輕型車國六與國五排放標準比對分析*

丁 莉 鄒雄輝 戴春蓓 劉 樂 秦宏宇

（1-上海汽車集團股份有限公司乘用車公司 上海 201804 2-中國汽車技術研究中心有限公司）

引言

隨著我國機動車保有量的持續(xù)增長，機動車污染物排放量高居世界首位。目前，城市的灰霾問題突出，機動車的NOx、PM和揮發(fā)性有機物VOCS（Volatile Organic Compounds）排放污染是重要的污染源。通過加嚴機動車排放標準能有效限制單車污染物排放量，抑制對環(huán)境污染的影響。我國在原有排放標準的框架下，參考歐盟排放體系，借鑒美國排放法規(guī)和全球技術法規(guī)，逐漸完善后形成了“史上最嚴的”輕型車排放法規(guī)——國六排放標準[1]。該標準于2016年12月23日正式發(fā)布，將于2020年7月1日在全國范圍內實施。為響應國家政策打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)[2]，國內的一些一線城市已經(jīng)準備提前執(zhí)行國六排放標準。

國六排放標準的測試程序、排放限值以及測試項目上較國五排放標準[3]發(fā)生了較大變化，本文詳細對比分析了國五與國六排放標準的差異。

1 國六與國五排放標準差異

國六與國五排放標準相比，差異主要體現(xiàn)在以下8個方面。

1.1 Ⅰ型試驗

1.1.1 工況循環(huán)差異

與輕型車國五排放標準相比，國六排放標準在測試工況循環(huán)上有了本質的變化，從國五的NEDC（New European Driving Cycle）穩(wěn)態(tài)循環(huán)轉換到WLTC（Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle）瞬態(tài)循環(huán)。循環(huán)曲線和特征參數(shù)分別如圖1和表1所示。

圖1 NEDC循環(huán)與WLTC循環(huán)曲線

表1 NEDC和WLTC循環(huán)特征參數(shù)

國五的NEDC穩(wěn)態(tài)循環(huán)是由市內（ECE，1部）和市郊（EUDC，2部）兩個部分組成，持續(xù)時間共1180s，理論行駛里程11.03 km，循環(huán)最高車速120 km/h，最大加速度1.04 m/s2，循環(huán)平均車速33.6 km/h。

國六的WLTC瞬態(tài)循環(huán)[4]是基于美國、瑞士、印度、歐盟、韓國和日本6個國家或地區(qū)車輛實際行駛工況特征開發(fā)的。開發(fā)過程涉及到不同的道路類型（城市、鄉(xiāng)村、高速公路）以及行駛工況（高峰期、非高峰期、節(jié)假日）。WLTC循環(huán)被認為是反映車輛實際行駛情況的，由4個部分組成：低速段、中速段、高速段和超高速段。循環(huán)持續(xù)時間1 800 s，理論行駛里程23.27 km，循環(huán)最高車速131.3 km/h，最大加速度1.67 m/s2，循環(huán)平均車速 46.5 km/h。

1.1.2 排放限值差異

輕型車國五和國六排放標準中Ⅰ型試驗的排放限值如表2所示。

表2 國五和國六排放標準的排放限值

從限值來看，與國五排放標準相比，第一類汽油車國六a的CO限值加嚴30%，其他污染物的限值不變；國六b的CO、THC和NMHC限值都降低了50%，NOx限值下降42%，PM限值下降33%。國五僅對裝直噴發(fā)動機的汽車提出PM的限值要求；國六對所有的裝點燃式發(fā)動機的汽車都有PM值要求，同時新增了PN的限值要求。此外，國六新增了N2O的限值要求。國六還要求企業(yè)申報整個測試循環(huán)的CO2的排放水平。國六a是國五到國六的過渡段，國六b才是真正的國六標準的排放限值。

1.1.3 測試程序差異

與國五排放標準相比，國六的測試程序發(fā)生了巨大變化。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）道路載荷測量及加載

根據(jù)輕型車國五排放標準，計算試驗車輛的道路載荷時，采用車輛的基準質量（RM）計算，即車輛的整備質量加100 kg。國六采用試驗車輛的平均質量（Mav）與旋轉質量（Mr）之和。旋轉質量（Mr）根據(jù)車輛的基準質量的3%估算。

滑行法測量道路載荷時，國五車輛滑行基準速度是從20 km/h開始，以20 km/h的步長增加到120 km/h。國六更嚴格，基準速度是以10 km/h的步長，從20 km/h逐漸增加到最高基準速度（130 km/h）。國六法規(guī)對車胎的胎紋深度，胎壓及使用條件給出了明確說明。

滑行時，國五要求試驗車輛裝載至其基準質量；國六則取試驗前后，試驗車輛、司機和設備的總質量的平均值，該平均值要不小于道路載荷系族中循環(huán)能量H或L的車輛的測試質量。

相比國五排放標準，國六還提供了扭矩儀測量法、道路載荷系族計算法和風洞法等額外的道路載荷確定方法。

2）底盤測功機道路載荷加載

底盤測功機上設置試驗車輛的道路載荷時，國五采用的是試驗車輛對應的當量慣量，每個基準速度點，測量值和底盤測功機的載荷數(shù)值的偏差在±5%以內。國六設置底盤測功機的當量慣量時，采用的是試驗車輛的測試質量（TM）和等效轉動慣量的和，且在每個基準速度點，測量值和底盤測功機的載荷數(shù)值的偏差在±10 N以內。相比國五的道路載荷設置，國六加載的模擬慣量更接近試驗車輛的運行狀況，且更嚴格。

試驗車輛的測試質量（TM）的計算公式如下：

TM=RM+MOP+MRVL（1）

式中：RM為試驗車輛的基準質量，kg；MOP為試驗車輛的選裝裝備質量，kg；MRVL為試驗車輛的代表性負荷質量；客車的代表性負荷為車輛最大負載的15%，kg。

3）換擋程序

對于手動換擋試驗車輛，國五的換擋時刻取決于NEDC循環(huán)曲線的速度和加速度，各車型的換擋時刻統(tǒng)一。國六標準為手動擋車型提供了一套完整的換擋點計算方法，手動擋車型的換擋點是根據(jù)循環(huán)速度段中，克服行駛阻力和加速度的需求功率與所有可能擋位下發(fā)動機可提供功率間的平衡來確定。相對國五的換擋過程，國六的換擋靈活且復雜，更利于體現(xiàn)車輛的真實駕駛性，但同時增加了試驗過程的不確定性。

1.2 Ⅱ型試驗

國六排放標準用實際行駛污染物排放試驗（RDE試驗）取代了國五的雙怠速試驗或自由加速煙度試驗，要求所有試驗車輛都必須進行該項試驗，且NOx、PN和CO的試驗結果應小于Ⅰ型試驗排放限值與符合性因子的乘積。符合性因子見表3。

1.3 Ⅲ型試驗

國五和國六標準的Ⅲ型試驗（曲軸箱污染物排放試驗）的試驗方法相同。運行工況如表4所示。另外，國六增加了對裝配壓燃式發(fā)動機車輛的試驗要求。

表3 符合性因子

表4 Ⅲ型試驗的運行工況

1.4 Ⅳ型試驗

與國五相比，國六的Ⅳ型試驗（蒸發(fā)污染物排放試驗）增加了對燃用汽油的混動車輛的試驗要求。試驗總時長增加近1倍，同時試驗過程變化大，試驗要求更嚴格。車輛的預處理由國五NEDC循環(huán)的1個1部和2個2部變成國六WLTC循環(huán)的低速+中速+2個高速段組成。國六增加至少12 h的高溫浸車和由國六的低速+中速+2個高速段和4個2 min怠速組成的高溫行駛，以測試車輛的熱浸損失。國六熱浸試驗的浸車溫度為38±2℃，熱浸試驗的環(huán)境溫度在33～41℃之間，高于國五熱浸試驗的環(huán)境溫度。晝夜換氣損失由國五的24 h增加到48 h。國六Ⅳ型試驗的試驗流程如圖2所示。

國六Ⅳ型試驗的排放值經(jīng)劣化系數(shù)0.06 g/test修正后，要求滿足Ⅳ型試驗的排放限值（如表5所示）。對第一類車，國六Ⅳ型試驗的結果最高為0.64 g/test，僅從排放限值來看，較國五的2.0 g/test加嚴68%。

1.5 Ⅴ型試驗

國五與國六的Ⅴ型試驗（污染控制裝置耐久性試驗）耐久里程累積方法相同，都可以采用實車耐久和臺架老化耐久，但測試試驗由國五的Ⅰ型試驗轉換為國六的Ⅰ型試驗。國六a的耐久里程與國五相同，為16×104km，國六b的耐久里程為20×104km。國六耐久里程有個過渡期，在2023年7月1日之前，國六b的耐久里程可為16×104km。此外，國六推薦的乘法劣化系數(shù)較國五更嚴格（如表6所示），同時國六還提供了加法劣化系數(shù)供企業(yè)選用。

1.6 Ⅵ型試驗

表5 國六Ⅳ型試驗的排放限值

表6 I型試驗劣化系數(shù)

與國五相比，國六Ⅵ型試驗（低溫下冷起動后的污染物排放試驗）的預處理循環(huán)由國五的NEDC循環(huán)轉換為WLTC循環(huán)的低速+中速段，同時測試循環(huán)由NEDC循環(huán)的1部轉換為WLTC循環(huán)的低速+中速段。國六加入了對NOx排放污染物的限值要求，同時THC和CO排放污染物限值加嚴33%。國五和國六Ⅵ型試驗各污染物排放限值如表7所示。

1.7 Ⅶ型試驗

加油過程污染物排放試驗（Ⅶ型試驗），即ORVR車載加油油氣回收系統(tǒng)試驗是國六標準新增的部分，適用于所有裝備汽油發(fā)動機的車型，包括使用汽油發(fā)動機的混合動力汽車。試驗主要由車輛預處理階段、I型試驗和加油控制系統(tǒng)處理行駛階段、加油排放測試3個階段組成。加油過程污染物排放試驗規(guī)程如圖3所示。

表7 國五和國六Ⅵ型試驗的排放限值

車輛預處理階段包括放油及加油、浸車、預處理行駛（Ⅰ型試驗測試循環(huán)）和預處理炭罐。

Ⅰ型試驗和加油控制系統(tǒng)處理行駛階段包括：Ⅰ型試驗行駛、加油控制系統(tǒng)處理行駛、放油及加油和浸車。其中整體控制系統(tǒng)車輛的加油控制系統(tǒng)處理行駛工況由WLTC循環(huán)的低-低-中-低速段組成，非整體控制系統(tǒng)的工況則為一個完整的Ⅰ型試驗測試循環(huán)。

加油排放測試階段是將汽車放置于密閉室，對該車加油和測量排放。

Ⅶ型試驗的限值為0.05 g/L?？紤]Ⅶ型試驗的劣化修正值0.01 g/L，試驗結果應不高于0.04 g/L。

1.8 OBD系統(tǒng)試驗

國六的OBD系統(tǒng)是在美標OBD II（2013）基礎上適度放寬監(jiān)測要求，閾值借鑒歐六c，同時將NMHC與NOx限值合并形成的。第一類車的國五和國六OBD閾值如表8所示。由表可知，國六的OBD閾值較國五加嚴，其中NMHC+NOx加嚴超過50%，PM加嚴76%。

圖3 加油過程污染物排放試驗規(guī)程

表8 第一類車的國五與國六標準的OBD閾值

國六OBD系統(tǒng)新增了很多診斷功能，演示項目增多，相比國五規(guī)定的4項故障演示試驗要求，國六更加嚴格。國六規(guī)定的演示項目有：排氣傳感器（氧傳感器）、EGR系統(tǒng)、VVT系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、失火、二次空氣系統(tǒng)、催化器效率、加熱型催化器系統(tǒng)、冷起動排放降低策略、蒸發(fā)系統(tǒng)以及其它排放控制系統(tǒng)。其中包括3個必選項（催化器、氧傳感器和失火的形式檢驗試驗）和2個任選項。

國六的OBD實際監(jiān)控頻率（IUPR）較國五嚴格。國五要求各項的最低監(jiān)測頻率不小于0.1，國六的最小監(jiān)測頻率取決于監(jiān)控項目，其中與排放相關項目的最小監(jiān)測頻率為0.336，如催化器、氧傳感器、EGR等，二次空氣系統(tǒng)、強制曲軸箱通風系統(tǒng)、GPF、冷起動、冷卻系統(tǒng)及綜合部件的最小監(jiān)測頻率為0.1。具體項目的最小監(jiān)測頻率如圖4所示。

圖4 國五與國六實際監(jiān)測項目最小監(jiān)測頻率對比

2 討論

從試驗過程和排放限值方面，國六排放標準較國五全面加嚴，涵蓋面更廣泛，有利于提高車輛的污染物排放控制水平，降低機動車排污對環(huán)境的影響。企業(yè)應對排放標準升級需升級對應的控制技術。國六排放限值加嚴，使得引入更先進的燃油供給系統(tǒng)成為必然，如多孔噴油器和高壓噴射[5]、多次噴射技術[6]、混合噴射技術等[7]；后處理器成本增加，包括增加貴金屬含量，增大催化器載體體積，提高催化器的耐久性能。法規(guī)對所有車輛提出PM和PN的限值要求是引入GPF的契機，這將進一步加大后處理器布局的難度和成本。蒸發(fā)排放加嚴和ORVR試驗的引入，使得燃油系統(tǒng)需要重新設計改造，同時增加對炭罐的標定，導致整車成本加大。OBD監(jiān)控項目增加，導致電控系統(tǒng)的硬件增多，軟件升級，標定周期加長，造成開發(fā)成本增加。

3 結論

輕型車排放標準的升級有效限制單車污染物排放量，控制主要污染物的排放總量，抑制機動車排氣污染物對環(huán)境污染的影響。輕型車國六排放標準與國五排放標準的差異主要在于：

1）國六排放標準較國五標準限值加嚴，國六b較國六a的排放限值進一步加嚴至少30%；試驗測試循環(huán)轉變?yōu)楦咏鼘嶋H行駛狀況的瞬態(tài)循環(huán)WLTC。

2）法規(guī)首次提出實際道路試驗排放要求，減小了道路實際排放與試驗室排放的差異。

3）重視加油過程污染物排放的影響，增加對揮發(fā)性有機物VOCS排放的控制。

4）OBD的監(jiān)控項目增多，監(jiān)測頻率增大，有效地監(jiān)控汽車的尾氣排放。