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国六排放法规及技术路径

纳克
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摘要:随着全球对环境的日益关注,内燃机排气污染物的控制被广泛的探索研究,国六排放法规推出后,严格的标准引起了行业的广泛关注,不但在降排指标上的标准十分严苛,还增加了在用车排放一致性检测(PEMS),排放保质期要求,以及与国家油耗排放三阶段标准同步等条件。

随着全球对环境的日益关注,内燃机排气污染物的控制被广泛的探索研究,国六排放法规推出后,严格的标准引起了行业的广泛关注,不但在降排指标上的标准十分严苛,还增加了在用车排放一致性检测(PEMS),排放保质期要求,以及与国家油耗排放三阶段标准同步等条件。本期推文中,我们将针对乘用车浅析国六排放法规及技术路径。

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国五国六排放要求的差异

从 2016 年 12 月起国家环境保护、国家质检总局两部联合发布针对《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》(以下简称“国六”)。从 2020 年 7 月 1 日起,针对全国所有销售和注册登记的轻型汽车都应符合“第六阶段 a”的排放标准要求,从 2023 年 7 月 1 日起针对全国所有销售和注册登记的轻型汽车都应符合“第六阶段 b”的排放标准要求。如表 1 所示。

表1 排放限值

国六相对于国五不仅仅在测试循环和排放污染物限值做了变更,而且修订了车载诊断系统相关技术要求、生产一致性检查相关要求、试验用燃料技术要求、混合动力电动车试验要求等。

01
I型实验测试循环及排放限值

I型试验是指常温下冷起动后排气污染物排放试验,I 型试验测试循环从NEDC(New European Driving Cycle,新欧洲行驶工况)变为WLTC(Worldwide harmonized Light-duty Test Cycle 世界轻型汽车测试循环)。WLTC 是发动机瞬态排放测试循环,其在发动机转速、功率和怠速比例等循环特征参数方面与北京城市公交道路工况特征参数更接近,图 1 为WLTC与NEDC试验循环对比图。

图1 WLTC与NEDC试验循环对比图

不仅测试循环发生了变化,且加严了污染物排放限值。相对于国五,国六 a 的 CO 限值加严 56%,国六 b 相对于国六 a 的CO、THC、NMHC 以及 NOX限值分别下降了 26%、50%、50%、42%。国六新增加了N2O的限值要求,并要求对CO2的排放结果进行申报。尾气颗粒物方面,国五仅对汽油直喷发动机有 PM 的要求,国六范围扩大到所有的点燃式汽车,国六b的PM限值又比国六a下降33%。新增PN限值要求。具体数据可参见表1。

02
增加了II型试验

II型试验是指实际行驶污染物排放试验RDE,所有汽车均应进行实际行驶污染物排放试验,市区行程和总行程污染物排放均不得超过I型试验排放限值与符合性因子的乘积。国六a阶段只进行检测并报告结果,国六b阶段提出强制性限制要求。

03
加严VI型试验项目和限值

VI型试验是指低温下冷起动后排气中CO、THC和NOX排放试验,-7℃环境下,按 WLTC 的低速段和中速段循环进行试验,监控 CO、THC、NOX。增加了 NOX的排放限值要求,CO和THC的限值分别降低1/3,且每次试验测得的排气污染物排放量均不应超过限值。

2

降低排放污染物的技术路线

01
降低 CO 排放的技术

相比国五限值要求,国六 a 阶段 CO 排放降低 30%,国六 b 阶段降低 50%,因此,为了满足国六阶段的 CO 排放限值要求,发动机开发要求尽可能减少混合气加浓,并且尽可能优化燃油雾化,改善油气混合均匀度。而混合气加浓主要发生在发动机高速大负荷工况下,此时的发动机热负荷大,排气温度较高(高达 1100℃),会超过三效催化器中载体和催化剂涂层的承受范围,通过加浓混合气降低排气温度保护催化器。而燃油雾化不良,主要发生在发动机冷启动时的暖机过程。降低排气温度,避免加浓混合气的技术选择有:采用排气歧管集成冷却水套;采用低压冷却 EGR,抑制爆震;喷水技术,抑制爆震;采用混合动力系统,避免内燃机工作在高速大负荷区。改善燃油雾化的技术选择有:优化进气系统,对于增压发动机可以改进进气系统增大滚流比;增大气门重叠角,利用内部 EGR 加热混合气改善冷机阶段的燃油雾化条件;降低喷油油雾液滴直径(如采用多孔喷油器,提高冷机阶段的喷油压力)等。

02
降低 HC 排放的技术

国六 a 阶段 THC 和 NMHC 排放限值保持与国五阶段一致,到国六 b 阶段,限值下降约 50%。考虑到排放测试循环从以稳态工况为主的 NEDC 循环改变成完全瞬态工况的WLTC 循环,减排难度更大。降低 HC 排放的主要技术措施有:优化标定,合理匹配多次喷射,优化气门重叠角;优化燃油雾化,改善混合气形成,例如提高冷机状态下喷油压力,优化喷射导向减少气阀、缸壁及活塞顶湿壁,采用多孔喷油器,改善燃油雾化,也可以采用双喷油器;机外排放控制技术主要是采用催化器快速起燃,采用紧耦式催化器或增加催化器载体目数(减小壁厚)便于催化器快速升温,从而实现快速起燃。

03
降低 NOx 排放的技术

国六 a 阶段限值保持与国五一致,在国六b 阶段NOx 限值收紧了 42%。参考了美国温室气体排放标准和限值,国六阶段引入了N2O 限值要求,而欧六 b 对此无限值要求。N2O 是温室气体,其温室效应潜势是 CO₂的 298 倍,也是我国《大气污染防治法》规定要求管控的温室气体。降低 NOx 排放的技术主要有:采用废气再循环技术 EGR,将废气冷却后引入进气系统中,能有效降低燃烧最高温度,抑制或者减少 NOx 的生成;对富氧稀燃发动机,可以采用 NOx 吸附还原催化剂进行后处理。

04
降低颗粒物(PM/PN)排放物的技术

国五阶段仅对缸内直喷汽油机 PM 排放有限值要求,而对 PN 无限值要求;到国六阶段,对气道喷射和缸内直喷汽油机都提出了 PM 和 PN 排放限值要求,并且国六 b 阶段限值从 4.5mg/km 收紧到 3mg/km,加严 33%。降低颗粒物(PM/PN)排放的技术主要有:(1)燃烧系统优化改进,优化进气道、燃烧室、喷油器及火花塞结构和布置,从而实现合理组织进气气流,提高缸内混合气均匀度,提高喷油压力,优化喷雾贯穿距离、喷雾锥角、减小喷雾粒径,从而减小喷雾撞壁发生,特别是要减小活塞顶部和缸壁油膜形成;(2)标定及控制策略优化,可以多次喷射燃油,优化喷油时刻;(3)提升燃油油品,合理控制蒸汽压力,降低苯含量,禁止加入 MMT;(4)优化曲轴箱通风系统,提高油气回收效率,降低润滑油燃烧消耗;(5)快速暖机,如汽缸盖加热(缸盖和缸套双水道);(6)后处理技术,加装颗粒物捕集器(GPF)。

总结

国六排放法规从测试循环到污染物排放限值全面加严,新增加了对 N2O 和 PN 的限值,为了应对法规升级的挑战,汽车行业应做好从发动机的机内排放控制到机外排放净化技术的技术储备。
 

 
 
 
 
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