測試循環對國五輕型汽油車低溫排放的影響研究?

郭紅松，顏 燕，高明秋，劉 樂，李菁元，曹 磊

（中國汽車技術研究中心，天津 300162）

前言

全球范圍內輕型汽油車排放法規都是各地區最成熟、優先實施的標準，目前主要體系有中國[1]、歐洲[2]、美國[3]3大體系。這3大體系中都包含低溫排放標準，低溫冷起動是考察汽車在－7℃時的排放水平，對后處理低溫環境下快速啟燃性能是一個考驗[4]。我國當前正在實施的是第五階段輕型車排放法規，低溫循環為ECE(europe city driving cycle，歐洲城市駕駛循環)；歐洲目前正在實施的是歐Ⅵ階段排放法規，低溫也是ECE循環；美國加利福尼亞州是第三階段排放法規，低溫是FTP75(federal test procedure，聯邦測試循環)循環。目前我國正在制定輕型車第六階段排放標準，為考察3種低溫標準的區別，本文中對它們進行了對比研究。研究中使用國五汽油[5]，對歐、美、中3大體系的4輛輕型汽油車分別進行了ECE、FTP75、FTP75不加權(FTP75循環3部分只按照里程積分，不考慮冷熱起動權重)、FTP72(FTP75循環無熱起動部分)和WLTC3(worldwide light tset cycle，前3段 )5種循環的對比試驗研究。

1 試驗設備與試驗方法

1.1 試驗設備

本文中試驗系統布局如圖1所示，該系統[6]主要由車輛、底盤測功機、定容取樣系統(CVS)、排氣分析儀、進氣空調和控制臺等組成。主要設備見表1，其中底盤測功機為四驅型，排氣分析儀是汽柴油共用型。

圖1 輕型車排放測試系統

表1 試驗設備

1.2 車輛

本文中試驗使用的4輛輕型車分別來自歐、美、日、中4個廠家(見表2)，排放標準分別滿足國IV/國五標準，排量范圍在1.6～2.4L，噴油模式有直噴也有非直噴，進氣模式包括增壓和非增壓，后處理都是三元催化器(three-way catalist，TWC)。

表2 試驗車輛

為了統一和便于比較，這4輛車都采用查表法按推薦的阻力加載[1]。每輛車每種循環下低溫排放試驗重復2次，以消除循環波動，下文分析的結果都是2次試驗的算術平均結果。

1.3 燃油

本文中試驗使用的是國五標準92#汽油和95#汽油，其主要理化特性見表3。

表3 試驗用國五標準汽油主要理化特性

1.4 試驗方法

本文中按照GB 18352.5—2013[1]要求分別對試驗車輛進行VI型試驗。車輛空載，除駕駛員外，沒有其他載荷。循環車速設定如圖2所示，包含4段相同的ECE-15穩態工況，每段行駛時間195s，循環特征如下。

里程:4.052km

時間:780s

平均車速:19.0km/h

最高車速:50.0km/h

圖2 ECE循環車速設定規范

美國FTP75循環[3]包含冷起動階段(0～505s)、穩定階段(506～1 369s)和熱起動階段(1 370～1 874s)，如圖3所示。循環特征如下。

里程:17.77km

時間:1 874s

平均車速:34.1km/h

最高車速:91.2km/h

加權系數:3個階段分別為0.47，1.00，0.53

FTP72循環[3]由FTP75循環的冷起動階段和穩定階段組成。循環特征如下。

里程:11.74km

時間:1 369s

平均車速:30.86km/h

最高車速:91.2km/h

圖3 FTP75循環車速設定規范

WLTC是歐盟牽頭制定的世界統一輕型車循環[7－8]，由低速、中速、高速和超高速 4段組成。WLTC3是不考慮超高速段的WLTC循環，如圖4所示，循環特征如下。

里程:14.94km

時間:1 477s

平均車速:36.4km/h

最高車速:97.4km/h

圖4 WLTC3循環車速設定規范

2 試驗結果與分析

2.1 循環對低溫CO排放的影響

圖5示出不同循環對低溫CO排放的影響，其中圖5(a)為循環對排放值的影響；圖5(b)為循環對排放系數的影響，該系數是4輛車在循環(ECE/WLTC3/FTP75等)下排放的算術平均值相對于循環FTP75下的無量綱排放。下文(圖)中系數含義相同，只是污染物種類變化而已。

圖5 循環對低溫CO排放的影響

針對試驗的4輛車，各種循環下CO排放值趨勢由高到低依次為ECE＞FTP72＞WLTC3＞FTP75不加權＞FTP75，都遠遠低于6g/km的美標限值，更遠遠低于10g/km的國六限值。

由圖5(b)可見，4輛車的綜合排放結果表明，FTP75循環下CO低溫排放最低，這是由于FTP75循環包含505s的熱起動階段，后處理啟燃后效率很高，低溫排放基本為零，導致FTP72循環下的排放被里程“稀釋”；ECE循環下低溫排放最高，WLTC3居中。

2.2 循環對低溫THC/NMHC排放的影響

歐洲和我國輕型車低溫排放標準除CO外，還限制了THC的排放；而美國低溫排放標準則是限制NMHC而非THC。圖6為不同循環對低溫THC排放的影響，圖7為不同循環對低溫NMHC排放的影響。由圖6可見，各循環THC排放水平從高到低依次為 ECE＞FTP72＞WLTC3＞FTP75不加權＞FTP75，遠遠低于國六限值1.2g/km。4輛車的綜合排放結果(見圖6(b))表明，FTP75循環下THC低溫排放最低，ECE循環下低溫排放最高，WLTC3居中。

圖6 循環對低溫THC排放的影響

由圖7可見，各循環NMHC排放水平變化與THC相似，從高到低依次為 ECE＞FTP72＞WLTC3＞FTP75不加權＞FTP75，明顯高于或接近0.2mg/km的美標限值。4輛車的綜合排放結果(如圖7(b)所示)表明，FTP75循環下NMHC低溫排放最低，ECE循環下最高，WLTC3居中。

圖7 循環對低溫NMHC排放的影響

2.3 循環對低溫NOx排放的影響

國六最新排放標準還添加了低溫環境下NOx限制。循環對低溫NOx排放的影響如圖8所示，4輛車低溫NOx排放都明顯低于國六規定的0.25g/km的限值，從高到低依次為 ECE＞FTP72＞WLTC3＞FTP75不加權＞FTP75。

由圖8(b)可見，4輛車的綜合NOx排放結果，FTP75循環下最低，ECE循環下最高，WLTC3居中，但3種循環之間的差距不像CO和THC/NMHC那么大。

2.4 循環對低溫油耗的影響

圖9示出不同循環對車輛低溫油耗的影響。眾所周知，低溫環境下車輛油耗會上升，這是因為環境空氣密度升高、阻力增大和車輛在低溫環境下內阻增加的原因造成的。

由圖9可見，循環對4輛不同技術路線的汽油車油耗的影響規律不盡相同，但ECE循環下低溫油耗明顯高于其它幾個循環，而其它幾個循環下的低溫油耗則比較相近，只是FTP75循環下油耗略高于 WLTC3。ECE循環下低溫油耗高，主要是ECE循環里程短，且起動油耗加濃主要集中于循環前部。

圖8 循環對低溫NOx排放的影響

圖9 循環對低溫油耗的影響

2.5 循環對低溫瞬態排放的影響

圖10 示出車輛1在不同循環下瞬態CO，THC和NOx排放情況。圖中－N代表ECE循環，－F代表FTP75循環，－W代表WLTC3循環；累計表示瞬態排放對時間的積分。可以看出:

(1)循環前100s，THC和 NOx占90%以上，CO占70%以上；

(2)由于FTP75循環第一個怠速時間是20s，ECE和WLTC循環第一個怠速時間只有10s，所以FTP75循環100s內污染物累積量基本都小于其他循環。

所以，控制冷起動開始100s左右的排放量是控制車輛低溫排放的關鍵，這就要求車輛的后處理及其匹配標定能讓后處理快速啟燃。

圖10 循環對低溫瞬態排放的影響

3 結論

(1)本文中研究的所有車輛、各種循環下低溫冷起動排放量:ECE＞WLTC3＞FTP75，說明相同限值下，歐Ⅴ、國五循環低溫排放控制較嚴，美標循環較為寬松；國六采用WLTC2(WLTC循環低速段和高速段)可以更好地控制車輛低溫排放。

(2)70%以上低溫排放主要產生在車輛冷起動后的100s內；第一個怠速時間和第一個加速度是影響循環排放量的主要因素。

[1] 中國汽車技術研究中心，中國環境科學研究院.GB 18352.5—2013輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第五階段)[S].北京:中國環境科學出版社，2013.

[2] GAS U C N.Concerning the adoption of uniform technical prescriptions for wheeled vehicles，equipment and parts which can be fitted and/or be used on wheeled vehicles and the conditions for reciprocal recognition of approvals granted on the basis of these prescriptions[S].2008.

[3] California Environmental Protection Agency.California 2015 and subsequent model criteria pollutant exhaust emission standards and test procedures and 2017 and subsequent model greenhouse gas exhaust emission standards and test procedures for passenger cars，light-duty trucks， and medium-duty vehicles”； amendments to the low-emission vehicle program－LEV III； air resources board[S].2012.

[4] LORANG P A，LARSON R E.Low temperature CO emission control from new motor vehicles[R].Pittsburgh， PA(USA)； Air Pollution Control Assoc.，1988.

[5] 倪蓓，龍軍，李文樂，等.GB 17930—2013車用汽油[S].北京:中國標準出版社，2013.

[6] 倪紅，郭紅松，曹磊，等.MMT對輕型GDI車輛PN排放的影響[J].內燃機工程，2016(1):57-61.

[7] Proposal for amendment 2 to global technical regulation No.15(worldwide harmonized light vehicles test procedures(WLTP))，economic and social council，ECE /TRANS/WP.29/GRPE/2017/7，Geneva[S].2017.

[8] Regulation on type-approval of motor vehicles and engines with respect to emissions from heavy duty vehicles(Euro VI)and on access to vehicle repair and maintenance information and amending regulation(EC)NO.715/2007 and directive 2007/46/EC and repealing directives 80/1269/EEC，2005/55/EC and 2005/78/EC[S].2009.