重型汽油車國六排放法規(guī)討論稿解讀及試驗研究

王謀舉 陳國棟 任亞為 王昊 楊才鈺 蘇海龍

摘要：通過與重型車現(xiàn)行排放法規(guī)以及輕型車國六排放法規(guī)的對比分析，對重型汽油車新排放法規(guī)討論稿進行了詳細解讀。對滿足輕型車國五法規(guī)的某車型開展試驗研究，分析分別采用重型車和輕型車國六排放法規(guī)的具體表現(xiàn)，識別重型汽油車國六排放法規(guī)達標的難點所在，并給出了應對策略。

Abstract： Through the comparison with the current emission regulations of heavy-vehicles and light-vehicles， the draft of the new emission regulation of heavy-vehicles with gasoline engines is interpreted in detail. An experimental study was carried out on a certain vehicle that met the requirements of the CHINA Ⅴ regulation for light-vehicles， and the specific performances of CHINA Ⅵ emission regulations for heavy-vehicles and light-vehicles are analyzed. The paper points out the difficulties of meeting the requirements of CHINA Ⅵ emission regulation and gives the countermeasures.

關(guān)鍵詞：重型汽油車;國六;排放

Key words： heavy-duty vehicles with gasoline engines;CHINA Ⅵ;emission

中圖分類號：X734.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）20-0023-05

0? 引言

2016年12月，輕型車國六排放法規(guī)GB 18352.6-2016 《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》發(fā)布，2018年6月重型柴油車國六排放法規(guī)GB 17691-2018 《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》發(fā)布。目前輕型車和重型柴油車已全面實行國五排放法規(guī)，并正向國六階段過渡。而重型汽油車排放法規(guī)還停留在國四階段，2019年底完成《重型汽油車污染物排放限值及測量方法（中國五、六階段）》內(nèi)部討論稿（以下簡稱重型汽油車法規(guī)），代表著重型汽油車國五、國六階段即將到來，本文對其主要變化點及帶來的影響進行詳細解讀，并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)對排放結(jié)果進行量化研究。

1? 與現(xiàn)行法規(guī)對比的主要變化點

重型國四排放法規(guī)（GB14762-2008）僅包含CO、THC和NOX三種排放物。測試試驗在發(fā)動機臺架進行，使用重型汽油機瞬態(tài)循環(huán)，限值寬松，較易達成。

新法規(guī)對比國四法規(guī)有明顯變化，主要體現(xiàn)在以下三方面。

1.1 測試場所

新法規(guī)要求在底盤測功機上使用實車進行排放測試，從而能更全面反映車輛真實排放水平。

1.2 測試循環(huán)

新法規(guī)測試循環(huán)為C-WTVC，是以世界重型商用車瞬態(tài)循環(huán)WTVC為基礎(chǔ)，調(diào)整加速度和減速度而得。

1.3 排放物種類和限值

國四排放法規(guī)只有3種排放物，見表1。新法規(guī)除將這3種排放物限值加嚴外，還增加了6種排放物，分別是NMHC、PM、PN、N2O、HCHO和CO2，見表2。

2? 與輕型車法規(guī)對比的主要變化點

輕型汽車指最大設計總質(zhì)量不超3500kg的M1類、M2類和N2類汽車，重型汽車指最大設計總質(zhì)量大于3500kg的M類和N類車輛，見圖1。

輕型車國六法規(guī)中規(guī)定 “在生產(chǎn)企業(yè)的要求下，最大設計總質(zhì)量超過3500kg、但不超過4500kg的M1、M2和N2類汽車可按本標準進行型式檢驗。”重型汽油車法規(guī)中規(guī)定“若本標準適用的M1、M2類或N2汽車已按GB18352.6（國六）的規(guī)定進行了型式檢驗，則可不按本標準進行型式檢驗?！奔磮D1中陰影區(qū)域車輛可使用以上兩部法規(guī)中任意一部進行型式檢驗。以下主要對比兩部法規(guī)I型試驗的區(qū)別。

2.1 排放物種類

輕型車法規(guī)監(jiān)測排放物有7種，分別是CO、THC、NMHC、NOx、N20、PM和PN，而重型汽油車法規(guī)在此基礎(chǔ)上增加了對HCHO和CO2的監(jiān)測。對于輕型車，CO2使用油耗方式進行考核，并未將其列入排放法規(guī)。而重型車法規(guī)將CO2直接列入排放法規(guī)中進行考核，會導致CO2不達標的車型，無法通過型式檢驗，更無法進行銷售，對車企是一個挑戰(zhàn)。

2.2 排放物限值

輕型車國六排放法規(guī)I型試驗分為六a和六b兩個階段，見表3和表4。國六a除CO稍微加嚴，其他排放物與國五相同，國內(nèi)多地直接跳過國六a施行國六b，大部分車企均針對國六b車型進行研發(fā)，下文討論的輕型車國六排放均指國六b。

輕型車法規(guī)按照車輛種類不同規(guī)定了不同的排放物限值，分為第一類車和第二類車，第二類車又根據(jù)測試質(zhì)量（TM）分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三個等級。

重型汽油車法規(guī)按照汽車總質(zhì)量（GVW）將車輛分為6個等級，前兩個等級規(guī)定了具體排放物限值，后面四個等級的排放限值依次為前一等級的1.2倍。

由于兩部法規(guī)適用車輛種類不盡相同，這里選取輕型車質(zhì)量最高級別（TM>1760kg）和重型汽油車國六法規(guī)質(zhì)量最低級別（3500kg<GVW≤5000kg）進行7種共有排放的對比，除PN限值相同外，輕型車法規(guī)另外6種排放物限值均小于重型汽油車，在重型汽油車法規(guī)限值的50～60%之間，見表5。

2.3 測試循環(huán)

輕型車國六使用WLTC循環(huán)，即全球輕型車統(tǒng)一測試循環(huán)，由低速段（0～590s）、中速段（590～1023s）、高速段（1023～1478s）和超高速段（1478～1800s）四部分組成，見圖2。

C-WTVC循環(huán)分別由市區(qū)循環(huán)（0～900s）、公路循環(huán)（900～1368s）和高速循環(huán)（1368～1800s）三部分組成，見圖3。

兩個循環(huán)的運行時間相同，WLTC循環(huán)的最高車速和最大加速度要比C-WTVC高很多，平均車速比C-WTVC略高，見表6。

2.4 排放結(jié)果計算方法

WLTC的排放結(jié)果直接由分析儀測得。重型車排放測試循環(huán)由冷機、熱機2個C-WTVC循環(huán)組成，冷機循環(huán)試驗后間隔20min進行熱機循環(huán)試驗，排放結(jié)果由冷、熱循環(huán)試驗結(jié)果加權(quán)計算得出，權(quán)重分別為0.14和0.86。這種冷熱循環(huán)加權(quán)計算方法參照了重型柴油車國六法規(guī)中WHTC循環(huán)排放的計算。

2.5 試驗阻力加載方法

輕型車法規(guī)進行道路阻力滑行及WLTC循環(huán)試驗時，加載質(zhì)量為測試質(zhì)量。而重型汽油車法規(guī)加載質(zhì)量為最大設計總質(zhì)量，比輕型車測試質(zhì)量大很多。

3? 試驗研究

選取某品牌一款車型分別進行輕型車國六和重型汽油車國六法規(guī)Ⅰ型試驗，進行發(fā)動機運行工況點和排放結(jié)果的對比。該車型使用V8T汽油機，最大設計總質(zhì)量介于3500～4500kg之間，排放滿足輕型車國五法規(guī)。為消除不同車輛、轉(zhuǎn)轂和駕駛員操作差異的影響，使用同一車輛、轉(zhuǎn)轂和駕駛員進行該試驗。

3.1 發(fā)動機運行工況點的對比

WLTC循環(huán)最高車速和最大加速度分別是C-WTVC循環(huán)的1.5和1.8倍，平均車速是C-WTVC循環(huán)的1.1倍，因此WLTC循環(huán)發(fā)動機的工況點在萬有特性曲線中較高轉(zhuǎn)速和負荷區(qū)域要比C-WTVC循環(huán)覆蓋范圍更廣，見圖4。WLTC循環(huán)最高轉(zhuǎn)速達到2480rpm，最大負荷為122%，而C-WTVC循環(huán)最高轉(zhuǎn)速和最大負荷分別為2123rpm和93%。

3.2 排放結(jié)果對比

為消除單次試驗誤差，每個I型試驗均進行了3次測試，取3次結(jié)果平均值進行對比。受試驗測試設備條件限制，無N2O和HCHO測量結(jié)果，由于N2O較易達標，不再進行比較，只進行另外6種共有排放物的對比。以下從五個方面進行對比。

3.2.1 冷機排放結(jié)果對比

WLTC循環(huán)和C-WTVC的冷機循環(huán)均由冷機起動開始測量排放物直至循環(huán)結(jié)束，選取兩者排放結(jié)果進行對比，C-WTVC循環(huán)CO、HC、NMHC、PM和PN明顯好于WLTC，在后者52%以內(nèi)，NOX結(jié)果相當，見表7。

對比WLTC和C-WTVC循環(huán)排放秒采數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)大部分排放物產(chǎn)生在起動后100s內(nèi)，除NOX外，其他排放物占比均在75%以上，見圖5～圖8。主要由于這段時間發(fā)動機冷卻液、催化器等溫度較低，燃油霧化效果差造成。另外，這段時間前氧基本處于開環(huán)狀態(tài)，空燃比控制效果比閉環(huán)時差很多，這對排放也有較大影響。

兩個循環(huán)的排放差異主要產(chǎn)生在前100s。WLTC循環(huán)從起動到起步，中間有12s怠速時間，而C-WTVC循環(huán)只有5s怠速時間。C-WTVC循環(huán)起步早，排氣流量大，因此催化器起燃較快，且前100s內(nèi)C-WTVC循環(huán)的催化器溫度一直高于WLTC，對排放物轉(zhuǎn)化效率更高。另外該車型并未專門針對WLTC或C-WTVC循環(huán)進行標定，且兩個循環(huán)不同時間的工況點不同，WLTC循環(huán)在40～80s處的空燃比比C-WTVC循環(huán)偏濃較多，這也會造成該階段CO、HC和PN等排放物明顯高于C-WTVC，見圖9。

3.2.2 C-WTVC冷機與熱機循環(huán)排放結(jié)果對比

熱機C-WTVC循環(huán)開始時發(fā)動機水溫為85℃，起動階段噴油量少，燃油霧化效果好，所以發(fā)動機原始排放物產(chǎn)生較少。另外起動時催化器溫度為352℃，高于起燃溫度，能將大部分排放物凈化。因此熱機循環(huán)排放結(jié)果明顯好于冷機循環(huán)，見表8。可以看出除NOX升高外，熱機循環(huán)其他排放物都在冷機循環(huán)35%以內(nèi)。

熱機C-WTVC循環(huán)NOX高主要因為熱機起動后空燃比過稀造成，經(jīng)過一定程度標定數(shù)據(jù)優(yōu)化可以使NOX達到與冷機循環(huán)相當?shù)乃健?/p>

3.2.3 加權(quán)計算后的排放結(jié)果對比

重型汽油車Ⅰ型試驗排放結(jié)果根據(jù)冷機和熱機結(jié)果加權(quán)計算而得，冷機循環(huán)占14%，熱機循環(huán)占86%。由于熱機循環(huán)結(jié)果占比很大，因此加權(quán)后結(jié)果更接近熱機。冷機時產(chǎn)生較多的CO、THC、NMHC、PM和PN經(jīng)加權(quán)計算后，結(jié)果都在冷機循環(huán)的41%以內(nèi)，見表9。

由于重型汽油車法規(guī)的特殊計算方法，CO、THC、NMHC、PM和PN的排放量比輕型車法規(guī)低很多。除NOX外，其他排放物都在WLTC循環(huán)的23%以下，見表10。

3.2.4 國六排放結(jié)果達標情況

WLTC測試結(jié)果無法滿足輕型車國六法規(guī)，除NOX在限值以內(nèi)，其他排放物為限值的110～860%倍，若考慮劣化系數(shù)和工程目標，則超出更多。除了CO2在下節(jié)單獨討論外，C-WTVC測試結(jié)果滿足重型汽油車國六法規(guī)，同時也滿足排放工程目標，見表11。

3.2.5 CO2排放結(jié)果

通過以上可知，重型汽油車排放法規(guī)較易達標，但這僅針對和輕型車法規(guī)共有排放物，由于重型車法規(guī)增加了CO2，需看其能否達標。

重型車國五階段CO2限值參考了工信部發(fā)布的《GB 30510-2018 重型商用車三階段油耗限值》，為338g/km，相當于油耗14.3L/100km。國六階段也將參考“重型商用車四階段油耗限值”，由于新的油耗限值尚未出臺，所以暫未給定國六階段CO2限值（2022年7月前給定）。參考各階段“重型商用車油耗限值”變化情況，預測四階段油耗限值比現(xiàn)行的三階段（GB30510-2018）會加嚴10～11%，即國六CO2限值會比國五加嚴10～11%，約為301g/km，相當于油耗12.7L/100km。

該車型CO2能滿足重型車國五法規(guī)，但無法滿足國六法規(guī)。見表12和圖10。

因此無論選擇哪部法規(guī)進行型式認證，均需對車輛進行相應技術(shù)升級。

4? 排放法規(guī)達標技術(shù)方案分析

以上試驗車型必須進行技術(shù)方案升級，才能滿足輕型車或重型汽油車國六排放法規(guī)。

4.1 輕型車國六法規(guī)達標技術(shù)方案分析

試驗車型除NOX滿足輕型車國六排放法規(guī)，另外5種排放物均超限值，可以采用缸內(nèi)直噴技術(shù)、GPF顆粒捕集器、催化器升級和免過露點前氧傳感器等技術(shù)手段進行升級以降低排放物的產(chǎn)生。

4.2 重型車國六法規(guī)達標技術(shù)方案分析

由于重型汽油車排放法規(guī)升級較慢，重型汽油機的技術(shù)水平一般落后于輕型汽油機，另外該車型定位為高端車型，消費人群更注重車輛的駕駛性和舒適性，對油耗關(guān)注度低，整車上并未過多考慮降油耗技術(shù)，因此無法滿足國六法規(guī)CO2要求。

可以采用缸內(nèi)直噴、怠速起停、閉缸技術(shù)、車身輕量化、降低滾阻風阻等技術(shù)來降低CO2排放。

以上技術(shù)方案大部分已在輕型車上應用，此處不再贅述，重型汽油車由于排放法規(guī)滯后，應用較少。為滿足輕型車或重型車國六法規(guī)，該車型需要采用其中的一種或多種技術(shù)方案，還需要對開發(fā)周期和成本綜合考慮以選擇最優(yōu)方案。

5? 結(jié)束語

重型汽油車新排放法規(guī)根據(jù)冷機和熱機的排放結(jié)果進行加權(quán)，最后得出總的排放結(jié)果，由于熱機所占比例為86%，因此就常規(guī)排放物來說，重型汽油車國六排放達標難度遠低于輕型車國六。

但重型汽油車法規(guī)CO2納入排放考核，對重型汽油車是一個極大考驗。

另外，重型汽油車新排放法規(guī)最主要的變化點之一，是測試場所由發(fā)動機臺架轉(zhuǎn)移到了底盤測功機，由于重型汽油車一般體積較大，原有的輕型車試驗倉難以容納，重型車轉(zhuǎn)鼓和排放試驗室資源不足是車企即將面臨的困難。

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