IND4汽车人

新的一年到来，汽车行业面临新的政策。其中，国5燃油限制标准与下一阶段的排放技术标准（中国第六阶段）成为汽车行业集体关注的重点话题。下面本人从一名标定工程师的角度来谈谈自己的看法。

先来说说国4油变为国5油，从各个成分的分析来看，对排放影响最大的就是硫含量从国4的55ppm降低到10ppm。如图1所示，我们知道三元催化器的工作原理是将发动机排出的尾气HC，NOx，CO通过氧化还原反应变为无害的H2O，CO2，N2，O2。

图1  三元催化器工作原理示意图

在这个过程中，主要是依靠钯、铱、铂等贵金属在高温下来催化还原。但是硫的强腐蚀性很容易让三元催化器的贵金属失效，让未经过处理的尾气排出，这也就是催化器“中毒”现象。这次油品提高大幅度减少了硫化物成分，对实际节能减排是非常有利的。

下面来重点说说这个国6A标准。中国的排放标准一直引用的欧洲的标准，比如之前的国4和国5用的NEDC循环。这次也不例外，还是引用的最新欧盟委员会制定的WLTP循环。制定的时候说经过实际考察，中国的国情非常符合欧洲的工况，因此沿用欧洲的标准。有没有可行度我不知道，不过世界上很多国家都引用了该标准，日本也在最新的排放标准中加入了WLTP循环，说明这个标准的确具有普遍的适应性。

NEDC循环如图2所示，分为前面3个市区工况循环，和一个市郊工况循环。前面三个市区的循环得到的油耗就是公信部的市区工况油耗，后面一个市郊高速工况就是公信部的市郊工况油耗，排放的话就是把一个循环的尾气进行抽样，稀释，分析仪分析，得到一个每千米排放多少克HC,NOX,CO,PM的值，与国家标准进行对比，看是否满足法规要求。

图2 现阶段国5用NEDC循环

从这个循环来看，车辆开始加速，定常，减速，怠速，再加速，定常，减速，怠速。很像10年前满大街没有车只有红绿灯的市区情况， 严重与现在1、 2线城市拥堵车多人多拥堵的事实不符。这也是为啥大家觉得厂家公布的油耗虚假的由来。排放也是如此，在NEDC循环下，由于不存在什么急加减速、长时间怠速等过渡工况，循环所测得的排放与真实的排放差别是很大的。NEDC下，排放的标定是非常好做的，行内一句话，“得冷启动者得天下”，这个意思就是让三元催化器温度迅速达到400度以上的话，后面基本不需要什么标定技术，只依靠O2传感器的反馈让实际空燃比维持在理论空燃比左右就能够通过三元催化器净化99%的尾气，如图3所示。

图3 三元催化器最佳工作温度示意图

但是国6A的WLTP循环就完全不同了，如图4所示，他具有各种过渡工况，速度随时间在不断变化的，这就相当的符合真实驾驶情况了（毕竟不是谁都是黄金右脚能够踩出恒速循环的NEDC的），对标定来说提高了很多要求，所以很多实力欠缺的厂商看到这个后都想放弃率先使用国6标准地区的市场。可以肯定的是，如果整车在WLTC循环下如果能通过的话，这个车的真实排放就不会太差，确实能够响应节能减排的号召。

图4 WLTP循环

另外后面会出更加严格的国6B，虽然国6A可能会引入RDE（实际驾驶排放测试），但是在国6B中会对其进行定量化，这个就厉害了，相当于以前考试都是给你划重点，标定工程师不断复习优化让车通过考试。但是RDE就是一张没有被划过重点的考卷，完全靠车的硬实力，这个标准如果能通过的话，一定会对减排做出非常大的贡献。

当然，换句话说，中国的国6A排放标准既是世界最严，又可能是世界最松的。严表现在理论要求严，虽然测试排放物的规制和其他国家一样，但是油品即使升级到了国5也是比国外的油差不少的，尤其是油的硫化物，蒸发性还不够好，对冷启动和耐久后的排放是很不利的，这对主机厂的标定提出非常严苛的要求。松表现的实际测试时还不够标准化，虽然HC，NOX，PM规制值是统一的，但是具体测法还存在很多值得商榷的地方。比如什么样的R/L（Road load），三元催化器是代替耐久跑出来的还是实车耐久跑出来的，具体测试的时候环境温度的偏差，设备布置存在的偏差等等，这些人为的因素很大程度下会左右一辆车的验证排放油耗性能。这些因素不控制好的话，可能会给各大厂家钻空子。图5为油耗排放测试用轮毂实验室。

图5 轮毂实验室

排放标准从国5变为国6，难不难，肯定是难的，但是能不能做到，我认为也肯定是能做到的。作为汽车厂商来说，目前的主流技术节能减排技术和已经很成熟了。在增加一定成本下，并不需要突破性技术是能够实现国6A标准的。下面简单的介绍下目前的主流手段。

 

1、降低三元催化器暖机时间

前面说到，三元催化器温度到400°C以上会让净化效率大幅提高，因此如何尽可能在减少冷间排放的前提下提高三元催化器温度是一个课题。目前主流技术是通过启动后的点火迟角，和提高发动机转速，在保持发动机怠速稳定下增加后燃量，从而加快三元催化器的热机时间，比如奥迪某些车型启动后转速到1200rpm，点火时刻在20ATDC，在几秒的时间内就能让三元催化器前段温度提高到400°C以上。

2、扩大EGR工作区间

在常用工况下，进一步减少发动机排出尾气也能够实现节能减排，因此扩大EGR比例也是一个课题，EGR工作原理见图6，主要是利用部分废气参与燃烧，优化燃烧过程（具体EGR对燃烧的影响这里省略）。当然EGR并不是能够随便扩大的，比如丰田最新实现燃烧效率41%的量产机上，就是通过改变VVT，改变硬件结构增加滚流速度，改变喷雾角和点火时刻等等手段让EGR从一般的15%扩大到30%左右，从而提高热效率，并且由于燃烧充分进一步降低了排放。

图6 EGR工作原理

3、混合喷射的利用

为了实现节能减排，各大厂家也越来越多的使用混合喷射系统，充分发挥直喷和进气歧管喷射的优势，见图7。比如在低温冷启动的情况下，缸内和进气歧管的壁面温度较低，直喷系统因为更高的燃油压力，且在缸内直接喷射，壁面燃油附着量较少，油气混合的均匀性更好，在冷间排放的HC会降低，又由于缸内温度不高，NOx也不容易形成。在高温低负荷下，进气歧管喷射由于其混合时间长，燃油雾化性好，能够充分燃烧，因此对油耗更有利。

全负荷下，直喷系统又可以通过低温的燃油对燃烧室降温，从而提高进气量以获得更高的性能，实现节能减排与提高性能的两立性。

图7 某发动机混合喷射系统

 

4、三元催化器的再设计

三元催化器作为直接减排的要素之一，也是一个很好的课题。新材料的应用，降低材料的比热容，提高接触面积，优化尾气的流场，提高贵金属量等等手段都可以提高尾气净化性能。图8为典型的催化器内部结构。

图8 典型的催化器内部结构

5、GPF（汽油颗粒物捕集器）的运用

为了应对欧6标准，致雪铁龙和奔驰宣布使用GPF来对应严苛的PM排放规制，大众丰田等一系列厂商也在跟进使用GPF。GPF这一技术并不算新鲜事。在柴油发动机上早已大规模使用，但在汽油机上使用尚未普及。这个机构的原理说简单写就是通过GPF的滤网将PM暂时吸附住，后期通过高温工况来燃烧或者是定期更换来实现PM的减排。图9为GPF的工作原理。

图9  GPF的工作原理

这个系统有很多好处，比如发动机在冷启动和急加速过程中将不必再为了颗粒物排放做出过多性能和油耗上的牺牲，也不用那么担心喷油嘴积碳导致的颗粒物排放。但是这对标定提出了很多挑战，比如在后处理系统中加入捕捉器会提高发动机排气压力，会导致残余气体的增加和爆震问题的恶化。并且随着时间的增加，GPF中对气流产生的阻力会一直处于变化中，对发动机性能和KCS（爆震控制）带来很多难点。

6、O2传感器的精确化和逻辑的优化

一般来说汽油机发动机后处理有两个O2传感器，前面一个主要是对发动机的空燃比进行实时修正，后面一个主要对三元催化器的工作状态空燃比进行微调，如图10所示。

图10 O2传感器的布置

在这块可以有非常多的文章来做，三元催化器也是要在理论空燃比下才能实现最好的净化性能的，如果空燃比空气过多，那么NO2就会排出，剩余燃料过多就会HC排出，再各个速度温度下，三元催化器的最佳空燃比也会发生变化。为了让三元催化器永远保持在最佳的工作环境下，是要通过强大的标定技术和非常聪明的控制逻辑来实现的。前文提到国6A的WLTP循环为什么难以标定，就是在不断的过渡工况下，燃油，空气量在时刻的变化，O2传感器如何能够实时正确地进行补正是一个难点。

总结，新的燃油标准和排放标准的出台是一定会逼着厂家降低排放水平的，也是一定能够起到节能减排的作用的，各大厂家通过上述提到的技术，或者其他很多常用手段，比如稀薄燃烧，提高压缩比，博世的燃烧室喷水系统，降低排气背压，电动VVT，电动水泵，电动机油泵，48V弱混动系统等等策略，都是可以实现节能减排。这里的难点就是如何在实现节能减排的技术上有效降低成本，获取利润。真心期待新的标准的出台让尾气更少，油耗更低，实现中国的节能减排大战略。