重型汽油车国六排放法规讨论稿解读及试验研究

2020-09-10王谋举陈国栋任亚为王昊杨才钰苏海龙

内燃机与配件 2020年20期

关键词：排放

王谋举陈国栋任亚为王昊杨才钰苏海龙

摘要：通过与重型车现行排放法规以及轻型车国六排放法规的对比分析，对重型汽油车新排放法规讨论稿进行了详细解读。对满足轻型车国五法规的某车型开展试验研究，分析分别采用重型车和轻型车国六排放法规的具体表现，识别重型汽油车国六排放法规达标的难点所在，并给出了应对策略。

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.

关键词：重型汽油车;国六;排放

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

中图分类号：X734.2 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2020）20-0023-05

0 引言

2016年12月，轻型车国六排放法规GB 18352.6-2016 《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》发布，2018年6月重型柴油车国六排放法规GB 17691-2018 《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》发布。目前轻型车和重型柴油车已全面实行国五排放法规，并正向国六阶段过渡。而重型汽油车排放法规还停留在国四阶段，2019年底完成《重型汽油车污染物排放限值及测量方法（中国五、六阶段）》内部讨论稿（以下简称重型汽油车法规），代表着重型汽油车国五、国六阶段即将到来，本文对其主要变化点及带来的影响进行详细解读，并结合试验数据对排放结果进行量化研究。

1 与现行法规对比的主要变化点

重型国四排放法规（GB14762-2008）仅包含CO、THC和NOX三种排放物。测试试验在发动机台架进行，使用重型汽油机瞬态循环，限值宽松，较易达成。

新法规对比国四法规有明显变化，主要体现在以下三方面。

1.1 测试场所

新法规要求在底盘测功机上使用实车进行排放测试，从而能更全面反映车辆真实排放水平。

1.2 测试循环

新法规测试循环为C-WTVC，是以世界重型商用车瞬态循环WTVC为基础，调整加速度和减速度而得。

1.3 排放物种类和限值

国四排放法规只有3种排放物，见表1。新法规除将这3种排放物限值加严外，还增加了6种排放物，分别是NMHC、PM、PN、N2O、HCHO和CO2，見表2。

2 与轻型车法规对比的主要变化点

轻型汽车指最大设计总质量不超3500kg的M1类、M2类和N2类汽车，重型汽车指最大设计总质量大于3500kg的M类和N类车辆，见图1。

轻型车国六法规中规定 “在生产企业的要求下，最大设计总质量超过3500kg、但不超过4500kg的M1、M2和N2类汽车可按本标准进行型式检验。”重型汽油车法规中规定“若本标准适用的M1、M2类或N2汽车已按GB18352.6（国六）的规定进行了型式检验，则可不按本标准进行型式检验。”即图1中阴影区域车辆可使用以上两部法规中任意一部进行型式检验。以下主要对比两部法规I型试验的区别。

2.1 排放物种类

轻型车法规监测排放物有7种，分别是CO、THC、NMHC、NOx、N20、PM和PN，而重型汽油车法规在此基础上增加了对HCHO和CO2的监测。对于轻型车，CO2使用油耗方式进行考核，并未将其列入排放法规。而重型车法规将CO2直接列入排放法规中进行考核，会导致CO2不达标的车型，无法通过型式检验，更无法进行销售，对车企是一个挑战。

2.2 排放物限值

轻型车国六排放法规I型试验分为六a和六b两个阶段，见表3和表4。国六a除CO稍微加严，其他排放物与国五相同，国内多地直接跳过国六a施行国六b，大部分车企均针对国六b车型进行研发，下文讨论的轻型车国六排放均指国六b。

轻型车法规按照车辆种类不同规定了不同的排放物限值，分为第一类车和第二类车，第二类车又根据测试质量（TM）分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三个等级。

重型汽油车法规按照汽车总质量（GVW）将车辆分为6个等级，前两个等级规定了具体排放物限值，后面四个等级的排放限值依次为前一等级的1.2倍。

由于两部法规适用车辆种类不尽相同，这里选取轻型车质量最高级别（TM>1760kg）和重型汽油车国六法规质量最低级别（3500kg<GVW≤5000kg）进行7种共有排放的对比，除PN限值相同外，轻型车法规另外6种排放物限值均小于重型汽油车，在重型汽油车法规限值的50～60%之间，见表5。

2.3 测试循环

轻型车国六使用WLTC循环，即全球轻型车统一测试循环，由低速段（0～590s）、中速段（590～1023s）、高速段（1023～1478s）和超高速段（1478～1800s）四部分组成，见图2。

C-WTVC循环分别由市区循环（0～900s）、公路循环（900～1368s）和高速循环（1368～1800s）三部分组成，见图3。

两个循环的运行时间相同，WLTC循环的最高车速和最大加速度要比C-WTVC高很多，平均车速比C-WTVC略高，见表6。

2.4 排放结果计算方法

WLTC的排放结果直接由分析仪测得。重型车排放测试循环由冷机、热机2个C-WTVC循环组成，冷机循环试验后间隔20min进行热机循环试验，排放结果由冷、热循环试验结果加权计算得出，权重分别为0.14和0.86。这种冷热循环加权计算方法参照了重型柴油车国六法规中WHTC循环排放的计算。

2.5 试验阻力加载方法

轻型车法规进行道路阻力滑行及WLTC循环试验时，加载质量为测试质量。而重型汽油车法规加载质量为最大设计总质量，比轻型车测试质量大很多。

3 试验研究

选取某品牌一款车型分别进行轻型车国六和重型汽油车国六法规Ⅰ型试验，进行发动机运行工况点和排放结果的对比。该车型使用V8T汽油机，最大设计总质量介于3500～4500kg之间，排放满足轻型车国五法规。为消除不同车辆、转毂和驾驶员操作差异的影响，使用同一车辆、转毂和驾驶员进行该试验。

3.1 发动机运行工况点的对比

WLTC循环最高车速和最大加速度分别是C-WTVC循环的1.5和1.8倍，平均车速是C-WTVC循环的1.1倍，因此WLTC循环发动机的工况点在万有特性曲线中较高转速和负荷区域要比C-WTVC循环覆盖范围更广，见图4。WLTC循环最高转速达到2480rpm，最大负荷为122%，而C-WTVC循环最高转速和最大负荷分别为2123rpm和93%。

3.2 排放结果对比

为消除单次试验误差，每个I型试验均进行了3次测试，取3次结果平均值进行对比。受试验测试设备条件限制，无N2O和HCHO测量结果，由于N2O较易达标，不再进行比较，只进行另外6种共有排放物的对比。以下从五个方面进行对比。

3.2.1 冷机排放结果对比

WLTC循环和C-WTVC的冷机循环均由冷机起动开始测量排放物直至循环结束，选取两者排放结果进行对比，C-WTVC循环CO、HC、NMHC、PM和PN明显好于WLTC，在后者52%以内，NOX结果相当，见表7。

對比WLTC和C-WTVC循环排放秒采数据，发现大部分排放物产生在起动后100s内，除NOX外，其他排放物占比均在75%以上，见图5～图8。主要由于这段时间发动机冷却液、催化器等温度较低，燃油雾化效果差造成。另外，这段时间前氧基本处于开环状态，空燃比控制效果比闭环时差很多，这对排放也有较大影响。

两个循环的排放差异主要产生在前100s。WLTC循环从起动到起步，中间有12s怠速时间，而C-WTVC循环只有5s怠速时间。C-WTVC循环起步早，排气流量大，因此催化器起燃较快，且前100s内C-WTVC循环的催化器温度一直高于WLTC，对排放物转化效率更高。另外该车型并未专门针对WLTC或C-WTVC循环进行标定，且两个循环不同时间的工况点不同，WLTC循环在40～80s处的空燃比比C-WTVC循环偏浓较多，这也会造成该阶段CO、HC和PN等排放物明显高于C-WTVC，见图9。

3.2.2 C-WTVC冷机与热机循环排放结果对比

热机C-WTVC循环开始时发动机水温为85℃，起动阶段喷油量少，燃油雾化效果好，所以发动机原始排放物产生较少。另外起动时催化器温度为352℃，高于起燃温度，能将大部分排放物净化。因此热机循环排放结果明显好于冷机循环，见表8。可以看出除NOX升高外，热机循环其他排放物都在冷机循环35%以内。

热机C-WTVC循环NOX高主要因为热机起动后空燃比过稀造成，经过一定程度标定数据优化可以使NOX达到与冷机循环相当的水平。

3.2.3 加权计算后的排放结果对比

重型汽油车Ⅰ型试验排放结果根据冷机和热机结果加权计算而得，冷机循环占14%，热机循环占86%。由于热机循环结果占比很大，因此加权后结果更接近热机。冷机时产生较多的CO、THC、NMHC、PM和PN经加权计算后，结果都在冷机循环的41%以内，见表9。

由于重型汽油车法规的特殊计算方法，CO、THC、NMHC、PM和PN的排放量比轻型车法规低很多。除NOX外，其他排放物都在WLTC循环的23%以下，见表10。

3.2.4 国六排放结果达标情况

WLTC测试结果无法满足轻型车国六法规，除NOX在限值以内，其他排放物为限值的110～860%倍，若考虑劣化系数和工程目标，则超出更多。除了CO2在下节单独讨论外，C-WTVC测试结果满足重型汽油车国六法规，同时也满足排放工程目标，见表11。

3.2.5 CO2排放结果

通过以上可知，重型汽油车排放法规较易达标，但这仅针对和轻型车法规共有排放物，由于重型车法规增加了CO2，需看其能否达标。

重型车国五阶段CO2限值参考了工信部发布的《GB 30510-2018 重型商用车三阶段油耗限值》，为338g/km，相当于油耗14.3L/100km。国六阶段也将参考“重型商用车四阶段油耗限值”，由于新的油耗限值尚未出台，所以暂未给定国六阶段CO2限值（2022年7月前给定）。参考各阶段“重型商用车油耗限值”变化情况，预测四阶段油耗限值比现行的三阶段（GB30510-2018）会加严10～11%，即国六CO2限值会比国五加严10～11%，约为301g/km，相当于油耗12.7L/100km。

该车型CO2能满足重型车国五法规，但无法满足国六法规。见表12和图10。

因此无论选择哪部法规进行型式认证，均需对车辆进行相应技术升级。

4 排放法规达标技术方案分析

以上试验车型必须进行技术方案升级，才能满足轻型车或重型汽油车国六排放法规。

4.1 轻型车国六法规达标技术方案分析

試验车型除NOX满足轻型车国六排放法规，另外5种排放物均超限值，可以采用缸内直喷技术、GPF颗粒捕集器、催化器升级和免过露点前氧传感器等技术手段进行升级以降低排放物的产生。

4.2 重型车国六法规达标技术方案分析

由于重型汽油车排放法规升级较慢，重型汽油机的技术水平一般落后于轻型汽油机，另外该车型定位为高端车型，消费人群更注重车辆的驾驶性和舒适性，对油耗关注度低，整车上并未过多考虑降油耗技术，因此无法满足国六法规CO2要求。

可以采用缸内直喷、怠速起停、闭缸技术、车身轻量化、降低滚阻风阻等技术来降低CO2排放。

以上技术方案大部分已在轻型车上应用，此处不再赘述，重型汽油车由于排放法规滞后，应用较少。为满足轻型车或重型车国六法规，该车型需要采用其中的一种或多种技术方案，还需要对开发周期和成本综合考虑以选择最优方案。

5 结束语

重型汽油车新排放法规根据冷机和热机的排放结果进行加权，最后得出总的排放结果，由于热机所占比例为86%，因此就常规排放物来说，重型汽油车国六排放达标难度远低于轻型车国六。