一、 重型商用车基于零NOx法规的先进减排技术

重型柴油商用车是国民经济发展中重要的生产资料，其具有运输灵活、高效便捷、成本较低优势。但其氮氧化物（nitrogen oxides, NOx ）和颗粒物 (particle matter, PM) 等有害物排放也是机动车大气污染的主要来源之一。世界各国纷纷建立并完善日益严苛的重型柴油车和发动机排放法规。据测算，我国重型车保有量1100多万辆，仅占我国汽车保有量的4.4%，但其排放的氮氧化物和颗粒物分别达到汽车排放总量85%和65%。

汽车是机动车污染物排放总量的主要贡献者，其排放的 NOx 占比超过 90%。柴油车NOx 排放量超过汽车排放总量的80%，重型货车NOx排放占比75.4%。对重型在用柴油车队(160辆)进行PEMS测试，发现在低速工作区间NOx排放很高，长途运输车在低于25mph时(城市市区工况)，NOx排放值为发动机认证值的7倍。典型的重型柴油后处理系统SCR直到冷起动后大约 400秒才能显著提升NOx转化效率。

国内外现行重型车排放法规对NOx进行了严格限制，从欧V到欧VI法规，测试循环从ETC切换到到WHTC，负荷整体降低，NOx限值从2.00g/kWh降低到0.46g/kWh；中国自2019年7月起实施国六重型柴油车排放法规，将NOx的排放限值较国五排放标准加严77%，增加了PEMS来控制车辆实际道路的排放，限值基本等同欧VI；加州空气资源委员会（CARB）的NOx超低排放限值降低到0.027g/kWh，并且试验循环 FTP代替WHTC，低负荷工况占比进一步增加，怠速工况超高比例。

2020年，CARB确定了未来的NOx减排标准，还包括引入低负荷循环(LLC)和怠速Idle排放限值；美国EPA将制定2027年重型车NOx减排标准，预计减少75%-90%，EPA还未确定是否引用LLC；欧六E最新增加PEMS冷启动的要求。在研下阶段标准中强调全工况NOx控制和限值加严。由此可见，未来法规对NOx限制更加严苛，强化全工况（低负荷、冷起动等）和实际道路NOx排放管控。

面临日益严苛的NOx排放法规，对世界主要重型车排放法规中超低NOx排放限制进行阐释，针对重型车实现近零NOx排放先进技术进行介绍，主要从进排气系统优化、热管理策略和先进后处理技术等方面进行分析。

针对一台两级增压的高压共轨重型柴油机，围绕高压废气再循环和低压废气再循环在不同工况下对两级增压系统、进排气参数和排放特性的影响机理开展试验研究。在提高EGR率的同时降低缸内最高燃烧温度，从而可有效改善NOx排放。通过合理的优化控制，NOx排放降低了58%~66%，同时在低转速、小负荷下，能减少 5.0%~9.5% 的燃油消耗率，但碳烟排放有所升高。研究表明，可以通过高低压EGR和两级增压的方法提高EGR率，降低燃烧温度，匹配分配压比和高低EGR率，从而降低NOx排放。

排气涡轮旁通技术。此技术具有以下优点：低速低负荷工况时，通过涡轮增压器和EGR旁通将排气直接输送至后处理，以实现后处理快速升温达到其工作温度。美国西南研究院在康明斯X15柴油机上进行了排气旁通改造，冷态FTP循环前400s后处理DOC温度平均增加50℃ 或更高，将DOC温度提升至200℃以上的时间缩短。排气旁通技术可以降低未来后处理架构的成本和复杂性，包括高效SCR和电加热催化器。但是此技术导致的一部分排气经旁通不经过涡轮直接到后处理，会导致涡轮增压动力不足，需要机械或电动复合涡轮增压器，以保持增压能力。

电加热后处理装置。德国Vitesco公司开发了电加热后处理系统并开展了试验：在排气系统DOC前位置安装最大电功率12kW电加热器；在美国联邦测试循环FTP冷起动期间有效提升排气温度，使得排气温度达到尿素喷射温度时间提前约200秒，FTP冷起动时NOx转化率提高了46%，FTP加权NOx排放显著降低。在沃尔沃MD13TC发动机（361 kW）后处理系统DPF下游和尿素喷射处之间加装2 kW电加热器，试验结果表明总体上可降低45%NOx排放。这些电加热装置虽可有效降低NOx排放，但是以增加能源消耗为代价的。因此，需要从车辆整体系统效率进行整体评估。

耦合汽车温差发电装置(Automotive Thermoelectric Generator, ATEG) 与废气电加热器(Exhaust Gas Heater, EGH) 以提升低负荷工况SCR温度。此EGH-ATEG 系统可以独立于车辆的电气系统，方便设计为没有额外的燃料和电能消耗的能量自给单元。试验结果表明，在欧六重型卡车上配置EGH-ATEG 系统，在发动机低负荷运行状态下，使用5 kW的EGH电加热器的传统催化装置可以将SCR效率从65%提高到95%。

美国西南研究院为康明斯X15柴油机评估选择的后处理包括一个LO-SCR和ASC、一个DOC和具有碳烟再生涂层的DPF，以及两个平行SCR 和 ASC 组，并且配置HC碳氢喷射装置以提升DOC温度。运行FTP测试循环和加州新的低负荷循环LLC，这加权 FTP的NOx 排放量略低于 0.02 g/hp-hr，而在低负荷循环的NOx排放量高约3倍为0.064 g/hp-hr。相较原有后处理配置（DOC+DPF+SCR+ASC），紧耦式SCR集成后处理系统的NOx排放在各测试循环具有大幅度降低，尤其满足了LLC测试循环中NOx的近零排放。以下对上述内容进行总结。

1.重型柴油车的NOx排放占比高、排放量大；低负荷和冷起动工况条件下NOx排放性能较差，而重型柴油车尤其城市用车低速低负荷运行特征明显且NOx排放量占比大。

2.现行法规要求相对严格，下阶段法规将重点针对全工况（低负荷、冷起动）和实际道路排放持续加严管控。如建立低负荷测试循环、考虑PEMS冷起动及评估计算方法等。

3.优化燃烧实现缸内净化+机外后处理净化。介绍了先进排放和热管理技术，如两级增压耦合高低压EGR、排气涡轮旁通、电加热后处理装置和先进后处理集成等技术；目前紧耦式SCR（ccSCR）技术路线较为成熟，耐久性较好、成本较低。

二、 复合涡轮技术节能低碳内燃动力技术

在商用车节能低碳法规日趋严苛背景下，降低油耗成为内燃动力研发的重点，在众多降低油耗的节能技术中复合涡轮技术近期表现抢眼，欧美众多车企布局研发推出应用此项技术的新产品。复合涡轮技术是利用动力涡轮从内燃机高温高压废气中提取额外能量，提取的废气能量可以添加到发动机曲轴或转换为电能。如果动力涡轮输出轴通过机械联动装置（通常是齿轮系）连接到发动机的曲轴，该技术通常被称为机械涡轮复合技术。如果动力涡轮机连接到发电机，则该技术被称为电动涡轮复合技术。本文对复合涡轮技术原理进行阐释并对近期欧美研发的搭载此项技术的典型产品进行解析。

机械涡轮已在柴油发动机中用于各种应用。在涡轮增压器涡轮和下游增加一个动力涡轮，或增加与涡轮增压器涡轮并联的动力涡轮，形成串联复合涡轮与并联复合涡轮。在重型发动机中，串联涡轮复合，即动力涡轮与涡轮增压器涡轮串联是最重要的配置。该技术可以提供几个百分点的效率优势，但这些优势可能会受到 EGR 的负面影响，EGR会转移来自动力涡轮机的气流。当排气能量超过涡轮增压器所需的能量时，并联涡轮复合是合适的，否则需要绕过涡轮增压器。

内燃机排气的热气流包含剩余能量，涡轮复合使用该气流来驱动第二个涡轮增压器，该涡轮增压器进而驱动连接到曲轴输出端的齿轮系。上图显示了两个不同系列涡轮复合系统的更多细节。沃尔沃系统使用轴流动力涡轮机，而较旧的斯堪尼亚系统使用径向流动力涡轮机，涡轮利用排气高温高压排气能量通过无级变速器 (CVT) 齿轮系传递给发动机曲轴进而增加系统机械输出功。

对于排气流量超过满足涡轮增压器需求所需的应用，动力涡轮机可以与涡轮增压器涡轮机并联布置。上图显示了Sulzer RTA 发动机的技术架构，高效增压系统 (η-Booster) 除了并联连接的动力涡轮外，还包含一个不同的高效涡轮增压器。更高的涡轮增压器效率意味着在某些发动机运行条件下可以获得额外的废气能量，这些能量可用于复合涡轮做功。上图油耗曲线显示了RTA 发动机与之前版本相比的比油耗BSFC的降低。重新匹配的涡轮增压器和动力涡轮组成的效率增压系统使得比油耗额外减少了高达 5 g/kWh。当动力涡轮机在低负载下脱离时，由于涡轮机总喷嘴面积较小，BSFC的降低仍然是可能的。

采用I-Save技术的沃尔沃 FH 的核心是全新的、最先进的Turbo Compound技术的13 升发动机。

由于涡轮复合技术，D13TC 发动机充分利用排气余热余压能。额外的涡轮机从废气中提取废能气体并将其转化为机械能。加置复合涡轮技术的D13TC较原版本的发动机，可以实现低转速下的高扭矩，发动机可以在低转速产生高达300 Nm的额外更高扭矩，提供了更多在整个转速范围内的效率——尤其是导致900到1400 RPM转速范围的高扭矩输出。

研究表明，废气能量约占重型车燃料热值的20-25%。通过复合涡轮可以实现约20%的废气能量能够回收，典型柴油机峰值功率工况可以提高功率10%。但是由于排气背压的增加，导致泵气损失增加，在全工况范围效率改善也面临着一些挑战，一般可使最大效率提高3-5%。涡轮输出轴通过减速机构与曲轴连接，最大涡轮速度7万转/分，柴油机转速1800转/分。为防止曲轴扭振损坏高速轴和涡轮，需要隔振。

图13 电动涡轮复合技术架构

机械复合涡轮的一个限制是，在发动机功率较低的情况下，由涡轮引起的背压实际上会降低发动机效率和燃烧的完整性，从而导致排放增加。涡轮复合总是会降低发动机本身的效率。在高功率下，涡轮机回收的能量多于损失的能量，从而实现净效率增益。在低功率下，这会逆转并降低效率。克服这一点挑战可能需要附加值，增加更多的复杂性。

电动涡轮复合（Electric Turbocompound, RTC）可以通过使用废气动力涡轮发电来避免无级变速器的复杂性和背压问题。目前有一些厂商开展了研究，当发动机以高功率运行时，废气中的多余能量用于发电。这可用于为涡轮增压器供电、为车轮增加动力或根据需要为电池充电。当发动机没有产生足够的动力或废气压力来为涡轮提供动力时，电池电量用于保持涡轮旋转，防止在动力需求增加时出现任何涡轮迟滞。ETC也用于大型商用发动机，例如重型车辆，以及燃气和柴油动力发电机组。与机械涡轮复合相比，ETC 更加简单，这意味着它对这些应用更具吸引力。虽然过去车辆很难使用所有产生的电力，但混合动力意味着它现在很容易使用。该技术的领导者之一Bowman Power已将ETC应用于包括卡特彼勒、康明斯等在内燃动力装置。

ETC类似于机械涡轮复合，但用废气驱动的交流发电机代替了机械涡轮复合的齿轮装置和液力耦合器。这种交流或直流电源可用于为附件供电，这样做可以减轻发动机交流发电机的负载。其优点是增加了独立于柴油机转速和负荷的独立控制涡轮的功率和速度的能力，可以通过驱动电机在需要的时候提速，改善动力性和排放特性。同时使内燃机电气化、混合动力装备上的附件采用电动附件成为可能，如冷却泵、油泵、冷却风扇、动力转向系统、空气压缩机和其他电力用能。但发电复合涡轮显著增加成本和复杂性、增加重量，同时需要性能更好的电池。

重点介绍了复合涡轮技术在先进内燃动力上的应用，可以分为机械涡轮复合技术和发电涡轮复合技术。在汽车节能低碳和油耗法规日趋严苛背景下，结合汽车尤其商用车发动机复合涡轮技术典型技术应用阐释了其工作原理和各自优缺点。目前以沃尔沃D13TC和康明斯为代表的重型商用车柴油机上的机械涡轮复合技术应用较为成熟，显示了较为理想的动力性和经济性；随着商用车内燃动力电气化和混合动力技术的发展，发电涡轮复合技术与之结合优化可能也会产生较大的节能潜力。

三、 甲醇重整制氢动力系统技术

世界各国都面临着能源和环境问题，而氢能被研究者认为是最有望解决能源和环境问题的清洁燃料。在碳达峰碳中和背景下，中国近期发布了《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，规划指出有序推进交通领域氢能示范应用车，鼓励发展绿氢转绿醇和绿氨，探索加氢站内制氢加氢一体化新模式。目前我国氢能在交通领域的应用现状还存在诸多痛点，主要集中在储运、加注方面。

氢气具有易燃、易爆、易泄漏和爆炸范围宽等特性，这些特性导致了氢气运输和存储成本高昂，加氢站属于氢气存储和供应环节，其建设和维护成本均远远高于加油站；搭载了多个高压储氢罐的氢能源汽车存在一定的安全隐患。常规加氢式燃料电池环保、效率高，但氢气的压缩、储存和运输面临的安全隐患与高昂成本成为制约氢燃料电池推广应用的主要障碍。

氢气的制取方法主要有: 水电解制氢、煤制氢、生物法制氢、烃类制氢和甲醇重整制氢等。其中甲醇重整制氢反应温度低、能耗少、氢气产率高、生成物污染少，并且甲醇具有价廉、易得、运输存储方便安全等优势；因为甲醇是液体，所以可以最大程度地利用现有基础设施，如加油站及其配套设备。因此，甲醇作为一种理想的氢气载体，在线甲醇水蒸气重整技术将会是氢能短板的一个解决方案。

当前甲醇可以以煤、天然气为原料，未来可以先用太阳能、风能制氢再与二氧化碳反应制取，或太阳能光催化二氧化碳和水制取，就形成了绿色甲醇。如今我国甲醇产能已达世界最高，至少为8000万吨/年。甲醇是天然的氢载体，其含氢量高，1kg甲醇可产生0.125kg氢气；易于储存，甲醇在常温常压下为液态，储运无需低温或加压；安全性高，甲醇在挥发、燃爆等方面与常规化石燃料相比安全系数最高，而且用甲醇作为储氢载体的成本具有较大优势。因此，在氢气制取与储输问题尚未得到有效解决前，采用车载甲醇重整制氢是燃料电池汽车氢气制取、运输、分配及加氢等环节存在问题的理想解决方案之一。

甲醇重整制氢微反应系统通常由供料单元、汽化蒸发单元、重整反应单元以及富氢气体后处理单元等多个模块组成。其中，供料单元是甲醇重整制氢反应系统的前端单元，为整个反应系统供应所需的原料，主要包括气源、储液罐和输液泵。

甲醇重整燃料电池发电是短期内基于PEMFC供氢需求最可能商业化的发电技术之一。其具备以下优势：在技术领域方面，重整效率较高，保障了燃料电池发电效率，系统余热可得到有效利用，有利于能源综合利用和可持续发展，此外，对环境友好且噪声污染较低。

目前商用车领域燃氢内燃机发展势头强劲，但同样氢的加注存在痛点。以色列理工大学L. Tartakovsky采用重整模拟气体和实际重整反应器等方式对甲醇重整制氢内燃机进行系统研究，采用甲醇重整的模拟气体或实际高压重整气体，研究结果表明，由于重整器制备的是混合气体，有CO2等而非纯氢，降低燃烧速度优化了燃烧模式，使得甲醇重整制氢内燃机的HC、CO、NOx、碳烟等有害排放物比汽油机低，热效率在不同功率范围内比汽油机高19%-30%。且供给给氢内燃机的氢不要求氢纯度达到燃料电池的级别，一定程度上为甲醇重整制氢系统降低了技术难度。

近期，为减少对化石能的依赖和降低环境污染，以氢燃料电池、氢内燃机为动力系统的技术不断发展。常温下作为液体燃料，加注简便、易于储存和运输。随着车规级甲醇重整在线制氢技术的不断创新发展完善，利用液体燃料尤其甲醇原位重整制氢结合燃料电池、氢内燃机可作为一个合理且经济的过渡解决方案。