“雙碳”目標下內燃機技術革新將再提速 低排放技術助推高質量發展

“滿足下一階段排放標準已無相關國際經驗可以借鑒，未來面臨更多不確定性。結合中國實際情況，如碳中和目標，我國將進一步加嚴機動車排放控制要求，也會更加關注整車在實際道路運行狀態下的排放特點。這對我們的產品滿足下一階段排放標準提出更高要求，增加了開發難度，帶來一些難題。”

做好碳達峰、碳中和工作是中央經濟工作會議明確的2021年八大重點任務。今年政府工作報告也提出，“扎實做好碳達峰、碳中和各項工作。”在此背景下，多行業、多領域、多企業按下減碳“快進鍵”，汽車內燃機行業就是典型代表。

相比國五排放標準，國六尤其是國六b標準對機動車污染物排放限值提出了更為嚴格的要求。就此，整車企業和零部件供應商加快了技術探索和產品研發的步伐。

♦ 國六標準下技術路線升級

面對2023年7月1日全面實施國六b排放標準的要求，不少城市選擇跳過國六a階段，直接向國六b進軍。資料顯示，在國六b階段標準中，一氧化碳、總碳氫化合物、非甲烷碳氫化合物、氮氧化物、顆粒物排放限值相比國五標準分別加嚴了50%、50%、49%、42%和33%，并且還規定了直徑超過23nm的粒子數量限值。橫向對比，國六污染物排放限值已與歐Ⅵ排放標準相當，而對蒸發排放和OBD的要求接近美國現行排放標準，嚴格程度可見一斑。

排放標準更高，對發動機的技術要求自然也隨之提升。天津大學教授、內燃機燃燒學國家重點實驗室副主任姚春德向《中國汽車報》記者表示：“為滿足國六排放標準，發動機后處理必須做出相應改進，考慮到柴油機和汽油機、天然氣發動機技術路線不同，在不同發動機改進上也有所區別。目前柴油車后處理器的主流技術路線是EGR(廢氣再循環)+DOC(氧化催化)+DPF(顆粒捕捉器)+SCR(選擇性催化還原)+ASC(氨捕捉)。不同企業可能略有區別，但均包含DOC+DPF+SCR這幾個步驟。”

據了解，柴油車后處理技術的基本原理是，尾氣通過發動機的EGR裝置，實現初步凈化。接著，尾氣進入DOC，DOC的蜂窩陶瓷載體上涂抹多孔活性氧化鋁作為第二載體，在其上添加各類催化劑，使得尾氣得到最大化處理，同時提升尾氣溫度。通過DOC凈化并升溫的尾氣將經過DPF，DPF通過堵塞通道等方法降低氣流速度，使尾氣流經通道壁時，夾雜的顆粒物被吸附，這些顆粒物部分將在高溫條件下被清除，必要時還需專門的再生裝置予以去除。之后，尾氣進入SCR系統，SCR系統會噴射尿素溶液，尿素通過與尾氣中氮氧化物等污染氣體進行一系列化學反應，將污染氣體轉化為清潔氣體。最后，尾氣會進入ASC，用于凈化尿素分解產生的氨氣。

“TWC(三元催化轉換器)+GPF(顆粒捕捉器)，成為國六標準下汽油機的主要技術路線。其中，TWC可用于處理汽車尾氣中的碳氫化合物、氮氧化物和一氧化碳三種污染氣體;GPF主要用于減少PM和碳氫化合物排放。國六標準新增了對汽車尾氣顆粒物數量(PN)的排放限值要求，加裝GPF成為國六標準下的主流技術。”姚春德補充道。

♦低排放技術助推高質量發展

面對國六標準的要求，不同企業在技術路線選擇方面各有側重。重型商用車方面，玉柴、濰柴、一汽解放發動機事業部等企業，一方面對后處理裝置進行技術性改進，減少污染物排放;另一方面加強系統集成性、電動化及燃料多元化以實現節能減排。輕型車方面，東安動力、云內動力等企業也加強布局，專注動力升級。

玉柴相關負責人向記者表示：“在后處理系統方面，為滿足國六標準要求，柴油發動機采用EGR+DOC+DPF+SCR+ASC排放控制技術路線，將后處理與發動機的控制策略及協同功能集成到ECU進行控制，確保后處理系統高動態、高效的轉化效率。國六發動機通過采用新一代超高壓共軌燃油系統、高壓冷卻EGR系統、閉式曲軸箱通風系統等機內凈化措施，控制柴油機原機排放。”

濰柴主要采取ECR+HiSCR和ECGR+DOC+DPF+SCR技術路線，其中，HiSCR又稱碳氫催化轉化，利用乙醇作為還原劑，利用氧氣提高氮氧化物的轉化率、水蒸汽促進低溫時的反應速率原理，降低污染物排放;EGR+DOC+DPF+SCR的技術路線則在輕型機領域得以應用，以WP4.1發動機為例，四氣門、高壓共軌、增壓中冷(布置)型式等配置齊全，同樣滿足歐Ⅵ排放標準，且自主ECU、高效SCR技術，DPF被動再生的解決方案還能使油耗更低。

一汽解放發動機事業部也十分注重核心技術的自主研發，首創國內自主集成共軌+自主氣驅后處理系統的“黃金組合”。集成共軌部分通過將高壓油泵、壓力傳感器和自主研發ECU集成到閉環系統中，將噴射壓力的產生和噴射過程完全分開，實現對公共供油管內油壓的精確控制，可大幅減小柴油機供油壓力隨發動機轉速的變化。其自主研發的氣驅動尿素噴射系統也填補了中國在該領域的技術空白，具有系統集成度高、結構簡單、故障率低等優點。

東安動力有關人士向記者表示，他們在深入研究國六排放標準、商用車第三階段油耗法規，并廣泛調研市場競品車型的基礎上，進行了系統規劃布局。“東安動力重點打造了自然吸氣發動機、增壓直噴發動機和新能源汽車專用發動機三大平臺，開發DAM15K/16K、DAM12T/TGDI、DAM15TGDI、DAM10E四大核心產品，提供發動機+變速器的動力總成一體化解決方案。同時，我們采用雙VVT設計、11.5：1的高壓縮比、阿特金森循環、活塞冷卻噴嘴、多孔噴油器、強制機油冷卻、電子節溫器等先進技術，針對開發的DAM16K發動機，測試質量2.2噸以下輕卡，具備不加GPF就能滿足輕型車國六b標準的潛力。”他介紹說。

♦標定認證亟需顛覆性探索

從我國機動車排放標準的發展來看，升級間隔時間變短，升級產品的開發周期也在縮短。對于下一步排放標準的升級和將催生的技術路線，內燃機企業有著比較清晰的認識。

玉柴相關負責人指出：“滿足下一階段排放標準已無相關國際經驗可以借鑒，未來面臨更多不確定性。結合中國實際情況，如碳中和目標，我國將進一步加嚴機動車排放控制要求，也會更加關注整車在實際道路運行狀態下的排放特點。這對我們的產品滿足下一階段排放標準提出更高要求，增加了開發難度，帶來一些難題。”

對車企和零部件供應商來說，滿足國六排放標準的壓力不小，排放升級進程持續加快可能導致產品市場驗證不足，而原材料成本持續上漲、全球芯片荒帶來的供貨壓力，也是所有企業將面臨的挑戰。

姚春德告訴記者：“現行的技術路線主要是以WLTC(世界輕型汽車測試循環工況)為測定標準。它是由歐盟、日本、美國聯合制定的，其適用性對于中國市場可能存在不合理的地方。一方面，為迎合測定標準的技術路線本身有一些隱患，比如SCR系統加噴尿素成本過高，后處理器單價高、易被盜等;另一方面，市場普遍趨同的技術路線，在一定程度也將阻礙內燃機技術路線多樣化發展。”

據介紹，測定標準的更新在很大程度上決定了內燃機未來的技術趨勢。姚春德認為：“未來，有關部門應進一步鼓勵內燃機企業探索更具顛覆性的技術路線，向燃料多元化、標定自主化的方向發展。”

玉柴相關負責人認為，發動機企業關鍵還是要提升自己的競爭力，努力將重點放在產品性能提升上。

據悉，玉柴未來在產品低碳化發展方面將做好以下幾點工作：一是積極參加下一階段排放標準研究工作，承接與之相關的低負荷測試課題;二是充分進行性能方面的技術研究儲備，包括高效燃燒技術、后處理高效轉化技術、預測性智能化控制技術、高度集成化協同控制技術等，為應對產品排放的高標準奠定堅實基礎;三是根據發動機性能燃燒特性、后處理技術路線的研究和儲備，同步建立完善的后處理匹配技術;四是在整車匹配排放控制技術上，考慮將整車排放測試通過整車系統模型遷移到臺架測試研究，達到大幅降低資源需求和提升效率的作用;五是開展虛擬標定技術開發，精準精細進行基于模型的發動機標定開發。(張雅慧)