輕型柴油商用車油耗排放法規(guī)及技術(shù)對策分析

王學(xué)磊 孟慶闊 張立淼

摘要：輕型商用車第三階段油耗限值于2018年實(shí)施，輕型汽車國VI排放標(biāo)準(zhǔn)將于2020年起實(shí)施，因此，輕型柴油商用車面臨著嚴(yán)峻的油耗和排放法規(guī)升級壓力。加強(qiáng)對節(jié)能減排技術(shù)的梳理，采取有針對性的技術(shù)路線和組合，成為企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

近來，雷諾與華晨的合資以及江淮與大眾的第二家合資公司，均定位于輕型商用車的研發(fā)、生產(chǎn)與銷售。繼乘用車、新能源汽車之后，輕型商用車成為新的合資熱點(diǎn)，盡管近年來國內(nèi)輕型商用車市場存在較大波動，但是市場前景可期。從標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的角度看，輕型柴油商用車面臨著日趨嚴(yán)峻的節(jié)能減排壓力，因此，多種節(jié)能減排技術(shù)的綜合利用成為關(guān)鍵。

輕型柴油商用車油耗法規(guī)分析

1 輕型柴油商用車油耗測試方法分析

輕型柴油商用車油耗測試方法按照GB/T19233-2008《輕型汽車燃料消耗量試驗(yàn)方法》執(zhí)行，該標(biāo)準(zhǔn)替代的是GB/T19233-2003《輕型汽車燃料消耗量測試方法》，總體而言，參照歐盟（EU）93/116/EC指令《關(guān)于機(jī)動車二氧化碳排放量和燃料消耗量》進(jìn)行編寫的，規(guī)定了測試工況、燃料消耗量的試驗(yàn)方法和計(jì)算方法。

目前，該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)使用多年，存在以下幾方面的問題：

（1）試驗(yàn)工況：非瞬態(tài)工況，市區(qū)市郊里程分配不合理，怠速比例等差異。

（2）無法全面評價(jià)車輛的節(jié)能與排放性能，如低溫、空調(diào)使用、高海拔等。

（3）試驗(yàn)加載質(zhì)量、分段加載方式不合理。

（4）部分節(jié)能技術(shù)效果無法體現(xiàn)或體現(xiàn)不全面。

（5）現(xiàn)有固定漸變系數(shù)（0.92）設(shè)置不合理。

因此，GB/T19233-2008《輕型汽車燃料消耗量試驗(yàn)方法》將啟動修訂，主要目標(biāo)是：在更貼近我國實(shí)際車輛油耗狀態(tài)需求的驅(qū)動下，首選采用中國工況作為燃料消耗量測試基準(zhǔn)工況和附加工況；在滿足油耗測試需求的前提下，盡量從試驗(yàn)規(guī)程、族系劃分等方面與國VI排放標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)，減輕行業(yè)負(fù)擔(dān)。

2 輕型柴油商用車油耗限值分析

GB20997-2007《輕型商用車輛燃油消耗量限值（第一、二階段）》于2008年2月1日起實(shí)施，是我國第一個(gè)控制商用車輛燃料消耗量的強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)定2011年1月1日起，輕型商用車必須達(dá)到第二階段限值要求。

GB20997-2016《輕型商用車燃油消耗量限值（第三階段）》于2016年1月批準(zhǔn)發(fā)布，2018年1月1日起實(shí)施。加嚴(yán)了車型燃料消耗量限值要求；選擇整備質(zhì)量代替“最大設(shè)計(jì)質(zhì)量+排量”作為燃料消耗量的評價(jià)參數(shù)。

輕型商用車第3階段燃料消耗量的限值見表1和表2。其中，對于具有下列一種或多種結(jié)構(gòu)的車輛：

a）N1類全封閉廂式車輛；

b）Nl類罐式車輛；

c）全輪驅(qū)動的車輛。

其限值是表1或表2中的限值乘以1.05，求得的數(shù)值圓整（四舍五入）至小數(shù)點(diǎn)后一位。

輕型柴油商用車排放法規(guī)分析

輕型柴油商用車排放法規(guī)按照GB18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》執(zhí)行，該標(biāo)準(zhǔn)于2016年12月發(fā)布，并于2020年7月1日起實(shí)施。與第五階段相比，主要在以下幾方面存在變化：

（1）變更了I型試驗(yàn)測試循環(huán)，加嚴(yán)了污染物排放限值，增加了汽油車排放顆粒物數(shù)量測量要求；

（2）采用燃油中立的原則，對于汽油車和柴油車采用相同限值標(biāo)準(zhǔn)；

（3）將實(shí)際行駛污染物排放（RDE）試驗(yàn)定為II型試驗(yàn)；

（4）修訂了對車載診斷系統(tǒng)的監(jiān)測項(xiàng)目、閾值及檢測條件等技術(shù)要求；

（5）修訂了獲取汽車車載診斷系統(tǒng)和汽車維護(hù)修理信息的相關(guān)要求；

（6）修訂了生產(chǎn)一致性檢查的判定方法和在用符合性檢查的相關(guān)要求。

從排放限值來看，國VI排放標(biāo)準(zhǔn)分為兩個(gè)階段，其中a、b階段限值分別如表3和表4所示。

在實(shí)施日期方面，自標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布之日起，即可依據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行型式檢驗(yàn)；自2020年7月1日起，所有銷售和注冊登記的輕型汽車應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)要求，其中I型試驗(yàn)應(yīng)符合6a限值要求。自2023年7月1日起，所有銷售和注冊登記的輕型汽車應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)要求，其中I型試驗(yàn)應(yīng)符合6b限值要求。

輕型柴油商用車節(jié)能技術(shù)分析

應(yīng)對油耗法規(guī)的升級，動力總成相關(guān)技術(shù)是重要手段。通過行業(yè)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，整車、發(fā)動機(jī)及變速器企業(yè)均加大了對動力總成節(jié)能潛力的挖掘，多種前沿技術(shù)成為行業(yè)集中研發(fā)的重點(diǎn)，部分國外輕型柴油車采用的節(jié)能技術(shù)逐漸被引進(jìn)到國內(nèi)的產(chǎn)品上來，具有前瞻性的企業(yè)率先開始了新技術(shù)的研發(fā)、試制和推廣。

1 動力總成節(jié)能技術(shù)

整體來看，目前行業(yè)關(guān)注度比較高的動力總成節(jié)能技術(shù)包括：高壓共軌、可變截面增壓器（VGT）、增壓復(fù)合、電控附件、可變氣門技術(shù)（VVT）、啟停技術(shù)、降摩擦技術(shù)以及多檔位變速器技術(shù)等。從國內(nèi)市場來看，當(dāng)前對先進(jìn)的動力總成節(jié)能技術(shù)應(yīng)用偏少，而國外的輕型柴油車市場相應(yīng)的技術(shù)研究起步早，積累了一定的基礎(chǔ)。通過對國際上知名的研究機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可知不同技術(shù)的節(jié)能效果差異明顯，如表5所示。

整體來看，國內(nèi)輕柴車型動力總成技術(shù)的應(yīng)用表現(xiàn)出如下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）電控附件涵蓋的細(xì)分技術(shù)較多，企業(yè)選擇面廣在上述節(jié)能技術(shù)中，電控附件技術(shù)作為技術(shù)包涵蓋多種細(xì)分技術(shù)，不僅行業(yè)關(guān)注度廣泛，而且應(yīng)用形式各異，不同領(lǐng)域的企業(yè)往往根據(jù)需求選擇研發(fā)和裝備不同的技術(shù)，如表6所示。

（2）高壓共軌成為必選技術(shù)路線，噴油壓力逐步攀升隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的逐步升級，高壓共軌技術(shù)逐漸成為燃油噴射系統(tǒng)的主流技術(shù)路線，成為行業(yè)普遍的選擇。目前，國內(nèi)輕型柴油車產(chǎn)品在升級國IV后基本都采用高壓共軌技術(shù)來實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)本體的節(jié)能減排目標(biāo)。通過調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前高壓共軌的噴油壓力集中在1600?1800bar的區(qū)間內(nèi)，將來為滿足國VI排放標(biāo)準(zhǔn)，噴油壓力將進(jìn)一步提升至2000bar以上，對干降低油耗水平具有顯著的意義。典型企業(yè)的高壓共軌噴油壓力變化情況如表7所示。

（3）多檔化成為變速器的重要發(fā)展方向

從變速器的應(yīng)用來看，國內(nèi)主要以5檔手動變速器為主，隨著輕柴產(chǎn)品的升級，越來越多的企業(yè)逐漸采用6檔變速器。當(dāng)前已經(jīng)采用多檔變速器的主要產(chǎn)品及車型如表8所示。

（4）降摩擦技術(shù)具有較高的節(jié)能性價(jià)比，成為行業(yè)共性選擇

發(fā)動機(jī)摩擦功的降低有很多途徑，包括低粘度機(jī)油、DLC涂層、低摩擦材料附件系統(tǒng)，以及材料的輕量化等均對油耗的降低產(chǎn)生積極作用，而且對發(fā)動機(jī)本體改動小、無需控制策略的調(diào)整，成本較低。

2 整車相關(guān)的節(jié)能技術(shù)

除動力總成節(jié)能技術(shù)之外，輕量化、空氣動力學(xué)（降低風(fēng)阻）、低滾阻輪胎（降低滾動阻力）等整車相關(guān)節(jié)能手段也是輕型柴油車重要的節(jié)能技術(shù)。根據(jù)國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的評估，可知降低空氣阻力、降低滾動阻力和輕量化的節(jié)能效果如表9所示。

（1）空氣動力學(xué)——降低空氣阻力

空氣動力學(xué)主要是降低車輛行駛時(shí)的空氣阻力（風(fēng)阻），在高速工況下對油耗的影響最為顯著。相關(guān)研究表明，風(fēng)阻約消耗車輛運(yùn)行所需燃油的40%左右，對于在高等級公路上行駛的輕型柴油車，若空氣阻力系數(shù)降低30%，可降低油耗10%以上。因此運(yùn)用空氣動力學(xué)降低風(fēng)阻是重要的節(jié)能手段，對于貨車來講，主要考慮駕駛室造型、駕駛室頂部大燈、外置喇叭或后視鏡等產(chǎn)生擾流作用的部件、遮陽罩、側(cè)防護(hù)欄、導(dǎo)流罩（駕駛室側(cè)導(dǎo)流板和前擾流）等因素，對于客車來講，也逐步開發(fā)了適用于量產(chǎn)車的空氣動力學(xué)零部件，如擾流板（Spoiler）、風(fēng)幕（Air Curtain）、主動進(jìn)氣格柵、側(cè)裙（Skirt）、底盤平整化、尾翼、擴(kuò)散器等。

（2）低滾阻輪胎——降低滾動阻力

輪胎滾動阻力約消耗車型運(yùn)行所需燃油的30%，因此利用低滾阻輪胎降低車輛行駛的滾動阻力可以顯著降低燃料消耗量。與傳統(tǒng)輪胎相比，低滾阻輪胎的花紋、側(cè)壁及輪轂的尺寸有所不同。低滾阻輪胎直徑更大，輪胎每轉(zhuǎn)動一圈行駛距離更長，低滾阻輪胎胎寬也比較窄，可以減少與地面的接觸面積，進(jìn)而降低輪胎的滾動阻力。但是會導(dǎo)致其在濕滑路面的起步和剎車遲滯、疲軟，在一定程度上影響消費(fèi)者的選擇。

國內(nèi)外的輪胎供應(yīng)商在進(jìn)一步降低滾動阻力方面展開了深入的研究，并取得了一定的進(jìn)展。目前提高輪胎性能方面主要采取兩方面的策略：一方面，通過材料創(chuàng)新，如SSBR-溶聚丁苯橡膠、高分散性白炭黑等；另一方面，通過輪胎骨架、結(jié)構(gòu)和輪廓的優(yōu)化，尤其是花紋設(shè)計(jì)的優(yōu)化，使輪胎負(fù)荷下的應(yīng)變和應(yīng)力得到合理分布。這些技術(shù)策略，均可以有效降低內(nèi)摩擦生熱及滾動阻力。

（3）輕量化技術(shù)——降低車重

輕量化技術(shù)是廣受行業(yè)關(guān)注的重要技術(shù)之一，據(jù)相關(guān)研究表明，汽車整備質(zhì)量每降低10%，油耗可降低6%?8%。從技術(shù)手段上看，汽車輕量化技術(shù)可以分為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕量化材料的應(yīng)用和先進(jìn)制造工藝等3個(gè)方面。輕量化的主要技術(shù)見表10。

根據(jù)企業(yè)調(diào)研情況來看，國內(nèi)企業(yè)主要集中在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和輕量化材料的應(yīng)用兩方面，在輕量化工藝方面存在著欠缺；同時(shí)，出于成本、承載力和耐久等方面考慮，輕量化技術(shù)的應(yīng)用仍受到較大的限制。

輕型柴油商用車排放控制技術(shù)分析

從排放控制技術(shù)來看，主要包括機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)和機(jī)外凈化技術(shù)：

1 機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)

傳統(tǒng)的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)主要是指單純的對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)、燃油噴射系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)等進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到降低排放的目的。

首先，在進(jìn)氣系統(tǒng)上，發(fā)動機(jī)主要通過以下技術(shù)達(dá)到降低排放的效果，如廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（EGR）可以降低燃燒室內(nèi)混合氣的氧濃度和提高混合氣的比熱容，達(dá)到降低燃燒溫度的效果，可以有效抑制氮氧化物（NOx）產(chǎn)生；采用增壓中冷技術(shù)，可以提高發(fā)動機(jī)的充氣效率，降低進(jìn)氣溫度，優(yōu)化燃燒，明顯改善PM和NOx的排放；發(fā)動機(jī)采用多氣門技術(shù)，可以顯著改善進(jìn)排氣，可以一定程度上優(yōu)化排放；通過可變氣門正時(shí)技術(shù)改善排放，這主要是由于可變氣門正時(shí)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)不同程度的內(nèi)部EGR，可變氣門正時(shí)通過改變進(jìn)、排氣相位，得到不同的氣門重疊角，從而對缸內(nèi)的殘余廢氣系數(shù)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了不同程度的內(nèi)部EGR，因此，精確的氣門正時(shí)控制可以實(shí)現(xiàn)HC、CO、NOx的同時(shí)優(yōu)化。

其次，在燃油噴射系統(tǒng)上，發(fā)動機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)提高排放水平的重要措施和基本保證，通過電控燃油噴射系統(tǒng)可以根據(jù)發(fā)動機(jī)工況的變化，實(shí)時(shí)對噴油脈沖時(shí)刻、噴油量、氣門開度等進(jìn)行精確控制，在提高燃燒效率的同時(shí)顯著降低排放。柴油機(jī)主要采用高壓共軌+多次噴射技術(shù)，通過較高的噴射壓力使燃油充分霧化，各缸的燃油和空氣混合達(dá)到最佳，使燃燒更加充分，降低HC和CO排放；同時(shí)采用多次噴射技術(shù)，將一個(gè)噴油循環(huán)分為預(yù)噴、主噴、后噴等多個(gè)環(huán)節(jié)，達(dá)到同時(shí)降低PM與NOx排放的目的，并可以提高排氣溫度，使催化器快速起燃。

第三，在燃燒系統(tǒng)上，柴油機(jī)通過燃燒室優(yōu)化，也可以達(dá)到改善燃燒、降低排放的作用。汽油機(jī)通過可變壓縮比技術(shù)，實(shí)現(xiàn)隨著負(fù)荷變化連續(xù)調(diào)節(jié)壓縮比，在負(fù)荷小時(shí)提高壓縮比，在負(fù)荷大時(shí)調(diào)低壓縮比實(shí)現(xiàn)大功率和高扭矩輸出，在提高熱效率的同時(shí)降低排放。

發(fā)動機(jī)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)還有一些其他手段：怠速起停技術(shù)可以使發(fā)動機(jī)在遇到紅燈或堵車時(shí)，發(fā)動機(jī)自動熄火，可在綜合工況下減少5%的CO排放。此外，發(fā)動機(jī)復(fù)合技術(shù)發(fā)展顯著，一些新型的復(fù)合凈化技術(shù)也得到了應(yīng)用，如復(fù)合EGR技術(shù)、復(fù)合增壓技術(shù)、雙渦管單渦輪等先進(jìn)增壓技術(shù)也對發(fā)動機(jī)機(jī)內(nèi)凈化起到良好效果。

2 機(jī)外凈化技術(shù)

機(jī)外凈化技術(shù)主要是通過后處理裝置實(shí)現(xiàn)，是滿足未來排放法規(guī)的主流趨勢。目前行業(yè)存在著多種柴油機(jī)機(jī)外凈化技術(shù)路線：

第一種常見的是SCR路線，即先通過強(qiáng)化機(jī)內(nèi)燃燒來降低顆粒物排放，再用SCR來降低因燃燒優(yōu)化而產(chǎn)生的NOx排放。該路線在歐洲采用較多，能夠滿足歐IV和歐V排放標(biāo)準(zhǔn)。此外，該技術(shù)路線在美國也適用，EPA規(guī)定大部分重型柴油車在2007年須裝備SCR。

第二種是EGR+DPF路線，即先通過EGR降低燃燒溫度以降低機(jī)內(nèi)NOx生成，再用DPF捕集因使用EGR而增加的顆粒物，從而達(dá)到同時(shí)降低NOx和PM的效果。該路線在美國采用較為普遍。

從表11的比較中可以看出兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)。為滿足歐V及以上排放法規(guī)，可能要在機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)的基礎(chǔ)上，將SCR和DPF兩者結(jié)合使用。

建議

為滿足輕型柴油商用車的油耗排放法規(guī)，建議進(jìn)一步提高高壓共軌的噴油壓力，對于城市工況較多的車型采用啟停技術(shù)，可同時(shí)降低油耗和排放。在節(jié)能方面，還可以采取高效渦輪增壓技術(shù)、可變氣門技術(shù)；以電控附件、潤滑油技術(shù)等降低附件功和摩擦功；通過輕量化技術(shù)、空氣動力學(xué)技術(shù)及低滾阻輪胎技術(shù)，降低整車阻力。在排放控制方面，通過優(yōu)化熱管理、降低催化器起燃溫度、提高排氣溫度等手段降低冷啟動階段發(fā)動機(jī)排放；通過VGT增壓技術(shù)、怠速起停技術(shù)等降低城區(qū)工況、怠速工況下排放水平；采用DOC+DPF+SCR的后處理技術(shù)。

此外，為保障輕型柴油商用車節(jié)能減排工作落到實(shí)處，建議政府主管部門在管理制度、標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)和財(cái)稅政策方面加強(qiáng)引導(dǎo)和支持，促進(jìn)輕型柴油商用車市場的健康發(fā)展。