基于中国工况的国六轻型车排放特性及技术路线研究*

2020-09-17

小型内燃机与车辆技术 2020年4期

（中国汽车技术研究中心有限公司天津 300300）

引言

《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》已于2016 年12 月23 日发布，并于2019年7 月1 日在国内部分地区开始实施。相比之前的排放标准，国六标准基本脱离欧系，与欧美处于同一水平，甚至有的地方已经超过欧美，处于创新发展的前沿。其中，测试循环是检测汽车尾气污染物排放的基准工况，对汽车产品的研发、检测和认证都产生直接影响。而测试循环能否反映车辆的实际运行情况又直接影响我国汽车污染物排放控制技术的发展方向。然而，国六排放的测试循环采用了欧洲标准中的全球轻型车统一测试循环（WLTC），该测试循环相对于之前的NEDC 循环，虽然工况变化更加频繁，也更能反映车辆的实际驾驶情况，但WLTC 测试循环与我国实际工况仍存在不小差异，特别是怠速比例和平均速度这两个最主要的工况特征，并不能真实反映我国车辆实际驾驶情况。为了解决这一问题，中国轻型车测试循环（CLTC）应运而生，在《2019 年第13号国家标准公告》中正式发布[1]，CLTC 循环的出现弥补了中国长期缺少自己测试循环的空白，为测量更加符合中国实际工况下的排放和油耗提供了更多选择。

为了应对严苛的轻型车国六排放标准要求，目前国六轻型车主要采用增压+直喷、增压+直喷+GPF、自吸+PFI 以及混合动力技术等多种排放控制技术方法。研究表明：增压缸内直喷发动机在动力性、经济性及排放方面有很多自吸进气道喷射发动机所无法比拟的优点，但是缸内直喷发动机也存在很多问题，比如HC、CO 排放高，NOx 污染物难控制以及PN 排放量较多等问题[2-3]，而进气道燃油喷射（PFI）自然吸气汽油机仍能满足市场需求和环境要求。为了应对污染物排放，针对法规要求的CO、HC、NOx 和PM/PN 等污染物产生原因，吴春玲等人总结了应对污染物排放控制的技术，但并没有从整车排放控制的技术路线出发，提出一条适合整车国六排放控制的技术路线[4]。目前CLTC 循环已确定应用于所有重型商用车和新能源车的能耗试验方法标准，并将逐步导入排放、噪声等领域。为了了解市场上应对国六排放标准的技术对CLTC 循环的适应性，本文开展了基于中国工况的国六轻型车排放特性及技术路线研究，为CLTC 循环导入轻型车排放领域提供技术支撑。

1 试验设备及方法

1.1 测试循环

本试验选择CLTC 测试循环对国六轻型车进行测试，CLTC 测试循环工况图如图1 所示。

图1 CLTC 测试循环工况曲线图

从图1 中可以看出，CLTC 循环属于瞬态多变工况，由不同速度段组成，用于反映实际道路行驶情况。CLTC 循环的运行时间均为1 800 s，最高速度和平均速度分别为114 km/h 和29 km/h，最大加速度为1.47 m/s2，相对于WLTC 和NEDC 循环，CLTC 的循环里程和最大加速度处于中间，最高速度和平均速度是最小的，具体的参数如表1 所示。

表1 NEDC、WLTC 和CLTC 三种测试循环的特征对比[1,5-6]

1.2 试验车辆

试验选取了4 辆测试车，其中3 辆传统汽油车和1 辆PHEV 车，其中传统汽油车的发动机排量均为1.5 L。4 个车型代表了4 种主流的排放控制技术路线，分别是增压+直喷+GPF、增压+直喷+非GPF、自吸+PFI+非GPF 和PHEV。测试车辆具体参数如表2 所示。

表2 测试车辆参数

1.3 实验设备和方法

试验采用CVS 全流式稀释装置、HORIBA 尾气分析仪和粒子计数分析仪，测试试验设备连接和取样位置如图2 所示。

HORIBA 尾气分析仪用于测量车辆行驶过程中排放的尾气中的THC、CO、NMHC、NOx的含量，HORIBA 的粒子计数分析仪用于测量尾气中颗粒物的数量，整个测试循环的油耗是采用碳平衡原理，通过尾气中的碳含量计算获得，设备具体型号如表3所示。

表3 测试设备

图2 测试试验示意图

试验在转毂上进行，4 辆车均采用相同的加载方式，并在相同的环境条件下，行驶一个完整的CLTC测试循环，并通过尾气测量设备记录循环工况下的污染物排放量，最后根据轻型车国六b 中给出的劣化修正值（如表4 所示），采用加法计算出每种污染物的排放量。

表4 轻型车国六b 型试验劣化修正值

2 试验结果

2.1 尾气污染物瞬态排放分析

为了分析中国工况对尾气污染物的瞬时排放影响情况，试验选取一款增压直喷GPF 的车型（车型3），车辆在转毂上采用与国六相同的加载方式，测试结果如图3 所示。

图3 CLTC 工况多种污染物的瞬时排放情况

从图中可以看出，CO、THC、NOx和PN4 种污染物在冷启动100 s 内的出现排放峰值，且占总排量的比例较大。在后续的测试过程中，CO 和THC 排放处于稳定低排放状态，而NOx仅在加速阶段少量产生，其他时刻排放量基本为零，PN 排放量与车辆的加速情况相关性很大，其产生伴随在每次加速发生时。

对冷启动100 s 内的污染物排放量占比统计发现，CO 排放量占到总量的65.2%，THC 排放量占到总量的23.9%，NOx排放量占到总量的53.6%，PN 排放量占到总量的19.8%，由此可看出，在仅占整个测试循环5.5%时间的冷启动阶段，CO 和NOx排放量贡献了50%以上，THC 和PN 排放量贡献了20%左右，这是因为在冷启动阶段，三效催化剂的温度比较低，还没有达到三效催化剂的起燃温度，此阶段的催化剂工作效率比较低，尾气中的污染物CO、THC、NOx和PN 排放量较大。

2.2 CLTC 循环下的排放控制技术路线分析

为研究不同排放控制技术路线在中国工况测试循环下的排放特性，试验选取了目前市场上主流4种排放控制技术路线的4 辆车，4 辆车分别对应表2中的车型1～车型4。

图4 为4 种技术路线下的THC 排放情况，从图中可以看出，在4 种技术路线中，THC 的排放量均未超过国六b 的限值。其中增压+GDI 车辆的THC 排放量较大，自吸+PFI 的车辆排放量次之，而PHEV 车辆的THC 排放量是最少的。这是因为与PFI 发动机相比，GDI 车辆很难同时实现良好的分层燃烧和均质燃烧，而不充分燃烧会生成大量的未然HC。相比于传统车辆，PHEV 车辆在测试循环下的发动机工作时间短，也就导致循环测量的HC 排放量减少。同时发现，在4 种控制技术路线中，增压+GDI+GPF 路线下的THC 排放与国六b 限值非常接近，采用此技术路线的车辆仍需要进一步优化THC 排放。

图4 4 种技术路线下的THC 排放

图5 为4 种技术路线下的CO 排放情况，从图中可以看出，4 种技术路线下的CO 排放量均未超过国六b 的限值。其中增压+GDI 和自吸+PFI 的3 种技术路线下的CO 排放量约为国六b 限值的60%，且相差不大，PHEV 车辆的CO 排放量仅是国六b 限值的33.6%，远低于法规要求限值。

图5 4 种技术路线下的CO 排放

图6 为4 种技术路线下的NOx排放情况，从图中可以看出，4 种技术路线下的CO 排放量均未超过国六b 的限值。其中增压+GDI+GPF 和增压+GDI+非GPF 的NOx排放量相差不大，且高于另外两种技术路线下的NOx排放，PHEV 技术路线下的NOx排放量最少。这是因为高温和富氧是产生NOx的因素，相对于PFI 发动机的均质当量燃烧，GDI 发动机采用了稀薄分层燃烧技术，由于GDI 的混合气由浓到稀呈分层状态,不可避免地会出现空燃比为1 附近的偏浓区域,使这些区域燃烧温度高，NOx排放增加,同时较高的压缩比和较快的反应放热率也是引起NOx排放升高的一个原因[7]。相比于增压+GDI+GPF车辆，自吸+PFI+非GPF 车辆的NOx排放量降低了10.5%，PHEV 车辆的NOx排放量降低了25.7%。

图6 4 种技术路线下的NOx 排放

图7 为4 种技术路线下的PN 排放情况，从图中可以看出，4 种技术路线下的PN 排放量均未超过国六b 的限值。其中增压+GDI+非GPF 的PN 排放量是最大的，非常接近国六b 限值，增压+GDI+GPF 和自吸+PFI+非GPF 的两种技术路线下的PN 排放量差别不大，仅是增压+GDI+非GPF 车辆PN 排放量的50%，PHEV 车辆的PN 排放量是最少的，仅是增压+GDI+非GPF 车辆PN 排放量的11.5%，进一步说明了增压+GDI 技术路线需要配合GPF 的必要性，同时也说明了PHEV 车辆在降低PN 排放方面具有很高的优势。