淺析汽車尾氣排放控制技術(shù)

余迅+南海秋

摘要：隨著我國汽車的產(chǎn)銷量快速增長，隨之而來的是對環(huán)境的影響日趨嚴(yán)重，給城市和區(qū)域空氣質(zhì)量帶來巨大壓力。在此背景下，國家對汽車尾氣排放的要求也越來越高，排放法規(guī)更新速度也越來越快。文章結(jié)合國六排放法規(guī)的內(nèi)容進(jìn)行解讀，結(jié)合國內(nèi)市場車型現(xiàn)狀，提出滿足國六排放法規(guī)的一些思路，使車輛能更好地控制尾氣排放。

關(guān)鍵詞：國六；汽車尾氣；尾氣排放控制技術(shù)；排放要求；空氣質(zhì)量；環(huán)境保護(hù) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：U464 文章編號(hào)：1009-2374（2017）06-0105-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.053

自1886年第一輛汽車發(fā)明以來，汽車已經(jīng)經(jīng)過130年的發(fā)展。隨著我國汽車的產(chǎn)銷量快速增長，目前中國汽車年銷量已位居于世界第一，隨之而來的是對環(huán)境的影響日趨嚴(yán)重，給城市和區(qū)域空氣質(zhì)量帶來巨大壓力。在此背景下，國家對汽車排放的要求也越來越高，排放法規(guī)更新速度也越來越快。《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》法規(guī)已于2016年12月23日發(fā)布（以下簡稱《國六標(biāo)準(zhǔn)》）。

本文先對國五與國六排放標(biāo)準(zhǔn)做簡單介紹和對比，再對國六排放的一些具體內(nèi)容進(jìn)行解讀，最后對整車滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)提出一些建議措施。

1 汽車尾氣排放及控制措施綜述

汽車尾氣排出的氣體污染物主要有一氧化碳、碳?xì)浠衔铩⒌趸锏纫约拔⒘Ｎ廴疚铮ɑ蚍Q顆粒污染物），還可能含有少量的硫化物，在大城市的許多空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)已成為左右空氣污染指數(shù)的首要污染物。

排氣凈化系統(tǒng)構(gòu)成包含催化凈化系統(tǒng)、曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)、燃料蒸發(fā)控制系統(tǒng)、排氣再循環(huán)及二次空氣系統(tǒng)等。

2 國六排放法規(guī)內(nèi)容簡介

2.1 國五、國六排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施情況

我國汽車行業(yè)的國五排放標(biāo)準(zhǔn)已于2013年9月17日發(fā)布，實(shí)施日期為2018年1月1日（以下簡稱《國五標(biāo)準(zhǔn)》）。而《國六標(biāo)準(zhǔn)》正式稿已于2016年底發(fā)布，實(shí)施日期為2020年7月1日。

2.2 國五、國六排放法規(guī)要求對比

與現(xiàn)行的GB 18352.5-2013中第五階段限值相比，《國六標(biāo)準(zhǔn)》中的排放限值分國六a和國六b兩個(gè)階段加嚴(yán)，其中國六a階段2020年7月1日正式實(shí)施，國六b暫定是2023年實(shí)施。內(nèi)容上不僅對排氣污染物加嚴(yán)，燃油蒸發(fā)限值也由2g/test@day加嚴(yán)為0.7g/test@2 days High，另外增加N2O和加油過程排放污染物限值等。本文主要針對排氣系統(tǒng)排放限值及測試循環(huán)進(jìn)行解讀。

對于排氣系統(tǒng)排放來說，變化點(diǎn)主要有以下幾項(xiàng)，其中最主要的就是測試循環(huán)的變更。《國五標(biāo)準(zhǔn)》I型試驗(yàn)為NEDC循環(huán)，分為2部分，1部市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)（含3個(gè)循環(huán)單元），2部市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)，共計(jì)1180秒，最高車速120km/h；而《國六標(biāo)準(zhǔn)》I型試驗(yàn)采用WLTC循環(huán)，分低速、中速、高速、超高速四部分，合計(jì)共1800秒，最高車速約131km/h。其次是各項(xiàng)限值加嚴(yán)，國六a階段僅僅只有CO加嚴(yán)25%，國六b其他排放物基本上加嚴(yán)50%，同時(shí)反映車輛排放耐久的劣化系數(shù)值也有所加嚴(yán)。還有對自然吸氣的發(fā)動(dòng)機(jī)增加顆粒物的要求；增加進(jìn)行的實(shí)際行駛污染物排放試驗(yàn)（RDE），在國六b階段正式實(shí)施等。

3 《國六標(biāo)準(zhǔn)》具體內(nèi)容解讀

3.1 測試循環(huán)的變化

相較于之前國四、國五的NEDC測試循環(huán)，《國六標(biāo)準(zhǔn)》的WLTC循環(huán)工況覆蓋的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍更大，將增加油耗排放達(dá)標(biāo)的難度。

雖然從理論上來講，兩種測試循環(huán)的排放結(jié)果應(yīng)該是相當(dāng)?shù)模皇荳LTC測試循環(huán)更符合真實(shí)路況，而且在國六a階段限值增加不多，但是由于國內(nèi)長期以來標(biāo)定工作的不細(xì)致，很多整車廠的電噴標(biāo)定工作中的排放標(biāo)定完全是為了通過標(biāo)準(zhǔn)要求而進(jìn)行的，甚至更有專門應(yīng)對法規(guī)的“特殊數(shù)據(jù)”。這種粗糙的標(biāo)定數(shù)據(jù)導(dǎo)致現(xiàn)在國內(nèi)市場上很多車為滿足《國六標(biāo)準(zhǔn)》就必須重新進(jìn)行大量的標(biāo)定工作，根據(jù)前期對國內(nèi)市場上的一些車輛進(jìn)行國六排放摸底，相同條件下，WLTC測試循環(huán)的排放結(jié)果是NEDC循環(huán)的1.5～10倍，而在歐洲歐盟委員會(huì)對歐洲本土車輛的抽查情況來看，很多車型兩種測試循環(huán)的結(jié)果基本相當(dāng)，越是高級車越如此。

3.2 測功機(jī)阻力的確定

《國五標(biāo)準(zhǔn)》中測功機(jī)加載阻力按道路滑行法或查表法獲得，這對風(fēng)阻較大的微車或SUV來說查表法是很有利的方式，但正是這種原因，導(dǎo)致的測試結(jié)果往往與車輛實(shí)際行駛中的排放相差甚大。而《國六標(biāo)準(zhǔn)》不再使用查表法，可以使用道路滑行法、計(jì)算法、風(fēng)洞測試法等。增加了：（1）基于相關(guān)車輛性能計(jì)算道路載荷的公式；（2）額外的道路載荷確定方法，如扭矩計(jì)法、車載風(fēng)速儀法、道路載荷矩陣車族和風(fēng)洞法。測功機(jī)阻力確定更復(fù)雜，要求更多，但也更能反映車輛實(shí)際情況。此項(xiàng)改變多數(shù)情況下會(huì)增加車輛油耗排放負(fù)擔(dān)。

3.3 循環(huán)工況手動(dòng)檔車型換檔點(diǎn)

《國五標(biāo)準(zhǔn)》中依靠NEDC循環(huán)，基于車速固定換檔點(diǎn)（手動(dòng)檔車換檔點(diǎn)都一樣）。

而《國六標(biāo)準(zhǔn)》換檔點(diǎn)不固定，根據(jù)試驗(yàn)車輛和發(fā)動(dòng)機(jī)特性計(jì)算換檔點(diǎn)（各車型的換檔點(diǎn)不相同），手動(dòng)檔汽車的換檔選擇及換檔點(diǎn)的計(jì)算方法，試驗(yàn)過程變得非常復(fù)雜，如果能計(jì)算得到較優(yōu)的換檔特性，對排放會(huì)變得有利。

3.4 自然吸氣的發(fā)動(dòng)機(jī)增加顆粒物的要求

《國六標(biāo)準(zhǔn)》中新增對自然吸氣的發(fā)動(dòng)機(jī)增加顆粒物的要求，從理論上來講自然吸氣的發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物應(yīng)該很少，只有直噴發(fā)動(dòng)機(jī)（GDI）才會(huì)因?yàn)槿紵怀浞謱?dǎo)致排放中顆粒物較多，但在實(shí)際摸底中發(fā)現(xiàn)，很多自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛，排放顆粒物含量也很高，有些甚至遠(yuǎn)超出排放限值。這種情況往往是由于發(fā)動(dòng)機(jī)的加工工藝落后或是零件的精度不足導(dǎo)致的，這類車輛就必須對發(fā)動(dòng)機(jī)或后處理裝置進(jìn)行優(yōu)化，減少排放顆粒物。

3.5 劣化系數(shù)值加嚴(yán)

《國五標(biāo)準(zhǔn)》中CO、THC（NMHC）、NOx的劣化系數(shù)分別為1.5、1.3、1.6；而《國六標(biāo)準(zhǔn)》中分別為1.8、1.5、1.8，整車要滿足更嚴(yán)格的劣化系數(shù)，那就需要更好的新鮮排放，即車型的原始排放值需要更低，這同樣需要升級發(fā)動(dòng)機(jī)或排氣后處理裝置。

4 對整車滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)提出一些建議措施

從《國六標(biāo)準(zhǔn)》中的內(nèi)容來看，結(jié)合現(xiàn)在國內(nèi)的催化器供應(yīng)商、電噴供應(yīng)商的能力來說，目前國內(nèi)市場上的車輛均有滿足國六排放法規(guī)要求的能力，但要進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化、升級。主要方法有優(yōu)化催化劑配方、增加貴金屬含量；進(jìn)一步優(yōu)化電噴匹配，OBD的標(biāo)定；另外，發(fā)動(dòng)機(jī)需要升級，重新匹配、標(biāo)定；耐久試驗(yàn)的過程也需要重視。

4.1 動(dòng)力系統(tǒng)需要升級，重新匹配、標(biāo)定

從國內(nèi)車型發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)狀來看，國內(nèi)大多自主品牌車輛的自然吸氣的發(fā)動(dòng)機(jī)都很難直接滿足《國六標(biāo)準(zhǔn)》限值。因此按需求對發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行升級，比如升級直噴增加發(fā)動(dòng)機(jī)、混合動(dòng)力等，現(xiàn)在來看48V混合動(dòng)力是目前的一種發(fā)展趨勢。

4.2 優(yōu)化催化劑配方、增加貴金屬含量

4.2.1 升級歐六催化劑技術(shù)。直接采用國五技術(shù)增加貴金屬升級國六，不能滿足WLTC限值要求。

通過調(diào)整貴金屬方案、涂層技術(shù)升級等手段，可以有效改善催化劑處理能力，尤其是變工況下處理NOx的能力，應(yīng)對NOx，可提升Rh的含量（國四/3g/ft3、國五/4～5g/ft3、國六/≥5g/ft3）。目前據(jù)供應(yīng)商摸底情況來看，國6a階段只需對催化劑優(yōu)化升級，貴金屬用量增加不多，但國6b階段貴金屬含量要比國五高出一倍左右。

4.2.2 改善催化器儲(chǔ)氧能力，提高變工況NOx/CO轉(zhuǎn)化率。WLTC循環(huán)變工況較多，過渡工況HC/NOx仍有改善空間。

4.2.3 催化器結(jié)構(gòu)調(diào)整。為改善WLTC冷啟動(dòng)排放，需要考慮歧管密耦合（比現(xiàn)階段緊耦合更靠近發(fā)動(dòng)機(jī)）；緊耦合催化器長度應(yīng)不小于90mm，建議前區(qū)涂覆長度≥35mm，提高前區(qū)貴金屬利用率。

4.2.4 載體選型。如600/2、750/2、900/2；綜合考慮背壓問題：載體體積排量比>1.0；高目數(shù)薄壁載體可使涂層面積顯著增加；降低熱容，快速升溫，利于低溫起燃；相同壁厚，目數(shù)越高，載體強(qiáng)度越高等。

4.2.5 GPF（汽油機(jī)顆粒捕集器）開發(fā)。在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)上，開展GPF及匹配技術(shù)研究，同時(shí)應(yīng)用在少量的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)上。

4.3 優(yōu)化電噴匹配的標(biāo)定

目前國內(nèi)主要的幾家電噴供應(yīng)商（大陸、聯(lián)電、德爾福）均不完全具備國六技術(shù)的開發(fā)能力，都還在進(jìn)行國六技術(shù)的引進(jìn)開發(fā)工作，后續(xù)可持續(xù)跟進(jìn)供應(yīng)商技術(shù)能力提升情況。而且由于《國六標(biāo)準(zhǔn)》對標(biāo)定的工作量增加很多，而電噴供應(yīng)商的資源是有限的，因此各車企特別是自主品牌需要盡早開展國六的開發(fā)工作。

4.4 耐久性試驗(yàn)的注意事項(xiàng)

國六耐久性試驗(yàn)高達(dá)16萬公里，但與國五要求必須實(shí)車進(jìn)行耐久試驗(yàn)相對比，《國六標(biāo)準(zhǔn)》耐久試驗(yàn)可以選擇在道路上或臺(tái)架上進(jìn)行，也可以選擇使用推薦劣化系數(shù)。使用劣化系數(shù)可極大縮短公告申報(bào)周期，但同時(shí)帶來的是車輛上市后一致性抽查的高風(fēng)險(xiǎn)。

建議新車或搭載新發(fā)動(dòng)機(jī)上市前最好進(jìn)行實(shí)車耐久，但由于實(shí)車耐久里程長，就必須在整個(gè)試驗(yàn)過程中關(guān)注車輛狀況，比如說，前期由于發(fā)動(dòng)機(jī)高壓線松脫發(fā)動(dòng)機(jī)失火沒有及時(shí)修理，會(huì)導(dǎo)致催化器受損，后期排放可能會(huì)急劇變差，出現(xiàn)催化器堵塞甚至碎裂，導(dǎo)致耐久試驗(yàn)無法繼續(xù)進(jìn)行。在過去，筆者所負(fù)責(zé)開發(fā)的一些車型就因車況不好導(dǎo)致排放在最后兩萬公里時(shí)差點(diǎn)超標(biāo)。因此必須要求駕駛員定期對車輛進(jìn)行保養(yǎng)、檢查，并在行車過程中多注意車況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行維修。

5 結(jié)語

本文內(nèi)容均為筆者與同事在日常工作中的一些總結(jié)和想法，由于篇幅有限，很多內(nèi)容尚未深入展開。在《國六標(biāo)準(zhǔn)》的控制下，汽車尾氣排放需要達(dá)到非常高的要求車輛才允許上市，筆者通過對《國六標(biāo)準(zhǔn)》中排氣系統(tǒng)排放的內(nèi)容進(jìn)行了簡單的分析，并提出一些滿足國六法規(guī)的思路，希望能對國六車型的開發(fā)提供幫助。

參考文獻(xiàn)

[1] 李興虎.汽車環(huán)境保護(hù)技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[2] 輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）（GB 18352.6-2016）[S].

[3] 輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）（GB 18352.5-2013）[S].

作者簡介：余迅（1982-），男，江西都昌人，江西昌河汽車有限責(zé)任公司工程師，研究方向：汽車底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：蔣建華）