（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300）

引言

《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》已于2016 年12 月23 日發(fā)布，并于2019年7 月1 日在國(guó)內(nèi)部分地區(qū)開(kāi)始實(shí)施。相比之前的排放標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)基本脫離歐系，與歐美處于同一水平，甚至有的地方已經(jīng)超過(guò)歐美，處于創(chuàng)新發(fā)展的前沿。其中，測(cè)試循環(huán)是檢測(cè)汽車尾氣污染物排放的基準(zhǔn)工況，對(duì)汽車產(chǎn)品的研發(fā)、檢測(cè)和認(rèn)證都產(chǎn)生直接影響。而測(cè)試循環(huán)能否反映車輛的實(shí)際運(yùn)行情況又直接影響我國(guó)汽車污染物排放控制技術(shù)的發(fā)展方向。然而，國(guó)六排放的測(cè)試循環(huán)采用了歐洲標(biāo)準(zhǔn)中的全球輕型車統(tǒng)一測(cè)試循環(huán)（WLTC），該測(cè)試循環(huán)相對(duì)于之前的NEDC 循環(huán)，雖然工況變化更加頻繁，也更能反映車輛的實(shí)際駕駛情況，但WLTC 測(cè)試循環(huán)與我國(guó)實(shí)際工況仍存在不小差異，特別是怠速比例和平均速度這兩個(gè)最主要的工況特征，并不能真實(shí)反映我國(guó)車輛實(shí)際駕駛情況。為了解決這一問(wèn)題，中國(guó)輕型車測(cè)試循環(huán)（CLTC）應(yīng)運(yùn)而生，在《2019 年第13號(hào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)公告》中正式發(fā)布[1]，CLTC 循環(huán)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了中國(guó)長(zhǎng)期缺少自己測(cè)試循環(huán)的空白，為測(cè)量更加符合中國(guó)實(shí)際工況下的排放和油耗提供了更多選擇。

為了應(yīng)對(duì)嚴(yán)苛的輕型車國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)要求，目前國(guó)六輕型車主要采用增壓+直噴、增壓+直噴+GPF、自吸+PFI 以及混合動(dòng)力技術(shù)等多種排放控制技術(shù)方法。研究表明：增壓缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放方面有很多自吸進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但是缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)也存在很多問(wèn)題，比如HC、CO 排放高，NOx 污染物難控制以及PN 排放量較多等問(wèn)題[2-3]，而進(jìn)氣道燃油噴射（PFI）自然吸氣汽油機(jī)仍能滿足市場(chǎng)需求和環(huán)境要求。為了應(yīng)對(duì)污染物排放，針對(duì)法規(guī)要求的CO、HC、NOx 和PM/PN 等污染物產(chǎn)生原因，吳春玲等人總結(jié)了應(yīng)對(duì)污染物排放控制的技術(shù)，但并沒(méi)有從整車排放控制的技術(shù)路線出發(fā)，提出一條適合整車國(guó)六排放控制的技術(shù)路線[4]。目前CLTC 循環(huán)已確定應(yīng)用于所有重型商用車和新能源車的能耗試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，并將逐步導(dǎo)入排放、噪聲等領(lǐng)域。為了了解市場(chǎng)上應(yīng)對(duì)國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)對(duì)CLTC 循環(huán)的適應(yīng)性，本文開(kāi)展了基于中國(guó)工況的國(guó)六輕型車排放特性及技術(shù)路線研究，為CLTC 循環(huán)導(dǎo)入輕型車排放領(lǐng)域提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 測(cè)試循環(huán)

本試驗(yàn)選擇CLTC 測(cè)試循環(huán)對(duì)國(guó)六輕型車進(jìn)行測(cè)試，CLTC 測(cè)試循環(huán)工況圖如圖1 所示。

圖1 CLTC 測(cè)試循環(huán)工況曲線圖

從圖1 中可以看出，CLTC 循環(huán)屬于瞬態(tài)多變工況，由不同速度段組成，用于反映實(shí)際道路行駛情況。CLTC 循環(huán)的運(yùn)行時(shí)間均為1 800 s，最高速度和平均速度分別為114 km/h 和29 km/h，最大加速度為1.47 m/s2，相對(duì)于WLTC 和NEDC 循環(huán)，CLTC 的循環(huán)里程和最大加速度處于中間，最高速度和平均速度是最小的，具體的參數(shù)如表1 所示。

表1 NEDC、WLTC 和CLTC 三種測(cè)試循環(huán)的特征對(duì)比[1,5-6]

1.2 試驗(yàn)車輛

試驗(yàn)選取了4 輛測(cè)試車，其中3 輛傳統(tǒng)汽油車和1 輛PHEV 車，其中傳統(tǒng)汽油車的發(fā)動(dòng)機(jī)排量均為1.5 L。4 個(gè)車型代表了4 種主流的排放控制技術(shù)路線，分別是增壓+直噴+GPF、增壓+直噴+非GPF、自吸+PFI+非GPF 和PHEV。測(cè)試車輛具體參數(shù)如表2 所示。

表2 測(cè)試車輛參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法

試驗(yàn)采用CVS 全流式稀釋裝置、HORIBA 尾氣分析儀和粒子計(jì)數(shù)分析儀，測(cè)試試驗(yàn)設(shè)備連接和取樣位置如圖2 所示。

HORIBA 尾氣分析儀用于測(cè)量車輛行駛過(guò)程中排放的尾氣中的THC、CO、NMHC、NOx的含量，HORIBA 的粒子計(jì)數(shù)分析儀用于測(cè)量尾氣中顆粒物的數(shù)量，整個(gè)測(cè)試循環(huán)的油耗是采用碳平衡原理，通過(guò)尾氣中的碳含量計(jì)算獲得，設(shè)備具體型號(hào)如表3所示。

表3 測(cè)試設(shè)備

圖2 測(cè)試試驗(yàn)示意圖

試驗(yàn)在轉(zhuǎn)轂上進(jìn)行，4 輛車均采用相同的加載方式，并在相同的環(huán)境條件下，行駛一個(gè)完整的CLTC測(cè)試循環(huán)，并通過(guò)尾氣測(cè)量設(shè)備記錄循環(huán)工況下的污染物排放量，最后根據(jù)輕型車國(guó)六b 中給出的劣化修正值（如表4 所示），采用加法計(jì)算出每種污染物的排放量。

表4 輕型車國(guó)六b 型試驗(yàn)劣化修正值

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 尾氣污染物瞬態(tài)排放分析

為了分析中國(guó)工況對(duì)尾氣污染物的瞬時(shí)排放影響情況，試驗(yàn)選取一款增壓直噴GPF 的車型（車型3），車輛在轉(zhuǎn)轂上采用與國(guó)六相同的加載方式，測(cè)試結(jié)果如圖3 所示。

圖3 CLTC 工況多種污染物的瞬時(shí)排放情況

從圖中可以看出，CO、THC、NOx和PN4 種污染物在冷啟動(dòng)100 s 內(nèi)的出現(xiàn)排放峰值，且占總排量的比例較大。在后續(xù)的測(cè)試過(guò)程中，CO 和THC 排放處于穩(wěn)定低排放狀態(tài)，而NOx僅在加速階段少量產(chǎn)生，其他時(shí)刻排放量基本為零，PN 排放量與車輛的加速情況相關(guān)性很大，其產(chǎn)生伴隨在每次加速發(fā)生時(shí)。

對(duì)冷啟動(dòng)100 s 內(nèi)的污染物排放量占比統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，CO 排放量占到總量的65.2%，THC 排放量占到總量的23.9%，NOx排放量占到總量的53.6%，PN 排放量占到總量的19.8%，由此可看出，在僅占整個(gè)測(cè)試循環(huán)5.5%時(shí)間的冷啟動(dòng)階段，CO 和NOx排放量貢獻(xiàn)了50%以上，THC 和PN 排放量貢獻(xiàn)了20%左右，這是因?yàn)樵诶鋯?dòng)階段，三效催化劑的溫度比較低，還沒(méi)有達(dá)到三效催化劑的起燃溫度，此階段的催化劑工作效率比較低，尾氣中的污染物CO、THC、NOx和PN 排放量較大。

2.2 CLTC 循環(huán)下的排放控制技術(shù)路線分析

為研究不同排放控制技術(shù)路線在中國(guó)工況測(cè)試循環(huán)下的排放特性，試驗(yàn)選取了目前市場(chǎng)上主流4種排放控制技術(shù)路線的4 輛車，4 輛車分別對(duì)應(yīng)表2中的車型1～車型4。

圖4 為4 種技術(shù)路線下的THC 排放情況，從圖中可以看出，在4 種技術(shù)路線中，THC 的排放量均未超過(guò)國(guó)六b 的限值。其中增壓+GDI 車輛的THC 排放量較大，自吸+PFI 的車輛排放量次之，而PHEV 車輛的THC 排放量是最少的。這是因?yàn)榕cPFI 發(fā)動(dòng)機(jī)相比，GDI 車輛很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的分層燃燒和均質(zhì)燃燒，而不充分燃燒會(huì)生成大量的未然HC。相比于傳統(tǒng)車輛，PHEV 車輛在測(cè)試循環(huán)下的發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間短，也就導(dǎo)致循環(huán)測(cè)量的HC 排放量減少。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在4 種控制技術(shù)路線中，增壓+GDI+GPF 路線下的THC 排放與國(guó)六b 限值非常接近，采用此技術(shù)路線的車輛仍需要進(jìn)一步優(yōu)化THC 排放。

圖4 4 種技術(shù)路線下的THC 排放

圖5 為4 種技術(shù)路線下的CO 排放情況，從圖中可以看出，4 種技術(shù)路線下的CO 排放量均未超過(guò)國(guó)六b 的限值。其中增壓+GDI 和自吸+PFI 的3 種技術(shù)路線下的CO 排放量約為國(guó)六b 限值的60%，且相差不大，PHEV 車輛的CO 排放量?jī)H是國(guó)六b 限值的33.6%，遠(yuǎn)低于法規(guī)要求限值。

圖5 4 種技術(shù)路線下的CO 排放

圖6 為4 種技術(shù)路線下的NOx排放情況，從圖中可以看出，4 種技術(shù)路線下的CO 排放量均未超過(guò)國(guó)六b 的限值。其中增壓+GDI+GPF 和增壓+GDI+非GPF 的NOx排放量相差不大，且高于另外兩種技術(shù)路線下的NOx排放，PHEV 技術(shù)路線下的NOx排放量最少。這是因?yàn)楦邷睾透谎跏钱a(chǎn)生NOx的因素，相對(duì)于PFI 發(fā)動(dòng)機(jī)的均質(zhì)當(dāng)量燃燒，GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)采用了稀薄分層燃燒技術(shù)，由于GDI 的混合氣由濃到稀呈分層狀態(tài),不可避免地會(huì)出現(xiàn)空燃比為1 附近的偏濃區(qū)域,使這些區(qū)域燃燒溫度高，NOx排放增加,同時(shí)較高的壓縮比和較快的反應(yīng)放熱率也是引起NOx排放升高的一個(gè)原因[7]。相比于增壓+GDI+GPF車輛，自吸+PFI+非GPF 車輛的NOx排放量降低了10.5%，PHEV 車輛的NOx排放量降低了25.7%。

圖6 4 種技術(shù)路線下的NOx 排放

圖7 為4 種技術(shù)路線下的PN 排放情況，從圖中可以看出，4 種技術(shù)路線下的PN 排放量均未超過(guò)國(guó)六b 的限值。其中增壓+GDI+非GPF 的PN 排放量是最大的，非常接近國(guó)六b 限值，增壓+GDI+GPF 和自吸+PFI+非GPF 的兩種技術(shù)路線下的PN 排放量差別不大，僅是增壓+GDI+非GPF 車輛PN 排放量的50%，PHEV 車輛的PN 排放量是最少的，僅是增壓+GDI+非GPF 車輛PN 排放量的11.5%，進(jìn)一步說(shuō)明了增壓+GDI 技術(shù)路線需要配合GPF 的必要性，同時(shí)也說(shuō)明了PHEV 車輛在降低PN 排放方面具有很高的優(yōu)勢(shì)。

圖7 4 種技術(shù)路線下的PN 排放

通過(guò)以上分析可以得出，在降低尾氣主要污染物排放方面，PHEV 技術(shù)路線是最佳的，其次是自吸+PFI 技術(shù)路線，再次是增壓+GDI+GPF 技術(shù)路線。

3 結(jié)論

1）冷啟動(dòng)仍是CLTC 循環(huán)下污染物排放最多的階段。

2）增壓+GDI 技術(shù)路線車輛的THC、CO 和NOx排放量要高于自吸+PFI 車輛。

3）增壓直噴技術(shù)的PN 排放量較高，通過(guò)耦合GPF 可有效降低PN 排放水平。

4）在降低尾氣主要污染物排放方面，PHEV 技術(shù)路線是最佳的，其次是自吸+PFI 技術(shù)路線，再次是增壓+GDI+GPF 技術(shù)路線。