美國EPA排放確實嚴，應對正途看這邊

最近最火爆的系列新聞莫過於大眾汽車柴油發動機車型在美國市場排放檢測中「涉嫌作弊」，導致正常駕駛時氮氧化物NOx排量可能超出標準限值的10~40倍，被美國環保署處罰180億美元。並且大眾CEO文德恩也因此發表道歉申明後引咎辭職。那麼今天我們就圍繞著大家比較感興趣的四個問題，來探討一下美國的EPA排放標準到底有多嚴。而應對的正途又有哪些。

問題一，美國的EPA排放標準有多嚴？

先來張對比圖。如下圖一是美國EPA排放標準和歐洲Euro排放標準的對比。大眾此次「涉嫌作弊」的柴油發動機車型對應的EPA排放標準為下圖中的EPA T2-B5，即EPA Tier2 Bin5（等級2組類5）級別。其強制實施開始時間為2007年年初一直至今。相比對應的Euro 4,5,6(歐四，歐五，歐六)標準，EPA的氮氧化物NOx的限值明顯低非常多。而對應的顆粒排放物PM限值基本相同。那麼EPA的氮氧化物NOx的限值具體是多少呢？我們看下圖二所示，美國EPA Tier2 Bin5級別對應的氮氧化物NOx排放限值為0.05g/mi，即0.05克每英里。由於1英里=1.6公里。因此實際上換算成公里以後EPA標準的限值為0.03g/km。那歐洲Euro 4,5,6對應的限值為多少呢？我們看下圖三。如下圖三上半部分柴油發動機限值表格所示Euro 4,5,6分別對應限值0.25g/km、0.18g/km、0.08g/km。分別是EPA Tier2 Bin5級別限值的8倍、6倍和2.6倍。看了上面的數據你就知道美國EPA排放標準有多嚴格了吧。要知道歐洲Euro 6標準在2014年剛剛施行，而早在2007年EPA就限制了更加嚴格的氮氧化物NOx排放要求。對於目前國內的排放標準來說，更加接近於歐洲的排放要求。

問題二，實現美國EPA這樣的排放標準難嗎？

答案是要實現達標的NOx排放不簡單，尤其對於柴油發動機來說是個非常大的挑戰。氮氧化物NOx的形成過程是一個和溫度相關的化學反應過程。當發動機燃燒產生高溫時氮氣N2和氧氣O2在空氣中反應形成氮氧化物NOx。由於柴油發動機燃燒的機理不同於汽油發動機（汽油發動機為火花點燃，柴油發動機為壓燃），以及其物理化學特性的不同，柴油發動機在燃燒時產生的溫度更高，容易產生更多的NOx，因此面臨更嚴重的NOx排放問題挑戰。由於柴油發動機的內燃電控技術仍然還在持續改進中，目前還無法完全在燃燒時將NOx的排放降低到可以接受的程度。所以目前排氣後處理Aftertreatment技術仍然是柴油發動機降低NOx排放的必須手段。

在排放的尾氣中，氮氧化物NOx主要由93%的NO(一氧化氮nitric oxide)和5%的NO2（二氧化氮nitrogen dioxide）以及餘下的少了其他氮氧化物比如N2O（一氧化二氮nitrous oxide）組成。由於氮氧化物NOx是酸雨形成的主要原因，因此正在被排放法規越來越嚴格的進行限制。

問題三，什麼方法才是應對如此嚴格的美國EPA排放標準的正確方法？

如回答問題二時提到的，目前排氣後處理Aftertreatment技術仍然是柴油發動機降低NOx排放的必須手段。那麼針對排氣後處理Aftertreatment技術，主要關注點可以概括為三個關鍵詞EGR（廢氣再循環Exhaust Gas Recirculation），LNT（Lean NOx Trap吸附催化還原系統），SCR（Selective Catalytic Reduction選擇性催化還原系統）。

EGR（廢氣再循環Exhaust GasRecirculation）

顧名思義，EGR技術就是將燃燒過的廢氣再次引入氣缸參與燃燒的技術。由於燃燒過的廢氣氧含量很低，再次引入氣缸以後降低了氣缸內氧氣的比例。從而減少了富氧燃燒，進而降低了燃燒溫度。對應的由於富氧燃燒減少了，氮氧化物NOx的含量就減少了，不過動力輸出也會受影響降低。當然EGR技術涉及引入氣缸的廢氣比例，即排氣循環比例是通過發動機電控模塊ECM根據發動機工況和動力輸出需求實時調整的。因此其保證了對應動力輸出需求下較低的NOx排放。EGR技術是最早出現的排氣後處理Aftertreatment技術。並且在汽油發動機和柴油發動機中都可以使用。如果大家有機會接觸到通用別克老款君威或GL8的3.0L或2.5L V6汽油發動機，就會發現其早在2004年就配備了EGR廢氣再循環系統。如下圖一為2004年款通用別克GL8 V6 SFI汽油發動機。下圖二為別克V6 SFI汽油發動機所配備調整排氣循環比例的EGR電控閥特寫。在2004年大部分國內消費者還不清楚EGR技術的功能和作用時，通用已經用上了這樣的技術。這也從另一方面體現了當時美國的NOx排放要求之嚴格，使得以通用為代表的美國整車廠早於其他車廠開始採用相應的EGR技術降低NOx排放。

當然隨著時代的發展，EGR技術也得到了改進。目前主流的EGR技術包括高壓EGR和低壓EGR兩種。如下圖右上角所示的就是高壓EGR，即高壓EGR的兩端分別連接排氣的輸出口和進氣的輸入口，這兩個埠的壓力都是相對較高的。高壓EGR也是比較早出現的EGR技術。對應的下圖左邊所示的就是低壓EGR，即低壓EGR的兩端分別連接排氣管的尾段和進氣管的初段，這兩個埠的壓力都是相對較低的。燃燒後排出的廢氣（Exhaust Gas）通過排氣口流過了渦輪增壓器（Compressor），廢氣中的動能被傳遞給了進氣側，其壓力和溫度相應地有所降低。然後廢氣又流過了催化還原器和顆粒物過濾器（Particle Filter），其中的有害物質及顆粒物被消減和濾除同時廢氣的壓力和溫度進一步降低。然後處理過的廢氣在通過排氣擋板（Exhaust Flap）排出排氣管之前，其中的一部分廢氣通過EGR廢氣再循環的管路流向了進氣管。這部分廢氣通過EGR冷卻器（EGR Cooler）進一步降低溫度和通過EGR閥門按照一定的比例和進氣管中的空氣（Air Inflow）混合。然後廢氣和空氣的混合氣體通過渦輪增壓器（Compressor）加壓後通過增壓冷卻器（Supercharging Cooler）將因增壓所增加的溫度降到可以接受的水平並送入進氣管參與燃燒。高壓EGR和低壓EGR各有優勢，因此如下圖所示有時同時出現在同一套排氣後處理系統中。發動機電控模塊ECM會根據發動機的工況和轉速實時地對EGR系統進行調整。當發動機工作在低負荷或者怠速工況時使用高壓EGR系統。隨著發動機負荷和轉速的提升，逐漸切換到低壓EGR系統，增加排氣循環比例，從而在發動機中高負荷工況下有效的降低NOx排放。尤其在發動機的高負荷工況下，冷卻後的低壓EGR系統較傳統高壓EGR系統有更好的NOx排放消減效果。不過低壓EGR系統也對發動機電控模塊ECM提出了更高的要求。低壓EGR由於壓力較低，其流量和EGR節氣門開度呈現非常大的非線性。這就造成了發動機電控模塊必須根據排氣循環比例的需求，實時監控排氣循環流量，從而調整對應的EGR節氣門開度。

LNT（Lean NOx Trap吸附催化還原系統）

LNT技術是基於特殊催化劑組成的吸附裝置，可以吸附排氣中的氮氧化物NOx。這個特殊的催化裝置被稱為NOx Catalytic Converter氮氧化物催化器，或稱為NOx Storage氮氧化物存儲器（因為其可以吸附存儲NOx）。下圖一為氮氧化物催化器的刨面照片。下圖二為氮氧化物的工作原理，其特殊的特性可以將氮氧化物吸附在表面上。

各位可能要問了，既然這種催化器有吸附存儲NOx的作用。那要是存滿了NOx以後該怎麼辦？難道還要像凈水器濾芯一樣定期更換？答案是否定的。LNT吸附催化還原系統為了解決這個問題，當NOx的吸附存儲量達到一定以後必須進行一種再生模式（Regeneration Operation）。如下圖所示每隔60秒，當圖上部發動機普通工作模式Stratified Charge Operation產生的NOx（圖中小紅點）被大量吸附在氮氧化物催化器中。此時需要進入為時2秒的再生模式（Regeneration Operation）。此時發動機加濃了燃油的噴射，即使得燃油的配比大於所需要的空氣。這樣就有更多的碳氫化合物HC，一氧化碳CO進入排氣系統。通過HC和CO與吸附在氮氧化物催化器中的NOx反應，就可生成無害的氮氣N2，水H2O，二氧化碳CO2和氫氣H2。經過這個再生模式，催化器中的NOx得到了清除。又可以進入圖下部的普通工作模式，進行新一輪的NOx消減工作。

SCR（SelectiveCatalytic Reduction選擇性催化還原系統）

選擇性催化還原的選擇性體現在它並不是時時刻刻都在消減NOx。而是利用了尿素（Urea），具體為車用尿素（AdBlue），產生的氨（Ammonia）在SCR催化器中與NOx反應而轉化為無害的水和氮氣。而尿素這種消減還原溶劑又被稱為DEF（Diesel Exhaust Fluid柴油排放溶劑）。如下圖所示，左邊藍色部分的DEF儲罐通過DEF泵和噴嘴將定量的尿素噴入SCR催化器與NOx進行反應，從而降低NOx的排放。這個定量的尿素噴射過程被稱為配量（Dosing）過程。SCR技術可以有效的降低NOx的排放，不過它的確點就是必須消減還原劑尿素是消耗品，必須定期添加。相應的用車成本提高了。

那麼為了配量合適的尿素，必須知道當前的NOx含量。這個任務就交由一種特殊的感測器，NOx感測器完成。下圖一為來自日本NTK的NOx感測器。下圖二為NOx感測器的感測原理。其基於與氧感測器類似的機理。通過氧化鋯金屬遇氧離子能夠產生微量電荷的特性，從而將氧含量轉化成電信號。只不過NOx感測器更加敏感，它能夠將排氣中100ppm以下的NOx物質再次分解成N2和氧離子，通過氧離子再次轉化成電信號從而對應到NOx的含量。

問題三，大眾是如何以及為何在美國EPA排放測試中作弊？

關於如何作弊，在大眾的道歉申明以及美國EPA的違規公示中都有提到大眾採用了一種失效性裝置「Defeat Device」，即一種作弊軟體，能夠分辨出車輛是否在接受排放測試。當車輛在接受排放測試時使用Dyno（完美調教）模式。當車輛正常行駛時使用Road（道路）模式。之所示軟體可以識別到車輛正在進行排放測試，主要原因就是排放測試必須遵循特殊的測試工況。美國EPA排放規定對應的測試工況為FTP（聯邦測試程序Federal Test Procedure）。具體如下圖所示，FTP測試工況包括三個主要工況段，每個工況段所包含的路況和時間都是有嚴格規定的。那麼通過檢測這些既定的工況和時間就可以得出車輛正在進行排放測試的信息。

美國EPA的違規公示中所示的信息，此次大眾違規涉及近50萬輛大眾柴油汽車。而大眾也宣布涉事的配備EA189系列柴油發動機的汽車全球召回數量將達到1100萬輛。下圖一為美國EPA的違規公示的網站信息，下圖二為具體涉事的大眾車型。

那麼相應的涉事車型所使用的柴油發動機分為三代產品。

第一代Gen1柴油發動機採用了之前提到的EGR和LNT技術結合的排氣後處理系統。如下圖中可以看到LNT技術標誌性的氮氧化物存儲催化器（NOx Storage CatalyticConverter）。採用Gen1技術的EA189柴油發動機搭載在捷達Jetta車型上於2009年在美國上市。如前文提到的LNT技術的一個特點就是每隔一段時間需要進入再生模式對催化器中的NOx進行清除。因此相應的發動機動力會有一定的損失。在加上EGR技術在降低發動機燃燒溫度的同時也會一定的降低發動機動力。因此可能成為大眾作弊的主要原因，通過作弊迴避因降低排放造成的發動機性能下降。實際上大眾當年還重點宣傳其強大的柴油發動機技術，能夠在小型柴油轎車上在不使用SCR技術的前提下達到良好的排放以及優秀的發動機性能。而SCR技術將重點用於大眾的大型柴油轎車或者中型商用車上。這一宣傳也有很大可能造成西弗吉亞大學選擇大眾的柴油車型進行柴油發動機的研究，從而最早發現了大眾Gen1發動機的作弊現象。

第二代Gen2柴油發動機採用了之前提到的EGR和SCR技術結合的排氣後處理系統。如下圖中可以找到標誌性的低壓EGR以及SCR催化器和SCR噴射閥。在美國EPA發現大眾Gen1發動機的作弊問題以後，在2015年的5月開始針對大眾Gen2技術的EA189發動機進行調查。測試採用FTP工況，但特殊的是反覆循環測試前文提到的FTP第二工況段。測試發現在測試的初期SCR閥能夠正常的配量Dosing還原劑DEF從而保持NOx排放滿足標準（即工作在完美調教Dyno模式）。但後期SCR閥停止了配量Dosing，導致NOx排放超標（即工作在道路Road模式）。理論上大眾的Gen2柴油發動機採用的EGR SCR技術已經可以在保證發動機動力的情況下降低NOx排放到達標的標準。但此處仍然涉及作弊很有可能是出於通過作弊減少SCR技術所需的尿素溶劑的使用量，迴避用車成本增加問題。

第三代Gen3柴油發動機，引入了新的發動機代號EA288，於2015年正式在美國上市。其基於的是更新的EGR SCR技術。如下圖一所示EA288發動機所用的低壓EGR和SCR更靠近發動機，便於集成的熱管理。下圖二為EA288發動機的刨面照片。目前大眾申明Gen3的柴油發動機並未使用作弊軟體。不過美國EPA已經要求大眾在第三方機構的監督下全面地針對涉事的Gen1，Gen2， Gen3發動機車型進行召回後的調查。

綜上所示，根據比較美國EPA的排放標準確實非常嚴格。而且NOx排放一直以來都對柴油發動機是個非常大的挑戰。對應如此嚴格的排放標準，柴油發動機後處理技術是必須的手段。而後處理技術又離不開三個關鍵詞EGR，LNT，SCR。大眾涉事的發動機通過「失效性裝置」判斷是否正在進行排放測試，從而使用不同的工作模式。這很有可能出於兩個原因：一、通過作弊迴避因降低排放造成的發動機性能下降；二、通過作弊減少SCR技術所需的尿素溶劑的使用量，迴避用車成本增加問題。

實際上可以說美國市場本來就是一個不傾向於柴油車型的市場，柴油車型只佔總市場的2%。大眾目前在美國市場極低的佔有率就說明了問題。也許大眾當初就不該強行推廣柴油技術。也許像中國市場一樣推廣汽油發動機是個更好的選擇。再也許大眾應該讓用戶去選擇是否能夠接受發動機動力的降低或者用車成本的上升去換取更低的排放。但歸根結底，再多的也許也挽回不了大眾的作弊醜聞。有過錯就只能吞下苦果，這就是所謂的企業責任。

--------------------------------------------------------------------------------------------------

歡迎關注辣筆小星，你的關注，我的動力