汽油機國六后處理系統(tǒng)評價方法

姜文彬 肖凌翔 王雪 郭琦 周楠 張旭 曲吉磊

在為某款國六車型選定后處理方案的過程中，針對多次重復(fù)排放試驗和不同排放物數(shù)據(jù)，進行了科學(xué)的數(shù)據(jù)處理。通過對不同后處理方案進行評價計分，以量化的方式評價出最優(yōu)的后處理方案，并通過其他數(shù)據(jù)處理方法進行比較，從而論證了原數(shù)據(jù)處理方法的科學(xué)有效性。

國六排放法規(guī);后處理系統(tǒng);排放數(shù)據(jù);評價方法

0?前言

2016年12月23日，中華人民共和國環(huán)境保護部、中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局發(fā)布了《輕型汽車污染物排放限值際測量方法（中國第六階段）》[1]，該方法已于2020年7月1日起正式實施。2018年，國內(nèi)多地（北京、深圳、上海、天津等14個省市和地區(qū)）在2019年7月1日提前實施了國六階段輕型汽車排放法規(guī)。2020年4月29日，中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會等11個部門聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于穩(wěn)定和擴大汽車消費若干措施的通知》。該通知指出于2020年7月1日前生產(chǎn)及進口的國五排放標(biāo)準(zhǔn)輕型汽車允許其于2021年1月1日前在目前尚未實施國六排放標(biāo)準(zhǔn)的地區(qū)進行銷售和注冊登記。至2020年7月，我國已全面進入“國六”時代，國六排放標(biāo)準(zhǔn)較國五標(biāo)準(zhǔn)更為嚴苛[2]，國六b階段（2023年7月實施）排放限值較國六a階段排放加嚴30%，同時國六排放標(biāo)準(zhǔn)首次引入了顆粒物數(shù)量（PN）和質(zhì)量限值[3]。試驗測試循環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咏鼘嶋H行駛狀況的全球輕型汽車測試循環(huán)（WLTC）。國六b階段法規(guī)中首次提出實際道路試驗排放（RDE）試驗，并將隨國六b階段周期進行考核。

國六排放標(biāo)準(zhǔn)的實施對整車和發(fā)動機設(shè)計提出了新要求，特別是對整個后處理系統(tǒng)升級變動量較大，研發(fā)人員應(yīng)相應(yīng)考慮增加顆粒物捕集器等設(shè)備。

在國六排放階段，后處理排放系統(tǒng)所監(jiān)控的排放物有CO、總烴（THC）、非甲烷總烴（NMHC）、氮氧化物（NOx）、N2O、顆粒物（PM）、PN共7種。除了要了解各類污染物排放量的高低，多次試驗驗證還需要考慮一致性等問題。由于數(shù)據(jù)量較大，涉及因素和所開展的工作也相應(yīng)較多。

在國六階段排放試驗初期，基于試驗數(shù)據(jù)而對各種后處理系統(tǒng)方案進行準(zhǔn)確評價，從而得出簡單準(zhǔn)確的方案量化結(jié)果，進而選出最優(yōu)方案，是國六階段各車型面臨的全新問題。

1?試驗開展

1.1?試驗背景和方案統(tǒng)計

現(xiàn)有某車廠生產(chǎn)的N1類輕型貨車搭載了某公司生產(chǎn)的1.6 L自然進氣汽油機。研發(fā)人員對該車型進行排放標(biāo)定試驗，由于后處理系統(tǒng)總成方案尚未最終確定，需要在主要標(biāo)定數(shù)據(jù)基本確定的情況下，比較各方案優(yōu)劣。

參與試驗的車型共有4輛，分別將其設(shè)定為A1、A2、A3、A4。后處理方案則由甲、乙、丙、丁 4個不同廠家進行提供。其中，甲廠家提供了4種后處理系統(tǒng)方案，乙廠家提供了2種后處理方案，丙廠家提供了4種后處理方案，丁廠家提供了3種后處理方案。

1.2?試驗前準(zhǔn)備工作

1.2.1?試驗設(shè)備介紹

整車排放試驗臺主要包括轉(zhuǎn)轂系統(tǒng)及排放系統(tǒng)，均采用了AVL公司的產(chǎn)品（圖1）。

其中，轉(zhuǎn)轂系統(tǒng)適用于N1類（總質(zhì)量≤3 500 kg）輕型汽車，在（5～40 ℃內(nèi)）環(huán)境下可進行國四、國五、國六、歐5、歐6及其他相關(guān)排放的法規(guī)試驗。該轉(zhuǎn)轂包括兩驅(qū)常溫底盤測功機，常態(tài)下的最大吸收功率為153 kW，超載10 s時的最大吸收功率為258 kW，最大試驗車速為200 km/h。同系統(tǒng)中風(fēng)機的最大風(fēng)速為160 km/h，最大風(fēng)量為104 000 m?3/h。

排放系統(tǒng)主要包括定容取樣系統(tǒng)（CVS）、排放分析系統(tǒng)（AMA）、顆粒物取樣控制系統(tǒng)（PSS）、顆粒物計數(shù)系統(tǒng)（APC489）、司機輔助系統(tǒng)、稱重室及天秤，相應(yīng)測量精度均可達到國六及歐6相應(yīng)法規(guī)的測量精度要求。

1.2.2?車輛與試驗設(shè)備對接

為方便與試驗設(shè)備連接，在試驗車輛排氣尾管處焊接了快接法蘭，從而便于與定容取樣系統(tǒng)連接（圖2），墊片采用金屬墊片，整個轉(zhuǎn)接系統(tǒng)均采用金屬連接，從而防止高溫氣體與氣體通道發(fā)生反應(yīng)。

1.2.3?整車Ⅰ型排放試驗流程

在國六排放標(biāo)準(zhǔn)的要求下，整車I型排放試驗流程如下：

（1）核查樣車狀態(tài)，包括車號、發(fā)動機號、催化器系統(tǒng)狀態(tài)等相關(guān)信息如表1與表2所示;

（2）結(jié)合相關(guān)信息進行手動檔車輛換檔點的計算;

（3）將相應(yīng)車輛測試質(zhì)量等基礎(chǔ)信息輸入至轉(zhuǎn)轂信息表中，并對試驗車輛進行滑行試驗參數(shù)調(diào)整，直到連續(xù)2次試驗偏差在±10 N以內(nèi);

（4）按照WLTC測試循環(huán)對車輛進行預(yù)處理測試;

（5）經(jīng)過預(yù)處理后的車輛，應(yīng)在23±3 ℃的條件下進行6～36 h的浸車試驗，且將車輛均勻冷卻至設(shè)定的溫度（機油和冷卻液溫度應(yīng)在23±2 ℃范圍內(nèi)）;

（6）在不起動發(fā)動機的情況下，將試驗車輛固定至轉(zhuǎn)轂測功機上。

2?試驗結(jié)果處理

2.1?試驗結(jié)果確認及簡化處理

在試驗過程中，出現(xiàn)以下情況則視為無效，須將其

從最終數(shù)據(jù)整理和評價過程中去除：

（1）試驗不滿足國環(huán)試驗標(biāo)準(zhǔn)要求;

（2）試車邊界條件未能滿足（如溫度、濕度及換檔過程等信息）;

（3）試驗過程中發(fā)生誤操作導(dǎo)致熄火;

（4）試驗過程中車速超過規(guī)定速度公差要求時間單次超過1 s，或總次數(shù)超過10次;

由AVL數(shù)據(jù)處理設(shè)備自動生成CO、NOx、THC、PN等相關(guān)氣態(tài)排放物及顆粒物信息的結(jié)果信息與秒采信息，PM顆粒物質(zhì)量需要利用稱重室和天秤測量后，手動記錄到匯總結(jié)論中。

根據(jù)《GB 18352.6—2016輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第6階段）》的具體要求（表1、表2），由于不同排放物的限值不同，為了更直觀地顯示各排放物的當(dāng)前水平，此處將各排放物在與“劣化修正值”（如表3、表4）相加后，將各排放物的限值所占的百分數(shù)作為實際排放結(jié)果。

2.2?加權(quán)系數(shù)確定及評價

如上所述，該試驗過程共有13種方案，相同方案還要考慮到催化器載體的一致性及其與整車的適應(yīng)性（共有A1、A2、A3、A4 4類不同車輛）。因此，在該13種方案中，對每個方案進行6～20余次不等的試驗，每次試驗后得到簡化數(shù)據(jù)結(jié)果（表5），同時涉及參數(shù)也較多，13種方案的考評以及數(shù)據(jù)處理量較大。傳統(tǒng)的折線圖或數(shù)據(jù)對比方式，均無法直觀得出不同方案之間的對比結(jié)論，因此須將較多的排放數(shù)據(jù)結(jié)果進行簡化處理且保留相關(guān)權(quán)重較高的信息。

通過對加權(quán)系數(shù)進行數(shù)據(jù)簡化，即可達到簡化數(shù)據(jù)及量化方案評分的目的，但如何通過合理設(shè)定加權(quán)系數(shù)來保留最重要的信息，是基于此方法而主要探討的問題。

設(shè)定車輛數(shù)據(jù)，并對加權(quán)信息進行確認，4輛車輛中的A1車是立項早期的“騾車”，整車狀態(tài)較老，零部件狀態(tài)非最終狀態(tài)，A2、A3、A4車狀態(tài)一致，均為小批量試裝車?？紤]到在A1車輛上進行的排放試驗仍可在一定程度上反映排放方案優(yōu)劣，因而將A1、A2、A3、A4車輛權(quán)重比制定為1：3：3：3。

在各排放物中，本次試驗車輛的N2O在歷次試驗中均處在較低水平，不到限值的4%，因此后續(xù)處理不在考慮中。PM值同樣在歷次試驗中達標(biāo)率較高，與PN值也有較高相關(guān)性。由于PM檢測相對復(fù)雜，部分試驗過程未作計量處理，因此加權(quán)系數(shù)制定主要圍繞THC、CO、NOx、NMHC、PN這5組數(shù)據(jù)而開展。

表6為本次試驗數(shù)據(jù)處理所采用的主要排放物權(quán)重表，采用兩兩比較得出分數(shù)并以疊加修正分的方式來制定各排放物的權(quán)重。在不同方案及不同試驗中，PN的穩(wěn)定性最差，且方差較大，為關(guān)注度最高的項目; CO在此車型中的變化表現(xiàn)比其他氣態(tài)排放物更大，距離限值也更接近，被選定為關(guān)注度次高的項目。依次類推，根據(jù)數(shù)據(jù)中各排放物的實際表現(xiàn)，采用比較法，制定各排放物權(quán)重值。權(quán)重值依車型和配置的不同可進行調(diào)整。

將所有數(shù)據(jù)按照不同方案而進行整理歸類，只保留修正判定結(jié)果的占比，然后根據(jù)所有方案分別對單車同種排放物進行平均值及方差的求解（表7）。

根據(jù)文中設(shè)定的權(quán)重，計算甲Ⅰ方案最終排放物得分及方差。

依據(jù)此法得到各方案中排放物的平均值得分及方差如表8所示。

表8中排放物平均值越低，說明排放物水平距限值越遠，排放水平越好;排放物方差越大，說明排放結(jié)果一致性越差，越不穩(wěn)定。在基于乙I、丁II、丁III方案的臺架試驗過程中，發(fā)現(xiàn)GPF壓差較大，容易對后續(xù)耐久試驗及一致性產(chǎn)生不良影響，不建議作為最優(yōu)方案。

2.3?試驗結(jié)果確認及驗證

為驗證權(quán)重值的合理性，現(xiàn)將部分方案作為平均值方差處理，不考慮權(quán)重系數(shù)，得出相應(yīng)最終值對比，如表9所示。

對比參照組評分方法與實際方案相比，存在以下區(qū)別：

（1）各方案趨近（對照組為61.28%～66.74%，原測評方案為63.60%～75.11%）;（2）測試試驗次數(shù)越多的方案，方差也相應(yīng)越大;

（3）對比方案對于PN、CO等排放物的水平反饋不明顯;

（4）A1車測試次數(shù)多的方案，在對比驗證組中平均值明顯增加;

（5）評價方案與評價者主觀評價更加吻合，對比方案與主觀評價相差較大。

由此可知，得出的結(jié)果保留了各方案中最重要的項目，并實現(xiàn)了計算目標(biāo)。

3?結(jié)論

本文從實際應(yīng)用角度，研究了針對當(dāng)前國六各排氣系統(tǒng)方案的評價方法，主要從試驗設(shè)備、試驗前準(zhǔn)備、試驗過程管控和試驗結(jié)果處理等幾個方向進行歸納和總結(jié)。其中，對試驗結(jié)果處理進行了詳細描述，在本輪13個方案近200次排放試驗數(shù)據(jù)處理過程中，試驗效果較好，結(jié)合成本和市場開發(fā)情況得出了排氣系統(tǒng)方案的最優(yōu)解。

本文所描述的加權(quán)系數(shù)確定方案可根據(jù)不同車型、不同使用背景進行適度調(diào)整，并可推廣到更多實際應(yīng)用案例中。

[1]GB 18352.6—2016，輕型汽車污染物排放限值際測量方法（中國第六階段）[S].北京：中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2016.

[2]丁莉，鄒雄輝，戴春蓓，等.輕型車國六與國五排放標(biāo)準(zhǔn)比對分析[J].小型內(nèi)燃機與車輛技術(shù)，2019，48（03）：54-59.

[3]于向，崔鐵，修德江.基于綠色性能指標(biāo)選用建筑材料[J].礦業(yè)工程，2017，15（03）：62-64.