轻型国五柴油车排放油耗数据研究分析

关 娇

（中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122）

柴油机具有较高的压缩比、扭矩功率大、经济性好、热效率高、坚固耐用、维护费用低的优点，应用极其广泛。随着柴油机技术的不断发展完善，柴油机越来越多地在轻型车上得到应用和普及，特别是在欧洲，由于受到几次石油危机的影响和人们环保意识的加强，高速小型柴油机在轻型车市场已经占到一定的份额。

柴油机相对于汽油机有着热效率高、可靠性高的优势，但同时也有着工作噪声大，PM与NOx排放难以折中等问题。伴随着内燃机技术的高速发展，柴油机在设计和改进方面取得了很大的进步和发展，通过机内净化措施使内燃机整体排放水平得到全面提升。但是，改善柴油机工作流程来降低排放，经常与提高柴油机功率与降低油耗发生冲突。根据国家汽车污染物排放标准实施计划，环境保护部、国家质检总局于2016年12月23日联合发布《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》即轻型车“国六”标准。标准设置国六a和国六b两个排放限值方案，分别于2020年和2023年实施。为了既满足日趋严格的排放法规的要求，又提高柴油的燃油经济性，人们只有将机内与机外技术措施有机结合，才能达到未来柴油机排放标准、实现大幅度降低柴油机有害排放物的最佳选择，通常要从以下三个方面进行考虑。

一是提升燃油品质。二是柴油机机内净化。要合理运用电控高压燃油喷射、增压中冷、废气再循环、多气门、可变涡轮进气道、可变压缩比、均值混合压燃技术（HCCI）以及优化燃烧室结构参数等技术。三是柴油机机外净化。基于欧美汽车工业发展经验和我国国情，目前主要有两种技术路线，分别为SCR（选择性催化还原）技术路线和EGR（废气再循环）+DOC+DPF（颗粒物补集器）技术路线。其中，SCR技术路线主要是通过提高喷油压力、优化喷射定时、改善燃烧过程等机内净化技术，从而降低发动机机内颗粒物排放，而此过程产生的较高NOx排放则采用SCR还原成N2和O2；EGR+DOC+DPF技术路线，主要是通过EGR将NOx排放降低到标准要求以下，而通过DOC或是DOC+DPF将总颗粒物（TPF）降低到满足标准的要求。

1 DOC+DPF+SCR的排放后处理技术

目前，人们可以利用DOC降低排气中的一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC），利用DPF技术降低排气中的颗粒物。DPF技术被认为是目前净化柴油机颗粒物最直接、最有效的方法，也是国际上商品化的柴油机颗粒后处理技术之一。DPF能滤去大部分颗粒，其颗粒捕集效率一般在70%～90%。SCR是目前最有效的尾气处理方式，含有高纯度尿素的水溶液，通过选择性催化还原作用，把废气中氮氧化物NOx还原成氮和氧，以达到减少空气污染的目的。根据应用场合不同，氮氧化物的后处理或是采用存储式NOx催化器（NSK），结合SCR催化器共同降低氮氧化物的排放，或是应用一种附加尿素水溶液喷射系统释放氨作为还原剂，氨与氮氧化物发生氧化还原反应，生成无害的氮气和水。

2 试验设备方案

该试验样车配置有一款排量为2.987L的高压共轨、CGI涡轮增压、双顶置凸轮DOHC的发动机。采用DOC+DPF+SCR的排放后处理方案，可以达到国5排放标准的要求，具体配置如表1所示。

表1 试验样车参数

该试验样车在具有全流稀释系统的转鼓试验台架上进行排放试验，排放试验设备如表2所示，试验过程按照《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）》（GB18352.5-2013）采用NEDC循环进行试验常温下冷起动后排气污染物排放试验（I型试验）。热车起动排放试验是指在试验前以80km/h的恒速连续运行20min，使车辆油温水温各项指标均达到相对恒定的数值后再进行I型试验。

表2 排放试验设备

3 试验结果分析

3.1 不同年代版型常温下冷起动后排气污染物排放试验（I型试验）比对结果分析

分别选取2011年美规版、2012年美规版、2014年美规版、2015年中规版4款同一个型号的柴油车车辆进行试验，根据不同排放后处理配置进行结果分析。其中，2011年款美规版和2012年款美规版分别选取15辆车进行试验，对结果进行分析；2014年款美规版只选取了其中2辆进行试验，对结果进行分析；2015年中规版是通过核查车辆进行试验，鉴于核查车辆的数量有限，只选取其中一辆进行试验，并对其结果进行分析。对4款车进行排放数据平行比较时，由于2011年美规版、2012年款美规版选取车辆数目较多（各为15辆），所以对数据取平均值进行比较，如图1～图9所示。

通过比较可以看出，2011年美规版、2012年美规版这两款车型的排放、油耗、CO2数值几乎持平，平均性保持得比较好，如图1～图6所示。通过对样车进行排放后处理装置的研究分析，2011年美规版和2012年美规版车型排放后处理装置配置相同，所以得出几乎持平的结论。

图1 2011年款美规版柴油车油耗

图2 2012年款美规版柴油车油耗

通过比较图7～图9可以看出，2014年美规版在油耗和CO2排放这两个方面和2011年美规版、2012年款美规版相比有明显的下降，污染物排放方面CO的数值相比较于2011年款美规版、2012年款美规版有大幅度的上升趋势，而HC+NOx以及NOx这两项污染物有小幅度的下降。

图3 2011年款美规版柴油车CO2排放

图4 2012年款美规版柴油车CO2排放

图5 2011年款美规版柴油车污染物排放

图6 2012年款美规版柴油车污染物排放

鉴于14年款美规版车辆数目较少（2辆），对于以上现象，笔者给出初步的分析：一是油品的原因，随着国5甚至国6标准的相继提出和广泛使用，日益严苛的排放标准导致汽车燃料品质的大幅度提升，即使装配有相同排放后处理装置的车辆在油耗和污染物排放方面也会有显著的降低。二是样车数目过少，导致CO的排放结果有偶然性上升趋势，后续将收集更多2014年美规版车辆进行相关CO排放试验以确认CO的变化趋势。

2015年中规版与其他三款车型比较，无论是在油耗、CO2还是在CO排放方面都有明显下降，而在HC+NOx和NOx这两项污染物方面却有大幅度的上升。原因主要出现在排放后处理配置方面。其中，2011年美规版、2012年美规版以及2014年美规版均采用DOC+DPF+SCR的排放后处理方案，可以达到国5排放标准的要求。而2015年中规版采用了只配备有DOC的排放后处理方案，导致HC+NOx和NOx这两项污染物排放数值大幅度提高。

图7 4款柴油车油耗

图8 4款柴油车CO2排放

图9 4款柴油车污染物排放

4.2 同款车型常温下冷起动以及热车起动后排气污染物排放试验比对结果分析

选取2012年美规版柴油车车辆进行热车起动后排气污染物排放试验，采用柴油排放分析系统MEXA-7000HLE进行试验，柴油分析系统按照配置又分为STD和LE两个通道，其中STD通道为常规排放分析系统，LE通道为超低排放分析系统。图10～图12是同一辆柴油车热车情况下分别使用STD和LE通道进行I型试验，得到的CO、NOx、THC三种污染物模态数据的比较。其中，横坐标为试验进行时间，三条曲线分别代表速度随时间变化趋势，以及STD模式和LE模式下每种污染物浓度随时间的变化趋势。图13～图15是同一辆柴油车分别在热车起动和冷车起动两种情况下利用同一个LE通道进行I型试验，得到的CO、NOx、THC三种污染物模态数据的比较。其中，横坐标为试验进行时间，三条曲线分别代表速度随时间变化趋势、热车起动和冷车起动时每种污染物浓度随时间的变化趋势。

通过图10、图11和图12的比较可以看出，同一辆车在LE和STD两种模式下进行热车起动I型试验，每种污染物的整体变化趋势是一样的，保持着变化的一致性。THC的模态数据相对杂乱，没有规律性可言，这与THC的生成机理有相关性，但是可以看出LE通道下的THC模态数据高于STD通道下的模态数据。CO的模态数据在整个试验的前1000s一直处于相对稳定的状态，在1000s以后随着车速的增加开始大幅度跃迁，同样地可以看出LE通道下的THC模态数据高于STD通道下的模态数据。

NOx的模态数据具有一定的规律性，鉴于NOx的生成机制是在高温、富氧的条件下容易生成，因此在每个高速的小高峰处都能看到NOx浓度数值的跃迁，但是和THC和CO的模态数据的趋势不同，NOx的模态数据LE通道下的THC模态数据略微低于STD通道下的模态数据，但是几乎持平。其中，THC和CO的背景气浓度和样气浓度相差不大，而此款柴油车又可以很好地满足国5要求的排放结果，此时采用LE通道更能有效地体现出排放结果的准确性，但是NOx模态数据相对较高，采用LE通道和STD通道排放结果从理论上是应该一样的，所以两者差别很小。

图10 STD和LE两种模式下THC排放

图11 STD和LE两种模式下CO排放

通过图13、图14和图15的比较可以看出，同一辆车在热车起动和冷车起动两种情况下进行I型试验，每种污染物的整体变化趋势是截然不同的。THC的模态数据相对杂乱，没有规律性可言，这与THC的生成机理有相关性，但是通过对比可以看出冷车起动COLD的情况下THC的模态数据要高于热车起动HOT的情况，尤其是在车辆刚点火起步和高速段这两个时间段里更加明显。CO的模态数据在冷车起动COLD的情况下，在车辆刚点火起步这个时间段里大幅度攀升，这与车辆起步时间段，温度没有达到可以使降低CO排放的催化转化器发挥效率的数值有关，当经历起步的这个时间段后，逐渐趋于平稳。而CO的模态数据在热车起动HOT的情况下，由于温度一直保持较高的数值，降低CO排放的催化转化器一直发挥比较好的作用，所以一直处于比较恒定的较低浓度数值，一直到高速段，车速达到120km/h时才有了大幅度攀升值。

图12 STD和LE两种模式下NOx排放

NOx的模态数据具有一定的规律性，鉴于NOx的生成机制是在高温、富氧的条件下容易生成。因此，在冷车起动情况下，在每个由低速到高速转变的小高峰处都能看到NOx浓度数值的跃迁，可以从图15冷车起动情况下看到NOx的模态数据有很多个小高峰。而在热车起动情况下，前780s NOx的模态数据都相对平稳，起伏变化不大，当车速第一次达到了70km/h的高速时，NOx的模态数据才有了第一次略高的增长，而后每次速度有较大幅度增长时，NOx的模态数据都会有较大幅度的攀升，在速度由100km/h增长到120km/h的这个速度段尤为明显。

图13 COLD和HOT两种模式下THC排放

图14 COLD和HOT两种模式下CO排放

4 结语

图15 COLD和HOT两种模式下NOx排放

本文通过开展相关对比试验，对轻型国五柴油车排放油耗数据进行了研究分析。一是不同年代版型常温下冷起动后排气污染物排放试验（I型试验）比对结果分析。2011年美规版、2012年美规版、2014年美规版，这三款车型进行比较可以看出，2011年美规版和2012年美规版的排放，油耗数值几乎持平，平均性保持的比较好。2014年美规版在油耗以及CO2排放这两个方面和2011年美规版，2012年款美规版相比有明显的下降，污染物排放方面CO的数值相比较于2011年款美规版，2012年款美规版有大幅度的上升趋势，而HC+NOx以及NOx这两项污染物却有小幅度的下降。2015年中规版与其他三款车型比较无论是在油耗，CO2以及CO排放方面有相对明显的下降，而在HC+NOx以及NOx这两项污染物却有大幅度的上升。原因主要是因为排放后处理装置配置方面有区别。

二是同款车型常温下冷起动以及热车起动后排气污染物排放试验比对结果分析。同一辆车在LE和STD两种模式下进行热车起动I型试验，每种污染物的整体变化趋势是一样的，保持着变化的一致性；同一辆车在热车起动和冷车起动两种情况下进行I型试验，每种污染物的整体变化趋势是截然不同的。