程建康 ，肖紅軍， 劉小舫， 張斌，　鄭?。▏移囐|量監(jiān)督檢驗中心（襄陽），襄陽 441004）

重型車用柴油機歐Ⅵ排放法規(guī)淺析

程建康 ，肖紅軍， 劉小舫， 張斌，鄭巍
（國家汽車質量監(jiān)督檢驗中心（襄陽），襄陽 441004）

本文對重型車用柴油機歐Ⅵ排放法規(guī)R49.06污染物測試方法、OBD驗證要求、耐久性試驗方法、儀器設備要求等多個方面進行了介紹，并在某柴油機上通過試驗分別對ESC循環(huán)和WHSC循環(huán)以及WHTC循環(huán)和ETC循環(huán)進行了對比。通過對比發(fā)現(xiàn)，WHSC循環(huán)大部分工況點位于中低轉速中低負荷下，怠速工況與25%負荷工況占整個WHSC循環(huán)的67%；相比ETC循環(huán)，WHTC循環(huán)更偏重于低速、低負荷工況，造成循環(huán)前1200秒排氣溫度相對ETC循環(huán)較低，在WHTC循環(huán)前400秒排氣溫度未超過303℃。對于OBD系統(tǒng)，歐Ⅵ法規(guī)將故障分為A、B1、B2、C四類，增加了OBD實際監(jiān)測頻率（IUPR）要求。歐Ⅵ法規(guī)對于污染物控制裝置耐久性提高了里程要求。

重型柴油機；歐六排放；OBD；耐久性；IUPR

隨著機動車保有量的不斷增加，機動車污染物排放已經(jīng)成為造成大氣污染的重要因素之一，其中重型柴油機由于排量大，氮氧化物和顆粒物排放高而受到特別關注。在歐Ⅲ至歐Ⅴ階段重型柴油機污染物測試循環(huán)采用ESC和ETC循環(huán)測試方法，歐Ⅵ排放法規(guī)對重型車用柴油機污染物測試循環(huán)進行了更改，改為采用WHTC、WHSC循環(huán)測試方法，并且增加顆粒物數(shù)目（PM number）限值要求。另外R49.06對OBD系統(tǒng)要求、耐久性試驗方法、儀器設備、試驗條件等多個方面均有了新的規(guī)定，作者對其進行了解讀和分析。

1　歐洲重型柴油機排放法規(guī)發(fā)展歷程

歐洲從1992年開始提出重型柴油機污染物排放控制要求，在此基礎上不斷加嚴排放限值，并且在1999年開始推出ESC、ETC、ELR污染物測試方法，在2013年推出WHSC、WHTC污染物測試方法，同時增加了顆粒數(shù)的測試項目。對于重型柴油機而言，氮氧化物和顆粒物排放是排放控制的重中之重。

圖1為重型柴油機歐洲Ⅲ至Ⅵ階段部分污染物限值變化情況，從圖1中可以看出，從歐Ⅴ到歐Ⅵ階段，穩(wěn)態(tài)循環(huán)的NOx限值由2g/（kWh）降低為0.4g/（kWh），降低了80%。瞬態(tài)循環(huán)的NOx限值由2 g/（kWh）降低為0.46g/（kWh），降低了77%。從歐洲Ⅲ至Ⅵ階段，隨著排放法規(guī)的不斷發(fā)展，重型柴油機氮氧化物排放限值持續(xù)降低。

從歐Ⅴ到歐Ⅵ階段，穩(wěn)態(tài)循環(huán)的PM限值由0.02 g/（kWh）降低為0.01g/（kWh），降低了50%。瞬態(tài) 循 環(huán) 的 PM限 值 由 0.03g/（kWh）降 低 為0.01g/（kWh），降低了66.7%。從歐洲Ⅲ至Ⅵ階段，隨著法規(guī)的不斷發(fā)展，重型柴油機顆粒物排放限值持續(xù)降低。此外，歐Ⅵ排放標準中增加了顆粒數(shù)（PM number）測試項目，規(guī)定WHSC循環(huán)測試顆粒數(shù)不超過8.0×1011個/（kWh），WHTC循環(huán)測試顆粒數(shù)不超過6.0×1011個/（kWh）。

綜上所述，歐Ⅵ階段不僅污染物測試循環(huán)更改為WHTC、WHSC循環(huán)，氮氧化物和顆粒物限值也大幅度降低，再加上新增的顆粒數(shù)限值要求，在Ⅳ、Ⅴ階段大量應用的通過機內(nèi)凈化與選擇性催化還原系統(tǒng)（SCR）組合使用來降低顆粒物與氮氧化物排放的方法已經(jīng)無法實現(xiàn)歐Ⅵ階段排放控制目標，而具有更高的噴射壓力的燃油噴射系統(tǒng)、具有更大的增壓比包括兩級增壓技術的進氣增壓系統(tǒng)，以及選擇性催化還原系統(tǒng)（SCR）與柴油機顆粒捕集器（DPF）系統(tǒng)的結合運用將是實現(xiàn)歐Ⅵ階段排放的重要技術路徑。

2　重型車用柴油機歐Ⅵ法規(guī)要求

2.1排氣污染物試驗方法

重型車用柴油機歐Ⅲ階段至歐Ⅴ階段排氣污染物試驗包括ESC、ETC、ELR 試驗循環(huán)，歐Ⅵ階段采用WHTC 和 WHSC 試驗循環(huán)［1］，并且增加了之前階段沒有規(guī)定的顆粒數(shù)的測試方法和限值要求。作者在某柴油機怠速800r/min，額定轉速2400r/min）上通過試驗分別對ESC循環(huán)和WHSC循環(huán)以及WHTC循環(huán)和ETC循環(huán)進行了對比，通過對比發(fā)現(xiàn)，WHSC和ESC試驗循環(huán)的運行工況完全不同，圖2為ESC、WHSC穩(wěn)態(tài)工況點對比。

如圖2 所示，WHSC循環(huán)13個穩(wěn)態(tài)工況點中有12個工況點轉速低于ESC循環(huán)B轉速，圖3為試驗柴油機ESC循環(huán)和WHSC循環(huán)過程。由圖3可以看出，ESC 循環(huán)運行時間為1680秒，ESC循環(huán)除第一個工況點為4分鐘外，其余12個工況點均運行2分鐘；由圖3可以看出，WHSC循環(huán)運行工況時間為1895s，各個工況點運行時間差異較大，運行時間最長250秒，最短僅為50秒，并且怠速工況與25%負荷工況共運行1270秒，占整個WHSC循環(huán)的67%，因此，WHSC大部分工況點位于中低轉速中低負荷下。另外，對于 ESC 循環(huán)，氣態(tài)污染物測量值采用工況結束前30秒內(nèi)的測量平均值，各工況的結果計算后再加權得到總氣態(tài)污染物結果，顆粒物總取樣質量為各工況結束前某加權時間段內(nèi)的取樣總和，即分段取樣方式；對 WHSC 循環(huán)，氣態(tài)污染物和顆粒物均為整個循環(huán)期間的連續(xù)取樣，即連續(xù)取樣方式，排放結果為瞬時測量值的積分或整個循環(huán)期間的氣袋采樣分析平均值，包含了過渡階段和穩(wěn)定階段的污染物排放。

圖3中對于為試驗柴油機WHSC、ESC循環(huán)試驗過程排氣溫度與平均溫度進行了對比，ESC循環(huán)平均溫度為358.2℃，WHSC循環(huán)平均溫度為302.8℃，比ESC循環(huán)低55.4℃。

WHTC 循環(huán)引入了冷起動循環(huán)，完整的WHTC 循環(huán)過程包括冷起動WHTC 循環(huán)（通過自然冷卻或強制冷卻達到冷啟動條件）、熱浸和熱起動WHTC 循環(huán)組成，最終結果由冷、熱WHTC循環(huán)排放結果加權得到。單個冷起動或熱起動WHTC循環(huán)與ETC測試循環(huán)時間相同，但工況完全不同，圖4中對于某柴油機WHTC與ETC轉速、負荷進行了對比。根據(jù)統(tǒng)計，WHTC測試循環(huán)怠速工況時間占比為17%，而ETC循環(huán)只有6%。結合圖4可以看出，WHTC測試循環(huán)明顯提高了低轉速工況所占用的時間比例，尤其是提高了怠速工況占用時間的比例。

由于在循環(huán)運行前1200秒，WHTC循環(huán)中發(fā)動機運行轉速和負荷較ETC循環(huán)偏低，排氣溫度明顯低于ETC循環(huán)排氣溫度，尤其在前400秒，排氣溫度未超過303℃，因此WHTC循環(huán)要求發(fā)動機排氣后處理系統(tǒng)具有更好的低溫性能。WHTC循環(huán)在1350秒至1800秒，由于發(fā)動機負荷的提高，WHTC循環(huán)的排氣溫度高于ETC循環(huán)。

將WHTC和ETC循環(huán)按照600秒均分為三段，圖5為試驗柴油機WHTC和ETC在三段時間內(nèi)的平均轉速和平均扭矩的對比圖，如圖所示，WHTC測試循環(huán)的平均轉速均低于ETC測試循環(huán)的平均轉速，差值超過200r/min，其中在第二段工況WHTC與ETC循環(huán)平均轉速差值超過400r/min。WHTC測試循環(huán)在第一段和第二段工況平均扭矩低于ETC測試循環(huán)平均扭矩，在第三段工況階段高于ETC測試循環(huán)平均扭矩。試驗結果顯示，試驗柴油機ETC循環(huán)的實際循環(huán)功為24.2kWh，WHTC循環(huán)的實際循環(huán)功僅為14.1kWh，比ETC循環(huán)低41.7%。因此，相比ETC循環(huán)，WHTC循環(huán)更偏重于低速、低負荷工況。

R49.06法規(guī)不僅將污染物測試循環(huán)更改為WHSC循環(huán)和WHTC循環(huán)，并且增加了循環(huán)外排放控制WNTE測試要求，WNTE試驗工況區(qū)域更加寬廣，并且試驗時隨機選擇符合法規(guī)要求的三個區(qū)域，三個區(qū)域的測試順序是隨機的，每個區(qū)域內(nèi)的各個工況點也是隨機選取，各個工況點試驗時采用隨機的試驗順序。這樣，通過WNTE測試，保證了發(fā)動機在更加寬廣的區(qū)域內(nèi)污染物保持較低排放水平。

2.2OBD系統(tǒng)診斷及NOX控制要求

歐Ⅵ法規(guī)增加了OBD系統(tǒng)診斷 OTL限值要求，并且根據(jù)故障對于車輛排放影響的程度將故障分為A、B1、B2、C共四類故障，定義了每類故障的觸發(fā)策略和凍結幀存儲的優(yōu)先順序。歐Ⅵ法規(guī)不僅要求按故障分類來分別進行 OBD 性能驗證，也定義了全新的報警方式、監(jiān)測器組等要求，并且對不同的監(jiān)測器組提出了OBD在用性能即實際監(jiān)測頻率要求，對OBD監(jiān)控系統(tǒng)某特定監(jiān)控器m的實際監(jiān)測頻率（IUPRm）計算如下：

OBD實際監(jiān)測頻率（IUPR）不小于0.1，它有分子、分母兩部分組成，分子是滿足OBD某特定監(jiān)控器m監(jiān)測條件時OBD系統(tǒng)執(zhí)行監(jiān)測的次數(shù)，分母是車輛駕駛事件的次數(shù)，分子和分母均通過計數(shù)器進行計數(shù)，分子分母的比值也就是OBD實際監(jiān)測頻率（IUPR），它表示了某一特定監(jiān)測在汽車運行時的診斷頻率。通過OBD實際監(jiān)測頻率（IUPR）最低限值的要求來保證車輛在實際使用過程中OBD系統(tǒng)能夠有效的進行故障監(jiān)測。制造企業(yè)應按歐Ⅵ法規(guī)要求對車載診斷系統(tǒng)（OBD）進行軟硬件升級才能滿足相關要求。

歐Ⅵ法規(guī)繼續(xù)保持了NOX控制的正確措施的監(jiān)控要求，但歐Ⅵ法規(guī)NOX監(jiān)控要求專門的報警系統(tǒng)和引導系統(tǒng)。此外，歐Ⅵ法規(guī)主要針對反應劑控制進行監(jiān)測，并且報警觸發(fā)方式也不再僅以排放超限值來定義，而是針對不同監(jiān)控項采用不同的觸發(fā)方式，其次，嚴重情況時的車輛限制方式增加了車速限制，并且車輛限制觸發(fā)基準也更改為報警后的發(fā)動機運行時間。NOX控制措施驗證項目增加了反應劑加熱保護、反應劑消耗異常、監(jiān)控系統(tǒng)干擾等項目，尤其是對于具有加熱功能的反應劑罐和噴射系統(tǒng)，要求進行尿素解凍驗證。OBD 試驗循環(huán)也由ESC 循環(huán)（每工況時間減少為60s）更換為WHTC 熱起動循環(huán)，更加貼近車輛實際使用工況［3］。

由于歐Ⅵ階段發(fā)動機后處理系統(tǒng)的不同，法規(guī)對需要進行監(jiān)控的電子電氣設備系統(tǒng)進行了規(guī)定，包括但不限于壓力傳感器、溫度傳感器、氮氧化物傳感器、爆震傳感器、排氣中燃油或反應劑噴射器、排氣中燃燒器或加熱單元、火花塞、進氣加熱裝置等。對于DPF系統(tǒng)，要求通過載體打孔或磨損載體末端等方法制作劣化部件進行驗證，并規(guī)定劣化的DPF系統(tǒng)壓力降不應超過無劣化的DPF系統(tǒng)壓力降的60%。對于采用連續(xù)再生方式的DPF系統(tǒng)，需要驗證PM超出限值時的報警情況；對于采用周期再生方式的DPF系統(tǒng)，需要進行再生條件驗證和再生時間周期驗證。對于進氣增壓系統(tǒng)，規(guī)定具有監(jiān)測增壓壓力和維持增壓壓力命令值的能力，在增壓壓力過高或過低時能夠提示故障信息。

2.3排放耐久性要求

歐Ⅵ法規(guī)加嚴了排放系統(tǒng)壽命和允許最短試驗里程要求，圖6為R49.06法規(guī)與我國HJ438-2008法規(guī)對于N類車輛及其發(fā)動機排放系統(tǒng)有效壽命和允許最短試驗里程的對比。以N類車輛為例，由圖6可以看出，歐Ⅵ法規(guī)對于所有N類別車輛排放系統(tǒng)有效壽命和允許最短試驗里程均有提高。例如基準總質量超過16噸的N3類車輛，允許最短耐久試驗里程為233000公里。在排氣污染物測量間隔里程和測量方法上，歐Ⅵ法規(guī)ECE-R49 06 則規(guī)定至少應在耐久試驗的開始點、中間點和結束點進行排放測試，開始點和結束點進行的排放測試應包括WHTC 熱起動循環(huán)和WHSC 循環(huán)，對于耐久試驗期間的其他排放測試點，制造企業(yè)要求并經(jīng)型式核準機構同意，排放測試可只進行一種試驗循環(huán)（WHTC 熱起動循環(huán)或 WHSC 循環(huán)）。

2.4試驗要求

在試驗條件方面，歐Ⅵ法規(guī)增加了對排氣后處理裝置再生的核準處理要求。對裝有連續(xù)再生后處理系統(tǒng)的發(fā)動機，歐Ⅵ法規(guī)要求進行至少三個WHTC熱起動試驗來展示再生過程［1］，在WHTC熱啟動試驗中和制造廠聲明的一般再生條件下（煙塵負荷、溫度、排氣背壓等）再生應至少發(fā)生一次。如制造商聲明的條件在試驗期間發(fā)生，并且三次（或更多） WHTC熱起動試驗結果的離散不超過±25%或 0.005 g/kWh（以較大者為準），則認為后處理系統(tǒng)屬于連續(xù)再生類型，則 WHTC 和WHSC 排放試驗結果不需要進行調整；對裝有周期性再生排氣后處理系統(tǒng)的發(fā)動機，則應通過至少三個WHTC 熱起動試驗測量排放量來獲得再生調節(jié)因子，對 WHTC 和 WHSC 排放試驗結果進行調整。在數(shù)據(jù)處理方面，歐Ⅵ法規(guī)增加了濾紙重量的浮力校正要求，也更改了NOx濕度校正等計算公式；在回歸分析上，歐Ⅵ法規(guī)引用了GTR 4的刪除點要求，回歸限值要求也與之前階段法規(guī)不同。對于稀釋比，基于發(fā)動機最大排氣流量，最小總稀釋比應在 5：1 到 7：1 范圍內(nèi)，并且初級稀釋的稀釋比至少為 2：1；所有濾紙稱重期間，顆粒采樣濾紙預處理和稱重所用的稱重室的溫度應保持在 295±1K（22±1℃）。其濕度應保持在露點溫度 282.5±1K（9.5±1℃），比之前法規(guī)要求更加嚴格。

3　小結

歐Ⅵ污染物測試循環(huán)更換為WHTC 和 WHSC循環(huán)，WHSC循環(huán)大部分工況點位于中低轉速中低負荷下，怠速工況與25%負荷工況共運行1270秒，占整個WHSC循環(huán)的67%。WHTC測試循環(huán)明顯提高了低轉速工況所占用的時間比例，尤其提高了怠速工況占用時間的比例。另外增加了WNTE測試要求以及WHTC 和 WHSC 循環(huán)顆粒數(shù)的測試方法和限值要求。

OBD系統(tǒng)定義了全新的報警方式、監(jiān)測器組等，更改了OTL限值，并且針對在用性能提出了實際監(jiān)測頻率（IUPR）要求。對于確保NOX控制措施要求專門的報警系統(tǒng)和引導系統(tǒng)，此外OBD循環(huán)更換為WHTC 熱起動循環(huán)。

耐久性要求中加嚴了壽命和最短里程要求，污染物排放測試循環(huán)更換為WHTC熱起動循環(huán)或WHSC循環(huán)。

歐Ⅵ法規(guī)增加了濾紙重量的浮力校正要求，對于顆粒采樣濾紙預處理和稱重所用的稱重室的溫度、濕度控制范圍比之前法規(guī)要求更加嚴格，對于試驗循環(huán)的回歸和刪除點要求，與之前法規(guī)也有所不同。

［1］ECE Regulation NO. 49 Revision 06 .4 March 2013.

［2］王建昕，帥石金.汽車發(fā)動機原理.北京：清華大學出版社，2011.

［3］Cha-Lee Myung, AhyunKo, JuwonKim, KwanheeChoi, SangilKwon, SimsooPark, Spcific engine performance and gaseous emissions characteristics of European test cycle and worldwide harmonized driving cycle for a heavy-duty diesel engine, Journa lof Mechanical Science and Technology 27（12）（2013）3893-3902.

專家推薦

逯海：

“重型車用柴油機歐Ⅵ排放法規(guī)淺析”是幫助有商用車排放知識人們快速了解歐Ⅵ排放法規(guī)變化與歐IV、V和國內(nèi)采用商用車排放標準的差別何處，文章短少精干圖文并茂。目前，國內(nèi)即將實施國六的排放標準，該文章可以作為一般了解淺讀，也可以對部分問題深入細致研究，例如，DPF系統(tǒng)載體磨損后的劣化問題、劣化的DPF系統(tǒng)壓力降有什么特點、不同再生方式如何驗證PM的限值和報警問題等，解決這類問題需要通過大量試驗數(shù)據(jù)及試驗驗證。該文章是幫助從事商用車了解排放標準的敲門磚，雖然技術水平一般，但是通過了解歐VI標準提出許多需要在今后我們實施國六實際

Analysis of diesel emission regulations of Europe Ⅵ for heavy-duty vehicles

CHENG Jian-kang, XIAO Hong-jun, LIU Xiao-fang, ZHANG Bin, ZHENG Wei
（ National Automobile Quality Supervision and Inspection Center （Xiangyang）,Xiangyang 441004, China ）

This paper introducts the diesel engine emissions regulations ofEurope Ⅵ（R49.06） for heavy-duty vehicle, including pollutant testing methods, OBD verification requirements, durability testing methods, equipment requirementsandetc. The paper compared the ESC and WHSC, ETC and WHTC by diesel engine testing. By comparison, most of the operating points of WHSC is located in the low speed and low load areas .The time of points at idle condition and 25% load conditions accounted for 67% of the whole WHSC cycle time；

Compared to the ETC, WHTC focus more on low-speed, low load conditions, resulting that the exhaust gas temperature of WHTC is lower thanETC in the first 1,200 seconds of the cycle.Theexhaust temperature of the engine doesn't exceed 303 ℃in the first 400 seconds of WHTC cycle. For OBD system, the malfunction are classified to four categories （A, B1, B2, C） in the EU legislation, and OBD monitoring frequency （IUPR） requirements added. Europe Ⅵ regulations increases the mileage requirements for durability of pollution control device.

heavy-duty diesel； Euro VI emission； OBD； durability ；IUPR

TK427

A

1005-2550（2016）03-0086-06