基于WHTC循環的柴油機瞬態工況煙度排放研究

張清魯，任錦玲，隋振富

(山東科技職業學院汽車工程系，山東濰坊 261053)

0 引言

在國家“金山銀山不如綠水青山”的號召下，在國內汽車保有量突破2.9億輛之際，研究和降低汽車排放污染物成為很重要且見效顯著的一種途徑。尤其是近幾年“霧霾”的橫行，汽車煙度顆粒物的排放占據“霧霾”總量比重越來越大。因此降低汽車顆粒物排放，刻不容緩。

當前情況下，為滿足國四、國五甚至后續的國六排放法規，電控高壓共軌成為了柴油機的標配。現今柴油機的主要研究方向為減排和節能。很多學者和企業對柴油機的煙度排放做過很多研究，如通過在燃油中添加有機金屬成分或納米顆粒來抑制碳煙的形成并促進缸內碳煙氧化[1]，研究不同EGR(Exhaust Gas Recirculation，廢氣再循環系統)率對NOx及顆粒排放的影響[2]，多次噴射與EGR聯合控制降低煙度排放[3]，通過標定軌壓和噴油提前角降低煙度排放[4]，增設后處理設備如DPF(Diesel Particulate Filter，顆粒捕捉器)[5]等降低柴油機煙度的研究非常多。也有很多學者通過研究各種控制策略降低WHTC(World Harmonized Transient Cycle)NOx和煙度排放，如文獻[6]中研究了燃油噴射控制參數對WHTC循環排放和經濟性的影響，文獻[7]中通過提高排氣溫度降低WHTC瞬態排放的研究，文獻[8]中通過研究SCR控制策略來降低WHTC瞬態排放。但當前通過研究瞬態過程和瞬態控制策略來降低煙度排放的文章相對較少，如文獻[9]中通過研究EGR瞬態修正模塊來降低瞬態排放，文獻[10]中通過研究噴油參數來降低瞬態排放過程的煙度等。而基于國家即將推行的國六排放法規試驗，基于WHTC循環的瞬態過程的煙度排放的研究幾乎一片空白，利用軌壓瞬態修正降低瞬態煙度排放的研究也非常少。

本文作者基于WHTC循環進行瞬態過程煙度排放分析，基于分析結果，以WHTC瞬態過程為研究對象，通過建立軌壓瞬態修正模型，降低瞬態煙度排放。

1 基于WHTC的瞬態過程分析

汽車發動機大部分時間都是在瞬態工況中運轉，即轉速和轉矩每時每刻都在變化，對汽車發動機的瞬態排放性能進行研究將有很重要的實際意義。環境保護部在2014年1月16日發布了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)》，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)。

未來幾年推行國六排放勢在必行，環保法規中的國六排放要求柴油機出廠前須進行WHTC瞬態試驗循環，因此選取WHTC試驗循環作為測試循環，進行瞬態過程的研究和驗證。

WHTC循環包含一組逐秒變化的轉速和扭矩的規范百分值。為了在發動機試驗臺上進行試驗，根據試驗發動機的性能數據和參數，將百分比轉化為實際值，以換算成適用于發動機的臺架試驗循環。根據試驗發動機參數(見表1)，轉化后的WHTC工況點分布如圖1所示。

表1 試驗柴油機參數

圖中包含了WHTC、WHSC、WNTE 3種循環的工況點，其中“+”號表示的點為該試驗發動機WHTC的1 800個循環工況點，這些循環工況點覆蓋了該型號發動機常用經濟轉速區，很全面地體現了該型號柴油機常用工況。

依據轉化后的WHTC臺架循環測試，運行柴油機臺架試驗程序，調取其中的轉速、扭矩及PM(顆粒物)參數數據，得到圖2所示整個循環過程的PM排放結果(AVL483在線測量值)。

圖2 柴油機WHTC排放結果

可以看出：整個WHTC排放循環中，有很多個峰值點，最大的峰值點可達到500 mg/m3。因圖中集中了1 800個工況點，比較密集，很難分辨具體細節，截出PM峰值較高的一段作詳細分析，如圖3所示。

圖3 WHTC部分循環排放

可以看出：

(1)WHTC循環工況中的碳煙排放出現大量峰值，從截取的時間段來看，有兩個峰值超過400 mg/m3，這兩個峰值排放占整個截取時間段的80%以上。

(2)煙度排放峰值與扭矩峰值具有一定的相關性，煙度峰值出現在扭矩增幅較大的區域。

同樣截取WHTC中一段，調取其他影響燃燒的參數：進氣量、噴油量、循環排放，3個參數關系如圖4所示。

從圖4中得出：扭矩增加過程中，油量響應迅速，幾乎與扭矩趨勢一致，而進氣量響應滯后，導致空氣不足，從而形成過量空氣系數低谷。煙度峰值與過量空氣系數低谷峰值相吻合，這說明煙度的產生與進氣量延遲有直接關系。

根據上面的分析結果，文中設計瞬態軌壓修正控制策略，通過改變瞬態軌壓來改善瞬態過程中噴油霧化情況，優化“油多氣少”的燃燒情況，降低WHTC瞬態過程中煙度排放。

2 設計瞬態軌壓修正控制策略

在原有的軌壓控制策略中，存在軌壓的環境溫度、環境壓力修正，無軌壓瞬態修正模塊，這里引入瞬態軌壓修正值，使得瞬態過程中的實際軌壓=軌壓計算值+瞬態軌壓修正值。通過引入軌壓瞬態修正值來降低瞬態過程的煙度排放。通過FlexECU軟件將模型程序寫入試驗發動機ECU中。圖5所示為軌壓計算模型，圖6所示為軌壓設定值計算模型，圖7所示為軌壓瞬態修正控制策略。

圖5 軌壓計算模型

圖6 軌壓設定值計算模型

圖7 軌壓瞬態修正控制策略

3 試驗方法

整個試驗過程如圖8所示。

圖8 整個試驗過程

3.1 發動機試驗循環選取

通過上述瞬態過程中煙度排放分析，可以看出，整個瞬態循環的煙度峰值占煙度總量的比例很大，因此研究的重點在于消減瞬態排放過程的煙度峰值。

根據WHTC試驗循環排放結果，找出其中煙度峰值集中的部分。這里選取WHTC循環中煙度峰值大于50 mg/m3(暫定值，根據瞬態工況中NOx、油耗等綜合因素變化情況需要再次調整)工況進行修正。試驗方法：找到PM比較大的工況，分別從WHTC中提取出包含這些工況(最好從怠速開始)的一些時間段，將這些微片段WHTC循環導入臺架測控儀，分別運行這些分段的瞬態工況。

3.2 標定方法

運行WHTC循環時，調出煙度同步測量值。在運行至煙度峰值點對應的瞬態軌壓MAP中的區域(煙度峰值產生時黑框經過的區域)進行標定，如圖9所示。標定時，以10 MPa為單位，依次遞增進行標定，同時觀察該區間煙度峰值的變化，若峰值未變化或仍較大，加大瞬態軌壓值或改變標定區域，直至煙度峰值降至50 mg/m3以內，找到運行工況區域的最佳標定值并記錄。

要注意的是煙度測量儀測量的滯后性，因為當前循環中標定的軌壓對排放的影響效果只有在后面的發動機循環中被煙度儀測量到。因此，要注意標定區域的合理選取。

圖9 瞬態軌壓標定MAP

4 試驗結果

4.1 試驗參數

試驗發動機采用EGR(Exhaust Gas Recirculation，廢氣再循環系統)+SCR(Selective Catalytic Reduction，選擇性催化還原技術)技術路線，滿足國五排放法規的四沖程高壓共軌增壓中冷柴油機，表1給出了試驗用柴油機的性能參數。

采用的煙度測量設備：瞬態過程在線測量使用AVL 483測量儀，整個WHTC循環排放收集采用AVL 415S設備。兩設備參數如表2所示。

表2 煙度測量儀參數

4.2 瞬態循環結果對比

首先，在試驗臺架上運行提取WHTC高煙度峰值片段，記錄該過程的煙度排放。對該循環運行過的所有工況區域標定軌壓MAP，標定后再次循環運行，調出排放數據，檢查排放結果。標定前后煙度排放對比如圖10所示。

可以看出，標定后的煙度排放相比于標定前煙度總量明顯減小，且提取WHTC循環片段的煙度排放峰值都有明顯的減小，這說明軌壓瞬態修正對瞬態煙度峰值消減效果明顯。

圖10 軌壓修正前后煙度值對比

完成WHTC循環中所有高煙度峰值對應的工況區域的標定后，運行HTC循環，對比瞬態標定前后的煙度排放情況，修正前后的瞬態煙度排放如圖11所示。

圖11 標定前后煙度排放值

可以明顯看出，標定后的煙度峰值遠小于標定前的煙度峰值，基本控制在60 mg/m3以內，較好地實現了預期的煙度值消減目標。

在標定過程中將煙度峰值控制在60 mg/m3以內，若繼續進行增減瞬態軌壓值，NOx增大較快，因此利用外修改提前角、EGR率、進氣量等因素來消減增加的這部分NOx排放，非常不利于整機排放的降低。在標定瞬態軌壓模塊降低煙度的過程中，一個基本的原則就是在油耗、NOx值可控的情況下，不能因瞬態過程中煙度排放降低造成油耗、NOx較大的變化。

4.3 WHTC循環整體排放對比

分別開啟和關閉瞬態修正模塊，運行WHTC循環，得到如表3所示對比試驗結果。

表3 瞬態軌壓標定前后排放結果對比 g/(kW·h)

注：THC表示氣體中含有碳氧化合物的總量；BSFC表示有效燃油水消耗率。

通過上述結果，可以看出標定后整個瞬態過程煙度下降20%，煙度降排效果客觀，但是NOx排放上升9.75%，油耗上升1 g/(kW·h)。綜合PM與NOx排放考慮，該研究取得較好降煙度效果。多出的NOx排放可通過EGR與SCR的耦合控制來消除。

5 結論

通過對電控高壓共軌柴油機基于WHTC循環的瞬態排放研究，分析了電控高壓共軌柴油機瞬態過程中煙度排放過大的原因機制，即瞬態過程中進氣量滯后于噴油量造成過量空氣系數低谷，燃燒不良，煙度增多。在分析結論基礎上，建立瞬態軌壓修正模型，通過軌壓瞬態修正模塊的標定，標定后的WHTC循環煙度排放峰值明顯減小，說明瞬態軌壓修正能有效降低瞬態過程煙度排放，對研究柴油機煙度排放具有很重要的意義。但也存在一些不足：

(1)影響發動機煙度排放的因素是多方面的，如發動機裝配到整車后，進氣環境及排氣背壓等都受到影響。因此發動機裝配整車后還需要進行標定和驗證，以確認標定效果的有效性；

(2)瞬態模塊中還有諸多子模塊，比如預噴瞬態修正、EGR瞬態修正、預噴提前角瞬態修正等多個模塊，這些瞬態模塊是否能同樣降低瞬態煙度排放，都需要進行標定和驗證，以確定該標定方法最終有效。