淺析汽車尾氣排放控制技術

余迅+南海秋

摘要：隨著我國汽車的產銷量快速增長，隨之而來的是對環(huán)境的影響日趨嚴重，給城市和區(qū)域空氣質量帶來巨大壓力。在此背景下，國家對汽車尾氣排放的要求也越來越高，排放法規(guī)更新速度也越來越快。文章結合國六排放法規(guī)的內容進行解讀，結合國內市場車型現(xiàn)狀，提出滿足國六排放法規(guī)的一些思路，使車輛能更好地控制尾氣排放。

關鍵詞：國六；汽車尾氣；尾氣排放控制技術；排放要求；空氣質量；環(huán)境保護 文獻標識碼：A

中圖分類號：U464 文章編號：1009-2374（2017）06-0105-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.053

自1886年第一輛汽車發(fā)明以來，汽車已經經過130年的發(fā)展。隨著我國汽車的產銷量快速增長，目前中國汽車年銷量已位居于世界第一，隨之而來的是對環(huán)境的影響日趨嚴重，給城市和區(qū)域空氣質量帶來巨大壓力。在此背景下，國家對汽車排放的要求也越來越高，排放法規(guī)更新速度也越來越快?！遁p型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》法規(guī)已于2016年12月23日發(fā)布（以下簡稱《國六標準》）。

本文先對國五與國六排放標準做簡單介紹和對比，再對國六排放的一些具體內容進行解讀，最后對整車滿足國六排放標準提出一些建議措施。

1 汽車尾氣排放及控制措施綜述

汽車尾氣排出的氣體污染物主要有一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物等以及微粒污染物（或稱顆粒污染物），還可能含有少量的硫化物，在大城市的許多空氣質量監(jiān)測點已成為左右空氣污染指數(shù)的首要污染物。

排氣凈化系統(tǒng)構成包含催化凈化系統(tǒng)、曲軸箱通風系統(tǒng)、燃料蒸發(fā)控制系統(tǒng)、排氣再循環(huán)及二次空氣系統(tǒng)等。

2 國六排放法規(guī)內容簡介

2.1 國五、國六排放標準的實施情況

我國汽車行業(yè)的國五排放標準已于2013年9月17日發(fā)布，實施日期為2018年1月1日（以下簡稱《國五標準》）。而《國六標準》正式稿已于2016年底發(fā)布，實施日期為2020年7月1日。

2.2 國五、國六排放法規(guī)要求對比

與現(xiàn)行的GB 18352.5-2013中第五階段限值相比，《國六標準》中的排放限值分國六a和國六b兩個階段加嚴，其中國六a階段2020年7月1日正式實施，國六b暫定是2023年實施。內容上不僅對排氣污染物加嚴，燃油蒸發(fā)限值也由2g/test@day加嚴為0.7g/test@2 days High，另外增加N2O和加油過程排放污染物限值等。本文主要針對排氣系統(tǒng)排放限值及測試循環(huán)進行解讀。

對于排氣系統(tǒng)排放來說，變化點主要有以下幾項，其中最主要的就是測試循環(huán)的變更。《國五標準》I型試驗為NEDC循環(huán)，分為2部分，1部市區(qū)運轉循環(huán)（含3個循環(huán)單元），2部市郊運轉循環(huán)，共計1180秒，最高車速120km/h；而《國六標準》I型試驗采用WLTC循環(huán)，分低速、中速、高速、超高速四部分，合計共1800秒，最高車速約131km/h。其次是各項限值加嚴，國六a階段僅僅只有CO加嚴25%，國六b其他排放物基本上加嚴50%，同時反映車輛排放耐久的劣化系數(shù)值也有所加嚴。還有對自然吸氣的發(fā)動機增加顆粒物的要求；增加進行的實際行駛污染物排放試驗（RDE），在國六b階段正式實施等。

3 《國六標準》具體內容解讀

3.1 測試循環(huán)的變化

相較于之前國四、國五的NEDC測試循環(huán)，《國六標準》的WLTC循環(huán)工況覆蓋的轉速和負荷范圍更大，將增加油耗排放達標的難度。

雖然從理論上來講，兩種測試循環(huán)的排放結果應該是相當?shù)?，只是WLTC測試循環(huán)更符合真實路況，而且在國六a階段限值增加不多，但是由于國內長期以來標定工作的不細致，很多整車廠的電噴標定工作中的排放標定完全是為了通過標準要求而進行的，甚至更有專門應對法規(guī)的“特殊數(shù)據(jù)”。這種粗糙的標定數(shù)據(jù)導致現(xiàn)在國內市場上很多車為滿足《國六標準》就必須重新進行大量的標定工作，根據(jù)前期對國內市場上的一些車輛進行國六排放摸底，相同條件下，WLTC測試循環(huán)的排放結果是NEDC循環(huán)的1.5～10倍，而在歐洲歐盟委員會對歐洲本土車輛的抽查情況來看，很多車型兩種測試循環(huán)的結果基本相當，越是高級車越如此。

3.2 測功機阻力的確定

《國五標準》中測功機加載阻力按道路滑行法或查表法獲得，這對風阻較大的微車或SUV來說查表法是很有利的方式，但正是這種原因，導致的測試結果往往與車輛實際行駛中的排放相差甚大。而《國六標準》不再使用查表法，可以使用道路滑行法、計算法、風洞測試法等。增加了：（1）基于相關車輛性能計算道路載荷的公式；（2）額外的道路載荷確定方法，如扭矩計法、車載風速儀法、道路載荷矩陣車族和風洞法。測功機阻力確定更復雜，要求更多，但也更能反映車輛實際情況。此項改變多數(shù)情況下會增加車輛油耗排放負擔。

3.3 循環(huán)工況手動檔車型換檔點

《國五標準》中依靠NEDC循環(huán)，基于車速固定換檔點（手動檔車換檔點都一樣）。

而《國六標準》換檔點不固定，根據(jù)試驗車輛和發(fā)動機特性計算換檔點（各車型的換檔點不相同），手動檔汽車的換檔選擇及換檔點的計算方法，試驗過程變得非常復雜，如果能計算得到較優(yōu)的換檔特性，對排放會變得有利。

3.4 自然吸氣的發(fā)動機增加顆粒物的要求

《國六標準》中新增對自然吸氣的發(fā)動機增加顆粒物的要求，從理論上來講自然吸氣的發(fā)動機顆粒物應該很少，只有直噴發(fā)動機（GDI）才會因為燃燒不充分導致排放中顆粒物較多，但在實際摸底中發(fā)現(xiàn)，很多自然吸氣發(fā)動機的車輛，排放顆粒物含量也很高，有些甚至遠超出排放限值。這種情況往往是由于發(fā)動機的加工工藝落后或是零件的精度不足導致的，這類車輛就必須對發(fā)動機或后處理裝置進行優(yōu)化，減少排放顆粒物。

3.5 劣化系數(shù)值加嚴

《國五標準》中CO、THC（NMHC）、NOx的劣化系數(shù)分別為1.5、1.3、1.6；而《國六標準》中分別為1.8、1.5、1.8，整車要滿足更嚴格的劣化系數(shù)，那就需要更好的新鮮排放，即車型的原始排放值需要更低，這同樣需要升級發(fā)動機或排氣后處理裝置。

4 對整車滿足國六排放標準提出一些建議措施

從《國六標準》中的內容來看，結合現(xiàn)在國內的催化器供應商、電噴供應商的能力來說，目前國內市場上的車輛均有滿足國六排放法規(guī)要求的能力，但要進行技術優(yōu)化、升級。主要方法有優(yōu)化催化劑配方、增加貴金屬含量；進一步優(yōu)化電噴匹配，OBD的標定；另外，發(fā)動機需要升級，重新匹配、標定；耐久試驗的過程也需要重視。

4.1 動力系統(tǒng)需要升級，重新匹配、標定

從國內車型發(fā)動機現(xiàn)狀來看，國內大多自主品牌車輛的自然吸氣的發(fā)動機都很難直接滿足《國六標準》限值。因此按需求對發(fā)動機系統(tǒng)進行升級，比如升級直噴增加發(fā)動機、混合動力等，現(xiàn)在來看48V混合動力是目前的一種發(fā)展趨勢。

4.2 優(yōu)化催化劑配方、增加貴金屬含量

4.2.1 升級歐六催化劑技術。直接采用國五技術增加貴金屬升級國六，不能滿足WLTC限值要求。

通過調整貴金屬方案、涂層技術升級等手段，可以有效改善催化劑處理能力，尤其是變工況下處理NOx的能力，應對NOx，可提升Rh的含量（國四/3g/ft3、國五/4～5g/ft3、國六/≥5g/ft3）。目前據(jù)供應商摸底情況來看，國6a階段只需對催化劑優(yōu)化升級，貴金屬用量增加不多，但國6b階段貴金屬含量要比國五高出一倍左右。

4.2.2 改善催化器儲氧能力，提高變工況NOx/CO轉化率。WLTC循環(huán)變工況較多，過渡工況HC/NOx仍有改善空間。

4.2.3 催化器結構調整。為改善WLTC冷啟動排放，需要考慮歧管密耦合（比現(xiàn)階段緊耦合更靠近發(fā)動機）；緊耦合催化器長度應不小于90mm，建議前區(qū)涂覆長度≥35mm，提高前區(qū)貴金屬利用率。

4.2.4 載體選型。如600/2、750/2、900/2；綜合考慮背壓問題：載體體積排量比>1.0；高目數(shù)薄壁載體可使涂層面積顯著增加；降低熱容，快速升溫，利于低溫起燃；相同壁厚，目數(shù)越高，載體強度越高等。

4.2.5 GPF（汽油機顆粒捕集器）開發(fā)。在GDI發(fā)動機平臺上，開展GPF及匹配技術研究，同時應用在少量的自然吸氣發(fā)動機上。

4.3 優(yōu)化電噴匹配的標定

目前國內主要的幾家電噴供應商（大陸、聯(lián)電、德爾福）均不完全具備國六技術的開發(fā)能力，都還在進行國六技術的引進開發(fā)工作，后續(xù)可持續(xù)跟進供應商技術能力提升情況。而且由于《國六標準》對標定的工作量增加很多，而電噴供應商的資源是有限的，因此各車企特別是自主品牌需要盡早開展國六的開發(fā)工作。

4.4 耐久性試驗的注意事項

國六耐久性試驗高達16萬公里，但與國五要求必須實車進行耐久試驗相對比，《國六標準》耐久試驗可以選擇在道路上或臺架上進行，也可以選擇使用推薦劣化系數(shù)。使用劣化系數(shù)可極大縮短公告申報周期，但同時帶來的是車輛上市后一致性抽查的高風險。

建議新車或搭載新發(fā)動機上市前最好進行實車耐久，但由于實車耐久里程長，就必須在整個試驗過程中關注車輛狀況，比如說，前期由于發(fā)動機高壓線松脫發(fā)動機失火沒有及時修理，會導致催化器受損，后期排放可能會急劇變差，出現(xiàn)催化器堵塞甚至碎裂，導致耐久試驗無法繼續(xù)進行。在過去，筆者所負責開發(fā)的一些車型就因車況不好導致排放在最后兩萬公里時差點超標。因此必須要求駕駛員定期對車輛進行保養(yǎng)、檢查，并在行車過程中多注意車況，及時發(fā)現(xiàn)問題并進行維修。

5 結語

本文內容均為筆者與同事在日常工作中的一些總結和想法，由于篇幅有限，很多內容尚未深入展開。在《國六標準》的控制下，汽車尾氣排放需要達到非常高的要求車輛才允許上市，筆者通過對《國六標準》中排氣系統(tǒng)排放的內容進行了簡單的分析，并提出一些滿足國六法規(guī)的思路，希望能對國六車型的開發(fā)提供幫助。

參考文獻

[1] 李興虎.汽車環(huán)境保護技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[2] 輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）（GB 18352.6-2016）[S].

[3] 輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）（GB 18352.5-2013）[S].

作者簡介：余迅（1982-），男，江西都昌人，江西昌河汽車有限責任公司工程師，研究方向：汽車底盤、發(fā)動機相關系統(tǒng)的設計。

（責任編輯：蔣建華）