国六重型柴油机不同测试循环下的排放响应研究

田茂军，黄德军，唐卜，张腾，徐辉

(1.中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122；2.潍柴西港新能源动力有限公司，山东 潍坊 261061)

随着社会的发展、城市化进程的加快以及人民生活水平的提高，汽车保有量逐年攀升，导致我国大中城市交通变得日趋拥堵。ESC(European Steady-state Cycle)和ETC(European Transient Cycle)是国Ⅳ、国Ⅴ阶段评价重型车排放性能的测试循环，其工况转速和负荷均较高，对车辆的低速、低负荷工况考核过少，在实际的车辆排放控制中已凸显出一定弊端。随着GB 17691—2018[1]的发布实施，我国重型车用柴油机排放测试评价工况由ESC和ETC转变为WHSC(World Harmonised Steady-state Cycle)和WHTC(World Harmonised Transient Cycle)。当今世界各个国家和地区执行的排放标准不一，测试循环也存在差异，欧盟、美国、日本这三大排放体系其测试工况也不尽相同。汽车尾气排放受多种因素影响，同一台发动机在不同的测试条件和工况下，其污染物排放、排气温度等参数也存在差异，即排放响应存在差异。随着国内重型车排放标准的进一步发展，有必要对当前世界各主流测试循环的排放响应差异开展研究，从而为国内下一阶段排放测试循环的选择和构建提供理论和数据支撑。国内相关学者已开展了部分研究。黄俊等[2]研究了不同测试循环下轻型汽车的排放特性，发现不同测试循环下车辆的排放结果不同，车辆的加速过程排放对结果起主导作用。冯谦、葛旸等[3-8]对ESC、ETC和WHSC、WHTC循环间的排放差异以及台架循环与整车PEMS的排放差异进行了分析研究。宋东、许家毅等[9-11]研究了不同载荷条件下实际道路行驶的PEMS排放特性。张运[12]研究了道路坡度与交通状况对轻型汽油车实际行驶排放的影响。岳大俊等[13]研究了不同驾驶行为对重型车PEMS结果的影响。汪晓伟等[14]分析了国六排放测试循环与中国工况发动机测试循环的差异。于津涛等[15]研究了重型车PEMS试验工况与中国整车工况的差异。艾毅等[16]研究了WHTC循环与整车C-WTVC循环的排放差异。现有文献对不同工况下的排放响应研究主要集中在ESC、ETC与WHSC、WHTC的差异，以及不同测试条件对整车PEMS的排放影响，鲜有关于发动机在欧、美、中现行标准测试循环下的排放响应对比研究。

本研究在1台基于国Ⅵ标准开发的重型柴油机上开展试验，研究了同一台发动机在欧、美、中现行测试循环下的排放响应。

1 试验装置及方案

1.1 试验装置

采用1台满足GB 17691—2018 6b标准的重型柴油机，其主要技术参数如表1所示，试验设备如表2所示。

表1 发动机主要技术参数

表2 试验设备主要技术参数

测试系统布置如图1所示，采用计量标定合格的全流稀释系统对发动机气态和颗粒污染物进行测量分析，稀释空气经过前置预处理以保障其背景污染物浓度均处于较低水平。为保障试验边界条件一致，采用进气空调系统对发动机进气温度、湿度进行控制；采用试验室全室空调对发动机台架环境进行温度控制，以保障后处理的环境温度尽可能一致；采用符合GB 17691—2018要求的同一批次的基准柴油。

图1 测试系统布置

1.2 试验方案

试验方案如下：

1) 按GB 17691—2018进行WHSC和WHTC冷热态试验。

2) 按40 CFR Part 1065，40 CFR PART 86进行RMC(ramped-modal duty cycle)和HDDE(EPA Engine Dynamometer Schedule for Heavy-Duty Diesel Engines)试验。

3) 按美国加州LLC(Low Load Cycle)循环开展试验。

4) 按40 CFR Part 1065的瞬态冷热循环的热浸时间，将WHTC的热浸时间改为20 min后，开展WHTC冷热态试验。

为保证试验开始前的发动机及后处理状态尽可能一致，在开展每项试验前，需运行1次热态WHTC试验作为预处理。开展稳态试验时，统一按WHSC的试验流程，首先在WHSC第9工况热机10 min，停机5 min之后，开始试验。冷、热态瞬态循环一律在25 ℃室温条件下冷机6 h及以上，LLC循环按热态WHTC试验程序开展。

2 试验结果与分析

2.1 重型车用柴油机测试循环分析

欧Ⅵ排放测试循环与GB 17691—2018一致，采用WHSC和WHTC。当前美国EPA标准针对重型车用柴油机规定了两种标准测试循环，分别是RMC和HDDE循环。其中RMC循环按车型年份，又分RMC 10和RMC 07；EPA HDDE分两个阶段，分别是冷起动和热起动，其中冷起动权重1/7，热起动权重6/7，冷、热循环之间以20 min的停机热浸过渡。美国加州针对车辆低负荷运行情况，还专门提出了LLC循环。日本重型车发动机测试循环JE05是根据东京实际驾驶条件开发的瞬态循环，与WHTC循环相比，JE05工况差异不多，且日本已将WHTC循环纳入到法规测试循环的范围，可知JE05已不再具备突出的代表性，因此未单独分析JE05。国内在2021年8月20日发布了GB/T 38146.3—2021《中国汽车行驶工况 第3部分：发动机》，其中也规定了一个稳态循环CASC(China Steady-state Cycle)和一个瞬态循环CATC(China Transient Cycle)。

2.2 稳态试验循环分析

稳态试验循环工况分布见图2。由图可知，RMC工况转速和负荷相对WHSC、CASC均较高，而WHSC和CASC主要分布在中低速区，大部分工况正好处在该发动机最大扭矩的转速范围，且WHSC和CASC两者工况分布区域相近，仅CASC低负荷工况的负荷更低。经统计RMC循环的循环功最高，而CASC的循环功最低。WHSC和CASC低负荷工况占比均较大，25%及以下负荷占比分别是67.0%和66.4%，两者相近。

图2 稳态试验循环工况分布

稳态测试循环的试验结果分别见表3和表4。由结果可知，RMC循环的CO2比排放结果比CASC和WHSC均较高，原因与RMC循环工况点的分布有关，RMC循环仅A转速在最大扭矩转速范围内，B、C转速均在最大扭矩转速范围外。由柴油机的燃烧特性可知，最大扭矩转速范围内，其工况热效率在整个发动机工作转速范围均较高，因此CASC和WHSC循环的CO2比排放较RMC低，但由于CASC低负荷工况点的负荷率比WHSC更低，过低的负荷会导致工况热效率下降，因此CASC的CO2比排放较WHSC略高。RMC原排状态NOx比排放较CASC和WHSC均较高，而CASC和WHSC两者NOx比排放十分接近，该现象与RMC的工况负荷有关，发动机的负荷越高，则热负荷越重，导致其NOx原排越高。CASC的原排CO、HC最高，与CASC的低负荷工况的负荷有关，负荷越低则发动机燃烧状态越差，则CO、HC原排越高。

表3 稳态试验循环原排结果

表4 稳态试验循环尾排结果

尾排状态所有循环的污染物排放结果均能满足国Ⅵ阶段限值要求，由表5可知，气态污染物的转化率均在96.0%以上。CASC循环的尾排NOx结果最高，但与WHSC的差异较小，与RMC循环差异略大。由图3可知，CASC循环的整体排气温度最低，特别是循环的前840 s，其排温均处于300 ℃以下，且有680 s左右时间处于250 ℃以内，该温度虽高于SCR起喷温度，但较低的排温对SCR效率存在一定影响，由表5的污染物转化率可得到印证。CO，HC和PM排放因DOC和DPF的存在，差异较小，其中RMC循环的PN略高于其他循环，出现该现象的原因与RMC循环的排温有关，排温越高越不利于DPF对PN的降低；RMC循环的NH3排放最高，可能与SCR的标定策略存在关系。两个RMC循环的污染物原排和尾排均无显著差异，因此，在该稳态工况下，工况顺序对污染物的排放影响较小。

表5 稳态试验循环污染物转化效率

图3 稳态循环各工况排气温度

通过上述分析可知，在稳态循环下基于国Ⅵ标准开发的发动机，应用上述这几种测试循环均能有效地评价发动机尾气污染物排放；同时因CASC与WHSC工况、原排、尾排、污染物转化率均相近，因此采用CASC和WHSC评价发动机排放均能促使发动机达到相近的减排效果。

2.3 瞬态试验循环分析

瞬态试验循环工况分布见图4和图5。由图4可知，HDDE工况相对其他两个循环，其工况分布较分散，相对集中在高转速区间，且高负荷工况占比较大；而CATC和WHTC工况分布相近，主要集中在中、低速区间，且低负荷占比较大；相较于WHTC，CATC低负荷工况占比略多，但两者工况分布无显著差异；LLC循环时间是WHTC循环的3倍，由图5可知，LLC工况主要集中在低负荷区间。工况的分布特点与各工况制定的初衷有关。WHTC和CATC是基于当前越来越拥堵的实际交通情况构建的，因此相较于原ETC测试循环，其更侧重考核车辆低速低负荷工况对排放的恶劣影响；而HDDE循环因工况制定时间相对于WHTC和CATC较早，其工况制定时的交通情况相对较好，因此其对车辆低速低负荷工况下的排放考核较少；而LLC循环是加州为弥补HDDE循环对车辆低速低负荷工况考核过少而专门提出的，其由持续低负荷、低负荷向高负荷突变工况、低速巡航及倒拖工况、高负荷突变低负荷工况构成，因此其工况更集中于低负荷区间。

图4 瞬态试验循环工况分布

图5 WHTC和LLC循环工况分布

瞬态测试循环的试验结果分别见表6和表7。由此可知，HDDE循环CO2排放明显高于CATC和WHTC循环，导致该现象的原因与稳态循环一致。HDDE循环的NOx原机排放较CATC和WHTC偏小，而NOx原机排放与循环的工况变化激烈程度有关，由图6和图7可知，HDDE循环的工况点切换最平缓，CATC循环最激烈，因此HDDE循环原机NOx排放最低，CATC最高。虽然CATC与WHTC原机排放存在差异，但总体而言原排污染物结果相近。

表6 瞬态试验循环原排结果

表7 瞬态试验循环尾排结果

图6 瞬态循环工况转速变化

图7 瞬态循环工况扭矩变化

尾排结果除LLC外均满足国Ⅵ限值，因此对于基于国Ⅵ标准开发的发动机，HDDE和CATC瞬态循环对该发动机具备相近的尾气排放评价能力。通过表7可知，WHTC循环的NOx结果最低，而HDDE循环的最高。理论上循环工况的负荷越高，排气温度越高，后处理系统的转化率越高。瞬态循环过程的排气温度见图8和图9。由图可见：HDDE冷态循环平均排温242 ℃，最高排温478 ℃；热态平均排温246 ℃，最高排温478 ℃。CATA冷态循环平均排温248 ℃，最高排温457 ℃；热态平均排温252 ℃，最高排温456 ℃。WHTC冷态平均排温254 ℃，最高排温468 ℃；热态平均排温258 ℃，最高排温469 ℃。总体而言，HDDE工况的转速和负荷比其他循环高，其循环最高排气温度高，但因循环时间过短(1 200 s),导致高负荷工况的相对持续时间短，且冷、热态之间的热浸时间长(20 min)，导致其循环平均排温反而最低。分析循环过程中尿素的起喷时刻发现，HDDE冷、热态尿素的起喷时刻基本在430 s左右，CATC在670 s左右，WHTC在500 s左右，占对应循环时长的百分比分别为36%，37%，27%。HDDE循环整体排温较低，而尿素未喷射的时间占比又高，从而导致NOx等污染物的转化率较低，NOx排放较其他循环略高。CO的尾排状态以及表8的转化率也印证了HDDE循环的排温状态。CATC原排和尾排结果较WHTC循环略高，但无显著差异，各污染物的转化率、排气温度、工况分布基本一致，因此采用CATC与WHTC评价发动机排放均能促使发动机达到相近的减排效果。

图8 冷态循环排气温度

图9 热态循环排气温度

表8 瞬态试验循环污染物转化效率

LLC循环原排和尾排均较高，且在尾排状态下，即使该发动机满足国Ⅵ阶段限值要求，其LLC循环下各气态污染物排放结果均远远超过国Ⅵ排放限值。由图10可以发现，LLC低负荷运行时间长，高、低负荷工况切换频繁，循环整体排温低，且低温持续时间较长，因此LLC在一定程度上可以较好地考核发动机低负荷长时间运行和高、低负荷频繁切换时的排温、升温能力以及排温保持能力，对发动机该工况下的尾气排放控制是一项严峻考验。

图10 LLC循环

2.4 WHTC试验循环不同热浸时间对比

WHTC循环不同热浸时间下的排放结果分别见表9和表10。将WHTC热浸时间调整为20 min后，循环起始排温降低41 ℃，循环前370 s平均排温低12 ℃。较低的排温恶化了热起动阶段的缸内燃烧，导致原排CO和HC有所增加，而NOx却相对降低。由表11可知，热浸时间的延长导致热态循环时后处理装置的污染物转化率有所降低，其中NOx转化率降低3.3个百分点，热起动循环的NOx排放增加46.1%，冷、热加权后的NOx排放增加34.7%。因此较长时间的热浸对后处理系统的排气温度保持能力和热起动减排具备一定的考核能力。

表9 WHTC不同热浸时间下的原排结果

表10 WHTC不同热浸时间下的尾排结果

表11 WHTC不同热浸时间下的污染物转化效率

3 结论

a) 美国EPA循环和中国测试工况对基于国Ⅵ标准开发的发动机具备相近的尾气排放评价能力；

b) CASC、CATC与WHSC、WHTC具有相近的尾气排放评价能力；

c) LLC在一定程度上可以较好地考核发动机低负荷长时间运行和高、低负荷频繁切换时的排气升温能力以及排温保持能力，对该工况下的尾气排放控制能力是一项严峻考验；

d) 工况负荷高不一定对尾气排放控制好，还与高负荷工况的持续时间相关；停机热浸时间的延长会导致热起动循环排温降低，其对后处理系统的排温保持能力和热起动减排具备一定的考核能力。