测试循环对国五轻型汽油车低温排放的影响研究∗

郭红松，颜 燕，高明秋，刘 乐，李菁元，曹 磊

（中国汽车技术研究中心，天津 300162）

前言

全球范围内轻型汽油车排放法规都是各地区最成熟、优先实施的标准，目前主要体系有中国[1]、欧洲[2]、美国[3]3大体系。这3大体系中都包含低温排放标准，低温冷起动是考察汽车在－7℃时的排放水平，对后处理低温环境下快速启燃性能是一个考验[4]。我国当前正在实施的是第五阶段轻型车排放法规，低温循环为ECE(europe city driving cycle，欧洲城市驾驶循环)；欧洲目前正在实施的是欧Ⅵ阶段排放法规，低温也是ECE循环；美国加利福尼亚州是第三阶段排放法规，低温是FTP75(federal test procedure，联邦测试循环)循环。目前我国正在制定轻型车第六阶段排放标准，为考察3种低温标准的区别，本文中对它们进行了对比研究。研究中使用国五汽油[5]，对欧、美、中3大体系的4辆轻型汽油车分别进行了ECE、FTP75、FTP75不加权(FTP75循环3部分只按照里程积分，不考虑冷热起动权重)、FTP72(FTP75循环无热起动部分)和WLTC3(worldwide light tset cycle，前3段 )5种循环的对比试验研究。

1 试验设备与试验方法

1.1 试验设备

本文中试验系统布局如图1所示，该系统[6]主要由车辆、底盘测功机、定容取样系统(CVS)、排气分析仪、进气空调和控制台等组成。主要设备见表1，其中底盘测功机为四驱型，排气分析仪是汽柴油共用型。

图1 轻型车排放测试系统

表1 试验设备

1.2 车辆

本文中试验使用的4辆轻型车分别来自欧、美、日、中4个厂家(见表2)，排放标准分别满足国IV/国五标准，排量范围在1.6～2.4L，喷油模式有直喷也有非直喷，进气模式包括增压和非增压，后处理都是三元催化器(three-way catalist，TWC)。

表2 试验车辆

为了统一和便于比较，这4辆车都采用查表法按推荐的阻力加载[1]。每辆车每种循环下低温排放试验重复2次，以消除循环波动，下文分析的结果都是2次试验的算术平均结果。

1.3 燃油

本文中试验使用的是国五标准92#汽油和95#汽油，其主要理化特性见表3。

表3 试验用国五标准汽油主要理化特性

1.4 试验方法

本文中按照GB 18352.5—2013[1]要求分别对试验车辆进行VI型试验。车辆空载，除驾驶员外，没有其他载荷。循环车速设定如图2所示，包含4段相同的ECE-15稳态工况，每段行驶时间195s，循环特征如下。

里程:4.052km

时间:780s

平均车速:19.0km/h

最高车速:50.0km/h

图2 ECE循环车速设定规范

美国FTP75循环[3]包含冷起动阶段(0～505s)、稳定阶段(506～1 369s)和热起动阶段(1 370～1 874s)，如图3所示。循环特征如下。

里程:17.77km

时间:1 874s

平均车速:34.1km/h

最高车速:91.2km/h

加权系数:3个阶段分别为0.47，1.00，0.53

FTP72循环[3]由FTP75循环的冷起动阶段和稳定阶段组成。循环特征如下。

里程:11.74km

时间:1 369s

平均车速:30.86km/h

最高车速:91.2km/h

图3 FTP75循环车速设定规范

WLTC是欧盟牵头制定的世界统一轻型车循环[7－8]，由低速、中速、高速和超高速 4段组成。WLTC3是不考虑超高速段的WLTC循环，如图4所示，循环特征如下。

里程:14.94km

时间:1 477s

平均车速:36.4km/h

最高车速:97.4km/h

图4 WLTC3循环车速设定规范

2 试验结果与分析

2.1 循环对低温CO排放的影响

图5示出不同循环对低温CO排放的影响，其中图5(a)为循环对排放值的影响；图5(b)为循环对排放系数的影响，该系数是4辆车在循环(ECE/WLTC3/FTP75等)下排放的算术平均值相对于循环FTP75下的无量纲排放。下文(图)中系数含义相同，只是污染物种类变化而已。

图5 循环对低温CO排放的影响

针对试验的4辆车，各种循环下CO排放值趋势由高到低依次为ECE＞FTP72＞WLTC3＞FTP75不加权＞FTP75，都远远低于6g/km的美标限值，更远远低于10g/km的国六限值。

由图5(b)可见，4辆车的综合排放结果表明，FTP75循环下CO低温排放最低，这是由于FTP75循环包含505s的热起动阶段，后处理启燃后效率很高，低温排放基本为零，导致FTP72循环下的排放被里程“稀释”；ECE循环下低温排放最高，WLTC3居中。

2.2 循环对低温THC/NMHC排放的影响

欧洲和我国轻型车低温排放标准除CO外，还限制了THC的排放；而美国低温排放标准则是限制NMHC而非THC。图6为不同循环对低温THC排放的影响，图7为不同循环对低温NMHC排放的影响。由图6可见，各循环THC排放水平从高到低依次为 ECE＞FTP72＞WLTC3＞FTP75不加权＞FTP75，远远低于国六限值1.2g/km。4辆车的综合排放结果(见图6(b))表明，FTP75循环下THC低温排放最低，ECE循环下低温排放最高，WLTC3居中。

图6 循环对低温THC排放的影响

由图7可见，各循环NMHC排放水平变化与THC相似，从高到低依次为 ECE＞FTP72＞WLTC3＞FTP75不加权＞FTP75，明显高于或接近0.2mg/km的美标限值。4辆车的综合排放结果(如图7(b)所示)表明，FTP75循环下NMHC低温排放最低，ECE循环下最高，WLTC3居中。

图7 循环对低温NMHC排放的影响

2.3 循环对低温NOx排放的影响

国六最新排放标准还添加了低温环境下NOx限制。循环对低温NOx排放的影响如图8所示，4辆车低温NOx排放都明显低于国六规定的0.25g/km的限值，从高到低依次为 ECE＞FTP72＞WLTC3＞FTP75不加权＞FTP75。

由图8(b)可见，4辆车的综合NOx排放结果，FTP75循环下最低，ECE循环下最高，WLTC3居中，但3种循环之间的差距不像CO和THC/NMHC那么大。

2.4 循环对低温油耗的影响

图9示出不同循环对车辆低温油耗的影响。众所周知，低温环境下车辆油耗会上升，这是因为环境空气密度升高、阻力增大和车辆在低温环境下内阻增加的原因造成的。

由图9可见，循环对4辆不同技术路线的汽油车油耗的影响规律不尽相同，但ECE循环下低温油耗明显高于其它几个循环，而其它几个循环下的低温油耗则比较相近，只是FTP75循环下油耗略高于 WLTC3。ECE循环下低温油耗高，主要是ECE循环里程短，且起动油耗加浓主要集中于循环前部。

图8 循环对低温NOx排放的影响

图9 循环对低温油耗的影响

2.5 循环对低温瞬态排放的影响

图10 示出车辆1在不同循环下瞬态CO，THC和NOx排放情况。图中－N代表ECE循环，－F代表FTP75循环，－W代表WLTC3循环；累计表示瞬态排放对时间的积分。可以看出:

(1)循环前100s，THC和 NOx占90%以上，CO占70%以上；

(2)由于FTP75循环第一个怠速时间是20s，ECE和WLTC循环第一个怠速时间只有10s，所以FTP75循环100s内污染物累积量基本都小于其他循环。

所以，控制冷起动开始100s左右的排放量是控制车辆低温排放的关键，这就要求车辆的后处理及其匹配标定能让后处理快速启燃。

图10 循环对低温瞬态排放的影响

3 结论

(1)本文中研究的所有车辆、各种循环下低温冷起动排放量:ECE＞WLTC3＞FTP75，说明相同限值下，欧Ⅴ、国五循环低温排放控制较严，美标循环较为宽松；国六采用WLTC2(WLTC循环低速段和高速段)可以更好地控制车辆低温排放。

(2)70%以上低温排放主要产生在车辆冷起动后的100s内；第一个怠速时间和第一个加速度是影响循环排放量的主要因素。

[1] 中国汽车技术研究中心，中国环境科学研究院.GB 18352.5—2013轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段)[S].北京:中国环境科学出版社，2013.

[2] GAS U C N.Concerning the adoption of uniform technical prescriptions for wheeled vehicles，equipment and parts which can be fitted and/or be used on wheeled vehicles and the conditions for reciprocal recognition of approvals granted on the basis of these prescriptions[S].2008.

[3] California Environmental Protection Agency.California 2015 and subsequent model criteria pollutant exhaust emission standards and test procedures and 2017 and subsequent model greenhouse gas exhaust emission standards and test procedures for passenger cars，light-duty trucks， and medium-duty vehicles”； amendments to the low-emission vehicle program－LEV III； air resources board[S].2012.

[4] LORANG P A，LARSON R E.Low temperature CO emission control from new motor vehicles[R].Pittsburgh， PA(USA)； Air Pollution Control Assoc.，1988.

[5] 倪蓓，龙军，李文乐，等.GB 17930—2013车用汽油[S].北京:中国标准出版社，2013.

[6] 倪红，郭红松，曹磊，等.MMT对轻型GDI车辆PN排放的影响[J].内燃机工程，2016(1):57-61.

[7] Proposal for amendment 2 to global technical regulation No.15(worldwide harmonized light vehicles test procedures(WLTP))，economic and social council，ECE /TRANS/WP.29/GRPE/2017/7，Geneva[S].2017.

[8] Regulation on type-approval of motor vehicles and engines with respect to emissions from heavy duty vehicles(Euro VI)and on access to vehicle repair and maintenance information and amending regulation(EC)NO.715/2007 and directive 2007/46/EC and repealing directives 80/1269/EEC，2005/55/EC and 2005/78/EC[S].2009.