每年4月22日被命名为世界地球日，这是一个代表着现代环保运动的纪念日。世界地球日的第一次庆祝活动是在1970年，而这是一个关键的转折点，它大幅提高了美国人对环境问题的认知。短短几个月之内，美国便颁布了空气清洁法案（CAA）并成立了美国环境保护署（EPA），以减少由化石燃料产生的污染物排放到到空气中。

自那时以来，美国环保署陆续为非道路柴油机的运行设立了若干标准以减少非甲烷碳氢化合物（NMHC）、氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）的排放水平（见图表1）。Tier 4作为接下来的一个也是最后的排放标准签署于2004年，这个平台将推动排放限值趋于零并且要求在2015年扩大新技术的使用并控制柴油发动机的使用。

作为Tier 4标准实施的最后阶段，美国环境保护署（EPA）通过CAA强制要求通过调节燃料、机动车辆和非道路发动机排放水平来控制流动污染源，减少空气污染。车用燃料标准要求使用超低硫柴油（ULSD，硫15 PPM），炼油厂也应当满足相关规定。柴油车排放限值的规定主要针对氮氧化物和颗粒物，发动机制造商应当遵守相关规定。这些限制适用于在道路上行驶的各类车辆，包括越野车和非道路源（如船用发动机，机车，和固定式发电）。

控制污染排放的方法

为了满足Tier 4的终极要求，发动机制造商正在通过提高燃油质量、能效及可控燃烧技术和排气后处理系统三种常见的路径攻克问题。这些挑战带动了五种主要技术的开发和利用。

1）高压公共燃油轨道（HPCR）系统：HPCR系统具有先进的燃油喷射和燃烧设计，可调节燃油压力（22000-34000 PSI）和喷油时点。此系统在公用给油管中存储高压燃料的同时精确地控制喷油器在每次燃烧循环中实现若干次燃料输送。当燃料离开喷射器时，高压将其变成细小雾状，与多个喷射器输送合并，提高了燃烧效率，从而降低了废气排放。实现更有效、更清洁的燃烧效果，清洁排气以及较少的后续处理，即降低总成本。

2)冷却后的废气再循环（CEGR）：该CEGR系统是目前广泛使用的EGR系统的扩展。废气再循环可降低燃烧过程中消耗的氧气总量，降低了燃烧的峰值温度和氮氧化物的形成。冷却后的废气比未冷却的在燃烧中提供更多的气体。而废气的循环使用有效降低废气流中的氮氧化物。

3）选择性催化还原技术（SCR）：SCR将废气中的氮氧化物转换成无害的氮和水蒸汽。SCR系统在注入一种特殊催化剂前向柴油发动机的废气流中喷入的液体尿素（氨或其它水基流体作为柴油机排气处理液或简称DEF）。该DEF与柴油机废气和催化剂产生化学反应，把有害的氮氧化物转化成氮气、水和二氧化碳。 SCR技术可有效降低高达90％的氮氧化物的存在。

4）柴油氧化催化器（DOC）：DOC是另一个柴油发动机的排气后处理装置。该DOC是溢流道装置，含有钯/铂与氧化铝作为催化剂将碳氢化合物、一氧化碳、柴油颗粒和其它污染物氧化成二氧化碳和水。该DOC装置能够降低20％～30％的颗粒污染物。

5）柴油颗粒过滤器（DPF）：DPF是利用物理反应来捕集颗粒污染物以降低废气中的颗粒物质。DPF将过滤燃烧过程中产生固体废物的废气。压差监测整个过滤器堵塞，直到达到预定值为止。DPF能够减少95％以上的颗粒污染物。

发动机和OEM设备在Tier 4中的含义

近年来，发动机的制造商一直面临着许多一致的挑战：包括对整个燃烧循环控制要求的不断提高，额外组件的包装在符合Tier 4标准的同时努力保持相同的间隔空间，由于散热难度升高和气流空间不足导致的发动机内部的气温上升增加和持续符合排放标准。今天，发动机和设备制造商也面临着在保持合理成本的情况下，如何利用合适的技术根据发动机的特性和应用所规定的排放要求的挑战。设备制造商现在需要选择合适的组件及处理方案来满足EPA的要求。例如，一台挖掘机通常在满额定转速和负荷运行中，它利用CEGR、DOC和DPF技术以符合Tier 4的要求，同时一自卸型卡车将运行一个多样化转速的发动机且出现停机故障并仅利用SCR以符合标准。选定的发动机和后处理系统必须先通过符合氮氧化物及PM级别的测试和认证。

为了满足并确保符合Tier 4标准，现在发动机将需要更多的电子元件，同时也可能需要较大电子控制模块（ECM）来控制和监测附加的发动机的要求。发动机管理系统将需要进行显著升级以便利用更快的处理功率，提高内存和独特的编程和算法的标准，通过排放废气来控制来自独立系统的发电机进气。

目前正在开发和使用传感器必然比传统的传感器更为先进。提高传感器使用的便捷性和寿命，现在传感器的精度要求可以说是传统的两倍标准（0.5％FS与1％FS）且环境温度超过125℃的典型阈值。为了符合废气排放水平现在要求对传感器进行集成，支配输出和传感器精度成为系统的一部分。传感器也采取在发动机控制和排气管理中发挥更重要的作用。在此之前，系统运行中超出容限的情况可能不被注意，并被认为是几乎没有问题的，但现在一旦超出容限就可以被定义为违规排放的行为。

潜在的传感器压力值与系统压力（评估一个典型的为0～375 PSI的压力传感器，在225磅的系统压力下该标准要求可提供在228.75和221.75磅之间（最多为1.67％的误差）的任意位置的输出。较新的要求能提供226.875和203.125磅之间的输出（在0.82％的误差）。在较低压力下误差放大，100磅在标准输出结果中可能产生3.75％误差的系统压力，而输出值保持在1.875％为新的传感器的需求。）

传感器如果遇到较高的工作温度，其增加的热量会导致在同一容积的排放增加，加大额外的后处理负荷。然而，目前这些传感器的敏感部件通常不能满足新的温度要求，这可能导致系统运行超限甚至失灵。不精密的传感器读数会导致结果不符合Tier 4标准要求以及可能导致昂贵的设备故障、维护修理或在某些情况下会被罚款。

添加哪些传感器？

为了符合Tier 4排放的规则，设备制造商已经在他们的设备中添加了数十个传感器和执行器，进一步挤占发动机内的宝贵空间。但是，符合Tier 4排放标准的（SCR和DOC、EGR 和DPF或系统的其他组合）的最终方案，传感器的需求将有所不同。系统的任何组合，有可能需要NOx传感器以确保NOx排放水平保持下的EPA-调节水平。

HPCR系统可能用于任何最终的Tier 4解决方案中，作为控制提供有益于柴油发动机的先进燃烧技术。能够监测和维护28000磅燃料压力的压力传感器将需要与潜在此外的气缸内压力和温度传感器进一步协助在洁净燃烧技术上的控制。

CEGR系统也可能被使用于任何最终的Tier 4解决方案中，由于EGR系统的能力，减少进气氧浓度和燃烧温度并最终降低NOx的排放。EGR冷却器的添加是对空间限制和散热的挑战，最终提升机罩下温度和机罩下传感器的温度要求。

使用SCR技术的系统将温度传感器添加到SCR增压室和水平位中，压力和温度传感器将在DEF槽中使用。SCR系统降低和控制NOx的排放，与系统进行配对将减少废气中的颗粒物质。

结合DOC设计的系统使用贵重金属将废气转化为二氧化碳和水。DOC是一种贯穿设备的废气流，包括具有涂覆催化剂层的大表面积蜂巢状基层。催化剂层是由贵重金属组成。当废气流通过催化剂层，一氧化碳、气态烃和液态烃粒子被氧化来降低排放量。DOC在排气的温度超过阈值时可能产生不利影响。入口和出口温度传感器与DOC相关联并用于监控排气的温度。温度传感器的功能是通过车辆系统来监控排气温度。因为温度传感器的工作范围较大（例如：-40℃至800℃。），通常很难保证在整个范围中的精确度。

以物理原理的功能来降低排气的颗粒物质，DPF呈大蜂窝状，陶瓷过滤器涂覆有贵重金属物作为废气的催化剂在废气流的凝汽阀PM中。当该过滤器的转换足够影响反压力时，ECM将柴油燃料喷射到DPF中，提高温度和燃烧掉积聚的PM - 被称为再生循环的方法。DPF可以含有排气背压力传感器和/或压差传感器，另外再加上温度传感器监测再生循环过程。

实施改善措施

实施这些解决方案所减少的排放量等同于3500万辆的客车上路所产生的排放量。  

年减排量预计为738000吨氮氧化物和129000吨的PM。

据环保局统计，与最终实现和转换当前所有的非道路和越野柴油发动机库存，该方案将防止高达12,000人过早死亡，百万个失去的工作日，15000人的心脏病发作和6000儿童的哮喘。这些好处的价值超过40比1的费用比例。

推动EPA的排放法规，发动机制造商已经开发更清洁的能源，更高效的柴油发动机在非公路和越野的应用上。

进一步/未来需求

现在适用于Tier4的要求的解决方案正在努力进一步改善燃烧技术，减少或消除后处理技术呈现给客户，提供最经济有效的手段并且符合Tier4的要求。这个受关注的燃烧过程单独使用能减少或消除对高额费用的需求。最近的一项研究报告说，多个燃油喷射压力高达43,500磅配合使用一个系统CEGR既降低PM和NOx的水平又能符合Tier4的要求。另外，采用这种燃烧技术无需运用CEGR系统，只需要增加一个适度的SCR系统就能 Tier4的要求。

是否Tier5 即将来临？根据Tier4的内容和基础，这个行业应该预见到未来的法规和Tier5 可能会有的标准。未来的法规可能会包括效率标准（燃料消耗和空闲时间），以及粒子数与颗粒的质量和二氧化碳排放。虽然迄今为止没有提出过，越野车和非公路行业历史上也沿用了公路卡车市场的规定，未来的一年有可能会推出新的标准。