楊友文，胡云昊，張子慶，孟 銘

(上海汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804)

新油耗與排放法規(guī)下汽油發(fā)動機技術(shù)對燃油的要求

楊友文，胡云昊，張子慶，孟 銘

(上海汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804)

闡述了我國油耗與排放法規(guī)的發(fā)展、現(xiàn)狀與下一階段的實施計劃，從而探究在新油耗與排放法規(guī)下，汽油發(fā)動機技術(shù)、排放后處理技術(shù)的發(fā)展及新技術(shù)的應(yīng)用。通過多批次滿足國Ⅳ和國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)汽油燃油的檢測，分析了國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)實施后，汽油主要指標(biāo)餾程、芳烴含量和蒸氣壓等發(fā)生的變化，闡明這些指標(biāo)對汽油發(fā)動機和排放后處理新技術(shù)的影響，提出了汽油發(fā)動機技術(shù)對燃油的要求。結(jié)果表明，國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)實施后，汽油存在組分重、芳烴含量高、冬季蒸氣壓偏低等問題。在汽油發(fā)動機和排放后處理新技術(shù)應(yīng)用下，這些問題會影響發(fā)動機的正常運行，同時導(dǎo)致車輛油耗的升高和排放惡化。因此，改善車輛油耗與排放，要求嚴(yán)格控制燃油指標(biāo)，提升燃油品質(zhì)。

油耗 排放 汽油發(fā)動機 車用汽油

《2013年中國機動車污染防治年報》指出，2012年全國機動車排放污染物46.121 Mt，比2011年增加0.1%，汽車成為污染物排放的主要貢獻(xiàn)者，其排放的NOx和顆粒物質(zhì)量(PM)超過90%，烴類化合物(HC)和CO超過70%，其中，汽油車CO和HC排放量較高，超過排放總量的70%[1]。為應(yīng)對機動車數(shù)量不斷增長而造成的污染物排放、碳排放和油品資源等問題，我國已于2013

年7月1日全面實施國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)，將在2018年1月1日起實施國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)。而北京預(yù)計將率先在2016年9月1日起實施京Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)。同時，我國制定了第三階段(2015年)和第四階段(2020年)油耗目標(biāo)。其中，到2015年中國乘用車企業(yè)平均燃料消耗量(CAFC)應(yīng)低于6.9 L100 km，到2020年，CAFC應(yīng)低于5.0 L100 km。圖1所示為油耗及排放法規(guī)實施時間年表。

圖1 油耗及排放法規(guī)的實施時間

面對日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)和油耗目標(biāo)，同時兼顧整車動力性需求、可靠性要求和成本，汽油車發(fā)動機新技術(shù)不斷發(fā)展。本文旨在介紹汽油車排放和油耗標(biāo)準(zhǔn)的更新變化，汽油車發(fā)動機應(yīng)對這些變化的新技術(shù)和趨勢，以及發(fā)動機技術(shù)對燃油質(zhì)量的要求。

1 油耗及排放法規(guī)

1.1 中國油耗標(biāo)準(zhǔn)

《乘用車燃料消耗量評價方法及指標(biāo)》于2011年12月31日發(fā)布，與之配套的《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量核算辦法》于2012年7月1日開始實施。在該標(biāo)準(zhǔn)中引入了兩個新概念：“企業(yè)平均燃油消耗量(CAFC)”和“企業(yè)平均燃料消耗量目標(biāo)值”，CAFC是車企按不同車型生產(chǎn)、進口或銷售整車按數(shù)量加權(quán)平均的燃料消耗[2]。

圖2所示為中國乘用車企業(yè)CAFC目標(biāo)，到2015年底，中國乘用車CAFC應(yīng)達(dá)到6.9 L100 km，到2020年底，這個目標(biāo)將達(dá)到5.0 L100 km。換算成碳排放，到2020年，中國與發(fā)達(dá)國家的乘用車碳排放目標(biāo)已相差無幾(見圖3)。同時，新標(biāo)準(zhǔn)對無法達(dá)到目標(biāo)的整車企業(yè)將限制銷售。這對整車企業(yè)將是極大的挑戰(zhàn)。

圖2 中國乘用車企業(yè)CAFC目標(biāo)

圖3 中國與國外乘用車在新歐洲行駛工況(NEDC)下CAFC目標(biāo)對比■—美國-輕型車； ●—加利福尼亞-輕型車； ▲—加拿大-輕型車； 歐洲； ◆—日本； 中國； ★—韓國； 澳大利亞。 實心標(biāo)記實線：歷史數(shù)據(jù)； 實心標(biāo)記長虛線：已定目標(biāo)； 實心標(biāo)記短虛線：計劃目標(biāo)； 空心標(biāo)記短虛線：未聲明目標(biāo)

1.2 汽油車新排放法規(guī)

自2014年9月1日起，歐洲將切換新的Euro Ⅵ排放法規(guī)。目前，我國排放法規(guī)主要參照歐洲，現(xiàn)行的是2011年7月1日實施的國Ⅳ排放法規(guī)，而國Ⅴ排放法規(guī)已經(jīng)發(fā)布，將于2018年1月1日全面實施。而國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計實施時間為2019年。

表1列出了汽油乘用車(M類)常溫排放限值的升級變化。從第五階段開始，將非甲烷碳?xì)?NMHC)和PM引入到汽油車常溫排放限值中，NOx排放限值下降了25%。從第六階段開始，顆粒物粒子個數(shù)(PN)將會引入到汽油車常溫排放限值中。值得注意的是2014年9月1日起實施的Euro Ⅵ法規(guī)(簡稱Euro Ⅵb)對PN限值有所放寬，為6.0×1012個km，而6.0×1011個km的正式要求將在2017年9月1日(簡稱Euro Ⅵc)實施?？梢钥吹剑捎谄椭眹?GDI)技術(shù)的普及，歐盟意識到潛在的直噴汽油機顆粒物排放的增長，在第五階段到第六階段排放標(biāo)準(zhǔn)中逐漸引入了PM和PN兩項指標(biāo)。同時，為了PN科學(xué)、有效地實施，分別設(shè)定了兩個時間節(jié)點，逐步收緊PN的指標(biāo)要求。針對搭載直噴汽油發(fā)動機的車輛，乘用車企業(yè)必須升級排放控制技術(shù)，才能達(dá)到PM和PN的指標(biāo)要求。

表1 M類汽油車常溫排放限值的變化[3-4]

注： PM和PN限值僅針對直噴汽油發(fā)動機。

值得一提的是在排放法規(guī)向第五階段及第六階段升級的過程中，PM和PN的測試方法也同時更新。表1中所示的PM限值為新測試方法下的限值，使用更新前的測試方法，PM限值為0.005 gkm。

Ⅰ型試驗基準(zhǔn)燃油方面，第五階段開始，為保護排放后處理系統(tǒng)，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)限值下降到10 μgg。歐洲在Euro Ⅴ之前，使用E5汽油。排放升級到Euro Ⅵ，E5汽油的指標(biāo)沒有改變，但是在(EU)No 1362014指令中引入了新的E10汽油，并且規(guī)定從Euro Ⅵ實施16個月后，只可使用E10作為認(rèn)證試驗用油，Euro Ⅵ實施3年后，只可使用E10作為新車注冊認(rèn)證用油。詳細(xì)的Ⅰ型試驗基準(zhǔn)汽油的變化見表2。

表2 Ⅰ型試驗基準(zhǔn)汽油變化[3-5]

注： Euro Ⅵ實施16月后，只可使用E10作為認(rèn)證試驗用油；Euro Ⅵ實施3年后，只可使用E10作為新車注冊認(rèn)證用油；Euro Ⅵ E10基準(zhǔn)燃料指標(biāo)和實施情況摘自(EU) No 1362014指令。

2 汽油車排放后處理技術(shù)

Euro Ⅴ及以前的排放法規(guī)，主要對污染物及污染物排放量進行控制并更新升級。對于排放后處理技術(shù)，通過升級貴金屬配方、增加催化器目數(shù)等方案，實現(xiàn)減少污染物排放量的目的。而對于GDI發(fā)動機，由于Euro Ⅵ排放法規(guī)開始限制PN，一般的催化器后處理已經(jīng)無法滿足顆粒物排放的標(biāo)準(zhǔn)，因此，需要使用汽油機顆粒捕集器(GPF)來達(dá)到PN小于6.0×1011個km的要求[6]。

GPF是顆粒捕集器的一種，柴油機顆粒捕集器(DPF)已經(jīng)在柴油機上有十分廣泛的運用。由于排放顆粒性質(zhì)不同(汽油GDI發(fā)動機排放的顆粒物較小)、排氣背壓的要求不同(GPF影響汽油GDI發(fā)動機排氣背壓，從而影響發(fā)動機功率)、排氣溫度不同(汽油GDI發(fā)動機排氣溫度遠(yuǎn)比柴油發(fā)動機高)等原因，GPF在設(shè)計上相比于DPF將會有一定的差別。

圖4為典型的汽油車排放后處理技術(shù)(進氣道噴射(PFI)和GDI)隨排放標(biāo)準(zhǔn)升級而進行的演變。

圖4 汽油車排放后處理技術(shù)的演變

3 汽油發(fā)動機技術(shù)

發(fā)動機技術(shù)作為整車的核心技術(shù)，對車輛的性能、油耗和排放都起到至關(guān)重要的作用。為適應(yīng)新的油耗、排放法規(guī)要求，同時滿足用戶對整車駕駛性的需求和整機的成本優(yōu)勢，發(fā)動機技術(shù)正在被不斷改進。

改進發(fā)動機油耗方式主要有：優(yōu)化燃燒系統(tǒng)、降低泵氣損失、降低摩擦損失和應(yīng)用智能熱管理技術(shù)[7]。發(fā)動機動力性的需求包括低速大扭矩、優(yōu)秀的升功率、升扭矩等。改進動力性的方式有：先進增壓技術(shù)、燃燒系統(tǒng)優(yōu)化和進排氣系統(tǒng)優(yōu)化。

以SAIC CUBE-TEC SGE系列發(fā)動機為例(見圖5和表3)，介紹國Ⅴ發(fā)動機在改善排放、降低油耗和提升發(fā)動機性能上的技術(shù)。

圖5 SAIC CUBE-TEC SGE系列國Ⅴ發(fā)動機實例

發(fā)動機技術(shù)技術(shù)特點缸內(nèi)直噴降低了對氣流組織的要求，易于形成周向分層混合氣，顯著提高燃燒效率，降低油耗，降低CO、HC的排放集成式排氣歧管能減小質(zhì)量，同時降低成本；催化轉(zhuǎn)換器溫度提升更快，有利于減少排放雙可變氣門正時DVVT有助于提高低速扭矩，降低油耗，優(yōu)化 排放，改善怠速穩(wěn)定性廢氣渦輪增壓器通過對廢氣的進一步利用，提高了功率和扭矩，降低噪音和廢氣中的有害物質(zhì)高壓油泵高集成度、輕量化，從而降低油耗電子節(jié)溫器采用電控加熱裝置，優(yōu)化節(jié)溫器的工作范圍，在中低負(fù)荷時，有效提高發(fā)動機水溫，并減少活塞等機械摩擦損失和傳熱損失，優(yōu)化燃燒；在高速高負(fù)荷時，可有效降低發(fā)動機溫度，使發(fā)動機快速冷卻可變排量機油泵根據(jù)工況調(diào)節(jié)機油流量，有效降低油耗起停電機大功率的起動電機有效實現(xiàn)微混技術(shù)；在等待時可以及時停機，提高燃油經(jīng)濟性

4 發(fā)動機新技術(shù)對燃油品質(zhì)的要求

眾所周知，國內(nèi)的汽油品質(zhì)參差不齊。隨著汽油排放標(biāo)準(zhǔn)由國Ⅳ升級到國Ⅴ，又暴露出一些新問題。隨著汽油發(fā)動機技術(shù)不斷更新提升，對汽油質(zhì)量的變化也越來越敏感，劣質(zhì)汽油對發(fā)動機和后處理系統(tǒng)將產(chǎn)生巨大的破壞。因此，單憑發(fā)動機技術(shù)的升級來應(yīng)對油耗和排放要求的更新是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。汽油質(zhì)量也在其中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。表4總結(jié)了燃油問題對汽油發(fā)動機新技術(shù)潛在的影響。

表4 燃油問題對汽油發(fā)動機新技術(shù)潛在的影響

除此以外，燃油的品質(zhì)還會影響火花塞、氧傳感器的壽命，影響車輛的啟動，影響發(fā)動機的可靠性等。在現(xiàn)有國Ⅴ汽油排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求基礎(chǔ)上，新的汽油車發(fā)動機技術(shù)需要汽油在餾程、芳烴含量、蒸氣壓、金屬元素含量等指標(biāo)上進行更加嚴(yán)格的控制，同時需要在汽油中加入汽油清凈劑。

4.1 餾 程

餾程是汽油蒸發(fā)性能的指標(biāo)，一般由一系列“T”點(T50是指汽油蒸餾出50%體積時的溫度)，或一系列“E”點表示(E100是指在100 ℃蒸餾出的汽油體積百分比)。汽油的餾程體現(xiàn)了組分的輕重，汽油中的重組分容易產(chǎn)生噴嘴結(jié)焦、發(fā)動機沉積物過多、機油稀釋等一系列問題。這些問題在GDI發(fā)動機上更為嚴(yán)重。此外，過高的T50或過低的E100會導(dǎo)致正常環(huán)境溫度條件下的冷起動性能和暖機性能變差[8]。新的汽油機技術(shù)要求汽油擁有合理的蒸餾曲線，組分不應(yīng)過重。

圖6所示為滿足國Ⅳ和國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的市售汽油餾程抽樣結(jié)果對比。從圖6可以看出，我國汽油組分明顯重于歐洲EuroⅤ汽油。滿足國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的兩個汽油批次抽樣結(jié)果組分也要重于滿足國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)兩個汽油批次。滿足國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)兩個批次汽油的T50均超過了100 ℃。

圖6 滿足國Ⅳ與國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)汽油餾程抽樣結(jié)果對比 —EuroⅤ E0; —國Ⅳ93號批次A 2012-02; —國Ⅳ93號批次B 2013-04; —國Ⅴ92號批次A 2013-10; —國Ⅴ92號批次B 2014-04

4.2 芳 烴

研究結(jié)果表明，無論模擬試驗或是臺架試驗，隨著芳烴含量的增加，進氣閥和和燃燒室沉積物均增加[9]。此外，芳烴含量的增加還會造成排放物的增加，包括HC、NOx、CO2、苯的排放增加[8]。對于GDI發(fā)動機或增壓GDI發(fā)動機，芳烴含量的增加會造成煙炱和顆粒物的增加，燃燒不完全的煙炱還會進入到機油中，造成發(fā)動機內(nèi)部沉積物增多、機油潤滑性能下降、零件異常磨損、發(fā)動機可靠性下降等一系列問題。新發(fā)動機和排放后處理技術(shù)要求對汽油中芳烴含量進行更嚴(yán)格的控制。

圖7為滿足國Ⅳ和Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的市售汽油芳烴含量抽樣結(jié)果對比。從圖7可以看出，滿足國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)汽油的芳烴含量與歐洲Euro Ⅴ汽油相當(dāng)，但滿足國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)汽油的芳烴含量明顯上升，燃用滿足國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)汽油相比滿足國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)汽油將造成更嚴(yán)重的積炭影響。

圖7 滿足國Ⅳ與國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)汽油芳烴含量抽樣結(jié)果對比

4.3 蒸氣壓

蒸氣壓是汽油蒸氣壓力的指標(biāo)。高溫時，必須嚴(yán)格控制蒸氣壓，以免由于燃油過熱帶來的氣阻、活性炭罐負(fù)荷過大引起的超標(biāo)蒸發(fā)排放等問題。低溫時，為了汽車啟動容易和具有良好的暖機性能，減少低溫啟動排放，應(yīng)該保證足夠高的蒸氣壓。

圖8為滿足國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)和國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的市售汽油蒸氣壓抽樣結(jié)果對比。從圖8可以看出，滿足國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)汽油部分抽樣蒸氣壓非常低，已接近冬季汽油蒸氣壓的下限。燃用這樣的汽油車輛很難啟動，若在北方地區(qū)將產(chǎn)生無法啟動的故障。

圖8 滿足國Ⅳ與國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)汽油蒸氣壓抽樣結(jié)果對比

4.4 金屬化合物

新的汽車為適應(yīng)更加嚴(yán)格的排放法規(guī)，需要采用更加復(fù)雜的排放控制裝置和策略，如高目數(shù)的緊耦合三元催化器、汽油機顆粒捕集器、陶瓷型氧傳感器等，它們必須處于最佳狀態(tài)，才能保證在汽車的壽命周期內(nèi)保持低排放，同樣，用于汽車點火的火花塞也必須處于最佳狀態(tài)時，才能保證在汽車的壽命周期內(nèi)保持低排放。汽油中的金屬化合物，燃燒后產(chǎn)生金屬灰分，覆蓋在這些零件的表面，使三元催化器堵塞或中毒，氧傳感器失效或中毒，火花塞失火或失效，這些影響是不可逆的和可積累的，由此產(chǎn)生的后果是排放增加、燃油經(jīng)濟性變差，車輛性能惡化和嚴(yán)重的發(fā)動機故障。因此，新的汽車發(fā)動機技術(shù)要求汽油中不應(yīng)含有任何可形成灰分的物質(zhì)。

5 結(jié)束語

隨著人們環(huán)保意識的逐漸提高，以及汽車對污染物排放和全球溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)率的提升，油耗法規(guī)、排放法規(guī)不斷更新。中國頒布了第Ⅲ與第Ⅳ階段油耗目標(biāo)，到2020年，CAFC應(yīng)達(dá)到5.0 L100 km。歐洲于2014年9月率先實施第Ⅵ階段排放標(biāo)準(zhǔn)，中國也將很快跟上其步伐。新排放標(biāo)準(zhǔn)對GDI發(fā)動機顆粒物排放提出了新的要求。

在愈加苛刻的油耗和排放法規(guī)下，汽油發(fā)動機技術(shù)及后處理技術(shù)隨之升級。隨著汽油機顆粒捕集器、直噴渦輪增壓技術(shù)、啟停技術(shù)等新技術(shù)的應(yīng)用和推廣，汽油車輛也將適應(yīng)油耗和排放法規(guī)的新要求。

由于這些新技術(shù)的應(yīng)用，發(fā)動機及排放后處理技術(shù)對燃油品質(zhì)提出更高的要求。而我國一系列燃油質(zhì)量的問題，諸如組分過重、芳烴含量過高、質(zhì)量不穩(wěn)定、不達(dá)標(biāo)劣質(zhì)汽油等將對新技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生負(fù)面的影響。因此，提升燃油品質(zhì)也將是油耗與排放法規(guī)更新過程中的重要課題。

[1] 黃志輝，陳偉程，吉喆，等.全國機動車污染物排放量——《2013年中國機動車污染防治年報》(第Ⅱ部分)[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2014，39(1)：91-96

[2] 楊素真.滿足第三及后續(xù)油耗法規(guī)的發(fā)動機技術(shù)[J].裝備制造技術(shù)，2013(4)：180-181

[3] GB 18352.3—2005.輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ階段)[S].2005

[4] Commission Regulation (EC) No 6922008.Implementing and Amending Regulation (EC) No 7152007 of the European Parliament and of the Council on Type-Approval of Motor Vehicles with Respect to Emissions from Light Passenger and Commercial Vehicles (Euro 5 and Euro 6) and on Access to Vehicle Repair and Maintenance Information[S].2008

[5] Commission Regulation (EU) No 1362014.Amending Directive 200746EC of the European Parliament and of the Council，Commission Regulation (EC) No 6922008 as Regards Emissions from Light Passenger and Commercial Vehicles (Euro 5 and Euro 6) and Commission Regulation (EU) No 5822011 as Regards Emissions from Heavy Duty Vehicles (Euro Ⅵ)[S].2014

[6] 范錢旺，尹琪.直噴汽油機顆粒物成因及滿足EURO-Ⅵ排放限值技術(shù)路線[J].上海汽車，2013(6)：39-45

[7] 張建東，汪俊君，陳衛(wèi)方，等.滿足歐Ⅴ和第三階段油耗限值的汽油機技術(shù)路線分析[J].汽車科技，2011(1)：52-55

[8] ACEA.Worldwide Fuel Charter[EBOL].http：www.acea.bepublicationsarticleworldwide-fuel-charter，2013-09-25

[9] 徐小紅，蔡進，薛群基，等.汽油芳烴對發(fā)動機沉積物的影響[J].石油煉制與化工，2010，41(1)：82-85

REQUIREMENTS OF GASOLINE ENGINE TECHNOLOGY FOR FUEL UNDER NEW FUEL CONSUMPTION AND EMISSION LAWS

Yang Youwen， Hu Yunhao， Zhang Ziqing， Meng Ming

(SAICMotorTechnicalCenter，Shanghai201804)

The paper expatiated on the evolution of fuel consumption and emission regulations， current status， and the future plans in China. The development and application of gasoline engine and emission technology under new fuel consumption and emission laws were delved. Based on the inspection on several batches of CN Ⅳ and CN Ⅴ gasoline， the change of distillation， aromatics content， and vapor pressure were analyzed after the introduction of the CN Ⅴ gasoline emission standards. The effect of these indicators on gasoline engine and emission post-treatment technology was clarified. The requirements of engine technology for fuel were suggested. The results indicate that after CN Ⅴ gasoline was brought into effect， more problems exist， such as heavy components， high aromatics content， low vapor pressure in winter， resulting in abnormal running with higher fuel consumption and poorer emission if the new engine and emission technology are applied. Therefore， to improve the fuel consumption and emissions， the strict control of fuel indicators and the quality of fuels are necessary.

fuel consumption； emission； gasoline engine； motor gasoline

2014-12-11； 修改稿收到日期： 2015-01-16。

楊友文，大學(xué)本科，高級工程師，研究方向為車用燃油、潤滑油的應(yīng)用與開發(fā)等。

胡云昊，E-mail：huyunhao@saicmotor.com。