原创《轻型柴油商用车油耗排放法规与技术分析》
本文是关于技术方面论文范本与商用车和技术对策分析和排放类本科毕业论文范文。
摘 要：轻型商用车第三阶段油耗限值于2018年实施,轻型汽车国Ⅵ排放标准将于2020年起实施,因此,轻型柴油商用车面临着严峻的油耗和排放法规升级压力.加强对节能减排技术的梳理,采取有针对性的技术路线和组合,成为企业关注的焦点.
近来,雷诺与华晨的合资以及江淮与大众的第二家合资公司,均定位于轻型商用车的研发、生产与销售.继乘用车、新能源汽车之后,轻型商用车成为新的合资热点,尽管近年来国内轻型商用车市场存在较大波动,但是市场前景可期.从标准法规的角度看,轻型柴油商用车面临着日趋严峻的节能减排压力,因此,多种节能减排技术的综合利用成为关键.
轻型柴油商用车油耗法规分析
1轻型柴油商用车油耗测试方法分析
轻型柴油商用车油耗测试方法按照GB／T19233-2008《轻型汽车燃料消耗量试验方法》执行,该标准替代的是GB／T19233-2003《轻型汽车燃料消耗量测试方法》,总体而言,参照欧盟(EU) 93／116/EC指令《关于机动车二氧化碳排放量和燃料消耗量》进行编写的,规定了测试工况、燃料消耗量的试验方法和计算方法.
目前,该标准已经使用多年,存在以下几方面的问题：
(1)试验工况：非瞬态工况,市区市郊里程分配不合理,怠速比例等差异.
(2)无法全面评价车辆的节能与排放性能,如低温、空调使用、高海拔等.
(3)试验加载质量、分段加载方式不合理.
(4)部分节能技术效果无法体现或体现不全面.
(5)现有固定渐变系数(0.92)设置不合理；
因此,GB／T19233-2008《轻型汽车燃料消耗量试验方法》将启动修订,主要目标是：在更贴近我国实际车辆油耗状态需求的驱动下,首选采用中国工况作为燃料消耗量测试基准工况和附加工况；在满足油耗测试需求的前提下,尽量从试验规程、族系划分等方面与国VI排放标准协调,减轻行业负担.
2轻型柴油商用车油耗限值分析
GB 20997-2007《轻型商用车辆燃油消耗量限值（第一、二阶段）》于2008年2月1日起实施,是我国第一个控制商用车辆燃料消耗量的强制性国家标准.规定2011年1月1日起,轻型商用车必须达到第二阶段限值要求.
GB 20997-2016《轻型商用车燃油消耗量限值（第三阶段）》于2016年1月批准发布．2018年1月1日起实施.加严了车型燃料消耗量限值要求；选择整备质量代替“最大设计质量+排量”作为燃料消耗量的评价参数.
轻型商用车第三阶段燃料消耗量的限值见表l和表2.其中,对于具有下列一种或多种结构的车辆：
a) Nl类全封闭厢式车辆；
b) Nl类罐式车辆；
c)全轮驱动的车辆.
其限值是表l或表2中的限值乘以1.05,求得的数值圆整（四舍五入）至小数点后一位.
轻型柴油商周车排放法规分析
轻型柴油高用车排放法规按照GB 18352.6-2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》执行,该标准于2016年12月发布,并于2020年7月1日起实施.与第五阶段相比,主要在以下几方面存在变化：
(1)变更了I型试验测试循环,加严了污染物排放限值,增加了汽油车排放颗粒物数量测量要求；
(2)采用燃油中立的原则,对于汽油车和柴油车采用相同限值标准；
(3)将实际行驶污染物排放(RDE)试验定为II型试验；
(4)修订了对车载诊断系统的监测项目、阈值及检测条件等技术要求；
(5)修订了获取汽车车载诊断系统和汽车维护修理信息的相关要求；
(6)修订了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.
从排放限值来看,国VI排放标准分为两个阶段,其中a、b阶段限值分别如表3和表4所示.
在实施日期方面,自标准发布之日起,即可依据本标准进行型式检验；自2020年7月1日起,所有销售和注册登记的轻型汽车应符合本标准要求,其中I型试验应符合6a限值要求.自2023年7月1日起,所有销售和注册登记的轻型汽车应符合本标准要求,其中I型试验应符合6b限值要求.
轻型柴油商用车节能技术分析
应对油耗法规的升级,动力总成相关技术是重要手段.通过行业调研发现,整车、发动机及变速器企业均加大了对动力总成节能潜力的挖掘,多种前沿技术成为行业集中研发的重点,部分国外轻型柴油车采用的节能技术逐渐被引进到国内的产品上来,具有前瞻性的企业率先开始了新技术的研发、试制和推广.
l动力总成节能技术
整体来看,目前行业关注度比较高的动力总成节能技术包括：高压共轨、可变截面增压器(VGT)、增压复合、电控附件、可变气门技术(VVT)、启停技术、降摩擦技术以及多档位变速器技术等.从国内市场来看,当前对先进的动力总成节能技术应用偏少,而国外的轻型柴油车市场相应的技术研究起步早,积累了一定的基础.通过对国际上知名的研究机构的试验数据分析,可知不同技术的节能效果差异明显,如表5所示.
整体来看,国内轻柴车型动力总成技术的应用表现出如下几个特点：
(1)电控附件涵盖的细分技术较多,企业选择面广
在上述节能技术中,电控附件技术作为技术包涵盖多种细分技术,不仅行业关注度广泛,而且应用形式各异,木同领域的企业往往根据需求选择研发和装备不同的技术,如表6所示．
(2)高压共轨成为必选技术路线,喷油压力逐步攀升
随着排放标准的逐步升级,高压共轨技术逐渐成为燃油喷射系统的主流技术路线,成为行业普遍的选择.目前,国内轻型柴油车产品在升级国IV后基本都采用高压共轨技术来实现发动机本体的节能减排目标.通过调研可以发现,当前高压共轨的喷油压力集中在1600～1800bar的区间内,将来为满足国VI排放标准,喷油压力将进一步提升至2000bar以上,对于降低油耗水平具有显著的意义.典型企业的高压共轨喷油压力变化情况如表7所示.
(3)多档化成为变速器的重要发展方向
从变速器的应用来看,国内主要以5档手动变速器为主,随着轻柴产品的升级,越来越多的企业逐渐采用6档变速器.当前已经采用多档变速器的主要产品及车型如表8所示.
(4)降摩擦技术具有较高的节能性价比,成为行业共性选择
发动机摩擦功的降低有很多途径,包括低粘度机油、DLC涂层、低摩擦材料附件系统,以及材料的轻量化等均对油耗的降低产生积极作用,而且对发动机本体改动小、无需控制策略的调整,成本较低.
2整车相关的节能技术
除动力总成节能技术之外,轻量化、空气功力学（降低风阻）、低滚阻轮胎（降低滚动阻力）等整车相关节能手段也是轻型柴油车重要的节能技术.根据国内外研究机构的评估,可知降低空气阻力、降低滚动阻力和轻量化的节能效果如表9所示.
(1)空气动力学一降低空气阻力
空气动力学主要是降低车辆行驶时的空气阻力（风阻）．在高速工况下对油耗的影响最为显著.相关研究表明,风阻约消耗车辆运行所需燃油的40%左右,对于在高等级公路上行驶的轻型柴油车,若空气阻力系数降低30%．可降低油耗10%以上.因此运用空气动力学降低风阻是重要的节能手段,对于货车来讲,主要考虑驾驶室造型、驾驶室顶部大灯、外置喇叭或后视镜等产生扰流作用的部件、遮阳罩、侧防护栏、导流罩（驾驶室侧导流板和前扰流）等因素,对于客车来讲,也逐步开发了适用于量产车的空气动力学零部件,如扰流板(Spoiler)、风幕(Air Curtain)、主动进气格栅、侧裙(Skirt)、底盘平整化、尾翼、扩散器等.
(2)低滚阻轮胎一降低滚动阻力
轮胎滚动阻力约消耗车型运行所需燃油的30%．因此利用低滚阻轮胎降低车辆行驶的滚动阻力可以显著降低燃料消耗量.与传统轮胎相比,低滚阻轮胎的花纹、侧壁及轮毂的尺寸有所不同.低滚阻轮胎直径更大,轮胎每转动一圈行驶距离更长,低滚阻轮胎胎宽也比较窄,可以减少与地面的接触面积,进而降低轮胎的滚动阻力.但是会导致其在湿滑路面的起步和刹车迟滞、疲软,在一定程度上影响消费者的选择.
国内外的轮胎供应商在进一步降低滚动阻力方面展开了深入的研究,并取得了一定的进展.目前提高轮胎性能方面主要采取两方面的策略：一方面,通过材料创新,如SSBR-溶聚丁苯橡胶、高分散性白炭黑等；另一方面,通过轮胎骨架、结构和轮廓的优化,尤其是花纹设计的优化,使轮胎负荷下的应变和应力得到合理分布.这些技术策略,均可以有效降低内摩擦生热及滚动阻力.
(3)轻量化技术一降低车重
轻量化技术是广受行业关注的重要技术之一,据相关研究表明,汽车整备质量每降低10%．油耗可降低6%～8%.从技术手段上看,汽车轻量化技术可以分为结构优化设计、轻量化材料的应用和先进制造工艺等3个方面.轻量化的主要技术见表10.
根据企业调研情况来看,国内企业主要集中在结构优化设计和轻量化材料的应用两方面,在轻量化工艺方面存在着欠缺；同时,出于成本、承载力和耐久等方面考虑,轻量化技术的应用仍受到较大的限制.
轻型柴油商用车排放控制技术分析
从排放控制技术来看,主要包括机内净化技术和机外净化技术：
1机内净化技术
传统的机内净化技术主要是指单纯的对发动机进气系统、燃油喷射系统、燃烧系统等进行优化以达到降低排放的目的.
首先,在进气系统上,发动机主要通过以下技术达到降低排放的效果,如废气再循环系统(EGR)可以降低燃烧室内混合气的氧浓度和提高混合气的比热容,达到降低燃烧温度的效果,可以有效抑制氮氧化物(NOx)产生；采用增压中冷技术,可以提高发动机的充气效率,降低进气温度,优化燃烧,明显改善PM和NOx的排放：发动机采用多气门技术,可以显著改善进排气,可以一定程度上优化排放；通过可变气门正时技术改善排放,这主要是由于可变气门正时技术能够实现不同程度的内部EGR．可变气门正时通过改变进、排气相位,得到不同的气门重叠角,从而对缸内的残余废气系数进行控制,实现了不同程度的内部EGR．因此,精确的气门正时控制可以实现HC、CO、NOx的同时优化.
其次,在燃油喷射系统上,发动机电控燃油喷射系统是发动机提高排放水平的重要措施和基本保证,通过电控燃油喷射系统可以根据发动机工况的变化,实时对喷油脉冲时刻、喷油量、气门开度等进行精确控制,在提高燃烧效率的同时显著降低排放.柴油机主要采用高压共轨+多次喷射技术,通过较高的喷射压力使燃油充分雾化,各缸的燃油和空气混合达到最佳,使燃烧更加充分,降低HC和CO排放；同时采用多次喷射技术,将一个喷油循环分为预喷、主喷、后喷等多个环节,达到同时降低PM与NOx排放的目的,并可以提高排气温度,使催化器快速起燃.
第三,在燃烧系统上,柴油机通过燃烧室优化,也可以达到改善燃烧、降低排放的作用.汽油机通过可变压缩比技术,实现随着负荷变化连续调节压缩比,在负荷小时提高压缩比,在负荷大时调低压缩比实现大功率和高扭矩输出,在提高热效率的同时降低排放.
发动机机内净化技术还有一些其他手段：怠速起停技术可以使发动机在遇到红灯或堵车时,发动机自动熄火,可在综合工况下减少5%的CO排放.此外,发动机复合技术发展显著,一些新型的复合净化技术也得到了应用,如复合EGR技术、复合增压技术、双涡管单涡轮等先进增压技术也对发动机机内净化起到良好效果.
2机外净化技术
机外净化技术主要是通过后处理装置实现,是满足未来排放法规的主流趋势.目前行业存在着多种柴油机机外净化技术路线：
第一种常见的是SCR路线,即先通过强化机内燃烧来降低颗粒物排放,再用SCR来降低因燃烧优化而产生的NOx排放.该路线在欧洲采用较多,能够满足欧IV和欧V排放标准.此外,该技术路线在美国也适用．EPA规定大部分重型柴油车在2007年须装备SCR.
第二种是EGR+DPF路线,即先通过EGR降低燃烧温度以降低机内NOx生成,再用DPF捕集因使用EGR而增加的颗粒物,从而达到同时降低NOx和PM的效果.该路线在美国采用较为普遍.
从表11的比较中可以看出两种方案各有优缺点.为满足欧V及以上排放法规,可能要在机内净化技术的基础上,将SCR和DPF两者结合使用.
建议
为满足轻型柴油商用车的油耗排放法规,建议进一步提高高压共轨的喷油压力,对于城市工况较多的车型采用启停技术,可同时降低油耗和排放.在节能方面,还可以采取高效涡轮增压技术、可变气门技术；以电控附件、润滑油技术等降低附件功和摩擦功；通过轻量化技术、空气动力学技术及低滚阻轮胎技术,降低整车阻力.在排放控制方面,通过优化热管理、降低催化器起燃温度、提高排气温度等手段降低冷启动阶段发动机排放；通过VGT增压技术、怠速起停技术等降低城区工况、怠速工况下排放水平；采用DOC+DPF+SCR的后处理技术.
此外,为保障轻型柴油商用车节能减排工作落到实处,建议政府主管部门在管理制度、标准法规和财税政策方面加强引导和支持,促进轻型柴油商用车市场的健康发展.
技术论文参考资料：
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