車用發動機WHTC和ETC循環排放對比的試驗研究

張 凡 李 昂 高鑫磊

（中國汽車技術研究中心天津300162）

車用發動機WHTC和ETC循環排放對比的試驗研究

張 凡 李 昂 高鑫磊

（中國汽車技術研究中心天津300162）

在發動機臺架上針對不同的車用重型柴油機和天然氣發動機進行了WHTC和ETC循環的排放測試，使用稀釋采樣分析方法測量了發動機在不同循環和初始溫度條件下的污染物排放。結果表明，發動機原始狀態和安裝催化器后，WHTC和ETC循環的CO2排放比值不超過105%。柴油機安裝催化器后，WHTC和ETC循環的NOx排放比值大于2，明顯高于兩種循環的NOx原始排放比值。WHTC熱啟動循環的CO2、NOx和PM原始排放水平與WHTC冷啟動循環基本一致，而WHTC熱啟動循環的CO和THC排放比WHTC冷啟動循環大約低10%～25%。安裝催化器后，WHTC熱啟動循環的CO2排放與WHTC冷啟動循環基本一致，而其他排放物在WHTC熱啟動循環時的排放水平遠低于WHTC冷啟動循環。

WHTCETC車用發動機排放循環

引言

隨著中國經濟的高速發展，重型柴油車和天然氣汽車的保有量也迅速增加，這些汽車帶來的NOx、THC、CH4和顆粒物排放對環境和人體帶來的危害日益嚴重。中國于2005年頒布的GB 17691-2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發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）》[1]引入了ETC（European Transient Cycle）瞬態循環來評價重型車用柴油機和天然氣發動機的循環工況排放，并分別規定了國Ⅲ、國Ⅳ和國Ⅴ階段的限值要求。隨著對重型汽車道路工況條件和發動機運行規律的進一步研究，歐盟在2011年頒布了（EU）No 582/2011歐Ⅵ法規[2]，引入新的瞬態工況WHTC（World Harmonized Transient Driving Cycle）循環對重型柴油機和天然氣發動機的排放進行了更為嚴格的管理。環保部在2014年頒布的HJ 689-2014《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）》標準中也引入了WHTC循環測試，對重型柴油機在低負荷工況條件下的排放限值進行了規定[3]。

文獻研究表明，為了更好地達到WHTC循環排放的限值要求，國內發動機企業和研究機構已開展了國內發動機對WHTC循環測試的適應性研究。中國汽車技術研究中心[4]用一臺重型汽油機驗證了WHTC循環應用于國內發動機排放試驗的可行性。軍事交通學院[5]、中國汽車工程研究院股份有限公司[6]分別用一臺重型柴油機對比分析了在ETC循環和WHTC循環測試中發動機排放、排氣溫度、冷卻水溫度等關鍵參數的差異。中機中聯工程有限公司[7]用三臺柴油機研究了在不同控制策略條件下發動機ETC和WHTC循環排放的差異。中國重汽集團杭州發動機有限公司[8]對比分析了WHTC循環的發動機轉速、功率和怠速比例等循環特征參數與北京公交道路工況特征參數。總的來說，各研究主要集中在循環工況參數本身的差異性，測量對象多為單一發動機。

本文在發動機臺架上針對不同的柴油機和天然氣發動機進行了WHTC和ETC循環的排放測試，使用稀釋采樣分析方法測量了發動機在不同循環和初始溫度條件下安裝催化器前后的污染物排放。重點分析了發動機在ETC和WHTC循環下各污染物排放測量結果的差異，并探討了發動機初始溫度和后處理系統等因素對WHTC循環發動機原始排放和安裝催化器后CO2、CO、NOx、THC、CH4和PM等排放的影響。

1 試驗用發動機臺架

1.1 臺架組成和儀器設備

試驗用發動機臺架測試系統主要由試驗用發動機、測功機系統、發動機水溫控制系統、發動機進氣控制系統以及采樣和排放分析系統等部分組成，具體的試驗裝置及儀器型號見表1。本試驗采用奧地利AVL公司的DynoRoad 304/8 Sx測功機來控制發動機的轉速和扭矩。排氣采樣和分析系統主要包括奧地利AVL公司的CVS i60全流稀釋定容采樣系統和AMA i60 D1稀釋采樣分析系統。顆粒物采樣和分析系統主要包括奧地利AVL公司的PSS i60采樣系統和德國Sartorius公司的MSE2.7S-F濾紙稱重天平。分別使用AVL公司的735S油耗儀、ACS1600進氣空調和553恒溫系統來控制發動機的燃油供給、進氣條件和循環水溫度。

表1 試驗裝置及儀器型號

1.2 試驗用發動機

試驗用發動機共8臺，序號分別標記為A～H，其中4臺為以國Ⅴ柴油為燃料的柴油發動機，另外4臺為以天然氣為燃料的天然氣發動機（3臺LNG+ 1臺CNG）。發動機排量涵蓋大、中、小三檔，約為3L、7L和10L。柴油機均為高壓共軌、增壓中冷發動機，LNG發動機均為預混合單點噴射，CNG發動機為進氣道多點噴射。發動機通過使用SCR、DOC+SCR、DOC+DPF+SCR、DOC和三效催化器等不同后處理系統分別達到國Ⅳ、國Ⅴ和歐Ⅵ排放水平。試驗用發動機的相關參數如表2所示。

表2 試驗用發動機相關參數

2 試驗方法

（GB 17691-2005）和WHTC（HJ 689-2014和ECE R49.06）循環排放測試。ETC和WHTC循環的曲線分別如圖1和圖2所示。

2.1 試驗循環

依據標準法規的要求，對發動機進行ETC

圖1 ETC試驗循環轉速和扭矩規范值曲線

圖2 WHTC試驗循環轉速和扭矩規范值曲線[8]

2.2 試驗方法

使用AMA i60 D1稀釋采樣分析系統測量經過CVS全流稀釋定容采樣系統后的稀釋排氣中CO、 NOx、CO2、THC（NMHC）、CH4等排放物，再與定容采樣系統記錄的稀釋排氣瞬時流量值進行積分計算，最后除以發動機循環功，得到循環工況平均排放的稀釋采樣結果。

試驗中通過PSS i60顆粒物采樣系統和濾紙稱重天平計算稀釋排氣中顆粒物的質量，結合定容采樣系統記錄的稀釋排氣流量值和發動機循環功，計算出顆粒物質量（PM）的循環工況平均排放。

為了考察催化器對循環工況平均排放的影響規律，分別在安裝和不安裝催化器的條件下進行不同循環工況的排放測試。為了避免試驗方法和儀器設備的準確性和重復性影響試驗結果，每臺發動機每種循環工況一般進行3次試驗，使用3次試驗的平均值做為最終結果進行分析。

3 試驗結果及分析

3.1 WHTC和ETC循環排放對比

3.1.1 循環工況對發動機原始排放的影響

圖3為柴油機C和天然氣發動機E在ETC和WHTC循環工況條件下CO2、CO、NOx、THC、CH4和PM原始排放的對比。從圖中可以看出，無論是柴油機還是天然氣發動機，WHTC循環的原始排放都高于ETC循環的平均排放水平。試驗結果表明，由于WHTC循環的低速低負荷工況明顯多于ETC循環，發動機在試驗時平均扭矩較低，發動機的WHTC實際循環功約為ETC循環的60%，因此計算得出的WHTC循環原始排放要高于ETC循環。

圖3 循環工況對發動機原始排放的影響

為了定量分析工況參數對發動機原始排放的影響，表3給出了柴油機C、D和天然氣發動機E、F在WHTC和ETC循環工況條件下原始排放的比值。從表3可以看出，所有發動機WHTC循環CO2原始排放與ETC循環CO2原始排放的比值基本一致，約為105%。柴油機WHTC循環與ETC循環的CO、NOx和THC原始排放比值相對穩定，約為110%～130%，而WHTC循環的PM排放約高于ETC循環80%～90%。天然氣發動機WHTC循環與ETC循環的PM原始排放比值在110%～200%之間，波動較大，主要受到發動機本身標定情況的影響。

表3 WHTC和ETC循環發動機原始排放的對比

3.1.2 循環工況對安裝催化器后排放的影響

在不同循環工況條件下安裝催化器后的排放水平除了受到發動機原始排放的影響之外，還受到催化器對各種排放物的轉化效率的影響。圖4為柴油機A和天然氣發動機F安裝催化器后在ETC和WHTC循環工況條件下的CO2、CO、NOx、THC、CH4和PM排放。從圖4a）可以看出，柴油機排放經過催化器轉換后，WHTC循環的CO2、NOx和PM排放明顯高于ETC循環，而CO和THC排放水平已經很低，兩種循環的對比關系不明確。從圖4b）可以看出，天然氣發動機F安裝催化器后在WHTC循環工況條件下的CO2、NOx和CH4排放高于ETC循環，THC排放基本一致，而安裝催化器后的CO排放水平很低。

圖4 循環工況對安裝催化器后排放的影響

表4定量給出了柴油機A、B、D和天然氣發動機G、F、H安裝催化器后WHTC循環與ETC循環的CO2、CO、NOx、THC、CH4和PM排放比值。從表4可以看出，安裝催化器后，所有發動機WHTC循環與ETC循環的CO2排放比值都不超過105%，基本保持不變，而CO排放的絕對值較低，因此WHTC循環與ETC循環的CO比值波動很大。此外，柴油機安裝催化器后WHTC循環與ETC循環的NOx排放比值明顯高于原始排放（最大約為5），說明WHTC循環低速低負荷工況特性造成的排氣溫度低會影響SCR催化器的起燃，催化器在WHTC循環工況條件下的轉化效率變低，使安裝催化器后WHTC循環的NOx排放遠高于ETC循環。柴油機安裝催化器后在WHTC循環工況下的PM排放比ETC循環高20%～60%。天然氣發動機安裝催化器后WHTC循環與ETC循環的NOx排放比值要小于柴油機，約為120%～180%。安裝催化器后，WHTC循環與ETC循環的THC和CH4排放比值約為100%～170%，說明WHTC循環低的排氣溫度會降低DOC催化器對THC和CH4排放的轉換效率。

表4 安裝催化器后WHTC和ETC循環的排放對比

3.2 發動機初始溫度對WHTC排放的影響

3.2.1 初始溫度對發動機原始排放的影響

根據標準要求，發動機需要在冷卻水溫度、機油溫度和后處理系統溫度都在20～30℃范圍時進行一次WHTC冷啟動循環，然后在熱浸10分鐘后再進行一次WHTC熱啟動循環。表5定量給出了柴油機C和D在不安裝催化器時各排放物WHTC熱啟動和WHTC冷啟動循環排放的對比。從表5可以看出，發動機初始溫度對WHTC循環原始排放的影響較小。WHTC熱啟動循環的CO2、NOx和PM排放與WHTC冷啟動循環基本一致，而WHTC熱啟動循環的CO和THC排放比WHTC冷啟動循環大約低10%～25%。

表5 WHTC熱啟動和WHTC冷啟動循環原始排放的對比

3.2.2 安裝催化器后初始溫度對排放的影響

為了定量分析發動機初始溫度對安裝催化器后排放的影響，表6給出了柴油機A、B、D和天然氣發動機F、G、H安裝催化器后在WHTC熱啟動循環和WHTC冷啟動循環排放的比值。

表6 安裝催化器后WHTC熱啟動和WHTC冷啟動循環排放的對比

從表6可以看出，所有發動機WHTC熱啟動循環的CO2排放與WHTC冷啟動循環基本一致，而其他排放物在WHTC熱啟動循環時的排放水平要遠低于WHTC冷啟動循環。柴油機WHTC熱啟動循環與WHTC冷啟動循環的NOx排放比值可以降低到30%，WHTC熱啟動循環與WHTC冷啟動循環的PM排放比值可以降低到60%。天然氣發動機在WHTC熱啟動循環的THC和CH4排放可以降低為WHTC冷啟動循環的15%。試驗結果表明，較高的發動機初始溫度能夠有效提高催化器在整個WHTC循環的轉化效率，降低安裝催化器后WHTC循環的排放。

3.3 后處理系統對WHTC循環排放的影響

為了研究后處理系統的影響作用，使用柴油機D選用不同的后處理系統進行WHTC循環測試。圖5為各排放物在不同后處理系統下的WHTC循環排放水平。從圖5可以看出，與不安裝催化器相比，SCR催化器能將柴油機的NOx排放降低到原始排放的50%。在加裝DOC后，DOC能有效氧化CO和THC，使柴油機安裝催化器后的CO和THC排放降到很低水平。而DOC的氧化作用能提高SCR入口處的排氣溫度，使SCR催化器對NOx排放的轉化效率再提高5%。同時，DOC能氧化柴油機顆粒物排放中的部分SOF成分，DOC+SCR后處理系統的PM排放比SCR系統降低5%。

圖5 后處理系統對柴油機WHTC循環排放的影響

4 結論

1）發動機原始狀態和安裝催化器后，WHTC循環和ETC循環的CO2排放比值都不超過105%。柴油機安裝催化器后，WHTC循環和ETC循環的NOx排放比值大于2，明顯高于原始排放比值。柴油機安裝催化器后，WHTC循環的PM排放比ETC循環高20%～60%。

2）WHTC熱啟動循環的CO2、NOx和PM原始排放水平與WHTC冷啟動循環基本一致，而WHTC熱啟動循環的CO和THC排放比WHTC冷啟動循環大約低10%～25%。安裝催化器后，WHTC熱啟動循環的CO2排放與WHTC冷啟動循環基本一致，而其他排放物在WHTC熱啟動循環時的排放水平遠低于WHTC冷啟動循環。

3）柴油機加裝DOC時，DOC的氧化作用能提高SCR入口處的排氣溫度和氧化柴油機顆粒物排放中部分SOF成分，促進SCR催化器對NOx排放的轉化效率提高以及降低PM排放。

1環境保護部.GB17691-2005車用壓燃式、氣體燃料點燃式發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：中國環境科學出版社，2005

2Commission Regulation（EU）No 582/2011 of 25 May 2011. implementing and amending Regulation（EC）No 595/2009 of the European Parliament and of the Council with respect to emissions from heavy duty vehicles（Euro VI）and amending Annexes I and III to Directive 2007/46/EC of the European Parliament and of the Council[C].2011，167：1-25

3環境保護部.HJ689-2014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）[S].北京:中國環境科學出版社，2014

4尤林華，景曉軍，阮旭，等.重型汽油機WHDC排放試驗循環研究[C]//中國內燃機學會.2010年APC聯合學術年會論文集.宜昌：會務組，2010：28-32

5趙國斌，蓋永田，耿帥，等.WHSC/WHTC與ESC/ETC測試循環的試驗比較與研究[J].汽車工程學報，2015，5（1）：29-34

6田茂軍，黃德軍，谷雨，等.重型車用發動機WHTC與ETC瞬態測試循環試驗對比研究[J].內燃機與配件，2015（1）：1-4

7魏厚敏，蔡大偉，黃德軍，等.不同控制策略條件下車用柴油機WHTC和ETC排放比對試驗與研究[J].內燃機，2014（4）：20-23

8孫國華，杜騫，蒲雨新，等.WHTC循環評價城市中柴油車尾氣排放性能的適應性研究[J].小型內燃機與摩托車，2013，42（5）：9-13

Experimental Research on Comparison of Emissions from Vehicle Engines during WHTC and ETC Cycles

Zhang Fan,Li Ang,Gao Xinlei
China Automotive Technology&Research Center(Tianjin,300162,China)

Using different diesel and natural gas engines,emissions tests of WHTC and ETC cycles were carried on an engine test bench.The method of diluting sampling was utilized to measure emissions during the conditions of different cycles and initial temperatures.The test results show that the ratios of CO2emissions during WHTC and ETC cycles are not more than 105%,for both engine-out and catalyst-out emissions.The ratios of two cycles of catalyst-out NOxemission from diesel engines are greater than 2, which are obviously higher than those of engine-out emission.Engine-out CO2,NOxand PM emissions of hot-start WHTC cycle are basically the same with those of cold-start cycle.CO and THC emissions of hotstart WHTC cycle are about 10～25%less than those of cold-start cycle.Catalyst-out CO2emissions of hotstart and cold-start cycles are nearly the same,while other pollutants emissions of hot-start cycle are significantly less than those of cold-start cycle.

WHTC,ETC,Vehicle engines,Emissions,Cycles

U464

A

2095-8234（2016）05-0017-06

2016-08-03）（

2016-08-22）

張凡（1982—），男，博士，主要研究方向為汽車和發動機的污染物排放和測試技術。