預(yù)燃室。他們?cè)?臺(tái)壓縮比為9的3缸1.5 L發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)。

主動(dòng)型預(yù)燃室系統(tǒng)能使發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比提高到14，稀燃裕度可達(dá)到λ=2.0以上。最高BTE達(dá)到了42.3%，它比基本型發(fā)動(dòng)機(jī)的BTE提高了19%。最低BSFC低于200 g/（kW·h）。在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)自身的NOx排放量降低了95%。發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍的性能如圖4所示。

可以預(yù)料，預(yù)燃室噴束著火燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)也需要采用像柴油機(jī)那樣的排氣后處理系統(tǒng)。但是，由于它自身的排放較低和排氣溫度較高，因而有可能減小排氣后處理系統(tǒng)的尺寸。這種預(yù)燃室發(fā)動(dòng)機(jī)的主要缺陷是低負(fù)荷燃燒穩(wěn)定性差和點(diǎn)火推遲能力差，這2點(diǎn)對(duì)于冷起動(dòng)時(shí)催化器較快加熱十分不利。在采用主動(dòng)型預(yù)燃室時(shí)，可以通過發(fā)動(dòng)機(jī)稀燃運(yùn)行和采用與基本型發(fā)動(dòng)機(jī)一樣的推遲點(diǎn)火正時(shí)來克服這一缺陷。

在采用被動(dòng)型預(yù)燃室系統(tǒng)時(shí)，燃油噴入氣道后進(jìn)入主燃室。發(fā)動(dòng)機(jī)采用米勒循環(huán)和低壓EGR相結(jié)合的運(yùn)行方式。發(fā)動(dòng)機(jī)在理論空燃比條件下運(yùn)行時(shí)，渦輪前的排氣溫度低于950 ℃。被動(dòng)型預(yù)燃室發(fā)動(dòng)機(jī)的EGR率裕度可擴(kuò)大到25%以上。最低BSFC達(dá)到了211 g/（kW·h），它比主動(dòng)型預(yù)燃室發(fā)動(dòng)機(jī)的最低BSFC高出約5%。好處是可以降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和減少硬件數(shù)量，并能簡(jiǎn)化排氣后處理系統(tǒng)（預(yù)料在理論空燃比下運(yùn)行時(shí)，只需要采用TWC）。與混合動(dòng)力系統(tǒng)配合運(yùn)行時(shí)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)的BSFC有可能進(jìn)一步降至207 g/（kW·h）。

Brannys等人介紹了在1臺(tái)Volkswagen公司1.5 L發(fā)動(dòng)機(jī)上采用預(yù)燃室燃燒的情況。該發(fā)動(dòng)機(jī)按混合動(dòng)力系統(tǒng)的要求進(jìn)行了優(yōu)化。為了發(fā)揮混合動(dòng)力系統(tǒng)的協(xié)同效應(yīng)，他們采取了以下幾種技術(shù)措施：（1）借助于電力驅(qū)動(dòng)降低了發(fā)動(dòng)機(jī)所需的低端扭矩，因而能在不發(fā)生爆燃的情況下允許采用15的較高壓縮比。由于采用了可變截面渦輪增壓器，因而能在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)采用外部EGR。采用這2種技術(shù)后，使部分負(fù)荷時(shí)的燃油耗降低了5%。（2）由于是在混合動(dòng)力系統(tǒng)中采用上面介紹的被動(dòng)型預(yù)燃室燃燒，因而它能解決低負(fù)荷和冷起動(dòng)時(shí)的技術(shù)問題。在高負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)燃油耗能降低4%。它還能使排氣溫度降低約60 K，因而能在無需燃油加濃的情況下使發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率達(dá)到100 kW的目標(biāo)值。（3）對(duì)進(jìn)氣凸輪作了優(yōu)化，以進(jìn)一步降低爆燃傾向，并使燃油耗降低1%～3%。（4）由于采用了可變截面渦輪增壓器，因而能使上面提到的低壓EGR率達(dá)到20%，結(jié)果使燃油耗降低了5%。

總的來說，通過以上改進(jìn)，燃油耗降低了10%，最低BSFC為204 g/（kW·h），最高BTE為41.5%。在寬廣的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)，燃油耗都比較低（210 g/（kW·h）以下），即使在100 kW的最大功率時(shí)，燃油耗也能達(dá)到208 g/（kW·h）。與混合動(dòng)力系統(tǒng)配合時(shí)，在全球統(tǒng)一的輕型車瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)（WLTC）下試驗(yàn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的CO2排放量為6.5 g/km。

2.1.4?電動(dòng)化

具有不同電動(dòng)化水平的動(dòng)力系統(tǒng)正在不斷進(jìn)步，因此人們對(duì)這些動(dòng)力系統(tǒng)的市場(chǎng)前景頗為關(guān)注。在最近的會(huì)議上，有人預(yù)測(cè)認(rèn)為，到2030年，純電動(dòng)汽車（蓄電池和燃料電池電動(dòng)汽車）將會(huì)占到20%～30%的市場(chǎng)份額。所有的研究都認(rèn)為，在相同的時(shí)間段內(nèi)，插電式混合動(dòng)力汽車能占的市場(chǎng)份額比較少（低于20%）?；旌蟿?dòng)力車（輕度混合動(dòng)力和全混合動(dòng)力車）能占的市場(chǎng)份額為20%～40%。有1項(xiàng)研究的預(yù)測(cè)認(rèn)為，混合動(dòng)力車在歐洲將可能會(huì)有70%的市場(chǎng)份額。Kimura以本田公司為例，介紹了其電動(dòng)化策略，到2030年要使純電動(dòng)汽車和燃料電池電動(dòng)汽車及混合動(dòng)力車和插電式混合動(dòng)力車的市場(chǎng)份額分別達(dá)到15%和50%，并使純內(nèi)燃機(jī)車輛的市場(chǎng)份額保持在35%。這些預(yù)測(cè)指出，即使到2030年，在銷售的新車中，內(nèi)燃機(jī)車輛的占比仍將會(huì)達(dá)到70%～80%，并強(qiáng)調(diào)內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)化技術(shù)需要協(xié)同改進(jìn)。

國際能源署發(fā)表了1份關(guān)于全球電動(dòng)化動(dòng)力系統(tǒng)展望的綜合研究報(bào)告，圖5是該報(bào)告中給出的內(nèi)燃機(jī)車輛和電動(dòng)化車輛“從搖籃到墳?zāi)埂比芷诘腃O2排放量分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，混合動(dòng)力車的CO2排放量要比基本型內(nèi)燃機(jī)車輛的CO2排放量低約20%。在400 km的行駛里程范圍內(nèi)，蓄電池電動(dòng)汽車的CO2排放量還能再減少5%。從圖5可見，最好的混合動(dòng)力車的CO2排放量與最好的純電動(dòng)汽車的CO2排放量是相同的。這些結(jié)論是根據(jù)全球電力生產(chǎn)的碳強(qiáng)度得出的。該研究報(bào)告進(jìn)一步指出，在電網(wǎng)極度依賴于化石燃料和煤炭的地區(qū)，蓄電池電動(dòng)汽車的CO2排放量可能會(huì)比混合動(dòng)力車的更高。當(dāng)然，隨著可再生能源份額的增加，電動(dòng)化的好處會(huì)得到提升。因此，政策制訂者在設(shè)定CO2排放目標(biāo)時(shí)，必須進(jìn)行類似于“從搖籃到墳?zāi)埂钡娜芷诜治?。此外，該?bào)告還強(qiáng)調(diào)指出，混合動(dòng)力車輛在基礎(chǔ)設(shè)施、激勵(lì)和原材料消耗方面所需的投入要比純電力汽車的少得多。

在實(shí)際行駛條件下進(jìn)行的車隊(duì)試驗(yàn)顯示，采用48 V蓄電池（平均容量為1.2 kW）的輕度混合動(dòng)力車輛和全混合動(dòng)力車輛的CO2排放量要比傳統(tǒng)車輛的低約30%。在蓄電池容量歸一化的情況下，混合動(dòng)力車輛是減少CO2排放的最有效途徑。顯然，混合動(dòng)力車輛的CO2減排量也是有限度的，因而未來需要采取更深度的電動(dòng)化措施來減少CO2排放，包括采用插電式混合動(dòng)力車和全電力驅(qū)動(dòng)的車輛。

可以預(yù)料，采用48 V蓄電池的輕度混合動(dòng)力車在未來幾年中會(huì)贏得相當(dāng)大的市場(chǎng)份額，尤其是在歐洲地區(qū)。因此，研究人員為這種混合動(dòng)力車考慮了各種不同的結(jié)構(gòu)布置方案，并根據(jù)電力機(jī)械（電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)）的安裝位置將它們定名為：P0（電力機(jī)械通過皮帶與發(fā)電機(jī)連接）、P1（電力機(jī)械與曲軸連接）、P2（電力機(jī)械設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱之間）、P3（電力機(jī)械與變速箱連接，并與發(fā)電機(jī)脫離）、P4（電力機(jī)械與后軸連接）。

Blumenroder等人介紹了該技術(shù)在Volkswagen公司的3缸1.0 L和4缸1.5 L發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)上應(yīng)用的情況，結(jié)果使車輛的百公里平均燃油耗降低了0.4 L。Volkswagen公司采用了P0結(jié)構(gòu)布置，起動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)由皮帶驅(qū)動(dòng)，發(fā)電機(jī)的最大輸出功率為12 kW，電動(dòng)機(jī)的功率為9 kW。蓄電池的容量為250 W·h。輕度混合動(dòng)力車輛的主要好處是車輛能在油門踏板松開時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)滑行，并在車輛恢復(fù)運(yùn)行時(shí)能使40%的減速能量得到回收利用。發(fā)動(dòng)機(jī)怠速也得到了改善，因而怠速運(yùn)行期間的燃油消耗減少了20%。除了燃油經(jīng)濟(jì)性的好處外，電力還能幫助提供附加的低端扭矩，以使車輛更快地達(dá)到最大扭矩的25%。

Alt等人分析了1臺(tái)C級(jí)車輛采用不同的48 V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置時(shí)CO2的減排潛力。該車輛配置的是額定功率為85 kW的1.2 L汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)。結(jié)果顯示，CO2的減排潛力取決于電力機(jī)械與動(dòng)力系統(tǒng)其他部件的相對(duì)位置。P1結(jié)構(gòu)能使CO2減排8%～12%，P2結(jié)構(gòu)的CO2減排量為12%～16%，P3結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)CO2減排14%～19%。采用諸如可變截面渦輪增壓器、米勒循環(huán)和提高壓縮比之類的先進(jìn)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)時(shí)，CO2的減排量更高。研究人員還進(jìn)行了成本效益分析，估計(jì)輕度混合動(dòng)力車的CO2減排成本為40～80歐元/（kg·km），還發(fā)現(xiàn)P3結(jié)構(gòu)的CO2減排量最大，而且成本.效益比也最佳。

Blaxill指出，對(duì)于1臺(tái)高性能C級(jí)轎車，采用P0結(jié)構(gòu)時(shí)CO2減排量為6%，而采用P4結(jié)構(gòu)時(shí)CO2減排量可增加到15%。為了達(dá)到最佳效率，需要的最大功率為25 kW，而10～12 kW的持續(xù)功率足以滿足充電和放電的需要。

研究人員還在考慮將48 V系統(tǒng)用于全混合動(dòng)力車輛。Graf介紹了1臺(tái)最大功率達(dá)30 kW的48 V全混合動(dòng)力車的性能。除了具備輕度混合動(dòng)力車的功能外，這臺(tái)全混合動(dòng)力車還增強(qiáng)了恢復(fù)行使的能力，并能提供電力行駛。CO2減排量由輕度混合動(dòng)力車的10%～14%提高到了全混合動(dòng)力車的20%。模擬預(yù)測(cè)顯示，該車輛的燃油耗能達(dá)到百公里3.9 L，在城市行駛時(shí)CO2排放量為91.7 g/km，按WLTC運(yùn)行時(shí)內(nèi)燃機(jī)停機(jī)的時(shí)間為97%。與功率對(duì)分的多點(diǎn)噴油混合動(dòng)力車相比，預(yù)測(cè)這臺(tái)48 V高功率混合動(dòng)力車采用汽油直噴和多點(diǎn)噴油時(shí)的成本會(huì)分別降低15%和28%。

電池技術(shù)正在不斷進(jìn)步，在過去幾年中電池的成本在快速下降。Weiss等人分析了電動(dòng)汽車能達(dá)到的智能化率，還分析了德國傳統(tǒng)車輛和油電混合動(dòng)力車削減CO2、NOx和顆粒物排放所需的成本。在分析了2010—2016年的數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，蓄電池電動(dòng)汽車的智能化率為32%（混合動(dòng)力車的智能化率為37%）。這意味著要在電動(dòng)汽車的產(chǎn)量增加到7億臺(tái)時(shí)才能達(dá)到蓄電池電動(dòng)汽車與內(nèi)燃機(jī)車輛的盈虧平衡點(diǎn)?？紤]到生產(chǎn)電力時(shí)產(chǎn)生的上游排放物，電動(dòng)汽車的NOx和顆粒物減排成本要比傳統(tǒng)車輛添加排氣后處理系統(tǒng)所需的成本高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

2.2?重型車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展

2019年，美國國家科學(xué)、工程和醫(yī)學(xué)科學(xué)院發(fā)表了1份綜合性報(bào)告，詳細(xì)論述了中型車和重型車降低燃油耗的技術(shù)路徑。該報(bào)告指出，到2030年，中型車和重型車的負(fù)荷燃油消耗率（燃油耗/有效負(fù)荷/行駛里程）比2019年的基準(zhǔn)值降低12%～19%是有可能實(shí)現(xiàn)的。研究人員對(duì)1臺(tái)2b級(jí)皮卡和1臺(tái)8級(jí)牽引車.掛車在4種發(fā)動(dòng)機(jī)/車輛組合下的性能進(jìn)行了模擬，前者配裝的是6.7 L柴油機(jī)，后者配裝的是15.0 L理論空燃比天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)。模擬結(jié)果顯示，對(duì)于8級(jí)卡車，通過發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)能使它的BTE達(dá)到超級(jí)卡車計(jì)劃的目標(biāo)值55%，這表明柴油機(jī)的CO2排放量能減少15%～17%。6級(jí)專用車和皮卡車的CO2排放量分別能減少12%和12%～15%?？梢灶A(yù)計(jì)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)與諸如降低空氣動(dòng)力學(xué)阻力和滾動(dòng)阻力等車輛改進(jìn)技術(shù)相結(jié)合時(shí)，CO2排放量能減少30%左右。若再采用低碳燃油（例如，生物柴油和加氫衍生的可再生柴油），甚至有可能使“油井到車輪”的CO2排放量降低高達(dá)80%。在城市行駛條件下，重度混合動(dòng)力車的燃油耗預(yù)計(jì)能降低20%～30%。表2所示為目前重型車正在實(shí)施是CO2減排技術(shù)，以及能達(dá)到的CO2減排量。

美國能源部推出的超級(jí)卡車Ⅱ計(jì)劃已進(jìn)入該計(jì)劃的后半期。該計(jì)劃的目標(biāo)是：在實(shí)際運(yùn)行中有效熱效率要達(dá)到55%以上，貨運(yùn)效率計(jì)的燃油效率要比2019年的基準(zhǔn)值提高100%。參與該計(jì)劃的所有研究團(tuán)隊(duì)都報(bào)告了進(jìn)展，并聲稱正在實(shí)現(xiàn)該計(jì)劃的目標(biāo)。所有研究團(tuán)隊(duì)的共同課題是：減輕質(zhì)量、改善車輛的空氣動(dòng)力學(xué)、降低滾動(dòng)阻力、改進(jìn)燃燒和空氣管理（優(yōu)化米勒循環(huán)，改進(jìn)渦輪增壓器）。大部分研究團(tuán)隊(duì)都認(rèn)為廢熱回收利用是達(dá)到BTE目標(biāo)的主要途徑之一。在動(dòng)力系統(tǒng)方面，輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)同樣也受到各研究團(tuán)隊(duì)的追捧。有人還對(duì)排氣后處理系統(tǒng)的改進(jìn)進(jìn)行了評(píng)估，認(rèn)為既可以通過減小后處理系統(tǒng)的尺寸和壓力降，也可以通過降低NOx排放來滿足未來排放法規(guī)的要求。

Zukouski介紹了Navistar公司為了使BTE超過55%而采用的技術(shù)途徑。廢熱回收利用是其中的關(guān)鍵要素之一。研究人員對(duì)各種工作流體進(jìn)行了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)有可能使BTE提高約0.5%。將朗肯循環(huán)的膨脹效率從60%提高到70%，BTE提高了0.5%。他們通過提早和推遲噴油正時(shí)及采用雙噴油系統(tǒng)（氣道噴油/直噴）進(jìn)行了汽油壓燃的試驗(yàn)研究，以增強(qiáng)預(yù)混合燃燒。研究人員還評(píng)估了上述策略與E85燃油相配合時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能，發(fā)現(xiàn)E85燃油與雙噴油系統(tǒng)相結(jié)合能使BTE再提升0.7%。為了減少NOx排放，對(duì)1種緊耦合SCR進(jìn)行了試驗(yàn)評(píng)估，該SCR在DOC上游提供雙尿素供給，并設(shè)有1個(gè)ASC區(qū)，以使NH3逃逸和N2O生成量最少。按FTP試驗(yàn)循環(huán)運(yùn)行時(shí)，上游SCR的轉(zhuǎn)換效率為70%～95%。研究人員配置了1臺(tái)采用48 V蓄電池的輕度混合動(dòng)力車，并探索自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)，以進(jìn)一步提升車隊(duì)的燃油效率。

Dickson和Damon列舉了Cummins和Peterbilt公司為使BTE從50%提高到55%而采用的幾種技術(shù)。這些技術(shù)包括減少摩擦、改進(jìn)渦輪增壓器、采用低傳熱氣缸蓋和活塞、改善噴油。廢熱回收利用也是重要途徑之一，目標(biāo)是提高4%的BTE。他們已完成48 V混合動(dòng)力系統(tǒng)的電機(jī)與蓄電池的一體化，預(yù)料現(xiàn)階段能節(jié)省燃油3.4%。貨運(yùn)效率得到提高的關(guān)鍵措施是空氣動(dòng)力學(xué)阻力減少了56%，車重減輕了4 685 lb，滾動(dòng)阻力降低了30%。

Amar和Li介紹了Volvo公司在實(shí)施超級(jí)卡車計(jì)劃中取得的進(jìn)展。他們借助于發(fā)動(dòng)機(jī)建模進(jìn)行了改進(jìn)燃燒的研究，采取的措施主要包括：高壓縮比波浪型活塞設(shè)計(jì)、多次噴油、優(yōu)化米勒循環(huán)的正時(shí)和優(yōu)化渦輪復(fù)合增壓。與其他研究團(tuán)隊(duì)一樣，他們也進(jìn)行了48 V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。并且還在探索用隔熱涂層來提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。為了減少背壓，他們實(shí)施了排氣后處理系統(tǒng)的小型化，包括采用高空穴密度基底材料、薄壁顆粒過濾器和電加熱催化器，還研究了將SCR設(shè)置在渦輪前來利用較高排氣溫度的可能性。試驗(yàn)顯示，該位置的壓力上升并沒有對(duì)NOx的轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生影響，而且NH3逃逸有所減少。他們選擇了1種相變冷卻方法，而不是采用基于制冷劑的冷卻系統(tǒng)。

Rotz和Girbach探討了Daimler卡車公司的技術(shù)路線，通過采用高壓縮比、高氣缸壓力和隔熱涂層來改善燃燒，并利用兩級(jí)渦輪增壓器來完成降速。他們通過優(yōu)化米勒循環(huán)的氣門正時(shí)來改善空氣管理，同時(shí)也采用了48 V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)，并依靠它來支持車輛的動(dòng)力轉(zhuǎn)向和電氣化附件。用48 V電動(dòng)發(fā)電機(jī)替代了交流發(fā)電機(jī)，有助于能量回收。他們還采用了廢熱回收利用的技術(shù)，預(yù)料它能使BTE提高3.5%。

對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)正在不斷進(jìn)步，有研究人員介紹了采用該技術(shù)在1臺(tái)8級(jí)450 hp的3缸10.6 L發(fā)動(dòng)機(jī)上的試驗(yàn)結(jié)果。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)得的燃油耗為186.3 g/（kW·h），這意味著BTE已達(dá)到了45.1%。Lam等人在1臺(tái)雙壓縮.膨脹發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了用分開循環(huán)來提高燃油經(jīng)濟(jì)性的探索試驗(yàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)在2個(gè)或3個(gè)氣缸中完成。在這些氣缸中，壓縮、燃燒和膨脹過程是單獨(dú)發(fā)生的。這些過程分開發(fā)生有許多好處，例如：膨脹更強(qiáng)（相對(duì)于壓縮而言），混合氣更稀，壓縮比更低，傳熱損失更小，摩擦損失更小。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)和模擬分析所得的結(jié)果證實(shí)，最高BTE能達(dá)到53.8%。

重型車領(lǐng)域的電動(dòng)化也在向前發(fā)展。分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于行駛里程較短的電動(dòng)卡車，每英里的行駛成本會(huì)有所增加。車輛上附加的重達(dá)7 t的蓄電池組會(huì)使負(fù)載減少28%。在蓄電池容量相同的情況下，當(dāng)車輛在坡度為1%～2%的道路上行駛時(shí)，能量消耗（用電量）會(huì)增加1倍，而且行駛里程會(huì)明顯縮短。

Sharpe強(qiáng)調(diào)了基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)支持重型車電動(dòng)化的重要性。對(duì)于8級(jí)長(zhǎng)途運(yùn)輸牽引車.掛車來說，柴油車與蓄電池電動(dòng)汽車的成本可能要到2026—2028年才能達(dá)到平價(jià)。然而，在計(jì)入基礎(chǔ)設(shè)施成本的情況下，二者實(shí)現(xiàn)總持有成本平價(jià)的時(shí)間可能會(huì)推遲5～10年，也就是要到2030年以后推出。有研究人員預(yù)測(cè)，到2030年，采用天然氣衍生的氫作為燃料的燃料電池電動(dòng)汽車的總持有成本可能會(huì)比蓄電池電動(dòng)車的低10%，主要原因是天然氣比較便宜。地區(qū)內(nèi)運(yùn)貨的6級(jí)電動(dòng)卡車則能在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)成本平價(jià)，預(yù)料到2025年就能達(dá)到較低的總持有成本。

（未完待續(xù)）