國(guó)VI WLTC工況對(duì)汽油機(jī)排放和排溫的影響

邵軍 趙志國(guó) 李建

（北京汽車研究總院有限公司）

隨著我國(guó)汽車保有量的不斷增加和排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，排放法規(guī)也在不斷更新，2016-12-23日頒布了新的國(guó)Ⅵ法規(guī)，針對(duì)Ⅰ型排放（常溫下冷啟動(dòng)后排氣污染物排放試驗(yàn)），國(guó)Ⅵ與國(guó)Ⅴ相比有所改變，國(guó)Ⅵ法規(guī)引入了Ⅰ型試驗(yàn)測(cè)試工況（WLTC），替代國(guó)Ⅴ的Ⅰ型試驗(yàn)測(cè)試工況（NEDC）。同時(shí)國(guó)Ⅵ加嚴(yán)了排放污染物的限值，對(duì)所有的點(diǎn)燃式汽車都有顆粒物質(zhì)量（PM）的限值要求，并新增了顆粒物個(gè)數(shù)（PN）要求。文章為應(yīng)對(duì)國(guó)Ⅵ法規(guī)的要求，通過對(duì)一輛SUV四驅(qū)車開展排放摸底，排溫測(cè)試試驗(yàn)及分析，為國(guó)Ⅵ的汽油機(jī)研發(fā)項(xiàng)目提供了參考。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備及測(cè)試條件

試驗(yàn)車采用SUV四驅(qū)車型，整備質(zhì)量2 050 kg，變速箱6AT，匹配2.0T的缸內(nèi)直噴（GDI）發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置，如表1所示。ECU標(biāo)定數(shù)據(jù)借用一款基礎(chǔ)車型的標(biāo)定數(shù)據(jù)，首先完成汽車改制及物理搭載，完成汽車3 000 km磨合，加裝熱電偶設(shè)備（監(jiān)控實(shí)際排溫）和寬氧設(shè)備（監(jiān)控空燃比變化），安排在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)室進(jìn)行排放測(cè)試，監(jiān)控NEDC工況和WLTC工況的排放污染物和發(fā)動(dòng)機(jī)排溫?cái)?shù)據(jù)，通過INCA標(biāo)定軟件采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

表1 SUV四驅(qū)試驗(yàn)車發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置表

2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)車安排在轉(zhuǎn)鼓排放試驗(yàn)室進(jìn)行NEDC工況和WLTC工況的Ⅰ型排放試驗(yàn)，工程師采集過程數(shù)據(jù)，記錄測(cè)試結(jié)果?？紤]到國(guó)Ⅴ與國(guó)Ⅵ排放的Ⅰ型排放限值不同，均按照國(guó)VIB排放限值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，標(biāo)定數(shù)據(jù)采用同一版數(shù)據(jù)（標(biāo)定數(shù)據(jù)已關(guān)閉排溫保護(hù)功能，便于監(jiān)控實(shí)際排溫），本次測(cè)試只關(guān)注工況變化對(duì)排放結(jié)果及排溫的影響。圖1示出Ⅰ型排放試驗(yàn)曲線圖。

圖1 Ⅰ型排放試驗(yàn)曲線圖

國(guó)Ⅴ采用NEDC工況[1]，國(guó)Ⅵ引入WLTC工況[2]，WLTC工況覆蓋的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍更大，瞬態(tài)工況增多，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)增加，最高車速高達(dá)130 km/h，新的WLTC工況更能充分反映汽車實(shí)際駕駛行為，包含了對(duì)極端駕駛行為的考慮。

NEDC工況分析：4個(gè)市區(qū)循環(huán)+1個(gè)市郊循環(huán)，市區(qū)及市郊最高車速分別為50，120 km/h、測(cè)試時(shí)間為1 180 s，測(cè)試?yán)锍虨?1.007 km。

WLTC工況分析：低速階段+中速階段+高速階段+超高速階段，低速段、中速段、高速段及超高速段最高車速分別為 56，76，97，130 km/h，測(cè)試時(shí)間為1 800 s，測(cè)試?yán)锍虨?3.27 km。

3 測(cè)試結(jié)果分析

NEDC工況和WLTC工況Ⅰ型試驗(yàn)排放測(cè)試結(jié)果，如表2所示。

表2 NEDC工況和WLTC工況Ⅰ型試排放驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3.1 排放測(cè)試結(jié)果分析

圖2示出NEDC工況和WLTC工況排放秒彩圖，從圖2可以看出，2種工況的THC排放污染物控制比較合理，只在冷啟動(dòng)階段冒出，工況變化對(duì)THC的影響不大，NOx滿足法規(guī)要求，而CO超標(biāo)嚴(yán)重，2種工況的變化對(duì)CO影響較大。

圖2 NEDC工況和WLTC工況排放秒彩圖

3.1.1 NEDC工況解析

如圖2a所示，NEDC穩(wěn)態(tài)工況居多，加速工況曲線是平穩(wěn)上升的，駕駛員在跟線踩油門控制較容易，負(fù)荷變化沒有那么大，汽車只在100～120 km/h加速時(shí)的高速段冒出小部分CO。此工況冒出CO的原因有2種：1）因空燃比過濃導(dǎo)致CO增多，空燃比過濃也分2種情況：a.因排溫過高，需要進(jìn)入排溫狀態(tài)保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)硬件或催化器硬件，進(jìn)入此工況后通過ECU控制加濃空燃比來(lái)降排溫，但在試驗(yàn)前ECU標(biāo)定數(shù)據(jù)已關(guān)閉加濃保護(hù)功能，因此不涉及此問題導(dǎo)致CO增多；b.因?yàn)檎嚇?biāo)定的預(yù)空不準(zhǔn)，窗口偏移，導(dǎo)致此工況的空燃比過濃。2）因催化器在高溫情況下氧化能力降低，硬件在匹配上不能滿足開發(fā)要求，需要提升催化器的涂層和貴金屬配方。

3.1.2 WLTC工況解析

WLTC瞬態(tài)工況較多，加速工況增多，駕駛員在跟線踩油門的控制變化增大，負(fù)荷變化較大。從圖2b可以看出，每個(gè)瞬態(tài)加速都會(huì)有CO冒出，這是因瞬態(tài)控制的變化增多導(dǎo)致的，說(shuō)明同一版數(shù)據(jù)不能覆蓋2種工況，需要對(duì)WLTC的瞬態(tài)工況進(jìn)行精細(xì)的標(biāo)定，合理控制加速的空燃比稀濃的變化。在WLTC工況第4部超高速段100～130 km/h加速時(shí)冒出大量CO，如果此工況要控制空燃比在1附近，催化器硬件就存在匹配問題，需要提升催化器的涂層和貴金屬配方。

3.2 排溫測(cè)試結(jié)果分析

3.2.1 NEDC工況

圖3示出INCA采集NEDC工況排溫曲線顯示界面。從圖3可以看出，NEDC工況實(shí)測(cè)溫度為914℃，滿足催化器廠商設(shè)定的耐受溫度（950℃），因此排放工況不需要進(jìn)行空燃比加濃控制來(lái)保護(hù)催化器硬件，避免了因進(jìn)入加濃保護(hù)策略，造成CO排放量升高。

圖3 INCA采集NEDC工況排溫曲線顯示界面

在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架標(biāo)定開發(fā)過程中，為了控制發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最佳的油耗，在提升性能的情況下盡可能達(dá)到最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性能，燃燒穩(wěn)定性（COV）控制在3%附近，空燃比控制在1附近。但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速加大，負(fù)荷隨之增大，燃燒穩(wěn)定性會(huì)下降，發(fā)動(dòng)機(jī)硬件的排溫會(huì)升高，此工況就需要加濃空燃比來(lái)降低排溫，控制燃燒，確保發(fā)動(dòng)機(jī)還能達(dá)到最大功率和最大扭矩，從空燃比加濃開始的各個(gè)負(fù)荷轉(zhuǎn)速的點(diǎn)理解成加濃線。圖4示出NEDC工況發(fā)動(dòng)機(jī)加濃線與實(shí)車扭矩曲線對(duì)比圖，從圖4可以看出，NEDC工況需求的扭矩小，實(shí)車不會(huì)跑出加濃線，因此不會(huì)出現(xiàn)排溫高的情況。

圖4 NEDC工況發(fā)動(dòng)機(jī)加濃線與實(shí)車扭矩曲線對(duì)比圖

3.2.2 WLTC工況

圖5示出INCA采集WLTC工況排溫曲線顯示界面。從圖5可以看出，在WLTC工況的超高速段，排溫已經(jīng)達(dá)到992℃，超出催化器廠商給出的950℃穩(wěn)態(tài)排溫限值，此工況如果不進(jìn)行加濃保護(hù)，很容易損壞發(fā)動(dòng)機(jī)及催化器硬件。

圖5 INCA采集WLTC工況排溫曲線顯示界面

圖6示出WLTC工況發(fā)動(dòng)機(jī)加濃線與實(shí)車扭矩曲線對(duì)比圖。從圖6可以看出，WLTC工況對(duì)汽車的扭矩需求較大，如果發(fā)動(dòng)機(jī)性能匹配不合適，汽車很容易跑進(jìn)加濃工況，就會(huì)出現(xiàn)排溫超高問題。

圖6 WLTC工況發(fā)動(dòng)機(jī)加濃線與實(shí)車扭矩曲線對(duì)比圖

4 結(jié)論

1）試驗(yàn)通過對(duì)比NEDC工況與WLTC工況的排放摸底，確定了WLTC工況比NEDC工況對(duì)汽車需求的扭矩更大，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及催化器硬件承受排溫的限值要求更高；

2）對(duì)于開發(fā)國(guó)Ⅵ項(xiàng)目的汽車，需要考慮車重比，選擇發(fā)動(dòng)機(jī)不能只關(guān)注最大功率和最大扭矩的參數(shù)，需要關(guān)注加濃線在WLTC工況中的表現(xiàn)；

3）國(guó)Ⅵ排放限值加嚴(yán)，在催化器選型中也要考慮提升貴金屬配方和涂層的優(yōu)化，再通過標(biāo)定精細(xì)控制來(lái)滿足國(guó)Ⅵ法規(guī)的要求。