新油耗与排放法规下汽油发动机技术对燃油的要求

杨友文，胡云昊，张子庆，孟 铭

(上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海 201804)

新油耗与排放法规下汽油发动机技术对燃油的要求

杨友文，胡云昊，张子庆，孟 铭

(上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海 201804)

阐述了我国油耗与排放法规的发展、现状与下一阶段的实施计划，从而探究在新油耗与排放法规下，汽油发动机技术、排放后处理技术的发展及新技术的应用。通过多批次满足国Ⅳ和国Ⅴ排放标准汽油燃油的检测，分析了国Ⅴ排放标准实施后，汽油主要指标馏程、芳烃含量和蒸气压等发生的变化，阐明这些指标对汽油发动机和排放后处理新技术的影响，提出了汽油发动机技术对燃油的要求。结果表明，国Ⅴ排放标准实施后，汽油存在组分重、芳烃含量高、冬季蒸气压偏低等问题。在汽油发动机和排放后处理新技术应用下，这些问题会影响发动机的正常运行，同时导致车辆油耗的升高和排放恶化。因此，改善车辆油耗与排放，要求严格控制燃油指标，提升燃油品质。

油耗 排放 汽油发动机 车用汽油

《2013年中国机动车污染防治年报》指出，2012年全国机动车排放污染物46.121 Mt，比2011年增加0.1%，汽车成为污染物排放的主要贡献者，其排放的NOx和颗粒物质量(PM)超过90%，烃类化合物(HC)和CO超过70%，其中，汽油车CO和HC排放量较高，超过排放总量的70%[1]。为应对机动车数量不断增长而造成的污染物排放、碳排放和油品资源等问题，我国已于2013

年7月1日全面实施国Ⅳ排放标准，将在2018年1月1日起实施国Ⅴ排放标准。而北京预计将率先在2016年9月1日起实施京Ⅵ排放标准。同时，我国制定了第三阶段(2015年)和第四阶段(2020年)油耗目标。其中，到2015年中国乘用车企业平均燃料消耗量(CAFC)应低于6.9 L100 km，到2020年，CAFC应低于5.0 L100 km。图1所示为油耗及排放法规实施时间年表。

图1 油耗及排放法规的实施时间

面对日益严格的排放标准和油耗目标，同时兼顾整车动力性需求、可靠性要求和成本，汽油车发动机新技术不断发展。本文旨在介绍汽油车排放和油耗标准的更新变化，汽油车发动机应对这些变化的新技术和趋势，以及发动机技术对燃油质量的要求。

1 油耗及排放法规

1.1 中国油耗标准

《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》于2011年12月31日发布，与之配套的《乘用车企业平均燃料消耗量核算办法》于2012年7月1日开始实施。在该标准中引入了两个新概念：“企业平均燃油消耗量(CAFC)”和“企业平均燃料消耗量目标值”，CAFC是车企按不同车型生产、进口或销售整车按数量加权平均的燃料消耗[2]。

图2所示为中国乘用车企业CAFC目标，到2015年底，中国乘用车CAFC应达到6.9 L100 km，到2020年底，这个目标将达到5.0 L100 km。换算成碳排放，到2020年，中国与发达国家的乘用车碳排放目标已相差无几(见图3)。同时，新标准对无法达到目标的整车企业将限制销售。这对整车企业将是极大的挑战。

图2 中国乘用车企业CAFC目标

图3 中国与国外乘用车在新欧洲行驶工况(NEDC)下CAFC目标对比■—美国-轻型车； ●—加利福尼亚-轻型车； ▲—加拿大-轻型车； 欧洲； ◆—日本； 中国； ★—韩国； 澳大利亚。 实心标记实线：历史数据； 实心标记长虚线：已定目标； 实心标记短虚线：计划目标； 空心标记短虚线：未声明目标

1.2 汽油车新排放法规

自2014年9月1日起，欧洲将切换新的Euro Ⅵ排放法规。目前，我国排放法规主要参照欧洲，现行的是2011年7月1日实施的国Ⅳ排放法规，而国Ⅴ排放法规已经发布，将于2018年1月1日全面实施。而国Ⅵ排放标准预计实施时间为2019年。

表1列出了汽油乘用车(M类)常温排放限值的升级变化。从第五阶段开始，将非甲烷碳氢(NMHC)和PM引入到汽油车常温排放限值中，NOx排放限值下降了25%。从第六阶段开始，颗粒物粒子个数(PN)将会引入到汽油车常温排放限值中。值得注意的是2014年9月1日起实施的Euro Ⅵ法规(简称Euro Ⅵb)对PN限值有所放宽，为6.0×1012个km，而6.0×1011个km的正式要求将在2017年9月1日(简称Euro Ⅵc)实施。可以看到，由于汽油直喷(GDI)技术的普及，欧盟意识到潜在的直喷汽油机颗粒物排放的增长，在第五阶段到第六阶段排放标准中逐渐引入了PM和PN两项指标。同时，为了PN科学、有效地实施，分别设定了两个时间节点，逐步收紧PN的指标要求。针对搭载直喷汽油发动机的车辆，乘用车企业必须升级排放控制技术，才能达到PM和PN的指标要求。

表1 M类汽油车常温排放限值的变化[3-4]

注： PM和PN限值仅针对直喷汽油发动机。

值得一提的是在排放法规向第五阶段及第六阶段升级的过程中，PM和PN的测试方法也同时更新。表1中所示的PM限值为新测试方法下的限值，使用更新前的测试方法，PM限值为0.005 gkm。

Ⅰ型试验基准燃油方面，第五阶段开始，为保护排放后处理系统，硫质量分数限值下降到10 μgg。欧洲在Euro Ⅴ之前，使用E5汽油。排放升级到Euro Ⅵ，E5汽油的指标没有改变，但是在(EU)No 1362014指令中引入了新的E10汽油，并且规定从Euro Ⅵ实施16个月后，只可使用E10作为认证试验用油，Euro Ⅵ实施3年后，只可使用E10作为新车注册认证用油。详细的Ⅰ型试验基准汽油的变化见表2。

表2 Ⅰ型试验基准汽油变化[3-5]

注： Euro Ⅵ实施16月后，只可使用E10作为认证试验用油；Euro Ⅵ实施3年后，只可使用E10作为新车注册认证用油；Euro Ⅵ E10基准燃料指标和实施情况摘自(EU) No 1362014指令。

2 汽油车排放后处理技术

Euro Ⅴ及以前的排放法规，主要对污染物及污染物排放量进行控制并更新升级。对于排放后处理技术，通过升级贵金属配方、增加催化器目数等方案，实现减少污染物排放量的目的。而对于GDI发动机，由于Euro Ⅵ排放法规开始限制PN，一般的催化器后处理已经无法满足颗粒物排放的标准，因此，需要使用汽油机颗粒捕集器(GPF)来达到PN小于6.0×1011个km的要求[6]。

GPF是颗粒捕集器的一种，柴油机颗粒捕集器(DPF)已经在柴油机上有十分广泛的运用。由于排放颗粒性质不同(汽油GDI发动机排放的颗粒物较小)、排气背压的要求不同(GPF影响汽油GDI发动机排气背压，从而影响发动机功率)、排气温度不同(汽油GDI发动机排气温度远比柴油发动机高)等原因，GPF在设计上相比于DPF将会有一定的差别。

图4为典型的汽油车排放后处理技术(进气道喷射(PFI)和GDI)随排放标准升级而进行的演变。

图4 汽油车排放后处理技术的演变

3 汽油发动机技术

发动机技术作为整车的核心技术，对车辆的性能、油耗和排放都起到至关重要的作用。为适应新的油耗、排放法规要求，同时满足用户对整车驾驶性的需求和整机的成本优势，发动机技术正在被不断改进。

改进发动机油耗方式主要有：优化燃烧系统、降低泵气损失、降低摩擦损失和应用智能热管理技术[7]。发动机动力性的需求包括低速大扭矩、优秀的升功率、升扭矩等。改进动力性的方式有：先进增压技术、燃烧系统优化和进排气系统优化。

以SAIC CUBE-TEC SGE系列发动机为例(见图5和表3)，介绍国Ⅴ发动机在改善排放、降低油耗和提升发动机性能上的技术。

图5 SAIC CUBE-TEC SGE系列国Ⅴ发动机实例

发动机技术技术特点缸内直喷降低了对气流组织的要求，易于形成周向分层混合气，显著提高燃烧效率，降低油耗，降低CO、HC的排放集成式排气歧管能减小质量，同时降低成本；催化转换器温度提升更快，有利于减少排放双可变气门正时DVVT有助于提高低速扭矩，降低油耗，优化 排放，改善怠速稳定性废气涡轮增压器通过对废气的进一步利用，提高了功率和扭矩，降低噪音和废气中的有害物质高压油泵高集成度、轻量化，从而降低油耗电子节温器采用电控加热装置，优化节温器的工作范围，在中低负荷时，有效提高发动机水温，并减少活塞等机械摩擦损失和传热损失，优化燃烧；在高速高负荷时，可有效降低发动机温度，使发动机快速冷却可变排量机油泵根据工况调节机油流量，有效降低油耗起停电机大功率的起动电机有效实现微混技术；在等待时可以及时停机，提高燃油经济性

4 发动机新技术对燃油品质的要求

众所周知，国内的汽油品质参差不齐。随着汽油排放标准由国Ⅳ升级到国Ⅴ，又暴露出一些新问题。随着汽油发动机技术不断更新提升，对汽油质量的变化也越来越敏感，劣质汽油对发动机和后处理系统将产生巨大的破坏。因此，单凭发动机技术的升级来应对油耗和排放要求的更新是远远不够的。汽油质量也在其中发挥了至关重要的作用。表4总结了燃油问题对汽油发动机新技术潜在的影响。

表4 燃油问题对汽油发动机新技术潜在的影响

除此以外，燃油的品质还会影响火花塞、氧传感器的寿命，影响车辆的启动，影响发动机的可靠性等。在现有国Ⅴ汽油排放标准的技术要求基础上，新的汽油车发动机技术需要汽油在馏程、芳烃含量、蒸气压、金属元素含量等指标上进行更加严格的控制，同时需要在汽油中加入汽油清净剂。

4.1 馏 程

馏程是汽油蒸发性能的指标，一般由一系列“T”点(T50是指汽油蒸馏出50%体积时的温度)，或一系列“E”点表示(E100是指在100 ℃蒸馏出的汽油体积百分比)。汽油的馏程体现了组分的轻重，汽油中的重组分容易产生喷嘴结焦、发动机沉积物过多、机油稀释等一系列问题。这些问题在GDI发动机上更为严重。此外，过高的T50或过低的E100会导致正常环境温度条件下的冷起动性能和暖机性能变差[8]。新的汽油机技术要求汽油拥有合理的蒸馏曲线，组分不应过重。

图6所示为满足国Ⅳ和国Ⅴ排放标准的市售汽油馏程抽样结果对比。从图6可以看出，我国汽油组分明显重于欧洲EuroⅤ汽油。满足国Ⅴ排放标准的两个汽油批次抽样结果组分也要重于满足国Ⅳ排放标准两个汽油批次。满足国Ⅴ排放标准两个批次汽油的T50均超过了100 ℃。

图6 满足国Ⅳ与国Ⅴ排放标准汽油馏程抽样结果对比 —EuroⅤ E0; —国Ⅳ93号批次A 2012-02; —国Ⅳ93号批次B 2013-04; —国Ⅴ92号批次A 2013-10; —国Ⅴ92号批次B 2014-04

4.2 芳 烃

研究结果表明，无论模拟试验或是台架试验，随着芳烃含量的增加，进气阀和和燃烧室沉积物均增加[9]。此外，芳烃含量的增加还会造成排放物的增加，包括HC、NOx、CO2、苯的排放增加[8]。对于GDI发动机或增压GDI发动机，芳烃含量的增加会造成烟炱和颗粒物的增加，燃烧不完全的烟炱还会进入到机油中，造成发动机内部沉积物增多、机油润滑性能下降、零件异常磨损、发动机可靠性下降等一系列问题。新发动机和排放后处理技术要求对汽油中芳烃含量进行更严格的控制。

图7为满足国Ⅳ和Ⅴ排放标准的市售汽油芳烃含量抽样结果对比。从图7可以看出，满足国Ⅳ排放标准汽油的芳烃含量与欧洲Euro Ⅴ汽油相当，但满足国Ⅴ排放标准汽油的芳烃含量明显上升，燃用满足国Ⅴ排放标准汽油相比满足国Ⅳ排放标准汽油将造成更严重的积炭影响。

图7 满足国Ⅳ与国Ⅴ排放标准汽油芳烃含量抽样结果对比

4.3 蒸气压

蒸气压是汽油蒸气压力的指标。高温时，必须严格控制蒸气压，以免由于燃油过热带来的气阻、活性炭罐负荷过大引起的超标蒸发排放等问题。低温时，为了汽车启动容易和具有良好的暖机性能，减少低温启动排放，应该保证足够高的蒸气压。

图8为满足国Ⅳ排放标准和国Ⅴ排放标准的市售汽油蒸气压抽样结果对比。从图8可以看出，满足国Ⅴ排放标准汽油部分抽样蒸气压非常低，已接近冬季汽油蒸气压的下限。燃用这样的汽油车辆很难启动，若在北方地区将产生无法启动的故障。

图8 满足国Ⅳ与国Ⅴ排放标准汽油蒸气压抽样结果对比

4.4 金属化合物

新的汽车为适应更加严格的排放法规，需要采用更加复杂的排放控制装置和策略，如高目数的紧耦合三元催化器、汽油机颗粒捕集器、陶瓷型氧传感器等，它们必须处于最佳状态，才能保证在汽车的寿命周期内保持低排放，同样，用于汽车点火的火花塞也必须处于最佳状态时，才能保证在汽车的寿命周期内保持低排放。汽油中的金属化合物，燃烧后产生金属灰分，覆盖在这些零件的表面，使三元催化器堵塞或中毒，氧传感器失效或中毒，火花塞失火或失效，这些影响是不可逆的和可积累的，由此产生的后果是排放增加、燃油经济性变差，车辆性能恶化和严重的发动机故障。因此，新的汽车发动机技术要求汽油中不应含有任何可形成灰分的物质。

5 结束语

随着人们环保意识的逐渐提高，以及汽车对污染物排放和全球温室效应贡献率的提升，油耗法规、排放法规不断更新。中国颁布了第Ⅲ与第Ⅳ阶段油耗目标，到2020年，CAFC应达到5.0 L100 km。欧洲于2014年9月率先实施第Ⅵ阶段排放标准，中国也将很快跟上其步伐。新排放标准对GDI发动机颗粒物排放提出了新的要求。

在愈加苛刻的油耗和排放法规下，汽油发动机技术及后处理技术随之升级。随着汽油机颗粒捕集器、直喷涡轮增压技术、启停技术等新技术的应用和推广，汽油车辆也将适应油耗和排放法规的新要求。

由于这些新技术的应用，发动机及排放后处理技术对燃油品质提出更高的要求。而我国一系列燃油质量的问题，诸如组分过重、芳烃含量过高、质量不稳定、不达标劣质汽油等将对新技术的发展产生负面的影响。因此，提升燃油品质也将是油耗与排放法规更新过程中的重要课题。

[1] 黄志辉，陈伟程，吉喆，等.全国机动车污染物排放量——《2013年中国机动车污染防治年报》(第Ⅱ部分)[J].环境与可持续发展，2014，39(1)：91-96

[2] 杨素真.满足第三及后续油耗法规的发动机技术[J].装备制造技术，2013(4)：180-181

[3] GB 18352.3—2005.轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ阶段)[S].2005

[4] Commission Regulation (EC) No 6922008.Implementing and Amending Regulation (EC) No 7152007 of the European Parliament and of the Council on Type-Approval of Motor Vehicles with Respect to Emissions from Light Passenger and Commercial Vehicles (Euro 5 and Euro 6) and on Access to Vehicle Repair and Maintenance Information[S].2008

[5] Commission Regulation (EU) No 1362014.Amending Directive 200746EC of the European Parliament and of the Council，Commission Regulation (EC) No 6922008 as Regards Emissions from Light Passenger and Commercial Vehicles (Euro 5 and Euro 6) and Commission Regulation (EU) No 5822011 as Regards Emissions from Heavy Duty Vehicles (Euro Ⅵ)[S].2014

[6] 范钱旺，尹琪.直喷汽油机颗粒物成因及满足EURO-Ⅵ排放限值技术路线[J].上海汽车，2013(6)：39-45

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[8] ACEA.Worldwide Fuel Charter[EBOL].http：www.acea.bepublicationsarticleworldwide-fuel-charter，2013-09-25

[9] 徐小红，蔡进，薛群基，等.汽油芳烃对发动机沉积物的影响[J].石油炼制与化工，2010，41(1)：82-85

REQUIREMENTS OF GASOLINE ENGINE TECHNOLOGY FOR FUEL UNDER NEW FUEL CONSUMPTION AND EMISSION LAWS

Yang Youwen， Hu Yunhao， Zhang Ziqing， Meng Ming

(SAICMotorTechnicalCenter，Shanghai201804)

The paper expatiated on the evolution of fuel consumption and emission regulations， current status， and the future plans in China. The development and application of gasoline engine and emission technology under new fuel consumption and emission laws were delved. Based on the inspection on several batches of CN Ⅳ and CN Ⅴ gasoline， the change of distillation， aromatics content， and vapor pressure were analyzed after the introduction of the CN Ⅴ gasoline emission standards. The effect of these indicators on gasoline engine and emission post-treatment technology was clarified. The requirements of engine technology for fuel were suggested. The results indicate that after CN Ⅴ gasoline was brought into effect， more problems exist， such as heavy components， high aromatics content， low vapor pressure in winter， resulting in abnormal running with higher fuel consumption and poorer emission if the new engine and emission technology are applied. Therefore， to improve the fuel consumption and emissions， the strict control of fuel indicators and the quality of fuels are necessary.

fuel consumption； emission； gasoline engine； motor gasoline

2014-12-11； 修改稿收到日期： 2015-01-16。

杨友文，大学本科，高级工程师，研究方向为车用燃油、润滑油的应用与开发等。

胡云昊，E-mail：huyunhao@saicmotor.com。