國六重型柴油機不同測試循環下的排放響應研究

田茂軍，黃德軍，唐卜，張騰，徐輝

(1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2.濰柴西港新能源動力有限公司，山東 濰坊 261061)

隨著社會的發展、城市化進程的加快以及人民生活水平的提高，汽車保有量逐年攀升，導致我國大中城市交通變得日趨擁堵。ESC(European Steady-state Cycle)和ETC(European Transient Cycle)是國Ⅳ、國Ⅴ階段評價重型車排放性能的測試循環，其工況轉速和負荷均較高，對車輛的低速、低負荷工況考核過少，在實際的車輛排放控制中已凸顯出一定弊端。隨著GB 17691—2018[1]的發布實施，我國重型車用柴油機排放測試評價工況由ESC和ETC轉變為WHSC(World Harmonised Steady-state Cycle)和WHTC(World Harmonised Transient Cycle)。當今世界各個國家和地區執行的排放標準不一，測試循環也存在差異，歐盟、美國、日本這三大排放體系其測試工況也不盡相同。汽車尾氣排放受多種因素影響，同一臺發動機在不同的測試條件和工況下，其污染物排放、排氣溫度等參數也存在差異，即排放響應存在差異。隨著國內重型車排放標準的進一步發展，有必要對當前世界各主流測試循環的排放響應差異開展研究，從而為國內下一階段排放測試循環的選擇和構建提供理論和數據支撐。國內相關學者已開展了部分研究。黃俊等[2]研究了不同測試循環下輕型汽車的排放特性，發現不同測試循環下車輛的排放結果不同，車輛的加速過程排放對結果起主導作用。馮謙、葛旸等[3-8]對ESC、ETC和WHSC、WHTC循環間的排放差異以及臺架循環與整車PEMS的排放差異進行了分析研究。宋東、許家毅等[9-11]研究了不同載荷條件下實際道路行駛的PEMS排放特性。張運[12]研究了道路坡度與交通狀況對輕型汽油車實際行駛排放的影響。岳大俊等[13]研究了不同駕駛行為對重型車PEMS結果的影響。汪曉偉等[14]分析了國六排放測試循環與中國工況發動機測試循環的差異。于津濤等[15]研究了重型車PEMS試驗工況與中國整車工況的差異。艾毅等[16]研究了WHTC循環與整車C-WTVC循環的排放差異?，F有文獻對不同工況下的排放響應研究主要集中在ESC、ETC與WHSC、WHTC的差異，以及不同測試條件對整車PEMS的排放影響，鮮有關于發動機在歐、美、中現行標準測試循環下的排放響應對比研究。

本研究在1臺基于國Ⅵ標準開發的重型柴油機上開展試驗，研究了同一臺發動機在歐、美、中現行測試循環下的排放響應。

1 試驗裝置及方案

1.1 試驗裝置

采用1臺滿足GB 17691—2018 6b標準的重型柴油機，其主要技術參數如表1所示，試驗設備如表2所示。

表1 發動機主要技術參數

表2 試驗設備主要技術參數

測試系統布置如圖1所示，采用計量標定合格的全流稀釋系統對發動機氣態和顆粒污染物進行測量分析，稀釋空氣經過前置預處理以保障其背景污染物濃度均處于較低水平。為保障試驗邊界條件一致，采用進氣空調系統對發動機進氣溫度、濕度進行控制；采用試驗室全室空調對發動機臺架環境進行溫度控制，以保障后處理的環境溫度盡可能一致；采用符合GB 17691—2018要求的同一批次的基準柴油。

圖1 測試系統布置

1.2 試驗方案

試驗方案如下：

1) 按GB 17691—2018進行WHSC和WHTC冷熱態試驗。

2) 按40 CFR Part 1065，40 CFR PART 86進行RMC(ramped-modal duty cycle)和HDDE(EPA Engine Dynamometer Schedule for Heavy-Duty Diesel Engines)試驗。

3) 按美國加州LLC(Low Load Cycle)循環開展試驗。

4) 按40 CFR Part 1065的瞬態冷熱循環的熱浸時間，將WHTC的熱浸時間改為20 min后，開展WHTC冷熱態試驗。

為保證試驗開始前的發動機及后處理狀態盡可能一致，在開展每項試驗前，需運行1次熱態WHTC試驗作為預處理。開展穩態試驗時，統一按WHSC的試驗流程，首先在WHSC第9工況熱機10 min，停機5 min之后，開始試驗。冷、熱態瞬態循環一律在25 ℃室溫條件下冷機6 h及以上，LLC循環按熱態WHTC試驗程序開展。

2 試驗結果與分析

2.1 重型車用柴油機測試循環分析

歐Ⅵ排放測試循環與GB 17691—2018一致，采用WHSC和WHTC。當前美國EPA標準針對重型車用柴油機規定了兩種標準測試循環，分別是RMC和HDDE循環。其中RMC循環按車型年份，又分RMC 10和RMC 07；EPA HDDE分兩個階段，分別是冷起動和熱起動，其中冷起動權重1/7，熱起動權重6/7，冷、熱循環之間以20 min的停機熱浸過渡。美國加州針對車輛低負荷運行情況，還專門提出了LLC循環。日本重型車發動機測試循環JE05是根據東京實際駕駛條件開發的瞬態循環，與WHTC循環相比，JE05工況差異不多，且日本已將WHTC循環納入到法規測試循環的范圍，可知JE05已不再具備突出的代表性，因此未單獨分析JE05。國內在2021年8月20日發布了GB/T 38146.3—2021《中國汽車行駛工況 第3部分：發動機》，其中也規定了一個穩態循環CASC(China Steady-state Cycle)和一個瞬態循環CATC(China Transient Cycle)。

2.2 穩態試驗循環分析

穩態試驗循環工況分布見圖2。由圖可知，RMC工況轉速和負荷相對WHSC、CASC均較高，而WHSC和CASC主要分布在中低速區，大部分工況正好處在該發動機最大扭矩的轉速范圍，且WHSC和CASC兩者工況分布區域相近，僅CASC低負荷工況的負荷更低。經統計RMC循環的循環功最高，而CASC的循環功最低。WHSC和CASC低負荷工況占比均較大，25%及以下負荷占比分別是67.0%和66.4%，兩者相近。

圖2 穩態試驗循環工況分布

穩態測試循環的試驗結果分別見表3和表4。由結果可知，RMC循環的CO2比排放結果比CASC和WHSC均較高，原因與RMC循環工況點的分布有關，RMC循環僅A轉速在最大扭矩轉速范圍內，B、C轉速均在最大扭矩轉速范圍外。由柴油機的燃燒特性可知，最大扭矩轉速范圍內，其工況熱效率在整個發動機工作轉速范圍均較高，因此CASC和WHSC循環的CO2比排放較RMC低，但由于CASC低負荷工況點的負荷率比WHSC更低，過低的負荷會導致工況熱效率下降，因此CASC的CO2比排放較WHSC略高。RMC原排狀態NOx比排放較CASC和WHSC均較高，而CASC和WHSC兩者NOx比排放十分接近，該現象與RMC的工況負荷有關，發動機的負荷越高，則熱負荷越重，導致其NOx原排越高。CASC的原排CO、HC最高，與CASC的低負荷工況的負荷有關，負荷越低則發動機燃燒狀態越差，則CO、HC原排越高。

表3 穩態試驗循環原排結果

表4 穩態試驗循環尾排結果

尾排狀態所有循環的污染物排放結果均能滿足國Ⅵ階段限值要求，由表5可知，氣態污染物的轉化率均在96.0%以上。CASC循環的尾排NOx結果最高，但與WHSC的差異較小，與RMC循環差異略大。由圖3可知，CASC循環的整體排氣溫度最低，特別是循環的前840 s，其排溫均處于300 ℃以下，且有680 s左右時間處于250 ℃以內，該溫度雖高于SCR起噴溫度，但較低的排溫對SCR效率存在一定影響，由表5的污染物轉化率可得到印證。CO，HC和PM排放因DOC和DPF的存在，差異較小，其中RMC循環的PN略高于其他循環，出現該現象的原因與RMC循環的排溫有關，排溫越高越不利于DPF對PN的降低；RMC循環的NH3排放最高，可能與SCR的標定策略存在關系。兩個RMC循環的污染物原排和尾排均無顯著差異，因此，在該穩態工況下，工況順序對污染物的排放影響較小。

表5 穩態試驗循環污染物轉化效率

圖3 穩態循環各工況排氣溫度

通過上述分析可知，在穩態循環下基于國Ⅵ標準開發的發動機，應用上述這幾種測試循環均能有效地評價發動機尾氣污染物排放；同時因CASC與WHSC工況、原排、尾排、污染物轉化率均相近，因此采用CASC和WHSC評價發動機排放均能促使發動機達到相近的減排效果。

2.3 瞬態試驗循環分析

瞬態試驗循環工況分布見圖4和圖5。由圖4可知，HDDE工況相對其他兩個循環，其工況分布較分散，相對集中在高轉速區間，且高負荷工況占比較大；而CATC和WHTC工況分布相近，主要集中在中、低速區間，且低負荷占比較大；相較于WHTC，CATC低負荷工況占比略多，但兩者工況分布無顯著差異；LLC循環時間是WHTC循環的3倍，由圖5可知，LLC工況主要集中在低負荷區間。工況的分布特點與各工況制定的初衷有關。WHTC和CATC是基于當前越來越擁堵的實際交通情況構建的，因此相較于原ETC測試循環，其更側重考核車輛低速低負荷工況對排放的惡劣影響；而HDDE循環因工況制定時間相對于WHTC和CATC較早，其工況制定時的交通情況相對較好，因此其對車輛低速低負荷工況下的排放考核較少；而LLC循環是加州為彌補HDDE循環對車輛低速低負荷工況考核過少而專門提出的，其由持續低負荷、低負荷向高負荷突變工況、低速巡航及倒拖工況、高負荷突變低負荷工況構成，因此其工況更集中于低負荷區間。

圖4 瞬態試驗循環工況分布

圖5 WHTC和LLC循環工況分布

瞬態測試循環的試驗結果分別見表6和表7。由此可知，HDDE循環CO2排放明顯高于CATC和WHTC循環，導致該現象的原因與穩態循環一致。HDDE循環的NOx原機排放較CATC和WHTC偏小，而NOx原機排放與循環的工況變化激烈程度有關，由圖6和圖7可知，HDDE循環的工況點切換最平緩，CATC循環最激烈，因此HDDE循環原機NOx排放最低，CATC最高。雖然CATC與WHTC原機排放存在差異，但總體而言原排污染物結果相近。

表6 瞬態試驗循環原排結果

表7 瞬態試驗循環尾排結果

圖6 瞬態循環工況轉速變化

圖7 瞬態循環工況扭矩變化

尾排結果除LLC外均滿足國Ⅵ限值，因此對于基于國Ⅵ標準開發的發動機，HDDE和CATC瞬態循環對該發動機具備相近的尾氣排放評價能力。通過表7可知，WHTC循環的NOx結果最低，而HDDE循環的最高。理論上循環工況的負荷越高，排氣溫度越高，后處理系統的轉化率越高。瞬態循環過程的排氣溫度見圖8和圖9。由圖可見：HDDE冷態循環平均排溫242 ℃，最高排溫478 ℃；熱態平均排溫246 ℃，最高排溫478 ℃。CATA冷態循環平均排溫248 ℃，最高排溫457 ℃；熱態平均排溫252 ℃，最高排溫456 ℃。WHTC冷態平均排溫254 ℃，最高排溫468 ℃；熱態平均排溫258 ℃，最高排溫469 ℃?？傮w而言，HDDE工況的轉速和負荷比其他循環高，其循環最高排氣溫度高，但因循環時間過短(1 200 s),導致高負荷工況的相對持續時間短，且冷、熱態之間的熱浸時間長(20 min)，導致其循環平均排溫反而最低。分析循環過程中尿素的起噴時刻發現，HDDE冷、熱態尿素的起噴時刻基本在430 s左右，CATC在670 s左右，WHTC在500 s左右，占對應循環時長的百分比分別為36%，37%，27%。HDDE循環整體排溫較低，而尿素未噴射的時間占比又高，從而導致NOx等污染物的轉化率較低，NOx排放較其他循環略高。CO的尾排狀態以及表8的轉化率也印證了HDDE循環的排溫狀態。CATC原排和尾排結果較WHTC循環略高，但無顯著差異，各污染物的轉化率、排氣溫度、工況分布基本一致，因此采用CATC與WHTC評價發動機排放均能促使發動機達到相近的減排效果。

圖8 冷態循環排氣溫度

圖9 熱態循環排氣溫度

表8 瞬態試驗循環污染物轉化效率

LLC循環原排和尾排均較高，且在尾排狀態下，即使該發動機滿足國Ⅵ階段限值要求，其LLC循環下各氣態污染物排放結果均遠遠超過國Ⅵ排放限值。由圖10可以發現，LLC低負荷運行時間長，高、低負荷工況切換頻繁，循環整體排溫低，且低溫持續時間較長，因此LLC在一定程度上可以較好地考核發動機低負荷長時間運行和高、低負荷頻繁切換時的排溫、升溫能力以及排溫保持能力，對發動機該工況下的尾氣排放控制是一項嚴峻考驗。

圖10 LLC循環

2.4 WHTC試驗循環不同熱浸時間對比

WHTC循環不同熱浸時間下的排放結果分別見表9和表10。將WHTC熱浸時間調整為20 min后，循環起始排溫降低41 ℃，循環前370 s平均排溫低12 ℃。較低的排溫惡化了熱起動階段的缸內燃燒，導致原排CO和HC有所增加，而NOx卻相對降低。由表11可知，熱浸時間的延長導致熱態循環時后處理裝置的污染物轉化率有所降低，其中NOx轉化率降低3.3個百分點，熱起動循環的NOx排放增加46.1%，冷、熱加權后的NOx排放增加34.7%。因此較長時間的熱浸對后處理系統的排氣溫度保持能力和熱起動減排具備一定的考核能力。

表9 WHTC不同熱浸時間下的原排結果

表10 WHTC不同熱浸時間下的尾排結果

表11 WHTC不同熱浸時間下的污染物轉化效率

3 結論

a) 美國EPA循環和中國測試工況對基于國Ⅵ標準開發的發動機具備相近的尾氣排放評價能力；

b) CASC、CATC與WHSC、WHTC具有相近的尾氣排放評價能力；

c) LLC在一定程度上可以較好地考核發動機低負荷長時間運行和高、低負荷頻繁切換時的排氣升溫能力以及排溫保持能力，對該工況下的尾氣排放控制能力是一項嚴峻考驗；

d) 工況負荷高不一定對尾氣排放控制好，還與高負荷工況的持續時間相關；停機熱浸時間的延長會導致熱起動循環排溫降低，其對后處理系統的排溫保持能力和熱起動減排具備一定的考核能力。