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展。詳細介紹新出臺和即將出臺的排放法規(guī)，以及為改進發(fā)動機和排氣后處理系統(tǒng)而開發(fā)的各種技術(shù)。報道了各主要國家通過CO2減排和車輛電動化目標來減少GHG排放的最新動向。對某些能促使CO2實現(xiàn)大幅減排的成熟內(nèi)燃機技術(shù)作了詳細評述，其中包括汽油壓燃、預(yù)燃室燃燒、噴水和停缸等發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展動向。探討了動力總成電動化和采用先進發(fā)動機技術(shù)的協(xié)同效應(yīng)。在評估各種動力總成的選擇方案和強調(diào)混合動力系統(tǒng)在實現(xiàn)CO2減排中的作用時，必須進行類似于“從搖籃到墳?zāi)埂钡娜芷诜治?。對先進燃油在改善車輛排放中的作用及其潛力進行了分析。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項重型卡車綜合法規(guī)的制定工作，目標是使NOx排放減少90%，對該法規(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排放的情況下達到NOx的減排目標。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

交通運輸領(lǐng)域正在經(jīng)歷一場加快采用各種先進技術(shù)的重大變革，以滿足社會對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。盡管動力總成電動化被認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[1]。為了應(yīng)對人們對健康、空氣質(zhì)量和全球變暖的擔憂，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)的最新進展情況，以及技術(shù)進步推進輕型乘用車和重型卡車尾管排放改善的情況。

當今，最好的輕型車汽油機的最高有效熱效率（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)改進等方面的研究進展情況。預(yù)測顯示，當這些發(fā)動機技術(shù)與諸如減輕質(zhì)量、改善空氣動力學(xué)、先進的變速箱，以及輕度和重度混合動力系統(tǒng)等車輛技術(shù)相結(jié)合時，CO2的排放量將能進一步減少40%以上。

本文首次介紹車用燃油與先進發(fā)動機配合時對減少排放的協(xié)同作用。純蓄電池電動汽車和燃料電池車輛也在獲得一定的市場份額，它們將被用來應(yīng)對更為嚴格的CO2減排目標，同樣也能使有害污染物排放明顯降低。新的實際行駛排放（RDE）試驗的數(shù)據(jù)顯示，與歐6d之前的排放法規(guī)相比，該新標準的實施使柴油機的NOx排放量減少了70%～90%。汽油機顆粒過濾器（GPF）已在歐洲和中國的汽油直噴發(fā)動機上得到了普遍應(yīng)用，隨著排放法規(guī)的不斷收緊，GPF很可能會擴大應(yīng)用到氣道噴油發(fā)動機上。新的排放法規(guī)會繼續(xù)不斷地出臺并付諸實施。中國已經(jīng)修訂了最新的新能源政策，并確認了混合動力車在達到未來CO2排放目標中的作用。中國的國六排放標準已提前開始實施。歐6 后排放法規(guī)的要點正變得更加清晰。本文將對這些要點及其含義進行介紹。印度從2020年開始實施BS6排放標準，預(yù)計將在新的柴油機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同樣也會越來越多地受到重視及應(yīng)用。

此外，重型車發(fā)動機也顯示出其BTE達到55%的潛力。本文回顧參與美國能源部“超級卡車II計劃”的各研究團隊在這方面取得的進展。燃油效率提高將有助于達到美國第二階段的GHG排放目標和歐洲首個CO2排放目標。美國和歐洲這2個地區(qū)還在推出更嚴苛的NOx減排標準。歐6e排放標準已最終定稿，其中包括了對冷起動排放的要求。美國加利福尼亞州的重型車低NOx排放標準草案要求到2027年實現(xiàn)NOx 排放減少高達90%，同時還對冷起動和低負荷排放提出了要求。在達到這一要求的同時，還要滿足GHG排放和更長使用壽命的要求，這并不是1件輕而易舉的事情。為此，人們已開始對各種排氣后處理系統(tǒng)開展研究，以充分掌握各項技術(shù)的優(yōu)缺點。本文將介紹這些研究的最新動向。1種采用車載NOx傳感器和遠程通訊的技術(shù)用來確保車輛在使用過程中排放達標的新運行模式正在探索之中。

上述所有改進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NOx和碳氫（HC）收集器，以解決冷起動排放問題。

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)或燃油耗標準

圖1 所示為各主要國家設(shè)定的輕型車CO2減排目標。2018年，在歐洲注冊的新輕型車的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，柴油機的份額減少了約36%，而SUV車型配裝的大型汽油機的份額則由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到2021年95 g/km的CO2排放目標，否則將會面臨巨額罰款。另外，目前世界上最嚴格的2025年和2030年CO2排放目標已經(jīng)確定，要求到2030年實現(xiàn)CO2排放量比2021年的基準值減少37.5%，并決定從2020年起按全球統(tǒng)一的輕型車試驗規(guī)程（WLTP）試驗循環(huán)測定CO2排放量。

美國的燃油經(jīng)濟性標準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)境保護署（EPA）公布了1份法案，目標是要實施全美國統(tǒng)一的燃油經(jīng)濟性/GHG排放標準，并且不允許各州制訂自己的GHG排放標準和零排放車（ZEV）強制性標準。該法案建議取消授予加利福尼亞州在實施先進清潔轎車（ACC）計劃中擁有的GHG和ZEV排放立法權(quán)，但不影響他們在ACC計劃中制訂更嚴格的法規(guī)來限值有害污染物排放。全國性的GHG排放法規(guī)和燃油耗標準已最終定稿。 同時，加利福尼亞州已與4家汽車制造商達成了1項協(xié)議，要求從2022年起到2027年實現(xiàn)GHG每年減排3.7%（原先的計劃是從2021年起到2026年實施該減排目標），并提供電動汽車信貸。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準。所有這些立法舉動將面臨來自法院的挑戰(zhàn)，預(yù)料將會在未來提起起訴。

中國在1份新能源汽車計劃草案（修訂版）中提出，對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新能源汽車的財政激勵，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貼的計劃。同時還建議改變以全電力行駛里程為依據(jù)的信貸計算方法。蓄電池電動汽車的最大信貸系數(shù)從5.0降低到了3.4，插電式混合動力車的信貸系數(shù)從2.0降低到了16，同時對考慮能量消耗的修正系數(shù)作了修改，并強調(diào)了對能源效率的重視。雙信貸體系也有所改變，用于補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)，這樣就能使混合動力車獲得新能源汽車信貸。所有這些變化強調(diào)了內(nèi)燃機在實現(xiàn)中國能源安全目標中的重要性。從長遠來看，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)計劃[3]”。該計劃提出了增加新能源汽車投放的策略，目標是到2025年要使新能源汽車的銷售量占比達到25%。該計劃還要求，到2025年電動汽車的能耗應(yīng)小于百公里12 kW·h，插電式混合動力車的能耗應(yīng)小于百公里21 kW·h。

日本發(fā)布了新的燃油耗標準，要求到2030年車隊平均燃油經(jīng)濟性達到25.4 km/L，這要比2016年的燃油經(jīng)濟性提高32.4%[4]。燃油耗的目標值要求按WLTP試驗循環(huán)進行測定，同時也適用于電動化車輛，但要求計入為生產(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，歐洲正在考慮對排放法規(guī)的框架和嚴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標度。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準：（1）制訂中性的燃油和技術(shù)標準，以均衡柴油機和汽油機的NOx排放限值，并促使汽油直噴發(fā)動機車輛也遵守顆粒數(shù)排放限值。（2）設(shè)定更低的尾管NOx排放限值，可能的目標是35 mg/km，這也是中國設(shè)定的2023年的NOx排放限值，這相當于歐6汽油車排放限值的50%。應(yīng)當指出的是，美國第3階段30級（Tier3 Bin30）的限值仍然是目前世界上最嚴格的氣態(tài)排放物標準。（3）將10～23 nm 的顆粒物計入總顆粒數(shù)排放量。（4）對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）對非甲烷碳氫（NMHC）單獨設(shè)定排放限值，考慮到甲烷對全球變暖的潛在影響，可采用CO2的當量來計算 CH4的排放量。（6）要求在-7 ℃的低溫下在底盤測功器上進行顆粒物和氣態(tài)排放物的測定試驗。（7）設(shè)定RDE試驗中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)，可能會引入行駛距離較短的新行駛循環(huán)，以強調(diào)需要減少城市空氣中的顆粒物。（9）提高對耐久性的要求。應(yīng)當指出的是，中國的國六b標準已設(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。

除了以上各項舉措外，歐洲還將對排放的一致性系數(shù)（CF）定期進行評估，并將會隨著測量設(shè)備的改進及時下調(diào)CF。事實上，NOx的CF已從2.10減小到了1.50和1.45。歐盟委員會初步?jīng)Q定，會將 NOx的CF進一步減小到1.32[5]。從2020年9月起，歐洲引入1種新的市場監(jiān)管系統(tǒng)。該監(jiān)管系統(tǒng)有權(quán)責令歐盟成員國撤銷型式認證和召回排放不達標的車輛。 為了減少較高的顆粒物排放，歐洲提出了1項新的定期技術(shù)檢測（PTI）計劃。Burtscher等人對這種技術(shù)檢測方法作了簡要介紹[6]。PTI被看作是1種快速路邊試驗，試驗時間小于2 min，它能檢測柴油機顆粒過濾器（DPF）是正常工作還是有故障。研究人員開發(fā)了1種低怠速試驗法。試驗顯示，測試結(jié)果與認證試驗循環(huán)的測量值具有很好的相關(guān)性。一些國家將從2021年開始實施PTI計劃，擬先對柴油機車輛進行這種檢測，預(yù)料緊接著也會對汽油機車輛進行這種檢測。

中國的國六a輕型車排放標準正在全國范圍逐步實施，而某些主要地區(qū)則將從2019—2020年起提前實施國六b排放標準。有關(guān)部門目前正在擬訂RDE試驗的詳細規(guī)則。行業(yè)內(nèi)已開始對國七排放標準展開初步討論，但對于國七標準的走向和時間表還沒有任何官方的解釋。預(yù)計國七標準會進一步收緊氣態(tài)排放物的排放限值，并且國七的要點可能會與歐6后法規(guī)的要點相同，例如會將小于23 nm的顆粒計入總顆粒數(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)境保護署（EPA）正在觀察細小顆粒物（PM2.5）對國家環(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份草擬的政策評估報告中建議，應(yīng)根據(jù)近期流行病學(xué)研究的審評結(jié)果來收緊排放標準。預(yù)料該評估報告將在2020年內(nèi)完成。

印度的RDE試驗邊界條件已最終定稿。盡管印度引用了歐洲排放標準的總體框架，但為了更好地反映本國的行駛條件，他們對標準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試驗的有效溫度在正常情況下規(guī)定為10～40 ℃，在擴展的情況下規(guī)定為8～45 ℃，它們要比歐洲和中國要求的零度以下的試驗溫度高出許多。對CF的要求也將最終定稿，預(yù)計會在2020年開始的監(jiān)測階段之前確定CF值。

預(yù)計其他國家和地區(qū)會在未來幾年內(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)相當于歐4的水平，該國的目標是要求到2023年采用含硫量為10×10-6的燃油。Koson[9]探討了2023年泰國實施歐6排放法規(guī)的可能性，但實現(xiàn)這一目標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)。歐州部長會議已批準了歐盟首次提出的重型車CO2 排放標準[10]。該標準要求到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，歐盟的標準沒有單獨制訂發(fā)動機的排放標準。車輛的實際燃油耗和能耗要采用車載測量裝置進行監(jiān)測，并需要向有關(guān)部門報告監(jiān)測結(jié)果。

加利福尼亞州空氣資源局（CARB）通過先進清潔卡車法規(guī)提出了重型車的ZEV銷售目標，要求從2024年起2.3級和7.8級牽引卡車的ZEV年銷售量占比應(yīng)達到3%，到2030年應(yīng)上升到15%。對于4.8級的專用車輛，在相同年限內(nèi)ZEV的年銷售量占比要從7%開始上升到50%?；旌蟿恿嚳梢愿鶕?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)

為了進一步降低NOx排放和提高使用過程中的排放達標度，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個地區(qū)已有59%的車隊配裝了SCR系統(tǒng)，而另1個地區(qū)只有25%的車隊配置SCR系統(tǒng)。測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2010—2018年型發(fā)動機的NOx排放量平均要比2004—2005年型發(fā)動機的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)動機進行重新標定，進而使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排放量低于認證標準。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證標準。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分別為車隊排放總量的39%、52%、63%和95%。這項研究強調(diào)了采用SCR的好處，同時也指出，需要提高車輛使用過程中的排放達標度。

Badshah等人用便攜式排放測量系統(tǒng)（PEMS）測量了160臺2010年后的重型柴油機車輛使用過程中的排放量，并對測量結(jié)果進行了分析。這些車輛在NTE試驗過程中的運行時間平均僅為8.7%。在NTE試驗中的NOx平均排放量為0.18 g/（hp·h）①，而在包括怠速在內(nèi)的整個試驗運行過程中，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。在低車速運行時，NOx排放量呈現(xiàn)出不成比例增加的態(tài)勢。如圖2所示，車速低于25 mile/h時，NOx排放量大于1 g/（hp·h），比認證限值高出了約5倍。而長途運輸卡車在城區(qū)低速行駛時，NOx排放量大約是認證限值的7倍。

Pasada等人對5臺卡車排放數(shù)據(jù)所作的分析顯示，雖然放寬NTE試驗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2022年型車輛對NTE試驗作較小的修改。第2步，針對2024—2026年型車輛按聯(lián)邦試驗規(guī)程（FTP）試驗時，NOx排放限值降至005 g/（hp·h），提出新的低負荷試驗循環(huán)（NOx排放限值設(shè)定為FTP限值的1～3倍），實際使用過程的試驗方法從NTE試驗法改變?yōu)闅W洲的移動平均窗口法（歐6d），顆粒物排放限值降低50%，為0.005 g/（hp·h）。第3步，針對2027年型車輛按FTP試驗的NOx排放限值進一步降至0.01x g/（hp·h）（“x”值待定），進一步收緊試驗過程中的測試要求，包括收緊對冷起動的要求（歐6e）。除了以上提議之外，CARB還建議提高對使用壽命和質(zhì)保的要求。

有研究人員詳細描述了美國EPA“清潔卡車倡議”的主要內(nèi)容，其中包括：全國性的NOx減排目標應(yīng)與CARB提出的要求一致，提高對使用壽命和質(zhì)保的要求，加快柴油機排氣后處理系統(tǒng)的老化過程，以及利用車載傳感器的數(shù)據(jù)監(jiān)測排放達標度。重點是要通過新的實際使用試驗方法和單獨設(shè)定怠速排放限值來確保車輛在所有運行條件下達到低排放目標。為了確保在實際行駛中實現(xiàn)NOx減排，研究人員正在探索1種采用車載NOx傳感器和遠程信息技術(shù)的新監(jiān)測模式。預(yù)料這種檢測方法能對高排放車輛進行快速檢測，同時還能減輕PEMS的一些試驗負擔。加利福尼亞州還準備提出，要像道路車輛一樣減少非道路用柴油機的NOx和顆粒物排放。他們正在進行的研究項目是測定第4階段（Tier4）發(fā)動機實際使用過程中的排放量，以及采用模擬手段觀察先進排氣后處理技術(shù)實現(xiàn)進一步減排的潛力。

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，新車型式認證將執(zhí)行該標準，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行型式認證和實際試驗排放達標試驗時，采用PEMS測量冷起動的廢氣排放量和顆粒數(shù)排放量。實際使用排放達標試驗的顆粒數(shù)一致性系數(shù)CF設(shè)定為1.63。對PEMS設(shè)備的評估顯示，CF尚有063的余量，它要比輕型車的CF余量（0.50）大一些。火花點燃發(fā)動機和雙燃料發(fā)動機允許有2年的準備期，該法規(guī)將從2023年開始適用于這些發(fā)動機。歐6后的排放法規(guī)正在討論之中。Grigoratos等人研究了5臺重型車的實際排放性能。這些車輛包括幾臺長途和區(qū)間運輸卡車及1臺大客車，配裝的是7.5～13.0 L排量發(fā)動機，并且所有的車輛均配置柴油機氧化催化器+柴油機顆粒過濾器+選擇性催化還原/氨逃逸催化器 （DOC+DPF+SCR/ASC）。測量結(jié)果顯示，大部分車輛的NOx排放量都低于認證限值，顆粒物排放量要比限值低1個數(shù)量級。低車速行駛時的NOx排放量特別高，其中1臺車在7～11 ℃的環(huán)境溫度下試驗時，NOx排放量超過了限值。NO2的含量為總NOx的10%～67%。因此，未來可能需要單獨設(shè)定NO2的排放限值。

研究人員正在進行23 nm以下顆粒數(shù)測量的試驗研究，以評估測量的精度和可靠性。Giechaskiel等人對直接測量尾管10 nm以上顆粒數(shù)的各種取樣方法進行了評估。他們在7臺柴油機和 2臺天然氣發(fā)動機上進行了測量研究，這些發(fā)動機都符合歐6c或歐6d標準。評估結(jié)論認為，雖然各種稀釋方法（固定流量和比例流量）的功能相當，但是用冷稀釋法測得的顆粒數(shù)被高估了50%，因而強調(diào)需要引入恰當?shù)臉硕ǔ绦?，尤其是?3 nm以下的顆粒。研究人員發(fā)現(xiàn)采用催化分離器測得的小于23 nm以下的顆粒數(shù)要比采用蒸發(fā)管測得的顆粒數(shù)來得少。這些結(jié)果表明，冷凝的液態(tài)顆粒對23 nm以下的顆粒群測量提出了挑戰(zhàn)。這些發(fā)動機在全球統(tǒng)一的重型車瞬態(tài)試驗循環(huán)（WHTC）下的測量結(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%。在計入23 nm以下顆粒數(shù)的情況下，1臺柴油機車輛和1臺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，尿素噴射會產(chǎn)生不揮發(fā)的顆粒物。2臺重型車柴油機在WHTC下進行的試驗顯示，當尿素噴射開始時，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及這些尿素基顆粒的測量方法。

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

墨西哥已將該國采用超低硫柴油的時間推遲到了2025年，這可能會影響到原定于2021年實施歐6重型車排放標準的計劃。

2?發(fā)動機技術(shù)

本節(jié)介紹輕型車和重型車發(fā)動機效率提升的進展情況，并簡要闡述燃油及其品質(zhì)對發(fā)動機有效燃燒的影響。

2.1?輕型車發(fā)動機技術(shù)

Weiss等人對3種德國流行的緊湊型轎車在過去40年的發(fā)展過程進行了研究，50%以上的發(fā)動機是為了迎合消費者對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排放量可能會減少約25%。這充分說明，需要繼續(xù)提高發(fā)動機的效率，若不這么做，消費者預(yù)期改善性能的愿望就會阻礙CO2減排的進程。同時這也表明，在改善車輛燃油經(jīng)濟性時，需要采取包括減輕質(zhì)量、發(fā)動機小型化、改善空氣動力學(xué)和動力總成電動化在內(nèi)的綜合技術(shù)措施。

表1所列是為提高輕型車燃油經(jīng)濟性而采用的一些領(lǐng)先的發(fā)動機技術(shù)。

Kargul等人介紹了美國EPA對最新的輕型車發(fā)動機技術(shù)進行的評估。他們對1臺豐田公司的2018年型4缸2.5 L自然吸氣阿特金森循環(huán)發(fā)動機進行了試驗評定。該發(fā)動機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24.1%。通過進氣門遲關(guān)來實現(xiàn)阿特金森循環(huán)，并將幾何壓縮比從13降至7。實測的BTE達到了39.8%，這是EPA在非混合動力火花點燃發(fā)動機上測得的最高BTE。他們利用ALPHA模擬工具評估了1臺中型車的CO2排放情況，并以1臺配裝2016年型2.5 L汽油直噴發(fā)動機和6速變速箱的車輛作為比較基準。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，配裝Toyota 2018年型發(fā)動機和8速變速箱（帶起動.停車裝置）的車輛，按城市和公路混合試驗循環(huán)運行時CO2排放量降低了17.3%。另外，他們還評估了1臺2015年型車輛采取車重減輕7.5%，以及空氣動力學(xué)阻力和滾動阻力各減少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)采用固定停缸或動態(tài)停缸技術(shù)時，能使車輛的CO2排放量比2015年基本型發(fā)動機的排放量再進一步減少7.7%。模擬顯示，與2016年的參比發(fā)動機相比，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35%。應(yīng)當指出的是，上述這些改善效果還沒有包括電動化所起的作用。

Kapus闡述了利用現(xiàn)有的技術(shù)實現(xiàn)更高有效熱效率的各種策略。理論空燃比汽油直噴發(fā)動機在不采用噴水保持過量空氣系數(shù)λ=1運轉(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，在70 kW/L的比功率下能使BTE達到43.8%。雖然在λ=1.6的稀燃狀態(tài)下能使BTE進一步提高到45%，但是，即使混合氣較稀也要求控制NOx的排放。Sellers等人的試驗證實，1臺單缸發(fā)動機通過各種先進燃燒技術(shù)的組合使BTE達到了45%。這臺發(fā)動機的缸徑/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火?？梢灶A(yù)料，發(fā)動機自身的NOx排放量會隨著λ增加而減少。

2.1.1?汽油壓燃

在壓燃式發(fā)動機中燃用汽油是使汽油機達到像柴油機那樣熱效率的1種途徑。汽油固有的耐自燃特性是對汽油壓燃發(fā)動機確保低負荷穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的挑戰(zhàn)之一。研究人員正在推出各種措施以應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，例如：Mazda公司提出的在低負荷時采用火花點燃，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)動機上采用汽油壓燃技術(shù)的詳細情況。該發(fā)動機的壓縮比由以前汽油機的14.0提高到了16.3。引入的發(fā)動機技術(shù)包括：用增壓器作為進氣稀釋器（稀釋進氣空氣），采用配置10孔噴油器的高壓（70 MPa）噴油系統(tǒng)，以及改進燃燒室設(shè)計。這些措施能使發(fā)動機在寬廣的運轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)實現(xiàn)稀氣燃燒，而在高負荷區(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）和汽油機顆粒過濾器（GPF）組成。為了在車輛停車時保持住熱量并使發(fā)動機慢慢地冷下來，將發(fā)動機包封了起來。試驗結(jié)果顯示，該發(fā)動機的扭矩提高了10%以上，燃油耗平均改善了10%。Mazda公司還配置了1套輕度混合動力系統(tǒng)，并進行了車輛試驗，在城市行駛條件下，車輛的燃油經(jīng)濟性提高了30%。有報道稱，汽油直噴壓燃技術(shù)已取得了顯著的進步，1種全新的燃燒策略能克服以前對高負荷燃燒控制的限制。該燃燒策略包含了在接近上止點時實施由高壓（180 MPa）噴油系統(tǒng)支持的二次噴油。試驗在1臺壓縮比為17的4缸2.2 L發(fā)動機上進行。汽油直噴壓燃技術(shù)的其他進步還包括：采用先進的可變噴嘴渦輪增壓器和冷起動用的2.5 kW進氣空氣電加熱器。對這臺三代發(fā)動機進行的測功器臺架試驗顯示，發(fā)動機的最高BTE達到了435%，最低有效燃油消耗率（BSFC）為194 g/（kW·h），并且在寬廣的發(fā)動機運轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)的BSFC 均低于210 g/（kW·h）（BTE約為40%）。同時，發(fā)動機的性能還有可能進一步提高，這也是未來四代發(fā)動機的研發(fā)重點。傳熱損失減少50%和摩擦降低10%有可能使BTE進一步提高到47.6%。對于車輛性能水平的模擬分析顯示，在采用輕度混合動力系統(tǒng)的情況下，三代發(fā)動機（帶起動發(fā)電機（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)動機在輕度混合動力系統(tǒng)中有可能實現(xiàn)節(jié)油44%的目標。

Graknell等人介紹了在1臺4缸2.0 L汽油直噴發(fā)動機上進行燃用不同品質(zhì)燃油的試驗。發(fā)動機的壓縮比保持為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種市場上具有代表性的燃油進行了試驗。試驗采用火花點燃輔助低負荷運行，并采用了主動渦流比控制。試驗發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機能在寬廣的工況范圍內(nèi)保持可靠運轉(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)動機工況范圍內(nèi)測得的燃油消耗率均小于200 g/（kW·h）。但是，在低負荷時BTE有所下降，這時就需要采用火花點燃來輔助燃燒。

2.1.2?噴水

噴水被人們看作是1種能抑制爆燃和擴大λ=1.0運轉(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臺排量為375 mL的單缸汽油直噴發(fā)動機進行了試驗研究。發(fā)動機的壓縮比為12.8，采用進氣門早關(guān)的方式實現(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）的爆燃敏感點測定了排放量。在水.燃油比為50%時，氣道噴水時燃油耗的降低量在24%以下。在相同的水.燃油比下，直接噴水時燃油耗的降低量增加到了4.7%，采用多次直接噴水時燃油耗降低量能進一步達到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，對于采用米勒循環(huán)和高壓縮比的小排量發(fā)動機，噴水技術(shù)有可能使燃油效率進一步提高。

Cordier等人在另1臺單缸發(fā)動機上進行了噴水與EGR相結(jié)合的試驗研究，并比較了疊加好處。該發(fā)動機的排量為350 mL，壓縮比為12.5。在2 000 r/min和1.7 MPa BMEP的運轉(zhuǎn)工況下測定了相關(guān)數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)直接噴水時排氣溫度較低，燃油耗比氣道噴水時的低50%。這些好處會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，進一步的得益有限。試驗發(fā)現(xiàn)，在單獨采用噴水和EGR時，它們分別能使燃油耗改善約10%和7%。噴水的機理是通過改善燃燒相位來實現(xiàn)燃油耗降低的，而EGR的作用主要是減少壁面熱損失。當這2種技術(shù)結(jié)合在一起時，EGR能使燃油耗降低3%～5%，在EGR率為5%～15%時，凈燃油耗降低量可達15%左右。

噴水還能使發(fā)動機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），測定了噴水對1臺3缸1.5 L渦輪增壓發(fā)動機性能的影響。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，發(fā)動機燃用RON91燃油時的全負荷性能與燃用RON95和RON98燃油時的性能相同。當燃油的辛烷值降低時。爆燃傾向會增加，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)的缺陷是消費者對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)動機運轉(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)。他們采用了兩級冷卻裝置來使水冷凝，并在其后設(shè)置了1個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際需要的水量來得多，并且收集到的水表現(xiàn)純度也不錯。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)動機方面取得的進展。來自預(yù)燃室的噴束穿入主燃燒室后會產(chǎn)生多個著火點。它與低溫燃燒一起能降低爆燃的可能性。他們開發(fā)了主動型和被動型2種預(yù)燃室方案。前者包括1個為預(yù)燃室單獨配置的直接噴油器，而后者是依靠壓縮行程將部分充量送人預(yù)燃室。他們在1臺壓縮比為9的3缸1.5 L發(fā)動機上進行了試驗。

主動型預(yù)燃室系統(tǒng)能使發(fā)動機的壓縮比提高到14，稀燃裕度可達到λ=2.0以上。最高BTE達到了42.3%，它比基本型發(fā)動機的BTE提高了19%。最低BSFC低于200 g/（kW·h）。在整個發(fā)動機運轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)，發(fā)動機自身的NOx排放量降低了95%。發(fā)動機整個運轉(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)動機也需要采用像柴油機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)動機的主要缺陷是低負荷燃燒穩(wěn)定性差和點火推遲能力差，這2點對于冷起動時催化器較快加熱十分不利。在采用主動型預(yù)燃室時，可以通過發(fā)動機稀燃運行和采用與基本型發(fā)動機一樣的推遲點火正時來克服這一缺陷。

在采用被動型預(yù)燃室系統(tǒng)時，燃油噴入氣道后進入主燃室。發(fā)動機采用米勒循環(huán)和低壓EGR相結(jié)合的運行方式。發(fā)動機在理論空燃比條件下運行時，渦輪前的排氣溫度低于950 ℃。被動型預(yù)燃室發(fā)動機的EGR率裕度可擴大到25%以上。最低BSFC達到了211 g/（kW·h），它比主動型預(yù)燃室發(fā)動機的最低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，并能簡化排氣后處理系統(tǒng)（預(yù)料在理論空燃比下運行時，只需要采用TWC）。與混合動力系統(tǒng)配合運行時，這種發(fā)動機的BSFC有可能進一步降至207 g/（kW·h）。

Brannys等人介紹了在1臺Volkswagen公司1.5 L發(fā)動機上采用預(yù)燃室燃燒的情況。該發(fā)動機按混合動力系統(tǒng)的要求進行了優(yōu)化。為了發(fā)揮混合動力系統(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)動降低了發(fā)動機所需的低端扭矩，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，因而能在整個發(fā)動機運轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)采用外部EGR。采用這2種技術(shù)后，使部分負荷時的燃油耗降低了5%。（2）由于是在混合動力系統(tǒng)中采用上面介紹的被動型預(yù)燃室燃燒，因而它能解決低負荷和冷起動時的技術(shù)問題。在高負荷下運行時燃油耗能降低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)動機的最大功率達到100 kW的目標值。（3）對進氣凸輪作了優(yōu)化，以進一步降低爆燃傾向，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率達到20%，結(jié)果使燃油耗降低了5%。

總的來說，通過以上改進，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)動機運轉(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，燃油耗也能達到208 g/（kW·h）。與混合動力系統(tǒng)配合時，在全球統(tǒng)一的輕型車瞬態(tài)試驗循環(huán)（WLTC）下試驗時發(fā)動機的CO2排放量為6.5 g/km。

2.1.4?電動化

具有不同電動化水平的動力系統(tǒng)正在不斷進步，因此人們對這些動力系統(tǒng)的市場前景頗為關(guān)注。在最近的會議上，有人預(yù)測認為，到2030年，純電動汽車（蓄電池和燃料電池電動汽車）將會占到20%～30%的市場份額。所有的研究都認為，在相同的時間段內(nèi)，插電式混合動力汽車能占的市場份額比較少（低于20%）?；旌蟿恿嚕ㄝp度混合動力和全混合動力車）能占的市場份額為20%～40%。有1項研究的預(yù)測認為，混合動力車在歐洲將可能會有70%的市場份額。Kimura以本田公司為例，介紹了其電動化策略，到2030年要使純電動汽車和燃料電池電動汽車及混合動力車和插電式混合動力車的市場份額分別達到15%和50%，并使純內(nèi)燃機車輛的市場份額保持在35%。這些預(yù)測指出，即使到2030年，在銷售的新車中，內(nèi)燃機車輛的占比仍將會達到70%～80%，并強調(diào)內(nèi)燃機和電動化技術(shù)需要協(xié)同改進。

國際能源署發(fā)表了1份關(guān)于全球電動化動力系統(tǒng)展望的綜合研究報告，圖5是該報告中給出的內(nèi)燃機車輛和電動化車輛“從搖籃到墳?zāi)埂比芷诘腃O2排放量分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，混合動力車的CO2排放量要比基本型內(nèi)燃機車輛的CO2排放量低約20%。在400 km的行駛里程范圍內(nèi)，蓄電池電動汽車的CO2排放量還能再減少5%。從圖5可見，最好的混合動力車的CO2排放量與最好的純電動汽車的CO2排放量是相同的。這些結(jié)論是根據(jù)全球電力生產(chǎn)的碳強度得出的。該研究報告進一步指出，在電網(wǎng)極度依賴于化石燃料和煤炭的地區(qū)，蓄電池電動汽車的CO2排放量可能會比混合動力車的更高。當然，隨著可再生能源份額的增加，電動化的好處會得到提升。因此，政策制訂者在設(shè)定CO2排放目標時，必須進行類似于“從搖籃到墳?zāi)埂钡娜芷诜治?。此外，該報告還強調(diào)指出，混合動力車輛在基礎(chǔ)設(shè)施、激勵和原材料消耗方面所需的投入要比純電力汽車的少得多。

在實際行駛條件下進行的車隊試驗顯示，采用48 V蓄電池（平均容量為1.2 kW）的輕度混合動力車輛和全混合動力車輛的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，混合動力車輛是減少CO2排放的最有效途徑。顯然，混合動力車輛的CO2減排量也是有限度的，因而未來需要采取更深度的電動化措施來減少CO2排放，包括采用插電式混合動力車和全電力驅(qū)動的車輛。

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

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)動機平臺上應(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，起動機發(fā)電機由皮帶驅(qū)動，發(fā)電機的最大輸出功率為12 kW，電動機的功率為9 kW。蓄電池的容量為250 W·h。輕度混合動力車輛的主要好處是車輛能在油門踏板松開時實現(xiàn)發(fā)動機停機滑行，并在車輛恢復(fù)運行時能使40%的減速能量得到回收利用。發(fā)動機怠速也得到了改善，因而怠速運行期間的燃油消耗減少了20%。除了燃油經(jīng)濟性的好處外，電力還能幫助提供附加的低端扭矩，以使車輛更快地達到最大扭矩的25%。

Alt等人分析了1臺C級車輛采用不同的48 V輕度混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置時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)動機。結(jié)果顯示，CO2的減排潛力取決于電力機械與動力系統(tǒng)其他部件的相對位置。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內(nèi)燃機技術(shù)時，CO2的減排量更高。研究人員還進行了成本效益分析，估計輕度混合動力車的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，對于1臺高性能C級轎車，采用P0結(jié)構(gòu)時CO2減排量為6%，而采用P4結(jié)構(gòu)時CO2減排量可增加到15%。為了達到最佳效率，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)用于全混合動力車輛。Graf介紹了1臺最大功率達30 kW的48 V全混合動力車的性能。除了具備輕度混合動力車的功能外，這臺全混合動力車還增強了恢復(fù)行使的能力，并能提供電力行駛。CO2減排量由輕度混合動力車的10%～14%提高到了全混合動力車的20%。模擬預(yù)測顯示，該車輛的燃油耗能達到百公里3.9 L，在城市行駛時CO2排放量為91.7 g/km，按WLTC運行時內(nèi)燃機停機的時間為97%。與功率對分的多點噴油混合動力車相比，預(yù)測這臺48 V高功率混合動力車采用汽油直噴和多點噴油時的成本會分別降低15%和28%。

電池技術(shù)正在不斷進步，在過去幾年中電池的成本在快速下降。Weiss等人分析了電動汽車能達到的智能化率，還分析了德國傳統(tǒng)車輛和油電混合動力車削減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)，蓄電池電動汽車的智能化率為32%（混合動力車的智能化率為37%）。這意味著要在電動汽車的產(chǎn)量增加到7億臺時才能達到蓄電池電動汽車與內(nèi)燃機車輛的盈虧平衡點?？紤]到生產(chǎn)電力時產(chǎn)生的上游排放物，電動汽車的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數(shù)量級。

2.2?重型車發(fā)動機技術(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份綜合性報告，詳細論述了中型車和重型車降低燃油耗的技術(shù)路徑。該報告指出，到2030年，中型車和重型車的負荷燃油消耗率（燃油耗/有效負荷/行駛里程）比2019年的基準值降低12%～19%是有可能實現(xiàn)的。研究人員對1臺2b級皮卡和1臺8級牽引車.掛車在4種發(fā)動機/車輛組合下的性能進行了模擬，前者配裝的是6.7 L柴油機，后者配裝的是15.0 L理論空燃比天然氣發(fā)動機和柴油機。模擬結(jié)果顯示，對于8級卡車，通過發(fā)動機改進能使它的BTE達到超級卡車計劃的目標值55%，這表明柴油機的CO2排放量能減少15%～17%。6級專用車和皮卡車的CO2排放量分別能減少12%和12%～15%。可以預(yù)計，當發(fā)動機改進與諸如降低空氣動力學(xué)阻力和滾動阻力等車輛改進技術(shù)相結(jié)合時，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80%。在城市行駛條件下，重度混合動力車的燃油耗預(yù)計能降低20%～30%。表2所示為目前重型車正在實施是CO2減排技術(shù)，以及能達到的CO2減排量。

美國能源部推出的超級卡車Ⅱ計劃已進入該計劃的后半期。該計劃的目標是：在實際運行中有效熱效率要達到55%以上，貨運效率計的燃油效率要比2019年的基準值提高100%。參與該計劃的所有研究團隊都報告了進展，并聲稱正在實現(xiàn)該計劃的目標。所有研究團隊的共同課題是：減輕質(zhì)量、改善車輛的空氣動力學(xué)、降低滾動阻力、改進燃燒和空氣管理（優(yōu)化米勒循環(huán)，改進渦輪增壓器）。大部分研究團隊都認為廢熱回收利用是達到BTE目標的主要途徑之一。在動力系統(tǒng)方面，輕度混合動力系統(tǒng)同樣也受到各研究團隊的追捧。有人還對排氣后處理系統(tǒng)的改進進行了評估，認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。研究人員對各種工作流體進行了評估，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及采用雙噴油系統(tǒng)（氣道噴油/直噴）進行了汽油壓燃的試驗研究，以增強預(yù)混合燃燒。研究人員還評估了上述策略與E85燃油相配合時的發(fā)動機性能，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1種緊耦合SCR進行了試驗評估，該SCR在DOC上游提供雙尿素供給，并設(shè)有1個ASC區(qū)，以使NH3逃逸和N2O生成量最少。按FTP試驗循環(huán)運行時，上游SCR的轉(zhuǎn)換效率為70%～95%。研究人員配置了1臺采用48 V蓄電池的輕度混合動力車，并探索自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)，以進一步提升車隊的燃油效率。

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，目標是提高4%的BTE。他們已完成48 V混合動力系統(tǒng)的電機與蓄電池的一體化，預(yù)料現(xiàn)階段能節(jié)省燃油3.4%。貨運效率得到提高的關(guān)鍵措施是空氣動力學(xué)阻力減少了56%，車重減輕了4 685 lb，滾動阻力降低了30%。

Amar和Li介紹了Volvo公司在實施超級卡車計劃中取得的進展。他們借助于發(fā)動機建模進行了改進燃燒的研究，采取的措施主要包括：高壓縮比波浪型活塞設(shè)計、多次噴油、優(yōu)化米勒循環(huán)的正時和優(yōu)化渦輪復(fù)合增壓。與其他研究團隊一樣，他們也進行了48 V輕度混合動力系統(tǒng)的試驗研究。并且還在探索用隔熱涂層來提高發(fā)動機熱效率。為了減少背壓，他們實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。試驗顯示，該位置的壓力上升并沒有對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)的氣門正時來改善空氣管理，同時也采用了48 V輕度混合動力系統(tǒng)，并依靠它來支持車輛的動力轉(zhuǎn)向和電氣化附件。用48 V電動發(fā)電機替代了交流發(fā)電機，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%。

對置活塞發(fā)動機技術(shù)正在不斷進步，有研究人員介紹了采用該技術(shù)在1臺8級450 hp的3缸10.6 L發(fā)動機上的試驗結(jié)果。發(fā)動機試驗臺上測得的燃油耗為186.3 g/（kW·h），這意味著BTE已達到了45.1%。Lam等人在1臺雙壓縮.膨脹發(fā)動機上進行了用分開循環(huán)來提高燃油經(jīng)濟性的探索試驗。發(fā)動機循環(huán)在2個或3個氣缸中完成。在這些氣缸中，壓縮、燃燒和膨脹過程是單獨發(fā)生的。這些過程分開發(fā)生有許多好處，例如：膨脹更強（相對于壓縮而言），混合氣更稀，壓縮比更低，傳熱損失更小，摩擦損失更小。發(fā)動機試驗和模擬分析所得的結(jié)果證實，最高BTE能達到53.8%。

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

Sharpe強調(diào)了基礎(chǔ)設(shè)施對支持重型車電動化的重要性。對于8級長途運輸牽引車.掛車來說，柴油車與蓄電池電動汽車的成本可能要到2026—2028年才能達到平價。然而，在計入基礎(chǔ)設(shè)施成本的情況下，二者實現(xiàn)總持有成本平價的時間可能會推遲5～10年，也就是要到2030年以后推出。有研究人員預(yù)測，到2030年，采用天然氣衍生的氫作為燃料的燃料電池電動汽車的總持有成本可能會比蓄電池電動車的低10%，主要原因是天然氣比較便宜。地區(qū)內(nèi)運貨的6級電動卡車則能在較短的時間內(nèi)實現(xiàn)成本平價，預(yù)料到2025年就能達到較低的總持有成本。

（未完待續(xù)）