輕型國五柴油車排放油耗數據研究分析

關 嬌

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

柴油機具有較高的壓縮比、扭矩功率大、經濟性好、熱效率高、堅固耐用、維護費用低的優點，應用極其廣泛。隨著柴油機技術的不斷發展完善，柴油機越來越多地在輕型車上得到應用和普及，特別是在歐洲，由于受到幾次石油危機的影響和人們環保意識的加強，高速小型柴油機在輕型車市場已經占到一定的份額。

柴油機相對于汽油機有著熱效率高、可靠性高的優勢，但同時也有著工作噪聲大，PM與NOx排放難以折中等問題。伴隨著內燃機技術的高速發展，柴油機在設計和改進方面取得了很大的進步和發展，通過機內凈化措施使內燃機整體排放水平得到全面提升。但是，改善柴油機工作流程來降低排放，經常與提高柴油機功率與降低油耗發生沖突。根據國家汽車污染物排放標準實施計劃，環境保護部、國家質檢總局于2016年12月23日聯合發布《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》即輕型車“國六”標準。標準設置國六a和國六b兩個排放限值方案，分別于2020年和2023年實施。為了既滿足日趨嚴格的排放法規的要求，又提高柴油的燃油經濟性，人們只有將機內與機外技術措施有機結合，才能達到未來柴油機排放標準、實現大幅度降低柴油機有害排放物的最佳選擇，通常要從以下三個方面進行考慮。

一是提升燃油品質。二是柴油機機內凈化。要合理運用電控高壓燃油噴射、增壓中冷、廢氣再循環、多氣門、可變渦輪進氣道、可變壓縮比、均值混合壓燃技術（HCCI）以及優化燃燒室結構參數等技術。三是柴油機機外凈化。基于歐美汽車工業發展經驗和我國國情，目前主要有兩種技術路線，分別為SCR（選擇性催化還原）技術路線和EGR（廢氣再循環）+DOC+DPF（顆粒物補集器）技術路線。其中，SCR技術路線主要是通過提高噴油壓力、優化噴射定時、改善燃燒過程等機內凈化技術，從而降低發動機機內顆粒物排放，而此過程產生的較高NOx排放則采用SCR還原成N2和O2；EGR+DOC+DPF技術路線，主要是通過EGR將NOx排放降低到標準要求以下，而通過DOC或是DOC+DPF將總顆粒物（TPF）降低到滿足標準的要求。

1 DOC+DPF+SCR的排放后處理技術

目前，人們可以利用DOC降低排氣中的一氧化碳（CO）和碳氫化合物（HC），利用DPF技術降低排氣中的顆粒物。DPF技術被認為是目前凈化柴油機顆粒物最直接、最有效的方法，也是國際上商品化的柴油機顆粒后處理技術之一。DPF能濾去大部分顆粒，其顆粒捕集效率一般在70%～90%。SCR是目前最有效的尾氣處理方式，含有高純度尿素的水溶液，通過選擇性催化還原作用，把廢氣中氮氧化物NOx還原成氮和氧，以達到減少空氣污染的目的。根據應用場合不同，氮氧化物的后處理或是采用存儲式NOx催化器（NSK），結合SCR催化器共同降低氮氧化物的排放，或是應用一種附加尿素水溶液噴射系統釋放氨作為還原劑，氨與氮氧化物發生氧化還原反應，生成無害的氮氣和水。

2 試驗設備方案

該試驗樣車配置有一款排量為2.987L的高壓共軌、CGI渦輪增壓、雙頂置凸輪DOHC的發動機。采用DOC+DPF+SCR的排放后處理方案，可以達到國5排放標準的要求，具體配置如表1所示。

表1 試驗樣車參數

該試驗樣車在具有全流稀釋系統的轉鼓試驗臺架上進行排放試驗，排放試驗設備如表2所示，試驗過程按照《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）》（GB18352.5-2013）采用NEDC循環進行試驗常溫下冷起動后排氣污染物排放試驗（I型試驗）。熱車起動排放試驗是指在試驗前以80km/h的恒速連續運行20min，使車輛油溫水溫各項指標均達到相對恒定的數值后再進行I型試驗。

表2 排放試驗設備

3 試驗結果分析

3.1 不同年代版型常溫下冷起動后排氣污染物排放試驗（I型試驗）比對結果分析

分別選取2011年美規版、2012年美規版、2014年美規版、2015年中規版4款同一個型號的柴油車車輛進行試驗，根據不同排放后處理配置進行結果分析。其中，2011年款美規版和2012年款美規版分別選取15輛車進行試驗，對結果進行分析；2014年款美規版只選取了其中2輛進行試驗，對結果進行分析；2015年中規版是通過核查車輛進行試驗，鑒于核查車輛的數量有限，只選取其中一輛進行試驗，并對其結果進行分析。對4款車進行排放數據平行比較時，由于2011年美規版、2012年款美規版選取車輛數目較多（各為15輛），所以對數據取平均值進行比較，如圖1～圖9所示。

通過比較可以看出，2011年美規版、2012年美規版這兩款車型的排放、油耗、CO2數值幾乎持平，平均性保持得比較好，如圖1～圖6所示。通過對樣車進行排放后處理裝置的研究分析，2011年美規版和2012年美規版車型排放后處理裝置配置相同，所以得出幾乎持平的結論。

圖1 2011年款美規版柴油車油耗

圖2 2012年款美規版柴油車油耗

通過比較圖7～圖9可以看出，2014年美規版在油耗和CO2排放這兩個方面和2011年美規版、2012年款美規版相比有明顯的下降，污染物排放方面CO的數值相比較于2011年款美規版、2012年款美規版有大幅度的上升趨勢，而HC+NOx以及NOx這兩項污染物有小幅度的下降。

圖3 2011年款美規版柴油車CO2排放

圖4 2012年款美規版柴油車CO2排放

圖5 2011年款美規版柴油車污染物排放

圖6 2012年款美規版柴油車污染物排放

鑒于14年款美規版車輛數目較少（2輛），對于以上現象，筆者給出初步的分析：一是油品的原因，隨著國5甚至國6標準的相繼提出和廣泛使用，日益嚴苛的排放標準導致汽車燃料品質的大幅度提升，即使裝配有相同排放后處理裝置的車輛在油耗和污染物排放方面也會有顯著的降低。二是樣車數目過少，導致CO的排放結果有偶然性上升趨勢，后續將收集更多2014年美規版車輛進行相關CO排放試驗以確認CO的變化趨勢。

2015年中規版與其他三款車型比較，無論是在油耗、CO2還是在CO排放方面都有明顯下降，而在HC+NOx和NOx這兩項污染物方面卻有大幅度的上升。原因主要出現在排放后處理配置方面。其中，2011年美規版、2012年美規版以及2014年美規版均采用DOC+DPF+SCR的排放后處理方案，可以達到國5排放標準的要求。而2015年中規版采用了只配備有DOC的排放后處理方案，導致HC+NOx和NOx這兩項污染物排放數值大幅度提高。

圖7 4款柴油車油耗

圖8 4款柴油車CO2排放

圖9 4款柴油車污染物排放

4.2 同款車型常溫下冷起動以及熱車起動后排氣污染物排放試驗比對結果分析

選取2012年美規版柴油車車輛進行熱車起動后排氣污染物排放試驗，采用柴油排放分析系統MEXA-7000HLE進行試驗，柴油分析系統按照配置又分為STD和LE兩個通道，其中STD通道為常規排放分析系統，LE通道為超低排放分析系統。圖10～圖12是同一輛柴油車熱車情況下分別使用STD和LE通道進行I型試驗，得到的CO、NOx、THC三種污染物模態數據的比較。其中，橫坐標為試驗進行時間，三條曲線分別代表速度隨時間變化趨勢，以及STD模式和LE模式下每種污染物濃度隨時間的變化趨勢。圖13～圖15是同一輛柴油車分別在熱車起動和冷車起動兩種情況下利用同一個LE通道進行I型試驗，得到的CO、NOx、THC三種污染物模態數據的比較。其中，橫坐標為試驗進行時間，三條曲線分別代表速度隨時間變化趨勢、熱車起動和冷車起動時每種污染物濃度隨時間的變化趨勢。

通過圖10、圖11和圖12的比較可以看出，同一輛車在LE和STD兩種模式下進行熱車起動I型試驗，每種污染物的整體變化趨勢是一樣的，保持著變化的一致性。THC的模態數據相對雜亂，沒有規律性可言，這與THC的生成機理有相關性，但是可以看出LE通道下的THC模態數據高于STD通道下的模態數據。CO的模態數據在整個試驗的前1000s一直處于相對穩定的狀態，在1000s以后隨著車速的增加開始大幅度躍遷，同樣地可以看出LE通道下的THC模態數據高于STD通道下的模態數據。

NOx的模態數據具有一定的規律性，鑒于NOx的生成機制是在高溫、富氧的條件下容易生成，因此在每個高速的小高峰處都能看到NOx濃度數值的躍遷，但是和THC和CO的模態數據的趨勢不同，NOx的模態數據LE通道下的THC模態數據略微低于STD通道下的模態數據，但是幾乎持平。其中，THC和CO的背景氣濃度和樣氣濃度相差不大，而此款柴油車又可以很好地滿足國5要求的排放結果，此時采用LE通道更能有效地體現出排放結果的準確性，但是NOx模態數據相對較高，采用LE通道和STD通道排放結果從理論上是應該一樣的，所以兩者差別很小。

圖10 STD和LE兩種模式下THC排放

圖11 STD和LE兩種模式下CO排放

通過圖13、圖14和圖15的比較可以看出，同一輛車在熱車起動和冷車起動兩種情況下進行I型試驗，每種污染物的整體變化趨勢是截然不同的。THC的模態數據相對雜亂，沒有規律性可言，這與THC的生成機理有相關性，但是通過對比可以看出冷車起動COLD的情況下THC的模態數據要高于熱車起動HOT的情況，尤其是在車輛剛點火起步和高速段這兩個時間段里更加明顯。CO的模態數據在冷車起動COLD的情況下，在車輛剛點火起步這個時間段里大幅度攀升，這與車輛起步時間段，溫度沒有達到可以使降低CO排放的催化轉化器發揮效率的數值有關，當經歷起步的這個時間段后，逐漸趨于平穩。而CO的模態數據在熱車起動HOT的情況下，由于溫度一直保持較高的數值，降低CO排放的催化轉化器一直發揮比較好的作用，所以一直處于比較恒定的較低濃度數值，一直到高速段，車速達到120km/h時才有了大幅度攀升值。

圖12 STD和LE兩種模式下NOx排放

NOx的模態數據具有一定的規律性，鑒于NOx的生成機制是在高溫、富氧的條件下容易生成。因此，在冷車起動情況下，在每個由低速到高速轉變的小高峰處都能看到NOx濃度數值的躍遷，可以從圖15冷車起動情況下看到NOx的模態數據有很多個小高峰。而在熱車起動情況下，前780s NOx的模態數據都相對平穩，起伏變化不大，當車速第一次達到了70km/h的高速時，NOx的模態數據才有了第一次略高的增長，而后每次速度有較大幅度增長時，NOx的模態數據都會有較大幅度的攀升，在速度由100km/h增長到120km/h的這個速度段尤為明顯。

圖13 COLD和HOT兩種模式下THC排放

圖14 COLD和HOT兩種模式下CO排放

4 結語

圖15 COLD和HOT兩種模式下NOx排放

本文通過開展相關對比試驗，對輕型國五柴油車排放油耗數據進行了研究分析。一是不同年代版型常溫下冷起動后排氣污染物排放試驗（I型試驗）比對結果分析。2011年美規版、2012年美規版、2014年美規版，這三款車型進行比較可以看出，2011年美規版和2012年美規版的排放，油耗數值幾乎持平，平均性保持的比較好。2014年美規版在油耗以及CO2排放這兩個方面和2011年美規版，2012年款美規版相比有明顯的下降，污染物排放方面CO的數值相比較于2011年款美規版，2012年款美規版有大幅度的上升趨勢，而HC+NOx以及NOx這兩項污染物卻有小幅度的下降。2015年中規版與其他三款車型比較無論是在油耗，CO2以及CO排放方面有相對明顯的下降，而在HC+NOx以及NOx這兩項污染物卻有大幅度的上升。原因主要是因為排放后處理裝置配置方面有區別。

二是同款車型常溫下冷起動以及熱車起動后排氣污染物排放試驗比對結果分析。同一輛車在LE和STD兩種模式下進行熱車起動I型試驗，每種污染物的整體變化趨勢是一樣的，保持著變化的一致性；同一輛車在熱車起動和冷車起動兩種情況下進行I型試驗，每種污染物的整體變化趨勢是截然不同的。