重型车国六法规和中国工况发动机测试循环的差异分析

汪晓伟 关 娇 高 涛 潘锁柱 胡 熙 劳海亮

（1-中汽研汽车检验中心（天津）有限公司 天津 300300 2-西华大学汽车与交通学院）

引言

2018 年发布的GB 17691-2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法》（国六）采用全球统一重型发动机瞬态循环（WHTC）和全球统一的重型发动机稳态循环（WHSC）对排放进行评估和认证[1]。以上工况开发过程中没有采用我国车辆的实际道路行驶数据，而是更多地采用了欧美国家的数据，因此与我国商用重型车发动机实际工况间存在一定的偏差。在这种背景下，由工信部支持，中国汽车技术研究中心有限公司牵头开发了“《中国汽车行驶工况》国家标准第3 部分：发动机”，目前已经进入征求意见阶段[2]。该发动机工况也由瞬态工况（CHTC）和稳态工况（CHSC）组成。

为了研究重型车国六法规和中国工况发动机测试循环的差异，本文在一台柴油机上分别运行上述稳态和瞬态工况，对比分析了基于国六标定开发的发动机在上述工况下的排放差异。

1 试验介绍

1.1 测试发动机和测试设备

本文选取了一台满足国六排放标准的2.8L 柴油发动机。排放控制技术路线为氧化催化器（DOC）+颗粒捕集器（DPF）+选择性催化还原器（SCR）+氨催化器（ASC）。测试用柴油发动机的主要技术参数如表1 所示。

表1 测试发动机的主要技术参数

主要的测试设备如表2 所示。

表2 主要的测试设备

1.2 试验设置

按照重型车国六排放法规的要求，分别运行冷热态的WHTC、热态的WHSC，以及冷热态的CHTC和热态的CHSC。排放的计算方式完全按照国六法规进行相关的数据运算。

2 试验结果

2.1 稳态工况WHSC 和CHSC 的工况对比

中国发动机稳态试验工况CHSC 和WHSC 工况的对比情况如图1 所示。图中稳态工况点对应的气泡大小和其在工况中的时间比例成正比。从图中可以看到，CHSC 考核的转速和负荷更低。CHSC 最大的归一化转速为60%，而WHSC 为75%。CHSC 除怠速工况外最低的负荷百分比为10%，而WHSC 为25%。

图1 稳态工况CHSC 和WHSC 对比

CHSC 的回归分析如图2～图4 所示。从图中可以看到，转速、转矩、功率的回归线斜率分别为1.002、0.998 1 和0.998 6；相关系数分别为1、0.998 8和0.999 3；截距分别为0.376 1，、0.322 和0.052 3。此外经计算得到转速、转矩、功率回归线的标准偏差（SEE）分别为0.4、3.46 和0.53，均满足国六法规表C.3 中WHSC 回归线的允差。说明此发动机运行CHTC 工况跟随性很好。

图2 CHSC 发动机转速的回归分析

图3 CHSC 发动机转矩的回归分析

图4 CHSC 发动机功率的回归分析

在选用的发动机上依次运行WHSC 和CHSC，相关运行数据和排放结果对比如表3 所示。从表中可以看到，CHSC 的总时长和怠速时长低于WHSC，怠速比例则略低。CHSC 的总功率为22.02kW，比WHSC 的总功率低了17.5%，CHSC 更加偏向于低负荷的工况。

表3 WHSC 和CHSC 结果对比

从排放结果来看，不管是CHSC 和WHSC，排放均能满足国六法规的要求。其中，NOx、PM 和THC 污染物，CHSC 比WHSC 分别高134.5%、29.6%和94.4%。而PN 排放，CHSC 比WHSC 低65.6%。CO 的排放，两者均低于检测限值。由于CHSC 整体的转速和负荷比WHSC 要低，导致的排温较低引起NOx排放的增加；导致的不完全燃烧增加引起THC 和CO2排放的增加。同时，负荷低，PN 排放降低。PM 排放的增加可能来源于不完全燃烧导致滤纸上可挥发性有机物的成分增多[3]。

2.2 瞬态工况WHTC 和CHTC 的工况对比

中国发动机瞬态试验工况CHTC 和WHTC 工况的对比情况如图5～图7 所示。CHTC 和WHTC 的时间均为1 800 s。对于该柴油发动机，CHTC 的平均发动机转速为1 483 r/min，而WHTC 的平均发动机转速为1 568 r/min。而从图7 中可以看到，CHTC 在中低速覆盖的工况范围比WHTC 大，而在高速段覆盖的工况范围比WHTC 小。

图5 CHTC 和WHTC 的发动机转速对比

图6 CHTC 和WHTC 的发动机转矩对比

CHTC 的回归分析如图8～图10 所示。从图中可以看到，转速、转矩、功率回归线的斜率分别为0.999 5、0.979 8 和0.976；相关系数分别为0.999 9、0.903 6 和0.921 9；截距分别为0.756 1、2.608 9 和0.553 3。此外经计算得到转速、转矩、功率回归线的标准偏差（SEE）分别为3.47、36.49 和6.63，均满足国六法规表C.2 中WHTC 回归线的允差。说明发动机运行CHTC工况并不存在跟随性不好的问题。

图9 CHTC 发动机转矩的回归分析

图10 CHTC 发动机功率的回归分析

CHTC 和WHTC 运行数据和排放结果对比如表4 所示。CHTC 的总功率为18.75 kW，比WHTC 的总功率低了约4%。从排放结果来看，不管是CHTC 和WHTC，排放均能满足国六法规的要求，但CHTC 各种污染物的排放结果均高于WHTC。其中最为关注的NOx、PM 和PN 污染物，CHTC 较WHTC 分别增加了62.9%、96.4%和64.3%。该数据表明，企业需要为了CHTC 做针对性的标定。

表4 WHTC 和CHTC 结果对比（冷热态）

图11 和图12 是冷热态WHTC 和CHTC 的排气温度变化情况。从图中可以看出，在前350 s，无论冷态还是热态，CHTC 的排气温度要明显低于WHTC。这主要是因为CHTC 在前350 s 的转速和转矩都比较低。从NOx的瞬态排放结果来看，在热态时，CHTC在前350 s 的NOx排放要显著高于WHTC。

图11 CHTC 和WHTC 的排气温度（冷态）

图12 CHTC 和WHTC 的排气温度（热态）

3 结论

通过对一台国六柴油发动机分别按照重型车国六法规和中国工况的发动机测试循环运行稳态循环和瞬态循环，发现：

1）运行中国工况的发动机稳态和瞬态测试循环，转速、转矩和功率回归分析的结果均满足国六法规的要求，表明此发动机运行该稳态和瞬态测试循环的跟随性很好。

2）中国工况和重型车国六法规的发动机测试循环的排放测试结果表明，对于基于国六测试循环标定的该台柴油发动机，除了稳态循环下的PN 污染物外，中国工况发动机测试循环的其它污染物排放均要高于国六法规。

3）中国工况的发动机瞬态测试循环在前350 s的排气温度低，将对低速低负荷下的后处理转化效率提出更大的挑战。