國六將至—“史上最嚴”法規(guī)剖析與解讀
習總書記在浙江湖州考察時曾說過“綠水青山就是金山銀山”。然而隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，汽車的產(chǎn)銷量急劇增長，我國的空氣質(zhì)量急需進一步改善。因此，國家環(huán)保局出臺了史上最嚴的國六排放法規(guī)，以應對愈加惡化的環(huán)境問題。
國六排放法規(guī)背景
機動車污染成為重要污染來源，按照“大氣十條”部署，生態(tài)環(huán)境部加大了機動車污染防治力度。隨著機動車保有量的快速增長，機動車排放節(jié)能減排將成為重點防治方向。
截至2017年底，全國機動車保有量已達到3.1億輛，其中汽車2.17億輛；未來汽車保有量仍將以每年2000多萬輛的速度增加。高速增長帶來的機動車污染物排放量居高不下，四項污染物排放量達到4000多萬噸，已成為大氣污染的重要來源。細顆粒物源解析表明，北京、上海、廣州、深圳等特大型城市的移動源排放已成為細顆粒物的首要來源，占比分別為45%、29.2%、21.7%和52.1%。
為了解決高速發(fā)展帶來的環(huán)境問題，國務院出臺了“史上最嚴”的國六排放法規(guī)，其在協(xié)調(diào)全球技術法規(guī)的基礎上，延續(xù)了歐盟排放標準，融合了美國排放標準后形成了一個全新的技術標準。但從實施節(jié)點上來看，國六a將于2020年7月1日開始實施，國六b將于2023年7月1日開始實施，中國在實施排放標準的進程相比其他發(fā)達國家要滯后。
近期國務院發(fā)布了《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》，對機動車污染防治進行了系統(tǒng)部署。貨物運輸方式結構調(diào)整、汽車污染治理、國六排放提前實施及燃油品質(zhì)提升將成為主要應對舉措。
目前，國內(nèi)機動車污染防治難點主要有4點：
1.交通運輸結構不合理
目前交通運輸還是以柴油車為主，柴油車為主的公路運輸占據(jù)了76.8%的份額，造成了大量機動車污染。
2.機動車超標排放問題突出
a. 在用車輛超標排放現(xiàn)象較普遍，年檢一次上線合格率不足80％
b. 存在不添加尿素、屏蔽后處理裝置、排放檢驗機構弄虛作假等問題
3.油品質(zhì)量問題突出
通過對京津冀及周邊地區(qū)民營加油站檢查發(fā)現(xiàn)3個問題：
a.柴油質(zhì)量超標率達到了50%
b.柴油合格率小于10%
c.黑加油站點數(shù)量較多
4.環(huán)境監(jiān)管執(zhí)法能力及水平較低
全國專職監(jiān)管人員不足3000人，面對3.1億輛機動車、1億多臺各類機械，平均每人監(jiān)管14萬臺機動車和機械，遠遠不能滿足環(huán)境監(jiān)管需要。
國務院針對以上問題，通過《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》，制定了4條對應的解決方案：
1.優(yōu)化調(diào)整貨物運輸結構
a.加快提升鐵路貨運能力，大幅提高鐵路貨運比例。全國來看，鐵路貨運量計劃2020年較2017年提升30%；京津冀及周邊地區(qū)來看，計劃2020年較2017年提升40%
b.全國重點港口集裝箱鐵水聯(lián)運量年均增長10%以上
2.打好柴油貨車污染治理攻堅戰(zhàn)
制定柴油貨車污染治理攻堅戰(zhàn)行動方案：
①清潔柴油車
②清潔柴油機
③清潔運輸
④清潔油品
⑤推進國三營運柴油貨車提前淘汰更新
3.強化機動車監(jiān)督管理
a.提前實施機動車國六排放標準
b.嚴厲打擊排放檢驗機構弄虛作假行為
c.大力推廣使用新能源汽車
4.推進燃油品質(zhì)升級
a.2019年1月1日起，全國全面供應符合國六標準的車用汽柴油，停止銷售低于國六標準的汽柴油
b.取消普通柴油標準，實現(xiàn)車用柴油、普通柴油、部分船舶用油“三油并軌”
c.厲打擊生產(chǎn)、銷售、儲存、使用不合格油品和車用尿素行為，堅決取締黑加油站點
藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃重點區(qū)域
在《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》的背景下，國家明確自2019年1月1日起在全國全面供應符合國六標準的車用汽柴/油，2019年7月1日起，重點區(qū)域、珠三角地區(qū)、成渝地區(qū)提前實施國六排放標準。
藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃時間表
國家將重點整治商用車：在全國范圍，占機動車保有量7.8%的柴油貨車，排放了57.3%的氮氧化物和77.8%的PM，故國三及以下排放標準營運柴油貨車的淘汰更新將成為未來2年工作重點。
國六排放法規(guī)部分區(qū)域提前實施：國家重點關注如何控制污染以及提升油品質(zhì)量，重點區(qū)域、珠三角地區(qū)、成渝地區(qū)將提前實施國六排放標準及供應符合國六標準的車用汽柴油。
提前實施國六標準省市
國六排放法規(guī)概要
國六排放法規(guī)與歐六的區(qū)別：
1.對I型試驗的測試程序進行了修改，采用全球技術法規(guī)輕型車測試程序(WLTP)；
2.II型試驗改為RDE試驗，并對IV型試驗進行了修改；
3.VI型試驗增加對柴油車以及NOx的控制要求；
4.增加了對加油過程污染物排放試驗要求并加嚴了各項污染物排放限值；
5.增加了炭罐有效容積和初始工作能力的試驗要求；
6.增加了催化轉(zhuǎn)化器載體體積、貴金屬總含量及貴金屬比例的試驗要求；
7.修訂生產(chǎn)一致性檢查的判定方法，新增催化轉(zhuǎn)化器、炭罐的生產(chǎn)一致性檢查要求；
8.在用符合性增加了蒸發(fā)排放和加油過程污染物排放的檢查要求；
9.增加了對型式檢驗樣車的確認檢查；
10.修改了OBD以及試驗用基準燃料的技術要
國六排放法規(guī)與國五的區(qū)別：
1.測試循環(huán)不同：全面考核冷啟動、加減速及高速負荷狀態(tài)下排放。
2.新增實際行駛排放（RDE）：首次將排放測試轉(zhuǎn)移至實際道路，避免排放作弊。RDE的引入是為了控制車輛的實際駕駛排放，它將汽車尾氣檢測從實驗室擴展到實際駕駛路面，實際道路排放測試過程考慮到了包括駕駛工況、交通狀況、駕駛風格、環(huán)境溫度和海拔等影響實際駕駛排放結果的因素，能更真實的反映汽車在實際使用過程中的排放水平。
3.測試程序要求不同：為了避免實驗室測試數(shù)據(jù)與實際使用不一致。
4.增加排放保質(zhì)期：車輛3年或6萬公里內(nèi)因故障排放超標，車企承擔費用。
5.限值要求更加嚴格：加嚴40%-50%，且對柴油車限值要求相同。
6.加嚴政法排放控制：要求車輛安裝ORVR油氣在線回收裝置。
7.提升車輛排放實時監(jiān)控：引入美國車載診斷系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)排放故障。
8.提高低溫試驗要求：CO碳氮化合物限值加嚴1/3，新增碳氮化合物控制。
9.新增測量要求：增加了汽油排放顆粒物測量要求。
10.曲軸箱污染物排放試驗新增要求：
a. 增加柴油車曲軸箱的控制要求；
b. 不允許曲軸箱通風系統(tǒng)有任何污染物排入大氣；
c. 對沒有采用曲軸箱強制通風系統(tǒng)的汽車，I型試驗過程中，應將曲軸箱氣體引入CVS，計入排氣污染物總量。
11.換擋策略：國六排放測試時的換檔時間和檔位是不固定，換檔點是基于為克服行駛阻力和加速度所需要的功率與所有可能檔位下發(fā)動機能提供的功率兩者之間取得平衡來確定。而國五（NEDC）的換檔時間和檔位是固定不變的，無論是A0級微型車，還是D級豪華車，也無論發(fā)動機功率扭矩是大是小，轉(zhuǎn)速是高是低，都只能在同一條跑道上起跑，并在規(guī)定車速下在同一時刻換檔。
國五換擋策略的弊端有：
a. 只要所測試的車輛在法規(guī)規(guī)定的固定車速下，該發(fā)動機在指定負荷區(qū)間內(nèi)的尾氣排放能夠達標，即能夠通過國五
b. 通過車輛變速箱速比與國五規(guī)定車速的匹配，控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速落在最低油耗轉(zhuǎn)速的區(qū)間內(nèi)，即能達到一個“理想”的工信部油耗值
c. 即便是自動擋的變速箱，也會參考國五法規(guī)車速進行策略調(diào)教；而不在測試范圍內(nèi)的高轉(zhuǎn)速、大負荷等工況的尾氣排放和油耗水平則無法在國五中得以體現(xiàn)
12.新增測試適用范圍：增加了混合動力電動汽車的試驗要求?；旌蟿恿ζ囋谠\斷OBD的過程增加8個監(jiān)測要求。
國六排放法規(guī)應對方案
降低CO
產(chǎn)生CO的根本原因是混合氣過濃，因此為了滿足國六的CO排放要求，電噴系統(tǒng)必須盡可能的減少混合氣加濃，比如高速大負荷區(qū)的加濃保護，瞬態(tài)加濃，起動及暖機過程的加濃。
某1.4T進氣道噴射發(fā)動機（原機滿足國五排放）的CO排放曲線（WLTC循環(huán)），正高速大負荷區(qū)，由于排氣溫度過高為了保護催化器，往往會通過加濃混合氣來降低排氣溫度，這種加濃操作導致CO排放顯著增加。
高速大負荷區(qū)域混合氣加濃解決措施：
排氣歧管集成冷卻水套→降低排氣溫度?
低壓冷卻EGR→抑制爆震，降低排氣溫度
噴水技術→抑制爆震，降低排氣溫度
48V系統(tǒng)→避免內(nèi)燃機工作在高速大負荷區(qū)
燃油與空氣更好混合解決措施：
優(yōu)化進氣系統(tǒng)，對于增壓發(fā)動機可以改進進氣系統(tǒng)增大滾流比
增大氣門重疊角，利用內(nèi)部EGR加熱混合氣改善冷機階段的燃油霧化條件
降低噴油器的SMD：提高冷機階段的系統(tǒng)壓力，采用多孔噴油器
優(yōu)化噴射導向
降低HC
碳氫排放較高的原因通常是催化器起燃時間太長以及部分燃油未參與燃燒所導致的，通常碳氫排放主要來自于冷機階段。
降低碳氫排放的措施
優(yōu)化催化器
①提高貴金屬含量
②優(yōu)化催化器的布置位置，采用緊耦合催化器
③增加催化器目數(shù)（比如600目或750目）
④對于渦輪增壓發(fā)動機，采用電子廢氣門或負壓控制廢氣門
優(yōu)化燃油系統(tǒng)，改善燃油霧化
對于PFI 發(fā)動機
①提高系統(tǒng)油壓，改善燃油霧化
②優(yōu)化噴射導向
③采用多孔噴油器
④采用雙噴油器
對于GDI發(fā)動機
①提高最大系統(tǒng)油壓
②優(yōu)化噴射導向
優(yōu)化空氣系統(tǒng)
①對于增壓發(fā)動機，增大發(fā)動機滾流比，并合理選擇增壓器
②采用雙VVT，在冷機狀態(tài)下采用較大的氣門重疊角獲得更大的內(nèi)部EGR率，有效加熱混合氣，改善燃油霧化
優(yōu)化匹配
①對于GDI發(fā)動機，合理匹配多次噴射，最大程度做好推遲點火角與怠速穩(wěn)定性的平衡，以加速催化器起燃
②對于GDI發(fā)動機，提高冷機階段的系統(tǒng)油壓，改善燃油霧化
③優(yōu)化氣門重疊角
降低PN排放措施
PFI發(fā)動機PN排放的來源主要有以下三個方面:
1.進氣氣閥內(nèi)表面及其閥座和燃燒室頂部油膜。PFI發(fā)動機中，通常燃油被噴油器噴入進氣道，在進氣道內(nèi)同進氣充量進行混合。當出現(xiàn)一些不利因素如噴油量較大，溫度較低時，燃油和空氣混合不充分，容易在進氣閥附近的進氣道壁面形成較多的液態(tài)油膜堆積。當進氣閥打開時，部分液態(tài)燃油隨進氣氣流進入氣缸內(nèi)，分布在進氣氣閥內(nèi)表面、進氣氣閥閥座以及燃燒室頂部區(qū)域，當燃燒發(fā)生時，這些區(qū)域的液態(tài)燃油油膜不完全燃燒，是形成PN的主要來源之一。
2.排氣側氣缸缸壁油膜。在某些工況下開閥噴射，燃油噴霧和空氣氣流混合不充分，部分液態(tài)燃油顆粒被進氣氣流帶到排氣側的氣缸缸壁積聚，形成液態(tài)油膜，后續(xù)不完全燃燒，形成顆粒排放物。
3.排氣側氣缸缸壁油膜。在某些工況下開閥噴射，燃油噴霧和空氣氣流混合不充分，部分液態(tài)燃油顆粒被進氣氣流帶到排氣側的氣缸缸壁積聚，形成液態(tài)油膜，后續(xù)不完全燃燒，形成顆粒排放物。
PFI發(fā)動機降低PN排放的措施
1.噴油器霧化設計優(yōu)化
當PFI發(fā)動機中燃油被噴入發(fā)動機進氣道時，同進氣道中的空氣充分混合，隨后混合氣被吸入氣缸中參與后續(xù)的燃燒過程。中小負荷下，較少的噴油量被噴入進氣道，在進氣道內(nèi)有足夠的時間進行蒸發(fā)，能夠和空氣充分混合，進氣過程中較易形成混合充分均勻的混合氣，在后續(xù)燃燒中充分燃燒，產(chǎn)生的PN排放水平較低。這是PFI發(fā)動機在中小負荷條件下PN排放通常優(yōu)于GDI發(fā)動機的主要原因。但當處于大負荷區(qū)域時，隨著噴油量的增加，燃油在進氣門附近形成越來越多的液態(tài)油膜，被帶入氣缸內(nèi)造成較高的PN排放。此時，如何優(yōu)化噴油器噴霧形狀，促進燃油噴霧和進氣道空氣充分混合，就變得十分重要。
2.噴油時刻的優(yōu)化
在大負荷工況下，還可以通過對噴油器噴油時刻的優(yōu)化降低PN排放。通常PFI發(fā)動機的噴油時刻被控制在進氣閥打開之前，燃油在進氣道被噴射并和空氣混合，即所謂的閉閥噴射（CVI）。在大負荷工況下，可以嘗試開閥噴射的噴射策略（OVI），即當進氣閥打開開始進氣過程時，燃油同時噴入氣缸內(nèi)。這樣，可以利用燃油噴霧和進氣氣流運動的配合達到混合氣良好混合的目的，以降低PN排放。
3.VVT控制的優(yōu)化
PFI發(fā)動機的PN排放很大一部分來自于起動和暖機過程，此過程中發(fā)動機進氣道壁面溫度較低，噴油器噴霧霧化條件較差，在冷的進氣閥附近壁面產(chǎn)生較多的液態(tài)油膜積聚，成為大量顆粒排放物的來源。此時，控制VVT產(chǎn)生較大的氣門重疊角，由于壓差的作用產(chǎn)生內(nèi)部EGR（廢氣再循環(huán)）效應，反流的EGR氣體會沖刷進氣閥上的液體油膜，使之蒸發(fā)和進氣充量再次混合，達到減少油膜促進混合氣混合的目的，最終降低PN排放。需要注意的是，加大氣門重疊角和內(nèi)部EGR，往往會造成燃燒的惡化，燃燒穩(wěn)定性降低。所以，采取此措施需要同時評估對燃燒穩(wěn)定性的影響，找到VVT控制的優(yōu)化點，有效降低PN排放，同時也保證對燃燒的負面影響較小。
4.提高系統(tǒng)噴油壓力
提高系統(tǒng)噴油壓力，可以降低起動和暖機時的PN排放。其機理是，提高系統(tǒng)噴油壓力，可以降低噴油噴霧油滴SMD，促進混合氣的均勻混合過程，從而改善起動和暖機過程中的PN排放。由于生產(chǎn)和測試條件的限制以及燃油系統(tǒng)耐壓能力的限制，系統(tǒng)壓力只能提高到一定限度，對排放的改善有限。另外，該措施對PN排放的改善程度因不同PFI發(fā)動機而異。
5.大進氣滾流比的進氣道設計
研究發(fā)現(xiàn)，PFI發(fā)動機采用大滾流比的進氣道設計，能夠強化進氣氣流運動，增強燃油和進氣充量的均勻充分混合，減少缸內(nèi)液態(tài)油膜的產(chǎn)生，從而降低PN排放。需要指出的是，對于自然吸氣的PFI發(fā)動機，進氣道采用大滾流比設計，可能降低全負荷工況下的進氣效率，影響到最大扭矩的發(fā)揮，需要對兩個影響因素進行綜合考慮。對于增壓PFI發(fā)動機，由于增壓系統(tǒng)的幫助，對最大扭矩往往影響較小。
6.排氣后處理技術GPF(汽油機顆粒捕捉器)
和GDI發(fā)動機類似，對于降低PN排放的后處理技術，PFI發(fā)動機也可以應用GPF技術。GPF可以有效捕捉發(fā)動機排氣中的顆粒物，從而降低PN排放。
GDI發(fā)動機降低PN排放的措施
GDI發(fā)動機PN排放的來源：GDI汽油機燃燒室內(nèi)顆粒物主要來源有兩類，一是噴油器端部的燃油濕壁，二是燃燒室壁面的燃油濕壁。這兩種燃油濕壁由于油膜不能完全蒸發(fā)，均在燃燒過程中產(chǎn)生過濃的擴散火焰燃燒，從而導致缸內(nèi)碳煙的生成?？梢酝ㄟ^優(yōu)化噴油器的噴孔幾何形狀及內(nèi)流場、優(yōu)化噴霧油束與燃燒室的匹配、以及提高噴油壓力等方法，降低發(fā)動機的PN排放。
國六排放法規(guī)成本費用增加分解
經(jīng)環(huán)保部測算：由國五升級到國六，輕型汽油車單車升級成本約需1200元，輕型柴油車單車升級成本約需500元，具體體現(xiàn)在：
增加前期研發(fā)及測試費用 | 1. 國六發(fā)達前期研發(fā)成本較高，許多機型需要全新開發(fā) 2. 滿足國六法規(guī)，需要2-3年標定 3. 增加測試項目，測試成本提高 |
增加機內(nèi)燃燒優(yōu)化費用 | 1. 提升燃油噴射壓力 2. 調(diào)整噴油規(guī)律，降低Nox 3. 多次噴射 4. 優(yōu)化匹配渦輪增壓器，降低HC原排 5. 優(yōu)化進排氣 6. 優(yōu)化燃燒室設計 |
增加機外凈化（后處理）的費用 | 1. 選擇性催化還原系統(tǒng)（SCR） 2. 柴油氧化催化器（DOC） 3. 柴油顆粒捕集器（DPF） 4. 氨捕捉器（ASC） |
增加排放質(zhì)保費用 | 1. 5年16萬公里的排放質(zhì)保需有廠家負責，排放系統(tǒng)部件損壞費用高 2. SCR、EGR、DPF噴油器機、共軌系統(tǒng)等排放不接失效導致較大更換費用 |
國六法規(guī)提前實施影響總結
①提前實施國六標準的省市基本涵蓋了國內(nèi)汽車消費的主要區(qū)域，這些區(qū)域最遲將在2019年7月提前實施國六，較國家規(guī)定（2020年7月1日）提前了一年；
②各汽車廠家需做好最遲2019年7月前國內(nèi)大部分城市提前實施國六的準備；
③為了避免二次開發(fā)，各汽車廠家可以考慮直接開發(fā)滿足國六b的發(fā)動機；
④能滿足國六的發(fā)動機排量基本都在1.4L以上，隨著小排量發(fā)動機的增多，各車企需重點考慮小排量發(fā)動機如何滿足國六標準；
⑤隨著雙積分、限購限行及國六標準提前實施，后續(xù)部分地區(qū)和城市劃定“零排放試驗區(qū)”成為可能，因此各汽車廠商需加快向新能源汽車轉(zhuǎn)型的步伐；
⑥對于二手車經(jīng)銷商，提前實施國六標準的地方政府，肯定會出臺更嚴格的政策，限制達不到標準的二手車遷入，并且國五車型保值率將會大打折扣；
⑦對于消費者，如果計劃購入新車，需開始考慮是否滿足國六標準或者可以考慮新能源汽車。
結語
經(jīng)濟需發(fā)展，環(huán)境要保護，目前國內(nèi)交通運輸結構不合理、機動車排放超標、油品質(zhì)量問題是導致環(huán)境問題的主要原因，為了留給子孫后代青山綠水，需要社會各界積極配合，國六排放法規(guī)的執(zhí)行任重而道遠！
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