高原環境下天然氣發動機冷熱態WHTC測試循環對比試驗研究

中圖分類號：U472.6 收稿日期：2025-03-15 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.08.019

Comparative Experimental Study of Cold and Hot WHTC Test Cycles of Natural Gas Engines under Highland Environment

Dong Wenlong Li Shifeng Luo Fei Wang Guilong Zhao Bin Catarc Automotive Test Center（Kunming）Co.，Ltd.，Kunming 651701，China

Abstract： In this paper，a 13L natural gas engine complying with the National VI standard is taken as the test object，and the WHTC testconditionsareused tosimuate theemissonofpolutantsundertherealcoldand hotenginedriving，andtocompare the emissiondiferencesoftheWHTCtestcyclesatdiferentaltitudes.Theresultsofthestudyshowthat：undertheoperationofhotand coldstate，thediferenceitecyleorkofWHCoutputissallandwithteinceaseofaltitude，tecyceorkdecreasescotinuously，andthehgheritsaltude，themoreserous theatteuationis；inthecomparisonofotandcoldstate，themissonofWHTC testcycleofthecoldoperationisgenerallhigherthanthatofthhotstate，andtheonlythingisthattheratiooftheemissionof NO_x is lower than that of the hot state，in which the emission rule of CO， NO_x ，and PM is the same with the change rule of the altitude，but there is a differences in emissions.In addition，the TWC inlet temperature has a large effect on the NH₃ emission，which is much higher in the cold state operation than in the hot state.

Keywords：Natural gasengine;Plateau;WHTC;Hot and cold states;Emissions

1前言

隨著機動車排放法規限制的不斷提高，傳統內燃機在后處理的研發投入成本不斷增加，再加之近年來新能源汽車的興起，導致傳統內燃機產業遭受嚴重的沖擊。為了解決商用車節能減排的問題，尋找新的替代燃料是現階段最有效的措施，而天然氣具有技術成熟、清潔排放、使用成本低等特點，在商用車領域上具有重要的發展價值。

目前，天然氣發動機普遍采用節氣門前預混合燃燒方式，因此進氣狀態對發動機性能影響非常重要[1]。進氣壓力是影響發動機排放的重要參數之一，但現階段主要通過增壓中冷、燃燒優化、發動機本機設計等措施[2]來實現排放達標，對進氣壓力的研究較少。張騰等研究發現，提高進氣濕度能有效降低 NO_x 的排放，但HC和CO排放呈現增長趨勢，相較之下，對其 NO_x 排放影響更大。張晴等[3]通過WHTC（WorldHarmonizedTran-sientCycle）測試循環發現，天然氣發動機原排幾乎不產生 N₂0，N₂0 的產生主要源于后處理凈化過程的副產物。張騰等4通過WHTC測試循環對比發現了發動機過量空氣系數、催化劑溫度以及原排中 CO，NO_x 對 NH₃ 排放的影響。凌中水等[5]通過一臺 1.5L 自吸天然氣發動機，研究了點火系統對 HC，CO 和NO排放的影響。

為了更好地研究不同海拔高度對天然氣發動機污染物排放的影響，選擇更貼合真實道路行駛工況的WHTC測試循環進行試驗研究，同時對比冷起動與熱起動下的污染物排放情況。

2測試設備及試驗方法

2.1測試設備

試驗測試發動機為一臺直列6缸 13L 符合國六排放標準的天然氣發動機，后處理技術路線為當量 +EGR+ TWC，其主要技術參數如表1所示。

表1發動機主要技術參數

試驗測試設備主要包括 576kW 的電力測功機、全流的發動機排氣系統、AVL的全套進排氣海拔模擬系統等，具體設備型號和技術參數如表2所示。其中，排放分析儀的測量原理、精度符合GB17691—2018的技術要求。

表2測試儀器主要參數

2.2試驗方法

基于中汽研昆明檢驗中心高原試驗臺架，通過海拔模擬系統進行高原環境下天然氣發動機冷熱態WHTC測試循環的對比試驗研究。分別選擇 0m，1000m 、1900m?2400m?3000m?4000m 的海拔進行試驗，其中 1900m 為當地海拔高度， 2400m 為GB17691—2018的6b階段高原排放要求。

WHTC冷態測試循環為發動機冷機狀態下，潤滑油、冷卻液和后處理系統溫度均在 20～30^°C 之間，按照GB17691-2018中的WHTC測試工況進行。熱態測試循環為熱機狀態下，完成冷機測試循環后，靜置 （10±1）min 后，按照GB17691-2018中的WHTC測試工況進行試驗[6]。

試驗開始前，首先需驗證不同轉速滿負荷條件下發動機狀態、動力性和經濟性是否正常，避免對試驗結果造成影響。

3試驗結果及分析

WHTC為全世界統一的瞬態測試循環，模擬真實道路行駛條件下的車輛狀態。從圖1可知，WHTC瞬態循環是由1800個逐秒變換的工況組成[6，以怠速為界可將其劃分為3個階段，分別為市區、郊區、高速行駛工況。市區行駛工況占 39.5% ，該工況具有扭矩波動大、怠速較多等特點；郊區行駛工況占 24.4% ，該工況轉速、扭矩相較第一階段波動較少，其怠速僅有2處；高速行駛工況占 36.1% ，該工況發動機轉速較高，后期轉速較為穩定。

b.扭矩

圖1WHTC不同行駛工況劃分

3.1排溫和燃氣質量對比分析

圖2所示為冷熱態WHTC的TWC入口溫度和燃氣質量對比。由圖2（a）可知，測試循環中市區行駛工況冷態運行的TWC人口溫度均低于熱態運行，其中兩者運行初始TWC入口溫差最大，冷態為 22.7°C ，熱態為 244.5°C 。另外，郊區、高速行駛工況下的TWC入口溫度相差較小。從圖2（b）可知，隨著海拔的升高，燃氣質量不斷降低，冷態燃氣質量大于熱態，主要因為海拔的升高，導致進氣流量的降低，進而造成消耗的燃氣質量降低。

3.2循環工對比分析

圖3所示為不同海拔下天然氣發動機冷熱態WHTC循環工和衰減率的對比圖。由圖2～圖3可知，冷熱態WHTC循環工在不同海拔下的差異較小，隨著海拔的升高，循環工不斷降低，衰減率不斷增大，其海拔超過 2400m 后循環工衰減率出現大幅度增加。海拔3000m 時，冷熱態WHTC循環工衰減率分別為 6.48% 和 6.45% ;海拔 4000m 時，冷熱態WHTC循環工衰減率達到了 12.40% 和 12.15% 。這里，衰減率是基于平原循環工計算得出的。

圖3冷熱態WHTC的循環工對比

3.3HC 和CO比排放對比分析

圖4所示為不同海拔下天然氣發動機冷熱態WHTC的THC比排放對比。由圖4可知，冷態運行下THC比排放更大，隨著海拔的升高，THC比排放呈現先增大后緩慢降低的趨勢。主要因為發動機采用當量空燃比燃燒模式，冷起動運行時，發動機初始溫度較低，燃料燃燒不完全，以及海拔的升高，使得壁面淬熄效應、狹縫效應增加，進而導致THC排放增加。另外，海拔為1900m 時，冷態THC排放最大，為 4111.87mg/（kW?h） ；海拔 2400m 時，熱態THC 排放最小，為 3090.67mg/（kW?h） 海拔的不斷增加使冷熱態THC比排放差距不斷減小。

圖4冷熱態WHTC的THC比排放對比

圖5所示為不同海拔下天然氣發動機冷熱態WHTC的CO比排放對比。由圖可知，隨著海拔的升高，CO比排放均呈現增長趨勢，冷態運行下CO比排放增長更快，主要因為冷機起動時，整機溫度較低，同時隨著海拔的升高，空氣密度逐漸減小，混合氣中氧氣含量不足，進而導致缸內燃燒不充分。另外，海拔 4000m 時，冷態運行下的比排放最高為 22231.1mg/（kW?h） 是熱態運行下的1.58倍。

圖5冷熱態WHTC的CO比排放對比

3.4NOx比排放對比分析

圖6所示為不同海拔下天然氣發動機冷熱態WHTC的 NO_x 比排放對比。由圖可知，隨著海拔的升高，兩者NO的比排放都不斷增加，熱態運行相較冷態運行下的 NO_x 比排放更大，平均增幅為 2.1% 。主要是因為熱態運行下發動機整機溫度更高，更符合 NO_x 的生成條件，此外，高海拔環境下，過量空氣系數減小，濃混燃增加，缸內燃燒溫度隨之增加，雖然含氧量減少，但油氣混合不均勻導致局部富氧燃燒存在[7]，進而造成 NO_x 排放升高。

圖6冷熱態WHTC的 NOX 比排放對比

3.5 NH₃ 比排放對比分析

圖7所示為不同海拔下天然氣發動機冷熱態WHTC的 NH₃ 比排放對比。由圖可知，冷態相比熱態NH₃ 比排放更高，海拔的升高 NH₃ 的比排放也不斷降低。因為 NH₃ 的生成適宜溫度在 300～350^qC 之間，當超過 350^qC 后， NH₃ 的生產率逐漸降低，此外原排中較高的CO排放，有助于 NH₃ 的生成[4]。另外，海拔為 0m 時，冷態 NH₃ 的比排放最高，達到 29.68r/min ，相較于熱態運行下高出17.7倍；海拔 4000m 時，冷熱態 NH₃ 的比排放差異較小。

圖7冷熱態WHTC的 NH₃ 比排放對比

3.6PM比排放對比分析

圖8所示為不同海拔下天然氣發動機冷熱態WHTC尾排的PM比排放對比。由圖可知，冷態運行下的PM比排放隨海拔的升高總體呈增長的趨勢，海拔在0～2400m 時，PM比排放均保持在 2mg/（kW?h） 以下，當海拔超過 2400m 后，PM比排放出現大幅度增加，其原因是高原排放標定參考國VIb的要求執行。在熱態運行下，海拔的變化對PM比排放影響較小，均小于 1.1mg/（kW?h） 。在海拔 0～2400m 時，冷態運行下的PM比排放均高出熱態運行 33%～51% ，海拔超過 2400m 后，隨著海拔的升高PM比排放不斷增大。

圖8冷熱態WHTC的PM比排放對比

4結語

本文利用高原模擬試驗臺架，開展不同海拔下冷熱態WHTC測試循環試驗，對比分析發動機不同起動狀態、海拔高度下污染物排放差異。

a.在冷熱態對比中，WHTC輸出的循環工差異較小，隨著海拔的升高，循環工均不斷降低，衰減率不斷增大，其海拔越高衰減越嚴重。

b.在冷熱態對比中，冷態WHTC的CO、THC、 NH₃ 和PM比排放均高于熱態，僅有 NO_x 比排放低于熱態。其中，CO、PM的比排放隨著海拔的升高而不斷增大，而THC的比排放則呈現先增大后緩慢減小的趨勢。

c.TWC入口溫度對 NH₃ 的比排放影響較大，冷態運行 NH₃ 比排放遠高于熱態運行。

參考文獻：

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作者簡介：

董文龍，男，1996年生，助理工程師，研究方向為發動機高原性能檢驗檢測。