北京Ⅵ階段重型發(fā)動機(jī)排放測試方法及限值對比分析

解瀚光，張 凡，李 昂

Xie Hanguang, Zhang Fan, Li Ang

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

北京Ⅵ階段重型發(fā)動機(jī)排放測試方法及限值對比分析

解瀚光，張 凡，李 昂

Xie Hanguang, Zhang Fan, Li Ang

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

相比于我國現(xiàn)行排放法規(guī)，北京Ⅵ階段法規(guī)針對重型柴油機(jī)排放法規(guī)進(jìn)行了較大改變，文中將從現(xiàn)行法規(guī)和歐Ⅵ與京Ⅵ法規(guī)之間排放限值、測量方法等方面的差異性入手，解讀京Ⅵ法規(guī)。結(jié)果表明，京Ⅵ法規(guī)相對于現(xiàn)行法規(guī)在測量方法上引入WHTC、WHSC和WNTE測試循環(huán)，同時(shí)大幅度嚴(yán)格了法規(guī)限制，并與歐Ⅵ法規(guī)測量方法相同，個(gè)別限值嚴(yán)于歐Ⅵ法規(guī)。

京Ⅵ法規(guī)；重型發(fā)動機(jī)；排放限值；測量方法

0 引 言

2015年11月26日北京市環(huán)保局發(fā)布了《重型車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)排放污染物排放限值及測量方法（北京第Ⅵ階段）（征求意見稿）》[1]，簡稱京Ⅵ法規(guī)。該法規(guī)預(yù)計(jì)于 2017年12月正式實(shí)施，這一標(biāo)準(zhǔn)不僅對于排放限值提出了更高的要求，同時(shí)，對于應(yīng)用范圍、測量方法等也提出了新的定義。

通過分析中國現(xiàn)行排放法規(guī)及歐洲Ⅵ階段法規(guī)（簡稱歐Ⅵ），針對適用范圍、測量方法和排放限值3個(gè)方面對京Ⅵ法規(guī)進(jìn)行分析。

1 適用范圍

京Ⅵ階段標(biāo)準(zhǔn)適用于裝在設(shè)計(jì)車速大于25 km/h的N2和N3類，及車身長度大于6 m的M3類機(jī)動車的壓燃式（含氣體燃料點(diǎn)燃式）發(fā)動機(jī)。

相比 GB17691—2005[2]中規(guī)定的國Ⅴ排放法規(guī)適用范圍，京Ⅵ階段法規(guī)中將M2類和部分M3類，即包括駕駛員在內(nèi)座位數(shù)超過 9個(gè)但總質(zhì)量不超過5 t和座位數(shù)超過9個(gè)但總長不超過6 m的載客車輛劃分為輕型車標(biāo)準(zhǔn)管轄范圍，這一變更使車型分類劃分更加清晰，避免了跨界車型管理問題。

歐Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)對基準(zhǔn)質(zhì)量大于2 610 kg的M1，M2，N1，N2類車和所有M3和N3類車型均適用，適用范圍十分廣泛，這與我國法規(guī)適用范圍區(qū)別較大，其原因與各國間商用車用車習(xí)慣有關(guān)。

2 測量方法

京Ⅵ法規(guī)在測量方法方面發(fā)生了較大變化，對比GB17691—2005和歐洲Ⅵ階段標(biāo)準(zhǔn)，由表1可見，北京地方法規(guī)從第Ⅴ階段起將歐洲瞬態(tài)測試循環(huán)（European Transient Cycle，ETC）變更為世界統(tǒng)一的瞬態(tài)測試循環(huán)（World Harmonized Transient Cycle，WHTC），國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)HJ689—2014中也引入WHTC工況法作為裝用柴油發(fā)動機(jī)的城市車輛瞬態(tài)循環(huán)測試方法，作為原GB17691的補(bǔ)充[3]。在京Ⅵ法規(guī)中取消歐洲負(fù)荷煙度試驗(yàn)（European Load Reponse Test，ELR），將歐洲穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)（European Steady State Cycle，ESC）變更為世界統(tǒng)一的穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)（World Harmonized Steady-State Cycle，WHSC），增加世界非法規(guī)工況排放要求（World-Harmonized Not-To-Exceed，WNTE）。這一變化與歐Ⅵ測試方法的更改使法規(guī)工況更接近于實(shí)際使用情況，更有利于重型發(fā)動機(jī)排放的控制。

表1 測試循環(huán)對比

2.1 對比歐洲穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)（ESC）和世界統(tǒng)一的穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)（WHSC）

從圖1中可以觀察到，相比于ESC，WHSC更關(guān)注低負(fù)荷工況點(diǎn)，新增最大凈功率的 25%，35%和45% 3個(gè)轉(zhuǎn)速，同時(shí)怠速工況增加至2個(gè)，刪除60%和65% 2個(gè)轉(zhuǎn)速；新標(biāo)準(zhǔn)減少滿負(fù)荷所占比例，增加多個(gè)中小扭矩工況點(diǎn)。這些變化使WHSC工況比ESC工況平均轉(zhuǎn)速降低25%，平均扭矩降低 51%，平均功率降低 64%[4]，充分體現(xiàn)了對低速低負(fù)荷的側(cè)重。由于低速低負(fù)荷工況時(shí)會產(chǎn)生排溫較低等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響SCR轉(zhuǎn)換效率，NOx排放也會相應(yīng)增加，因此對發(fā)動機(jī)排放及后處理提出了更高的要求。

圖1 ESC與WHSC工況對比

2.2 對比歐洲瞬態(tài)測試循環(huán)（ETC）和世界統(tǒng)一的瞬態(tài)測試循環(huán)（WHTC）

ETC與WHTC均將工況分為城市道路工況，鄉(xiāng)村道路工況和高速工況 3類。但所占比例發(fā)生較大變化，由ETC中各工況各占1/3調(diào)整為WHTC中城市工況占 49.6%，郊區(qū)工況占 26%，高速工況占24.3%。由于城市道路工況多集中于中低轉(zhuǎn)速中小負(fù)荷工況，從圖2[1]中可看出變化趨勢，此趨勢使WHTC循環(huán)的平均功率只有ETC的62%。同時(shí)WHTC需按試驗(yàn)方法進(jìn)行冷態(tài)和熱態(tài)2次循環(huán)，并加權(quán)計(jì)算排放污染物，使測試工況考察范圍更大，排放物控制要求更加嚴(yán)格。

圖2 ETC與WHTC工況對比

2.3 新增世界非法規(guī)工況排放要求（WNTE）

WNTE主要目的為防止非法規(guī)監(jiān)測點(diǎn)排放過高，在京Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，需進(jìn)行發(fā)動機(jī)及車載 2次測量。下文對這一測試工況進(jìn)行描述，控制區(qū)域和試驗(yàn)點(diǎn)分布如圖3所示。

圖3 WNTE控制區(qū)域及試驗(yàn)點(diǎn)分布

由圖3中可以看到，WNTE控制區(qū)域主要由外特性曲線配以轉(zhuǎn)速、扭矩和功率 3方面限制組成。轉(zhuǎn)速區(qū)域?yàn)榘l(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍n30～nhi之間的區(qū)域，其中n30為WHTC循環(huán)包括怠速在內(nèi)的所有轉(zhuǎn)速積分的30%，nhi為最大功率70%對應(yīng)的最高發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；扭矩范圍為扭矩大于等于發(fā)動機(jī)發(fā)出的最大扭矩值 30%的所有發(fā)動機(jī)負(fù)荷點(diǎn)；功率范圍為大于等于發(fā)動機(jī)發(fā)出的最大功率值 30%的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷點(diǎn)。

WNTE測試點(diǎn)以3 000 r/min為界，將圖3中區(qū)域劃分為9或12個(gè)區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)隨機(jī)抽取3個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域包含 5個(gè)隨機(jī)測試點(diǎn)，共計(jì)15個(gè)。發(fā)動機(jī)在各隨機(jī)測試點(diǎn)運(yùn)行2 min，包括前一穩(wěn)態(tài)測試點(diǎn)的過渡時(shí)間。在測試點(diǎn)之間發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷過渡應(yīng)為線性，持續(xù)時(shí)間為20±1s。試驗(yàn)共計(jì)30 min。

3 排放限值

由于京Ⅵ法規(guī)對于測試方法提出新的要求，國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)及京Ⅳ，京Ⅴ階段法規(guī)（DB11/964- 2013）[5]中已將WHTC作為排放測試循環(huán)引入，故在排放限值方面將WHTC限值與此標(biāo)準(zhǔn)加以比較，見表2。同時(shí)分析表3，WHSC未在我國原有排放法規(guī)中出現(xiàn)，由于選取工況不同，無法分析限值變化趨勢，對比ESC與WHSC限值差異，初步分析穩(wěn)態(tài)循環(huán)變化趨勢；對比歐Ⅵ法規(guī)，分析京Ⅵ法規(guī)各試驗(yàn)限值與歐Ⅵ法規(guī)之間的異同。通過對比歐Ⅵ法規(guī)和京Ⅵ法規(guī)中WNTE限值異同，分析其特點(diǎn)。

表2 各法規(guī)瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)循環(huán)限值對比

表3 發(fā)動機(jī)非法規(guī)工況排放限值mg/kWh

3.1 瞬態(tài)循環(huán)限值分析

分析瞬態(tài)循環(huán)限值變化趨勢，對比表 2中各法規(guī)限值可以看出，國Ⅴ法規(guī)與京Ⅴ法規(guī)中柴油機(jī)限值相同，但京Ⅴ法規(guī)新增對于點(diǎn)燃式氣體發(fā)動機(jī)的排放限值。京Ⅵ法規(guī)相比原有限值，除CO外均大幅度下調(diào)，NOx排放僅約為原京Ⅴ限值的16%，PM約為原限值的33%，CH4約為原限值的45%，非甲烷碳?xì)浼s為原限值的 24%，如圖4所示。相比于京Ⅴ法規(guī)新增PN和NH3排放限值要求，限值與歐Ⅵ相同；相比 NH3限值在HJ437-2008[3]中規(guī)定為 25×10-6，京Ⅵ法規(guī)下調(diào)了60%。對比京Ⅵ與歐Ⅵ法規(guī)，二者各限值保持一致。

圖4 WHTC法規(guī)限值對比

3.2 穩(wěn)態(tài)循環(huán)限值分析

分析穩(wěn)態(tài)循環(huán)限值變化趨勢，在京Ⅵ之前的法規(guī)中一直使用ESC作為穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)，首先對比國ⅤESC限值與京Ⅵ WHSC限值變化趨勢，對于柴油機(jī)NOx限值下降為原限值20%，THC為原限值的52%，PM約為原限值的50%，同時(shí)增加了NH3和PN的排放限值，如圖5所示。相比于歐Ⅵ法規(guī)，限值未發(fā)生改變，但新增點(diǎn)燃式氣體發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)循環(huán)限值，提升對于氣體發(fā)動機(jī)的排放要求。

圖5 穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)限值對比

3.3 非法規(guī)工況排放限值分析

京Ⅵ法規(guī)新增WNTE測試循環(huán)，這一循環(huán)在我國現(xiàn)行法規(guī)中均未涉及，對比分析京Ⅵ及歐Ⅵ法規(guī)中此類型測試循環(huán)的限值差異，歐Ⅵ法規(guī)中規(guī)定了WNTE限值，分析表3中數(shù)據(jù)，歐Ⅵ法規(guī)中，僅規(guī)定了柴油機(jī)排放限值。在京Ⅵ法規(guī)中，不僅新增了點(diǎn)燃式燃?xì)獍l(fā)動機(jī)WNTE的排放限值要求，同時(shí)相比歐Ⅵ法規(guī)限值，嚴(yán)格了柴油機(jī)NOx排放限值20%。

4 結(jié) 論

1）京Ⅵ法規(guī)相比國Ⅴ及歐Ⅵ法規(guī)在應(yīng)用范圍方面有所減小，對于車型劃分更加明確。

2）京Ⅵ法規(guī)相對現(xiàn)行法規(guī)增加 WHSC和WNTE循環(huán)，測試循環(huán)與歐Ⅵ法規(guī)相同。

3）京Ⅵ法規(guī)排放限值相對我國現(xiàn)行法規(guī)更加嚴(yán)格，各限值要求均大幅加嚴(yán)，相比歐Ⅵ法規(guī)，WHTC中除NH3限值低于歐洲標(biāo)準(zhǔn)外，其余限值相同；WHSC限值與歐洲標(biāo)準(zhǔn)相同；WNTE循環(huán)比歐洲標(biāo)準(zhǔn)增加了點(diǎn)燃式燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的限值要求，同時(shí)加嚴(yán)了NOx限值。

[1]《重型車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)排放污染物排放限值及測量方法（北京第Ⅵ階段）》征求意見稿[A].

[2]車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）：GB17691—2005 [S].

[3]車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)與汽車車載診斷（OBD）系統(tǒng)技術(shù)要求：HJ437-2008 [S].

[4]趙國斌，蓋永田，耿帥，等. WHSC/WHTC與ESC/ETC測試循環(huán)的試驗(yàn)比較與研究[J]. 汽車工程學(xué)報(bào)，2015，5（1）：29-34.

[5]車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)與汽車排氣污染物限值及測量方法（臺架工況法）：DB11/963-2013[S].

U467.4+99

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2016.05.009

1002-4581（2016）05-0031-04

2016-03-29