重型汽油車國六排放法規討論稿解讀及試驗研究

王謀舉 陳國棟 任亞為 王昊 楊才鈺 蘇海龍

摘要：通過與重型車現行排放法規以及輕型車國六排放法規的對比分析，對重型汽油車新排放法規討論稿進行了詳細解讀。對滿足輕型車國五法規的某車型開展試驗研究，分析分別采用重型車和輕型車國六排放法規的具體表現，識別重型汽油車國六排放法規達標的難點所在，并給出了應對策略。

Abstract： Through the comparison with the current emission regulations of heavy-vehicles and light-vehicles， the draft of the new emission regulation of heavy-vehicles with gasoline engines is interpreted in detail. An experimental study was carried out on a certain vehicle that met the requirements of the CHINA Ⅴ regulation for light-vehicles， and the specific performances of CHINA Ⅵ emission regulations for heavy-vehicles and light-vehicles are analyzed. The paper points out the difficulties of meeting the requirements of CHINA Ⅵ emission regulation and gives the countermeasures.

關鍵詞：重型汽油車;國六;排放

Key words： heavy-duty vehicles with gasoline engines;CHINA Ⅵ;emission

中圖分類號：X734.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）20-0023-05

0? 引言

2016年12月，輕型車國六排放法規GB 18352.6-2016 《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》發布，2018年6月重型柴油車國六排放法規GB 17691-2018 《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》發布。目前輕型車和重型柴油車已全面實行國五排放法規，并正向國六階段過渡。而重型汽油車排放法規還停留在國四階段，2019年底完成《重型汽油車污染物排放限值及測量方法（中國五、六階段）》內部討論稿（以下簡稱重型汽油車法規），代表著重型汽油車國五、國六階段即將到來，本文對其主要變化點及帶來的影響進行詳細解讀，并結合試驗數據對排放結果進行量化研究。

1? 與現行法規對比的主要變化點

重型國四排放法規（GB14762-2008）僅包含CO、THC和NOX三種排放物。測試試驗在發動機臺架進行，使用重型汽油機瞬態循環，限值寬松，較易達成。

新法規對比國四法規有明顯變化，主要體現在以下三方面。

1.1 測試場所

新法規要求在底盤測功機上使用實車進行排放測試，從而能更全面反映車輛真實排放水平。

1.2 測試循環

新法規測試循環為C-WTVC，是以世界重型商用車瞬態循環WTVC為基礎，調整加速度和減速度而得。

1.3 排放物種類和限值

國四排放法規只有3種排放物，見表1。新法規除將這3種排放物限值加嚴外，還增加了6種排放物，分別是NMHC、PM、PN、N2O、HCHO和CO2，見表2。

2? 與輕型車法規對比的主要變化點

輕型汽車指最大設計總質量不超3500kg的M1類、M2類和N2類汽車，重型汽車指最大設計總質量大于3500kg的M類和N類車輛，見圖1。

輕型車國六法規中規定 “在生產企業的要求下，最大設計總質量超過3500kg、但不超過4500kg的M1、M2和N2類汽車可按本標準進行型式檢驗。”重型汽油車法規中規定“若本標準適用的M1、M2類或N2汽車已按GB18352.6（國六）的規定進行了型式檢驗，則可不按本標準進行型式檢驗?！奔磮D1中陰影區域車輛可使用以上兩部法規中任意一部進行型式檢驗。以下主要對比兩部法規I型試驗的區別。

2.1 排放物種類

輕型車法規監測排放物有7種，分別是CO、THC、NMHC、NOx、N20、PM和PN，而重型汽油車法規在此基礎上增加了對HCHO和CO2的監測。對于輕型車，CO2使用油耗方式進行考核，并未將其列入排放法規。而重型車法規將CO2直接列入排放法規中進行考核，會導致CO2不達標的車型，無法通過型式檢驗，更無法進行銷售，對車企是一個挑戰。

2.2 排放物限值

輕型車國六排放法規I型試驗分為六a和六b兩個階段，見表3和表4。國六a除CO稍微加嚴，其他排放物與國五相同，國內多地直接跳過國六a施行國六b，大部分車企均針對國六b車型進行研發，下文討論的輕型車國六排放均指國六b。

輕型車法規按照車輛種類不同規定了不同的排放物限值，分為第一類車和第二類車，第二類車又根據測試質量（TM）分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三個等級。

重型汽油車法規按照汽車總質量（GVW）將車輛分為6個等級，前兩個等級規定了具體排放物限值，后面四個等級的排放限值依次為前一等級的1.2倍。

由于兩部法規適用車輛種類不盡相同，這里選取輕型車質量最高級別（TM>1760kg）和重型汽油車國六法規質量最低級別（3500kg<GVW≤5000kg）進行7種共有排放的對比，除PN限值相同外，輕型車法規另外6種排放物限值均小于重型汽油車，在重型汽油車法規限值的50～60%之間，見表5。

2.3 測試循環

輕型車國六使用WLTC循環，即全球輕型車統一測試循環，由低速段（0～590s）、中速段（590～1023s）、高速段（1023～1478s）和超高速段（1478～1800s）四部分組成，見圖2。

C-WTVC循環分別由市區循環（0～900s）、公路循環（900～1368s）和高速循環（1368～1800s）三部分組成，見圖3。

兩個循環的運行時間相同，WLTC循環的最高車速和最大加速度要比C-WTVC高很多，平均車速比C-WTVC略高，見表6。

2.4 排放結果計算方法

WLTC的排放結果直接由分析儀測得。重型車排放測試循環由冷機、熱機2個C-WTVC循環組成，冷機循環試驗后間隔20min進行熱機循環試驗，排放結果由冷、熱循環試驗結果加權計算得出，權重分別為0.14和0.86。這種冷熱循環加權計算方法參照了重型柴油車國六法規中WHTC循環排放的計算。

2.5 試驗阻力加載方法

輕型車法規進行道路阻力滑行及WLTC循環試驗時，加載質量為測試質量。而重型汽油車法規加載質量為最大設計總質量，比輕型車測試質量大很多。

3? 試驗研究

選取某品牌一款車型分別進行輕型車國六和重型汽油車國六法規Ⅰ型試驗，進行發動機運行工況點和排放結果的對比。該車型使用V8T汽油機，最大設計總質量介于3500～4500kg之間，排放滿足輕型車國五法規。為消除不同車輛、轉轂和駕駛員操作差異的影響，使用同一車輛、轉轂和駕駛員進行該試驗。

3.1 發動機運行工況點的對比

WLTC循環最高車速和最大加速度分別是C-WTVC循環的1.5和1.8倍，平均車速是C-WTVC循環的1.1倍，因此WLTC循環發動機的工況點在萬有特性曲線中較高轉速和負荷區域要比C-WTVC循環覆蓋范圍更廣，見圖4。WLTC循環最高轉速達到2480rpm，最大負荷為122%，而C-WTVC循環最高轉速和最大負荷分別為2123rpm和93%。

3.2 排放結果對比

為消除單次試驗誤差，每個I型試驗均進行了3次測試，取3次結果平均值進行對比。受試驗測試設備條件限制，無N2O和HCHO測量結果，由于N2O較易達標，不再進行比較，只進行另外6種共有排放物的對比。以下從五個方面進行對比。

3.2.1 冷機排放結果對比

WLTC循環和C-WTVC的冷機循環均由冷機起動開始測量排放物直至循環結束，選取兩者排放結果進行對比，C-WTVC循環CO、HC、NMHC、PM和PN明顯好于WLTC，在后者52%以內，NOX結果相當，見表7。

對比WLTC和C-WTVC循環排放秒采數據，發現大部分排放物產生在起動后100s內，除NOX外，其他排放物占比均在75%以上，見圖5～圖8。主要由于這段時間發動機冷卻液、催化器等溫度較低，燃油霧化效果差造成。另外，這段時間前氧基本處于開環狀態，空燃比控制效果比閉環時差很多，這對排放也有較大影響。

兩個循環的排放差異主要產生在前100s。WLTC循環從起動到起步，中間有12s怠速時間，而C-WTVC循環只有5s怠速時間。C-WTVC循環起步早，排氣流量大，因此催化器起燃較快，且前100s內C-WTVC循環的催化器溫度一直高于WLTC，對排放物轉化效率更高。另外該車型并未專門針對WLTC或C-WTVC循環進行標定，且兩個循環不同時間的工況點不同，WLTC循環在40～80s處的空燃比比C-WTVC循環偏濃較多，這也會造成該階段CO、HC和PN等排放物明顯高于C-WTVC，見圖9。

3.2.2 C-WTVC冷機與熱機循環排放結果對比

熱機C-WTVC循環開始時發動機水溫為85℃，起動階段噴油量少，燃油霧化效果好，所以發動機原始排放物產生較少。另外起動時催化器溫度為352℃，高于起燃溫度，能將大部分排放物凈化。因此熱機循環排放結果明顯好于冷機循環，見表8。可以看出除NOX升高外，熱機循環其他排放物都在冷機循環35%以內。

熱機C-WTVC循環NOX高主要因為熱機起動后空燃比過稀造成，經過一定程度標定數據優化可以使NOX達到與冷機循環相當的水平。

3.2.3 加權計算后的排放結果對比

重型汽油車Ⅰ型試驗排放結果根據冷機和熱機結果加權計算而得，冷機循環占14%，熱機循環占86%。由于熱機循環結果占比很大，因此加權后結果更接近熱機。冷機時產生較多的CO、THC、NMHC、PM和PN經加權計算后，結果都在冷機循環的41%以內，見表9。

由于重型汽油車法規的特殊計算方法，CO、THC、NMHC、PM和PN的排放量比輕型車法規低很多。除NOX外，其他排放物都在WLTC循環的23%以下，見表10。

3.2.4 國六排放結果達標情況

WLTC測試結果無法滿足輕型車國六法規，除NOX在限值以內，其他排放物為限值的110～860%倍，若考慮劣化系數和工程目標，則超出更多。除了CO2在下節單獨討論外，C-WTVC測試結果滿足重型汽油車國六法規，同時也滿足排放工程目標，見表11。

3.2.5 CO2排放結果

通過以上可知，重型汽油車排放法規較易達標，但這僅針對和輕型車法規共有排放物，由于重型車法規增加了CO2，需看其能否達標。

重型車國五階段CO2限值參考了工信部發布的《GB 30510-2018 重型商用車三階段油耗限值》，為338g/km，相當于油耗14.3L/100km。國六階段也將參考“重型商用車四階段油耗限值”，由于新的油耗限值尚未出臺，所以暫未給定國六階段CO2限值（2022年7月前給定）。參考各階段“重型商用車油耗限值”變化情況，預測四階段油耗限值比現行的三階段（GB30510-2018）會加嚴10～11%，即國六CO2限值會比國五加嚴10～11%，約為301g/km，相當于油耗12.7L/100km。

該車型CO2能滿足重型車國五法規，但無法滿足國六法規。見表12和圖10。

因此無論選擇哪部法規進行型式認證，均需對車輛進行相應技術升級。

4? 排放法規達標技術方案分析

以上試驗車型必須進行技術方案升級，才能滿足輕型車或重型汽油車國六排放法規。

4.1 輕型車國六法規達標技術方案分析

試驗車型除NOX滿足輕型車國六排放法規，另外5種排放物均超限值，可以采用缸內直噴技術、GPF顆粒捕集器、催化器升級和免過露點前氧傳感器等技術手段進行升級以降低排放物的產生。

4.2 重型車國六法規達標技術方案分析

由于重型汽油車排放法規升級較慢，重型汽油機的技術水平一般落后于輕型汽油機，另外該車型定位為高端車型，消費人群更注重車輛的駕駛性和舒適性，對油耗關注度低，整車上并未過多考慮降油耗技術，因此無法滿足國六法規CO2要求。

可以采用缸內直噴、怠速起停、閉缸技術、車身輕量化、降低滾阻風阻等技術來降低CO2排放。

以上技術方案大部分已在輕型車上應用，此處不再贅述，重型汽油車由于排放法規滯后，應用較少。為滿足輕型車或重型車國六法規，該車型需要采用其中的一種或多種技術方案，還需要對開發周期和成本綜合考慮以選擇最優方案。

5? 結束語

重型汽油車新排放法規根據冷機和熱機的排放結果進行加權，最后得出總的排放結果，由于熱機所占比例為86%，因此就常規排放物來說，重型汽油車國六排放達標難度遠低于輕型車國六。

但重型汽油車法規CO2納入排放考核，對重型汽油車是一個極大考驗。

另外，重型汽油車新排放法規最主要的變化點之一，是測試場所由發動機臺架轉移到了底盤測功機，由于重型汽油車一般體積較大，原有的輕型車試驗倉難以容納，重型車轉鼓和排放試驗室資源不足是車企即將面臨的困難。

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