基于国VI车辆测试结果的下阶段重型车标准建议

目前，中国下一阶段重型车排放标准有很大的提升空间：既需要继续加严对传统污染物的管理，同时也是增加NH3，PN10等污染物，及CO2、N2O等温室气体排放限值的好时机。本文针对两辆国VI-b重型货车的实际道路和实验室测试结果进行了合规性和后处理系统性能分析，并基于测试结果和最新的欧洲标准，为中国制定下一阶段重型车标准提出了相关建议。

什么是机动车温室气体排放？

为了更好地了解重型车实际行驶排放和现有货车发动机及排放控制技术的实际性能表现，为下一阶段排放标准提供政策建议，ICCT对两辆国VI-b标准的N3类重型车进行了实际道路和实验室排放测试研究。本次的车辆测试工作由厦门环境保护机动车污染控制技术中心（VETC）负责，在厦门市开展进行。 

测试车辆和工况设计

此次测试选择了一辆18吨的普通货车及一辆42吨的牵引车，两辆车的发动机排量和功率都在各自的质量段中具有代表性。

图1. 测试车辆选择

我们对每一辆车分别进行了几次道路测试。除了国VI标准中所要求的车辆在用符合性（ISC）测试以外，我们还对车辆进行了城市货运及低负载工况测试，以评估车辆在城市和特殊工况下的排放性能。其中，低负载测试采用的是加州空气资源委员会（CARB）开发的低负载工况（LLC）标准，这套工况是CARB针对重型车实际道路氮氧化物和颗粒物排放问题而在最新发布的公交客车管理法规(Omnibus)中提出的。我们开展的所有实际道路测试都使用的是车载排放测量系统（PEMS）。详细设计见表1。

表1. 测试详情及目标

测试结果分析

所有法规污染物排放均根据国VI标准按照90百分位移动平均窗口值（MAW 90%） 与国VI车辆实际道路排放限值进行比较。我们分别分析了包含和不包含冷启动过程的排放结果（包括MAW 90%值），但根据国VI规定，我们在进行国VI合规性判断时选择了无冷启动的排放结果。

此外，我们还根据CLOVE 欧VII提案对其100百分位值（MAW 100%）和MAW 90%值一同进行了评估，并将统计结果与CLOVE 欧VII提案中的相应限值进行了比较（分别为CLOVE-100 和CLOVE-90）。下图展示了所有有效窗口的MAW结果，以及非MAW分析的行程平均排放结果：

★合规性

可以看到，两辆测试车辆的法规污染物均能够符合国VI排放标准，且其中CO和PN排放还有较大的达标余量，但两辆车都远未达到CLOVE提出的欧VII提案限值。而对于非法规污染物，无论是NH3还是N2O，两辆车的排放结果均无法达到欧VII提案限值。同时，在所有平行开展的PEMS测试工况和相同的底盘测功机测试（C-WTVC工况）中，一汽解放半挂牵引车（2号车）的空气污染物和温室气体排放整体高于福田的厢式货车（1号车），导致上述结果的潜在原因既包括发动机技术方面的差异（如发动机设计和功率），也包括排放控制系统技术方面的差异（如SCR和DPF的差异）。

图2. MAW测试结果及合规性分析

★氮氧化物

在合规性之外，可以发现某些特定的情况对NOx排放的影响非常显著。例如，如果包括冷启动排放，2号车的MAW 90%排放结果将刚好达到0.69 gNOx/kWh的限值；如果在LLC工况下对两辆车的发动机进行评估，则其排放会大幅超标。图3以1号车为例，进一步表明了冷启动和低负荷工况对NOx排放的影响。冷启动阶段的NOx排放可以占到排放总量的20%-60%。LLC中的频繁怠速和低负荷运行也会使得NOx排放大幅增加。根本原因是SCR在冷启动、怠速的情况下温度会降到200度以下从而停止工作。这些结果与业内的共识是一致的，也再次体现了SCR系统应用主动式热管理的必要性，从而实现SCR系统快速预热以及确保SCR系统在运行期间保持较高温度。

我们在测试过程发现，2号车的SCR系统需要1000多秒的时间才能启动，而1号车只需要100-300秒。这也表明国VI货车的SCR热管理存在很大的差异性，因此SCR技术在应用方面存在潜在改进空间，具体措施包括快速预热和保温策略等，从而进一步控制NOx排放。

同样，NH3排放是氨（SCR还原剂）从SCR系统中逸出的后果，而SCR系统表面的氨存储能力也取决于其系统温度。 尾气中的NH3排放也可能是SCR高温状态下其表面的氨脱附的结果。SCR系统和氨逃逸催化器（ASC）必须实现适当校准，才能避免产生氨逃逸排放。此外，还有一些其他方式可以防止氨逃逸，例如尿素加热、双SCR系统以及基于模型的控制策略等。 

图3. 1号车在不同工况中NOx排放累计占比，及逐秒NOx浓度、NH3浓度和速度剖面 

★颗粒物

由于目前PEMS系统尚不具备适合进行道路PM10测量的设备，我们仅在法规油耗底盘测试中对PN10在C-WTVC工况下的排放量进行了评估。

两辆测试车辆PN10与PN23排放量之间的差异存在相似性。在不同的测试中，1号车的PN10排放量比PN23高87%–112%，2号车的PN10排放量比PN23高80%–120%。这意味着，如果下一阶段排放标准继续忽略大于10nm小于23nm的颗粒物，那么在颗粒物的主要粒径尺寸范围内，将有约50%的PN排放处于管理范围之外。因此，设定PN10限值对于有效控制PN排放而言至关重要。 

图4 两辆车在C-WTVC油耗测试中的PN23和PN10结果

★温室气体

无论是PEMS测试还是底盘测功机测试，CO2排放都是以单位做功排放量（g/kWh）为单位来报告的，不过CO2排放也可以根据燃油消耗情况以距离为单位（g/km）来进行评估。表2展示了两辆测试车辆所有测试的CO2排放结果。整体上，2号车的单位做功CO2排放低于1号车。这一结果符合我们的预期，因为大型发动机往往具有更佳的热效率。 

表2. 1号车和2号车所有测试的CO2排放情况

测试结果表明，N2O排放是测试车辆温室气体排放中不可忽略的组成部分。图5展示了两辆测试车辆的温室气体排放量，采用GWP-100值将CO2+N2O排放折算为CO2当量排放。N2O排放量在1号车尾气温室气体排放总量中的平均占比为5%，在2号车尾气中的平均占比为9%。因此，除了CO2排放之外，对N2O排放进行管理也是降低重型车温室气体排放总量的关键，必须予以认真考虑。 

图5.两辆车在PMES和油耗测试中的CO2和N2O结果

关键建议

国VII标准应加严当前法规污染物排放限值。特别是NOx，Omnibus法规已经证明NOx排放水平可以在当前基础上降低90%。同时要通过排放标准和限值推动生产企业应用可以同时减少NOx和CO2排放的技术。近年来，污染物排放与CO2排放之间的潜在权衡问题已经逐渐被消除，已经有许多技术可以同时减少NOx和CO2排放，还有更多技术可以在不增加CO2排放的情况下减少NOx，例如SCR快速预热和保温技术。

中国需要在下一阶段重点关注特定高排放的情况，尤其是在某些特定情况下氮氧化物排放表现不佳的问题，例如冷启动过程、低负载工况、怠速工况等。国VI标准中的ISC合规评价方法不能有效反映冷启动、低负载工况和怠速工况的排放性能。国VII标准恰恰为解决上述疏漏提供了契机，应确保所有行驶工况（包括冷启动和低负载）都被纳入监管范围。 

非法规污染物排放也是非常重要的，例如新标准应将PN23限值扩展或替换为PN10限值，这无需对现有测量系统进行大规模投资或重大修改。应针对NH3和N2O出台严格的道路车辆排放限值，NH3是形成PM2.5的重要先驱物，而N2O是强效温室气体，这样能够推动生产企业更好地对排放控制系统进行校准。 

相关研究报告

本文内容源自ICCT研究报告《中国下一阶段重型车排放标准建议——基于国VI车辆测试结果》，更多内容欢迎点击下方阅读原文，浏览相关内容。

本文中文编译：牛天林、王若素