2020年全球汽车发动机效率提升和排放控制的发展动向(上)

20多年来,Corning公司每年都会发表1份关于全球内燃机(ICE)驱动车辆排放法规和排放控制技术发展情况的年度回顾报告[1-2]。介绍了2020年该领域的最新进展,交通运输领域设定的通过减少化石燃料的使用量来实现减缓气候变化的目标,以及为达到这些目标各国所采用的主要技术。近年来,各国政府加快了实施零排放车辆计划的步伐。中国公布了将在2025年实现50%以上车辆需要采用混合动力的技术路线图。预计在未来一段时间内,内燃机仍是汽车动力总成的一部分。因此,在采用传统发动机的情况下,各国需要进一步采用各种技术解决方案来促使车辆达到或接近零排放的水平。目前,各国在提升汽车发动机效率、排气后处理系统、混合动力、低碳燃油,以及预测控制等方面的技术都取得了一定进步。2020年,一些发达国家还加强了限制有害污染物排放的立法。美国加利福尼亚州采纳了要求重型车氮氧化物(NOx)排放减少90%的综合性低NOx法规,并讨论了轻型车低排放车IV(LEVIV)排放法规的若干要点,车队的非甲烷有机气体(NMOG)与NOx平均排放量限值可能要求达到20mg/mile①。欧盟制订了欧七排放法规草案,并对某些重大修改项目进行了审议,其中包括收紧排放限值(含收紧直径23nm以下颗粒物的限值)、强调城区行驶工况,并全面转向以实际行驶排放测量值为基础的车辆认证。

全球汽车排放控制的最新发展动向(下)

介绍了几种主要的技术方案,包括采用双尿素供给、创新的低温尿素喷射方案、停缸、先进的燃烧技术、动力总成电动化和天然气发动机等。在轻型车方面,实际行驶排放(RDE)标准似乎要想解决实验室与道路上行驶时NOx排放数据的差异,对该方面相关的数据进行了分析。目前,行业内正在对欧6后的排放法规展开讨论,探讨了新法规的可能变化和排气后处理系统的发展,焦点仍然是要减少冷起动排放。介绍了柴油机和汽油机冷起动排放的研究情况。欧洲和中国的颗粒数排放标准已促使汽油机颗粒过滤器(GPF)在这些地区被广泛应用。概要介绍了GPF技术的最新改进情况。随着排放法规的进一步收紧,对GPF过滤效率的要求将会提高,并且预计未来也会要求气道喷油发动机车辆采用GPF。

车用发动机效率提升和排放控制回顾(下)

回顾了车用发动机在效率提升、排放法规和排放控制技术方面取得的具有代表性的重要进展。首先,介绍车用发动机排放法规的主要发展情况,包括最新提出的欧洲实际行驶排放(RDE)法规的颗粒数(PN)排放标准,以及中国和印度2020年后将要实施的类似于欧6的排放法规。到2023年,中国的排放标准将比欧6法规收紧30%～40%。美国加里福尼亚州重型车低氮氧化物(NOx)排放法规正在向前推进,美国环保署正在考虑提出一项拟于2023年后实施的全美统一的排放法规建议草案。美国还最终确定了2021—2027年的新一轮重型车用发动机温室气体(GHG)排放法规,要求发动机的CO_2减排5%。轻型车和重型车发动机的效率有明显提高。总结了汽油机和柴油机为满足排放标准和温室气体法规而取得的主要进展。某些轻型车汽油机设计概念能够达到的排放水平要比现今汽油直喷发动机的排放量降低10%～15%,有些甚至能降低35%之多。严格的CO_2排放法规将要求车辆采用混合动力,以及进行高性能柴油机的开发。重型车用柴油机通过采用各种可实现商用化的技术达到了高于50%的有效热效率,还提出了一些能使有效热效率达到55%的建议方案。择要介绍了稀燃NOx控制技术(包括选择性催化还原(SCR)催化器、SCR过滤器和组合系统)的发展情况,关注的重点是它们的耐久性和如何实现大幅度减排的目标。柴油机PN减排环绕着柴油机颗粒过滤器和SCR过滤器的碳烟再生开展工作。氧化催化器的研究侧重于225～250℃时丙烷、CO和甲烷的氧化。对可能影响排放的各种因素进行了综合评述。人们对汽油机颗粒过滤器的耐久性和灰分承载量有了更好的了解。讨论了几种三效催化器的开发情况,结果显示,人们对低成本催化系统重要性的认识有所提高。最后总结了几家实验室在稀燃汽油机排放控制方面取得的进展。

2020年全球汽车发动机效率提升和排放控制的发展动向(下)

以下接上部分内容。欧盟提出的排放限值将可能会对以前法规未限制的排放组分(如NH3)产生一定的影响。发动机和排气后处理系统的技术也有所进步,轻型车汽油机的有效热效率(BTE)达到了45.0%,重型车柴油机的BTE也达到了55.0%。在欧洲和中国,尽管下一轮排放法规将要求大幅度提高颗粒过滤器的过滤效率,但目前汽油机颗粒过滤器已经是轻型车的1项较成熟的技术。对于重型车,重点分析了既能满足低氮氧化物(NOx)排放要求又能提高耐久性的排放控制系统。还介绍了各种领先的NOx减排技术及其最新进展,简要论述了燃油对发动机的重要性,这些技术不仅能提高汽油压燃等先进燃烧方式的效率,也能通过采用可再生燃油或合成燃油来减少温室气体排放。未来,当车辆接近零尾气排放时,如何有效降低颗粒排放物将成为1个重要课题。

提高车轮内置电机的结构完善性

车轮内置电机为未来电动汽车的新驱动系统提供了1种最佳的结构方案,可通过直接设置在车轮中的电机来驱动车辆前进。相关文献主要涉及这种电机电磁主动件的优化问题,而对于电磁从动件也需要进行详细的分析和广泛的验证。为了达到车轮内置电机的最佳性能要求(包括耐久性要求),在进行电机的机械设计时需要进行壳体零件的拓扑优化、热态曲线设计、几何和尺寸公差检测,以及选择合适轮毂轴承,以确保持续稳定的电磁性能。重点阐述了作用在车轮内置电机上的各种负荷,典型机械设计过程的工作流程,以及为达到车轮内置电机总成的耐久性要求而进行的试验和验证过程。

中型车用发动机DPR-Ⅱ排气后处理系统

日本开发了一种不采用尿素溶液的名为“DPR-Ⅱ”的排气后处理系统。该系统采用柴油作为碳氢-选择性催化还原(HC-SCR)的还原剂来减少柴油机排气中的氮氧化物(NOx)。这项基本技术能在宽广的温度范围内产生很好的NOx还原性能,以达到日本2016年排放法规要求。

欧洲实施实际行驶排放法规的结果分析

空气污染对人类的健康产生了严重的危害。在欧洲,NO2和颗粒物(PM)排放量普遍都超出空气质量标准,尤其是在交通密集的城市地区。2017年,欧盟地区道路交通运输排放的氮氧化物(NOx)和PM在空气污染物中的占比分别达到了39%和11%。通过便携式排放测量系统(PEMS)获得的数据显示,大多数满足欧五和欧六b排放法规的柴油车在道路上的NOx排放量都超过了它们在试验室认证试验的允许限值。鉴于此,欧盟发布了欧盟实际行驶排放(EU-RDE)法规,宗旨在于确保轻型车在道路上正常行驶时产生更少的排放。对自2017年9月实施实际行驶排放(RDE)法规后,且已通过了型式认证的若干台欧六d-TEMP汽油机乘用车和柴油机乘用车的排放性能进行评估,分析了实施RDE法规的结果。欧盟内部的联合研究中心(JRC)用AVL-MOVE型PEMS对这些车辆进行了RDE达标试验和非RDE达标试验。分析了综合路段、城区路段、乡村路段和高速路段等全部试验路段的气态排放物(NO、NO2、NOx、CO、CO2)和颗粒数(PN)排放情况,重点试验了冷起动排放。阐述了排放量与车辆行驶动力学之间的相互关系。试验结果表明,为了在RDE法规的宽广行驶条件下满足排放限值的要求,车辆制造商们必须采用更高效的排气后处理系统,即必须采用选择性催化还原(SCR)系统和颗粒过滤器来控制NOx和PM的排放。可以预料,随着欧洲车队逐渐更换实施RDE法规,将有助于减少城市空气污染和空气质量超标的几率。