基于SCR柴油機的WHTC冷、熱啟動循環(huán)排放差異研究

張立雄　張　琳　景曉軍　尹　超　王振宇

（中國汽車技術(shù)研究中心天津300162）

基于SCR柴油機的WHTC冷、熱啟動循環(huán)排放差異研究

張立雄張琳景曉軍尹超王振宇

（中國汽車技術(shù)研究中心天津300162）

依據(jù)北京地方標準DB11/964-2013規(guī)定的WHTC試驗規(guī)程，基于全流型定容稀釋采樣系統(tǒng)對配備有SCR后處理裝置的柴油機運行了WHTC試驗循環(huán)，考察了SCR柴油機運行WHTC冷啟動和熱啟動循環(huán)的排放特性差異及其原因。試驗結(jié)果表明：相比于WHTC熱啟動試驗循環(huán)，冷啟動試驗循環(huán)的前600 s機油溫度、冷卻液溫度、后處理入口排氣溫度和中冷后溫度明顯較低；冷啟動試驗循環(huán)的NOX、CO和CO2排放量要顯著高于熱啟動試驗循環(huán)，二者的THC排放均較低且相差不大，PM排放無明顯差異；WHTC循環(huán)對發(fā)動機后處理的性能提出了更加苛刻的要求。

SCR柴油機WHTC排放

引言

隨著環(huán)境污染和能源危機的日益嚴峻，世界范圍內(nèi)對柴油機的排放要求愈加嚴格。北京市于2013年3月1日開始執(zhí)行新的地方標準DB11/964-2013《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物限值及測量方法》，在原有ESC、ETC和ELR排放試驗循環(huán)的基礎(chǔ)上，增加了WHTC循環(huán)作為排放認證項目［1-2］。該WHTC試驗規(guī)程包括WHTC冷啟動循環(huán)和熱啟動循環(huán)兩部分，其中對冷啟動循環(huán)開始前的環(huán)境條件有著嚴格的要求，這與以往在進行ESC等排放試驗前，發(fā)動機在額定工況熱機完畢后進行測試循環(huán)有很大區(qū)別，對PM和NOx等排放提出了更大挑戰(zhàn)。

自國Ⅲ排放法規(guī)實施以來，為了滿足后續(xù)排放法規(guī)對柴油機排放的要求，不同的減排技術(shù)被廣泛研究。在兼顧發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性和國內(nèi)油品條件等因素下，國內(nèi)一大批柴油機廠商采用優(yōu)化缸內(nèi)燃燒和加裝SCR后處理裝置的技術(shù)路線。目前市場上大部分SCR催化劑的最佳轉(zhuǎn)化效率要求后處理溫度在250℃以上，柴油機的排氣溫度對SCR后處理裝置的轉(zhuǎn)化效率影響極大，因此冷啟動循環(huán)和熱啟動循環(huán)對同一發(fā)動機的排放測試結(jié)果可能產(chǎn)生很大的影響［3］。

本文選擇裝備有SCR后處理裝置的柴油機來考察發(fā)動機運行WHTC冷、熱啟動循環(huán)時的工作狀態(tài)差異，進而分析發(fā)動機運行WHTC冷啟動和熱啟動循環(huán)存在排放差異的原因，有助于北京地方標準關(guān)于WHTC試驗規(guī)程的規(guī)范實施，同時也有助于相關(guān)廠商采取針對性策略來達到法規(guī)的要求。

1　WHTC試驗規(guī)程

DB11/964-2013標準規(guī)定的WHTC試驗規(guī)程包括WHTC冷啟動循環(huán)、10 min熱浸期、WHTC熱啟動循環(huán)三個部分。循環(huán)要求的扭矩和轉(zhuǎn)速工況如圖1所示。

圖1　WHTC瞬態(tài)循環(huán)工況［4］

按照標準要求，開始WHTC冷啟動循環(huán)前，發(fā)動機應(yīng)在額定工況調(diào)整好進氣阻力、中冷后溫度、中冷前后壓差、排氣阻力等邊界條件。之后采用自然冷卻的方式，在20～30℃之間的環(huán)境溫度下至少冷卻6小時，直到發(fā)動機潤滑液、冷卻液和后處理系統(tǒng)溫度都達到20～30℃環(huán)境溫度范圍內(nèi)以后，才可以開始WHTC冷啟動循環(huán)。完成冷啟動循環(huán)后立即進行10±1 min熱浸期作為發(fā)動機熱啟動循環(huán)的預(yù)處理，熱浸期試驗室環(huán)境溫度應(yīng)處于23～31℃之間。熱浸期結(jié)束后運行WHTC熱啟動循環(huán)。試驗結(jié)果處理方式如公式（1）所示：式（1）中：

WHTCresult：各排放物組分最終試驗結(jié)果，g/（kW· h）；

mcold：冷啟動循環(huán)各排放物組份的質(zhì)量，g/循環(huán)；

mhot：熱啟動循環(huán)各排放物組份的質(zhì)量，g/循環(huán)；

Wact，cold：冷啟動循環(huán)的實際循環(huán)功，kW·h；

Wact，hot：熱啟動循環(huán)的實際循環(huán)功，kW·h。

2　試驗裝置

試驗發(fā)動機為采用SCR后處理裝置的國Ⅳ柴油機，其主要參數(shù)如表1所示。試驗所用設(shè)備主要有AVL ACS進氣空調(diào)、AVL PUMA OPEN全自動控制軟件、AVL動態(tài)交流測功機、AVL735油耗儀、AVL AMA i60多組分氣體分析儀，AVL CVS i60全流稀釋系統(tǒng)和PSS i60顆粒采樣系統(tǒng)。試驗過程中可精確控制發(fā)動機進氣溫濕度和壓力、燃油溫度和壓力等參數(shù)，避免外界因素波動對結(jié)果產(chǎn)生影響［5］。圖2為臺架系統(tǒng)示意圖。

表1　試驗發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

圖2　排放測試系統(tǒng)示意圖

3　試驗結(jié)果及分析

對試驗發(fā)動機運行了WHTC試驗循環(huán)，且在兩階段測試過程中不對發(fā)動機的控制和狀態(tài)做任何人為改變。冷、熱啟動循環(huán)的排放加權(quán)結(jié)果如表2所示。從試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機冷、熱啟動循環(huán)的循環(huán)功幾乎完全一致，說明測功機對循環(huán)工況的控制精度很高，兩階段循環(huán)工況的一致性很好。但相對于熱啟動循環(huán)，冷啟動循環(huán)的CO2比排放量要高出3.5%左右。盡管CO2排放量并不是排放標準著重考量的指標之一，但鑒于日益嚴峻的CO2排放形勢，有必要考察其排放存在差異的原因。

表2　WHTC冷啟動和熱啟動循環(huán)最終加權(quán)比排放

為了具體對比分析WHTC冷啟動和熱啟動循環(huán)測試結(jié)果中CO2排放的差異，對同一工況點，將冷啟動CO2瞬時排放量與熱啟動CO2瞬時排放量的差值作為兩種循環(huán)下的相對CO2排放，并繪制其散點圖如圖3所示。可以發(fā)現(xiàn)，在循環(huán)的前600 s內(nèi)，多數(shù)相對CO2的值要遠大于零，即冷啟動循環(huán)的CO2瞬時排放量要明顯高于熱啟動循環(huán)。在這一階段內(nèi)，冷啟動循環(huán)的比油耗更高，發(fā)動機的經(jīng)濟性較差。

圖3　WHTC循環(huán)瞬態(tài)CO2相對排放

圖4　試驗循環(huán)機油溫度

圖4和圖5為試驗過程中機油溫度和冷卻水溫度實時值，在循環(huán)前600 s內(nèi)，冷啟動循環(huán)發(fā)動機機油溫度和冷卻水溫度一直在上升，但遠遠低于熱啟動循環(huán)同時刻發(fā)動機的機油溫度和冷卻水溫度。如第300 s時，機油溫度和冷卻水溫度分別相差37℃和31℃。較低的機油溫度并不能達到理想的潤滑，使得摩擦損失增大，同時較低的冷卻水溫度使得發(fā)動機原機散熱損失增大［6］，從而造成發(fā)動機運行冷啟動循環(huán)時機械效率降低，比油耗升高，CO2比排放偏高。

圖5　試驗循環(huán)冷卻水溫度

對于現(xiàn)代柴油機，氮氧化物和顆粒物排放水平是最為重要的兩個指標。本研究排放結(jié)果顯示，發(fā)動機冷啟動循環(huán)的NOx排放量比熱啟動循環(huán)要高68%以上。將同一工況點的冷啟動NOx瞬時排放與熱啟動NOx瞬時排放的差值作為瞬態(tài)相對NOx排放，并繪出其散點圖如圖6所示。在循環(huán)前600 s內(nèi)，多數(shù)相對NOx排放值大于零，即冷啟動NOx瞬時排放要顯著高于熱啟動循環(huán)，而600 s以后的工況兩者基本一致。

圖6　WHTC試驗循環(huán)瞬態(tài)相對NOx排放

將冷啟動循環(huán)時發(fā)動機SCR后處理入口處排氣溫度與熱啟動循環(huán)時該溫度的商作為WHTC循環(huán)的相對排溫，當該值小于1時表明冷啟動循環(huán)的排氣溫度低于熱啟動循環(huán)，如圖7所示。在循環(huán)前600 s的大部分時間內(nèi)，冷啟動循環(huán)的后處理入口處排氣溫度要低于熱啟動循環(huán)。盡管這會使得原機缸內(nèi)的NOx生成量有所降低，但較低的排氣溫度使得該試驗階段內(nèi)，冷啟動循環(huán)時發(fā)動機SCR后處理的催化轉(zhuǎn)化效率偏低，直接導致冷啟動循環(huán)時的NOx排放明顯高于熱啟動循環(huán)。

圖7　WHTC循環(huán)相對排氣溫度

同時，試驗結(jié)果表明，冷啟動循環(huán)和熱啟動循環(huán)的顆粒物（PM）排放相差不大。相關(guān)研究表明，在發(fā)動機缸內(nèi)高溫濃混合氣區(qū)域容易產(chǎn)生大量PM［7］。在本研究中，雖然熱啟動循環(huán)前期缸內(nèi)溫度更高，但燃油的擴散和混合速度更快，濃混合氣區(qū)域減少，最終造成原機PM生成量與冷啟動循環(huán)十分接近。與此同時，雖然較低的燃燒溫度不利于缸內(nèi)燃油的完全燃燒，但THC的來源很多，除燃油的不完全燃燒外，還可能來自燃燒室表面附著、噴油器壓力室擠油等多方面渠道［7］。因此在本試驗中，才會出現(xiàn)冷啟動循環(huán)的THC含量略高于熱啟動循環(huán)，但兩者的THC排放數(shù)值都較小，總體相差不大。

另外，冷啟動循環(huán)時發(fā)動機的CO排放量達到了熱啟動循環(huán)CO排放量的4倍以上。圖8和圖9分別為WHTC循環(huán)瞬態(tài)相對CO排放（冷啟動CO排放與熱啟動CO排放的商）和瞬態(tài)相對中冷后溫度（冷啟動中冷后溫度與熱啟動中冷后溫度的差）的變化情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，當試驗循環(huán)進行約800 s時，冷啟動循環(huán)的中冷后溫度超過熱啟動循環(huán)，此時，冷啟動循環(huán)的CO排放也開始低于熱啟動循環(huán)。CO排放與中冷后溫度具有很強的相關(guān)性。這是因為當中冷后溫度較低時，發(fā)動機缸內(nèi)燃燒溫度也較低，造成燃油短時間內(nèi)不能完全氧化，從而形成大量的CO隨尾氣排出。較高的缸內(nèi)溫度有助于降低CO排放。

圖8　WHTC循環(huán)相對CO排放

4　結(jié)論

基于定容稀釋采樣系統(tǒng)，對一國ⅣSCR柴油機運行了WHTC循環(huán)，分析并研究了冷啟動和熱啟動循環(huán)之間排放差異的原因，結(jié)論如下：

1）SCR發(fā)動機運行WHTC冷啟動和熱啟動循環(huán)的邊界條件差異主要體現(xiàn)在循環(huán)前600 s，冷啟動循環(huán)的中冷后溫度、機油溫度、冷卻水溫以及SCR入口處排氣溫度四個參數(shù)值明顯較低，使得發(fā)動機原機燃燒效率和機械效率降低，比油耗升高，CO和CO2排放偏高，SCR催化轉(zhuǎn)化效率較低，NOx排放較高。

2）SCR發(fā)動機運行WHTC循環(huán)時，由于油氣混合等復雜因素，冷啟動、熱啟動循環(huán)對于THC和PM排放的影響并不顯著。

3）為了降低WHTC冷啟動循環(huán)前600 s的NOx和CO排放，以滿足法規(guī)要求，相關(guān)廠商應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化SCR性能，降低起燃溫度，提高轉(zhuǎn)化效率，并采取相應(yīng)措施減少CO排放。

1全國汽車標準化技術(shù)委員會.GB17691-2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國III、IV、V階段）》［S］.北京：中國標準出版社，2005

2全國汽車標準化技術(shù)委員會.DB11/185-2013《非道路機械用柴油機排氣污染物限值及測量方法》［S］.北京：中國標準出版社，2013

3陶建忠.利用選擇性催化還原反應(yīng)（SCR）降低車用柴油機氮氧化物的技術(shù)研究［D］.濟南：山東大學，2008

4Sun G，Du Q，Pu Y.Study on the adaptability for WHTC cycle evaluating emission performance of diesel vehicles in cities［J］.Small Internal Combustion Engine&Motorcycle，2013，42（5）：9-13

5邢居真.測試系統(tǒng)參數(shù)對車用發(fā)動機排放的影響研究［D］.武漢：武漢理工大學，2009

6周龍保.內(nèi)燃機學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005

7Arcoumanis C，Kamimoto T.Flow and combustion in peciprocating engines［M］.Berlin：Springer，2010

Emission Difference between Coldstart and Hotstart WHTC Cycles Based on a SCR Diesel Engine

Zhang Lixiong，Zhang Lin，Jing Xiaojun，Yin Chao，Wang Zhenyu
China Automobile Technology and Research Center（Tianjin，300162，China）

Based on WHTC test procedure defined by Beijing regional legislation，DB11/964-2013，coldstart and hotstart WHTC test cycles were conducted with a diesel engine which was equipped with a SCR aftertreatment，then the emission differences of the two phases and the reasons were studied.The results show that，compared with hotstart WHTC cycle，temperatures of intake air after cooler，oil，cooling water，and exhaust before SCR were much lower during the first 600 s of coldstart WHTC cycle.NOx，CO2and CO emissions of coldstart WHTC cycle were much higher than hotstart WHTC cycle.For both cycles，TCH and PM emissions were almost the same.

SCR，Diesel engine，WHTC，Emissions

TK421+.5

A

2095-8234（2016）03-0037-04

張立雄（1987-），男，工程師，主要研究方向為汽車測試技術(shù)。

2016-03-26）