重型車國六法規和中國工況發動機測試循環的差異分析

汪曉偉 關 嬌 高 濤 潘鎖柱 胡 熙 勞海亮

（1-中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司 天津 300300 2-西華大學汽車與交通學院）

引言

2018 年發布的GB 17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法》（國六）采用全球統一重型發動機瞬態循環（WHTC）和全球統一的重型發動機穩態循環（WHSC）對排放進行評估和認證[1]。以上工況開發過程中沒有采用我國車輛的實際道路行駛數據，而是更多地采用了歐美國家的數據，因此與我國商用重型車發動機實際工況間存在一定的偏差。在這種背景下，由工信部支持，中國汽車技術研究中心有限公司牽頭開發了“《中國汽車行駛工況》國家標準第3 部分：發動機”，目前已經進入征求意見階段[2]。該發動機工況也由瞬態工況（CHTC）和穩態工況（CHSC）組成。

為了研究重型車國六法規和中國工況發動機測試循環的差異，本文在一臺柴油機上分別運行上述穩態和瞬態工況，對比分析了基于國六標定開發的發動機在上述工況下的排放差異。

1 試驗介紹

1.1 測試發動機和測試設備

本文選取了一臺滿足國六排放標準的2.8L 柴油發動機。排放控制技術路線為氧化催化器（DOC）+顆粒捕集器（DPF）+選擇性催化還原器（SCR）+氨催化器（ASC）。測試用柴油發動機的主要技術參數如表1 所示。

表1 測試發動機的主要技術參數

主要的測試設備如表2 所示。

表2 主要的測試設備

1.2 試驗設置

按照重型車國六排放法規的要求，分別運行冷熱態的WHTC、熱態的WHSC，以及冷熱態的CHTC和熱態的CHSC。排放的計算方式完全按照國六法規進行相關的數據運算。

2 試驗結果

2.1 穩態工況WHSC 和CHSC 的工況對比

中國發動機穩態試驗工況CHSC 和WHSC 工況的對比情況如圖1 所示。圖中穩態工況點對應的氣泡大小和其在工況中的時間比例成正比。從圖中可以看到，CHSC 考核的轉速和負荷更低。CHSC 最大的歸一化轉速為60%，而WHSC 為75%。CHSC 除怠速工況外最低的負荷百分比為10%，而WHSC 為25%。

圖1 穩態工況CHSC 和WHSC 對比

CHSC 的回歸分析如圖2～圖4 所示。從圖中可以看到，轉速、轉矩、功率的回歸線斜率分別為1.002、0.998 1 和0.998 6；相關系數分別為1、0.998 8和0.999 3；截距分別為0.376 1，、0.322 和0.052 3。此外經計算得到轉速、轉矩、功率回歸線的標準偏差（SEE）分別為0.4、3.46 和0.53，均滿足國六法規表C.3 中WHSC 回歸線的允差。說明此發動機運行CHTC 工況跟隨性很好。

圖2 CHSC 發動機轉速的回歸分析

圖3 CHSC 發動機轉矩的回歸分析

圖4 CHSC 發動機功率的回歸分析

在選用的發動機上依次運行WHSC 和CHSC，相關運行數據和排放結果對比如表3 所示。從表中可以看到，CHSC 的總時長和怠速時長低于WHSC，怠速比例則略低。CHSC 的總功率為22.02kW，比WHSC 的總功率低了17.5%，CHSC 更加偏向于低負荷的工況。

表3 WHSC 和CHSC 結果對比

從排放結果來看，不管是CHSC 和WHSC，排放均能滿足國六法規的要求。其中，NOx、PM 和THC 污染物，CHSC 比WHSC 分別高134.5%、29.6%和94.4%。而PN 排放，CHSC 比WHSC 低65.6%。CO 的排放，兩者均低于檢測限值。由于CHSC 整體的轉速和負荷比WHSC 要低，導致的排溫較低引起NOx排放的增加；導致的不完全燃燒增加引起THC 和CO2排放的增加。同時，負荷低，PN 排放降低。PM 排放的增加可能來源于不完全燃燒導致濾紙上可揮發性有機物的成分增多[3]。

2.2 瞬態工況WHTC 和CHTC 的工況對比

中國發動機瞬態試驗工況CHTC 和WHTC 工況的對比情況如圖5～圖7 所示。CHTC 和WHTC 的時間均為1 800 s。對于該柴油發動機，CHTC 的平均發動機轉速為1 483 r/min，而WHTC 的平均發動機轉速為1 568 r/min。而從圖7 中可以看到，CHTC 在中低速覆蓋的工況范圍比WHTC 大，而在高速段覆蓋的工況范圍比WHTC 小。

圖5 CHTC 和WHTC 的發動機轉速對比

圖6 CHTC 和WHTC 的發動機轉矩對比

CHTC 的回歸分析如圖8～圖10 所示。從圖中可以看到，轉速、轉矩、功率回歸線的斜率分別為0.999 5、0.979 8 和0.976；相關系數分別為0.999 9、0.903 6 和0.921 9；截距分別為0.756 1、2.608 9 和0.553 3。此外經計算得到轉速、轉矩、功率回歸線的標準偏差（SEE）分別為3.47、36.49 和6.63，均滿足國六法規表C.2 中WHTC 回歸線的允差。說明發動機運行CHTC工況并不存在跟隨性不好的問題。

圖9 CHTC 發動機轉矩的回歸分析

圖10 CHTC 發動機功率的回歸分析

CHTC 和WHTC 運行數據和排放結果對比如表4 所示。CHTC 的總功率為18.75 kW，比WHTC 的總功率低了約4%。從排放結果來看，不管是CHTC 和WHTC，排放均能滿足國六法規的要求，但CHTC 各種污染物的排放結果均高于WHTC。其中最為關注的NOx、PM 和PN 污染物，CHTC 較WHTC 分別增加了62.9%、96.4%和64.3%。該數據表明，企業需要為了CHTC 做針對性的標定。

表4 WHTC 和CHTC 結果對比（冷熱態）

圖11 和圖12 是冷熱態WHTC 和CHTC 的排氣溫度變化情況。從圖中可以看出，在前350 s，無論冷態還是熱態，CHTC 的排氣溫度要明顯低于WHTC。這主要是因為CHTC 在前350 s 的轉速和轉矩都比較低。從NOx的瞬態排放結果來看，在熱態時，CHTC在前350 s 的NOx排放要顯著高于WHTC。

圖11 CHTC 和WHTC 的排氣溫度（冷態）

圖12 CHTC 和WHTC 的排氣溫度（熱態）

3 結論

通過對一臺國六柴油發動機分別按照重型車國六法規和中國工況的發動機測試循環運行穩態循環和瞬態循環，發現：

1）運行中國工況的發動機穩態和瞬態測試循環，轉速、轉矩和功率回歸分析的結果均滿足國六法規的要求，表明此發動機運行該穩態和瞬態測試循環的跟隨性很好。

2）中國工況和重型車國六法規的發動機測試循環的排放測試結果表明，對于基于國六測試循環標定的該臺柴油發動機，除了穩態循環下的PN 污染物外，中國工況發動機測試循環的其它污染物排放均要高于國六法規。

3）中國工況的發動機瞬態測試循環在前350 s的排氣溫度低，將對低速低負荷下的后處理轉化效率提出更大的挑戰。