我国自2000年开始实施轻型车第一阶段排放标准,历经多个阶段的发展变迁,从最初参考借鉴欧盟标准,到自主创建排放标准体系,再到如今立足大气污染防控需求,谋划第七阶段排放标准,这一系列举措不仅彰显我国在环境保护方面的坚定决心,也见证了汽车行业排放控制技术的不断突破。

对标欧盟:第一至第五阶段的探索与发展

2000年以前,我国轻型车排放控制水平相对落后,轻型汽油车大多采用化油器式燃油供给系统,这种技术在控制尾气排放方面存在诸多局限,使得汽车尾气成为城市空气污染的重要来源之一。2000年,我国正式实施轻型车第一阶段排放标准,拉开了我国轻型车排放控制的帷幕。

轻型车第一阶段排放标准全面参照欧盟模式,采用ECE15+EUDC驾驶循环进行排放测试。该实验虽以汽车冷启动为开端,但前40秒热机怠速过程并不进行排放采样,40秒后才启动采样程序,实验总时长为1220秒,排放采样时间1180秒。为实现这一阶段污染控制目标,我国汽车行业迎来重大变革,新生产的轻型汽油车开始摒弃化油器,转而采用燃油喷射技术,并加装含有铂、铑、钯等贵金属的三效催化器,以有效净化尾气污染物。与此同时,为防止汽油中的铅致使催化器和排气氧传感器中毒失效,我国大力推广无铅汽油,凭借高效举措,成为全球从有铅汽油向无铅汽油切换速度最快的国家之一。与排放标准实施前相比,汽油车排气中的一氧化碳、总碳氢化合物和氮氧化物排放量大幅降低,降幅超80%。此外,第一阶段排放标准还对燃油蒸发排放提出控制要求,汽车制造商必须安装带有活性碳罐的燃油蒸发控制系统。这一系列举措不仅有效减少汽车尾气污染,还极大推动我国汽车零部件产业在燃油供给系统、排放后处理系统等领域的技术进步。

到了第二阶段(2005年),排放标准在限值上进一步加严,碳氢化合物和氮氧化物限值降至第一阶段的一半左右。不过,在技术层面,除了要求汽车制造商更精准地控制空燃比、采用转化效率更高的三效催化剂外,并无实质性技术突破。轻型车第二阶段排放标准更多是在第一阶段的基础上,对现有技术进行优化和改进,以适应更严格的排放要求。

2008年实施的第三阶段排放标准,在技术和测试环节均有重大变化。一方面,取消40秒热机怠速不采样的规定,发动机启动后即刻进行排放测试。为满足这一要求,汽车制造商需采取专门的冷启动排放控制策略,通常采用紧密耦合催化器,将其安装在靠近发动机排气出口的位置,以提高催化器进口温度,促使三元催化器尽快达到有效工作状态。同时,对催化器本身的性能要求也大幅提升,需提高载体孔密度、增加贵金属含量,从而提升催化器效率、降低起燃温度;另一方面,轻型车第三阶段排放标准新增低温冷启动排放要求,规定轻型汽油车要在-7±3℃的环境下,按照ECE15循环进行780秒的低温冷启动循环实验,一氧化碳和总碳氢化合物的排放限值分别为15g/km和1.8g/km。此外,自该阶段起,排放标准要求轻型车配备车载排放监控系统(OBD),用于实时监测催化转换器效率下降、失火、氧传感器故障、燃油蒸发系统故障、电控系统故障等与排放相关的问题。一旦检测到故障,可通过驾驶室仪表盘上的OBD故障指示灯通知驾驶员及时维修,从而在车辆使用过程中及时发现并解决排放问题。

在轻型车第一至第四阶段排放标准中,要求汽车在8万公里的有效寿命期内保持排放达标。到了第五阶段,这一要求提高到16万公里,以覆盖大部分乘用车的使用寿命,进一步保障车辆在长期使用过程中的低排放性能。

从第一阶段到第五阶段,我国在轻型车排放标准制定上紧密对标欧盟,通过不断借鉴学习,结合国内实际情况逐步完善标准体系。每一次排放标准升级,都成为推动汽车行业排放控制技术进步的重要契机,也为后续自主标准体系的构建积累了宝贵经验。

自主创新:第六阶段排放标准的突破与跨越

随着我国对环境问题的关注度不断提升,对轻型车排放控制提出了更为严格的要求。2016年12月23日,生态环境部颁布《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》(GB18352.6-2016)。该标准的出台,标志着我国轻型车排放标准迈入自主创新的全新阶段。

与前5个阶段不同,轻型车第六阶段排放标准不再参照欧盟现有标准,而是基于我国环境空气质量控制的实际需求,自主构建一套科学、全面的排放标准体系。该体系在多个方面实现创新突破:一是遵循燃料中立原则,无论车辆使用汽油、柴油抑或是气体燃料,均需满足统一的排放限值,确保各类燃料汽车在排放控制环节的公平性与一致性;二是将排放测试循环由NEDC循环切换为更贴合实际驾驶场景的WLTC循环;三是新增实际道路排放(RDE)测试要求,有效弥补以往实验室测试与实际道路行驶排放之间的数据鸿沟;四是修订燃油蒸发测试规程,延长昼间实验时间,以此提升测试准确性;五是提高耐久性里程要求,进一步保障车辆在长期使用过程中的排放性能;六是调整低温冷启动排放限值和测试循环,增加汽油车加油排放控制要求;七是大幅修订OBD监控要求,实现从EOBD到OBDⅡ的转变。

具体来看,在冷启动排放试验方面,轻型车第六阶段排放标准明确规定,排放试验需在23±5℃的环境下,按照WLTC循环进行。WLTC循环包含低速段、中速段、高速段和超高速段,测试总时长1800秒,最高试验车速131.3km/h。相较于之前的测试循环,WLTC循环更能精准模拟并真实反映实际驾驶工况。

值得一提的是,轻型车国六排放标准分为a、b两个阶段,分别于2020年7月1日和2023年7月1日实施。国六a阶段气体污染物排放限值与欧盟6e阶段中汽油车限值相当,且严于欧盟6e阶段柴油车限值;国六b阶段的限值标准则明显严于同期实施的欧盟轻型车限值标准。为满足严格的气体污染物控制要求,三元催化器的技术规格大幅提升,载体目数达到600目及以上,对催化器的贵金属含量、材料、涂敷工艺也提出更高要求。此外,鉴于轻型车国六排放标准对颗粒物质量(PM)和数量(PN)设定了明确的限值要求,缸内直喷汽油机必须配备颗粒捕集器(GPF)才能满足达标条件。然而,在标准实施过程中发现,低温环境下短行程用户车辆的GPF再生面临严峻挑战,这也促使汽车行业正积极探索切实可行的解决方案。

实际道路排放试验(RDE)是轻型车第六阶段排放标准的核心亮点之一。受“大众柴油车排放门”事件影响,我国加快推进实际道路排放标准的实施。RDE实验要求在具有代表性的市区、市郊和高速路段进行,每类路段测试最小长度为16公里。在实验过程中,利用车载排放测试设备实时记录污染物浓度和排气流量,最终计算出车辆每公里的污染物排放量。综合考虑我国气象地理特点和车载排放测量设备使用要求,RDE实验将环境温度范围设定为-7℃—40℃,海拔高度上限为2400米。这一要求促使汽车制造商扩大排放控制区的标定范围,从以往仅关注实验室特定工况,转变为覆盖实际道路所有工况点,实现从实验室到实际道路排放管理的重大跨越。

在蒸发污染物和加油排放要求方面,鉴于汽油车燃油蒸发和加油排放已逐渐成为城市大气中VOCs(挥发性有机化合物)的主要来源,轻型车第六阶段排放标准进一步强化控制措施,燃油蒸发实验需在蒸发密闭室中进行。虽然昼夜温度变化区间仍维持在20—35℃,但昼间试验时间从24小时延长至48小时,模拟连续两昼夜的燃油蒸发排放,且昼间试验与1小时热浸试验结果之和不得超过0.7g,相较于第五阶段的2g限值大幅降低。为满足这一要求,汽车需增大碳罐容积,采用吸附和脱附性能更优的活性炭,并优化脱附策略。同时,轻型车第六阶段排放标准要求新生产汽油车配备车载油气回收装置(ORVR),以控制加油过程产生的挥发污染,规定加油过程中产生的蒸发污染物不得超过0.05g/L(燃油)。

此外,OBD监测要求在轻型车第六阶段排放标准中也得到全面升级。该阶段不再沿用EOBD的技术框架,而是参考美国加州CARB OBDⅡ的成功经验,构建中国自主OBD(COBD)技术规范。该规范不仅加严对催化剂效率、发动机失火的诊断标准,还新增燃油蒸发系统小孔泄漏(1mm和0.5mm)诊断等多项内容,对各项诊断的要求更加明确具体,并提出诊断监测频率(IUPR率)要求。此外,轻型车国六排放标准明确规定量产车OBD功能验证(PVE)的3个阶段:标准化验证要求生产企业在车型生产后的两个月内完成,确保所有车辆满足COBD中关于AE J1978扫描工具与排放相关信息的正确通讯要求;监测要求验证需在开始正常生产后的6个月内进行,生产企业应对1辆或多辆量产车辆的OBD系统进行全面评估,以验证车型能否满足COBD的各项功能要求;IUPR率的验证和报告在车辆开始正常生产后12个月内开展,生产企业需按要求收集代表该OBD系族的IUPR率,验证其是否符合标准规定。

轻型车第六阶段排放标准的实施,有力推动了我国轻型车排放控制技术的跨越式发展,使我国在轻型车排放控制领域逐步走向世界前列,为改善国内空气质量发挥重要作用。

第七阶段及后续标准的愿景与挑战

我国轻型车已经成功实施了第一阶段到第六阶段的排放法规,排放控制技术也由第一阶段前的以化油器、机内净化为主,迅速切换到理论空燃比闭环电控结合三效催化器的排放控制阶段。并且随着法规的不断加严,三效催化器自身技术也不断进步,载体目数也由原来的200—300目发展到目前600目以上,催化转换效率持续提高,从最初仅以控制汽油车气体污染物为主,逐步过渡到气体污染物和颗粒物质量、数量的联合控制,颗粒捕集器已成为轻型柴油车和缸内直喷汽油车必备的排放控制装置。除排气排放控制要求不断加严以外,排放标准也不断加严对燃油蒸发、加油过程产生污染物的排放要求。

目前我国正在制定第七阶段排放标准,第七阶段排放标准除在原来基础上继续加严污染物控制,还将引入对CO2的排放控制要求,实现对污染物和温室气体的协同控制。

作者系北京理工大学教授