汽车排放控制技术难点分析

汽车排放控制技术难点分析

国六之战，重重隘关。过关斩将，去弱留强。

“朔风凛冽”的国六排放标准将至，顺之则昌。而在这个“标准”的历史长河中，有过“喜怒哀乐”，但绝没有像今年这般绝望过。弱者无助，强者自强。要想活下去，就得砥砺前行。

作为国五标准的升级版，引入中国特殊的工况，再结合欧洲和美国等标准，国六排放标准大幅度加严。在汽油发动机领域，国六标准相比国五标准，必须要克服以五大技术难点和五种物质排放要求为代表的新难题，才能在国六之战中顺利地过关斩将。

上述难关并非能如此轻易攻破，因为从限值水平来看，国六a标准阶段限值略严于欧洲第六阶段排放标准限值水平，而国六b标准阶段限值基本相当于美国Tier3排放标准中规定的2020年平均限值。换句话说，国六标准是目前世界上最严格的排放标准之一也不为过。

如此更高要求的排放标准自然需要车企在相关零部件、系统上进行升级，详细到诸如三元催化器中催化剂（主要为价格高昂的贵金属）的用量、引擎燃烧室构造的优化、燃料喷射方式和喷油量的调整、以及扩大活性炭罐容积、增强燃油系统密封性、调整ECU电控单元和强化OBD系统等。

说到底，国六之战就是一场车企间的技术较量，对车企有着生死存亡的意义。

“气”和“油”的问题

首先来说说“气”和“油”的问题。通俗一点地说，如果将发动机的运作比作成人吃饭能量摄入的话，那么油品问题就意味着我们可以选择相对较好的食物或食材，这样更容易被人体吸收营养从而转化能量。标准更严格的油品中所含有的有害物质更少，并且有助于汽油在发动机内充分燃烧。

相比国五油品，国六汽油重点降低了车用汽油的烯烃、芳烃、苯等含量；指标全面达到欧盟现阶段车用油品标准水平，个别指标甚至超过欧盟标准。数据显示，与国五标准汽油相比，国六油品一氧化碳排放量降低了50%，非甲烷烃和总碳氢化合物排放限制下降50%，氮氧化物排放下降42%。

再说到“气”，内燃机工作过程中会不断产生废气，无论内燃机技术如何发展，其正常工作原理都需要空气以及燃油，油气混合、雾化的效果越好，对提升燃效、降低排放越有利。这就好比是人在吃饭的时候，如何解决边吃饭和边喝水的问题，才能最顺畅地进食，促进胃部更好的消化。

影响废气排放物的主要原因在于燃烧情况、点火能量、进气效果、供油情况、机械精度等诸多方面。这就相当于正常吃饭时，可能不喝汤都不会噎着，但吃馒头包子时，需要更多的水才能顺利下咽。但无论如何，过量吃饭或者喝水都会给胃造成一定的负担。

一氧化碳含量过高就是发动机的负担。这主要是混合气浓时，由于进气量不足引起的。在通常情况下，发动机怠速空转时，以及高速大负荷情况下会产生过量的一氧化碳。由于燃烧不充分，汽车发动机将会产生一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物等有害气体，其中一氧化碳占据了绝大部分。

而我们知道，国六标准中五种物质的排放要求分别为：一氧化碳的排放量由之前的1000mg/km直接“对半砍”，非甲烷烃和氮氧化物的排放标准也近乎国五时的半数，PM细颗粒物由国五的4.5mg/km减少至3mg/km，并且新增了PN （颗粒物的粒子数量）的检测。

因此，要降低每公里一氧化碳排放量，就需要优化发动机的进气系统，比如调整气门角度、喷射压力大小、优化喷射导向等。而要减少非甲烷烃的产生，则是解决“油”的问题。

非甲烷烃是燃料没有完全燃烧或者没有燃烧的产物，包括燃油、润滑油及其裂解的产物和部分氧化物在内的200多种复杂成分，通常主要来自于冷车启动阶段。而在国六标准下的测试循环中，新标准全面考核冷启动、加减速及高速负荷状态下的排放。

与“喷气”同理，“喷油”技术的改良，也会降低非甲烷烃的排放。比如优化燃油系统，改善燃油雾化。歧管喷射发动机可以采用多孔或者双喷喷油器，缸内直喷发动机可以提高最大系统的油压。

举个例子，丰田的D-4S与大众的第三代EA888发动机，这两款发动机既使用了歧管喷射，又包含了缸内直喷的混合喷射技术。并且D-4S发动机在部分车型上低负载状态采用歧管喷射，高负载采用歧管和缸内直喷。这对于强势的自主品牌来说，技术压力还是非常大的。

后处理时代

说完“气”和“油”来说说后处理环节，尾气后处理环节就像婴儿的纸尿裤，需要防漏、吸收性好、不渗透等效果。从排气歧管出来的废气会在三元催化器中，有害成分在里面进行反应，最终会变成对人体无害的物质。

氮氧化物主要依靠排气后处理，就汽油发动机而言，尾气后处理装置主要有转化用的三元催化器、氧化反应的热反应器和化合反应的空气喷射器等。这三者的工作原理本质上都是将汽车排气系统中的有害物质碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物稀释或者转化掉再排出车外。

而更严苛的国六标准，就要求新材料的应用，通过降低材料的比热容，提高接触面积，优化气体流场，提高贵金属使用量等手段，来提高尾气净化效果。

目前看来，国六的实施存在着五大技术难点：1）现有技术指标增强，如几个主要排放物指标。2）增加新指标，如颗粒物的粒子数量（PN）。3）监测标准严苛，WLTC循环，标准叫WLTP，对OBD限值提出更高要求。4）成本会更高，如增加颗粒捕捉器（GPF）。5）对零部件供应商有更多要求。

其中，对于降低PN排放的后处理技术，可以在三元催化器中安置汽油机颗粒捕捉器（GPF）。它由一定孔密度的蜂窝状陶瓷组成，通过交替封堵蜂窝状多孔陶瓷过滤体，排气流被迫从孔道壁面通过，在这个过程中，颗粒物分别经过扩散、拦截、重力和惯性四种方式被捕集过滤，从而达到净化效果。

此外，国六标准还加严了蒸发排放控制，要求车辆安装ORVR（车载加油油气回收系统）油气在线回收装置。它能够收集加油过程中从油箱中挥发出来的燃油蒸气，它对于新车通过国六排放法规中汽油蒸发量标准大有帮助。

而根据“国六”排放法规中的OBD诊断要求以及北美排放法规中的OBD II的要求，需要对曲轴箱通风系统进行管路接头的完整性诊断。国内零部件公司有电流回路的诊断方式、国外有压力传感器方案，在非发动机技术变革中，更多的零部件企业开始参与国六标准当中。

不仅如此，通过控制各个管理模块的ECU的数据提供，也可以追溯至各零部件企业，其作为外部供应商可以为车企节约大量的标定开发时间，也可以通过批量生产降低零部件成本，从而为车企降低单车成本。

总体来说，国五升级到国六，不仅仅是提升发动机技术来达到排放标准，还要通过综合优化各种途径才能达到最终要求，给整车厂商及供应商都带来了极大的挑战。

记者经在各车企采访中得知，一套符合国六标准的排放系统相较于国五的成本，根据不同厂家的应对策略以及供应商的异同，将花费1,200~5,000元不等。这笔费用对于有的车企来说是一笔不小的开销，但是参与到国六标准中，除了改善环境空气质量，确实有助于汽车企业淘汰落后产能、引领产业升级，还将参与国际市场竞争，推动汽车产业发展。

国六裹挟着将一切撕裂的姿态，全行业必要经历一次攻克难关、研发创新、直面竞争的洗礼。这不仅是蓝天保卫战的呐喊，也是产业韶华再起的新开端。而2019年注定是中国汽车行业浓墨重彩的一笔。所有的参与者唯有努力奔跑，才能不被留在原地。