重型车用柴油机欧Ⅵ排放法规浅析

程建康 ，肖红军， 刘小舫， 张斌，　郑巍（国家汽车质量监督检验中心（襄阳），襄阳 441004）

重型车用柴油机欧Ⅵ排放法规浅析

程建康 ，肖红军， 刘小舫， 张斌，郑巍
（国家汽车质量监督检验中心（襄阳），襄阳 441004）

本文对重型车用柴油机欧Ⅵ排放法规R49.06污染物测试方法、OBD验证要求、耐久性试验方法、仪器设备要求等多个方面进行了介绍，并在某柴油机上通过试验分别对ESC循环和WHSC循环以及WHTC循环和ETC循环进行了对比。通过对比发现，WHSC循环大部分工况点位于中低转速中低负荷下，怠速工况与25%负荷工况占整个WHSC循环的67%；相比ETC循环，WHTC循环更偏重于低速、低负荷工况，造成循环前1200秒排气温度相对ETC循环较低，在WHTC循环前400秒排气温度未超过303℃。对于OBD系统，欧Ⅵ法规将故障分为A、B1、B2、C四类，增加了OBD实际监测频率（IUPR）要求。欧Ⅵ法规对于污染物控制装置耐久性提高了里程要求。

重型柴油机；欧六排放；OBD；耐久性；IUPR

随着机动车保有量的不断增加，机动车污染物排放已经成为造成大气污染的重要因素之一，其中重型柴油机由于排量大，氮氧化物和颗粒物排放高而受到特别关注。在欧Ⅲ至欧Ⅴ阶段重型柴油机污染物测试循环采用ESC和ETC循环测试方法，欧Ⅵ排放法规对重型车用柴油机污染物测试循环进行了更改，改为采用WHTC、WHSC循环测试方法，并且增加颗粒物数目（PM number）限值要求。另外R49.06对OBD系统要求、耐久性试验方法、仪器设备、试验条件等多个方面均有了新的规定，作者对其进行了解读和分析。

1　欧洲重型柴油机排放法规发展历程

欧洲从1992年开始提出重型柴油机污染物排放控制要求，在此基础上不断加严排放限值，并且在1999年开始推出ESC、ETC、ELR污染物测试方法，在2013年推出WHSC、WHTC污染物测试方法，同时增加了颗粒数的测试项目。对于重型柴油机而言，氮氧化物和颗粒物排放是排放控制的重中之重。

图1为重型柴油机欧洲Ⅲ至Ⅵ阶段部分污染物限值变化情况，从图1中可以看出，从欧Ⅴ到欧Ⅵ阶段，稳态循环的NOx限值由2g/（kWh）降低为0.4g/（kWh），降低了80%。瞬态循环的NOx限值由2 g/（kWh）降低为0.46g/（kWh），降低了77%。从欧洲Ⅲ至Ⅵ阶段，随着排放法规的不断发展，重型柴油机氮氧化物排放限值持续降低。

从欧Ⅴ到欧Ⅵ阶段，稳态循环的PM限值由0.02 g/（kWh）降低为0.01g/（kWh），降低了50%。瞬态 循 环 的 PM限 值 由 0.03g/（kWh）降 低 为0.01g/（kWh），降低了66.7%。从欧洲Ⅲ至Ⅵ阶段，随着法规的不断发展，重型柴油机颗粒物排放限值持续降低。此外，欧Ⅵ排放标准中增加了颗粒数（PM number）测试项目，规定WHSC循环测试颗粒数不超过8.0×1011个/（kWh），WHTC循环测试颗粒数不超过6.0×1011个/（kWh）。

综上所述，欧Ⅵ阶段不仅污染物测试循环更改为WHTC、WHSC循环，氮氧化物和颗粒物限值也大幅度降低，再加上新增的颗粒数限值要求，在Ⅳ、Ⅴ阶段大量应用的通过机内净化与选择性催化还原系统（SCR）组合使用来降低颗粒物与氮氧化物排放的方法已经无法实现欧Ⅵ阶段排放控制目标，而具有更高的喷射压力的燃油喷射系统、具有更大的增压比包括两级增压技术的进气增压系统，以及选择性催化还原系统（SCR）与柴油机颗粒捕集器（DPF）系统的结合运用将是实现欧Ⅵ阶段排放的重要技术路径。

2　重型车用柴油机欧Ⅵ法规要求

2.1排气污染物试验方法

重型车用柴油机欧Ⅲ阶段至欧Ⅴ阶段排气污染物试验包括ESC、ETC、ELR 试验循环，欧Ⅵ阶段采用WHTC 和 WHSC 试验循环［1］，并且增加了之前阶段没有规定的颗粒数的测试方法和限值要求。作者在某柴油机怠速800r/min，额定转速2400r/min）上通过试验分别对ESC循环和WHSC循环以及WHTC循环和ETC循环进行了对比，通过对比发现，WHSC和ESC试验循环的运行工况完全不同，图2为ESC、WHSC稳态工况点对比。

如图2 所示，WHSC循环13个稳态工况点中有12个工况点转速低于ESC循环B转速，图3为试验柴油机ESC循环和WHSC循环过程。由图3可以看出，ESC 循环运行时间为1680秒，ESC循环除第一个工况点为4分钟外，其余12个工况点均运行2分钟；由图3可以看出，WHSC循环运行工况时间为1895s，各个工况点运行时间差异较大，运行时间最长250秒，最短仅为50秒，并且怠速工况与25%负荷工况共运行1270秒，占整个WHSC循环的67%，因此，WHSC大部分工况点位于中低转速中低负荷下。另外，对于 ESC 循环，气态污染物测量值采用工况结束前30秒内的测量平均值，各工况的结果计算后再加权得到总气态污染物结果，颗粒物总取样质量为各工况结束前某加权时间段内的取样总和，即分段取样方式；对 WHSC 循环，气态污染物和颗粒物均为整个循环期间的连续取样，即连续取样方式，排放结果为瞬时测量值的积分或整个循环期间的气袋采样分析平均值，包含了过渡阶段和稳定阶段的污染物排放。

图3中对于为试验柴油机WHSC、ESC循环试验过程排气温度与平均温度进行了对比，ESC循环平均温度为358.2℃，WHSC循环平均温度为302.8℃，比ESC循环低55.4℃。

WHTC 循环引入了冷起动循环，完整的WHTC 循环过程包括冷起动WHTC 循环（通过自然冷却或强制冷却达到冷启动条件）、热浸和热起动WHTC 循环组成，最终结果由冷、热WHTC循环排放结果加权得到。单个冷起动或热起动WHTC循环与ETC测试循环时间相同，但工况完全不同，图4中对于某柴油机WHTC与ETC转速、负荷进行了对比。根据统计，WHTC测试循环怠速工况时间占比为17%，而ETC循环只有6%。结合图4可以看出，WHTC测试循环明显提高了低转速工况所占用的时间比例，尤其是提高了怠速工况占用时间的比例。

由于在循环运行前1200秒，WHTC循环中发动机运行转速和负荷较ETC循环偏低，排气温度明显低于ETC循环排气温度，尤其在前400秒，排气温度未超过303℃，因此WHTC循环要求发动机排气后处理系统具有更好的低温性能。WHTC循环在1350秒至1800秒，由于发动机负荷的提高，WHTC循环的排气温度高于ETC循环。

将WHTC和ETC循环按照600秒均分为三段，图5为试验柴油机WHTC和ETC在三段时间内的平均转速和平均扭矩的对比图，如图所示，WHTC测试循环的平均转速均低于ETC测试循环的平均转速，差值超过200r/min，其中在第二段工况WHTC与ETC循环平均转速差值超过400r/min。WHTC测试循环在第一段和第二段工况平均扭矩低于ETC测试循环平均扭矩，在第三段工况阶段高于ETC测试循环平均扭矩。试验结果显示，试验柴油机ETC循环的实际循环功为24.2kWh，WHTC循环的实际循环功仅为14.1kWh，比ETC循环低41.7%。因此，相比ETC循环，WHTC循环更偏重于低速、低负荷工况。

R49.06法规不仅将污染物测试循环更改为WHSC循环和WHTC循环，并且增加了循环外排放控制WNTE测试要求，WNTE试验工况区域更加宽广，并且试验时随机选择符合法规要求的三个区域，三个区域的测试顺序是随机的，每个区域内的各个工况点也是随机选取，各个工况点试验时采用随机的试验顺序。这样，通过WNTE测试，保证了发动机在更加宽广的区域内污染物保持较低排放水平。

2.2OBD系统诊断及NOX控制要求

欧Ⅵ法规增加了OBD系统诊断 OTL限值要求，并且根据故障对于车辆排放影响的程度将故障分为A、B1、B2、C共四类故障，定义了每类故障的触发策略和冻结帧存储的优先顺序。欧Ⅵ法规不仅要求按故障分类来分别进行 OBD 性能验证，也定义了全新的报警方式、监测器组等要求，并且对不同的监测器组提出了OBD在用性能即实际监测频率要求，对OBD监控系统某特定监控器m的实际监测频率（IUPRm）计算如下：

OBD实际监测频率（IUPR）不小于0.1，它有分子、分母两部分组成，分子是满足OBD某特定监控器m监测条件时OBD系统执行监测的次数，分母是车辆驾驶事件的次数，分子和分母均通过计数器进行计数，分子分母的比值也就是OBD实际监测频率（IUPR），它表示了某一特定监测在汽车运行时的诊断频率。通过OBD实际监测频率（IUPR）最低限值的要求来保证车辆在实际使用过程中OBD系统能够有效的进行故障监测。制造企业应按欧Ⅵ法规要求对车载诊断系统（OBD）进行软硬件升级才能满足相关要求。

欧Ⅵ法规继续保持了NOX控制的正确措施的监控要求，但欧Ⅵ法规NOX监控要求专门的报警系统和引导系统。此外，欧Ⅵ法规主要针对反应剂控制进行监测，并且报警触发方式也不再仅以排放超限值来定义，而是针对不同监控项采用不同的触发方式，其次，严重情况时的车辆限制方式增加了车速限制，并且车辆限制触发基准也更改为报警后的发动机运行时间。NOX控制措施验证项目增加了反应剂加热保护、反应剂消耗异常、监控系统干扰等项目，尤其是对于具有加热功能的反应剂罐和喷射系统，要求进行尿素解冻验证。OBD 试验循环也由ESC 循环（每工况时间减少为60s）更换为WHTC 热起动循环，更加贴近车辆实际使用工况［3］。

由于欧Ⅵ阶段发动机后处理系统的不同，法规对需要进行监控的电子电气设备系统进行了规定，包括但不限于压力传感器、温度传感器、氮氧化物传感器、爆震传感器、排气中燃油或反应剂喷射器、排气中燃烧器或加热单元、火花塞、进气加热装置等。对于DPF系统，要求通过载体打孔或磨损载体末端等方法制作劣化部件进行验证，并规定劣化的DPF系统压力降不应超过无劣化的DPF系统压力降的60%。对于采用连续再生方式的DPF系统，需要验证PM超出限值时的报警情况；对于采用周期再生方式的DPF系统，需要进行再生条件验证和再生时间周期验证。对于进气增压系统，规定具有监测增压压力和维持增压压力命令值的能力，在增压压力过高或过低时能够提示故障信息。

2.3排放耐久性要求

欧Ⅵ法规加严了排放系统寿命和允许最短试验里程要求，图6为R49.06法规与我国HJ438-2008法规对于N类车辆及其发动机排放系统有效寿命和允许最短试验里程的对比。以N类车辆为例，由图6可以看出，欧Ⅵ法规对于所有N类别车辆排放系统有效寿命和允许最短试验里程均有提高。例如基准总质量超过16吨的N3类车辆，允许最短耐久试验里程为233000公里。在排气污染物测量间隔里程和测量方法上，欧Ⅵ法规ECE-R49 06 则规定至少应在耐久试验的开始点、中间点和结束点进行排放测试，开始点和结束点进行的排放测试应包括WHTC 热起动循环和WHSC 循环，对于耐久试验期间的其他排放测试点，制造企业要求并经型式核准机构同意，排放测试可只进行一种试验循环（WHTC 热起动循环或 WHSC 循环）。

2.4试验要求

在试验条件方面，欧Ⅵ法规增加了对排气后处理装置再生的核准处理要求。对装有连续再生后处理系统的发动机，欧Ⅵ法规要求进行至少三个WHTC热起动试验来展示再生过程［1］，在WHTC热启动试验中和制造厂声明的一般再生条件下（烟尘负荷、温度、排气背压等）再生应至少发生一次。如制造商声明的条件在试验期间发生，并且三次（或更多） WHTC热起动试验结果的离散不超过±25%或 0.005 g/kWh（以较大者为准），则认为后处理系统属于连续再生类型，则 WHTC 和WHSC 排放试验结果不需要进行调整；对装有周期性再生排气后处理系统的发动机，则应通过至少三个WHTC 热起动试验测量排放量来获得再生调节因子，对 WHTC 和 WHSC 排放试验结果进行调整。在数据处理方面，欧Ⅵ法规增加了滤纸重量的浮力校正要求，也更改了NOx湿度校正等计算公式；在回归分析上，欧Ⅵ法规引用了GTR 4的删除点要求，回归限值要求也与之前阶段法规不同。对于稀释比，基于发动机最大排气流量，最小总稀释比应在 5：1 到 7：1 范围内，并且初级稀释的稀释比至少为 2：1；所有滤纸称重期间，颗粒采样滤纸预处理和称重所用的称重室的温度应保持在 295±1K（22±1℃）。其湿度应保持在露点温度 282.5±1K（9.5±1℃），比之前法规要求更加严格。

3　小结

欧Ⅵ污染物测试循环更换为WHTC 和 WHSC循环，WHSC循环大部分工况点位于中低转速中低负荷下，怠速工况与25%负荷工况共运行1270秒，占整个WHSC循环的67%。WHTC测试循环明显提高了低转速工况所占用的时间比例，尤其提高了怠速工况占用时间的比例。另外增加了WNTE测试要求以及WHTC 和 WHSC 循环颗粒数的测试方法和限值要求。

OBD系统定义了全新的报警方式、监测器组等，更改了OTL限值，并且针对在用性能提出了实际监测频率（IUPR）要求。对于确保NOX控制措施要求专门的报警系统和引导系统，此外OBD循环更换为WHTC 热起动循环。

耐久性要求中加严了寿命和最短里程要求，污染物排放测试循环更换为WHTC热起动循环或WHSC循环。

欧Ⅵ法规增加了滤纸重量的浮力校正要求，对于颗粒采样滤纸预处理和称重所用的称重室的温度、湿度控制范围比之前法规要求更加严格，对于试验循环的回归和删除点要求，与之前法规也有所不同。

［1］ECE Regulation NO. 49 Revision 06 .4 March 2013.

［2］王建昕，帅石金.汽车发动机原理.北京：清华大学出版社，2011.

［3］Cha-Lee Myung, AhyunKo, JuwonKim, KwanheeChoi, SangilKwon, SimsooPark, Spcific engine performance and gaseous emissions characteristics of European test cycle and worldwide harmonized driving cycle for a heavy-duty diesel engine, Journa lof Mechanical Science and Technology 27（12）（2013）3893-3902.

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逯海：

“重型车用柴油机欧Ⅵ排放法规浅析”是帮助有商用车排放知识人们快速了解欧Ⅵ排放法规变化与欧IV、V和国内采用商用车排放标准的差别何处，文章短少精干图文并茂。目前，国内即将实施国六的排放标准，该文章可以作为一般了解浅读，也可以对部分问题深入细致研究，例如，DPF系统载体磨损后的劣化问题、劣化的DPF系统压力降有什么特点、不同再生方式如何验证PM的限值和报警问题等，解决这类问题需要通过大量试验数据及试验验证。该文章是帮助从事商用车了解排放标准的敲门砖，虽然技术水平一般，但是通过了解欧VI标准提出许多需要在今后我们实施国六实际

Analysis of diesel emission regulations of Europe Ⅵ for heavy-duty vehicles

CHENG Jian-kang, XIAO Hong-jun, LIU Xiao-fang, ZHANG Bin, ZHENG Wei
（ National Automobile Quality Supervision and Inspection Center （Xiangyang）,Xiangyang 441004, China ）

This paper introducts the diesel engine emissions regulations ofEurope Ⅵ（R49.06） for heavy-duty vehicle, including pollutant testing methods, OBD verification requirements, durability testing methods, equipment requirementsandetc. The paper compared the ESC and WHSC, ETC and WHTC by diesel engine testing. By comparison, most of the operating points of WHSC is located in the low speed and low load areas .The time of points at idle condition and 25% load conditions accounted for 67% of the whole WHSC cycle time；

Compared to the ETC, WHTC focus more on low-speed, low load conditions, resulting that the exhaust gas temperature of WHTC is lower thanETC in the first 1,200 seconds of the cycle.Theexhaust temperature of the engine doesn't exceed 303 ℃in the first 400 seconds of WHTC cycle. For OBD system, the malfunction are classified to four categories （A, B1, B2, C） in the EU legislation, and OBD monitoring frequency （IUPR） requirements added. Europe Ⅵ regulations increases the mileage requirements for durability of pollution control device.

heavy-duty diesel； Euro VI emission； OBD； durability ；IUPR

TK427

A

1005-2550（2016）03-0086-06