節能減排大戰略——談如何實現汽車4階段油耗和國6排放

新的一年到來，汽車行業面臨新的政策。其中，國5燃油限制標準與下一階段的排放技術標準（中國第六階段）成為汽車行業集體關注的重點話題。下面本人從一名標定工程師的角度來談談自己的看法。

先來說說國4油變為國5油，從各個成分的分析來看，對排放影響最大的就是硫含量從國4的55ppm降低到10ppm。如圖1所示，我們知道三元催化器的工作原理是將發動機排出的尾氣HC，NOx，CO通過氧化還原反應變為無害的H2O，CO2，N2，O2。

圖1 三元催化器工作原理示意圖

在這個過程中，主要是依靠鈀、銥、鉑等貴金屬在高溫下來催化還原。但是硫的強腐蝕性很容易讓三元催化器的貴金屬失效，讓未經過處理的尾氣排出，這也就是催化器「中毒」現象。這次油品提高大幅度減少了硫化物成分，對實際節能減排是非常有利的。

下面來重點說說這個國6A標準。中國的排放標準一直引用的歐洲的標準，比如之前的國4和國5用的NEDC循環。這次也不例外，還是引用的最新歐盟委員會制定的WLTP循環。制定的時候說經過實際考察，中國的國情非常符合歐洲的工況，因此沿用歐洲的標準。有沒有可行度我不知道，不過世界上很多國家都引用了該標準，日本也在最新的排放標準中加入了WLTP循環，說明這個標準的確具有普遍的適應性。

NEDC循環如圖2所示，分為前面3個市區工況循環，和一個市郊工況循環。前面三個市區的循環得到的油耗就是公信部的市區工況油耗，後面一個市郊高速工況就是公信部的市郊工況油耗，排放的話就是把一個循環的尾氣進行抽樣，稀釋，分析儀分析，得到一個每千米排放多少克HC,NOX,CO,PM的值，與國家標準進行對比，看是否滿足法規要求。

圖2 現階段國5用NEDC循環

從這個循環來看，車輛開始加速，定常，減速，怠速，再加速，定常，減速，怠速。很像10年前滿大街沒有車只有紅綠燈的市區情況， 嚴重與現在1、 2線城市擁堵車多人多擁堵的事實不符。這也是為啥大家覺得廠家公布的油耗虛假的由來。排放也是如此，在NEDC循環下，由於不存在什麼急加減速、長時間怠速等過渡工況，循環所測得的排放與真實的排放差別是很大的。NEDC下，排放的標定是非常好做的，行內一句話，「得冷啟動者得天下」，這個意思就是讓三元催化器溫度迅速達到400度以上的話，後面基本不需要什麼標定技術，只依靠O2感測器的反饋讓實際空燃比維持在理論空燃比左右就能夠通過三元催化器凈化99%的尾氣，如圖3所示。

圖3 三元催化器最佳工作溫度示意圖

但是國6A的WLTP循環就完全不同了，如圖4所示，他具有各種過渡工況，速度隨時間在不斷變化的，這就相當的符合真實駕駛情況了（畢竟不是誰都是黃金右腳能夠踩出恆速循環的NEDC的），對標定來說提高了很多要求，所以很多實力欠缺的廠商看到這個後都想放棄率先使用國6標準地區的市場。可以肯定的是，如果整車在WLTC循環下如果能通過的話，這個車的真實排放就不會太差，確實能夠響應節能減排的號召。

圖4 WLTP循環

另外後面會出更加嚴格的國6B，雖然國6A可能會引入RDE（實際駕駛排放測試），但是在國6B中會對其進行定量化，這個就厲害了，相當於以前考試都是給你劃重點，標定工程師不斷複習優化讓車通過考試。但是RDE就是一張沒有被划過重點的考卷，完全靠車的硬實力，這個標準如果能通過的話，一定會對減排做出非常大的貢獻。

當然，換句話說，中國的國6A排放標準既是世界最嚴，又可能是世界最松的。嚴表現在理論要求嚴，雖然測試排放物的規制和其他國家一樣，但是油品即使升級到了國5也是比國外的油差不少的，尤其是油的硫化物，蒸發性還不夠好，對冷啟動和耐久後的排放是很不利的，這對主機廠的標定提出非常嚴苛的要求。松表現的實際測試時還不夠標準化，雖然HC，NOX，PM規制值是統一的，但是具體測法還存在很多值得商榷的地方。比如什麼樣的R/L（Road load），三元催化器是代替耐久跑出來的還是實車耐久跑出來的，具體測試的時候環境溫度的偏差，設備布置存在的偏差等等，這些人為的因素很大程度下會左右一輛車的驗證排放油耗性能。這些因素不控制好的話，可能會給各大廠家鑽空子。圖5為油耗排放測試用輪轂實驗室。

圖5 輪轂實驗室

排放標準從國5變為國6，難不難，肯定是難的，但是能不能做到，我認為也肯定是能做到的。作為汽車廠商來說，目前的主流技術節能減排技術和已經很成熟了。在增加一定成本下，並不需要突破性技術是能夠實現國6A標準的。下面簡單的介紹下目前的主流手段。

1、降低三元催化器暖機時間

前面說到，三元催化器溫度到400°C以上會讓凈化效率大幅提高，因此如何儘可能在減少冷間排放的前提下提高三元催化器溫度是一個課題。目前主流技術是通過啟動後的點火遲角，和提高發動機轉速，在保持發動機怠速穩定下增加後燃量，從而加快三元催化器的熱機時間，比如奧迪某些車型啟動後轉速到1200rpm，點火時刻在20ATDC，在幾秒的時間內就能讓三元催化器前段溫度提高到400°C以上。

2、擴大EGR工作區間

在常用工況下，進一步減少發動機排出尾氣也能夠實現節能減排，因此擴大EGR比例也是一個課題，EGR工作原理見圖6，主要是利用部分廢氣參與燃燒，優化燃燒過程（具體EGR對燃燒的影響這裡省略）。當然EGR並不是能夠隨便擴大的，比如豐田最新實現燃燒效率41%的量產機上，就是通過改變VVT，改變硬體結構增加滾流速度，改變噴霧角和點火時刻等等手段讓EGR從一般的15%擴大到30%左右，從而提高熱效率，並且由於燃燒充分進一步降低了排放。

圖6 EGR工作原理

3、混合噴射的利用

為了實現節能減排，各大廠家也越來越多的使用混合噴射系統，充分發揮直噴和進氣歧管噴射的優勢，見圖7。比如在低溫冷啟動的情況下，缸內和進氣歧管的壁面溫度較低，直噴系統因為更高的燃油壓力，且在缸內直接噴射，壁面燃油附著量較少，油氣混合的均勻性更好，在冷間排放的HC會降低，又由於缸內溫度不高，NOx也不容易形成。在高溫低負荷下，進氣歧管噴射由於其混合時間長，燃油霧化性好，能夠充分燃燒，因此對油耗更有利。

全負荷下，直噴系統又可以通過低溫的燃油對燃燒室降溫，從而提高進氣量以獲得更高的性能，實現節能減排與提高性能的兩立性。

圖7 某發動機混合噴射系統

4、三元催化器的再設計

三元催化器作為直接減排的要素之一，也是一個很好的課題。新材料的應用，降低材料的比熱容，提高接觸面積，優化尾氣的流場，提高貴金屬量等等手段都可以提高尾氣凈化性能。圖8為典型的催化器內部結構。

圖8 典型的催化器內部結構

5、GPF（汽油顆粒物捕集器）的運用

為了應對歐6標準，致雪鐵龍和賓士宣布使用GPF來對應嚴苛的PM排放規制，大眾豐田等一系列廠商也在跟進使用GPF。GPF這一技術並不算新鮮事。在柴油發動機上早已大規模使用，但在汽油機上使用尚未普及。這個機構的原理說簡單寫就是通過GPF的濾網將PM暫時吸附住，後期通過高溫工況來燃燒或者是定期更換來實現PM的減排。圖9為GPF的工作原理。

圖9 GPF的工作原理

這個系統有很多好處，比如發動機在冷啟動和急加速過程中將不必再為了顆粒物排放做出過多性能和油耗上的犧牲，也不用那麼擔心噴油嘴積碳導致的顆粒物排放。但是這對標定提出了很多挑戰，比如在後處理系統中加入捕捉器會提高發動機排氣壓力，會導致殘餘氣體的增加和爆震問題的惡化。並且隨著時間的增加，GPF中對氣流產生的阻力會一直處於變化中，對發動機性能和KCS（爆震控制）帶來很多難點。

6、O2感測器的精確化和邏輯的優化

一般來說汽油機發動機後處理有兩個O2感測器，前面一個主要是對發動機的空燃比進行實時修正，後面一個主要對三元催化器的工作狀態空燃比進行微調，如圖10所示。

圖10 O2感測器的布置

在這塊可以有非常多的文章來做，三元催化器也是要在理論空燃比下才能實現最好的凈化性能的，如果空燃比空氣過多，那麼NO2就會排出，剩餘燃料過多就會HC排出，再各個速度溫度下，三元催化器的最佳空燃比也會發生變化。為了讓三元催化器永遠保持在最佳的工作環境下，是要通過強大的標定技術和非常聰明的控制邏輯來實現的。前文提到國6A的WLTP循環為什麼難以標定，就是在不斷的過渡工況下，燃油，空氣量在時刻的變化，O2感測器如何能夠實時正確地進行補正是一個難點。

總結，新的燃油標準和排放標準的出台是一定會逼著廠家降低排放水平的，也是一定能夠起到節能減排的作用的，各大廠家通過上述提到的技術，或者其他很多常用手段，比如稀薄燃燒，提高壓縮比，博世的燃燒室噴水系統，降低排氣背壓，電動VVT，電動水泵，電動機油泵，48V弱混動系統等等策略，都是可以實現節能減排。這裡的難點就是如何在實現節能減排的技術上有效降低成本，獲取利潤。真心期待新的標準的出台讓尾氣更少，油耗更低，實現中國的節能減排大戰略。

作者：天馬行空