汽油机国六后处理系统评价方法

姜文彬 肖凌翔 王雪 郭琦 周楠 张旭 曲吉磊

在为某款国六车型选定后处理方案的过程中，针对多次重复排放试验和不同排放物数据，进行了科学的数据处理。通过对不同后处理方案进行评价计分，以量化的方式评价出最优的后处理方案，并通过其他数据处理方法进行比较，从而论证了原数据处理方法的科学有效性。

国六排放法规;后处理系统;排放数据;评价方法

0 前言

2016年12月23日，中华人民共和国环境保护部、中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局发布了《轻型汽车污染物排放限值际测量方法（中国第六阶段）》[1]，该方法已于2020年7月1日起正式实施。2018年，国内多地（北京、深圳、上海、天津等14个省市和地区）在2019年7月1日提前实施了国六阶段轻型汽车排放法规。2020年4月29日，中华人民共和国国家发展和改革委员会等11个部门联合发布了《关于稳定和扩大汽车消费若干措施的通知》。该通知指出于2020年7月1日前生产及进口的国五排放标准轻型汽车允许其于2021年1月1日前在目前尚未实施国六排放标准的地区进行销售和注册登记。至2020年7月，我国已全面进入“国六”时代，国六排放标准较国五标准更为严苛[2]，国六b阶段（2023年7月实施）排放限值较国六a阶段排放加严30%，同时国六排放标准首次引入了颗粒物数量（PN）和质量限值[3]。试验测试循环转变为更接近实际行驶状况的全球轻型汽车测试循环（WLTC）。国六b阶段法规中首次提出实际道路试验排放（RDE）试验，并将随国六b阶段周期进行考核。

国六排放标准的实施对整车和发动机设计提出了新要求，特别是对整个后处理系统升级变动量较大，研发人员应相应考虑增加颗粒物捕集器等设备。

在国六排放阶段，后处理排放系统所监控的排放物有CO、总烃（THC）、非甲烷总烃（NMHC）、氮氧化物（NOx）、N2O、颗粒物（PM）、PN共7种。除了要了解各类污染物排放量的高低，多次试验验证还需要考虑一致性等问题。由于数据量较大，涉及因素和所开展的工作也相应较多。

在国六阶段排放试验初期，基于试验数据而对各种后处理系统方案进行准确评价，从而得出简单准确的方案量化结果，进而选出最优方案，是国六阶段各车型面临的全新问题。

1 试验开展

1.1 试验背景和方案统计

现有某车厂生产的N1类轻型货车搭载了某公司生产的1.6 L自然进气汽油机。研发人员对该车型进行排放标定试验，由于后处理系统总成方案尚未最终确定，需要在主要标定数据基本确定的情况下，比较各方案优劣。

参与试验的车型共有4辆，分别将其设定为A1、A2、A3、A4。后处理方案则由甲、乙、丙、丁 4个不同厂家进行提供。其中，甲厂家提供了4种后处理系统方案，乙厂家提供了2种后处理方案，丙厂家提供了4种后处理方案，丁厂家提供了3种后处理方案。

1.2 试验前准备工作

1.2.1 试验设备介绍

整车排放试验台主要包括转毂系统及排放系统，均采用了AVL公司的产品（图1）。

其中，转毂系统适用于N1类（总质量≤3 500 kg）轻型汽车，在（5～40 ℃内）环境下可进行国四、国五、国六、欧5、欧6及其他相关排放的法规试验。该转毂包括两驱常温底盘测功机，常态下的最大吸收功率为153 kW，超载10 s时的最大吸收功率为258 kW，最大试验车速为200 km/h。同系统中风机的最大风速为160 km/h，最大风量为104 000 m 3/h。

排放系统主要包括定容取样系统（CVS）、排放分析系统（AMA）、颗粒物取样控制系统（PSS）、颗粒物计数系统（APC489）、司机辅助系统、称重室及天秤，相应测量精度均可达到国六及欧6相应法规的测量精度要求。

1.2.2 车辆与试验设备对接

为方便与试验设备连接，在试验车辆排气尾管处焊接了快接法兰，从而便于与定容取样系统连接（图2），垫片采用金属垫片，整个转接系统均采用金属连接，从而防止高温气体与气体通道发生反应。

1.2.3 整车Ⅰ型排放试验流程

在国六排放标准的要求下，整车I型排放试验流程如下：

（1）核查样车状态，包括车号、发动机号、催化器系统状态等相关信息如表1与表2所示;

（2）结合相关信息进行手动档车辆换档点的计算;

（3）将相应车辆测试质量等基础信息输入至转毂信息表中，并对试验车辆进行滑行试验参数调整，直到连续2次试验偏差在±10 N以内;

（4）按照WLTC测试循环对车辆进行预处理测试;

（5）经过预处理后的车辆，应在23±3 ℃的条件下进行6～36 h的浸车试验，且将车辆均匀冷却至设定的温度（机油和冷却液温度应在23±2 ℃范围内）;

（6）在不起动发动机的情况下，将试验车辆固定至转毂测功机上。

2 试验结果处理

2.1 试验结果确认及简化处理

在试验过程中，出现以下情况则视为无效，须将其

从最终数据整理和评价过程中去除：

（1）试验不满足国环试验标准要求;

（2）试车边界条件未能满足（如温度、湿度及换档过程等信息）;

（3）试验过程中发生误操作导致熄火;

（4）试验过程中车速超过规定速度公差要求时间单次超过1 s，或总次数超过10次;

由AVL数据处理设备自动生成CO、NOx、THC、PN等相關气态排放物及颗粒物信息的结果信息与秒采信息，PM颗粒物质量需要利用称重室和天秤测量后，手动记录到汇总结论中。

根据《GB 18352.6—2016轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第6阶段）》的具体要求（表1、表2），由于不同排放物的限值不同，为了更直观地显示各排放物的当前水平，此处将各排放物在与“劣化修正值”（如表3、表4）相加后，将各排放物的限值所占的百分数作为实际排放结果。

2.2 加权系数确定及评价

如上所述，该试验过程共有13种方案，相同方案还要考虑到催化器载体的一致性及其与整车的适应性（共有A1、A2、A3、A4 4类不同车辆）。因此，在该13种方案中，对每个方案进行6～20余次不等的试验，每次试验后得到简化数据结果（表5），同时涉及参数也较多，13种方案的考评以及数据处理量较大。传统的折线图或数据对比方式，均无法直观得出不同方案之间的对比结论，因此须将较多的排放数据结果进行简化处理且保留相关权重较高的信息。

通过对加权系数进行数据简化，即可达到简化数据及量化方案评分的目的，但如何通过合理设定加权系数来保留最重要的信息，是基于此方法而主要探讨的问题。

设定车辆数据，并对加权信息进行确认，4辆车辆中的A1车是立项早期的“骡车”，整车状态较老，零部件状态非最终状态，A2、A3、A4车状态一致，均为小批量试装车。考虑到在A1车辆上进行的排放试验仍可在一定程度上反映排放方案优劣，因而将A1、A2、A3、A4车辆权重比制定为1：3：3：3。

在各排放物中，本次试验车辆的N2O在历次试验中均处在较低水平，不到限值的4%，因此后续处理不在考虑中。PM值同样在历次试验中达标率较高，与PN值也有较高相关性。由于PM检测相对复杂，部分试验过程未作计量处理，因此加权系数制定主要围绕THC、CO、NOx、NMHC、PN这5组数据而开展。

表6为本次试验数据处理所采用的主要排放物权重表，采用两两比较得出分数并以叠加修正分的方式来制定各排放物的权重。在不同方案及不同试验中，PN的稳定性最差，且方差较大，为关注度最高的项目; CO在此车型中的变化表现比其他气态排放物更大，距离限值也更接近，被选定为关注度次高的项目。依次类推，根据数据中各排放物的实际表现，采用比较法，制定各排放物权重值。权重值依车型和配置的不同可进行调整。

将所有数据按照不同方案而进行整理归类，只保留修正判定结果的占比，然后根据所有方案分别对单车同种排放物进行平均值及方差的求解（表7）。

根据文中设定的权重，计算甲Ⅰ方案最终排放物得分及方差。

依据此法得到各方案中排放物的平均值得分及方差如表8所示。

表8中排放物平均值越低，说明排放物水平距限值越远，排放水平越好;排放物方差越大，说明排放结果一致性越差，越不稳定。在基于乙I、丁II、丁III方案的台架试验过程中，发现GPF压差较大，容易对后续耐久试验及一致性产生不良影响，不建议作为最优方案。

2.3 试验结果确认及验证

为验证权重值的合理性，现将部分方案作为平均值方差处理，不考虑权重系数，得出相应最终值对比，如表9所示。

对比参照组评分方法与实际方案相比，存在以下区别：

（1）各方案趋近（对照组为61.28%～66.74%，原测评方案为63.60%～75.11%）;（2）测试试验次数越多的方案，方差也相应越大;

（3）对比方案对于PN、CO等排放物的水平反馈不明显;

（4）A1车测试次数多的方案，在对比验证组中平均值明显增加;

（5）评价方案与评价者主观评价更加吻合，对比方案与主观评价相差较大。

由此可知，得出的结果保留了各方案中最重要的项目，并实现了计算目标。

3 結论

本文从实际应用角度，研究了针对当前国六各排气系统方案的评价方法，主要从试验设备、试验前准备、试验过程管控和试验结果处理等几个方向进行归纳和总结。其中，对试验结果处理进行了详细描述，在本轮13个方案近200次排放试验数据处理过程中，试验效果较好，结合成本和市场开发情况得出了排气系统方案的最优解。

本文所描述的加权系数确定方案可根据不同车型、不同使用背景进行适度调整，并可推广到更多实际应用案例中。

[1]GB 18352.6—2016，轻型汽车污染物排放限值际测量方法（中国第六阶段）[S].北京：中华人民共和国生态环境部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2016.

[2]丁莉，邹雄辉，戴春蓓，等.轻型车国六与国五排放标准比对分析[J].小型内燃机与车辆技术，2019，48（03）：54-59.

[3]于向，崔铁，修德江.基于绿色性能指标选用建筑材料[J].矿业工程，2017，15（03）：62-64.