机动车和动力总成检测认证技术的创新发展

上海机动车检测认证技术研究中心有限公司（以下简称SMVIC）始立于2003年，坐落于国际大都市上海，是第三方国家级机动车产品检测机构，同时也是国家认证认可监督管理委员会（CNCA）授权的国家机动车产品质量检验检测中心（上海）、国家新能源机动车产品质量检验检测中心、国家内燃机质量检验检测中心，通过中国合格评定国家认可委员会（CNAS）实验室认可。本期，我们推出《机动车和动力总成检测认证技术的创新发展》，对机动车和动力总成检测认证的市场现状及发展趋势做介绍和分析，共同探讨内燃机工业发展中所呈现出的技术趋势。

1、概述

我国“十三五”制定的目标之一是生态环境质量的总体改善。近年来，随着机动车保有量的增长，其尾气排放成为大气污染的重要组成部分。针对机动车的排污控制，国家不断更新法规以适应新阶段对于生态环境质量的需求，以此为新车技术研发及检测认证奠定了发展方向。机动车排放相关法规以车辆用途分为道路与非道路两大类，其中道路车辆又基于整备质量划分成轻型车与重型车；非道路车辆与重型车由于其使用特性在现有台架资源中较难进行整车认证试验，通常针对其动力总成系统进行检测认证。

机动车与动力总成的检测认证技术随着国家法规的加严而创新发展。作为华东华南地区唯一的第三方国家级机动车产品检测机构，SMVIC于2003年9月28日成立，立足于以国家战略为指引，致力于发挥行业第三方的综合技术服务优势，为政府标准法规制定、行业政策制定、企业核心技术研究提供全方位支撑。

随着内燃机产业整体的发展变革，动力总成产品绿色、环保、节能的核心战略始终贯穿于“十三五”发展期间，产品进入流通市场前进行的严谨检测流程，对于推进产业科技化向高质量发展发挥了积极作用。依据以上分类与最新排放相关国家法规，分析阐述机动车和动力总成检测认证技术的创新发展。

2、“十三五”期间的发展概况

2.1 轻型车

轻型车污染物排放法规从中国第五阶段进入到中国第六阶段，以更低的机动车排放量为目标，法规再次调整并细化相应的检测认证方法和限值，这对于企业和检测机构都是新的挑战。该阶段中主要变化涵盖如下方面：

（1）常温下冷起动后排气污染物排放试验（I型试验）采用全球统一轻型车辆测试循环（WLTC）替换原本单一的市区循环和市郊循环，WLTC循环完全由瞬态工况构成，更加符合车辆的实际行驶状态，也对整车转鼓台架系统与排放检测设备的响应性提出更高的要求。限值的变化详见表1～表3。污染物排放限值逐步加严，这使得排放测试设备在低量程时需满足更高的精度要求。增加了汽油车排放颗粒物数量（PN）测量要求，PN测试设备在引入对汽油车的测试后，需考虑汽油机的排放组分特性，增强其适应性与测量准确性。此外，氧化亚氮（N2O，俗称笑气）是气候变化效应很强的温室气体，在大气中的存在周期较长（可达120年左右），其100年全球变暖潜能值（GWP）高达298（二氧化碳（CO2）的GWP为1），国六I型试验中首次引入了N2O的限值要求。

表1  I型试验排放限值（国五）

表2  I型试验排放限值（国六a）

表3  I型试验排放限值（国六b）

（2）增加实际行驶污染物排放（RDE）试验要求，将其定为II型试验并取消原II型试验。国五阶段，II型试验仅针对点燃式发动机汽车的双怠速工况，以及压燃式发动机汽车自由加速烟度进行测试；国六阶段采用的RDE试验包含了车辆实际行驶涉及到各个路段特性，通过测量其实际排放进行判定评估。相较于试验室内稳定的测试环境，实际驾驶过程中影响因素很多（如路况、天气、车况等），过程可重复性差，故对于便携式排放测试系统（PEMS）的设备精度与系统测试不确定度要求更高，同时排放设备在道路测试中需要考虑可能存在的机械负荷冲击与热负荷冲击等，对其抗振性能与散热性能等需求更大。

（3）低温下冷起动后排放试验（VI型试验）的试验项目除了一氧化碳（CO）和总碳氢化合物（THC）外，增加了氮氧化物（NOx）。首次试验结果若是没有低于限值的0.9倍，则需进行第二次试验且两次试验结果的均值满足限值要求才判定合格。限值的变化详见表4和表5，呈现加严的趋势。

表4  VI型试验排放限值（国五）

表5  VI型试验排放限值（国六）

（4）修订对车载诊断系统（OBD）的监测项目、阈值及监测条件等技术要求，获取汽车车载诊断系统和汽车维护修理信息的相关要求也有所改进，生产一致性检查的判定方法和在用符合性检查的相关要求进一步细化。试验用燃料的技术要求以满足国六排放标准进行同步更新。考虑到汽油车蒸发污染物的排放情况，昼间排放测试的时间由原来的24 h延长至48 h，提高了测试温度。并且新增加油过程污染物排放控制要求。随着混合动力逐渐成为燃油车辆纯电动化的一个过渡阶段，对于混合动力电动汽车中燃油发动机的测试要求、混合动力系统以及整车的测试规范也进行初步的定义。

2.2 重型车

重型汽油车的法规在“十三五”期间并无更新，因此重型车辆的检测认证技术发展以柴油车为主，包括气体点燃式发动机。重型柴油车开始执行国家第六阶段法规，与上一阶段的区别如下：

（1）如表6～表9所示，污染物排放测试循环由原先的瞬态循环（ETC）、稳态循环（ESC）和负荷烟度试验（ELR），变更为全球统一瞬态循环（WHTC）、全球统一稳态循环（WHSC）和发动机台架非标准循环（WNTE）。相互对应的瞬态循环与稳态循环的污染物排放限值也同期降低，这对检测认证的方法与设备精度提出更高的要求。针对颗粒物排放，将粒子数量列入检验项目之一，因此该类污染物的采集设备与采集方法也同步更新。

表6  ESC和ELR试验限值

表7  ETC试验限值

表8 WHTC和WHSC试验限值

表9 WNTE试验限值

（2）整车实际道路排放测试要求和限值在该阶段进行了定义，同样是基于PEMS设备展开检测认证。实际道路行驶时的OBD与NOx控制系统验证纳入检验内容。发动机排气需要测量的组分包括NOx、CO、THC（对于柴油车为可选项）、PN（对于气体燃料车为可选项）、颗粒物质量（PM为可选项）等，还应测试CO2排放。

（3）对排放控制装置的耐久性要求进一步规范，其有效寿命期（里程或时间周期）详见表10。新增排放质保期的规定，其中最短质保期详见表11。

表10 有效寿命期

表11 最短质保期

（4）对OBD的监测项目、阈值及监测条件等技术要求进行了修订。OBD试验分为故障分类验证和功能性验证，NOx控制试验包括报警系统激活验证、初级/严重驾驶性能限制系统激活验证、 初级/严重驾驶性能限制系统验证、反应剂低温性能验证。OBD试验中需同步进行的项目有：永久故障码验证、激活模式及其 MI 激活消除方案验证、MI 计数器验证、排放后处理器净化性能监测的驾驶性能限制验证、在用监测性能验证、数据流和冻结帧验证。在故障分类验证中，依据表12中的OBD限值以及表8中的排放限值，将故障分为A类、B1类、B2类和C类。OBD功能性验证中，属于部件监测和严重功能性故障监测的A类及B1类故障，不需要进行排放测试验证劣化部件；对于B2类故障，所有监测技术类型均需进行排放测试；对于C类故障，所有监测类型均需进行排放测试。柴油机和双燃料发动机必须进行 NOx控制试验，单一气体燃料发动机不进行NOx控制试验。

 （5）排气管口位置不得朝向右侧和正下方，且便于排放检测；外侧明显可见，鼓励高于车身；危险货物运输车和专项作业车因结构限制不满足要求，可向国务院生态环境主管部门报备。最大程度地降低原机NOx排放量，并将测试方法与原机排放数据向国务院生态环境主管部门报告，因此在实际检测认证中应按照要求测试原机排放，通常采用在后处理前端直接采样的方式进行测量。整车上进行实际道路车载法排放试验时，新增有效数据点中95%以上NOx排放浓度要求小于500×10-6，且在车辆实际道路行驶时不能有可见烟度。修订生产一致性和在用符合性的检查判定方法，增加新生产车的达标监管要求。新增双燃料发动机和替代用污染控制装置的型式检验要求。

2.3 非道路移动机械

非道路移动机械的排放围绕柴油机进行展开，目前国家法规达到第四阶段，相较于上一阶段更加关注整机排放要求。该阶段检测认证要求的变化主要集中在以下方面：

（1）新增车载法整机测试要求，对37 kW以上机械实际使用过程的污染物排放采用PEMS进行测量；规定90%以上有效功基窗口的CO和NOx比排放量不应超过相应功率段限值的2.5倍。

（2）新增PN限值以解决非道路移动机械冒黑烟的问题，适用于功率范围37～560 kW的柴油机，规定其排放量≤5×1012个/（kW·h），通用技术手段为加装柴油颗粒捕集器（DPF）。标准不对技术路线进行固化和限制，鼓励企业使用更高效的污染排放控制技术。

（3）第四阶段检测认证，除了非道路稳态循环（NRSC）外，也将进行非道路瞬态循环（NRTC），同时参考欧洲标准要求，增加了柴油机非标准循环工况的测试方法及限值要求。NRSC循环依据柴油机是否为恒速机分为八工况和五工况，其中额定净功率19 kW以下非恒速柴油机可采用六工况进行认证，且循环每工况须至少运行10 min。

（4）配有EGR系统的柴油机需进行NOx控制系统（NCD）验证。采用反应剂后处理系统的柴油机除了进行NCD检验项目外，还需在NRSC循环和NRTC循环中检测氨（NH3）浓度。装载颗粒物后处理系统的柴油机则需进行PM控制系统（PCD）验证，同时还应对其相应的再生方式进行验证。对于额定净功率560kW以上及恒定转速的柴油机，验证循环为NRSC，其余情况验证循环采用NRTC。对于周期再生的验证，排放至少测量3次热态NRTC（或NRSC）。再生前，要求尽量接近再生状态（客户提供满载件或台架现场累碳）；再生中，可采用修改实际碳载量数值至标定触发模型值以触发再生，但系统再生结束后需自动退出再生，严禁采用手动结束再生的方式；再生后，需等排放稳定后再进行检测。

（5）NCD和PCD的验证项目主要由驾驶员报警系统激活的验证、初级限制系统激活的验证（如适用），以及严重限制系统激活的验证构成。NCD驾驶员报警系统激活的验证包括：反应剂质量差、反应剂定量喷射中断、EGR 阀卡滞、监控系统的故障、NOx限值（如适用）。

（6）NCD与PCD试验与重型柴油车第六阶段中OBD和NOx控制试验的区别除了相对应项目的要求不同外，目前只涉及对报警系统（驾驶员报警灯）的验证，未对指示NCD和PCD之外的故障的报警系统（或灯）作验证要求，但也要求二者应不同。重型柴油车第六阶段中OBD循环为热态WHTC，NCD和PCD循环则因发动机的类型或功率段的不同而分为热态NRTC和NRSC两种。

（7）为保证排放控制系统在实际使用过程中始终正常发挥作用，防止用户在使用过程中恶意破坏拆除污染控制装置，参考欧IV法规提出排放控制系统远程监控要求，并向监管平台实时发送排放及定位相关数据。

（8）通过前期标准实施而获取的大量柴油机劣化趋势特征数据，给出指定的劣化系数，明确企业可采用指定的劣化系数代替耐久实测劣化系数，大幅降低企业的测试费用和研发成本。

（9）为推进三轮车行业技术升级，同时考虑三轮汽车与非道路农业机械发动机通用的实际情况，本着减轻企业研发和试验负担的原则，将三轮汽车纳入非道路移动机械四阶段标准进行统一管理。

2.4 适应法规发展的检测认证技术

2.4.1 机动车

SMVIC共有3个轻型车排放试验室，各试验室底盘测功机和环境仓的参数如表13所示。试验室3为2019年新建，不但和试验室1、试验室2同样具备国六试验能力，还具有较大的舱内尺寸、温/湿度控制范围、汽车惯量和阻力模拟范围以及阳光模拟辐照度范围。在检测认证领域之外，还可承接非标研发、性能开发、前瞻研究等委托业务，如图3所示。试验室3不仅将国六标准四驱转鼓排放试验产能提高了100%，同时有力推动了上述非认证类业务的发展。

图3 SMVIC轻型车排放试验室3

轻型车国六I型试验系统主要由底盘测功机、环境仓和排气采样分析系统组成，如图4所示。在I型试验中，通过底盘测功机进行道路载荷模拟，使用环境仓进行环境条件控制，并由排气采样管进行排气采样后进入分析系统进行排放结果分析。

图4 轻型车国六I型试验系统

为满足国六I型试验相比于国五I型试验在污染物种类增加、排放限值加严、排放阶段数增加这些方面的变化及更高要求，排气采样分析系统进行如下升级：

（1）为应对新增N2O污染物的限值要求，在排气采样分析系统中新配置一套分析仪QCL-IR分析仪（量子级联激光器—红外光谱分析联用仪），进行N2O污染物的浓度分析。

（2）适应限值大幅度降低的需求，升级超低排放分析仪。以CO污染物为例，国六I型试验排放限值为国五的50%。在同等稀释比和背景气体水平的采样条件下，CO浓度大幅下降，需采用超低排放分析仪以确保浓度分析的准确性。相比于普通分析仪，CO超低排放分析仪的最小量程从50×10-6升级到10×10-6。

（3）国六I型排放试验循环（WLTC）分为4个阶段，在配备1组分析仪的条件下要求得到模态浓度和气袋浓度2组数据的话，则需要在第四个阶段结束逐一分析各个气袋的浓度，耗时较长。为增强分析系统工作效率，采用2组分析仪同步进行气体分析，即一组进行模态浓度分析，另一组进行气袋浓度分析。

2.4.2 动力总成

根据前文中重型车国六与国五对比区别和非道路移动机械国四与国三区别，同时为了满足GB17691—2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》和HJ1014—2020《非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求》标准要求，SMVIC对动力总成相关的现有检测设备进行升级和新增。

SMVIC现有9个动力总成试验室，功率涵盖600kW及以下，包括2个轻型、2个中型、2个重型发动机排放室，配备了3套全流稀释采样分析系统，以及3个耐久试验室。每个试验室主要由交流电力测功机、全流稀释采样分析系统、测控系统、颗粒物计数系统、OBD诊断仪、低温环境仓等设备组成。其中，动力总成低温环境仓、全流稀释采样分析系统（见表14）、颗粒物计数系统（见表15）、OBD诊断仪、氨分析仪等设备为“十三五”期间扩增的检测能力。

动力总成试验室已经逐步拥有一个由博士领军、汇聚了国内外人才的团队。该团队人员结构合理，专业配备齐全，具有较强研发能力。以科技开发为主线，本着科学、客观、创新和求实的宗旨，主要从事发动机排放控制、节能、发动机标定与发动机排放试验等方面的研究。试验室自主每年投入的科研经费高达500多万元，近三年累计发表论文20多篇，同时积极参与政府及企业委托的发动机及关键零部件研发工作。

动力总成试验室目前主要服务能力有：重型车用发动机中国第五、第六阶段及欧洲同等阶段排放检测；重型汽油车用发动机中国第四阶段排放检测；中国/欧洲非道路三、四阶段排放检测；美国、日本等排放法规相关检测；发动机及相关零部件的性能、耐久测试。随着新增设备的投入使用，夯实SMVIC在动力总成行业中的地位，进一步扩大影响力并带来相应的业务增长。

3、总结与展望

目前，全国范围内首要污染物仍以PM2.5为主，臭氧超标其次，部分重点地区的臭氧超标已超过PM2.5超标。挥发性有机化合物（VOC）是生成PM2.5的重要前体物之一，而NOx与VOC在阳光下通过一系列光化学反应产生臭氧。部分VOC也是大气二次有机气溶胶（SOA）的主要前体物。因此，对于VOC和NOx的强化控制是下一阶段排放法规的重点研究对象，同时也是未来检测认证技术的发展方向。

发动机点火不是道路车辆颗粒排放的唯一来源。轮胎、制动器、离合器和路面的磨损也是超细颗粒的重要来源。其中一些颗粒很轻，能够在空气中传播，而其他颗粒则沉积在路面上。沉积颗粒可能会由于驶过的车辆和气流而重新悬浮。特别是制动器磨损被公认为是非排气颗粒的主要来源，占车辆相关所有PM10排放量的21%。未来法规将努力将非废气排放纳入监管框架中，特别是制动器磨损颗粒。相应的控制和检测技术也会随之发展。

新的排放控制技术引入使得常规气体排放不断降低，同时一些非常规气体排放逐渐占据较大的比例，例如N2O。针对这类排放污染物，同样需要开发或引进新的检测设备，以及制订新的检验方法细则。目前在温室效应下，全球变暖导致的自然灾害与生态破坏日益严重，因此我国对于“碳达峰”和“碳中和”已提出相应的目标实现节点。机动车排放中主要的温室气体CO2已成为下一阶段国家法规重点控制对象。相应的油耗法规以及CO2排放量计算研究已经逐步开展，包括新的油耗测试循环，以及参考欧洲CO2排放量计算软件VECTO进行相应的本地化研究等。燃量消耗量以及CO2排放计算相关的检测设备与规范化检验方法将成为检测认证技术绿色创新发展的重要一环。

未来，上海汽检以“数字化、平台化、多元化、国际化”的“十四五”发展战略为目标，加速公司数字化科技创新型服务企业升级转型，助力汽车产业的高质量发展。

作者  上海机动车检测认证技术研究中心有限公司

编辑  姜文玲