基于同型號歐Ⅵ發動機的整車與臺架排放測試差異性研究

艾 毅 王鳳濱 付鐵強 郭 勇 王長園

（1-北京市環境保護局北京1000812-中國汽車技術研究中心）

基于同型號歐Ⅵ發動機的整車與臺架排放測試差異性研究

艾 毅1王鳳濱2付鐵強2郭 勇2王長園2

（1-北京市環境保護局北京1000812-中國汽車技術研究中心）

重型汽車整車排放測試是未來中國第Ⅵ階段法規的重要研究項目之一。以滿足歐Ⅵ排放法規的柴油發動機及安裝該型號發動機的重型汽車為研究對象，對比測試循環的工況特征，分別進行發動機臺架熱態WHTC試驗和整車熱態C-WTVC試驗，采用同一套排放分析設備分析試驗循環間氣體污染物、顆粒物質量以及顆粒物數量的差異性。研究發現，兩種測試循環工況存在很強的關聯性，且兩循環所有污染物排放均滿足歐Ⅵ法規限值要求。但由于循環運行工況和試驗條件的差異，CO2的比排放相差0.97%，NOx的比排放相差16.41%，顆粒物質量PM相差17.69%，顆粒物數量PN相差6.54%。

柴油機歐Ⅵ測試循環排放差異性

引言

目前，全球范圍內的重型汽車排放認證主要是基于發動機臺架試驗進行的，但發動機作為中間產品，不能完全反映整車的排放特性，臺架試驗也存在整車企業監管缺失、在用車抽查可行性低等一系列問題。為此，未來重型汽車第Ⅵ階段排放法規擬增加重型汽車整車測試，直觀地評價整車排放水平。

研究重型汽車整車測試循環C-WTVC與發動機測試循環WHTC之間的相關性，對制定中國重型汽車法規具有很大的現實意義，能更好地完成從發動機排放向整車排放過渡。作為不同的測試對象，研究兩循環之間的排放差異性也是評價整車排放的必備課題。

本文以滿足重型汽車歐Ⅵ排放法規的發動機及安裝該發動機的整車作為試驗對象，同時在發動機臺架以及重型汽車底盤測功機上分別進行WHTC（World Harmonised Transient Cycle）[1]和C-WTVC（adapted World Transient Vehicle Cycle）[2]試驗，全面分析測試循環的行駛特征、氣體污染物、顆粒物質量（Particle Matter，PM）和顆粒物數量（Particle Number，PN）。

1 測試系統及測試循環

1.1 測試設備

為滿足排放測試的一致性要求，整車和發動機排放試驗采用同一套能滿足歐Ⅵ排放測試要求的全流稀釋采樣系統，表1為試驗所采用的設備及型號，系統布置圖如圖1所示。

表1 試驗裝置

圖1 測試系統組成圖

相比國Ⅴ發動機，歐Ⅵ污染物測試項目著重增加了顆粒物數量PN的測試[3]，本試驗選擇滿足歐Ⅵ法規的AVL489顆粒計數器，該測量裝置應首先通過揮發性顆粒去除器除去可揮發性顆粒，然后通過顆粒計數單元對固體顆粒進行計數。其粒徑范圍為23 nm～2.5 um，能對柴油機排氣的顆粒數量實現較高精度檢測。

1.2 試驗車輛和發動機

試驗發動機的主要參數如表2所示。該發動機后處理型式為DOC+DPF+SCR的組合方式，排放污染物均滿足歐Ⅵ限值要求。

試驗車輛為后驅式廂式貨車，最大設計總質量為6 495 kg。

表2 試驗發動機參數

1.3 試驗燃油

試驗燃油為北京市售國Ⅴ基準燃油。燃油的基本特性參數如表3所示。

表3 燃料特性

1.4 測試循環介紹

全球重型商用車瞬態循環（WTVC，World Transient Vehicle Cycle）是通過對全球不同國家和地區的重型汽車駕駛行為和統計信息數據的收集及分析形成的，以車速和校正功率的形式給出。而CWTVC是通過調整WTVC的加速度和減速度，結合國內大部分車輛的行駛特點，完善形成的中國重型商用車循環。

發動機瞬態試驗循環WHTC是以WTVC為基礎進行轉化獲得的。WHTC試驗循環盡可能地反映世界范圍內重型發動機的道路實際運行情況。歐Ⅵ發動機的WHTC循環包括一組1 800 s逐秒變化的轉速和扭矩規范百分值，若在發動機試驗臺上進行試驗，依據每臺發動機的瞬態性能曲線將發動機的轉速和扭矩百分比轉化成實際值，以形成基準循環。

圖2和圖3分別為C-WTVC和WHTC的循環工況圖。

圖2 C-WTVC循環工況圖

1.5 試驗方法

試驗參照歐Ⅵ法規EU No 582/2011[4]，在發動機臺架上進行兩次熱態WHTC試驗；依據GB/T 27840-2011在轉鼓上進行兩次C-WTVC試驗，最后的測試結果取平均值。試驗前熱車30分鐘，為保證與臺架試驗的一致性，更好地模擬熱啟動過程，試驗前熱車10分鐘后立即著車進行試驗。整車試驗時，由數據采集設備讀取發動機的轉速和輸出扭矩。

圖3 WHTC循環工況圖

2 試驗結果及分析

2.1 測試循環特征參數對比

表4為測試循環主要特征參數的統計對比。

表4 測試循環主要特征參數統計對比

從表4的參數對比可分析出，WHTC循環的平均轉速比整車C-WTVC循環高66 r/min，平均扭矩比C-WTVC循環低11 N·m，而循環功比C-WTVC循環低3%左右。C-WTVC循環的怠速比例比WHTC循環高10%，這點可從圖6的各工況分布圖印證。怠速的差異是當車輛在轉鼓試驗時，車輛滑行過程中的轉速均為怠速，而實際臺架測試過程中的發動機轉速是按照工況設定值嚴格由電力測功機自動控制的。

為更好地對比整個試驗過程中發動機工況的變化，圖4和圖5分別給出了整車C-WTVC和發動機WHTC測試過程中發動機轉速和扭矩的對比。

圖4 發動機轉速對比

圖5 發動機扭矩對比

從圖4可以看出，城市工況下的發動機轉速在400～650s內C-WTVC低于WHTC，高速循環下的發動機轉速C-WTVC比WHTC普遍高350 r/min左右，其余時間段一致性較好。主要是由于C-WTVC下的城市工況主要為低車速，駕駛員普遍選擇發動機轉速較低的低檔位行駛，而在高速循環，駕駛員選擇直接檔以提高車速。

從圖5可以看出，WHTC測試時的測功機多為轉速/扭矩的電子控制模式，轉速和扭矩的響應時間短，扭矩比C-WTVC測試時的變化幅度劇烈。城市和公路部分下的C-WTVC輸出扭矩略偏大，高速時輸出扭矩偏低。

圖6為兩種測試循環的實際工況分布。從圖6可以看出，C-WTVC在低轉速和高轉速的工況分布概率大，印證了C-WTVC的怠速比例大，同時C-WTVC的倒拖扭矩比例高，說明在整車實際試驗過程中，C-WTVC滑行的比重高于WHTC。

圖6 兩種測試循環的發動機實際工況分布圖

2.2 氣體污染物對比

表5為整車C-WTVC和發動機WHTC氣體污染物排放平均值和歐Ⅵ限值的對比。

表5 C-WTVC和WHTC的氣體污染物排放g/kW·h

從表5可以看到，兩循環的污染物排放均滿足歐Ⅵ限值要求。C-WTVC循環的CO2比排放比WHTC循環低0.97%，說明發動機的工作狀態基本一致；NOx由于絕對排放量低，兩循環的NOx比排放相差不大，C-WTVC循環的NOx比排放比WHTC循環高16.41%。

圖 7CO2瞬時排放濃度對比圖

圖7 為兩循環經CVS稀釋后的CO2瞬時排放濃度對比圖。從圖7可以看出，CO2的排放與發動機的輸出扭矩呈正向關系。C-WTVC在啟動后的CO2排放均值較低，但第80 s左右的加速工況下的CO2排放峰值較高；在高速階段1 680 s左右，WHTC的CO2排放隨扭矩的突然增大而增大，而C-WTVC在該時刻的CO2高排放持續時間短。從最終的CO2比排放分析，C-WTVC為674.57 g/（kW·h），WHTC為681.14 g/（kW·h），前者比后者低0.97%。此外，盡管在某些時間段兩測試循環內CO2排放存在差異，但其變化趨勢基本相同，進一步驗證了兩循環的高度一致性。

圖8為兩循環經CVS稀釋后的NOx瞬時排放濃度對比圖。從圖8可以看出，WHTC的NOx排放在初始階段遠小于C-WTVC，而在之后的城市和公路循環出現幾處峰值；WHTC循環NOx排放的均值為0.88× 10-6，C-WTVC循環NOx排放的均值為1.19×10-6。

圖8 NOx瞬時排放濃度對比圖

從整體分析看，C-WTVC試驗時的進氣溫度均值為21.7℃，WHTC由于控溫均衡，平均溫度為24.16℃。進氣溫度越低，進氣量越大，整車試驗時的環境溫度和后處理前的排氣管溫度就越低，SCR的反應效率降低，NOx排放高。此外，發動機臺架布置時的排氣管保溫效果較整車好，至DOC前的溫度高于整車，經過DOC后的NO2生成量高，NO2與NH3的反應速率和效率高，也是臺架測試NOx低的原因之一。至于WHTC其他工況下的NOx排放在不同階段出現波峰的情況，原因是中等轉速下扭矩瞬時變化程度劇烈，特別是在負荷增大過程中，隨著燃燒溫度的升高，NOx排放增大[5]。此外，循環工況差異造成儲氨裝置釋放NH3的程度有所差別，也是造成NOx排放差異的因素之一。

圖9為兩循環經CVS稀釋后的CO瞬時排放濃度對比圖。

圖9 CO瞬時排放濃度對比圖

從圖9可以看出，WHTC循環和C-WTVC循環的CO平均值分別為0.04×10-6和0.11×10-6。C-WTVC啟動前100s的CO峰值達到12.68×10-6，這是由于啟動過程中混合氣過濃，過量空氣系數低，導致發動機燃燒不完全[6]；同時，熱態試驗前的環境溫度低，車輛保溫較發動機臺架差，使C-WTVC開始前的排氣溫度低，導致C-WTVC在冷啟動階段的CO排放出現峰值；而在其余工況，C-WTVC循環的CO排放與WHTC比較接近，且相對變化比較平穩，除部分工況外，大部分工況下的CO均為1×10-6以下。

WHTC循環的THC平均濃度為0.02×10-6，峰值濃度為0.22×10-6，整個WHTC循環的THC平均排放幾乎為零；而C-WTVC循環的THC排放平均值為0.09×10-6，說明經過DOC氧化后的排氣中已無THC化合物。

2.3 顆粒物質量PM

發動機WHTC循環測試的顆粒物質量比排放為0.0026g/（kW·h），而整車C-WTVC循環測試的顆粒物質量比排放為0.00214g/（kW·h），C-WTVC循環的顆粒物質量PM比排放比WHTC循環低17.69%。造成差異的原因是C-WTVC循環平均進氣量多，不利于顆粒物中碳煙的生成。此外，歐Ⅵ發動機加裝DPF后顆粒物的質量排放大幅降低，而測試工況及環境條件差異也是造成偏差的因素之一。

2.4 顆粒物數量PN

分析兩循環下的顆粒物數量PN排放數據得知，WHTC循環的PN平均濃度為1 178個/cm3，C-WTVC循環的PN平均濃度為1 281個/cm3，WHTC循環與C-WTVC循環的PN比排放分別為6.72×1011g/（kW·h）和7.19×1011g/（kW·h），C-WTVC循環的顆粒物數量PN比排放比WHTC循環低6.54%。

圖10為兩循環下的顆粒物數量PN排放濃度對比圖。

圖10 顆粒物數量PN瞬時排放濃度對比圖

從圖10可以看出，相比C-WTVC，WHTC在前200 s的啟動階段PN排放最高，隨著試驗循環的進行，在城市和公路部分C-WTVC的PN濃度普遍高于WHTC，而高速階段的PN反映出發動機的顆粒物排放更為惡劣。循環前200s的PN排放存在差異的原因為進行C-WTVC試驗時，由于浸車時間長，環境溫度低，在循環前200s，缸內溫度較低，柴油燃燒不如WHTC熱啟動循環充分，導致顆粒物總質量PM增大，但由此增加的顆粒物粒徑較大，可揮發性成分較多，經過采樣設備的探頭分離和蒸發后，PN數量低于WHTC循環；隨著循環的進行，C-WTVC循環下的發動機進氣量多，燃燒較WHTC循環更充分，經DPF過濾后的細顆粒較多，PN排放反而呈現增大的趨勢；高速工況，發動機WHTC循環的較低轉速和較高負荷的燃燒性能使顆粒物的整體排放水平高。

1）兩種測試循環工況存在很強的關聯性，C-WTVC循環的怠速比例比WHTC循環高10%。

2）C-WTVC循環和WHTC循環所有污染物排放均滿足歐Ⅵ法規限值要求。

3）C-WTVC循環的NOx比排放比WHTC循環高16.41%，C-WTVC循環的CO2比排放比WHTC循環低0.97%。

4）C-WTVC循環的顆粒物質量PM比排放比WHTC循環低17.69%，C-WTVC循環的顆粒物數量PN比排放比WHTC循環低6.54%。

5）通過對嚴格等同的試驗環境、后處理布置和SCR的氨存儲等方面進行完善，未來將更好地降低整車排放測試和發動機排放測試之間的差異性。

3 結論

采用滿足歐Ⅵ排放法規的柴油發動機及安裝該型號發動機的重型汽車，發動機以熱態WHTC以及整車依據熱態C-WTVC，使用同一排放設備進行試驗。得出以下結論：

1全國汽車標準化技術委員會.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）[S].北京：中國標準出版社，2014

2全國汽車標準化技術委員會.GB/T 27840-2011重型商用車輛燃料消耗量測試方法[S].北京：中國標準出版社，2011

3UnitedNationsEconomicCommissionforEurope.ECE R49.06. Uniform provisions concerning the measures to be taken against the emission of gaseous and particulate pollutants from compression-ignition engines and positive ignition engines for use in vehicles[S].E/ECE/324/Rev.1/Add.48/Rev.6-E/ECE/ TRANS/505/Rev.1/Add.48/Rev.6,4 March 2013

4The European Commission.（EU）No 582/2011.Consolidated to Regulation（EU）No 64/2012 Heavy Duty Emissions-Euro VI[S].2011：95-96

5王鳳濱.基于全流和部分流稀釋采樣系統測試柴油發動機排放的相關性分析[D].武漢：武漢理工大學，2009

6周龍保.內燃機學[M].北京：機械工業出版社，1999

A Study about Difference between Vehicle and Engine Emission Test Based on the EuroⅥRegulations

Ai Yi1,Wang Fengbin2,Fu Tieqiang2,Guo Yong2,Wang Changyuan2
1-Beijing Environment Protection Bureau(Beijing,100081,China)
2-China Automobile Technology and Research Center

The Euro VI emission diesel engines and installation of this type of engine of a heavy-duty diesel vehicles were selected,the engine with the hot WHTC and vehicle based on the hot C-WTVC.With the same emission test equipment.The difference of the particulate number PN,particulate matter PM and the gas pollutant between the two cycles was measured.The operating characteristics of the two test cycles were verified.The study found that the two test cycles have a strong correlation.On the whole,the C-WTVC and WHTC emissions are all satisfied with the Euro VI regulations.Because of the difference of the working conditions as well as of the testing cycles,the difference of NOxwas 30.98%,CO2was 0.97%,PM was 17.69%,PN was 15.74%.

Diesel engine,EuroⅥ,Test cycle,Emission,Difference

TK427

A

2095-8234（2016）05-0034-06

2016-08-09）

艾毅（1981—），男，工程師，主要研究方向為機動車排放控制。