WHSC/WHTC與ESC/ETC測試循環的試驗比較與研究

趙國斌　蓋永田　耿帥　金靈　伍恒

摘 要：相比于之前廣泛采用的ESC/ETC測試循環，WHSC/WHTC測試循環在工況設置方面有了很大改變，尤其突出了對低速低負荷工況的側重。為了研究兩種測試循環的不同，通過在發動機臺架上分別運行兩種測試循環并采集數據，分析它們對發動機排放指標的影響，比較兩種測試循環的排氣溫度不同，重點研究了平均排溫和升溫過程，從而定量分析了它們在排溫、排放等方面的不同。

關鍵詞：測試循環；排放法規；排溫；后處理

中圖分類號：TK421.5文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.01.05

環境保護部在2014年1月16日發布了《城市車輛用柴油發動機排氣污染物排放限值及測量方法（WHTC工況法）》，規定自2015年1月1日起在柴油機型式核準中增加新的測試循環——世界統一的瞬態測試循環（World Harmonized Transient Cycle，WHTC）。

在歐IV和歐V法規中采用的測試循環分別為歐洲穩態測試循環（European steady-state cycle，ESC）

和歐洲瞬態測試循環（European transient cycle，

ETC），而在最新實施的歐VI法規中則采用了世界統一的測試循環，它包括世界統一的穩態測試循環（World Harmonized Steady-state Cycle，WHSC）和WHTC。我國的排放法規參考歐洲，目前雖然只是部分采用了WHTC工況法，但在未來必將全面采用世界統一測試循環。

通過在YL40型國IV柴油機上進行世界統一測試循環與歐洲測試循環的對比試驗，就兩種測試循環進行比較研究。

1 WHSC/WHTC測試循環的發展與采用

WHSC/WHTC測試循環是世界車輛法規協調論壇（World Forum for Harmonization of Vehicle Regulations，簡稱為UN/WP29或WP29）在制訂第4號全球技術法規《全球統一的重型車測試規程（WHDC）》時，通過充分考察世界各地的道路狀況和各種車輛的行駛特征，而制定出的具有代表意義的測試循環。

其制定原因是歐洲在實施歐IV和歐V法規過程中，發現裝有選擇性催化還原系統（Selective Catalyst Reduction，SCR）的后處理系統的柴油車輛在實際道路條件下NOx排放遠遠超過法規排放標準，而這些車輛發動機及其后處理系統在進行生產核準時都能夠滿足排放限值。相關研究表明，在平均車速較低的城市工況下，NOx排放往往能達到限值的2～3倍左右，遠遠高于排放限值[1]。其原因是城市行駛多為低速、低功率工況，排氣溫度較低，而現有SCR系統在溫度低于280℃時轉化效率會嚴重降低，在低于200℃時會停止工作，從而造成實際NOx排放嚴重超標。

經分析發現，現有發動機及其后處理系統在低溫時排放偏高的問題根源在于出廠時測試工況的選擇不合理。ESC/ETC不能夠真實反映車輛實際運行的情況，而且在測試中允許企業對發動機進行預熱和調整，達到理想的工作狀態后才進行循環檢測，這就使測試循環中發動機的排溫較高，利于后處理系統工作，能夠滿足排放限值，從而使生產企業不再致力于研究降低低溫排放的方法和技術。

因此在2009年，歐盟發布了EC/595/2009法規，并在2011年發布修訂法規 EC/582/2011，制訂了重型車輛的歐VI排放標準。歐VI法規規定采用對實際車輛行駛狀況具有較好代表性的WHSC和WHTC。

我國北京地區排放法規領先于全國標準，在2013年2月北京市環保局頒布的第五階段柴油機排放法規《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物限值及測量方法（臺架工況法）》中，已明確規定北京地區車用柴油機在歐洲測試循環外，加入WHTC測試循環。此次環境保護部發布的新的補充辦法，代表著該測試循環在我國被更廣泛地采用。

2 WHSC/WHTC測試循環與ESC/ETC測試

循環的比較研究

2.1 WHSC與ESC的比較研究

WHSC與ESC測試循環都選擇了具有代表性的13個工況來進行測量，但是在運行參數、排氣溫度等方面又有著較大不同。

圖1和圖2分別為ESC和WHSC測試循環工況的分布。

它們的區別主要體現在：

（1）工況參數的不同

ESC測試循環除怠速外分別選擇了在最大凈功率下55%、60%、65%的轉速作為基本轉速，每個轉速各對應最大轉矩下25%、50%、75%、100%四個轉矩；WHSC測試循環則包括兩個怠速工況，轉速包括最大凈功率下25%、35%、45%、55%、75%五個轉速，每個轉速對應的轉矩又各不相同，其中55%轉速分別對應最大轉矩下25%、50%、70%、100%四個工況，35%轉速對應25%、50%、100%三個工況，45%轉速對應25%、75%兩個工況，25%和75%轉速分別對應25%和100%一個工況。

通過比較可以看出，ESC測試循環的轉速選擇范圍較窄，且3個轉速都是中高轉速，在每個轉速下分別進行低、中、高負荷的測試；而WHSC轉速范圍明顯更寬，并且低于50%最大凈功率轉速的低轉速工況有6個，占到了將近半數，體現了對低轉速工況的側重。同時WHSC在工況轉矩的設定上，避免了ESC每個轉速平均排布轉矩的做法，如對25%低速工況和75%高速工況，只是有選擇地分別測量它們的低或高負荷，增強了工況的代表性。

計算ESC與WHSC的平均轉速、平均轉矩和平均功率，可以更直觀地看到這種差別，見表1。

由表1可知，WHSC的平均轉速為ESC的75%，平均轉矩為ESC的49%，平均功率為ESC的36%，明顯體現了對低速低負荷工況的側重。

（2）排氣溫度的不同

平均功率的不同必將使發動機排氣溫度有明顯的不同，而排氣溫度對后處理系統的工作效率有直接影響。

運行ESC和WHSC測試循環并采集排溫數據。分別計算ESC和WHSC的13個工況平均排溫，如圖3和圖4所示，分別為ESC和WHSC各工況的平均排溫。

為了更直觀地表現ESC/WHSC的排溫差異，分別將它們各工況的排氣溫度從低到高排列后進行比較，如圖5所示。

雖然ESC與WHSC中每個工況所占權重是有差別的，而且圖5中用來對比的兩個工況可能并不相同，但是可以觀察到ESC測試循環的平均排溫要遠遠低于WHSC測試循環。

分別計算ESC與WHSC測試循環的整體平均排溫，得到ESC的平均排溫為371 ℃，WHSC的平均排溫為229 ℃，比ESC低約38%，其中平均排溫的計算采用權重法，其計算公式為

。

式中，Ti為瞬時排溫，Qi為瞬時排氣流量。

由圖5可知，WHSC的平均排溫遠遠低于ESC，致使后處理系統不能正常工作。

（3）排放水平的不同

分別采集ESC與WHSC測試循環的原機排放數據，見表2。

由表2可知，WHSC測試循環的4種原機污染物排放相比于ESC均有不同幅度的增加，其中，CO增加0.223 g/kwh，增幅92%；THC增加0.096 g/kwh，

增幅46%；NOx增加3.766 g/kwh，增幅44%；PM增加0.007 g/kwh，增幅32%。

考慮到WHSC測試循環較低的平均排溫，后處理系統的NOx除去率遠低于ESC測試循環，因此經過后處理的NOx排放相比于ESC測試循環的增幅還要變得更高。

2.2 WHTC與ETC的比較研究

WHTC與ETC測試循環都是在1800 s逐秒變化的瞬態工況，但它們在工況的分配、平均排溫等方面存在明顯的不同。運行ETC和WHTC測試循環，其轉速、轉矩變化分別如圖6和圖7所示。

它們的不同主要體現在：

（1）工況參數的不同

在ETC的工況中，前600 s為城市道路工況，600～1 200 s為鄉村道路工況，1 200～1 800 s為高速公路工況，各占全部工況的三分之一。而在WHTC測試循環中，城市工況占49.6%，郊區工況占26%，高速工況占24.3% 。

同時，WHTC測試循環要求分別進行冷啟動與熱啟動測試，即首先在不對發動機進行預熱的情況下直接運行測試循環，檢測冷啟動條件下的排放變化，緊接著對發動機進行10±1 min的熱浸（hot soak），再運行熱啟動條件下的測試循環，最終的測試結果按照下式計算：

WHTC試驗結果

式中，mcold為冷啟動循環各排放物組分的質量，

g/循環；mhot 為熱啟動循環各排放物組分的質量，g/循環；Wact，cold為冷啟動循環的實際循環功，kWh；Wact，hot為熱啟動循環的實際循環功，kWh。

分別計算ETC與WHTC的平均轉速，平均轉矩與平均功率，結果見表3。

由表3可知，ETC測試循環與WHTC測試循環在平均轉速方面差別很小，但是平均轉矩有著明顯不同。ETC中的工況平均轉矩較大，負荷較高，而WHTC的平均轉矩明顯較小，偏重于低負荷工況，因而使WHTC循環的平均功率只有ETC的62%。

（2）排氣溫度的不同

計算ETC與WHTC的平均排溫，得到ETC的平均排溫為236 ℃，而WHTC冷啟動測試平均排溫為187 ℃，熱啟動測試平均排溫為194 ℃，分別比ETC低21%和18%。

但是它們最大的差別不在于平均排溫，而是測試循環運行過程中的溫度變化情況。圖8所示為ETC/WHTC的排溫變化曲線。

由圖8可知，在大部分循環時間里ETC測試循環的排溫都高于WHTC循環，也高于SCR的起始工作溫度200 ℃，而冷啟動的WHTC循環排溫在起始時排溫較低，之后曲線與熱啟動循環曲線基本一致。WHTC循環的排溫大部分時間都低于SCR的起始工作溫度，直到1300 s左右才穩定地高于200 ℃，也就是說在循環的大部分時間SCR都不能工作或者效率很低。

以200 s為間隔，分別計算前200n s（）時間內的平均排溫，得到結果見表4。

根據表3中的數據制成圖9。

從圖9中可以更明顯地看出平均排溫的變化，ETC和WHTC（冷/熱）循環的平均排溫基本趨勢都是隨測試運行時間增加而增高，但是起始排溫與溫度增加速率有較大差別。ETC測試循環在第500 s左右時，平均排溫就穩定地超過了200 ℃，而WHTC（冷/熱）平均排溫增加較慢，且一直低于200 ℃的SCR最低工作溫度。

（3）排放水平的不同

分別采集ESC與WHSC測試循環的原機排放數據見表5。

由表5可知，WHSC測試循環的4種原機污染物排放相比于ESC均有不同幅度的增加，其中，CO增加0.513 g/kwh，增幅34%；THC增加0.078 g/kwh，

增幅35%；NOx增加1.485 g/kwh，增幅16%；PM增加0.012 g/kwh，增幅25%。

與WHSC類似，WHTC測試循環中后處理系統的NOx除去率也會因排溫較低而大幅下降，大量NOx未經處理直接排出，造成排放大幅提高。

3 結論

（1）與ESC/WHSC測試循環相比，ETC/WHTC測試循環低速低負荷工況比重明顯增加。從而帶來排氣溫度的降低和排放污染物的小幅增加；尤其是NOx因目前的后處理系統對排氣溫度敏感，隨著溫度降低而工作效率變差，排放增加幅度更為明顯。

（2）相比國IV排放法規，新的排放法規不僅提高了排放限值，同時增加了測試循環工況。WHTC的引入要求排放后處理系統有更好的低溫性能。