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干货 | 全球主要国家车用发动机现阶段及未来排放法规详解
2019-12-09 22:59:23· 来源：汽车与新动力
摘要:首先介绍了2018年各国汽车温室气体和污染物排放法规，以及车用发动机和排放控制技术的最新动向。阐述了发动机在提高燃油经济性方面取得的技术进步，以及介
摘要:首先介绍了2018年各国汽车温室气体和污染物排放法规，以及车用发动机和排放控制技术的最新动向。阐述了发动机在提高燃油经济性方面取得的技术进步，以及介绍了排气后处理系统及其部件的研发情况。2018年，欧洲率先提出了轻型车和重型车的 CO 2减排目标。在轻型车领域，面临的挑战是必须应对正在改变的测量标准，以及市场对柴油机的依赖度正在下降。最新研究表明，柴油机在实际使用过程中的 氮氧化物（NOx）排放量可能要比欧6法规要求的限值低很多，因此欧洲已经开始讨论有关欧7排放法规的问题，并提出了一些领先的法规理念和建议的技术方案。在重型车领域，美国能源部推出了超级卡车Ⅱ计划和其他具有代表性的研究项目，在提高发动机和车辆燃油经济性方面取得了一些进展。采用的技术途径包括混合动力、废热回收利用，以及采用开环和闭环的改进措施。排放控制的重点是要对各种可能达到严苛的低NOx排放标准的技术路径进行评估。其面临的挑战是降低冷起动和低负荷工况的排放，需要采用创新的发动机和排气后处理方案。主要的思路包括：采用紧耦合选择性催化还原 (SCR)催化器、采用被动NOx吸附器、SCR与柴油机颗粒过滤器（DPF）一体化、低温尿素或氨喷射双SCR技术，以及为提高排气温度而采取的主动或被动热管理措施。一种新的低负荷试验循环也在研究之中。排气后处理部件取得了持续的进步。老化的三效催化器和柴油机催化氧化器在150℃时的转化效率正接近90％。SCR催化器的低温转换效率和高温耐久性继续得到改善。欧洲、中国和印度的颗粒物排放法规正在引导人们广泛采用汽油机颗粒过滤器。稀燃汽油机能在提高燃油经济性方面带来明显的好处，但在 NO x控制方面则面临较大的挑战，为此，人们提出了几种SCR系统和新催化器方案。
0 前言
出于对全球气候变暖和中心城区空气质量恶化的担忧，世界各国正在积极推进汽车排放法规的编制工作。2018年，欧洲提出了首个重型车 CO 2排放标准，并最终敲定了大幅度下调的轻型车 CO 2排放标准。美国加利福尼亚州正在更改一系列法规，以减少重型车使用过程中的氮氧化物（NOx）排放。中国公布了“蓝天保卫战”策略，以及一系列加快改善本土空气质量的措施。印度正在制订用车排放的实际行驶试验规程。欧洲已经开始探讨欧6后的新一轮排放法规。OEM正在对各种改进发动机和排气后处理装置的技术途径进行测试，以达到严苛的 CO 2和尾管NOx排放目标。
本文主要介绍了2018年汽车尾管污染物、温室气体排放法规和排放控制技术的最新动向。首先介绍轻型车和重型车的排放法规，然后阐述发动机在提高燃油经济性方面取得的技术进步，最后介绍排气后处理系统及其部件的研发情况。
1 排放法规
1.1 轻型车排放法规
1.1.1 CO 2排放法规
图1展示了各主要国家设定的轻型车 CO 2减排目标。欧盟建议到2030年收紧其 CO 2减排目标，而美国则考虑要恢复实施以前确定的2021—2025年的温室气体排放标准。尽管如此，要求 CO 2减排的取向仍然是很明显的，预料各主要国家将要求车辆的燃油经济性每年改善3%～6％。
图1 各主要国家的轻型车 CO 2减排目标
1.1.1.1 欧盟
欧盟成员国与欧洲各国议会于2019年初达成了一项协议，同意进一步收紧车辆尾管的CO2排放限值。要求以2020年基于新欧洲行驶循环（NEDC）的CO2排放限值（乘用车为95 g/km，轻型商用车为145 g/km）为基准，到2025年实现CO2减排15％，到2030年实现CO2减排37.5%。法规还规定了零排放和低排放车（ZLEV）的CO2排放目标，ZLEV是指CO2排放量低于50 g/km的车辆。ZLEV轿车的减排目标是到2025年实现CO2减排15%，到2030年减排30%。厢式客车的减排目标是到2025年要求CO2减排15%，到2030年要求CO2减排35%，并根据尾管的CO2排放量情况按0.3～1对车辆进行计数。蓄电池电动汽车可视为全ZLEV，而插电式电动车均按0.3～1进行计数。因此，原设备制造商（OEM）从理论上可以选用高水平的插电式电动车和小型蓄电池/无蓄电池电动车来达到CO2排放目标。目前，CO2的绝对排放量（以g/km计）是按照NEDC进行试验测定的。而一旦2020年确定车队排放试验采用的试验循环要从NEDC改为全球统一的轻型车试验规程（WLTP）时，CO2排放量的绝对目标值将会有所改变。从2020年开始，要求新车型必须在使用寿命期内监测和储存车辆的燃油耗和能耗数据，该数据将被欧盟委员会用来评估认证试验与实际行驶试验之间的排放差异。
1.1.1.2 美国
美国环境保护署和国家公路交通安全管理局对现行的轻型车温室气体排放标准提出了一个修正案。针对2021—2026年型的乘用车和轻型车，提出了8种备选方案，其中一种方案的目标是将温室气体排放和燃油经济性标准冻结在2020年的水平。该提案还询问了加利福尼亚管理当局是否会通过“先进清洁轿车计划”来制订该州自己的温室气体和零排放车标准。污染物排放标准最严的低排放车（LEV）Ⅲ计划并没有受到质疑。最终的标准预计会在2019年4月确定。加利福尼亚空气资源局采纳了另一项法规修正案，该法规草案要求OEM必须继续执行本州的温室气体排放标准，如果汽车制造商执行不太严的美国国家标准，将被认定为“不符合”本州的温室气体排放标准。
1.1.1.3 中国
中国正在努力提高车队的电气化水平。下文将详细介绍中国实施的“蓝天保卫战”行动计划。
1.1.1.4 其他国家
墨西哥提出了2021—2025年型乘用车和轻型卡车的温室气体排放标准NOM-163。该标准规定的排放限值是指车队的平均值。墨西哥将参照美国车辆排放法规的步伐逐年收紧排放限值。
1.1.2 污染物排放法规
1.1.2.1 欧盟
欧盟已经公布了第4套也是最新一套欧6轿车和厢式客车的实际行驶排放标准。该标准将于2019年1月起生效实施，规定了在用车的一致性试验方法，车辆型式认证机构可以每年对运行中的车辆进行排放检查。鉴于测量技术的改进，要求NOx排放的一致性系数从1.5降至1.43。欧盟委员会将继续对一致性系数进行评估，并有可能最早在2023年要求一致性系数降至1.0。该套标准还简化了实际行驶排放数据的评定方法，只要求采用移动平均窗口（MAW）法进行数据分析。
有关欧7排放法规的议题已经开始在相关部门展开讨论。在一次探讨未来欧洲排放法规的活动中，Martini介绍了其在联合研究中心进行的工作情况，相关的研究课题包括23 nm细小颗粒物的测定、-7℃下的低温试验，以及诸如氨、N2O、异烟酸和醛等法规未限制组分的排放问题。有人建议将遥感装置作为便携式排放监测系统（PEMS）的补充工具，用以筛查高排放车和有故障的排气后处理系统。
1.1.2.2 中国的“蓝天保卫战”
2018年，中国宣布了一项称之为“蓝天保卫战”的3年行动计划，号召各地方政府采取行动确保空气质量达标。 该计划的目标是要求大气中的细颗粒物（PM2.5）、NOx和SO2排放浓度降低到2015年的水平。 实施“蓝天保卫”计划的重点地区包括北京市、天津市、河北省、山西省、河南省、以及覆盖上海市、江苏省和浙江省的长江三角洲地区。 在交通运输领域，中国拟采取以下各项措施： （1）到2020年， 在大北京地区、山西省和河南省要更换掉老旧的国三柴油车，以及100百万辆以上的中型和重型柴油卡车； （2）确保从2019年1月开始在全国引入国六燃油； （3）开展非道路移动机械排放问题的试验研究，加快实施该领域的减排计划； （4）通过强制性车辆检测，增强排放标准的执行力； （5）通过城市公交车采用新能源车的举措，促进汽车的电气化，争取到2020年实现新能源车产量增加到200万辆。
中国各地方政府正在积极响应这项“蓝天保卫战”行动计划。海南省和深圳市已从2018年12月开始实施国六排放标准，而上海市则宣布从2019年1月起采用国六排放标准。
1.1.2.3 美国
2018年，美国没有对排放法规作重大更新。LEV车标准和第3阶段（ Tier3）排放标准正在分阶段实施，并将逐年收紧车队的非甲烷有机气体（NMOG）+NOx的排放限值。在2018年，Tier3排放标准已要求20%认证车辆的颗粒物排放量应低于3 mg/mile的排放限值。在加利福尼亚州，颗粒物排放限值将在2025—2028年分阶段进一步收紧到1 mg/mile。
1.1.2.4 日本
日本正在实施3.5 t以下的柴油车的实际行驶排放（RDE）法规，将从2022年10月开始要求新型式认证的车辆执行这一法规，从2024年10月起所有车辆都将执行这一法规。日本的RDE试验规程与欧洲的RDE试验规程基本相同，只是对行驶工况和环境条件的规定有所不同，尤其是对车速的要求作了调整（降低了车速）。日本要求的NOx排放一致性系数为2.0，且没有规定颗粒数的排放限值。低环境温度的截止值为-2℃（欧洲为-7 ℃），而最大海拔高度限定为1 000 m（欧洲为1 300 m）。如同欧洲一样，日本也将采用移动平均窗口法进行排放数据分析。
1.1.2.5 巴西
巴西国家环境委员会公布了下一轮车辆尾管排放物和蒸发排放物的各阶段法规。从2022年开始实施L7阶段排放法规，该法规要求的尾管NMOG+NOx排放限值为80 mg/km，颗粒物排放限值为6 mg/km。L8阶段法规将从2025年到2031年每两年收紧一次排放限值，最终目标是NMOG+NOx排放限值为30 mg/km,颗粒物排放限值为3 mg/km。排放的一致性系数从2.0起步，逐步收紧到1.5。在目前的标准框架内，巴西还没有制订颗粒数排放标准。
1.1.2.6 印度
印度最高法院在最近一次裁决中裁定：从2020年1月起将不能销售BS6车辆。尽管BS6标准参照了欧洲排放法规的主要内容，但目前印度正在进行的工作是要制订一种更适合印度行车状况的改进版RDE试验循环。更改的主要内容是要设定比欧洲高的环境温度边界条件和比欧洲低的行驶车速。最新的提案是将较低的环境温度限定为8 ℃。在城区行驶的车速规定为低于45 km/h(欧洲为60 km/h)。对于印度特有的功率/重量比≤22 W/kg的小功率车辆，法规将给予特殊考虑。
一些研究人员已开始报道在印度行车条件下的排放测量结果。Dinodia等对3种符合欧6标准的柴油车在印度实际行驶条件下的尾管排放情况进行了比较。结果显示，按欧洲RDE试验循环测得的NOx排放量要比按车速限定为90 km/h的行驶循环测得的排放量高81%，分析认为，这是由印度的公路行驶车速造成的。测得的CO2排放量要比按欧洲RDE试验循环测得的排放量高出19%。Lairenlakpam等比较了1辆中型车在底盘测功器上和在道路上试验时的尾管排放情况，在底盘测功器上按照修改后的印度行驶循环进行试验，在道路上试验则采用PEMS 测量排放。在低、中、高3种不同的交通拥挤情况下进行了道路试验。道路试验时的CO排放量比底盘测功器上试验时的排放量高出1.8～2.4倍，NOx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，排放量的差异随着交通拥挤程度增加而增大。
1.2 重型车排放法规
1.2.1 CO 2排放法规
2018年，欧盟成员国投票通过了第一部重型车 CO 2排放标准，但部长委员会还没有批准这一标准。该标准规定：以2019年的排放水平为基准，要求新卡车到2020年实现 CO 2减排15%，到2030年实现 CO 2减排30%。欧盟委员会原先提出的目标是到2025年实现 CO 2减排25%，到2030年实现减排30%。欧盟委员会还要求：到2025年制造商的零排放和低排放车销售量应达到总销售量的5%以上，到2030年应达到30%以上。因此，欧盟委员会将不得不提出实施实际行驶 CO 2排放试验的计划。
其他一些国家正在推进下一轮燃油经济性标准的制订工作。中国已修订了重型车的燃油耗目标限值。这些第3阶段的燃油耗标准将要求车辆的燃油耗降低约15%（视具体的车型和车重而定，燃油耗降低11%～18%）。强制要求新型式认证的车辆必须从2019年7月开始实现燃油耗达标，从2021年7月起所有车辆均应实现燃油耗达标。
加拿大提出了该国的第2阶段重型车和发动机的温室气体排放标准。加拿大提出的标准与美国的国家标准基本相同，视车辆的总重和结构而定，要求2027年型的牵引卡车的温室气体排放量比2017年型车的排放量减少15%～27%。重型皮卡则要求实现CO2减排16%。对于车辆总重大于140 000磅的牵引卡车也要求强制执行这些标准，而美国标准则没有这一类要求。
日本已最终敲定了该国的第2阶段燃油耗标准，要求从2025年起燃油耗应比2015年降低约12%。
1.2.2 污染物排放法规
1.2.2.1 中国
中国的国六重型车排放标准已最终定稿，并由新组建的生态环境部于2018年6月正式发布。第1阶段，国六a标准将于2020年7月在全国实施，而国六b标准则将在2023年7月实施。国六a法规与欧6b非常相似。预料国六b法规要比欧六d更严。如同欧6标准一样，国六标准也要求采用PEMS进行排放测量。但是，国六标准向前迈进了一步，要求颗粒数排放值的一致性系数达到2.0。该标准规定的最大海拔高度边界条件为2 400 m，比欧洲规定的1 700 m要高出不少。
1.2.2.2 美国
作为修订全国NOx排放标准的第一步，美国环境保护署在2018年12月公布了“清洁卡车倡议”。在美国重型车NOx排放法规出台后16年之际，这次修订工作是要着手制订未来旨在降低重型车和发动机NOx排放的标准，也是对20个州和地方政府的诉求作出的回应，将有助于各个州达到针对臭氧和颗粒物的国家环境空气质量标准。修订草案中还将推出有关放宽车载诊断（OBD）和认证要求的内容。具体的排放限值目前还没有确定，预料会在2020年年中推出建议草案。
除了要求车辆尾管的排放限值收紧高达90%以外，加利福尼亚空气资源局正在考虑对法规作各种更改，以促使在用车提高减排水平。
图2为72 台各类专用卡车在使用过程中测得的NOx排放量，这些卡车都配装了按0.2 g/（hp•h）的NOx排放限值认证的发动机。从全部数据和各类卡车的数据中可以发现，尾管的NOx排放量差异很大。大部分发动机的排放量都超过了认证限值，其中有些发动机的排放量超出了一个数量级。NOx减排效果差的原因是：(1) SCR的转换效率低，某些数据点的平均转换效率在70%以下；(2)SCR进口的温度较低；(3) SCR出现了故障。
图2 各类专用卡车（都配装了 NO x 排放按0.2 g/（hp•h）标准认证的发动机）实际使用过程中实测的 NO x 排放量
随着法规的不断收紧，车辆尾管的NOx和颗粒物排放量在过去几年已有所下降。对2 315台重型车和中型车进行的道路行驶排放测量显示，由于采用了SCR技术，从2007年型车到2017年型车，NOx排放量下降了约90%。但是，与2012年型车进行的类似测量相比，发现2004～2007年型车和2008～2010年型车的NOx排放量增加了36%，这可能与排气再循环的耐久性问题有关。2016年型车和2017年型车的平均NOx排放量为1.6 g/kg（燃油），已接近现行的NOx认证限值。对于相同年型的车辆，重型车的排放量是中型车排放量的一倍，并远大于认证的排放限值。
针对以上情况，正在考虑按以下的思路来修订相关的排放法规：（1）开发各类专用卡车的低温和低负荷试验循环。美国西南研究院正在开发一种新的试验循环来补充现有的法规，对低负荷车辆的行驶特征进行了试验研究。对横跨美国25地区的751台在用车的排放数据进行了分析，这些车辆涉及到44种专用卡车型号和55个车队。确认几种具有代表性的车辆低负荷行驶特征，并将其转化成相应的发动机试验循环，根据几种候选的试验循环，涉及高负荷到低负荷的跃变、持续低负荷和低负荷到高负荷的跃变3种颇具挑战性的运行工况。冷起动目前还没有被列入该试验循环的范围。（2）重型在用车试验计划。用欧6标准的移动平均窗口法进行数据分析；将有效窗口的功率阈值降低到小于10%最大功率；将包括起动时和使用过程中的排放阈值设定为标准限值的1.5倍。（3）修改使用寿命和保用期。建议的更改内容包括：将第8类重型车的使用寿命从现在的43.5万mile延长到100～120万mile，将保用期从现在的10万mile延长到43.5万mile以上。
加利福尼亚州空气资源局（CARB）已对重型车OBD系统的运行方案作了修改。另一项修改是要求2022—2023年应引入实际排放的评估记录，并要求用OBD系统采集和储存中型车和重型车实际使用过程中的NOx排放数据，以及所有重型车辆的燃油耗数据，用以表征车辆的CO2排放量。将要求在10次CARB规定的试验循环中，对车辆使用过程中进行排放和燃油耗监测的频率增加3倍。
1.2.2.3 欧盟
欧6d标准现在已正式生效，从2018年9月起新车认证已经开始执行这一标准，从2019年9月起所有车辆执行这一标准。该标准的主要变化是：在采用移动平均窗口法计算排放量时，要求将功率阈值从20%最大功率降至10%最大功率，并要求试验时从10%～100%来施加有效负荷。目前，该标准规定的1.5一致性系数只适用于气态排放物，且冷起动排放量不包括在内。下一轮的欧6e法规将会考虑提出颗粒数排放的一致性系数，并要求计入冷起动的排放量，同时还会考虑将城区行驶的份额从如今的20%提高到30%。为了有助于实现颗粒数排放一致性系数的达标，一些研究人员正在验证颗粒数PEMS的测量精度和灵敏度。图3所示为采用PEMS的测定结果，以及与标准实验室装置测量结果的比较。由图3可见，测量值的不确定程度达到了65%，其数值已接近3×1011/（kW•h）的排放限值，并且排放量测量值较小时离散度更大。
图3 便携式排放测量系统 (PEMS)与标准实验室装置颗粒数测量值的相关性
1.2.2.4 巴西
巴西公布了相当于欧6c标准的Proconve P8排放法规，从2022年起新车型将执行这一法规，到2023年所有车辆都要执行这一法规。该法规要求采用PEMS测量排放，并要求在实际行驶条件下达到排放限值。
1.2.3 非道路移动机械排放法规
中国已确认从2020年开始实施修改后的第4阶段非道路移动机械排放法规。该法规的主要内容包括：要求37～560 kW的发动机采用柴油机颗粒过滤器来达到5×1012/（kW•h）的颗粒数排放限值，同时鼓励OEM自觉达到1×1012/（kW•h）的欧5颗粒数排放限值。该法规草案还要求对大于37 kW的发动机进行GPS跟踪，并要求像欧5标准一样采用PEMS进行在用车的排放测量。
2 发动机技术
为了应对各主要国家严格的排放法规，OEM正在采取加快内燃机技术进步和动力总成电气化的双规策略。欧洲面临的挑战是轻型柴油车的市场份额正在快速下降，尽管轻型柴油车与汽油车相比仍然具15%～20%的市场优势。最新的研究证实，一些改进的发动机和排气后处理装置能够达到良好的使用性能，新认证柴油机的尾管排放量已明显低于现行标准的限值，甚至有可能低于下一阶段排放法规要求的排放限值，正在赢得市场份额的汽油机也在不断改进。最近的研究显示，在车辆不采用电气化或采用轻度电气化的情况下，未来汽油机的燃油经济性有可能提高20%～30%。尽管如此，为了满足加利福尼亚州和中国的强制性排放法规，纯蓄电池电动车（包括燃料电池电动车）的市场份额也在增加。
在重型车领域，柴油机仍然具有明显的优势。该领域的研究工作重点是要开发各种能够符合美国温室气体标准和低NOx排放要求的发动机和排气后处理技术。
2.1 轻型车发动机技术
Elgowainy等以1台2015年基本型发动机为基准进行的研究表明，温室气体减排达70%～90%是有可能实现的，但这将要求在车辆技术和可再生燃料方面取得一定的进步。到2025～2030年，预计先进的汽油机能实现燃油经济性提高30%，并能使最终用户的行驶成本更低。在降低 CO 2排放方面，混合动力车和插电式混合动力车的成本更具有吸引力。表1列出了能够提高燃油经济性的一些发动机技术。
表1 各种 CO 2减排技术及其对排放的影响和发展现状
注：* 美国环境保护署的估计值；** GDCI为汽油直喷压燃；*** RCCI为反应率控制的压燃。
2.1.1 汽油机技术
美国环境保护署（EPA）对各种现代轻型车发动机技术评估后指出，各种改进的发动机技术正在逐步得到推广应用，并且都具有进一步开发的潜力。图4为EPA在评估研究中涉及到的几种发动机技术，及其在代表性现代发动机上的应用情况。正在被应用的发动机技术包括：提高压缩比、采用较大的行程/缸径比、整体式排气歧管、减少摩擦、先进的增压系统、冷却排气再循环，以及米勒循环。近年来，某些被广泛应用的新技术已实现了商业化，包括可变压缩比、可变气门升程、动态停缸和火花辅助汽油压燃等。
图4 各种可用的提高燃油效率的技术
（红色区表示该技术用于现代汽车还有相当大的潜力）
据估计，采用这些先进的发动机技术能使燃油经济性实现两位数级的改善。Barba等利用EPA的先进轻型车动力总成和混合动力车分析模型进行的研究显示，Mazda公司的Skyactive-X型2.0 L发动机采用火花辅助汽油压燃技术后，该发动机的燃油经济性能比2014年Skyactive-G型2.0 L发动机的燃油经济性提高12.5%。该分析是针对中型尺寸轿车进行的，表明该项技术与其他先进技术相结合，有可能使车辆尾管的 CO 2排放量比2016年的1.5 L小型化涡轮增压汽油直喷发动机的低约30%。Durrett的试验研究表明，1台2.2 L自然吸气发动机采取大幅度小型化策略使之改变成稀燃运行的1.1 L排气复合增压发动机后，也能实现两位数级的燃油经济性提升。在2 000 r/min时，小型化策略、低温稀燃和延长膨胀行程都能使燃油效率提高约10%。Kim等介绍了为将1台2.0 L发动机的有效热效率提高到42%以上曾采用的技术措施，包括提高压缩比、冷却排气再循环、双火花塞、减少摩擦和优化缸内气体流动。他还概要介绍了到2035年达到50%热效率的技术路径，其中包括进一步提高排气再循环率，采用轻度混合动力、可变压缩比稀燃和废热回收利用。
2.1.1.1 减少燃油加浓
提高燃油经济性的一种途径是限制使用目前常见的燃油加浓，以限制排气温度上升，防止诸如涡轮增压器和催化器等下游部件受热损坏。由于燃油加浓会导致燃油经济性下降和高排放，未来的排放法规可能会对燃油加浓作出限制。一些研究指出，燃油加浓过程中的CO 排放尤其令人担忧。目前只有WLTP对CO的排放有所限制，而RDE试验规程还没有对CO 排放作出限制。Gorgen等在对1台C-级车辆进行动态实际行驶排放试验时发现，测得的CO 排放量要比WLTP规定的限值高出3倍以上，这在很大程度上与全负荷加速时的燃油加浓有关。
为了使发动机在整个运转工况范围内都能以理论空燃比（l=1）工作，人们正在开发各种能提高排气温度的技术。这些技术包括排气再循环、可变压缩比、喷水和先进的增压系统，而先进的增压系统通常会采取加大涡轮尺寸的电力辅助涡轮增压与轻度混合动力相结合的做法，以克服低端扭矩的损失。Glahn等概述了这些技术在提高现代小型发动机比功率方面的潜力（图5）。1台传统的3缸涡轮增压汽油直喷发动机，组合采用改进发动机、整体式排气歧管和可变几何截面涡轮增压米勒循环等技术后，能使其比功率从65 kW提高到85 kW，而附加的成本仅增加约10%。外部排气再循环能使比功率进一步提高到90 kW，但成本要增加30%左右。可变压缩比和喷水可以使比功率提高到100 kW，但该技术还不太成熟。
图5 发动机以理论空燃比工作时能实现较高比功率的各种技术及其相对成本
2.1.1.2 喷水
Scharf等论述了配装1.5 L发动机的48V轻度混合动力车实现l=1 运行的几种途径。最近公布的按RDE监测的一组数据显示，对于功率-质量比较小的车辆，即使采用混合动力总成，其在高负荷行驶工况下的CO排放量要比WLTP规定的限值高出1倍，这可能是在这些运行工况下出现了燃油加浓的缘故。在插电式混合动力车上，一种可取的技术方案是米勒循环与涡轮增压的结合，后者采用较大尺寸的涡轮，能承受高达1 050 ℃的高温。之所以能采用较大尺寸的涡轮是因为可以依靠90 kW的电机来满足低端扭矩的要求。对于轻度混合动力车，可以考虑只在高负荷区采用喷水。喷水量-喷油量比最大可达60%，尽管在大部分常规行驶工况下水耗量都很低。即使在运动型RDE试验循环下，耗水量也只有百公里40 mL。因此，可能只需要在两次使用间隔期内加水。
喷水技术的缺点是要设置单独的水箱装水，并会使车辆增加附加的质量。Sun等在车辆上进行了从排气中回收水的探索试验，发现在理论空燃比下运行时能回收到容量大于10%的水。有人在1台压缩比为9.5的2.0 L汽油直喷发动机上进行了气道喷水的试验。在两个位置进行了提取水的试验，其中一个是在低温排气再循环的冷却器后面，另一个是在进气空气冷却器之后。在全负荷（5 000 r/min，平均有效压力1.81 MPa）下以50%的喷水量-喷油量比运行时，能使燃油的加浓状态从15%富油减少到1%富油，热效率相应提高了4.5%，CO排放量降低了93%，HC排放减少了84%，而NOx排放则因燃油加浓减少而增加了140%。采用旋风分离器（被动型和主动型）和薄膜分离器进行的水收集试验表明，薄膜分离器在进气空气冷却器后收集水时，水收集量较高。但是，在高负荷时，薄膜分离器的收集效率为50%，而旋风分离器的收集效率大于83%，但在低负荷时无法收集到水。模拟研究显示，收集到的水量可能会超过FTP和WLTP试验循环试验时所需的水量。而按美国US 06试验循环试验时，只能收集到所需喷水量的40%～70%，这就需要在车辆上安装水箱。
2.1.1.3 车上分离燃油
一种正在开发的爆燃抑制技术是从汽油混合物中分离出高辛烷值组分。有人开发了几种采用有机薄膜的渗透蒸发分离模块，能有选择性地从商品燃油中浓缩出乙醇、甲醇和芳烃。燃用E10燃油时，采取了推迟点火和喷射乙醇相结合的措施。按美国US 06试验循环进行的模拟分析显示，与最优的现代发动机（压缩比11.5，自然吸气方式）相比，燃油经济性能提高约20%。US06试验循环所需的乙醇（9.4%）大约是FTP/US06/HWFET试验循环所需乙醇平均值（4.4%）的1倍。燃油分离系统的缺陷是：分离器加热迟缓（约10 min）,真空泵和燃油泵的寄生损失约1%。
2.1.1.4 动态停缸
Younkins等探讨了在采用轻度混合动力和米勒循环时，动态停缸的协同效应。在轻度混合动力的情况下，既有协同效应，又有附加效果。电机能在低负荷时协助能量回收，在高负荷时提供辅助的扭矩，而停缸则主要是改善部分负荷的燃油耗。因在减速过程中停缸减少而引起的发动机制动会导致再生制动有所增加，而电扭矩也会增加停缸的可能。有人采用1台配装1.8 L涡轮增压汽油直喷发动机和P0结构48V轻度混合动力车进行了试验，按城市和公路混合试验循环（FTP75和HWFET）试验时，在添加动态停缸的情况下燃油耗降低了16%。该试验中还没有考察扭转平稳的附加好处，但模拟分析显示，添加动态停缸有可能实现燃油耗降低20%，动态停缸应用于米勒循环发动机时，能使高、低充电模式与停缸之间的过渡状况得到改善。关键的促成因素是能根据负荷的要求对气门升程和正时不对称的两个进气门进行独立控制。1台压缩比为11.7的2.0 L米勒循环发动机添加了动态停缸功能后，在转速1 500 r/min、平均有效压力0.2 MPa工况下工作时，燃油耗降低了17%。车辆模拟分析预计，米勒循环动力总成的燃油耗能降低7%～9%。
在较高负荷保持只有个别几个气缸工作的运行模式时，动态停缸还有助于促使均相稀气燃烧向低负荷区延伸。对1台配装4缸2.0 L米勒循环发动机的C级车辆进行的模拟分析显示，在整个CAFE和WLTC工况中，按理论空燃比运行的米勒循环发动机的 CO 2排放量预计能减少4.6%～7.5%，均相稀燃发动机的 CO 2排放量预计能减少5.1%～8.3%。由于个别气缸工作时负荷较高，发动机的排气温度也能提高约20℃。
2.1.1.5 氢辅助燃烧
Cooper等探索了使1台基本型2.0 L发动机实现燃油经济性提高10%的可能性，这台发动机为压缩比为10.5，采用双涡壳单级涡轮增压，喷油压力20 MPa，符合超低排放车（SULEV）30和欧6c 排放标准。初步试验表明，采用48V电力辅助涡轮增压能使RDE试验循环下的燃油经济性提高约3%。试验时还采用的其他改进措施包括：将压缩比提高到12.5，采用低压EGR，催化器安装在涡轮增压器前，以及在高压EGR回路中设置1个氢重整催化器。采用在重整催化器上游直接喷射燃油的方式来产生氢，有助于实现更高的EGR率。
Chang等提出了一种在发动机外面通过排气重整催化的方式来产生氢的新方法。该方法是将某个以富油状态工作的专用气缸的排气引入EGR回路中的催化器中进行重整。富含氢的重整气体通过EGR回路重新被引入其他气缸，由于这时火焰速度很高，因而能实现更高的EGR率。在1台4缸发动机上以2 000 r/min 平均有效压力（BMEP）0.4 MPa运行时收集到的数据显示。与基本型发动机的25%EGR率相比，该发动机能在高达45%～55%的EGR率下实现稳定燃烧，有效热效率从29.5%提高到了32.1%，相当于有效燃油消耗率降低了约8.3%。试验显示，在转速1 500 r/min、BMEP为0.08 MPa和转速2 500 r/min、BMEP为0.6 MPa两种稳态工况下运行时，热效率也提高了约2%。但在瞬态控制方面则面临一定的挑战，因此必须收集更多运转工况点的相关数据。
2.1.1.6 稀燃
研究表明，稀燃与进气门迟关米勒循环相结合能使燃油耗降低18%。该措施的具体实施方法是，在部分负荷采用稀气分层燃烧，在高负荷时切换成按理论空燃比米勒循环运行。有人将一台3.5 L气道喷油发动机改成小型化的2.5 L涡轮增压汽油直喷发动机进行了试验，结果显示，燃油耗降低了约8%。在采用自动起停系统和热管理措施的情况下，二者都能使燃油耗进一步降低4%。车辆模拟分析显示，采用包括减少摩擦和减轻质量在内的各种改进措施，有可能使燃油耗降低35%。排气温度则比较低（在整个发动机运转工况范围内排气温度均小于300 ℃）。因此，NOx控制将面临挑战，需要提出各种先进的排气后处理方案。
Clasen等在1台采用先进两级涡轮增压和双线圈点火的4缸2.0 L汽油直喷发动机上进行了试验研究，以扩大均相稀燃的运转工况范围。在低负荷低转速工作时依靠高压涡轮增压，而在最大扭矩和额定功率下工作时则依靠低压涡轮增压。在转速1 500 r/min、BMEP为0.8 MPa下运转时，l为2.0（最稀状态）。在转速1 500 r/min、BMEP为1.0 MPa运转时，有效比油耗最大降低了12%，这表明，燃油经济性的提升并非与空气稀择程度完全相关。能够保持稳定燃烧的最大负荷是转速1 500 r/min、BMEP为1.4 MPa，此时的l为1.4，但在BMEP为1.0 MPa以上的负荷下，燃烧的稳定性均有所恶化。三效催化器前的排气温度为大于250 ℃，因此，预料能实现较好的催化转换。
超稀燃（l约为2.0）是一种能使燃油经济性提高到柴油机水平的前景看好的技术途径。同时还因燃烧温度低而能降低NOx排放。预燃室燃烧就是一种途径，能在整个发动机运转工况范围内实现l约为1.6～2.0的超稀燃运行。在1台排量1.5 L、压缩比为13的3缸发动机上进行的试验显示，其热效率能达到41%，最低燃油消耗率为203 g/（kW•h）。排气温度比较低则对后处理系统提出了挑战，按FTP-75试验循环试验时达到的最佳NMOG+NOx排放量约为90 mg/mile。Niizato等介绍了Honda公司在实现稳定稀燃方面取得的进展，利用压缩行程中的预燃室直喷燃烧作为气道喷油燃烧的补充，实现了空燃比高达40 的稳定燃烧。转速2 000 r/min时，最高热效率达到了47.2%，平均指示压力为870 kPa，这时NOx排放量仅为30 mg/L。
2.1.1.7 预燃室燃烧
Sens等介绍了一种“活跃”预燃室火花点燃发动机的开发情况，该发动机为预燃室配置了1个单独的供油系统，这样就能对预燃室中的空燃混合气进行动态调整。研究表明，该发动机能在l高达2.2的情况下实现均相稀燃运行，NOx排放量接近0.2 g/（kW•h）的检测限值。在随后的研究中，对采用米勒循环的预燃室点火与冷却EGR相结合的技术措施进行了试验研究。结果显示，预燃室点火能提高主燃室中的紊流强度，同时，燃烧稳定性提高还能减轻其他技术带来的缺点。对1台压缩比为12、采用冷却EGR的发动机进行的试验显示，在整个发动机运转工况范围内，预燃室点火使燃油经济性提高了1%～11%(高负荷时燃油经济性的提高程度较大)。当再采用进气门早关的米勒循环时，预燃室点火还能使燃油经济性提高1%～6%。预燃室的几何形状必须进行优化，以支持催化器加热所需的后续燃烧。
2.1.1.8 电气化
动力总成的电气化仍在继续向前发展。Niizato预计，到2030年，日本Honda公司的35%轿车将由纯内燃机驱动，50%的车辆将是混合动力车，其余15%车辆将是纯电动车和燃料电池电动车。这与Schaub等的看法一致，他们的预计是，到2030年，欧洲超过一半的新认证车辆将是轻度混合动力车。
48V轻度混合动力车的明显好处是其成本只是全混合动力车的一小部分。Knorr等测定了Ford公司1台Focus48V P0结构混合动力车的燃油耗和排放。该车辆配装的是1.0 L发动机，其最大功率为92 kW。在实际行驶情况下，发动机的停机时间约为45%，发动机承担的行驶里程约占85%。对后处理系统的挑战是，要应对发动机停机时导致的排气温度下降。发现在发动机停机的下坡行驶过程中，排气温度的下降程度约为150 ℃/min，因此，排气温度远低于催化器的点火温度。
Brendel等对各种结构的48V混合动力车（其差异是电力机械与动力总成其他部件的相对位置各不相同）进行了分析。Brendel等预计，P0和P1结构混合动力车的燃油耗能降低约11%，在B级～E级的车辆中，P2～P4结构混合动力车的燃油耗能降低约16%。对于C级车辆，需要的最大持续功率为12 kW，依靠48V系统就能满足这一要求。同时，还开发了一种仅需3～10 s就能满足30～50 kW最大功率需求的双层叠电容器。以1台 CO 2排放量为125 g/km的基本型发动机为基准，通过对发动机、变速箱和车辆其他部件的改进，使 CO 2排放量降低到了90 g/km，依靠电气化使 CO 2排放量进一步降低到了65 g/km。值得指出的是，该排放水平已非常接近提议中的欧洲2030年的排放限值。
美国环境保护署开发了先进轻型车动力总成和混合动力车的分析模型，并对其进行了验证。未来该模型将被用来预测48V P0和P2结构轻度混合动力车温室气体排放和燃油经济性的改善效果。
Bielaczyc等比较了两台配装满足欧5排放的多点喷油发动机的车辆（其中一台为混合动力车，另一台为传统车辆）在城区行驶工况下的尾管排放。结果显示，混合动力车的所有气态组分的排放量都比较低： CO 2排放量降低了一半，CO排放量减少了90%以上，HC和NOx排放量也明显降低（都已低于限值）。在常规行驶过程中，发动机的停机时间为70%，蓄电池的充电状态保持在53%～65%，这表明能量的还原情况良好。
插电式混合动力车因其全电力行驶的范围增加而能使燃油耗降低更多。研究表明，当发动机处于短暂运行和要即刻达到高功率或大扭矩的情况下，大负荷冷起动时产生的污染物排放量会特别高。Pham等按照模拟大负荷冷起动的试验循环，在发动机测功器试验台上对3台2013—2016年型插电式混合动力车进行了试验。结果发现，在这些加速试验循环下产生的排放量要比FTP试验循环下的排放量高出9倍之多。这表明，现有的认证试验循环不适合用来测定插电式混合动力车如此高的排放量。为了减少插电式混合动力车的发动机冷起动次数，Hamza和Laberteaux提出了确定电力驱动系统功率大小的设计准则, 分析了65 000次短暂运行的实际行驶数据，以判断冷起动次数、全电力驱动和最大电功率之间的关系。分析结果显示，传统内燃机车辆和混合动力车每天的冷起动次数为 2.15次，如果设计的电力驱动系统能提供大于26.5 kW/t车重的动力，则插电式混合动力车的冷起动次数会更少。
2.1.2 轻型车柴油机技术
柴油车的燃油经济性继续保持比汽油车燃油经济性高15%～20%的优势。最新研究表明，这种优势有可能会进一步扩大，同时，柴油车也能满足收紧的实际行驶 NO x排放要求。VW公司的Mork等介绍了使1台现代柴油机的 CO 2排放量减少大于30%的同时又能满足城区行驶条件下NOx排放要求而采用的技术途径。对1台4缸1.6 L发动机作了一些重大改进。为了降低摩擦，将4缸机改为3缸机。改进了燃烧室的设计，并将压缩比提高到17，以提高发动机的效率。对燃油系统进行了升级，采用压电式喷油器，喷油压力提高到270 MPa。重要的特点之一是进气和排气都采用了先进的可变气门正时系统，以便能有效地降低（米勒/阿克金森循环）的压缩比，同时还能提高低负荷运行时的排气温度。涡轮前的排气温度提高了10～40 ℃。依靠有效的排放控制系统，这样的排气温度足以使城市行驶循环下的NOx转换效率提高40%。一种紧耦合SCR系统能使NEDC/WLTP/RDE试验循环下的NOx排放量远低于欧6d的排放限值。为了在低负荷时保持较低的排放，必须添加可变气门正时和发动机加热的措施，同时，还添加了自动起停系统。另外，通过在P2位置设置48V一体式皮带驱动起动机/发电机和10 kW电机的方式实现了轻度混合动力。在NEDC试验循环下， CO 2排放量总体减少了31%，其中轻度混合动力的贡献为6.8%。
Schaub等在1台2.0 L非混合动力D级车辆上，通过添加48V皮带驱动起动机/发电机，将发动机排量减小到1.6 L和降低转速等措施，使车辆在WLTP试验循环下的 CO 2排放量降低了9%。模拟分析显示，皮带驱动起动机/发电机带来的好处约为5.1%。为了解决冷起动的排放问题，对以下两种排气后处理系统进行了试验：（1）采用稀NOx收集器（LNT）、催化型柴油机颗粒过滤器（DPF）和SCR的后处理系统；（2）采用电加热催化器、一体式SCR/DPF和下游SCR组成的后处理系统。在这两种情况下还采用了高压和低压EGR。在3次不同的实际行驶排放试验中，当环境温度为23 ℃和-7 ℃时，这两种后处理系统都能使尾管NOx排放量远低于80 g/km，尽管在低环境温度下主动热管理起到了较好的作用。
研究人员正在评估柴油机采用动态停缸的效果。对1台4缸2.0 L C级车辆进行的模拟分析表明，柴油机采用动态停缸有可能使 CO 2排放减少2%～5%，同时，如果再使排气温度提高40 ℃并改进变速箱的换档，还能使 NO x排放有所降低。
2.2 重型车发动机技术
为了提高燃油经济性，重型车发动机的技术正在不断改进和提高。柴油机仍然是重型车的首选动力。重型车的电气化也在发展。除了发动机改进外。车辆改进也是明显提高燃油经济性的一种途径，二者正在相互追赶，以争取在实施美国超级卡车Ⅱ计划中发挥更大的作用。
2.2.1 重型车柴油机
美国能源部推出的超级卡车Ⅱ计划已进入第二个年头，参与该计划的单位都在朝着以下目标努力工作：使实际运行中的有效热效率提高到55%以上；使运费效率 (每克燃油行驶英里数×以吨计的货物质量)比2009年的基准水平提高100%；任何技术改进措施的投资回收期要小于3年。
以下就是该计划参与者共同的研究课题：（1）改善车辆的空气动力学水平、减轻质量、减少滚动阻力和减少摩擦；（2）改进发动机燃烧和提高空气处理的水平（提高压缩比，优化EGR），隔热技术和隔热涂层；（3）开发轻度混合动力车;（4）先进的和优化的NOx控制；(5)废热回收利用。
Amar和Smith报道了Volvo公司为达到超级卡车Ⅱ计划目标而采取的策略。策略主要包括：（1）采用涡轮复合增压（质量会增加3.5%）；（2）通过选择合适的材料和设计使动力总成的净重量降低5.3%；（3）通过降低发动机的转速来减少摩擦；（4）采用隔热涂层活塞来减少燃烧室的热损失，以提高热效率和降低HC和CO排放；（5）在P1位置采用25 kW一体式起动机/发电机的结构来实现轻度混合动力车。
Yee和Girbach介绍了Daimler公司采用的技术途径：进一步降低13 L发动机的转速，以提高燃油效率；采用48V电动发电机实现轻度混合动力车，预料其能使运费效率提高4%。还探讨了动力总成和燃烧方面的其他改进措施，包括采用两级涡轮增压，采用更高的压缩比，采用隔热涂层，采用米勒循环和两级EGR冷却等。排气后处理将包括紧耦合SCR。为了提高瞬态性能，正在开发几种发动机与排气后处理相结合的热力学和动力学模型。
Ruth和Damon阐述了Cummins/Peterbit公司为实现运费效率提高125%而采取的技术途径。他们认为，改善空气动力学性能、减少滚动阻力、提高发动机效率和减轻车辆质量能分别使运费效率提高25%、16%、32%和24%。预计车辆重新设计和采用先进的车速控制能使空气动力学阻力降低15%～20%，通过改进轮胎能使滚动阻力减少30%，相当于能使燃油经济性提高6%。在动力总成方面，开发了采用20 kW电动发电机的轻度混合动力车，并添加了废热回收利用，预料这将能使有效热效率提高大于4%。
Hergat和Brown介绍了其试验研究的目标是要将1台基本型发动机的热效率（BTE）从47%提高到55%。试验显示，改进燃烧和空气管理使BTE提高了3.4%，减少摩擦和寄生损失使BTE提高了0.6%，废热回收利用使BTE提高了4%。该基本型发动机在承受道路负荷时所需的加权平均工作负荷为200 kW，而在车辆爬坡时所需的负荷为300～325 kW。为此，有人对电机功率为15～120 kW的各种混合动力结构进行了分析。但由于发现电机功率较大不太经济，因而只对电机功率为15～30 kW的混合动力进行了分析。
Zukouski介绍了Navistar公司为达到超级卡车Ⅱ计划目标而采取的技术措施。其路径与上述研究采用的技术途径大致相同。预计废热回收利用能使BTE提高3.5%。有人正在对各种NOx控制系统进行评估，这些系统包括电加热催化器，气态氨喷射和紧耦合SCR。作为一种替代方案，有人还在探索采用汽油压燃发动机的可能性。
Zhang等也在研究汽油压燃发动机在提高燃油效率和减少NOx排放方面的潜力。采用研究法辛烷值（RON）为58～93的汽油进行了发动机运转试验。当将压缩比从18.9降低到15.7时，碳烟排放有所下降，但燃油效率也有所下降。在中、低负荷时，发动机燃用汽油时的燃油效率要高于燃用超低硫柴油时的燃油效率。使用反应率较低（RON较高）的燃油时，采用了分开喷油的方式。
为了达到第2阶段温室气体排放标准和提议中的超低NOx排放标准，Dahodwala等利用发动机和排气后处理模型对几种方案进行了探索研究。模拟研究用的基本型发动机为1台4缸排量7.7 L、压缩比17.6、额定功率为 228 kW，并采用冷却高压EGR的发动机。利用发动机模型对5种降低燃油耗的技术进行了评估：将气缸数从6缸减少至4缸；将最高转速降低200 r/min；采用两级可变压缩比；停缸和涡轮复合增压。预测结果显示，减少气缸数、降低转速、停缸，以及两级可变压缩比和涡轮复合增压分别能使燃油经济性提高9.2%、4.6%、1.7%和小于1%。还对两种技术组合的效果进行了评估。第1种是降低转速、可变压缩比、停缸和涡轮复合增压的组合，能使HD-FTP试验循环下的有效比油耗下降7.1%。第2种是减少气缸数与两级可变压缩比的组合，能使HD-FTP试验循环下的有效比油耗降低9.7%。尽管第1种技术组合的燃油经济性改善效果偏低，但能产生较高的排气温度，这对于低NOx控制是有利的。
研究人员正在考虑将一些已经在轻型车发动机领域实现商业化应用的技术用于重型车发动机。Franke等探讨了实现以下这种可变压缩比模式的可能性：在发动机低负荷时使用较高的压缩比，以提高效率，而在高负荷时使用较低的压缩比，以产生较高的排气温度和实现碳烟/NOx的均衡排放。停缸能同时实现燃油经济性改善和排气温度升高。Gosalaz等在1台采用热管理措施提高排气温度的6缸发动机上进行了试验，当发动机在路边停车怠速工况下运转时，使3个气缸停缸，燃油节省了40%，同时仍然能保持较高的排气温度。在HD-FTP和城市大客车试验循环下，燃油耗分别降低了3%和9%。
研究显示，通过改善空气动力学性能可以取得明显的节油效果。Hawkins等测定了1台第８类长途卧铺客车的燃油耗情况，道路试验和滑行试验测得的结果显示，燃油节省大于９％。
车辆列队行驶能够改变空气流场和空气动力学阻力，也是降低车队燃油耗的另一种途径。ＭcAuliffe等用３辆第８类卡车进行了列队行车试验，卡车的行驶速度恒定为65 mile/h,载质量为65 000 lb，车辆的前后间距在4～87 m之间变化。发现末尾一辆卡车在最佳间距为12 m时可实现节油约13%，而中间一辆卡车即使与前车的间距较小，节油程度更高，间距为4 m时节油达17%。领头的卡车即使在车辆间距小于20 m的情况下，同样也能节油，间距为4 m时节油达10%。当车距为4 m时，列队行车的净节油度为13%。尽管节油效果明显，但从安全角度来说，4 m间距可能是太小了。Nusskowski等测试了2台第6类卡车列队行驶实现节油的可能性，卡车的前后间距为车身长度的3～6倍。试验结果显示，后面一辆卡车的迎面空气流速降低了4.0%～8.5%（降幅取决于车辆间距大小），燃油经济性提高了6.5%～9.0%。
2.2.2 重型车电气化
重型车的电气化正在不断向前推进，有可能使燃油耗明显降低。采用轻度混合动力是美国能源部超级卡车Ⅱ计划所有参与者的共识。
据估计，某些行车路线和负荷可预测的第6类和第7类中型车和校车会最快实现电气化。Vijayagopal等分析了跨境大客车通过提高电气化程度来实现节油的潜力。按照CARB试验循环和EPA55试验循环，预测了车辆每天行驶150 mile时的燃油耗。假设插电式混合动力车的电力行驶里程为 75 mile，蓄电池电动车的电力行驶里程为150 mile。模拟分析使用的是Autonomie模型，发动机燃油耗曲线图取自EPA的温室气体排放模型。所有的变量必须符合和超过如下的连续负荷性能：巡航车速60 mile/h、6%坡度的车速为29 mile/h、0～30 mile/h瞬时变速和0～60 mile/h加速。模拟结果显示，在瞬态试验循环下，轻度混合动力车能节油8%，全混合动力车能节油29%，插电式混合动力车能节油53%。在EPA55试验循环下，轻度混合动力车和全混合动力车未显示出任何节油效果，而插电式混合动力车则能节油39%。以55 mile/h的车速巡航时发动机几乎没有机会停机。尽管实际的节油状况对本分析中所作的各种假设比较敏感，但研究显示，从轻度混合动力车到全混合动力车都能使燃油经济性有明显的改善。Rousseau和Vijayagopal将这一分析扩展到了其他中型车和重型车，包括每天行驶150 mile的第4类和第6类送货车辆和每天行驶500 mile的第8类长途卡车。在城市行驶时，轻度混合动力车能节油5%～10%，全混合动力车能节油20%～30%，纯氢电池电动车 (PHEV)能节油80%～100%。对于第8类长途卡车，其节油效果要小许多，轻度混合动力车节油效果为小于5%，全混合动力车的节油效果小于10%，PHEV的节油效果小于20%。重型车领域的蓄电池电动车使用率将取决于总持有成本和地方法规的要求，总持有成本则与地区和部门有关。预计到2020—2024年，配送车将达到总持有成本平价，而对长途卡车总持有成本的预计仍然存在很大的不确定性。另外，对于长途卡车，必然会涉及到充电基础设施的问题，在欧洲，估计长途卡车将至少需要设置6 000个大于500 kW的充电站。
3 稀NO x控制
人们已经对柴油机使用过程中的NOx排放情况开展了详细的调查研究，发现要满足现行的和未来的排放法规仍将是一个重大的挑战。对NOx排放进行的研究表明，柴油机能够在宽广的运转工况下实现十分清洁的排放。图6汇总了270台欧6d柴油车和汽油车的排放数据（一致性系数CF=2.1）。图6显示，大部分车辆都已达到了欧6d的NOx和颗粒数排放要求（CF=1.5）。研究表明，发动机改进加上先进的排气后处理系统能使柴油机车辆在颇具挑战性的城市实际行驶条件下达到欧6标准的NOx排放限值。
图6 270台欧6d柴油车实际行驶排放(RDE)试验时的排放数据(图中横线为各排放法规的限值水平)
3.1 轻型车NOx控制系统
Bosch公司的试验研究证实，在环境温度低到0 ℃时的动态实际行驶条件下，车辆尾管的NOx排放量可以达到小于80 mg/km的水平。他们在两种行驶情况下（包括冷态起动工况）进行了排放试验，其中一种行驶情况为排气冷却后加速，另一种行驶情况为城市行驶循环，还包括了会导致后处理系统温度降低的停车/起动行驶状况。发动机采用的热管理措施包括：推迟燃烧和喷油、为减慢催化器冷却的气流管理、优化涡轮增压器，以及提高瞬态性能和低速扭矩。更进一步的NOx控制措施还包括采用低压和高压EGR，而排气后处理系统则包括柴油机氧化催化器（DOC）后紧接过滤器上的SCR，以及另一个下游SCR。附加的NOx储存催化器或双尿素喷射并没有增加多大的价值，而电加热催化器则没有被采用，因为这会导致 CO 2排放量增加19%。
大众公司介绍了为提高新一代2.0 L发动机的燃油经济性和控制NOx排放而采取的对策。通过减轻质量，减少摩擦，使涡轮增压器效率提高10%，采用皮带驱动起动机/发电机的轻度混合动力，采用起动/停车系统，以及高转速时发动机停缸等措施，使发动机的燃油经济性提高了10%。NOx控制措施包括：采用高压和低压EGR，采用紧耦合DOC，增加与SCR一体的过滤器的容积，以及增加下游SCR的容积。为了促使氨更好地分布，改善了气流的均匀性，同时，还实施了一种“温度保持”功能，以防止SCR冷却到200 ℃以下。通过重新优化设计后处理系统的结构布置，使排气系统的压力损失减少了40%，其他改进措施包括涡轮增压器与DPF之间采用气隙隔离，通过8次喷油进行DPF再生，以及改进排气后处理控制用的ECU和传感器。
Landsberg等使1台4缸2L C级车辆在要求的行驶条件下达到了36 mg/km的尾管NOx排放量。采用的排气后处理系统由LNT和在过滤器上的SCR，以及氨逃逸催化器组成。在城区行驶时，大部分NOx排放都在温度低于200 ℃的情况下发生，因此，采用一种基于发动机的加热措施就能实现较早的LNT释放和尿素喷射。
Avolio等提出了一种为达到欧6后排放限值的排气后处理方案，由过滤器上的SCR，添加的SCR和热管理措施组合而成，前者的两个SCR各自进行单独的尿素喷射，后者能够实现尿素提早喷射。他们给出了1辆配装4缸2.0 L发动机的C级车辆的试验结果。该车还添加了高压和低压EGR，以及48V皮带驱动起动机/发电机的轻度混合动力。在WLTP试验循环下，过滤器上的SCR处的NOx排放量为60 mg/km，已低于欧6的限值。添加了第2个车身下SCR后，NOx排放量降低了65%，达到了21 mg/km。90%的尿素被喷入第1只SCR。设置在第1只SCR上游的电加热催化器能使尿素喷射提早150 s,从而能使NOx排放进一步降低到13 mg/km。在实际行驶试验中，采用过滤器上的SCR时，NOx排放量为84 mg/km，在加装车身下SCR后，NOx排放量进一步降低到了24 mg/km(降幅达71%)。在所有行驶工况下，NOx排放量都接近35 mg/km。
为了使在用车达到严苛的LEV Ⅲ排放标准，Vakiti等探讨了柴油车需要采取的发动机和排气后处理改进措施。一种对策是将SCR移到靠近发动机的位置，并采用双尿素喷射。模拟预测指出，在紧耦合DOC-SCR后设置一个车身下SCR过滤器-氨逃逸催化器（ASC）系统并采用双尿素喷射，可以使NOx转换效率比同样的系统采用单尿素喷射时的NOx转换效率提高5%～25%。改进SCR催化器和采用主动热管理有助于催化剂提早点火。采用进气门升程可变和排气门正时可变的可变气门正时系统时，能使WLTC中第1阶段的NOx排放量降低30%。每次喷入少量燃油的多次喷油产生的燃烧形态能使燃油经济性，以及发动机自身的碳烟、CO和HC排放得到改善。模拟显示，轻度混合动力车中的电力增压可以使NOx排放降低约9%，从而有利于提高EGR水平，同时，在整个冷态起动FTP试验循环中能使碳烟排放量减少40%。
3.2 重型车低 NO x控制系统
为达到CARB和EPA规定的尾管NOx排放目标，研究人员提出了各种方案。NOx要减排高达90%，试验规范更严，以及必须通过降低燃油耗来达到第2阶段温室气体排放标准等各种需要应对的问题，都会在技术上迎来相当大的挑战。因而将要求人们开发先进的发动机和排气后处理技术。
要达到20 mg/（hp•h）尾管NOx排放目标的关键是，提出的各种技术方案都要解决冷起动排放的问题。Singh等指出，1台典型的2010—2017年的重型车发动机在第1个130 s试验运转期间，其累计NOx排放量可能已经超过了限值。为此，人们正在开发各种能在冷起动时提高排气后处理转换效率的解决方案。
为了评估各种排气后处理系统NOx排放达到20 mg/（hp•h）的目标可能性，美国西南研究院和加州空气资源局正在与多方合作开展试验研究。在该研究计划中，被评估的第1种排气后处理系统是1台13 L发动机采用的由被动NOx吸附器（PNA）后接微型燃烧器，以及SCR过滤器+SCR+ASC组成的后处理系统。针对这一系统进行的试验研究工作是要评定各后处理部件在1 000 h老化后的减排水平。在该研究开始时，冷态起动FTP试验循环下的 NO x排放量为25 mg/（hp•h），热态起动FTP试验循环下的NOx排放量为5 mg/（hp•h），因此FTP试验循环下的复合NOx排放量为9 mg/（hp•h）。另一个工作团队正在开发低负荷排放试验循环，他们未来的工作计划是要评估2017年型发动机实现低NOx排放的潜力。下一阶段还将对低负荷试验循环下的污染物排放量和温室气体的最低排放目标进行评估。
在众多研究中涌现出了一种领先的解决方案，是在DPF前采用1个SCR，以解决冷起动排放和低温时的转换效率问题。尽管该方案能实现较快加热和提早喷射尿素，但需要解决因硫引起的催化剂活性丧失，以及防止积炭、碳氢化合物排放和焦化等问题。另外，由于没有设置上游DOC，会使SCR的脱硫更为困难，并会导致SCR要依赖发动机排出的N O 2来实现快速反应。最后发现，双尿素喷射对于更好地控制所需的氨和DPF再生时的NOx逃逸是有利的，其中一只尿素喷射器安装在DPF前的SCR前面，另一只尿素喷射器安装在下游SCR之前。第2只尿素喷射器能在DPF再生期间切断过滤器上的SCR的尿素喷射，因此，能更好地控制碳烟堆积引起的压力降。
Wille和Kalwai对3种排气后处理系统进行了评定：一种为SCR设置在DPF后面，另一种为SCR与DPF组成一体，第3种为采用两个SCR，其中一个SCR设置在DPF之前并与他紧耦合，另一个SCR设置在DPF之后。每个SCR有各自独立的尿素喷射系统。在冷态瞬变试验循环下，在100 s以内，紧耦合位置SCR的进口温度就达到了200 ℃，而其他两种系统的SCR则需要400 s以上才能达到此温度。然而，对于在紧耦合位置的铜-沸石SCR，其低温活性会受到硫的影响，因而需要采取较好的再生策略来恢复活性。高温脱硫和DPF再生也会使SCR在低温时的转换效率变差。Geisselmann等研究了硫对SCR催化器的影响，研究认为，在硫酸化过程中钒催化器的性能相当稳定，而铜-基催化器的初始NOx转换效率比较高，能在400～500 ℃的温度下进行再生后恢复性能。
Newman在过滤器上的SCR后面再加装了一个附加SCR，对采用单尿素喷射和双尿素喷射时SCR的性能和背压进行了比较。所有的系统按HD-FTP试验循环进行的试验显示，NOx的整体转换效率比较高。附加的尿素喷射能灵活地控制过滤器的被动再生，以改善背压。有人对一种采用紧耦合SCR后配置ASC、DOC、DPF，以及另一个SCR和ASC的后处理系统进行了试验研究，结果显示，紧耦合SCR还能较好地实现NOx:N 2O的均衡。
采用气态氨系统是能使SCR在200 ℃以下继续保持活性的一种技术途径。有人采用该技术在低负荷行驶时温度会受到限制的专用卡车上进行了开发研究。Johannessen等介绍了1个月内在采用该技术的垃圾清运车上收集到的数据。SCR的平均温度为207 ℃，气态氨系统能使SCR在温度低到100 ℃时继续保持转换效能。该技术的第2个好处是，SCR转换效率的提高可以减少对EGR的需求，从而能使燃油经济性得到提高，并使发动机产生有助于过滤器被动再生所需的较高的NOx。
为了使排气后处理系统快速加热以实现提早喷氨和SCR尽快产生活性，主动热管理也正在受到人们的追捧。Culburtson等在1台6.7 L Cummins ISB发动机上进行了采用24 Vdc加热器加热排气的试验，该发动机配置了由DOC、DPF、SCR和ASC组成的2017年型排气后处理系统。采用两种加热器进行了试验，一种为传统24 Vdc发电机，另一种为两个12 Vdc铅-酸蓄电池，二者在83%负载时均为3 kW。在HD-FTP试验循环的第1个410 s试验时间内，加热器被接通，在这段时间内，以2.6 kW的电功率在260 s内就使DOC的进口温度升高到了275 ℃。试验循环中的平均功耗为0.9 kW，使用的最大功率为4.6 kW。在城市客车试验循环下进行的试验显示，平均温度从208 ℃提高到了273 ℃，使用的平均功率为2.3 kW。在经常间隙负荷和延长怠速的道路清扫车试验循环下，加热器所需的平均功率为0.8 kW。在这两种试验循环下，所需的最大功率接近4.5 kW，但在试验循环中，有一半以上的时间加热器都在3 kW以下工作。与只在冷起动时采用发动机热管理来进行加热的基本型后处理系统相比，这种加热器还有可能在改善燃油耗方面带来好处。主动热管理部件的可靠性仍然是一个主要问题。
有人正在利用标定模型对各种不同排气后处理系统的减NOx潜力进行评估。Strots和Resaei利用发动机和排气后处理系统的综合模型评估了各种基于发动机的热管理策略和后处理系统对排放的影响。评估用的基准发动机为采用两级涡轮增压和EGR的6缸欧6发动机，排气后处理的配置为DOC、DPF、SCR（铜-沸石）和ASC。发动机采用的各种标定状态包括：较早的后喷油、进气节流、推迟喷油和排气节流。在FTP试验循环下，能使发动机本身的NOx排放降低13%，从约2.3 g/（hp•h）降低到约2 g/（hp•h）。对基准后处理系统的改进是在DOC前采用紧耦合SCR和ASC。图7所示为两种后处理系统的配置示意图和排放改善效果， NO x的转换效率从95%（基准系统）提高到了99%，并达到了低于0.02 g/（hp•h）的尾管NOx排放目标。与基准后处理系统相比，N 2O的排放量也降低了19%。热管理导致燃油消耗增加了3%。有人提出了解决燃油消耗增加的方法，其中包括采用PNA及SCR与DPF一体化。由此，产生的较高NOx转换效率将允许发动机在NOx排放较高的情况下工作，并且还能使燃油经济性有所提高。
图7 一种发动机标定和后处理改进方案，包括添加紧耦合SCR和双尿素喷射，为满足加利福尼亚州提议的20 mg/（hp•h）低NOx排放限值
Dahodwala等通过模拟分析对几种不同的排气后处理配置进行了比较。结果显示，采用一体式DPF-SCR、被动NOx吸附器（PNA）和气态氨系统的后处理系统时，NOx排放量要比使用2017年参比后处理系统时的NOx排放量降低约80%。SCR能在约350 s内达到200 ℃的床温，而参比后处理系统要在477 s内才能达到此温度。但尾管的NOx排放量为约25 mg/（hp•h），还是超过了低NOx排放的限值目标。因此，有人对主动加热措施作了进一步探索。发现采用电加热催化器或微型燃烧器是能使NOx排放量降低到低于20 mg/（hp•h）的有效措施，但二者的问题是会增加燃油消耗，折算下来，采用电加热催化器时燃油消耗最高会增加6.1%，采用微型燃烧器时燃油消耗会增加2.1%。有人对该措施的喷油剂量进行过研究，结果显示，通过控制喷油剂量，燃油消耗最少也要增加1.3%，且NOx排放量勉强接近限值目标（21 mg/（hp•h））。最后，有人提出了一种综合应用喷油剂量控制、电加热催化器和PNA的先进加热策略，试验结果表明，该方法能达到NOx的排放目标，并且燃油消耗量增加很少，仅为1.9%。研究表明，改变发动机标定和采用先进的发动机技术是一种既能达到NOx排放标准，又能使燃油耗降低5%～7%的技术途径。
Seykens等以达到超低NOx排放标准和同时保持较好的燃油经济性为目标，对几种排气后处理系统进行了模拟分析。模拟分析用的参比系统是采用高压冷却EGR，以及DOC、DPF、SCR和氨氧化催化器的13 L欧6发动机。添加的后处理配置包括：PNA、一体式DPF-SCR（通过尿素加热能以130 ℃喷射尿素），以及在PNA上游的紧耦合SCR和有涂层SCR过滤器。PNA有助于减少冷起动时的排放，但由于在低于SCR点火温度的情况下PNA会发生 NO x释放，因而会使NOx总排放量有所增加。SCR过滤器的效果最好，而紧耦合SCR则因热质量增加而抵消了提早点火的效果，所以其好处不太明显。尽管这几种后处理系统都能显著减少NOx排放，但没有一种系统能达到20 mg/（hp•h）的排放限值，因此，有人提出了几种基于发动机的主动加热措施，以进一步减少冷起动时的排放。
Zha等介绍了过去3年中在美国能源部资助下开展的提高NOx转换效率的研究工作情况，其目标是要将150℃以下的NOx转换效率提高到90%以上。他们选择了一种配置DOC、DPF、铜-沸石SCR和ASC的商品后处理系统作为参比基准。开发了一种新型催化器，能在有N O 2存在的情况下使NH4NO3的生成量最少，并能促使其分解。在150 ℃和NO2/ NO x比为0.5的情况下，该催化器样品达到了86%的NOx转换效率。在较高的NO2/ NO x比率下， NH 4 NO 3会导致NOx转换效率变差。这是在商品催化器中观察到的能在163℃下使NOx转换效率超过50%的明显改进，但其缺点是在NO2/ NO x比大于0.4时会生成 NH 4 NO 3。其他改进措施还包括以下几项：将DOC移到涡轮前的位置，并采用20%的EGR率，以达到0.5的最佳NO2/ NO x比；通过热管理使涡轮出口温度提高10℃；采用一个附加的车身下SCR；采用气态氨喷射。在超过16 h的发动机试验中，这种升级的后处理系统的 NO x转换效率达到90%以上。最后，在以低负荷和低车速行驶为特征的城市客车行驶循环下进行了1.3 h的性能试验。结果显示，基准后处理系统的 NO x转换效率约为88%，升级的后处理系统 NO x转换效率约为97%。尽管改进的效果令人印象深刻，但要完全实现商业化应用还有一些问题有待解决，包括要抑制由涡轮前催化器导致的发动机瞬态响应变差，以及要采用先进的控制手段按要求对NO2/ NO x的比率进行优化。Ottinger等在实验室反应器上对一种双涂层商品催化器（一层为氧化底层，另一层为铜-沸石顶层）进行的研究证实， NH 4 NO 3的生成需要有NO2和 NH 3，而在175℃时有NO存在的情况下， NH 4 NO 3的生成量可以忽略不计。在实际应用中，这种情况可能不那么令人担忧，因为排气中通常会存在较高浓度的NO（重型车柴油机排气中的NO高达90%～95%）。
Patil等提出了采用对置活塞发动机来实现超低 NO x排放的技术途径。他们按照1台3缸4.9 L发动机的参数开发了压缩比为17.5的10.6 L对置活塞发动机，预料其性能可与13～15 L发动机的性能相媲美。实现低排放的关键策略是通过“催化器快速点火模式”来解决冷起动排放问题，可以通过控制收集到的内部残余气体，以及依靠分开喷油和推迟喷油来提高排气温度。在冷态起动HD-FTP试验循环下进行的试验显示，涡轮出口温度在80 s内就达到了250 ℃。再配置一个紧耦合SCR后，在第1个100 s试验时间内就有可能达到最高的 NO x转换效率。采用一种包括紧耦合SCR、DOC、DPF和下游SCR的后处理系统进行的试验显示，尾管 NO x排放量有可能达到0.03 g/（hp•h）。两台10 L发动机正在投入使用试验，以验证发动机实现低 NO x排放和降低燃油耗的效果。
理论空燃比天然气发动机已经投入实际应用，能够达到加利福尼亚州自定的20 mg/（hp•h）的低 NO x排放标准。Smith等探讨了在保持燃油补偿最少的情况下改善冷起动 NO x排放的方法。用1台2014年型采用高压冷却EGR的理论空燃比天然气发动机按照HD-FTP试验循环进行了试验。对排气后处理系统进行了升级，在单个车身下三效催化器（TWC）的基础上添加了1个紧耦合TWC。通过推迟点火来使催化器加热。试验结果显示，综合 NO x排放量达到了10 mg/（hp•h），但燃油补偿高达4.7%。在第1个20 s试验期间，采用了其他两种运转策略进行试验：（1）在第1次怠速时，发动机以5%燃油加浓和推迟点火方式运转，并实施第2次空气喷射；（2）发动机一半时间以25%燃油加浓运转，另一半时间以15%燃油加浓状态运转，净燃油加浓水平为10%。与低 NO x排放的发动机标定状态相比，第2次空气喷射对 NO x排放的改善效果最好，且附加的燃油补偿仅为0.8%。采用燃油加浓/稀气运行策略时 NO x排放量与低 NO x发动机标定状态下的排放量相似，燃油耗降低了1.2%，但甲烷排放量有所增加。甲烷排放是天然气发动机要关注的一个问题。
天然气发动机的颗粒物排放也越来越受到关注，因为在天然气发动机的排气后处理系统中通常不配置颗粒过滤器。由图3可见，压缩天然气发动机的颗粒物排放量已接近排放限值。Khalek等对上述天然气发动机与采用一体式DPF/SCR的2014年Volvo欧6柴油机的颗粒物和灰分排放进行了比较。结果显示，这两种发动机的 NO x排放都很低，并能经受相当于43.5万mile使用寿命的水热老化。这两种发动机在FTP、WHTC和RMC试验循环下都能达到0.01 g/（hp•h）的颗粒物排放限值。但是，天然气发动机的颗粒数排放量要高许多。天然气发动机大于25 nm的颗粒物排放量是柴油机的5～8倍，小于25 nm颗粒物的排放量是柴油机的5～10倍。天然气发动机的金属灰颗粒物排放量也比柴油机的高5～10倍。考虑到超细颗粒物对健康的影响，该研究建议应采用颗粒过滤器来清洁天然气发动机的排气。
NO x传感器正在快速发展，并且正在考虑用其进行连续的车载测量和实际行驶排放量的跟踪。有人提出了一个初步想法，建议采用将 NO x传感器测得的数据与法规指标进行比较的办法来评估排放性能，从而摆脱对实验室认证试验循环的依赖。在宽广的发动机运转工况范围内和WHTC工况下，用 NO x传感器测得的 NO x浓度与用PEMS和实验室设备测得的 NO x浓度相比，差值在10 mg/L以内。
3.3 SCR
基于SCR 的排气后处理系统面临的主要挑战是，要在低于150～180 ℃的温度下保持持续的高转换效率。在这方面取得进展对于解决法规要求的冷起动和低负荷排放问题是至关重要的。
研究表明，最新的铜-基SCR催化器的 NO x转换效率已有所提高。Newman用1只在650 ℃下老化了50 h的2017年催化器作为参比对象进行的试验显示，在175℃时新催化器的 NO x转换效率从65%提高到了73%，600℃高温下的 NO x转换效率从96%提高到了99%。新催化器的热耐久性也比较好，即使在900 ℃下老化后，新催化器仍能在宽广的运转范围内保持较高的转换效率。Geisselmann等在实验室进行的试验显示，在175 ℃时新催化器对NO的转换效率差不多提高了1倍，从40%提高到了80%，同时高温下的转换效率也有所提高。由图8可见，上述两项研究显示。新催化器在250～550 ℃时，SCR对NO的转换效率几乎接近100%。氨逃逸催化器也在不断改进，250 ℃时的N 2O排放量小于20 mg/L，在该温度下氨几乎100%完全被氧化。
为了满足重型车低 NO x排放标准和非道路移动机械的排放法规，今后设计的后处理系统将会采用一体式的SCR/DPF结构。这就要求将SCR移到靠近发动机的位置，以实现较早的加热和尿素喷射。有人开发了几种高孔穴率过滤器，旨在提高SCR催化器的内壁涂载量和减少热质量，以更快地产生催化活性。George等用一体式DPF/SCR和尺寸减小的车身下SCR代替原先的DPF和车身下SCR后，使后处理系统的总容积减小了10%～15%。在1台美国EPA 2017年道路车辆发动机上，按非道路移动机械瞬态试验循环（NRTC）进行了试验，以评估该后处理系统的性能和探索第5阶段非道路移动机械的排放法规。一体式DPF/SCR系统能在90～140 s之前达到180 ℃（较低的尿素喷射温度界限），具体的升温情况取决于DPF的热质量（图9）。在250 ℃时这相当于能在冷态和热态NRTC试验循环下分别使 NO x排放降低约25%和约40%。一种孔穴尺寸分布窄小的过滤器在相当于碳烟承载量为3 g/L的压力降下，也能使 NO x排放量减少20%以上。
注：上图为900 ℃老化的耐久性能。下图为1 000 h的稳定性。上、下图均为（只有NO参与的）标准SCR反应。
图8 改进的铜-沸石SCR催化器使 NO x转换效率提高的情况
图9 用一体式DPF/SCR代替DPF和车身下SCR的后处理系统(能在90～140 s达到180 ℃的尿素喷射温度，具体升温情况取决于DPF的热质量)
Xu等利用简单注入法制备了铈-锰/二氧化钛（Ce-Mn/TiO2）催化器，并优化了Ce的含量，以获得优良的低温活性和耐硫能力。发现20%是Ce的最佳涂载量，能在140～260 ℃的温度范围内使标准SCR的转换效率大于90%。当排气中SO2存在100～200 mg/L时，转换效率有所下降，尤其是在温度较低时更为明显。Ce含量为20%的催化器在切断SO2的情况下其活性大部分能得以恢复，除非SO2浓度非常高。
新的铜-SCR催化器对“负荷跳变”的响应也比较好。“负荷跳变”的特征是负荷突然增加的瞬变过程，通常与气流速度高和发动机排出的NOx高、O2和NO2浓度高，以及温度低等情况有关联。Geisselmann等在实验室条件下对这种负荷跳变时的NOx排放情况进行了比较。结果发现，铜-SCR催化器与铁基和钒基催化器相比，呈现出了超优的性能。
铁-沸石也具有良好的NOx转换效率，尤其是在有足够NO2存在的情况下更是如此（快速SCR）。另外，N2O的排放量要比铜-SCR催化器的低。因此，铁-铜混合SCR催化系统可能是实现NOx排放最少化的较好解决方案。Pauly在配置DOC和上游催化型DPF的6.7 L发动机上对含25%的铁和含75%的铜的催化器进行了试验。在WHTC热态试验循环下，当SCR进口的气体中含有55% NO2时，N2O的排放量大致减少了一半，并且NOx的转换效率也稍有提高。
尿素SCR在较低温度（200 ℃以下）下的反应通常会受到低温尿素喷射问题的制约。之前介绍过的气态氨喷射系统就是一种可行的方案，能使尿素喷射温度向低延伸到100 ℃。Wilson和Hargrave提出了一种能在较低温度下制备氨的新系统，该系统采用了1个附加的反应器，能利用尾管的热量通过压力控制将尿素分解成气态氨和CO2，并能将冷凝水中的混合物溶解，使之形成氨基甲酸铵溶液。该溶液被储存在一个容器内，以备在低温尿素喷射受阻时使用。氨基甲酸铵溶液在较低温度下会分解出 NH 3。
3.4 NO x吸附器
为了解决冷起动时的 NO x排放问题，LNT和PNA正在与SCR催化器一起使用。LNT在浓气状态下还会生成氨，这有利于被动SCR系统的工作。下面介绍这些技术的最新进展。
Wylie等测定了VW公司1台1.6 L 2017年型Passat轿车的尾管排放量，该车配置的排气后处理系统由DOC、过滤器上的SCR、SCR和ASC组成。按WHTC试验时，NOx排放量为60 mg/km，而总排放量和城区RDE试验的排放量低于40 mg/km，已轻松地达到了现行的欧6排放限值。有人认为，为了满足未来排放法规的要求，LNT将会越来越多地取代DOC。在欧洲Artemis试验循环下，采用配置NOx逃逸催化器（NSC）、过滤器上的SCR和SCR的后处理系统时，NOx的转换效率达到了96%，而当采用电加热NSC时，NOx的转换效率进一步提高到了99%。
Jung等改进了商品LNT的催化剂配方，以生成更多的 NH 3供下游SCR使用。为了使低温NOx储存与转换效率，以及 NH 3生成量与硫耐受能力之间实现良好的平衡，有人对OSC（储氧催化剂）、钡含量、贵金属涂载量和铂/铑比进行了优化。为了提高低温反应活性，钡的总含量比商品LNT的含量有所减少，而OSC的含量则有所增加。有人开发了一种双涂层结构，其中与气体接触的顶层涂覆较多的OSC。另外，还增加了铑的含量，并沿基板长度方向设置涂层区。在1台4缸1.6 L柴油机上对这种催化器进行了试验。发现将铑涂层设在后面区域时，能获得最佳的NOx转换效率和 NH 3生成量。在WLTC工况下，单独使用LNT时NOx的综合转换效率为约80%。在WLTC试验循环下，附加的下游被动SCR仅使NOx的转换效率提高了6%，而在RTS95试验循环下，NOx的转换效率则提高了18%。在RTS 95试验循环中，LNT的反应活性比较低， NH 3生成量较高，二者相结合增加了SCR在该试验中的重要性。
4 DOC
Toops等报道了在提高DOC低温活性方面取得的进展。在评估贵金属-基催化器时发现，只含铂配方的催化器老化后的T90温度（转换效率达到90%时的温度）要比铂-钯双金属催化器的低。另外，添加10%～30% Si O 2能使表面积增加和点火温度降低。双床结构的Pd/ZSM-5催化器后紧接1个Pt/PdSi O 2-Zr O 2核-壳催化器，能产生特别好的反应活性。分别测定了催化器在新鲜状态下，在800 ℃老化50 h后及在300 ℃下用5 mg/L S O 2进行5 h硫酸化处理后的点火温度。在老化后和硫酸化处理后，CO和HC的T90提高了40 ℃。最终，CO的T90为177 ℃，HC的T90为218 ℃。
研究人员开发了一种同时具备ASC和DOC功能的新型混合催化器，包含了多个涂层，内层为氧化NO用的贵金属涂层，与排气接触的是SCR 涂层。这种催化器面临的挑战是要在有氨存在的情况下保持较高的NO2浓度。在实验室进行的试验显示，这种催化器与传统ASC相比，能在300 ℃多生成25%～30%的NO2，对氨的抑制作用极小，并且不会影响N2O的选择性。Geisselmann等的试验也指出，在氨/NOx比为0.6、NO2/NOx比为40%时，以及在氨/NOx比为1.0、NO2/NOx比为25%时，氨的抑制作用就会显现。
DOC正面堵塞会导致背压增加，Nakano等对这些堵塞沉积物的来源进行了研究。他们将沉积物中的化合物与柴油机排气中的化合物作了比较。结论是，沉积物一部分来自发动机排气，一部分来自催化器正面入口处的不完全氧化物。他们将一个商品Pt/Pd DOC的贵金属涂载量增加10倍进行了试验，结果发现催化器出现了明显的堵塞和压力降增加，因此他们指出，需要通过优化贵金属的涂载量来解决这一问题。
5 DPF
DPF和DOC已经有近20年的使用历史，已是相当成熟的技术，然而，进一步提高其性能对于实现减排目标仍然是很有价值的。
Sskota等报道了为增强再生能力而改进的银-基氧化催化器。通过优化催化剂的表面覆盖度以及银颗粒尺寸与银表面积的比率改善了碳烟与催化剂的接触，因而实现了快速再生。为了在水热老化期间阻止银颗粒烧结，添加了钕（Nd），能使颗粒物的氧化速率提高约10%。为了防止催化器和过滤器在再生时产生高温，提出了一种在过滤器后端20%部分不设置涂层的新涂覆方式。在600 ℃和碳烟承载量为10 g/L的情况下进行降速至怠速的试验时，最高温度从1 000 ℃下降到了900 ℃，而且没有影响到颗粒物的燃烧速率。在车辆上试验时显示，这种新催化器和涂覆技术使再生时间减少了32%。
Petersson等强调指出，为了满足欧6 实际使用试验的排放一致性要求，需要改善过滤器的孔穴结构，以增强过滤能力。在1台配置排气后处理系统的欧6d发动机上进行了实际行驶条件下的排放试验。在过滤器已承载碳烟的情况下，车辆在公路上行驶时颗粒数排放量有所增加。该问题已通过采用较小孔穴的过滤器得到了解决。
在美国将轻型车颗粒物排放标准收紧到3 mg/mile的情况下，及时诊断过滤效率或过滤器（DPF和GPF）的完好度显得十分重要。Sappok等称，采用射频传感技术能够解决这一需求。通过拆除过滤器上的端塞进行了采用射频技术的监测试验，使碳烟以OBD限值5.25 mg/mile）的50%～200%的数量级向外逃逸。发现射频信号的变化能十分灵敏地反映过滤效率和碳烟累积的微小变化。该技术与神经网络相结合，还能监测已承载碳烟的SCR过滤器中氨的储存量。另外，有人正在研究用该技术来观测催化器老化过程中介电特性的变化，以检测催化器的老化状态。
6 汽油机排放控制
6.1 汽油机颗粒排放物研究
健康影响研究所（HEI）发表了一份关于空气污染对全球人类健康影响的报告。该报告指出，全世界95%人口居住的地区，其环境中的颗粒物浓度都超过了世界卫生组织确定的PM 2.5小于10 µg/m³的指导线。从全球来看，PM 2.5颗粒物导致了约410万人死亡。近年来，汽油直喷车辆的市场份额不断增加，因此，人们担忧汽油车的颗粒物排放量会高于配装DPF的柴油车的颗粒物排放量。
研究表明，燃油中的芳烃含量增加与颗粒物排放量增加之间存在确定的因果关系。Yang等按LA92试验循环测定了5台获得Tier3排放标准认证的2016—2017年型汽油直喷车辆的尾管排放量。结果显示，当燃油中的芳烃含量从20%增加到29%时，颗粒物质量排放量和碳烟排放量大约增加了1倍。
为了解决颗粒物排放问题，研究人员正通过改进喷油器来改善空气-燃油的混合。提高喷油压力和改进喷油器喷孔的几何形状能减小油滴直径、油束贯穿距，以及减少气缸和活塞的燃油湿壁。对1台6缸3.0 L发动机按WLTC试验循环进行的试验显示，与原先的20 MPa喷油器相比，采用35 MPa喷油器时颗粒数排放量减少了30%。研究人员目前正在探索用50 MPa以上的喷油压力来进一步降低颗粒物的排放。
采用气道喷油与汽油直喷相结合的模式，以及采用GPF是降低颗粒物排放的另一种途径。Kwak等介绍了在1台3.5 L V6涡轮增压汽油直喷发动机上采用这种双喷油系统的试验研究情况。在低转速/低负荷区域和节气门全开的运转区域采用汽油直喷，在怠速和部分负荷运转时采用气道喷油，在中等负荷区域采用汽油直喷与气道喷油相结合的模式。在FTP试验循环下运行时，当冷却液温度达到50 ℃和80 ℃时开始启用气道喷油，结果使颗粒物排放量分别减少了67%和47%。
稀燃发动机能提高燃油经济性，但也需要控制它的颗粒物排放。在一次研究中发现，当将1台2.0 L自然吸气发动机从理论空燃比汽油直喷的燃烧模式转换成稀气分层燃烧模式时，颗粒物排放有所增加。在稀气均相燃烧的情况下，颗粒物排放有所下降，但23 nm以下的颗粒物浓度较高。
根据研究结果，混合动力车中发动机排出的颗粒物要比纯内燃机车辆排放的颗粒物来得高。Niizato等探讨了混合动力车特有的因发动机频繁低温起动产生的颗粒物排放问题。Yang等按RDE试验规程测定了国六汽油直喷混合动力车和气道喷油混合动力车的颗粒物排放。这两台车都没有达到欧6d规定的颗粒数排放限值（一致性系数要求CF=1.5）。在城区行驶时颗粒数排放量特别高，这与发动机频繁的瞬态运行有关。气道喷油混合动力车在城区行驶时的颗粒物排放量占了总排放量的82%。在发动机重新起动的间隔期内，排气温度下降了20～70 ℃，这就会导致因催化器冷却而引起的较高的颗粒物和气态污染物排放。
Scharf等指出，先进的发动机标定策略和排气后处理系统有助于减轻插电式混合动力车和轻度混合动力车颗粒物和气态污染物排放偏高的态势。这些标定策略包括：（1）针对高功率冷起动的情况优化瞬态喷油正时；（2）在延长的减速运转阶段后限制发动机的扭矩，并依靠电动机来补充扭矩；(3)通过调整喷油参数来故意生成碳烟或通过减少再生来形成碳烟层，籍此来提高GPF 的过滤效率。
6.2 GPF
为了满足排放法规对车辆尾管颗粒数排放的要求，欧洲和中国已开始在汽油机排气后处理系统中增加GPF。下面介绍GPF技术的最新进展。
在欧盟和中国进行的道路试验表明，GPF能在整个使用寿命期内保持可靠的性能。研究人员用两台配装无活性涂层紧耦合GPF 的1.2 L汽油直喷C级车辆在欧洲进行了道路试验，用一台配装车身下有活性涂层GPF的2.0 L涡轮增压汽油直喷SUV车辆在中国进行了道路试验。在车辆达到中间累计里程时，按WLTC测定了这两种车辆的颗粒数排放量。这两项试验的结果显示，累积的灰分能够提高GPF的过滤效率，因此，在24万km的总行驶里程内，颗粒物排放量呈持续下降的态势，最终，颗粒数排放量低于法规要求的限值。
Liu等测定了无涂层和有活性涂层过滤器在两种碳烟承载情况下的过滤效率和背压的变化。过滤效率会随着空间速度增加而降低。例如，以50 nm的颗粒物为例，当空间速度从12 000 h-1增加到120 000 h-1时，无涂层过滤器的过滤效率从90%下降到了40%，有涂层过滤器的过滤效率也随着涂层涂载量的增加而降低，这是由于孔穴率减小进而导致过滤面积减小的缘故。然而，在有少量碳烟（10～20 mg/L）存在的情况下，有涂层过滤器的过滤效率要比无涂层过滤器的过滤效率来得高。当有灰膜存在时，过滤效率会进一步提高。估计行驶3 000 km后的积灰量所起的过滤作用约能占到过滤效率的30%～70%，具体情况取决于涂层的涂载量和颗粒的尺寸。当有灰分存在时，碳烟堆积引起的压力降比较小，因为灰膜阻止了深层过滤。
24台车辆/过滤器的测量结果显示，平均积灰量为18 mg/km，在16万～24万km的车辆使用期内，估计GPF的总积灰量为30～70 g。对17只经受不同行驶里程使用后的GPF进行了CT扫描。结果显示，灰分主要沿过滤器通道分布。即使GPF经受16万km行驶里程的使用，灰分的堵塞长度也只有4～10 mm，而且在内壁没有发现任何灰分，这表明灰分的逃逸极少。
Jang等用1个催化型GPF代替1台1.6 L汽油直喷车辆上的紧耦合或车身下的TWC，按照FTP-75、US 06和WLTP试验循环进行了排放试验。结果显示，在所有试验循环下，车身下GPF的过滤效率（77%～86%）要比紧耦合GPF的过滤效率（20%～34%）高得多。紧耦合GPF中的气流不均匀还可能会阻止均匀碳烟层的形成，而均匀碳烟层有利于过滤效率的提升。但是，23 nm以下的颗粒物排放量仍然很高，尤其是在高车速行驶时更是如此。在US 06试验循环中和WLTC试验循环的高车速部分，85%以上的颗粒排放物为小于23 nm的颗粒物。这可能是由于这些行驶工况下产生的高温（600 ℃以上）导致碳烟再生和碳烟膜瓦解的缘故。在欧洲，人们正在讨论是否要将法规限制的颗粒物尺寸降至10 nm的问题，显然，为了对这些超细颗粒物的排放和控制有更好的了解，还需要做更多的工作。
孔穴的设计和活性涂层的位置选择将能在权衡高转换效率与低压力降之间的关系中起到决定性作用。Koei等利用有涂层过滤器壁的X射线断层扫描图像，计算了壁内和壁面的涂载量分布情况。对气流分布和CO氧化的模拟分析显示，壁内的涂载量对于低压力降是理想的，因为开放的孔穴能使过滤器壁具有很高的渗透性。然而，这还与未反应的CO逃逸有关，因此，预料壁内涂层的反应活性不如壁面涂层的好。
根据层析成像数据和过滤模型进行微观结构数字重建正在成为一种有效的分析工具，它能深入观察过滤器的孔穴形态及其对过滤效率的影响。Gong等利用这一技术进行的研究显示，一种壁内呈异质孔穴结构且通道壁面附近具有较高孔穴率的过滤器，能够通过限制颗粒在壁内的贯穿来达到较高的过滤效率和较低的压力降（与过滤器壁呈均质孔穴的情况相比）。
在环境氧浓度较高时切断燃油对于GPF被动再生是一种可行的运作方式。Boger等对可能会导致再生过程中产生高温而需要保护过滤器的状况进行了评估。在一系列碳烟承载量（0～5 g/L）和初始温度（610～675 ℃）下，对一种有三效催化剂涂层的高孔穴率GPF进行了切断燃油的试验。结果发现，GPF的碳烟承载量每增加1 g/L，其最高温度就会提高60～100 ℃。利用模拟的方法在更宽广的碳烟承载量和初始温度范围内进行了分析，并观察了气流速度产生的影响。结果如图10所示，过滤器的最高温度出现了两种不同的变化态势。
图10 GPF的预测最高温度随炭烟承载量和切断燃油前初始温度的变化（圆点符号为过滤器模型的预测值，线条为简化代数方程式得出的结果）
在较低的初始温度（700 ℃以下）条件下，过滤器的最高温度受到碳烟氧化速率的制约，且过滤器的最高温度随初始温度增加呈非线性状态增加。在较高的进口温度下，过滤器的最高温度随进口温度增加呈线性状态增加，并会受碳烟量的制约。一种简化的模型可以用来揭示这种现象，并且还能用来识别可以使用或避免使用切断燃油的工作条件。
各种实现主动再生的途径也在研究之中。Achleitner等对两种技术途径进行了研究。采用推迟点火和二次空气喷射使GPF的温度提高到了600 ℃以上，并观测了其对CO和 NO x排放的影响。二次空气喷射与推迟喷油相比，在城市行驶条件下前者引起的 CO 2增加量要低很多，仅为3.4%，而后者引起的 CO 2增加量则为33%。
对于混合动力车的碳烟管理，可能需要给予专门的考虑。Rose等在道路上对1台涡轮增压内燃机车辆和1台插电式混合动力车的排气状况进行了比较试验，这两台车辆都搭载1.5 L汽油直喷发动机和改装的车身下安装的有涂层GPF。与汽油直喷增压发动机车辆相比，插电式混合动力车由于减速时能量回收会使排气中的氧含量明显降低。另外，当发动机停机时排气会冷却下来，因而混合动力车GPF位置的温度比较低。当发动机起动后负荷从零提高到60%时，GPF的温度可能与颗粒数的排放峰值有关联。在车辆以70 km/h的平均车速行驶了3 500 km后，在以上两种情况的综合影响下，GPF中累计产生了3.5 g碳烟。这表明，配装GPF的插电式混合动力车可能需要采取主动碳烟管理的措施。相反，涡轮增压汽油直喷车辆上的过滤器则可以在切断燃油过程中进行碳烟被动再生。
最新研究证实，气道喷油发动机也会产生很高的颗粒物排放量。这一验证结果对于中国尤为重要，因为中国不是只要求汽油直喷发动机达到颗粒数排放限值，而是要求所有的发动机都必须实现颗粒数排放达标。Czerwinski等测定了4台气道喷油发动机车辆的尾管颗粒数排放量。这4台车辆中，1台配装4缸1.2 L发动机，1台配装4缸1.4 L发动机，1台配装2缸0.9 L涡轮增压发动机，还有1台为搭载4缸1.2 L发动机的混合动力车。在稳态试验情况下，当最高车速为90 km/h时，0.9 L发动机的颗粒数排放量要比其他发动机的高出2个数量级，而1.2 L发动机的车辆在怠速时的颗粒物排放水平最差。在WLTC试验循环中，除了混合动力车外，所有车辆的颗粒物排放量都超过了6×1011 /km。在加装了无涂层和有涂层的GPF后，车辆尾管的颗粒物排放量都能降低到限值以下。Martini的试验显示，气道喷油发动机车辆排出的颗粒物中72%为小于23 nm的颗粒，相比之下，汽油直喷发动机车辆排放的小于23 nm的颗粒物仅为20%。另外，当环境温度从23℃降至-7 ℃时，气道喷油发动机车辆的颗粒物排放量增加了1.8～6.2倍，在不加装GPF的情况下，这样高的排放量肯定会超过6× 10 11/km的颗粒数排放限值。
有明确的证据表明，多环芳香烃碳氢化合物（PAH）与汽油机的碳烟有关联。在对7台汽油直喷发动机车辆和1台配装DPF的柴油车进行的试验发现，汽油直喷车队排放的有遗传毒性的PAH要比柴油车的高出6～40倍。预计加装GPF能使碳烟吸附的PAH有所减少，而采用催化型过滤器则能进一步使蒸汽状PAH减少。这种情况已由Yang等试验得到了证实，从2台2016年型汽油直喷车辆排出的排气中检测到了若干种致癌的气态、颗粒状和硝酸化的PAH。用催化型GPF替代车身下安装的TWC后，这些组分的排放量明显减少。如图11所示，颗粒状PAH减少了97%～99%，气态PAH减少了54%～61%，硝酸化PAH减少了56%～92%。
图11 催化型GPF替代车身下安装的TWC(PAH总量减少了97%以上)
6.3 三效催化器
鉴于排放法规的收紧和混合动力车要获得更高标准的认证，估计至少在未来10年内对催化器的需求仍将保持稳定的态势。Mital等预测，在2030年之前贵金属的使用会保持稳定或稍有减少。随着汽油机的燃油效率不断提高，排气温度越来越低，因此，需要改善催化剂的低温活性。考虑到小型化汽油直喷发动机的崛起，以及它呈现的像气道喷油发动机那样的高负荷排气状态，催化器的高温耐久性还需要进一步提高。
减少冷起动排放是最大的挑战，而单独依靠增加贵金属涂载量来解决这一问题是不可行的。Kim等在4台SULEV 30超低排放车上对贵金属涂载量为2.9～6.9 g/L的催化器进行了比较试验。结果显示，在贵金属涂载量最大时，催化器的 NO x点火温度仅从229 ℃降低到了211 ℃。他们还探讨了各种可能的改进途径，包括采用氧化铈基的TWC来储存 NO x，使之在随后的高温下释放和转换，采用HC收集器，以及采用新的TWC设计来解决切断燃油后催化器被氧饱和而引起的 NO x逃逸问题。
Zhang等指出，增加贵金属涂载量有助于达到未来的国六排放标准，但收效会递减。在1台1.5 L汽油直喷发动机上用紧耦合TWC和车身下TWC进行的试验表明，在催化器老化后，基底材料前端的贵金属涂载量必须从20 g/ft3增加到40 g/ft3 才能使总HC排放量降低到目标限值以下。 但是，再进一步增加贵金属涂载量并没有多大好处。 CO和 NO x 的排放量则能轻松地降低到它们各自的限值以下。 为了控制颗粒物的排放，用1只具有涂层的催化型GPF代替了车身下安装的TWC（二者的贵金属含量相同），结果使尾管的颗粒数排放量降低到4×10 10 /km，比法规限值低了1个数量级。 研究结果强调指出，大部分排放物是在冷起动过程中出现的，这正是要提高催化器总体转换效率必须进一步研究的问题。
为了降低TWC的点火温度，人们正在研究新的催化剂配方。Theis等开发了一种新的催化剂配方，它能在催化器老化后使所有组分（CO、HC和 NO x）的T90(达到90%转换效率时的温度)下降至300 ℃以下。有人采用单层锆和钛对一种二氧化硅-氧化铝（矾土）载体进行了改性，这种改性的载体即使在最高温度达960 ℃、含水10%的空气中老化50 h，仍然具有很好的反应活性。这是对以前研究成果的改进。以前的研究认为，纯锆和纯钛活性涂层的热耐久性较差。优化研究显示，与商品TWC相比，采用0.5%铑-8%钛和0.6%铑-15%锆配方的TWC，其性能得到了很大的改善(T90降低)，如图12所示。发现钛和锆在这样的浓度下，能够实现单层覆盖的。0.5%～0.6%的铑含量也是最佳的。据推测，铑浓度较低时活性区较小，而铑浓度较高时则会导致烧结增加。这两种催化器在氧化所有组分时（除了C3H8之外）呈现出良好的耐硫酸能力。在含锆的催化器中，即使在高温脱硫后，对 C 3 H 8的转换效能也不会得以恢复，而在含钛的催化器中，其转换性能则可以得到恢复。
通过采用新的催化剂配方，氧的储存量也在不断提高。Chinzei等开发了一种烧绿石二氧化铈-氧化锆储氧催化剂（OSC）材料，它的比表面积比传统的OSC材料的比表面积小。较小的比表面积有助于降低铑的影响和氧化，并有助于提高 NO x的转换效率。采用一种新的催化器孔穴形成技术后，提高了孔穴的连通性，降低了孔穴的扩散阻力。在US06试验循环的硬加速工况运行时，该催化器的 NO x转换效率有所提高，同时，使用的贵金属含量减少了33%。
三效催化器的化学反应是十分复杂的过程，因而人们广泛采用建模的方式来预测其排放。随着研究的不断推进，人们会继续增进对TWC化学机理的深入了解。
注：用老化的催化器在空间速度SV=30 k/h时进行了反应器试验。采用0.5%铑-8%钛涂层的催化器其所有组分的T90都低于300 ℃，并且还具有较好的脱硫性能（图中未显示）。
图12 商品TWC和新配方TWC中CO、NO和HC达到50%和90%转换效率时的温度（T50和T90）
6.4 HC捕集器
HC捕集器是减少冷起动排放的一种解决方案。Lupescu等对4种不同的HC捕集器配方进行了反应器试验和车辆运行试验。用1台搭载2.0 L自然吸气汽油直喷发动机的2012年型FordFocus车按FTP试验循环进行了试验。HC捕集器安装在车身下方位置，采用了捕集性能较好的大孔穴沸石。这4种催化器的钯、OSC和其他活性金属的含量各不相同。OSC含量与贵金属涂载量无关，而OSC能抵消贵金属涂载量减少时产生的任何影响。芳烃和烯烃是冷起动过程中生成量最多的组分，这4种HC捕集器的性能差异较大与其对储存的甲苯和芳烃的转换效率有关，这种转换通常需要有较高的氧化温度。尽管所有HC捕集器的排放都是针对冷起动时要求的HC和 NO x转换效率来改进的，但面临的挑战是要控制发动机升温后储存组分的释放状态。但 NO x排放是个问题，在整个FTP试验循环中，所有HC捕集器（优化的HC捕集器除外）的 NO x排放量都有所增加。利用实验室反应器对甲苯转换效率提高的详细机理进行了研究。观察结果显示，沸石中存在钯能产生更强的化学吸附机制，有助于在TWC活性较强时在较高的温度下释放甲苯。钯能经受得住高温烧结，添加了一种贱金属稳定剂后，即使在严酷的老化后仍能使捕集器保持稳定的性能。采用优化的催化剂时，在FTP试验循环下HC排放降低了50%，并且对 NO x排放没有影响。
根据Endo等人的研究，HC捕集器可以安装在TWC后面的紧耦合位置使用，以便采用更高的沸石涂载量和独立控制解吸附过程中各组分的氧化过程。但是，由于铝会从沸石架构中离解出来，因而捕集器的性能会明显变差。为此，他们用磷酸锆对沸石进行了改性处理，结果显示，在950 ℃下经发动机老化50 h后，捕集器仍能保持稳定的吸附和氧化性能。
Rao等人对1台2 L涡轮增压汽油直喷车辆在冷起动期间排放的HC组分进行了研究。在FTP试验循环的第1个100 s时间内，60%以上的HC为芳烃与C5组成的化合物，而且甲烷排放也很高。目前研发的捕集器还不能解决这些问题。传统的沸石在温度接近215 ℃时就会使甲苯解吸附，而在该温度下TWC不能发挥充分的活性。为此，研究了几种新的沸石配方，其中有一种配方的效果较好，其解吸附温度提高到了350 ℃。
Moser等人对1台部分零排放车（PZEV）混合动力车的排放性能进行了试验研究。该车辆配装的排气后处理系统由TWC、HC捕集器和被动SCR组成，其中的SCR能依靠TWC产生的氨来工作。为了验证后处理装置的耐久性，进行了10 000 mile和150 000 mile的车辆行驶试验。即使在经历了150 000 mile的行驶试验后，后处理系统仍能达到SULEV 30规定的排放限值，尾管的NMHC和 NO x总排放量分别为5.5 mg/mile和22 mg/mile。在进行10 000 mile和150 000 mile的试验过程中，HC捕集器呈现出了可靠的性能，可以使HC和 NO x的排放量分别降低了约5 mg/mile和约17～20 mg/mile。在150 000 mile的试验中，SCR使 NO x排放量降低了约5 mg/mile，由于上游HC捕集器的吸附作用会导致可用的氨减少，因而SCR的性能受到了制约。
6.5 甲烷氧化催化器
通过以上介绍的研究表明，甲烷的转换仍然是现代排气后处理系统的主要挑战之一。研究显示，对于理论空燃比天然气发动机，在稍浓于化学计量值的平均空燃比附近实施稀/浓混合气交替运行时，能达到较高的甲烷转换效率。Ferri等对一种含氧化铝（矾土）、铈和氧化锆的商品钯-TWC的甲烷转换效率进行了研究。在稳态理论空燃比运转工况下，即使在600 ℃温度下，也没能实现甲烷完全转换。试验发现，以稍浓的混合气（例如l=0.992）为中心实施稀-浓混合气交替运行时，能使甲烷的转换效率明显提高，而 NO x的转换效率则要比CH4的转换效率低。稀-浓混合气交替的幅值要比交替的频率更为重要。
Xi等的研究显示，TWC中有储氧组分存在时，能扩大稀-浓混合气交替运行带来的好处。在实验室按照模拟的理论空燃比天然气发动机的排气状态，测定了一种TWC和一种钯基氧化催化器600 ℃时的 CH 4和 NO x的转换效率。在5 Hz的稀-浓混合气交替频率下，在浓混合气区运行时这两种催化器的转换效率均为100%。当以0.2 Hz的较低频率进行稀-浓混合气交替运行时，TWC的转换效率比氧化催化器的转换效率高。TWC中的储氧组分有助于使浓混合气运行时的高转换效率延伸到稀混合气运行区后保持几秒钟。
Keenan等介绍了利用臭氧来增强甲烷低温氧化功能的新方法。用实验室气体和Fe-BEA商品SCR催化器进行了试验。在实验室条件下，在220 ℃时最高转换效率达到了60%。生成物包括 CO 2和CO。当温度在120 ℃以下时，转换效率为零，当温度在300 ℃以上时，转换效率降至20%。该方法的成功应用将需要在车辆上储备或制备臭氧，但是，这些初步结果表明，该项技术是颇具前景的。
6.6 稀燃汽油机 NO x控制
如前“汽油机技术”一节所述，1台3.5 L发动机采用气道喷油与米勒循环相结合的稀燃运行模式，能使燃油耗降低18%。但该发动机的排气温度较低（300℃以下），这对于 NO x转换是一个挑战。在部分负荷稀燃运行时采用激进的EGR能限制发动机本身的 NO x排放。该发动机采用的排气后处理系统由以下装置组成：（1）TWC与 NO x储存催化器的紧耦合组合；（2）汽油机氧化催化器，（3）处理颗粒物的GPF；（4）带尿素喷射系统的下游SCR。该后处理系统依靠被动SCR与主动SCR的相互结合来处理排气，在浓混合气状态下运行时，用TWC产生的NH3供被动SCR使用，在下游SCR前喷射的尿素用于主动 NO x控制。
Clasen等使1台配装先进涡轮增压器的2.0 L发动机在l=2.0的空燃比下实现了正常运行。视负荷情况而定，该发动机自身的 NO x有效比排放量在1～8 g/（kW•h）之间变化。在整个运转工况范围内，TWC进口的排气温度均高于250 ℃。在低负荷时，TWC出口的温度则随着空燃比变化而增加，这是由于HC排放增加和TWC放热反应的缘故。
Toops介绍了一种改善稀燃汽油机氨生成和储存能力的策略。当在试验循环的第1个200 s时间内使SCR预先充入 NH 3时，排放会有所改善。在温度太高而无法储存 NH 3时，发动机就以l=0.97和l=0.99的空燃比（而不是理论空燃比）运行。最后，当 NO x逃逸量超过10 mg/L时，发动机以浓混合气模式代替稀气均相燃烧模式运行。在6工况稳态试验循环下，该策略有效地使发动机的稀气运转比率从91%降至62%，尽管使燃油耗的收益从10%降到了6%，但是发动机还是能符合Tier3 Bin30标准的要求。CO排放量仍然是允许限值的1倍。Toops等还用一种改进的催化器研究了氨生成的详细机理，这种催化器由TWC和更耐硫酸的 NO x储存催化器组合而成。用反应器进行的研究显示， NH 3的生成不仅要依靠H 2，而且还要通过CO、HC与 NO x的反应来完成。
Takeori等人提出用一种“三件式”后处理系统来处理稀燃汽油机的 NO x和HC排放。对各种传统商品催化器的不同组合进行了试验。结果发现，尽管LNT的 NO x转换效果很好，但HC排放仍然是个问题。对排气成分的分析表明，稀燃过程中产生的石蜡特别多，传统TWC很难将其转换，尤其是低浓度石蜡更难转换。要抑制这种情况则与氧被吸附有关，因此通过增加涂层的酸性来减少氧被吸附，并使氧可用于反应。研究人员开发了一种包含两个涂层的新催化器：上涂层用于HC氧化，下涂层用于吸附和还原 NO x。如图13所示，该催化器添加在紧耦合位置和车身下位置，能有效地转换石蜡。在紧耦合位置还使用了一个传统TWC，用来应对理论空燃比运行时的冷起动排放问题。在车辆上进行的初步试验显示，在某个限定的瞬态行驶工况下，该催化器的转换效率非常高。
注：一种简称为GOT的新催化器(汽油机氧化和 NO x捕集催化器）能有效地转换石蜡，同时还能减少 NO x排放。
图13稀燃汽油机用的排气后处理系统
7 结语
7.1 排放法规
世界各主要国家正以更快的步伐和更严的要求实施汽车燃油经济性标准和温室气体排放标准。欧洲第1套重型车排放标准和收紧的轻型车排放标准已接近最终定稿。一旦最终定稿，新的重型车排放标准将要求大型卡车到2025年应实现 CO 2排放量比2019年的水平减少15%，到2030年减少30%。新的轻型车排放标准将要求到2030年车辆尾管的 CO 2排放量比2020年的水平减少37%以上。
对于污染物的排放，加利福尼亚州正在对重型车排放法规作出重大更改，以更好地解决低负荷和实际行驶中的 NO x排放问题。提议的低 NO x排放法规草案要求车辆尾管的 NO x排放量比现行的标准降低高达90%。一种低负荷专用卡车的试验循环正在开发之中，今后新车将要求按这种新增的试验循环进行排放达标认证。正在讨论的其他法规措施还包括修改OBD、保用期和实际使用的试验规范。美国环境保护署还通过“清洁卡车倡议”公布了要降低重型卡车 NO x排放的意图，有迹象表明，美国将有可能在全国实行统一的排放法规。
在轻型车领域，欧洲的RDE法规已经最终定稿，现在欧洲正在把注意力转向欧7排放法规。相关部门正在提出各种领先的立法思路，包括制订燃油标准，降低一致性系数，将23 nm以下的颗粒物纳入考核标准，在0 ℃以下的环境温度下的试验规范，制订诸如氨、N 2O和甲醛等组分的排放标准。
其他国家大多参照美国和欧洲的排放法规框架，再根据各自的国情作相应的修改后制订出本国的排放法规。中国公布了“蓝天保卫战”行动计划，以及一整套旨在加快采用清洁空气技术的举措。中国政府鼓励某些城市，甚至比国家的时间表提前实施排放法规，并要求更换掉老旧的车辆。印度正在制订符合本国车速低和环境温度高等实际情况的本土版RDE试验循环。巴西已发布了新一轮轻型车和重型车排放标准，并将于2020年开始正式实施。这些标准类似于欧6排放标准，但轻型车的允许排放限值将从2025年到2030年进一步收紧。
7.2 发动机技术
研究表明，车辆采用先进内燃机与不同程度的电气化相结合是有可能达到未来燃油经济性标准的。OEM采取的技术对策显示，存在能使内燃机效率提高20%～30%的技术。这些技术途径包括诸如可变压缩比、停缸运行、轻度混合动力、以及采用阿特金森或米勒循环在内的现已商业化应用的技术。先进的技术则包括低温和稀气燃烧，以及火花辅助压燃。另外，正在探索的技术有：采用喷水来消除燃油加浓以改善燃油经济性和排放。柴油机继续保持燃油耗比汽油机低15%～20%的优势，首份RDE工况公共数据显示，可以将 NO x排放量控制到远低于法规限值的水平。
主要OEM通过超级卡车Ⅱ计划继续使重型车发动机的燃油效率不断提高。其共同课题是改进燃烧和进排气管理、隔热和保温、轻度混合动力、优化排气后处理系统，以及废然回收利用。改善车辆的空气动力学水平，以及减轻质量和减少滚动阻力也是正在研究的课题。
7.3 稀 NO x控制
为了达到加利福尼亚州提出的重型车低NOx排放标准，人们正在对各种排气后处理系统进行试验评估。所有后处理系统的共同目标是通过采用SCR催化器来降低冷起动和低负荷时的排放。这些后处理系统包括采用紧耦合SCR、双SCR、气态和加热氨喷射，以及SCR与过滤器的一体化。其他策略包括加快排气升温的热管理措施和采用被动NOx吸附器。这些技术措施可以通过不同的组合来工作，主要的区别是所需的燃油补偿量有所不同，而为了达到第2阶段温室气体排放要求，必须使这种燃油补偿降到最少。
RDE试验的数据表明，新的轻型车柴油机在实际使用中具有很好的排放性能。人们正在提出各种应对欧6后排放法规的解决方案，包括发动机改进与采用先进排气后处理系统相结合的技术途径。SCR催化器的低温反应活性正在不断改善，并且在900℃老化后仍能保持可靠的性能。
未来的挑战是要在CO2排放最少或最佳的情况下，以及在满足后处理系统耐久性要求的情况下，以较好的成本效益来达到超严的排放要求。
7.4 汽油机排放控制
研究人员在改善三效催化器点火性能方面取得了一些进展。提出了几种新的催化剂配方，能使老化后的催化器在300 ℃下使CO、HC和NOx的转换效率达到90%。这一改进对于应对收紧的排放标准十分重要，尤其是在排气温度随着发动机效率提高而下降的情况下更是如此。
汽油机排放控制的焦点是要加快采用先进的发动机技术和GPF，以应对欧洲和中国的颗粒数排放标准。研究表明，进气道喷油汽油车的颗粒物排放量也会超过法规限值，尤其是在下一轮法规要求的条件下更会超过排放限值，如较低的环境温度和计入23 nm以下的颗粒物的情况下。而混合动力车和插电式混合动力车因发动机要反复起动，颗粒物的排放量也会很高。GPF正在展现其可靠性能，有迹象表明，在各种排放法规的驱动下，对GPF过滤效率的要求将会不断提高。研究人员正在对各种过滤器的再生策略进行评估。研究表明，采用切断燃油的被动再生措施能够在大部分行驶条件下实施。采用催化型GPF时的有害气体排放性能与采用TWC时的排放性能相当或更好。某些研究指出，借助于恰当的设计，采用GPF不会导致燃油耗增加。
【整理】朱炳全
【校对】鲍旭腾
【编辑】虞展 
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