汽车发动机燃油效率和排放相关法规和技术进展综述

全球变暖和城市中心不断恶化的空气质量正促使全球各地迅速采取强有力的监管行动。2018年,欧洲提出了针对重型车辆的第一个CO2标准,并最终完成了对轻型车辆CO2排放上限的修订。美国加州正在制订一系列的改革方案,以确保重型车辆行业的氮氧化物排放量更低。中国宣布了蓝天政策,通过一系列措施来确保当地空气质量得到快速改善。印度正在研究适用于实际驾驶条件的排放标准,而欧洲已经开始讨论欧6标准以外的下一个级别的法规。OEM(原始设备制造商)正在测试研究通过改进发动机和后处理方法来减少CO2和NOx排放的方法,以达到这些严格的标准。

本文总结了过去一年中的关键监管措施和技术方面取得的重要进步。为了使内容实用、丰富,仅限于总结主要的和有代表性的研究。主要内容首先是与轻型和重型车辆领域相关的法规,然后是改善燃油效率的发动机技术进步,最后是用于气体和颗粒物排放的后处理系统和相关组件的发展。

相关法规

在世界主要市场正以越来越快的速度和强度推行燃油经济性和温室气体排放标准。欧洲几乎完成第一套重型车辆标准,并最终确定了轻型车辆的收紧标准。如果最终确定,新的重型车辆标准要求到2025年大卡车在2019年的水平上减少15%的CO2,到2030年减少30%。新的轻型车辆措施要求到2030年尾气的CO2排放减少37%,超过2020年的水平。

关于标准污染物,美国加利福尼亚州正在对重载法规进行全面的改革,以更好地解决低负荷NOx排放和改进正在使用中的NOx排放标准。拟议的低氮氧化物管制目标是在现有标准的基础上将尾气排放减少90%。修订OBD(on-board diagnostics)、保修和使用测试等其他措施也在讨论中。美国EPA还宣布了通过清洁卡车倡议降低重型卡车NOx排放的提议,可能在全国范围内进行统一监管。

在轻型车辆方面,欧洲RDE(实际驾驶排放)一揽子计划已经敲定,现在重点转移到欧洲7号法规上。正在提出领先的概念,包括燃料中性标准,降低符合性因素,包括小于23 nm的颗粒,在零下的环境温度下进行测试,以及调节新的排放物,如氨,N2O和甲醛。

其他国家正在广泛遵循美国或欧洲的法规框架,并进行修订以适应当地的条件。中国宣布了蓝天政策,这包括一系列的措施,旨在加快清洁空气技术的采用步伐。鼓励城市在国家时间表之前实施法规,除其他措施外,旧的车辆将被替换。印度正在开发自己版本的RDE测试循环,以适应较慢的车速和较热的环境条件。从2022年开始,巴西的轻型和重型车辆行业开始采用下一套排放标准。新标准类似于Euro6/VI标准,但轻型车辆排放标准从2025年到2030年允许进一步逐步收紧。

发动机技术

研究表明,通过先进的内燃机技术和各种电气化水平的结合,满足即将到来的燃油经济性标准是可能的。原始设备制造商(OEM)表明现存的技术改进可以使内燃机的效率提高20-30%。包括一系列最近已经商业化的方法,例如可变压缩比、全缸失活、轻度混合动力和使用阿特金森(Atkinson)或米勒循环(Miller cycles)。先进的方法还包括低温、稀薄燃烧和火花辅助压缩点火。此外,诸如通过注水解决近消除燃油浓缩,提高燃油经济性和排放也正在被研究和讨论。与汽油发动机相比,柴油发动机的燃油消耗量继续提高了15 – 20%,而首次公开的RDE数据显示,柴油发动机氮氧化物排放可以控制在远低于规定限度的水平。各大原始设备制造商继续通过超级卡车II项目,逐步提高重型发动机的燃油效率。改进燃油效率和尾气处理技术已成为共同的主题,例如隔热和保温,轻度混合动力,后处理优化,余热回收,滚动阻力研究等。

精益NOx控制

为了满足加利福尼亚州提出的重载低NOx标准,正在评估各种系统方法,这些方法的共同之处是通过更早和更频繁地使用SCR催化剂来减少冷启动和低负荷排放。方法包括使用紧密耦合的SCR,双SCR,气态和热氨加料,以及在过滤器上集成SCR。其他策略包括用于快速排气加热的热管理和使用被动式NOx吸附器。有几种解决方案通过这些技术的组合来发挥作用,关键的差异化因素是燃料损失,燃料损失必须最小化,才能同时满足GHG第二阶段法规。

新的轻型柴油车具有优异的使用排放性能,从其RDE测试数据可以看出。已经为Euro 6后的法规提出了解决方案,这些包括发动机改进和先进的后处理系统的结合。SCR催化剂在改善低温活性的同时,即使在900°C后也表现出强大的性能。

未来的挑战是通过最大限度地减少或更好地改善CO2/GHG排放,满足增加的耐久性要求,从而经济有效地满足(已经存在的)超严格排放要求。

后处理技术/汽油排放控制

据报道在提高三元催化剂的点火性能方面取得了新的进展。所提出的新的催化剂配方,在300°C以下,在老化催化剂基础上CO、烃和NOx的转化率达到90%。这一改进对于解决日益严格的排放标准至关重要,特别是在排气温度下降而提高发动机效率的情况下。

汽油排放方面的关键重点是快速采用改进的发动机技术和汽油微粒过滤器,以满足欧洲和中国的颗粒物排放标准。研究表明,port-fuel injected (PFI)车辆的颗粒物排放可能超过规定的限值,特别是在下一轮法规提出的条件下(环境温度较低,包括23 nm以下的颗粒),轻度混合动力车和插电式混合动力车在发动机重新启动时也可能有较高的颗粒物排放。GPFS表现出强大的过滤性能,迹象表明,由于各种监管驱动因素,对过滤效率的要求将提高。关于可再生策略的研究也正在进行,并表明通过燃料切断事件的被动再生应足以满足大多数驾驶条件。催化GPF的气体排放性能可以与替代的三元催化剂相似或更好,现在有几项研究表明,使用正确的设计,GPF的应用不一定会导致燃料消耗。

原文始发于:汽车发动机燃油效率和排放相关法规和技术进展综述


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