重型柴油发动机瞬态工况排放试验研究

杨神林

【摘 要】为验证颗粒捕集器（DPF）后处理系统的重型柴油发动机在《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物限值及测量方法（台架工况法）》规定的WHTC试验循环下的污染物排放，选用了一台国五排放的重型柴油发动机进行了ETC、WHTC循环的对比试验研究。研究表明，采用DPF技术的重型国五柴油发动机，能满足台架工况法规定的WHTC循环下的排放限值要求，在DPF不再生时，ETC、热态WHTC、冷态WHTC这三个循环相比，氮氧化物（NOX）排放增加，排气温度降低，燃料消耗量增加；在DPF再生时，热态WHTC循环下，发动机及后处理系统工作较为恶劣，总体燃烧不好，造成与再生时的ETC循环相比NOX偏低，其他污染物全部大幅度升高。

【关键词】重型汽车；柴油发动机；排放；颗粒捕集器；WHTC；ETC

为改善空气污染状况，北京、上海等地相继对公交、环卫、邮政用途的重型汽车提前实施国四排放标准，由于公交车行驶在低温低速的城市工况下，选择性催化还原系统（SCR）不能正常工作，导致车辆氮氧化物（NOX）排放严重超标。

造成这一问题的原因在于，现行的排放标准规定的瞬态试验循环（European Transient Cycle，ETC）与城市公交实际运行情况相比，发动机平均负荷相对较高，平均排气温度也较高，造成发动机生产企业在开发新发动机时时基本没有考虑低温、低负荷的工况，以至于在实际的低温低负荷的城区工况中运行时，会产生很高的NOX排放。而全球统一的重型发动机瞬态试验循环（World Harmonized Transient Cycle， WHTC），在发动机平均转速、平均功率、怠速时间、排气温度等方面，与目前实际城市车辆运行工况吻合较好。为了解决城市车辆低速低温工况氮氧化物超标问题，并在国五排放标准实施前修补现行排放标准的漏洞，环境保护部组织相关专家进行研究，引入WHTC循环作为新标准的试验工况，编制了新的重型汽车排放标准，即《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物限值及测量方法（台架工况法）》。

国五排放重型柴油发动机主要有两种技术路线，EGR+DOC+DPF和缸内净化+SCR，由于在编制标准过程中，主要研究对象是SCR技术路线的重型柴油车，因此，本文将以EGR+DOC+DPF技术路线为研究对象，对重型国五排放柴油车瞬态试验循环进行对比研究。

1.试验循环

1.1 ETC循环

我国于2005年颁布的GB17691-2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法的国家标准，采用了欧盟标准规定的ETC试验循环来测量发动机的气态污染物排放。欧盟瞬态循环是在重型车实际道路行驶工况测量的基础上研究而成的，有测功机和发动机台架两种表现形式，循环总时长共1800秒，根据不同的驾驶环境，分成城市、郊区和高速三部分，每部分时长600秒。

1.2全球统一的重型发动机瞬态试验循环（World Harmonized Transient Cycle，WHTC）

在WP29的框架下，UN ECE GRPE工作组制定了第4号全球技术法规（GTR 04）《全球统一的重型车测试规程（WHDC）》， 该法规充分考虑了世界各地的道路情况，试验工况由欧盟、美国、日本、澳大利亚等地区的典型路面驾驶工况总结而成，整个工况也是1800秒，市区、市郊和高速分别约为892秒、468秒、440秒。

排放试验时，首先进行一个完整的冷启动WHTC 测试，紧接着是10 分钟的热浸时间（发动机关闭并且不采集数据），然后一个热启动的WHTC 测试。发动机最终的排放值由冷启动和热启动加权计算而来，冷启动的加权系数为14%，热启动的加权系数为86%。

1.3试验设备和样机

试验设备为AVL AFAT490交流电力测功机、Horiba MEXA-7200D排气分析仪和HoribaDLS-7200E颗粒采集系统。

选用5H型重型柴油发动机作为试验样机，该发动机排量2.2L，直列四缸、四冲程，增压中冷，高压共轨，电控EGR，后处理系统为DOC+DPF，满足重型柴油国五排放水平。

2.试验过程

由于此次之前，在国内从未进行过DPF后处理系统的WHTC瞬态循环的排放试验，不能确保DPF后处理系统在低速低温的工况循环下能正常工作，因此，本次的试验过程安排的首先要验证发动机在ETC工况下的排放状态，在发动机工作正常的基础上验证热态WHTC循环下的排放结果，确保能在热态WHTC循环下正常工作，最后，开始进行冷态WHTC循环排放试验。同时，根据DPF后处理系统周期再生的特性，安排整个试验过程。

发动机冷启动后进行热机，达到厂家设定工作条件后，检查发动机外特性，分别开始DPF不再生与再生情况下的ETC循环的排放试验；停机进行20分钟热浸车，同时计算ETC工况下的排放结果并核实发动机状态；分别开始DPF不再生与再生情况下热态WHTC循环的排放试验，停机，并计算热态WHTC循环的排放结果；发动机冷却至第二天，发动机冷启动后，立即进行冷态WHTC循环的排放试验。

3.试验结果及分析

3.1 排放试验结果

重型柴油发动机排放试验测量CO、NOX、THC、PM这4种排放污染物，ETC、冷态WHTC、热态WHTC三种试验循环，同时附上CO2、排气温度的试验结果。

3.2排放试验结果分析

比较两个循环，我们可以发现，WHTC循环与ETC循环的平均转速分别为2369r/min、1786r/min，工况整体偏向低转速小负荷。两个循环相比，WHTC比ETC的平均转速低580r/min，循环功低5.5kW，循环累计油耗降低1.7kg，平均排气温度降低55℃。

从试验结果可以看出，WHTC循环比ETC循环NOX排放增加15-20%左右，冷态WHTC循环下NOX排放更高。WHTC循环下的NOX排放比ETC循环高16.6%，冷态WHTC循环NOX排放比ETC循环高35.9%，冷态WHTC循环NOX排放比WHTC循环高16.5%。

由于DPF系统的优势，无论在ETC、WHTC、冷态WHTC的循环下，该发动机的后处理系统都能正常工作，对PM处理非常理想，各种循环下PM绝对值变化不大。但是，再生时WHTC循环发动机及后处理系统工作较为恶劣，总体燃烧不好，造成与再生时ETC相比NOx偏低，其他污染物全部大幅度升高，WHTC循环比ETC循环CO2排放偏高6%左右，即油耗升高。

4.结论

通过重型柴油发动机冷热态WHTC循环和ETC循环排放试验，并对排放污染物试验结果进行分析，可以得出以下结论：

（1）颗粒捕集器（DPF）后处理系统的重型柴油发动机，能满足《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物限值及测量方法（台架工况法）》规定的WHTC试验循环下的污染物排放限值要求。

（2）在DPF不再生时，ETC、热态WHTC、冷态WHTC这三个循环相比，氮氧化物（NOX）排放增加，排气温度降低，燃料消耗量增加；在DPF再生时，热态WHTC循环下，发动机及后处理系统工作较为恶劣，总体燃烧不好，造成与再生时的ETC循环相比NOX偏低，其他污染物全部大幅度升高。

（3）考虑到WHTC循环整体工况情况，在WHTC循环下运行可能会导致DPF后处理系统的再生周期缩短，这一点有待后续验证。 [科]

【参考文献】

[1]DB11/964-2013.车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物限值及测量方法（台架工况法）.

[2]GB17691-2005.车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中图III、IV、V阶段）.