重型柴油發(fā)動機瞬態(tài)工況排放試驗研究

楊神林

【摘 要】為驗證顆粒捕集器（DPF）后處理系統(tǒng)的重型柴油發(fā)動機在《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物限值及測量方法（臺架工況法）》規(guī)定的WHTC試驗循環(huán)下的污染物排放，選用了一臺國五排放的重型柴油發(fā)動機進行了ETC、WHTC循環(huán)的對比試驗研究。研究表明，采用DPF技術(shù)的重型國五柴油發(fā)動機，能滿足臺架工況法規(guī)定的WHTC循環(huán)下的排放限值要求，在DPF不再生時，ETC、熱態(tài)WHTC、冷態(tài)WHTC這三個循環(huán)相比，氮氧化物（NOX）排放增加，排氣溫度降低，燃料消耗量增加；在DPF再生時，熱態(tài)WHTC循環(huán)下，發(fā)動機及后處理系統(tǒng)工作較為惡劣，總體燃燒不好，造成與再生時的ETC循環(huán)相比NOX偏低，其他污染物全部大幅度升高。

【關(guān)鍵詞】重型汽車；柴油發(fā)動機；排放；顆粒捕集器；WHTC；ETC

為改善空氣污染狀況，北京、上海等地相繼對公交、環(huán)衛(wèi)、郵政用途的重型汽車提前實施國四排放標(biāo)準(zhǔn)，由于公交車行駛在低溫低速的城市工況下，選擇性催化還原系統(tǒng)（SCR）不能正常工作，導(dǎo)致車輛氮氧化物（NOX）排放嚴(yán)重超標(biāo)。

造成這一問題的原因在于，現(xiàn)行的排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的瞬態(tài)試驗循環(huán)（European Transient Cycle，ETC）與城市公交實際運行情況相比，發(fā)動機平均負(fù)荷相對較高，平均排氣溫度也較高，造成發(fā)動機生產(chǎn)企業(yè)在開發(fā)新發(fā)動機時時基本沒有考慮低溫、低負(fù)荷的工況，以至于在實際的低溫低負(fù)荷的城區(qū)工況中運行時，會產(chǎn)生很高的NOX排放。而全球統(tǒng)一的重型發(fā)動機瞬態(tài)試驗循環(huán)（World Harmonized Transient Cycle， WHTC），在發(fā)動機平均轉(zhuǎn)速、平均功率、怠速時間、排氣溫度等方面，與目前實際城市車輛運行工況吻合較好。為了解決城市車輛低速低溫工況氮氧化物超標(biāo)問題，并在國五排放標(biāo)準(zhǔn)實施前修補現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)的漏洞，環(huán)境保護部組織相關(guān)專家進行研究，引入WHTC循環(huán)作為新標(biāo)準(zhǔn)的試驗工況，編制了新的重型汽車排放標(biāo)準(zhǔn)，即《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物限值及測量方法（臺架工況法）》。

國五排放重型柴油發(fā)動機主要有兩種技術(shù)路線，EGR+DOC+DPF和缸內(nèi)凈化+SCR，由于在編制標(biāo)準(zhǔn)過程中，主要研究對象是SCR技術(shù)路線的重型柴油車，因此，本文將以EGR+DOC+DPF技術(shù)路線為研究對象，對重型國五排放柴油車瞬態(tài)試驗循環(huán)進行對比研究。

1.試驗循環(huán)

1.1 ETC循環(huán)

我國于2005年頒布的GB17691-2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法的國家標(biāo)準(zhǔn)，采用了歐盟標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的ETC試驗循環(huán)來測量發(fā)動機的氣態(tài)污染物排放。歐盟瞬態(tài)循環(huán)是在重型車實際道路行駛工況測量的基礎(chǔ)上研究而成的，有測功機和發(fā)動機臺架兩種表現(xiàn)形式，循環(huán)總時長共1800秒，根據(jù)不同的駕駛環(huán)境，分成城市、郊區(qū)和高速三部分，每部分時長600秒。

1.2全球統(tǒng)一的重型發(fā)動機瞬態(tài)試驗循環(huán)（World Harmonized Transient Cycle，WHTC）

在WP29的框架下，UN ECE GRPE工作組制定了第4號全球技術(shù)法規(guī)（GTR 04）《全球統(tǒng)一的重型車測試規(guī)程（WHDC）》， 該法規(guī)充分考慮了世界各地的道路情況，試驗工況由歐盟、美國、日本、澳大利亞等地區(qū)的典型路面駕駛工況總結(jié)而成，整個工況也是1800秒，市區(qū)、市郊和高速分別約為892秒、468秒、440秒。

排放試驗時，首先進行一個完整的冷啟動WHTC 測試，緊接著是10 分鐘的熱浸時間（發(fā)動機關(guān)閉并且不采集數(shù)據(jù)），然后一個熱啟動的WHTC 測試。發(fā)動機最終的排放值由冷啟動和熱啟動加權(quán)計算而來，冷啟動的加權(quán)系數(shù)為14%，熱啟動的加權(quán)系數(shù)為86%。

1.3試驗設(shè)備和樣機

試驗設(shè)備為AVL AFAT490交流電力測功機、Horiba MEXA-7200D排氣分析儀和HoribaDLS-7200E顆粒采集系統(tǒng)。

選用5H型重型柴油發(fā)動機作為試驗樣機，該發(fā)動機排量2.2L，直列四缸、四沖程，增壓中冷，高壓共軌，電控EGR，后處理系統(tǒng)為DOC+DPF，滿足重型柴油國五排放水平。

2.試驗過程

由于此次之前，在國內(nèi)從未進行過DPF后處理系統(tǒng)的WHTC瞬態(tài)循環(huán)的排放試驗，不能確保DPF后處理系統(tǒng)在低速低溫的工況循環(huán)下能正常工作，因此，本次的試驗過程安排的首先要驗證發(fā)動機在ETC工況下的排放狀態(tài)，在發(fā)動機工作正常的基礎(chǔ)上驗證熱態(tài)WHTC循環(huán)下的排放結(jié)果，確保能在熱態(tài)WHTC循環(huán)下正常工作，最后，開始進行冷態(tài)WHTC循環(huán)排放試驗。同時，根據(jù)DPF后處理系統(tǒng)周期再生的特性，安排整個試驗過程。

發(fā)動機冷啟動后進行熱機，達到廠家設(shè)定工作條件后，檢查發(fā)動機外特性，分別開始DPF不再生與再生情況下的ETC循環(huán)的排放試驗；停機進行20分鐘熱浸車，同時計算ETC工況下的排放結(jié)果并核實發(fā)動機狀態(tài)；分別開始DPF不再生與再生情況下熱態(tài)WHTC循環(huán)的排放試驗，停機，并計算熱態(tài)WHTC循環(huán)的排放結(jié)果；發(fā)動機冷卻至第二天，發(fā)動機冷啟動后，立即進行冷態(tài)WHTC循環(huán)的排放試驗。

3.試驗結(jié)果及分析

3.1 排放試驗結(jié)果

重型柴油發(fā)動機排放試驗測量CO、NOX、THC、PM這4種排放污染物，ETC、冷態(tài)WHTC、熱態(tài)WHTC三種試驗循環(huán)，同時附上CO2、排氣溫度的試驗結(jié)果。

3.2排放試驗結(jié)果分析

比較兩個循環(huán)，我們可以發(fā)現(xiàn)，WHTC循環(huán)與ETC循環(huán)的平均轉(zhuǎn)速分別為2369r/min、1786r/min，工況整體偏向低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷。兩個循環(huán)相比，WHTC比ETC的平均轉(zhuǎn)速低580r/min，循環(huán)功低5.5kW，循環(huán)累計油耗降低1.7kg，平均排氣溫度降低55℃。

從試驗結(jié)果可以看出，WHTC循環(huán)比ETC循環(huán)NOX排放增加15-20%左右，冷態(tài)WHTC循環(huán)下NOX排放更高。WHTC循環(huán)下的NOX排放比ETC循環(huán)高16.6%，冷態(tài)WHTC循環(huán)NOX排放比ETC循環(huán)高35.9%，冷態(tài)WHTC循環(huán)NOX排放比WHTC循環(huán)高16.5%。

由于DPF系統(tǒng)的優(yōu)勢，無論在ETC、WHTC、冷態(tài)WHTC的循環(huán)下，該發(fā)動機的后處理系統(tǒng)都能正常工作，對PM處理非常理想，各種循環(huán)下PM絕對值變化不大。但是，再生時WHTC循環(huán)發(fā)動機及后處理系統(tǒng)工作較為惡劣，總體燃燒不好，造成與再生時ETC相比NOx偏低，其他污染物全部大幅度升高，WHTC循環(huán)比ETC循環(huán)CO2排放偏高6%左右，即油耗升高。

4.結(jié)論

通過重型柴油發(fā)動機冷熱態(tài)WHTC循環(huán)和ETC循環(huán)排放試驗，并對排放污染物試驗結(jié)果進行分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）顆粒捕集器（DPF）后處理系統(tǒng)的重型柴油發(fā)動機，能滿足《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物限值及測量方法（臺架工況法）》規(guī)定的WHTC試驗循環(huán)下的污染物排放限值要求。

（2）在DPF不再生時，ETC、熱態(tài)WHTC、冷態(tài)WHTC這三個循環(huán)相比，氮氧化物（NOX）排放增加，排氣溫度降低，燃料消耗量增加；在DPF再生時，熱態(tài)WHTC循環(huán)下，發(fā)動機及后處理系統(tǒng)工作較為惡劣，總體燃燒不好，造成與再生時的ETC循環(huán)相比NOX偏低，其他污染物全部大幅度升高。

（3）考慮到WHTC循環(huán)整體工況情況，在WHTC循環(huán)下運行可能會導(dǎo)致DPF后處理系統(tǒng)的再生周期縮短，這一點有待后續(xù)驗證。 [科]

【參考文獻】

[1]DB11/964-2013.車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物限值及測量方法（臺架工況法）.

[2]GB17691-2005.車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中圖III、IV、V階段）.