國(guó)六排放循環(huán)熱浸狀態(tài)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能影響研究

王元真 陳雄 戴麗紅 彭夢(mèng)姣 姜江

摘 ?要：國(guó)家排放法規(guī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能測(cè)試方法進(jìn)行了明確的規(guī)定，且對(duì)各種排放物的排放水平均進(jìn)行了嚴(yán)格的限制。本文通過(guò)對(duì)《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段GB17691-2018）》標(biāo)準(zhǔn)中排放循環(huán)測(cè)試方法進(jìn)行解析，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的關(guān)鍵因素進(jìn)行對(duì)應(yīng)控制，研究WHTC試驗(yàn)在不同熱浸狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)性能相關(guān)參數(shù)變化及對(duì)排放水平的影響。結(jié)果表明冷熱WHTC雙循環(huán)試驗(yàn)的熱浸狀態(tài)不同，主要對(duì)NOx排放水平會(huì)產(chǎn)生一定的影響，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能排放標(biāo)定及開(kāi)發(fā)工作有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：WHTC;熱浸;排放NOx

中圖分類號(hào)：U463 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2022）02-0066-04

Research on Impact of Hot Dip State of G6 Emission Cycle on

Engine Emission Performance

WANG Yuan-zhen， CHEN Xiong， DAI Li-hong， PENG Meng-jiao， JIANG Jiang

（ Dongfeng Commercial Vehicle Technology Center， Wuhan 430058， China）

Abstract： The national emission regulations clearly stipulate the engine emission performance test method， and strictly restrict the emission level of various emissions. In this paper， the emission cycle test method in the standard 《Limits and measurement methods for emissions from diesel fuelled heavy-duty vehicles（CHINA Ⅵ）》was analyzed， and the key factors specified in the standard were controlled accordingly to study the change of engine performance parameters and the impact on emission level under different hot immersion conditions in WHTC test. The results show that the different hot immersion conditions during cold-hot dual WHTC test mainly affect the NOx emission level， which has a certain significance for guiding the emission calibration and development of engine performance.

Key Words： WHTC; hot immersion; emission; NOx

著中國(guó)特色社會(huì)主義經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)家交通道路運(yùn)輸業(yè)也日益發(fā)達(dá);同時(shí)也對(duì)物流運(yùn)輸提出了更高的要求。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)因具有動(dòng)力性強(qiáng)、可靠性穩(wěn)定優(yōu)點(diǎn)，在長(zhǎng)途物流運(yùn)輸中有著重要的地位。經(jīng)濟(jì)發(fā)展同時(shí)伴隨而來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題也引起了國(guó)家的高度重視，大力提倡綠色發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展;汽車保有量的不斷提升，使其排放物也成為城市污染物的主要來(lái)源之一[1]。為匹配經(jīng)濟(jì)發(fā)展及環(huán)境保護(hù)需求，中國(guó)在不同階段針對(duì)汽車排放制定了相關(guān)的測(cè)量方法及排放水平限值標(biāo)準(zhǔn)，其中GB17691-2018標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在2021年7月1日開(kāi)始對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)正式實(shí)施國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)，給各大生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)了巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)與前期國(guó)五等標(biāo)準(zhǔn)相比，要求排放物水平控制更低、測(cè)試條件要求更多、更加嚴(yán)格[2]。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)因柴油特性及其運(yùn)行機(jī)理原因，其主要排放物為NOx和PM（碳煙顆粒）。當(dāng)前柴油機(jī)主流普遍采用高壓共軌噴射技術(shù)，有效加強(qiáng)了柴油霧化效果，且隨著技術(shù)不斷發(fā)展和突破，大型柴油機(jī)的共軌壓力控制水平越來(lái)越高;匹配渦輪增壓技術(shù)，進(jìn)一步提升柴油機(jī)進(jìn)氣流量水平，使柴油與空氣充分混合，提升了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率水平，抑制PM排放的生成[3]。NOx排放物主要是由于柴油機(jī)在高溫富氧情況下生成，通過(guò)采用EGR技術(shù)可以有效缸內(nèi)溫度的提升從而降低NOx排放水平[4]。但僅僅采用上述路線，發(fā)動(dòng)機(jī)排放水平不能滿足國(guó)六排放水平，必須匹配對(duì)應(yīng)的后處理應(yīng)用技術(shù)。采用DOC+DPF可以高效的降低柴油機(jī)PM排放水平;通過(guò)SCR技術(shù)可以對(duì)NOx排放物進(jìn)行還原轉(zhuǎn)換，最終可以使系統(tǒng)排放水平達(dá)成相關(guān)法規(guī)要求[4]。影響后處理技術(shù)轉(zhuǎn)換效率的環(huán)境因素較多，所以國(guó)家排放法規(guī)對(duì)排放循環(huán)試驗(yàn)的控制條件進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，以保證排放法規(guī)排放水平的嚴(yán)格有效性。本文通過(guò)對(duì)《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段GB17691-2018）》進(jìn)行解讀，結(jié)合某款發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行WHTC循環(huán)排放水平進(jìn)行測(cè)試，研究WHTC循環(huán)在不同熱浸狀態(tài)下系統(tǒng)排放的水平，結(jié)果表明WHTC循環(huán)試驗(yàn)的熱浸狀態(tài)對(duì)熱態(tài)WHTC循環(huán)的NOx排放物可以產(chǎn)生一定的影響;對(duì)其他排放物基本無(wú)明顯影響，為發(fā)動(dòng)機(jī)性能開(kāi)發(fā)標(biāo)定工作提供了一定的指導(dǎo)方向。

1 ? ?試驗(yàn)樣機(jī)

本文采用某款國(guó)六發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究，該發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)采用高壓共軌技術(shù)，且利用EGR技術(shù)以降低NOx原始排放水平，具體配置信息如表1：

圖1為該發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)配置布置，增壓器出口至DOC入口排氣段采用對(duì)應(yīng)的包裹技術(shù)以保證排氣溫降;后處理系統(tǒng)利用DOC及DPF來(lái)降低PM排放水平，通過(guò)SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)換NOx排放以保證系統(tǒng)排放水平控制，通過(guò)ASC來(lái)捕捉逃逸的氨氣。

2 ? ?試驗(yàn)過(guò)程介紹

國(guó)六排放法規(guī)對(duì)冷熱WHTC試驗(yàn)環(huán)境控制條件有嚴(yán)格要求，冷態(tài)WHTC試驗(yàn)要求發(fā)動(dòng)機(jī)需充分冷浸，其水溫機(jī)油溫度不能超過(guò)30℃水平;試驗(yàn)過(guò)程中環(huán)境溫度需要控制在25℃水平，完成冷態(tài)WHTC試驗(yàn)后進(jìn)入熱態(tài)WHTC循環(huán)，需進(jìn)行10分鐘的熱浸。

圖2為該發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)工況運(yùn)行點(diǎn)，WHTC試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)工況主要布置在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速區(qū)域，且低負(fù)荷工況點(diǎn)占比較多。又因該循環(huán)為瞬態(tài)排放循環(huán)，不利于排氣溫度控制，會(huì)導(dǎo)致SCR溫度較低;SCR溫度對(duì)NOx轉(zhuǎn)換效率有著明顯的影響，從而導(dǎo)致該循環(huán)排放水平控制難度較大。

WHTC循環(huán)熱浸過(guò)程中SCR系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生熱損失從而導(dǎo)致SCR溫度降低，影響SCR轉(zhuǎn)換NOx效果。不同的熱浸狀態(tài)會(huì)對(duì)SCR的熱損失產(chǎn)生不同的影響，本文采用兩種狀態(tài)下對(duì)比分析熱浸狀態(tài)對(duì)WHTC瞬態(tài)排放結(jié)果的影響。首先對(duì)原機(jī)進(jìn)行冷熱WHTC試驗(yàn)，以判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)水平;其次進(jìn)行冷熱WHTC系統(tǒng)排放試驗(yàn)，熱浸過(guò)程中關(guān)閉室內(nèi)風(fēng)機(jī)以避免強(qiáng)風(fēng)吹掃SCR造成過(guò)多熱量損失，以驗(yàn)證該狀態(tài)下WHTC試驗(yàn)循環(huán)排放水平（定義為熱浸A）;再次進(jìn)行冷熱WHTC試驗(yàn)，熱浸過(guò)程中采用室內(nèi)風(fēng)機(jī)強(qiáng)吹掃SCR系統(tǒng)，以驗(yàn)證該狀態(tài)下系統(tǒng)排放水平（定義為熱浸B）。對(duì)比分析這兩種熱浸狀態(tài)下后處理狀態(tài)及系統(tǒng)排放水平，以研究不同熱浸狀態(tài)對(duì)柴油機(jī)WHTC試驗(yàn)循環(huán)排放水平的影響。

3 ? ?試驗(yàn)結(jié)果

3.1 ? 原機(jī)排放結(jié)果

表2為該發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC循環(huán)試驗(yàn)原機(jī)排放水平，其各項(xiàng)排放水平均處于正常范圍內(nèi)。圖3為熱態(tài)WHTC試驗(yàn)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度。WHTC循環(huán)試驗(yàn)主要為城市道路、市郊道路、高速道路工況，從圖3可以看出在熱態(tài)WHTC循環(huán)前0～600s范圍內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度處于較低水平，該區(qū)間工況點(diǎn)NOx系統(tǒng)排放水平控制難度較高。

3.2 ? 熱浸A試驗(yàn)結(jié)果

熱浸狀態(tài)A過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)間室內(nèi)風(fēng)機(jī)為關(guān)閉狀態(tài)，表3為該狀態(tài)下WHTC冷熱態(tài)試驗(yàn)循環(huán)相關(guān)排放物的試驗(yàn)結(jié)果，可以看出各項(xiàng)排放物均滿足GB17691-2018中國(guó)六排放污染物的限值要求。在此熱浸狀態(tài)下進(jìn)行WHTC循環(huán)排放試驗(yàn)效果良好。

3.3 ? 熱浸B試驗(yàn)結(jié)果

熱浸狀態(tài)B過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)間室內(nèi)風(fēng)機(jī)為吹掃SCR系統(tǒng)狀態(tài)，表4為該狀態(tài)下WHTC試驗(yàn)循環(huán)冷熱態(tài)相關(guān)排放物試驗(yàn)結(jié)果。由表4可以看出除NOx排放外其余各排放物均滿足GB17691-2018中國(guó)六排放水平限值要求，表明熱浸狀態(tài)主要對(duì)NOx排放水平存在明顯的影響，對(duì)其他排放物影響較低。

根據(jù)國(guó)六法規(guī)循環(huán)要求，WHTC系統(tǒng)排放采用冷熱加權(quán)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，冷態(tài)占比為0.14水平，熱態(tài)占比為0.86水平，所以最終排放物水平最主要取決于熱態(tài)WHTC排放水平[5]。由表3、表4對(duì)比分析可以看出，熱浸A狀態(tài)下熱態(tài)WHTC試驗(yàn)NOx排放水平僅為294mg/（kWh）水平;但在熱浸B狀態(tài)下NOx排放水平高至501mg/（kWh）排放水平，導(dǎo)致最終系統(tǒng)排放超高。

3.4 ? 對(duì)比分析

圖4為不同熱浸狀態(tài)下熱態(tài)WHTC循環(huán)NOx系統(tǒng)排放濃度對(duì)比分析圖，通過(guò)該圖可以看出在不同熱浸狀態(tài)下WHTC循環(huán)系統(tǒng)排放NOX排放變化趨勢(shì)基本一致，但是熱浸A的NOx排放水平明顯低于熱浸B狀態(tài)。試驗(yàn)過(guò)程300～600s區(qū)間段的NOx排放水平最高，熱態(tài)B最高水平可以達(dá)到850ppm水平。

圖5為不同熱浸狀態(tài)下SCR系統(tǒng)床溫對(duì)比圖，在試驗(yàn)循環(huán)前段部分SCR床溫趨于下降趨勢(shì)，主要原因?yàn)槔鋺B(tài)WHTC系統(tǒng)排放結(jié)束后SCR溫度較高且存在熱容，進(jìn)入熱態(tài)WHTC循環(huán)后在該工況段發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度較低引起SCR床溫下降。尤其在試驗(yàn)循環(huán)400s左右SCR床溫出現(xiàn)低谷，此時(shí)其轉(zhuǎn)換效率最低，故出現(xiàn)NOx排放峰值。SCR轉(zhuǎn)換效率存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)其溫度高于某一限值時(shí)其轉(zhuǎn)換效率會(huì)快速升高，但低于該限值時(shí)SCR轉(zhuǎn)換效率很低或者為0，該特性由SCR的還原催化反應(yīng)特性決定，溫度過(guò)低其催化轉(zhuǎn)換反應(yīng)未被激活。本文所用SCR轉(zhuǎn)換效率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度大概在200～220℃，為敏感溫度區(qū)域范圍;另SCR系統(tǒng)尿素噴射速率與其床溫相關(guān)，但溫度過(guò)低為防止NH3逃逸水平過(guò)高其噴射速率會(huì)有所降低，故在前600s工況范圍內(nèi)，SCR床溫對(duì)其轉(zhuǎn)換效率有決定性的影響。熱浸B狀態(tài)下強(qiáng)風(fēng)吹掃SCR系統(tǒng)，導(dǎo)致其在熱浸過(guò)程中冷卻過(guò)快;在WHTC循環(huán)前段工況發(fā)動(dòng)機(jī)排溫相對(duì)較低無(wú)法有效提升SCR床溫，故熱浸溫度損失對(duì)該工況段的SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率有決定性的作用。

圖6為不同熱浸狀態(tài)下尿素噴射速率，在熱浸A狀態(tài)下整個(gè)熱態(tài)WHTC循環(huán)消耗尿素244.6g，在熱浸B狀態(tài)下熱態(tài)WHTC循環(huán)消耗尿素220.3g，與熱浸A狀態(tài)相比尿素消耗量降低8.2%水平，更進(jìn)一步不利于SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)換NOx排放。

4 ? ?結(jié)論

本文對(duì)兩種WHTC試驗(yàn)熱浸狀態(tài)下試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明熱浸狀態(tài)主要影響SCR系統(tǒng)溫度損失從而對(duì)其轉(zhuǎn)換效率存在一定的影響，同時(shí)對(duì)尿素噴射速率也產(chǎn)生影響從而最終影響NOx排放水平。WHTC試驗(yàn)過(guò)程中熱浸過(guò)程需嚴(yán)格按照法規(guī)要求進(jìn)行控制，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能排放標(biāo)定及開(kāi)發(fā)工作有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]龍超，喻哥.柴油機(jī)排放物的危害及控制技術(shù)配件[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2021（5）;38～39.

[2]杉原啓之.車用柴油機(jī)的市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)與技術(shù)動(dòng)向[J].汽車與動(dòng)力，2021（3）;1～2.

[3]趙偉.國(guó)Ⅵ汽油車顆粒物排放后處理應(yīng)對(duì)策略[J]，汽車維護(hù)與修理，2021（2）;7～10.

[4]艾會(huì)明.國(guó)Ⅵ柴油車排放法規(guī)及排放控制技術(shù)路線簡(jiǎn)介[J]，汽車維護(hù)與修理，2021（2）;3～4.

[5]GB 17691-2018，重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）[S].

王元真

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)能源動(dòng)力工程學(xué)院，碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心，任責(zé)任工程師，主要研究發(fā)動(dòng)機(jī)性能標(biāo)定優(yōu)化和臺(tái)架試驗(yàn)方法，已發(fā)表論文《船舶柴油機(jī)主動(dòng)隔震監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)》。

專家推薦語(yǔ)

王必璠

東風(fēng)商用車技術(shù)中心

平臺(tái)總師 ?研究員級(jí)高級(jí)工程師

論文采用拉丁超立方抽樣建立試驗(yàn)樣本，并構(gòu)建高斯過(guò)程回歸模型，以發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣進(jìn)行了標(biāo)定優(yōu)化，取得了預(yù)測(cè)精度5%的預(yù)期效果。模型構(gòu)建和數(shù)據(jù)處理方法對(duì)行業(yè)有積極的借鑒意義。