第2 號全球技術(shù)法規(guī)（GTR2）研究*

王建超 朱天飛 王 青 周榮波 石 偉 竇金泉

（天津內(nèi)燃機(jī)研究所（天津摩托車技術(shù)中心）天津 300072）

引言

2020 年2 月3 日，第2 號全球技術(shù)法規(guī)（GTR2）[1]發(fā)布最新版，與舊版有較大的區(qū)別，與我國摩托車第四階段排放標(biāo)準(zhǔn)（以下簡稱“國四”）也有一些區(qū)別。最新的修正案在達(dá)成共識的基礎(chǔ)上，綜合了現(xiàn)有的全球立法和最新技術(shù)規(guī)定，反映了當(dāng)下的、真實(shí)的車輛運(yùn)行水平，為確定尾氣排放和顆粒污染物排放水平提供了全球統(tǒng)一的測量方法。目的是加強(qiáng)世界摩托車審批和認(rèn)證立法，減少用于檢測的資源消耗，提升經(jīng)濟(jì)效益，消除貿(mào)易壁壘，減少全球整體的立法復(fù)雜性，消除潛在領(lǐng)域的沖突和對立的需求，改善空氣質(zhì)量[2-4]。所有對GTR 法規(guī)投贊成票的締約方都有義務(wù)爭取迅速將該GTR 法規(guī)引入各自國家或地區(qū)的法律或法規(guī)體系中。對于我國而言，充分掌握和了解GTR 法規(guī)的發(fā)展動態(tài)及其具體技術(shù)內(nèi)容，有助于了解國際汽車技術(shù)法規(guī)的最新發(fā)展?fàn)顟B(tài)，緊跟國際汽車技術(shù)法規(guī)發(fā)展的步伐，同時(shí)也了解和掌握包括我國在內(nèi)的整個(gè)國際汽車市場技術(shù)法規(guī)的發(fā)展方向，使自己的產(chǎn)品能更好地適應(yīng)整個(gè)國際汽車市場的要求。

本文主要研究第2 號全球技術(shù)法規(guī)（GTR2）中的以下試驗(yàn)內(nèi)容：

1）Ⅰ型試驗(yàn)：常溫下冷啟動后排氣污染物排放試驗(yàn)；

2）Ⅱ型試驗(yàn)：雙怠速試驗(yàn)。

1 常溫下冷啟動后排氣污染物排放試驗(yàn)

1.1 一般要求

1.1.1 環(huán)境溫度

車輛靜置區(qū)域及帶有底盤測功機(jī)和氣體采集系統(tǒng)的試驗(yàn)室溫度應(yīng)為25±5 ℃。在進(jìn)行I 型試驗(yàn)之前和之后，應(yīng)在車輛冷卻鼓風(fēng)機(jī)（風(fēng)扇）附近測量室溫。

1.1.2 車輛要求

車輛應(yīng)處于良好的機(jī)械狀態(tài)，應(yīng)妥善保養(yǎng)和使用。試驗(yàn)前，它應(yīng)已行駛了至少1 000km 并按車輛制造商的要求調(diào)整完畢，如機(jī)油粘度、輪胎種類、胎壓、車輪載荷分布等。

1.1.3 基準(zhǔn)燃料

法規(guī)的附件4 附錄2 詳細(xì)給出了締約方需要采用的液體基準(zhǔn)燃料技術(shù)數(shù)據(jù)，其中包含酒精含量為5%的E5 燃油，這與國四規(guī)定的基準(zhǔn)燃料不同。

1.1.4 試車員的體重應(yīng)為75 kg±5 kg。

1.1.5 底盤測功機(jī)

1）轉(zhuǎn)鼓直徑至少為400 mm；

2）測功機(jī)轉(zhuǎn)鼓應(yīng)保持清潔，干燥，無任何可能導(dǎo)致輪胎打滑的東西；

3）底盤測功機(jī)可以使用行駛阻力表來設(shè)置，而不用通過附件4 附錄5 或附錄6 的計(jì)算方法獲得的運(yùn)行阻力來設(shè)置。在查表法中，底盤測功機(jī)應(yīng)通過車輛的基準(zhǔn)質(zhì)量來設(shè)置等效慣性質(zhì)量；

4）測量轉(zhuǎn)鼓速度（實(shí)際車速），期望的車速和時(shí)間的儀器應(yīng)符合規(guī)定的精度要求。

1.1.6 冷卻風(fēng)機(jī)

1）在整個(gè)試驗(yàn)過程中，變速冷卻風(fēng)機(jī)應(yīng)放置在摩托車前方，冷卻氣流方向直對摩托車以模擬實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)；

2）當(dāng)轉(zhuǎn)鼓速度在10～50 km/h 范圍內(nèi)，冷卻風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的空氣線速度與對應(yīng)轉(zhuǎn)鼓速度的偏差應(yīng)在±5 km/h 以內(nèi)；當(dāng)轉(zhuǎn)鼓速度大于50 km/h 時(shí)，冷卻風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的空氣線速度與對應(yīng)轉(zhuǎn)鼓速度的誤差應(yīng)在±10%以內(nèi)；當(dāng)轉(zhuǎn)鼓速度在10 km/h 以下時(shí)，冷卻風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的空氣線速度可等于0；

3）上述空氣線速度為9 個(gè)測量點(diǎn)測量值的平均值。這些測量點(diǎn)分別位于將整個(gè)風(fēng)機(jī)出口劃分為9個(gè)區(qū)域的矩形中心（將風(fēng)機(jī)出口的水平和垂直方向分為3 個(gè)相等的部分）。冷卻風(fēng)機(jī)出口線速度的測量裝置應(yīng)置于距出風(fēng)口0～20 cm 的位置。在9 個(gè)測量點(diǎn)測得的數(shù)值應(yīng)在其平均值的±10%以內(nèi)；

4）冷卻風(fēng)機(jī)出口截面，其面積最小為0.4 m，其下邊緣離地高度為5～20 cm，且其應(yīng)與摩托車縱向軸線垂直并與摩托車前輪前端的距離為30～45 cm。

1.1.7 排放限值

當(dāng)按規(guī)定的適用試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，每類兩輪車的氣體污染物排放量不得超過表1 中規(guī)定的污染物排氣管排放限值。

如果締約方選擇替代方案，根據(jù)締約方選定的替代要求，每類車輛的氣體排放量不得超過表2 中規(guī)定的污染物排放限值。

表2 I 型試驗(yàn)排放限值替代性要求 mg/km

法規(guī)中的限值要求覆蓋國四中的限值要求，我國作為締約方，在充分導(dǎo)入GTR2 的基礎(chǔ)上，綜合考慮我國國情制定國四中的限值。

1.2 試驗(yàn)程序

1.2.1 試驗(yàn)介紹

I 型試驗(yàn)按規(guī)定順序包括測功機(jī)準(zhǔn)備，加油，靜置和操作條件。試驗(yàn)旨在模擬實(shí)際行駛的同時(shí)確定碳?xì)浠衔?，一氧化碳，氮氧化物，二氧化碳，顆粒物（如果適用）的質(zhì)量排放以及燃料消耗。具有以下成分的氣體混合物應(yīng)具有符合關(guān)于純氣體規(guī)定的散裝氣體規(guī)格：

1）合成空氣中的C3H8；

2）氮?dú)庵械囊谎趸迹?/p>

3）氮?dú)庵械亩趸迹?/p>

4）合成氣中的CH4；

5）氮?dú)庵械囊谎趸ù诵?zhǔn)氣體中所含的二氧化氮含量不得超過一氧化氮含量的5%）；

6）氮?dú)庵械亩趸ü顬椤?%）。

試驗(yàn)循環(huán)與我國現(xiàn)行國四階段一樣，采用世界統(tǒng)一摩托車試驗(yàn)循環(huán)（WMTC）。根據(jù)發(fā)動機(jī)排量和最大設(shè)計(jì)車速進(jìn)行車輛分類，按照車輛類別，試驗(yàn)循環(huán)最多包括附件4 附錄12 中列出的三個(gè)部分。

本法規(guī)的車輛分類與國四相比多出一個(gè)0 類車，又分為0-1 和0-2 兩個(gè)細(xì)類，如表3 所示。

表3 0 類車的分類

0 類車采用的循環(huán)如圖1 所示。藍(lán)色為0-1 類車適用的試驗(yàn)循環(huán)，紅色為0-2 類車適用的試驗(yàn)循環(huán)。循環(huán)分為完全相同的兩個(gè)階段：冷態(tài)和熱態(tài)。

圖1 0 類車試驗(yàn)循環(huán)

在國四中，0 類車對應(yīng)的是我國的輕便摩托車，駕駛循環(huán)是R47 循環(huán)。

對于駕駛要求，法規(guī)附件1 中4.2.5 和4.2.6 有詳細(xì)的描述。

在任何給定時(shí)間的車速偏差由上限和下限定義。在給定時(shí)間的1 s 內(nèi)，上限比軌跡上的最高點(diǎn)高3.2 km/h。下限比給定時(shí)間1s 內(nèi)的軌跡最低點(diǎn)低3.2 km/h。允許超過偏差小于2 s 的情況（例如在換擋時(shí)）。允許低于規(guī)定速度的車速，但車輛應(yīng)以最大可用功率運(yùn)行。圖2 顯示了典型點(diǎn)可接受的車速偏差范圍。車輛的換擋要求與現(xiàn)行國四要求相同，在附件1 中的3.4.5 中詳細(xì)規(guī)定了對于自動變速器和手動變速器的換擋要求。

圖2 可接受的車速偏差范圍

1.2.2 預(yù)處理

在測試開始前應(yīng)在底盤測功機(jī)上將試驗(yàn)車輛預(yù)熱到與路試時(shí)相同的狀態(tài)。試驗(yàn)車輛應(yīng)移至試驗(yàn)區(qū)域并應(yīng)通過所提供的燃油箱的排油孔排干燃油，并按附件4 附錄2 的規(guī)定充入試驗(yàn)基準(zhǔn)燃油，其容量應(yīng)為燃油箱容量的一半。應(yīng)通過騎行或推動將試驗(yàn)車輛放置在測功機(jī)上并按照附件4 附錄12 中針對車輛類別的規(guī)定通過適用的試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行操作。

在預(yù)處理完成后的5 min 內(nèi)，應(yīng)將試驗(yàn)車輛從測功機(jī)上移開，并可以將其駕駛或推入25±5 ℃的靜置區(qū)域。在I 型冷啟動試驗(yàn)之前該車輛應(yīng)存放6～36 h或者直到發(fā)動機(jī)機(jī)油溫度或冷卻液溫度或火花塞座/墊片溫度與靜置區(qū)溫度相差±2 ℃（僅適用于風(fēng)冷）為止。如果制造商要求，則應(yīng)在車輛在其正常溫度下行駛后30 h 內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2.3 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)流程和試驗(yàn)次數(shù)規(guī)定與國四相同，用Vi1～Vi3分別代表污染物i 的第一至第三次測量結(jié)果。L代表表1 和表2 規(guī)定的每種污染物限值。

試驗(yàn)應(yīng)進(jìn)行三次，當(dāng)三次測量結(jié)果的算術(shù)平均值低于規(guī)定限值時(shí)，允許三次測量結(jié)果中有一次超過相應(yīng)的規(guī)定限值，但不得超過限值的1.1 倍。對于一種以上的污染物超過規(guī)定限值的情況，不管是發(fā)生在同一次試驗(yàn)中，還是發(fā)生在不同次的試驗(yàn)中都是允許的。

在以下條件下，試驗(yàn)次數(shù)可減少：

1）對于所有污染物，當(dāng)Vi1≤0.70 L 時(shí)，僅需進(jìn)行一次試驗(yàn)；

2）如果每一種污染物i 不滿足1）要求，但符合Vi1≤0.85 L，且Vi1+Vi2＜1.70 L 和Vi2＜L 的要求時(shí)，則只需進(jìn)行兩次試驗(yàn)。

1.3 結(jié)果分析

1.3.1 樣品分析

分析應(yīng)盡快開始，并且無論如何不得遲于試驗(yàn)結(jié)束后20 min，以便確定：

1）裝在一個(gè)或多個(gè)袋子B 中的稀釋空氣樣品中的碳?xì)浠衔?，一氧化碳，氮氧化物，顆粒物（如果適用）和二氧化碳的濃度；

2）裝在一個(gè)或多個(gè)袋子A 中的稀釋后廢氣樣品中的碳?xì)浠衔铮谎趸?，氮氧化物，二氧化碳和顆粒物的濃度（如果適用）。

1.3.2 儀器校準(zhǔn)

結(jié)果分析必須按照以下步驟進(jìn)行：

1）在每次樣品分析之前，應(yīng)使用適當(dāng)?shù)牧銡鈱⒚糠N污染物的分析儀量程進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)；

2）通過標(biāo)稱濃度為量程的70%～100%的量距氣體將分析儀設(shè)置為校準(zhǔn)曲線；

3）重新檢查分析儀的零點(diǎn)。如果讀數(shù)與2）中的設(shè)置相差超過2%，則重復(fù)該步驟；

4）分析樣本；

5）分析之后，使用相同的氣體重新檢查零點(diǎn)和跨度點(diǎn)。如果讀數(shù)在3）的讀數(shù)的2%之內(nèi)，則認(rèn)為該分析可以接受；

6）在本條的所有段落中，各種氣體應(yīng)與分析儀校準(zhǔn)期間使用的氣體相同；

7）所測量的氣體中每種污染物的濃度所采用的數(shù)字是在將測量裝置穩(wěn)定后讀出的數(shù)值。

1.3.3 結(jié)果的加權(quán)

第1 部分或第1 部分降低的車速的（平均）結(jié)果稱為R1，第2 部分或第2 部分降低的車速的（平均）結(jié)果稱為R2，第3 部分或第3 部分降低的車速的（平均）結(jié)果被稱為R3。使用這些排放（mg/km）和燃料消耗（L/100 km）結(jié)果，最終結(jié)果RF根據(jù)本定義的車輛類別，應(yīng)使用以下公式計(jì)算：

式中：w1=冷態(tài)加權(quán)因子，w2=熱態(tài)加權(quán)因子。

式中：wn=第n 階段的加權(quán)因子（n=1、2 或3）。

對于每種氣態(tài)污染物，二氧化碳排放和顆粒物，應(yīng)使用表4 所示的加權(quán)因子。

表4 不同類車適用的公式和加權(quán)因子

從表中可以看出，本法規(guī)與國四不同之處不僅多了0 類車的公式和加權(quán)，Ⅰ類車的加權(quán)因子也不同。我國現(xiàn)行的國四規(guī)定的Ⅰ類車加權(quán)因子為w1=0.50，w2=0.50。

2 雙怠速試驗(yàn)

2.1 一般要求

2.1.1 適用車輛

配備有點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)的車輛都應(yīng)進(jìn)行雙怠速試驗(yàn)。

2.1.2 試驗(yàn)條件

一般情況下，Ⅱ型試驗(yàn)應(yīng)在Ⅰ型試驗(yàn)之后立即進(jìn)行。Ⅱ型試驗(yàn)的燃料應(yīng)為適用于Ⅰ型試驗(yàn)的基準(zhǔn)燃料并且車輛的燃油、供氣或排氣系統(tǒng)應(yīng)沒有泄漏。測試過程中，環(huán)境溫度應(yīng)在20～30 ℃之間。

2.1.3 獨(dú)立Ⅱ型試驗(yàn)

如果要求獨(dú)立于Ⅰ型試驗(yàn)進(jìn)行Ⅱ型試驗(yàn)，則應(yīng)對車輛進(jìn)行預(yù)熱，直到滿足以下條件之一：

1）Ⅰ型試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的條件；

2）符合ISO 17479 的條件；

3）潤滑油溫度至少達(dá)到70 ℃；

4）正常道路情況下至少連續(xù)行駛600 s。

2.1.4 排氣口設(shè)置

排氣口應(yīng)設(shè)置有密封的延長口，以便用于收集排氣的樣品探頭可以插入排氣口至少60 cm，而背壓變化不超過1.25 kPa，并且不會干擾操作車輛。該延伸部分的形狀應(yīng)避免稀釋樣品探針位置處的空氣中的廢氣。如果車輛配備了具有多個(gè)出口的排氣系統(tǒng)，則這些出口應(yīng)連接到公共管道或應(yīng)當(dāng)從每種污染物中收集被測污染物的一氧化碳含量并取算術(shù)平均值。

2.1.5 設(shè)備與儀器

進(jìn)行Ⅱ型試驗(yàn)的排放測試設(shè)備和分析儀應(yīng)定期校準(zhǔn)和維護(hù)。氫火焰離子化分析儀或不分光紅外線分析儀可用于測量碳?xì)浠衔铩?/p>

2.1.6 數(shù)據(jù)記錄

在怠速和高怠速下測量并記錄以下參數(shù)：

1）廢氣中一氧化碳的含量（以體積計(jì)，vol%）；

2）廢氣中二氧化碳的含量（以體積計(jì)，vol%）；

3）碳?xì)浠衔铮℉C），以10-6為單位；

4）配備有閉環(huán)燃油系統(tǒng)的車輛在高怠速發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下，由制造商選擇，測量廢氣中的氧氣含量（以體積計(jì)，vol%）或λ；

5）試驗(yàn)期間的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，包括任何公差；

6）試驗(yàn)時(shí)的機(jī)油溫度，或者對于液冷發(fā)動機(jī)的冷卻液溫度，或者對于空氣冷卻車輛的火花塞座/墊片溫度。

2.2 Ⅱ型試驗(yàn)中的CO 濃度計(jì)算

對于四沖程車輛，一氧化碳的修正濃度為：

對于二沖程車輛，一氧化碳的修正濃度為：

式中：CCO是所測量的一氧化碳濃度（以體積計(jì)）%；CCO2是所測量的二氧化碳濃度（以體積計(jì)）%；CCOcorr是修正的一氧化碳濃度，以體積計(jì)%。

GTR No.2 規(guī)定如果汽油機(jī)測試所得的總濃度CO+CO2至少為15%，則無需修正。而在國四中規(guī)定，對汽油機(jī)二沖程車輛，這一數(shù)值為10%。

3 結(jié)束語

第2 號全球技術(shù)法規(guī)（GTR NO.2）對Ⅰ型試驗(yàn)、Ⅱ型試驗(yàn)和Ⅶ型試驗(yàn)提出了具體的要求，國四中沒有Ⅶ型試驗(yàn)的要求[5-6]。本文對法規(guī)中的Ⅰ型試驗(yàn)、Ⅱ型試驗(yàn)做了較為詳細(xì)的解讀，并對比了我國現(xiàn)行第四階段中對相應(yīng)試驗(yàn)的要求。

GTR2 相較于國四，在基準(zhǔn)燃料、限值、輕便車試驗(yàn)循環(huán)、二沖程車輛雙怠速修約等方面有一些不同。充分掌握第2 號全球技術(shù)法規(guī)（GTR NO.2）的具體技術(shù)內(nèi)容，能夠了解美國、歐盟、日本等國際法規(guī)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，對于我國已經(jīng)頒布的摩托車國四階段排放標(biāo)準(zhǔn)以及正在制定的摩托車國五階段排放標(biāo)準(zhǔn)具有重要的參考意義?？梢源偈刮覈哪ν熊嚺欧艠?biāo)準(zhǔn)既符合我國摩托車行業(yè)的實(shí)際國情，又與國際先進(jìn)法規(guī)相接軌。同時(shí)促進(jìn)我國摩托車產(chǎn)品能更好地適應(yīng)整個(gè)國際市場的要求。