基于中國工況的國六輕型車排放特性及技術路線研究*

（中國汽車技術研究中心有限公司 天津 300300）

引言

《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》已于2016 年12 月23 日發布，并于2019年7 月1 日在國內部分地區開始實施。相比之前的排放標準，國六標準基本脫離歐系，與歐美處于同一水平，甚至有的地方已經超過歐美，處于創新發展的前沿。其中，測試循環是檢測汽車尾氣污染物排放的基準工況，對汽車產品的研發、檢測和認證都產生直接影響。而測試循環能否反映車輛的實際運行情況又直接影響我國汽車污染物排放控制技術的發展方向。然而，國六排放的測試循環采用了歐洲標準中的全球輕型車統一測試循環（WLTC），該測試循環相對于之前的NEDC 循環，雖然工況變化更加頻繁，也更能反映車輛的實際駕駛情況，但WLTC 測試循環與我國實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最主要的工況特征，并不能真實反映我國車輛實際駕駛情況。為了解決這一問題，中國輕型車測試循環（CLTC）應運而生，在《2019 年第13號國家標準公告》中正式發布[1]，CLTC 循環的出現彌補了中國長期缺少自己測試循環的空白，為測量更加符合中國實際工況下的排放和油耗提供了更多選擇。

為了應對嚴苛的輕型車國六排放標準要求，目前國六輕型車主要采用增壓+直噴、增壓+直噴+GPF、自吸+PFI 以及混合動力技術等多種排放控制技術方法。研究表明：增壓缸內直噴發動機在動力性、經濟性及排放方面有很多自吸進氣道噴射發動機所無法比擬的優點，但是缸內直噴發動機也存在很多問題，比如HC、CO 排放高，NOx 污染物難控制以及PN 排放量較多等問題[2-3]，而進氣道燃油噴射（PFI）自然吸氣汽油機仍能滿足市場需求和環境要求。為了應對污染物排放，針對法規要求的CO、HC、NOx 和PM/PN 等污染物產生原因，吳春玲等人總結了應對污染物排放控制的技術，但并沒有從整車排放控制的技術路線出發，提出一條適合整車國六排放控制的技術路線[4]。目前CLTC 循環已確定應用于所有重型商用車和新能源車的能耗試驗方法標準，并將逐步導入排放、噪聲等領域。為了了解市場上應對國六排放標準的技術對CLTC 循環的適應性，本文開展了基于中國工況的國六輕型車排放特性及技術路線研究，為CLTC 循環導入輕型車排放領域提供技術支撐。

1 試驗設備及方法

1.1 測試循環

本試驗選擇CLTC 測試循環對國六輕型車進行測試，CLTC 測試循環工況圖如圖1 所示。

圖1 CLTC 測試循環工況曲線圖

從圖1 中可以看出，CLTC 循環屬于瞬態多變工況，由不同速度段組成，用于反映實際道路行駛情況。CLTC 循環的運行時間均為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，相對于WLTC 和NEDC 循環，CLTC 的循環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，具體的參數如表1 所示。

表1 NEDC、WLTC 和CLTC 三種測試循環的特征對比[1,5-6]

1.2 試驗車輛

試驗選取了4 輛測試車，其中3 輛傳統汽油車和1 輛PHEV 車，其中傳統汽油車的發動機排量均為1.5 L。4 個車型代表了4 種主流的排放控制技術路線，分別是增壓+直噴+GPF、增壓+直噴+非GPF、自吸+PFI+非GPF 和PHEV。測試車輛具體參數如表2 所示。

表2 測試車輛參數

1.3 實驗設備和方法

試驗采用CVS 全流式稀釋裝置、HORIBA 尾氣分析儀和粒子計數分析儀，測試試驗設備連接和取樣位置如圖2 所示。

HORIBA 尾氣分析儀用于測量車輛行駛過程中排放的尾氣中的THC、CO、NMHC、NOx的含量，HORIBA 的粒子計數分析儀用于測量尾氣中顆粒物的數量，整個測試循環的油耗是采用碳平衡原理，通過尾氣中的碳含量計算獲得，設備具體型號如表3所示。

表3 測試設備

圖2 測試試驗示意圖

試驗在轉轂上進行，4 輛車均采用相同的加載方式，并在相同的環境條件下，行駛一個完整的CLTC測試循環，并通過尾氣測量設備記錄循環工況下的污染物排放量，最后根據輕型車國六b 中給出的劣化修正值（如表4 所示），采用加法計算出每種污染物的排放量。

表4 輕型車國六b 型試驗劣化修正值

2 試驗結果

2.1 尾氣污染物瞬態排放分析

為了分析中國工況對尾氣污染物的瞬時排放影響情況，試驗選取一款增壓直噴GPF 的車型（車型3），車輛在轉轂上采用與國六相同的加載方式，測試結果如圖3 所示。

圖3 CLTC 工況多種污染物的瞬時排放情況

從圖中可以看出，CO、THC、NOx和PN4 種污染物在冷啟動100 s 內的出現排放峰值，且占總排量的比例較大。在后續的測試過程中，CO 和THC 排放處于穩定低排放狀態，而NOx僅在加速階段少量產生，其他時刻排放量基本為零，PN 排放量與車輛的加速情況相關性很大，其產生伴隨在每次加速發生時。

對冷啟動100 s 內的污染物排放量占比統計發現，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，在僅占整個測試循環5.5%時間的冷啟動階段，CO 和NOx排放量貢獻了50%以上，THC 和PN 排放量貢獻了20%左右，這是因為在冷啟動階段，三效催化劑的溫度比較低，還沒有達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 循環下的排放控制技術路線分析

為研究不同排放控制技術路線在中國工況測試循環下的排放特性，試驗選取了目前市場上主流4種排放控制技術路線的4 輛車，4 輛車分別對應表2中的車型1～車型4。

圖4 為4 種技術路線下的THC 排放情況，從圖中可以看出，在4 種技術路線中，THC 的排放量均未超過國六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。這是因為與PFI 發動機相比，GDI 車輛很難同時實現良好的分層燃燒和均質燃燒，而不充分燃燒會生成大量的未然HC。相比于傳統車輛，PHEV 車輛在測試循環下的發動機工作時間短，也就導致循環測量的HC 排放量減少。同時發現，在4 種控制技術路線中，增壓+GDI+GPF 路線下的THC 排放與國六b 限值非常接近，采用此技術路線的車輛仍需要進一步優化THC 排放。

圖4 4 種技術路線下的THC 排放

圖5 為4 種技術路線下的CO 排放情況，從圖中可以看出，4 種技術路線下的CO 排放量均未超過國六b 的限值。其中增壓+GDI 和自吸+PFI 的3 種技術路線下的CO 排放量約為國六b 限值的60%，且相差不大，PHEV 車輛的CO 排放量僅是國六b 限值的33.6%，遠低于法規要求限值。

圖5 4 種技術路線下的CO 排放

圖6 為4 種技術路線下的NOx排放情況，從圖中可以看出，4 種技術路線下的CO 排放量均未超過國六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路線下的NOx排放，PHEV 技術路線下的NOx排放量最少。這是因為高溫和富氧是產生NOx的因素，相對于PFI 發動機的均質當量燃燒，GDI 發動機采用了稀薄分層燃燒技術，由于GDI 的混合氣由濃到稀呈分層狀態,不可避免地會出現空燃比為1 附近的偏濃區域,使這些區域燃燒溫度高，NOx排放增加,同時較高的壓縮比和較快的反應放熱率也是引起NOx排放升高的一個原因[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 種技術路線下的NOx 排放

圖7 為4 種技術路線下的PN 排放情況，從圖中可以看出，4 種技術路線下的PN 排放量均未超過國六b 的限值。其中增壓+GDI+非GPF 的PN 排放量是最大的，非常接近國六b 限值，增壓+GDI+GPF 和自吸+PFI+非GPF 的兩種技術路線下的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%，進一步說明了增壓+GDI 技術路線需要配合GPF 的必要性，同時也說明了PHEV 車輛在降低PN 排放方面具有很高的優勢。

圖7 4 種技術路線下的PN 排放

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

3 結論

1）冷啟動仍是CLTC 循環下污染物排放最多的階段。

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

3）增壓直噴技術的PN 排放量較高，通過耦合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 技術路線是最佳的，其次是自吸+PFI 技術路線，再次是增壓+GDI+GPF 技術路線。