輕型國五柴油車排放油耗數(shù)據(jù)研究分析

關(guān) 嬌

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

柴油機(jī)具有較高的壓縮比、扭矩功率大、經(jīng)濟(jì)性好、熱效率高、堅固耐用、維護(hù)費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用極其廣泛。隨著柴油機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展完善，柴油機(jī)越來越多地在輕型車上得到應(yīng)用和普及，特別是在歐洲，由于受到幾次石油危機(jī)的影響和人們環(huán)保意識的加強(qiáng)，高速小型柴油機(jī)在輕型車市場已經(jīng)占到一定的份額。

柴油機(jī)相對于汽油機(jī)有著熱效率高、可靠性高的優(yōu)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(nèi)燃機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，柴油機(jī)在設(shè)計和改進(jìn)方面取得了很大的進(jìn)步和發(fā)展，通過機(jī)內(nèi)凈化措施使內(nèi)燃機(jī)整體排放水平得到全面提升。但是，改善柴油機(jī)工作流程來降低排放，經(jīng)常與提高柴油機(jī)功率與降低油耗發(fā)生沖突。根據(jù)國家汽車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施計劃，環(huán)境保護(hù)部、國家質(zhì)檢總局于2016年12月23日聯(lián)合發(fā)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(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)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(shí)施。為了既滿足日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)的要求，又提高柴油的燃油經(jīng)濟(jì)性，人們只有將機(jī)內(nèi)與機(jī)外技術(shù)措施有機(jī)結(jié)合，才能達(dá)到未來柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)現(xiàn)大幅度降低柴油機(jī)有害排放物的最佳選擇，通常要從以下三個方面進(jìn)行考慮。

一是提升燃油品質(zhì)。二是柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化。要合理運(yùn)用電控高壓燃油噴射、增壓中冷、廢氣再循環(huán)、多氣門、可變渦輪進(jìn)氣道、可變壓縮比、均值混合壓燃技術(shù)（HCCI）以及優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)等技術(shù)。三是柴油機(jī)機(jī)外凈化。基于歐美汽車工業(yè)發(fā)展經(jīng)驗和我國國情，目前主要有兩種技術(shù)路線，分別為SCR（選擇性催化還原）技術(shù)路線和EGR（廢氣再循環(huán)）+DOC+DPF（顆粒物補(bǔ)集器）技術(shù)路線。其中，SCR技術(shù)路線主要是通過提高噴油壓力、優(yōu)化噴射定時、改善燃燒過程等機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)，從而降低發(fā)動機(jī)機(jī)內(nèi)顆粒物排放，而此過程產(chǎn)生的較高NOx排放則采用SCR還原成N2和O2；EGR+DOC+DPF技術(shù)路線，主要是通過EGR將NOx排放降低到標(biāo)準(zhǔn)要求以下，而通過DOC或是DOC+DPF將總顆粒物（TPF）降低到滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1 DOC+DPF+SCR的排放后處理技術(shù)

目前，人們可以利用DOC降低排氣中的一氧化碳（CO）和碳?xì)浠衔铮℉C），利用DPF技術(shù)降低排氣中的顆粒物。DPF技術(shù)被認(rèn)為是目前凈化柴油機(jī)顆粒物最直接、最有效的方法，也是國際上商品化的柴油機(jī)顆粒后處理技術(shù)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(dá)到減少空氣污染的目的。根據(jù)應(yīng)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(jié)合SCR催化器共同降低氮氧化物的排放，或是應(yīng)用一種附加尿素水溶液噴射系統(tǒng)釋放氨作為還原劑，氨與氮氧化物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成無害的氮?dú)夂退?/p>

2 試驗設(shè)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(fā)動機(jī)。采用DOC+DPF+SCR的排放后處理方案，可以達(dá)到國5排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，具體配置如表1所示。

表1 試驗樣車參數(shù)

該試驗樣車在具有全流稀釋系統(tǒng)的轉(zhuǎn)鼓試驗臺架上進(jìn)行排放試驗，排放試驗設(shè)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(huán)進(jìn)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(xù)運(yùn)行20min，使車輛油溫水溫各項指標(biāo)均達(dá)到相對恒定的數(shù)值后再進(jìn)行I型試驗。

表2 排放試驗設(shè)備

3 試驗結(jié)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(jié)果分析

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

通過比較可以看出，2011年美規(guī)版、2012年美規(guī)版這兩款車型的排放、油耗、CO2數(shù)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(jìn)行排放后處理裝置的研究分析，2011年美規(guī)版和2012年美規(guī)版車型排放后處理裝置配置相同，所以得出幾乎持平的結(jié)論。

圖1 2011年款美規(guī)版柴油車油耗

圖2 2012年款美規(guī)版柴油車油耗

通過比較圖7～圖9可以看出，2014年美規(guī)版在油耗和CO2排放這兩個方面和2011年美規(guī)版、2012年款美規(guī)版相比有明顯的下降，污染物排放方面CO的數(shù)值相比較于2011年款美規(guī)版、2012年款美規(guī)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(guī)版柴油車CO2排放

圖4 2012年款美規(guī)版柴油車CO2排放

圖5 2011年款美規(guī)版柴油車污染物排放

圖6 2012年款美規(guī)版柴油車污染物排放

鑒于14年款美規(guī)版車輛數(shù)目較少（2輛），對于以上現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)的相繼提出和廣泛使用，日益嚴(yán)苛的排放標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致汽車燃料品質(zhì)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(shù)目過少，導(dǎo)致CO的排放結(jié)果有偶然性上升趨勢，后續(xù)將收集更多2014年美規(guī)版車輛進(jìn)行相關(guān)CO排放試驗以確認(rèn)CO的變化趨勢。

2015年中規(guī)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(xiàn)在排放后處理配置方面。其中，2011年美規(guī)版、2012年美規(guī)版以及2014年美規(guī)版均采用DOC+DPF+SCR的排放后處理方案，可以達(dá)到國5排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。而2015年中規(guī)版采用了只配備有DOC的排放后處理方案，導(dǎo)致HC+NOx和NOx這兩項污染物排放數(shù)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(jié)果分析

選取2012年美規(guī)版柴油車車輛進(jìn)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(tǒng)MEXA-7000HLE進(jìn)行試驗，柴油分析系統(tǒng)按照配置又分為STD和LE兩個通道，其中STD通道為常規(guī)排放分析系統(tǒng)，LE通道為超低排放分析系統(tǒng)。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(jìn)行I型試驗，得到的CO、NOx、THC三種污染物模態(tài)數(shù)據(jù)的比較。其中，橫坐標(biāo)為試驗進(jìn)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(jìn)行I型試驗，得到的CO、NOx、THC三種污染物模態(tài)數(shù)據(jù)的比較。其中，橫坐標(biāo)為試驗進(jìn)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(jìn)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(tài)數(shù)據(jù)相對雜亂，沒有規(guī)律性可言，這與THC的生成機(jī)理有相關(guān)性，但是可以看出LE通道下的THC模態(tài)數(shù)據(jù)高于STD通道下的模態(tài)數(shù)據(jù)。CO的模態(tài)數(shù)據(jù)在整個試驗的前1000s一直處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，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(tài)數(shù)據(jù)高于STD通道下的模態(tài)數(shù)據(jù)。

NOx的模態(tài)數(shù)據(jù)具有一定的規(guī)律性，鑒于NOx的生成機(jī)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(shù)值的躍遷，但是和THC和CO的模態(tài)數(shù)據(jù)的趨勢不同，NOx的模態(tài)數(shù)據(jù)LE通道下的THC模態(tài)數(shù)據(jù)略微低于STD通道下的模態(tài)數(shù)據(jù)，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(jié)果，此時采用LE通道更能有效地體現(xiàn)出排放結(jié)果的準(zhǔn)確性，但是NOx模態(tài)數(shù)據(jù)相對較高，采用LE通道和STD通道排放結(jié)果從理論上是應(yīng)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(jìn)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(tài)數(shù)據(jù)相對雜亂，沒有規(guī)律性可言，這與THC的生成機(jī)理有相關(guān)性，但是通過對比可以看出冷車起動COLD的情況下THC的模態(tài)數(shù)據(jù)要高于熱車起動HOT的情況，尤其是在車輛剛點(diǎn)火起步和高速段這兩個時間段里更加明顯。CO的模態(tài)數(shù)據(jù)在冷車起動COLD的情況下，在車輛剛點(diǎn)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(dá)到可以使降低CO排放的催化轉(zhuǎn)化器發(fā)揮效率的數(shù)值有關(guān)，當(dāng)經(jīng)歷起步的這個時間段后，逐漸趨于平穩(wěn)。而CO的模態(tài)數(shù)據(jù)在熱車起動HOT的情況下，由于溫度一直保持較高的數(shù)值，降低CO排放的催化轉(zhuǎn)化器一直發(fā)揮比較好的作用，所以一直處于比較恒定的較低濃度數(shù)值，一直到高速段，車速達(dá)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(tài)數(shù)據(jù)具有一定的規(guī)律性，鑒于NOx的生成機(jī)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(zhuǎn)變的小高峰處都能看到NOx濃度數(shù)值的躍遷，可以從圖15冷車起動情況下看到NOx的模態(tài)數(shù)據(jù)有很多個小高峰。而在熱車起動情況下，前780s NOx的模態(tài)數(shù)據(jù)都相對平穩(wěn)，起伏變化不大，當(dāng)車速第一次達(dá)到了70km/h的高速時，NOx的模態(tài)數(shù)據(jù)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(tài)數(shù)據(jù)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(jié)語

圖15 COLD和HOT兩種模式下NOx排放

本文通過開展相關(guān)對比試驗，對輕型國五柴油車排放油耗數(shù)據(jù)進(jìn)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(jié)果分析。2011年美規(guī)版、2012年美規(guī)版、2014年美規(guī)版，這三款車型進(jìn)行比較可以看出，2011年美規(guī)版和2012年美規(guī)版的排放，油耗數(shù)值幾乎持平，平均性保持的比較好。2014年美規(guī)版在油耗以及CO2排放這兩個方面和2011年美規(guī)版，2012年款美規(guī)版相比有明顯的下降，污染物排放方面CO的數(shù)值相比較于2011年款美規(guī)版，2012年款美規(guī)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(guī)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(qū)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(jié)果分析。同一輛車在LE和STD兩種模式下進(jìn)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(jìn)行I型試驗，每種污染物的整體變化趨勢是截然不同的。