車輛匹配直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的NEDC/WLTC循環(huán)排放分析

李基鳳 張 毅 馬冠欽 楊萬里 王瑞平,2

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司）

引言

隨著中國第六階段排放法規(guī)的發(fā)布，對(duì)乘用車排放的要求日趨嚴(yán)格。中國第六階段排放法規(guī)a階段將于2020年7月1日實(shí)施，法規(guī)中的CO限值為700 mg/km，較中國第五階段排放法規(guī)中的CO限值加嚴(yán)了30%，增加了對(duì)汽油車的顆粒物數(shù)量（PN）限值要求。整車排放測(cè)試循環(huán)將由NEDC（new european driving cycle）更換為WLTC（world harmonized light duty test cycle），試驗(yàn)循環(huán)時(shí)間加長，工況更加復(fù)雜，車速變化更為頻繁，整車排放更高。

影響車輛排放的因素包含2個(gè)方面：一方面是發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的工作情況，另一方面是排氣后處理。

Gunter P.Merker等人[1]對(duì) CO、HC、NOx排放隨過量空氣系數(shù)變化的趨勢(shì)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，排放污染物的產(chǎn)生受過量空氣系數(shù)的影響很大。過量空氣系數(shù)較小時(shí)，缸內(nèi)混合氣較濃，CO、HC排放較高，NOx排放相對(duì)較少；隨著過量空氣系數(shù)的增大，CO排放下降，最終達(dá)到最小值；HC排放在過量空氣系數(shù)為1.2左右達(dá)到最低值，之后隨過量空氣系數(shù)的增大而升高；在過量空氣系數(shù)為1.1左右時(shí)，NOx排放達(dá)到峰值，之后隨過量空氣系數(shù)的增大而下降。過量空氣系數(shù)較大時(shí)，缸內(nèi)混合氣稀薄，容易造成失火。

面對(duì)日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，了解排放產(chǎn)生的階段、原因，對(duì)于采取合理的措施降低排放具有重要的意義。

本文分析了NEDC/WLTC循環(huán)下排放污染物的差異、產(chǎn)生階段及原因。

1 整車排放測(cè)試

本文試驗(yàn)車輛為某款轎車，匹配缸內(nèi)直噴渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)與6MT手動(dòng)變速箱，整車及發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見表1。

表1 整車及發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

試驗(yàn)室溫度控制在（23±5）℃，試驗(yàn)在轉(zhuǎn)轂臺(tái)架上進(jìn)行。氣態(tài)污染物及顆粒物采樣流程如圖1所示。

圖1 整車排放試驗(yàn)流程圖

汽車排氣與稀釋空氣在混合裝置中混合稀釋后進(jìn)入稀釋通道，顆粒物的取樣點(diǎn)布置在稀釋通道內(nèi)，從均勻的空氣/排氣混合氣中抽取具有代表性的樣氣；氣態(tài)污染物樣氣取樣點(diǎn)位于熱交換器上游。

顆粒物排放測(cè)量方法[2]如下：

1）顆粒物數(shù)量排放測(cè)量方法。采用顆粒物取樣探頭（PSP）在稀釋通道內(nèi)取樣，取樣探頭安裝在距氣體入口大約10倍通道直徑且處于氣流下游方向的地方，面向氣流方向，取樣探頭探針的中心軸與稀釋通道的中心軸平行，經(jīng)粒子傳輸管（PTT）、取樣預(yù)分離器（PCF）、揮發(fā)性粒子去除器（VPR），到達(dá)粒子計(jì)數(shù)器（PNC）對(duì)顆粒物進(jìn)行計(jì)數(shù)。

2）顆粒物質(zhì)量排放測(cè)量方法。在稀釋通道內(nèi)取樣，對(duì)試驗(yàn)濾紙進(jìn)行稱重，得到顆粒物質(zhì)量。對(duì)取樣濾紙的要求是：至少在試驗(yàn)前2 h將濾紙放置在一只防止灰塵進(jìn)入的開口盤中，并放置在稱重室進(jìn)行穩(wěn)定。穩(wěn)定處理結(jié)束后，對(duì)濾紙進(jìn)行稱重記錄。試驗(yàn)前，濾紙應(yīng)放置在有蓋的密閉器皿內(nèi)或密封的濾紙架內(nèi)。

整車排放試驗(yàn)循環(huán)包括NEDC循環(huán)和WLTC循環(huán)，如圖2所示。

圖2 NEDC/WLTC循環(huán)

NEDC循環(huán)包括市區(qū)循環(huán)（ECE）和市郊循環(huán)（EUDC），總時(shí)長1 180 s，怠速時(shí)間約占33%，最高車速為120 km/h；WLTC循環(huán)包括低速、中速、高速、超高速等4個(gè)階段，總時(shí)長1 800 s，怠速時(shí)間約占13%，最高車速為131.6 km/h。

NEDC/WLTC循環(huán)對(duì)比見表2。從表2中NEDC循環(huán)與WLTC循環(huán)的車速變化對(duì)比可知，WLTC循環(huán)，車速波動(dòng)相對(duì)頻繁，運(yùn)行工況較復(fù)雜。

表2 NEDC/WLTC循環(huán)對(duì)比

2 排放結(jié)果分析

本文基于某轎車NEDC/WLTC循環(huán)整車排放試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比分析NEDC循環(huán)與WLTC循環(huán)下排放污染物（CO、THC、NOx）的差異，從排放污染物產(chǎn)生階段、排氣溫度、各排放污染物的催化效率等方面分析排放污染物產(chǎn)生的原因。

2.1 NEDC/WLTC循環(huán)排放對(duì)比分析

發(fā)動(dòng)機(jī)的過量空氣系數(shù)影響缸內(nèi)燃燒情況，進(jìn)而對(duì)排放造成影響。圖3為發(fā)動(dòng)機(jī)過量空氣系數(shù)對(duì)燃燒和排放的影響。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)過量空氣系數(shù)的影響

由圖3可以看出，高速高負(fù)荷區(qū)域，過量空氣系數(shù)較低，存在加濃情況，為CO、THC排放污染物的產(chǎn)生提供了條件。

雖然WLTC循環(huán)車速變化頻繁，但其CO2排放較NEDC循環(huán)低1%～8%，原因有2個(gè)：

1）WLTC循環(huán)冷起動(dòng)時(shí)間較短；

2）發(fā)動(dòng)機(jī)某些工況運(yùn)行在效率較高的區(qū)域[3-5]。

圖4為2種循環(huán)下CO2、CO、THC和NOx排放污染物的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

圖4 NEDC/WLTC循環(huán)排放污染物對(duì)比

NEDC循環(huán)、WLTC循環(huán)的CO排放分別為320 mg/km、570 mg/km左右，均滿足國六a階段排放限值700 mg/km，WLTC循環(huán)的CO排放比NEDC循環(huán)高78%；NEDC循環(huán)與WLTC循環(huán)的THC、NOx排放差異不大，分別滿足國六a階段限值100 mg/km、68 mg/km；NEDC循環(huán)與WLTC循環(huán)的CO2排放分別為145g/km與141g/km，WLTC循環(huán)的CO2排放稍低于NEDC循環(huán)。

基于排放污染物HC、CO、CO2的排放量,根據(jù)碳平衡原理可得到車輛試驗(yàn)循環(huán)的百公里油耗。

生成HC、CO、CO2的反應(yīng)式為：

C原子的摩爾質(zhì)量M為：

式中：a為HC的排放量，mol/km；b為CO的排放量，mol/km；c為CO2的排放量，mol/km；摩爾質(zhì)量M的單位為mol/km。

汽油質(zhì)量m為：

式中：汽油質(zhì)量m的單位為g/km。

百公里油耗FE為：

式中：ρ為汽油密度，kg/L；百公里油耗FE的單位為L/100 km。

在排放污染物中，相比CO2排放量，HC、CO的排放量均較小。在百公里油耗計(jì)算時(shí)，僅考慮CO2排放的情況下，百公里油耗為：

若汽油密度ρ為0.742 kg/L，則百公里油耗可表示為：

2.2 排放產(chǎn)生原因分析

結(jié)合循環(huán)車速變化、循環(huán)中排氣溫度及不同排放污染物的催化效率，分析NEDC循環(huán)和WLTC循環(huán)的CO、THC、NOx、PN排放的產(chǎn)生階段以及產(chǎn)生原因。

2.2.1 NEDC循環(huán)

圖5、圖6、圖7分別為NEDC循環(huán)的CO、THC、NOx排放。

由圖5、圖6、圖7可以看出，NEDC循環(huán)約50%的CO排放產(chǎn)生于市郊循環(huán)的急加速階段；THC排放35%左右產(chǎn)生于冷起動(dòng)階段，25%左右產(chǎn)生于急加速階段；NOx排放50%左右產(chǎn)生于冷起動(dòng)階段，30%左右產(chǎn)生于急加速階段。即NEDC循環(huán)的CO、THC、NOx排放主要產(chǎn)生于NEDC循環(huán)前40 s和70～120 km/h急加速階段。主要原因是NEDC循環(huán)前40 s為冷起動(dòng)階段，排氣溫度較低，催化器處于起燃階段，催化效率較低，導(dǎo)致排放污染物較多。此外，冷起動(dòng)時(shí)，缸內(nèi)溫度較低，燃油蒸發(fā)霧化差，導(dǎo)致排放增加。70～120 km/h急加速階段存在過渡工況，導(dǎo)致燃燒不充分，產(chǎn)生較多的排放污染物。

圖5 CO排放（NEDC循環(huán)）

圖6 THC排放（NEDC循環(huán)）

圖7 NOx排放（NEDC循環(huán)）

圖8 為NEDC循環(huán)的PN排放。由圖8可以看出，PN主要產(chǎn)生于NEDC循環(huán)的第1個(gè)ECE循環(huán)，即NEDC循環(huán)前200 s。

圖8 PN排放（NEDC循環(huán)）

針對(duì)冷起動(dòng)階段的顆粒物排放，Jongwon Chung等人利用缸內(nèi)可視化技術(shù)，調(diào)整噴油策略（噴油次數(shù)、噴油時(shí)刻及噴油壓力等）改善顆粒物排放問題，可使顆粒物排放降低約88%[6]。

2.2.2 WLTC循環(huán)

WLTC循環(huán)工況比較復(fù)雜，車速變化頻繁，對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷也相對(duì)較高。

圖9、圖10、圖11分別為WLTC循環(huán)的CO、THC、NOx排放。

圖9 CO排放（WLTC循環(huán)）

圖10 THC排放（WLTC循環(huán)）

由圖9、圖10、圖11可知，WLTC循環(huán)60%的CO排放產(chǎn)生于超高速階段；THC排放20%產(chǎn)生于低速階段前100 s，50%產(chǎn)生于超高速階段；NOx排放50%產(chǎn)生于低速階段前100 s，30%產(chǎn)生于超高速階段。排放控制可從WLTC循環(huán)低速階段前100 s和超高速階段入手，分析排放產(chǎn)生的原因，采取措施降低排放。

圖11 NOx排放（WLTC循環(huán)）

圖12 為WLTC循環(huán)的PN排放。由圖12可以看出，顆粒物排放的70%左右產(chǎn)生于低速階段前300 s。

圖12 PN排放（WLTC循環(huán)）

通過對(duì)NEDC循環(huán)和WLTC循環(huán)的排放進(jìn)行分析可知，NEDC循環(huán)的氣態(tài)污染物排放主要產(chǎn)生于冷起動(dòng)階段和急加速階段；WLTC循環(huán)的氣態(tài)污染物排放主要產(chǎn)生于低速階段和超高速階段。NEDC循環(huán)的顆粒物排放主要產(chǎn)生于第1個(gè)ECE循環(huán)，WLTC循環(huán)的顆粒物排放主要產(chǎn)生于低速階段前300 s。

針對(duì)冷起動(dòng)階段的排放污染物，J.Felipe Rodriguez等人通過改變控制策略降低了冷起動(dòng)排放。主要包括改善冷起動(dòng)階段氣門正時(shí)、調(diào)整噴油策略（噴油量、噴油壓力、噴油次數(shù)、噴油時(shí)刻）等[7-11]。

2.2.3 排氣溫度

冷起動(dòng)階段的排放由2方面原因引起：一方面缸內(nèi)溫度較低，燃油蒸發(fā)霧化差；另一方面排氣溫度低，催化器催化效率低。Kevin Cedrone等人通過改善氣門正時(shí)、排氣背壓來縮短催化器起燃時(shí)間，提高催化器催化效率[12]。此外，還可通過改善排氣系統(tǒng)的熱管理、采用電加熱催化器提高催化器的催化效率，降低排放[13]。

圖13為NEDC/WLTC循環(huán)CO的催化效率隨排氣溫度的變化關(guān)系。

圖13 CO催化效率（NEDC/WLTC循環(huán)）

從圖13右下角小圖可以看出，在35 s時(shí)，排氣溫度已達(dá)到催化器起燃溫度（350℃），此前催化效率低于90%。隨著循環(huán)的進(jìn)行，催化器催化效率接近100%，期間存在波動(dòng)。在急加速階段，排氣溫度接近800℃，溫度較高，導(dǎo)致催化效率降低至80%左右。

圖14、圖15分別為NEDC/WLTC循環(huán)THC、NOx的催化效率隨排氣溫度的變化關(guān)系。

圖14 NOx催化效率（NEDC/WLTC循環(huán)）

圖15 THC催化效率（NEDC/WLTC循環(huán)）

由圖14、圖15可以看出，在35 s前，即催化器起燃前，THC、NOx的催化效率均低于90%，之后催化器進(jìn)入工作狀態(tài)，催化效率接近100%。在急加速階段，排氣溫度接近800℃，THC的催化效率降低至90%，NOx的催化效率影響不大。

對(duì)于氣態(tài)污染物排放的控制，可通過改善排氣系統(tǒng)的熱管理來縮短催化器起燃時(shí)間，提高催化效率；對(duì)于顆粒物排放，可通過后處理GPF來降低。

3 結(jié)論

本文基于某轎車NEDC循環(huán)、WLTC循環(huán)排放試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比了CO2、CO、THC、NOx排放在NEDC循環(huán)和WLTC循環(huán)中的差異，分析了排放污染物在NEDC/WLTC循環(huán)的主要產(chǎn)生階段及產(chǎn)生原因，結(jié)論如下：

1）WLTC 循環(huán)的 CO2、THC、NOx排放與 NEDC循環(huán)差異不大，WLTC循環(huán)的CO排放比NEDC循環(huán)高78%左右，主要原因在于WLTC循環(huán)車速較高、變化頻繁，此外，在WLTC循環(huán)超高速階段，排氣溫度接近800℃，催化器催化效率降低至80%左右，導(dǎo)致排放升高。

2）NEDC循環(huán)的氣態(tài)污染物主要產(chǎn)生于冷起動(dòng)階段和急加速階段，WLTC循環(huán)的氣態(tài)污染物主要產(chǎn)生于低速階段和超高速階段。原因是：一方面催化器催化效率低，另一方面NEDC循環(huán)在冷起動(dòng)階段和急加速階段燃燒相對(duì)較差，而WLTC循環(huán)在低速階段和超高速階段燃燒相對(duì)較差。

3）NEDC的顆粒物排放主要產(chǎn)生于第1個(gè)市區(qū)循環(huán)（ECE）,WLTC循環(huán)的顆粒物排放主要產(chǎn)生于低速階段前300 s。