北京Ⅵ阶段重型发动机排放测试方法及限值对比分析

2016-11-10解瀚光

北京汽车 2016年5期

关键词：瞬态测量方法限值

解瀚光，张凡，李昂

Xie Hanguang, Zhang Fan, Li Ang

（中国汽车技术研究中心，天津 300300）

北京Ⅵ阶段重型发动机排放测试方法及限值对比分析

解瀚光，张凡，李昂

Xie Hanguang, Zhang Fan, Li Ang

（中国汽车技术研究中心，天津 300300）

相比于我国现行排放法规，北京Ⅵ阶段法规针对重型柴油机排放法规进行了较大改变，文中将从现行法规和欧Ⅵ与京Ⅵ法规之间排放限值、测量方法等方面的差异性入手，解读京Ⅵ法规。结果表明，京Ⅵ法规相对于现行法规在测量方法上引入WHTC、WHSC和WNTE测试循环，同时大幅度严格了法规限制，并与欧Ⅵ法规测量方法相同，个别限值严于欧Ⅵ法规。

京Ⅵ法规；重型发动机；排放限值；测量方法

0 引言

2015年11月26日北京市环保局发布了《重型车用压燃式、气体燃料点燃式发动机排放污染物排放限值及测量方法（北京第Ⅵ阶段）（征求意见稿）》[1]，简称京Ⅵ法规。该法规预计于 2017年12月正式实施，这一标准不仅对于排放限值提出了更高的要求，同时，对于应用范围、测量方法等也提出了新的定义。

通过分析中国现行排放法规及欧洲Ⅵ阶段法规（简称欧Ⅵ），针对适用范围、测量方法和排放限值3个方面对京Ⅵ法规进行分析。

1 适用范围

京Ⅵ阶段标准适用于装在设计车速大于25 km/h的N2和N3类，及车身长度大于6 m的M3类机动车的压燃式（含气体燃料点燃式）发动机。

相比 GB17691—2005[2]中规定的国Ⅴ排放法规适用范围，京Ⅵ阶段法规中将M2类和部分M3类，即包括驾驶员在内座位数超过 9个但总质量不超过5 t和座位数超过9个但总长不超过6 m的载客车辆划分为轻型车标准管辖范围，这一变更使车型分类划分更加清晰，避免了跨界车型管理问题。

欧Ⅵ标准对基准质量大于2 610 kg的M1，M2，N1，N2类车和所有M3和N3类车型均适用，适用范围十分广泛，这与我国法规适用范围区别较大，其原因与各国间商用车用车习惯有关。

2 测量方法

京Ⅵ法规在测量方法方面发生了较大变化，对比GB17691—2005和欧洲Ⅵ阶段标准，由表1可见，北京地方法规从第Ⅴ阶段起将欧洲瞬态测试循环（European Transient Cycle，ETC）变更为世界统一的瞬态测试循环（World Harmonized Transient Cycle，WHTC），国家环境保护标准HJ689—2014中也引入WHTC工况法作为装用柴油发动机的城市车辆瞬态循环测试方法，作为原GB17691的补充[3]。在京Ⅵ法规中取消欧洲负荷烟度试验（European Load Reponse Test，ELR），将欧洲稳态测试循环（European Steady State Cycle，ESC）变更为世界统一的稳态测试循环（World Harmonized Steady-State Cycle，WHSC），增加世界非法规工况排放要求（World-Harmonized Not-To-Exceed，WNTE）。这一变化与欧Ⅵ测试方法的更改使法规工况更接近于实际使用情况，更有利于重型发动机排放的控制。

表1 测试循环对比

2.1 对比欧洲稳态测试循环（ESC）和世界统一的稳态测试循环（WHSC）

从图1中可以观察到，相比于ESC，WHSC更关注低负荷工况点，新增最大净功率的 25%，35%和45% 3个转速，同时怠速工况增加至2个，删除60%和65% 2个转速；新标准减少满负荷所占比例，增加多个中小扭矩工况点。这些变化使WHSC工况比ESC工况平均转速降低25%，平均扭矩降低 51%，平均功率降低 64%[4]，充分体现了对低速低负荷的侧重。由于低速低负荷工况时会产生排温较低等现象，严重影响SCR转换效率，NOx排放也会相应增加，因此对发动机排放及后处理提出了更高的要求。

图1 ESC与WHSC工况对比

2.2 对比欧洲瞬态测试循环（ETC）和世界统一的瞬态测试循环（WHTC）

ETC与WHTC均将工况分为城市道路工况，乡村道路工况和高速工况 3类。但所占比例发生较大变化，由ETC中各工况各占1/3调整为WHTC中城市工况占 49.6%，郊区工况占 26%，高速工况占24.3%。由于城市道路工况多集中于中低转速中小负荷工况，从图2[1]中可看出变化趋势，此趋势使WHTC循环的平均功率只有ETC的62%。同时WHTC需按试验方法进行冷态和热态2次循环，并加权计算排放污染物，使测试工况考察范围更大，排放物控制要求更加严格。

图2 ETC与WHTC工况对比

2.3 新增世界非法规工况排放要求（WNTE）

WNTE主要目的为防止非法规监测点排放过高，在京Ⅵ标准中规定，需进行发动机及车载 2次测量。下文对这一测试工况进行描述，控制区域和试验点分布如图3所示。

图3 WNTE控制区域及试验点分布

由图3中可以看到，WNTE控制区域主要由外特性曲线配以转速、扭矩和功率 3方面限制组成。转速区域为发动机转速范围n30～nhi之间的区域，其中n30为WHTC循环包括怠速在内的所有转速积分的30%，nhi为最大功率70%对应的最高发动机转速；扭矩范围为扭矩大于等于发动机发出的最大扭矩值 30%的所有发动机负荷点；功率范围为大于等于发动机发出的最大功率值 30%的转速和负荷点。

WNTE测试点以3 000 r/min为界，将图3中区域划分为9或12个区域，在此区域内随机抽取3个区域，每个区域包含 5个随机测试点，共计15个。发动机在各随机测试点运行2 min，包括前一稳态测试点的过渡时间。在测试点之间发动机转速和负荷过渡应为线性，持续时间为20±1s。试验共计30 min。

3 排放限值

由于京Ⅵ法规对于测试方法提出新的要求，国家环境保护标准及京Ⅳ，京Ⅴ阶段法规（DB11/964- 2013）[5]中已将WHTC作为排放测试循环引入，故在排放限值方面将WHTC限值与此标准加以比较，见表2。同时分析表3，WHSC未在我国原有排放法规中出现，由于选取工况不同，无法分析限值变化趋势，对比ESC与WHSC限值差异，初步分析稳态循环变化趋势；对比欧Ⅵ法规，分析京Ⅵ法规各试验限值与欧Ⅵ法规之间的异同。通过对比欧Ⅵ法规和京Ⅵ法规中WNTE限值异同，分析其特点。

表2 各法规瞬态及稳态循环限值对比

表3 发动机非法规工况排放限值mg/kWh

3.1 瞬态循环限值分析

分析瞬态循环限值变化趋势，对比表 2中各法规限值可以看出，国Ⅴ法规与京Ⅴ法规中柴油机限值相同，但京Ⅴ法规新增对于点燃式气体发动机的排放限值。京Ⅵ法规相比原有限值，除CO外均大幅度下调，NOx排放仅约为原京Ⅴ限值的16%，PM约为原限值的33%，CH4约为原限值的45%，非甲烷碳氢约为原限值的 24%，如图4所示。相比于京Ⅴ法规新增PN和NH3排放限值要求，限值与欧Ⅵ相同；相比 NH3限值在HJ437-2008[3]中规定为 25×10-6，京Ⅵ法规下调了60%。对比京Ⅵ与欧Ⅵ法规，二者各限值保持一致。

图4 WHTC法规限值对比

3.2 稳态循环限值分析

分析稳态循环限值变化趋势，在京Ⅵ之前的法规中一直使用ESC作为稳态测试循环，首先对比国ⅤESC限值与京Ⅵ WHSC限值变化趋势，对于柴油机NOx限值下降为原限值20%，THC为原限值的52%，PM约为原限值的50%，同时增加了NH3和PN的排放限值，如图5所示。相比于欧Ⅵ法规，限值未发生改变，但新增点燃式气体发动机稳态循环限值，提升对于气体发动机的排放要求。

图5 稳态测试循环限值对比

3.3 非法规工况排放限值分析

京Ⅵ法规新增WNTE测试循环，这一循环在我国现行法规中均未涉及，对比分析京Ⅵ及欧Ⅵ法规中此类型测试循环的限值差异，欧Ⅵ法规中规定了WNTE限值，分析表3中数据，欧Ⅵ法规中，仅规定了柴油机排放限值。在京Ⅵ法规中，不仅新增了点燃式燃气发动机WNTE的排放限值要求，同时相比欧Ⅵ法规限值，严格了柴油机NOx排放限值20%。