车辆匹配直喷增压发动机的NEDC/WLTC循环排放分析

李基凤 张 毅 马冠钦 杨万里 王瑞平,2

（1-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336 2-浙江吉利罗佑发动机有限公司）

引言

随着中国第六阶段排放法规的发布，对乘用车排放的要求日趋严格。中国第六阶段排放法规a阶段将于2020年7月1日实施，法规中的CO限值为700 mg/km，较中国第五阶段排放法规中的CO限值加严了30%，增加了对汽油车的颗粒物数量（PN）限值要求。整车排放测试循环将由NEDC（new european driving cycle）更换为WLTC（world harmonized light duty test cycle），试验循环时间加长，工况更加复杂，车速变化更为频繁，整车排放更高。

影响车辆排放的因素包含2个方面：一方面是发动机缸内的工作情况，另一方面是排气后处理。

Gunter P.Merker等人[1]对 CO、HC、NOx排放随过量空气系数变化的趋势进行了研究。结果表明，排放污染物的产生受过量空气系数的影响很大。过量空气系数较小时，缸内混合气较浓，CO、HC排放较高，NOx排放相对较少；随着过量空气系数的增大，CO排放下降，最终达到最小值；HC排放在过量空气系数为1.2左右达到最低值，之后随过量空气系数的增大而升高；在过量空气系数为1.1左右时，NOx排放达到峰值，之后随过量空气系数的增大而下降。过量空气系数较大时，缸内混合气稀薄，容易造成失火。

面对日益严格的排放法规，了解排放产生的阶段、原因，对于采取合理的措施降低排放具有重要的意义。

本文分析了NEDC/WLTC循环下排放污染物的差异、产生阶段及原因。

1 整车排放测试

本文试验车辆为某款轿车，匹配缸内直喷涡轮增压发动机与6MT手动变速箱，整车及发动机参数见表1。

表1 整车及发动机参数

试验室温度控制在（23±5）℃，试验在转毂台架上进行。气态污染物及颗粒物采样流程如图1所示。

图1 整车排放试验流程图

汽车排气与稀释空气在混合装置中混合稀释后进入稀释通道，颗粒物的取样点布置在稀释通道内，从均匀的空气/排气混合气中抽取具有代表性的样气；气态污染物样气取样点位于热交换器上游。

颗粒物排放测量方法[2]如下：

1）颗粒物数量排放测量方法。采用颗粒物取样探头（PSP）在稀释通道内取样，取样探头安装在距气体入口大约10倍通道直径且处于气流下游方向的地方，面向气流方向，取样探头探针的中心轴与稀释通道的中心轴平行，经粒子传输管（PTT）、取样预分离器（PCF）、挥发性粒子去除器（VPR），到达粒子计数器（PNC）对颗粒物进行计数。

2）颗粒物质量排放测量方法。在稀释通道内取样，对试验滤纸进行称重，得到颗粒物质量。对取样滤纸的要求是：至少在试验前2 h将滤纸放置在一只防止灰尘进入的开口盘中，并放置在称重室进行稳定。稳定处理结束后，对滤纸进行称重记录。试验前，滤纸应放置在有盖的密闭器皿内或密封的滤纸架内。

整车排放试验循环包括NEDC循环和WLTC循环，如图2所示。

图2 NEDC/WLTC循环

NEDC循环包括市区循环（ECE）和市郊循环（EUDC），总时长1 180 s，怠速时间约占33%，最高车速为120 km/h；WLTC循环包括低速、中速、高速、超高速等4个阶段，总时长1 800 s，怠速时间约占13%，最高车速为131.6 km/h。

NEDC/WLTC循环对比见表2。从表2中NEDC循环与WLTC循环的车速变化对比可知，WLTC循环，车速波动相对频繁，运行工况较复杂。

表2 NEDC/WLTC循环对比

2 排放结果分析

本文基于某轿车NEDC/WLTC循环整车排放试验结果，对比分析NEDC循环与WLTC循环下排放污染物（CO、THC、NOx）的差异，从排放污染物产生阶段、排气温度、各排放污染物的催化效率等方面分析排放污染物产生的原因。

2.1 NEDC/WLTC循环排放对比分析

发动机的过量空气系数影响缸内燃烧情况，进而对排放造成影响。图3为发动机过量空气系数对燃烧和排放的影响。

图3 发动机过量空气系数的影响

由图3可以看出，高速高负荷区域，过量空气系数较低，存在加浓情况，为CO、THC排放污染物的产生提供了条件。

虽然WLTC循环车速变化频繁，但其CO2排放较NEDC循环低1%～8%，原因有2个：

1）WLTC循环冷起动时间较短；

2）发动机某些工况运行在效率较高的区域[3-5]。

图4为2种循环下CO2、CO、THC和NOx排放污染物的试验结果对比。

图4 NEDC/WLTC循环排放污染物对比

NEDC循环、WLTC循环的CO排放分别为320 mg/km、570 mg/km左右，均满足国六a阶段排放限值700 mg/km，WLTC循环的CO排放比NEDC循环高78%；NEDC循环与WLTC循环的THC、NOx排放差异不大，分别满足国六a阶段限值100 mg/km、68 mg/km；NEDC循环与WLTC循环的CO2排放分别为145g/km与141g/km，WLTC循环的CO2排放稍低于NEDC循环。

基于排放污染物HC、CO、CO2的排放量,根据碳平衡原理可得到车辆试验循环的百公里油耗。

生成HC、CO、CO2的反应式为：

C原子的摩尔质量M为：

式中：a为HC的排放量，mol/km；b为CO的排放量，mol/km；c为CO2的排放量，mol/km；摩尔质量M的单位为mol/km。

汽油质量m为：

式中：汽油质量m的单位为g/km。

百公里油耗FE为：

式中：ρ为汽油密度，kg/L；百公里油耗FE的单位为L/100 km。

在排放污染物中，相比CO2排放量，HC、CO的排放量均较小。在百公里油耗计算时，仅考虑CO2排放的情况下，百公里油耗为：

若汽油密度ρ为0.742 kg/L，则百公里油耗可表示为：

2.2 排放产生原因分析

结合循环车速变化、循环中排气温度及不同排放污染物的催化效率，分析NEDC循环和WLTC循环的CO、THC、NOx、PN排放的产生阶段以及产生原因。

2.2.1 NEDC循环

图5、图6、图7分别为NEDC循环的CO、THC、NOx排放。

由图5、图6、图7可以看出，NEDC循环约50%的CO排放产生于市郊循环的急加速阶段；THC排放35%左右产生于冷起动阶段，25%左右产生于急加速阶段；NOx排放50%左右产生于冷起动阶段，30%左右产生于急加速阶段。即NEDC循环的CO、THC、NOx排放主要产生于NEDC循环前40 s和70～120 km/h急加速阶段。主要原因是NEDC循环前40 s为冷起动阶段，排气温度较低，催化器处于起燃阶段，催化效率较低，导致排放污染物较多。此外，冷起动时，缸内温度较低，燃油蒸发雾化差，导致排放增加。70～120 km/h急加速阶段存在过渡工况，导致燃烧不充分，产生较多的排放污染物。

图5 CO排放（NEDC循环）

图6 THC排放（NEDC循环）

图7 NOx排放（NEDC循环）

图8 为NEDC循环的PN排放。由图8可以看出，PN主要产生于NEDC循环的第1个ECE循环，即NEDC循环前200 s。

图8 PN排放（NEDC循环）

针对冷起动阶段的颗粒物排放，Jongwon Chung等人利用缸内可视化技术，调整喷油策略（喷油次数、喷油时刻及喷油压力等）改善颗粒物排放问题，可使颗粒物排放降低约88%[6]。

2.2.2 WLTC循环

WLTC循环工况比较复杂，车速变化频繁，对应的发动机负荷也相对较高。

图9、图10、图11分别为WLTC循环的CO、THC、NOx排放。

图9 CO排放（WLTC循环）

图10 THC排放（WLTC循环）

由图9、图10、图11可知，WLTC循环60%的CO排放产生于超高速阶段；THC排放20%产生于低速阶段前100 s，50%产生于超高速阶段；NOx排放50%产生于低速阶段前100 s，30%产生于超高速阶段。排放控制可从WLTC循环低速阶段前100 s和超高速阶段入手，分析排放产生的原因，采取措施降低排放。

图11 NOx排放（WLTC循环）

图12 为WLTC循环的PN排放。由图12可以看出，颗粒物排放的70%左右产生于低速阶段前300 s。

图12 PN排放（WLTC循环）

通过对NEDC循环和WLTC循环的排放进行分析可知，NEDC循环的气态污染物排放主要产生于冷起动阶段和急加速阶段；WLTC循环的气态污染物排放主要产生于低速阶段和超高速阶段。NEDC循环的颗粒物排放主要产生于第1个ECE循环，WLTC循环的颗粒物排放主要产生于低速阶段前300 s。

针对冷起动阶段的排放污染物，J.Felipe Rodriguez等人通过改变控制策略降低了冷起动排放。主要包括改善冷起动阶段气门正时、调整喷油策略（喷油量、喷油压力、喷油次数、喷油时刻）等[7-11]。

2.2.3 排气温度

冷起动阶段的排放由2方面原因引起：一方面缸内温度较低，燃油蒸发雾化差；另一方面排气温度低，催化器催化效率低。Kevin Cedrone等人通过改善气门正时、排气背压来缩短催化器起燃时间，提高催化器催化效率[12]。此外，还可通过改善排气系统的热管理、采用电加热催化器提高催化器的催化效率，降低排放[13]。

图13为NEDC/WLTC循环CO的催化效率随排气温度的变化关系。

图13 CO催化效率（NEDC/WLTC循环）

从图13右下角小图可以看出，在35 s时，排气温度已达到催化器起燃温度（350℃），此前催化效率低于90%。随着循环的进行，催化器催化效率接近100%，期间存在波动。在急加速阶段，排气温度接近800℃，温度较高，导致催化效率降低至80%左右。

图14、图15分别为NEDC/WLTC循环THC、NOx的催化效率随排气温度的变化关系。

图14 NOx催化效率（NEDC/WLTC循环）

图15 THC催化效率（NEDC/WLTC循环）

由图14、图15可以看出，在35 s前，即催化器起燃前，THC、NOx的催化效率均低于90%，之后催化器进入工作状态，催化效率接近100%。在急加速阶段，排气温度接近800℃，THC的催化效率降低至90%，NOx的催化效率影响不大。

对于气态污染物排放的控制，可通过改善排气系统的热管理来缩短催化器起燃时间，提高催化效率；对于颗粒物排放，可通过后处理GPF来降低。

3 结论

本文基于某轿车NEDC循环、WLTC循环排放试验结果，对比了CO2、CO、THC、NOx排放在NEDC循环和WLTC循环中的差异，分析了排放污染物在NEDC/WLTC循环的主要产生阶段及产生原因，结论如下：

1）WLTC 循环的 CO2、THC、NOx排放与 NEDC循环差异不大，WLTC循环的CO排放比NEDC循环高78%左右，主要原因在于WLTC循环车速较高、变化频繁，此外，在WLTC循环超高速阶段，排气温度接近800℃，催化器催化效率降低至80%左右，导致排放升高。

2）NEDC循环的气态污染物主要产生于冷起动阶段和急加速阶段，WLTC循环的气态污染物主要产生于低速阶段和超高速阶段。原因是：一方面催化器催化效率低，另一方面NEDC循环在冷起动阶段和急加速阶段燃烧相对较差，而WLTC循环在低速阶段和超高速阶段燃烧相对较差。

3）NEDC的颗粒物排放主要产生于第1个市区循环（ECE）,WLTC循环的颗粒物排放主要产生于低速阶段前300 s。