燃氣車PEMS排放測試與發動機臺架WHTC測試對比分析

張騰，劉興華，靳航，陳龍，陳占明，韓文濤

(1.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061；2.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081；3.一汽解放汽車有限公司，吉林 長春 130011；4.長安大學汽車學院，陜西 西安 710064)

天然氣具有氣源豐富、熱值高等特點，已成為最受重視的重型車用發動機替代燃料。GB 17691—2018排放法規規定，發動機排放測試不僅需要通過臺架排放測試，還需要通過整車實際道路排放測試。天然氣發動機在臺架上進行排放測試采用全球統一瞬態循環(World Harmonized Transient Cycle，WHTC)，與歐洲瞬態循環(European Transient Cycle，ETC)相比，WHTC循環增加了城市運行工況所占的比例，與整車實際運行狀態下的發動機工況更接近，因此發動機臺架排放結果與整車實際道路排放結果更為接近。但是發動機是整車動力總成部分，在臺架上進行排放測試僅能反映車輛在特定環境下的排放水平，不能完全反映車輛實際運行排放特性，因此即使發動機排放結果滿足臺架排放法規限值，也并不一定滿足整車實際道路排放測試要求[1]。當前發動機企業和整車企業大多數為分開運營，導致整車企業無法實時監控發動機排放等一系列問題。為此，整車企業有必要增加整車實際道路排放測試確認發動機實際運行排放結果。

隨著整車實際道路排放測試技術的發展，隧道法、遙感法等技術陸續被應用，而車載排放測試系統(Portable Emission Measurement System，PEMS)操作簡單，測量準確，被廣泛應用于整車實際道路排放測試。當前國內外研究者對整車實際道路排放和發動機排放測試循環開展了大量研究工作。葛蘊珊等[2]研究發現，車輛實際道路上整車污染物排放因子隨車速的增加而降低，但明顯高于實驗室認證工況下的測試結果。馮謙等[1]研究表明，與發動機臺架WHTC測試循環相比，PEMS測得的車輛實際道路NOx排放水平較高。Pelkman等[3]通過研究實際道路排放結果與底盤測功機試驗循環的排放結果，發現車輛實際CO和NOx排放遠高于新歐洲行駛循環循環測量結果。高翔等[4]通過整車行駛循環的模擬排放試驗發現，國五輕型車在瞬態工況下污染物排放量與歐洲穩態測試循環工況有明顯不同，HC排放低 64.1%，NOx排放低 34.5%，CO排放低8.6%。目前各學者主要是針對柴油車或者輕型車進行研究，對天然氣車輛實際道路行駛排放與臺架排放測試循環的差異研究較少。因此有必要針對天然氣發動機的臺架排放測試循環和實際道路排放關聯性進行對比研究。

在本試驗中分別進行天然氣發動機WHTC循環排放測試和天然氣整車實際道路排放測試，探討臺架排放測試循環和實際道路排放的排放結果之間的差異。由于整車實際道路排放測試受試驗路線、路況、司機駕駛習慣、車輛載荷等外界因素影響較大，因此在本研究中對整車PEMS測試進行定性分析，從而進行兩種排放測試循環的對比分析。

1 試驗裝置與試驗方法

1.1 發動機臺架排放測試試驗

在本試驗中以滿足國Ⅵ排放標準的重型天然氣發動機為研究對象，對該天然氣發動機進行WHTC循環排放測試以及對搭載相同型號天然氣發動機的整車進行實際道路行駛排放測試。天然氣發動機后處理形式為三元后處理裝置(Three Way Catalyst，TWC)，后處理裝置安裝位置距離增壓器出氣口2.8 m，發動機和整車的具體參數見表1。

表1 整車和發動機主要參數

1.2 整車PEMS實際道路排放試驗

在本試驗中選用Horiba OBS-ONE系列便攜式車載排放測試系統，該設備主要由氣體分析單元、尾氣流量計、GPS及環境測量模塊等構成。氣體分析模塊可對CO、NOx、THC進行采集與測量，尾氣流量計用于測量排氣流量和體積，GPS可對車輛的行駛路線與速度進行記錄與測量，環境測量模塊可記錄溫度、濕度和大氣壓力。

1.3 測試循環

對于N3類非城市車型，GB 17691—2018排放法規要求測試路段為20%的市區路、25%的市郊路、55%的高速路，依次進行，在實際運行時可以有±5%的偏差；測試時間最短應保證累計功達到發動機WHTC循環功的4～7倍[5]。整車加載砂石料，均勻放置在車廂中，負載率在35%左右。為減少外界因素對整車排放測試結果的影響，選用同一駕駛員在相同的路線及天氣狀況相近的條件下依據國Ⅵ標準要求分別完成整車PEMS測試。試驗路線選擇在生態環保部備案路線：濰坊市濰安路—濰坊東—G20—S21。

對于發動機臺架排放測試，GB 17691—2018排放法規規定天然氣發動機測試循環需進行冷熱態WHTC循環。WHTC循環時間為1 800 s，包括城市道路工況、城郊工況和高速工況，根據實際路況設定了起停與怠速過程，轉速和扭矩分布也相應地向低轉速低負荷工況區域集中，以更加貼近車輛實際道路運行工況。圖1示出了發動機WHTC循環曲線。

圖1 發動機WHTC循環曲線

2 試驗結果及分析

2.1 測試循環特征參數對比

表2示出了天然氣發動機臺架排放測試WHTC循環和整車實際道路排放PEMS測試發動機運行工況特征參數對比。從表2的特征參數對比可知，發動機在臺架WHTC排放測試循環的平均轉速比整車PEMS排放測試低150 r/min，平均扭矩比整車PEMS排放測試循環低304 N·m，而怠速所占比例比整車PEMS排放測試循環高10.11%。整車PEMS排放測試車輛循環功是發動機臺架WHTC循環功的5.48倍，滿足國Ⅵ排放法規要求。

表2 WHTC循環和PEMS測試循環主要參數對比

發動機進行WHTC循環測試時主要按照設定模式進行，基本上不受外界影響，整體運行平穩；而整車PEMS排放測試是在車輛實際行駛狀態下測試，受整車配置、道路工況等影響，具有不可控因素，特別是在市區路段，發動機轉速變化頻繁，且極容易出現發動機轉速、扭矩超調或者倒拖現象。因此有必要分析在兩種不同測試工況下發動機轉速和扭矩的占比，圖2示出了整車PEMS和發動機WHTC測試過程中發動機轉速對比。

圖2 發動機轉速分布占比

從圖2可以看出，發動機在臺架上進行WHTC循環時轉速1 300～1 500 r/min區間占比最高，為28.65%，而整車PEMS測試時，轉速1 100～1 300 r/min區間占比最高，為54.29%，發動機轉速分布差別較大。這主要是因為整車在進行PEMS循環測試時，在市區路段下車速較低，司機一般選用低擋位行駛，發動機轉速及負荷較低；而在高速時司機通常選擇直接擋位或者超速擋行駛以提高車速，保證車速滿足法規規定[6]。發動機臺架WHTC排放測試工況變化按照既定設置進行，并且由測功機拖動可實現快速轉換工況，而整車在進行功率、扭矩轉換時需變速箱、后橋等各機構協調配合，存在著一定的響應時間，因此發動機臺架WHTC循環和整車PEMS發動機運行工況會有一定的差別[7]。圖3示出兩種測試循環的實際工況分布。

圖3 發動機轉速和扭矩分布對比

從圖3可以看出，整車PEMS排放測試時，發動機負扭矩占比較高，車輛在行駛過程中容易發生倒拖現象，滑行距離占比較多，因此對發動機排放有一定的影響。

2.2 發動機排放氣體污染物結果對比

整車進行PEMS測試時對HC的要求是總HC的限值，因此在發動機進行WHTC排放測試時，HC的測量采用CH4和非甲烷碳氫化合物相加之和進行對比分析。表3示出發動機在臺架WHTC循環排放測試和整車道路行駛PEMS測試中，滿足限值要求的有效功基窗口比例達到 90%以上時比排放值的對比。

表3 WHTC和PEMS循環的發動機污染物排放

從表3可以看到，兩種循環下排放測試污染物的測試結果均滿足國Ⅵ排放限值要求，但是整車PEMS的排放測試結果高于發動機WHTC排放測試結果。

2.3 發動機排氣溫度對比分析

排氣溫度對TWC的催化轉化效率有較大影響，特別是在起動階段，因此有必要分析兩種排放測試循環下的排氣溫度變化。圖4示出了兩種測試工況下排氣溫度的變化，發動機在臺架進行WHTC循環時排氣溫度平均為512 ℃，整車PEMS測試時平均排氣溫度為431 ℃。由于發動機臺架處于試驗室內，受外界影響較小，因此升溫較快，TWC可快速達到起燃溫度，TWC工作效率較高，發動機WHTC循環下排放降低。

圖4 WHTC循環和PEMS測試循環下發動機排溫對比

2.4 發動機過量空氣系數對比分析

當前滿足國Ⅵ排放標準的天然氣發動機采用的技術路線為理論空燃比+TWC。根據TWC的空燃比特性可知，TWC的最高催化轉化效率發生在理論空燃比附近，而在發動機實際運行時，由于氧傳感器的響應時間、噴嘴工作響應時間、發動機控制模式發生變化等客觀因素影響，極易引起空燃比波動。當發動機缸內混合氣處于較稀薄狀態時，CO和THC的催化轉化效率較高，但是NOx的催化轉化效率下降；反之，NOx的催化轉化效率一直處于較高水平，但是CO和THC的催化轉化效率迅速下降[8]。這與Xi等[9]研究相一致，即當發動機過量空氣系數略小于理論空燃比，在0.99附近時甲烷的轉化率接近100%，而過量空氣系數在1.02附近時甲烷轉化率降至30%左右。因此，在發動機開發時通常將發動機過量空氣系數設置在0.98～0.99范圍內，以保證TWC處于高效工作區間。但是在排放測試過程中，發動機主要是在瞬態工況下運行，其過量空氣系數有一定的波動，對TWC的工作效率有較大的影響。因此有必要分析發動機在兩種不同排放測試循環下過量空氣系數波動情況。

當前天然氣發動機通常采用寬裕氧傳感器對過量空氣系數進行閉環控制。寬裕氧傳感器通過檢測發動機尾氣中氧含量并轉化為電信號反饋到發動機控制單元(Electronic Control Unit，ECU)中，發動機ECU經內部計算可提供有效的發動機過量空氣系數[10]。同時，在發動機開發時利用臺架上空氣流量計和天然氣流量計對發動機ECU計算出的發動機過量空氣系數進行校對，經發動機臺架數據計算出的過量空氣系數與發動機ECU計算值相吻合，因此認為ECU計算的過量空氣系數是準確的，所以在本試驗中發動機過量空氣系數通過天然氣發動機控制程序采集。

圖5示出了兩種不同排放測試工況下過量空氣系數的瞬時變化曲線。由圖5可知，發動機在進行WHTC排放循環測試時，發動機的過量空氣系數波動較小且在偏濃的狀態下占比較多，TWC在高效區間工作。在進行整車PEMS道路測試時，由2.1節可知整車在運行時倒拖運行頻繁，發動機在燃氣切斷模式下運行，此時氧傳感器反饋值較小，甚至接近于0，發動機過量空氣系數波動較大，也因此對TWC的催化轉化效率產生較大的影響。李志軍等[11]研究發現，過量空氣系數在0.96～1.04，波動頻率為0.5 Hz的條件下，空燃比波動的振幅越大，TWC可以越快起燃。但是在整車道路PEMS排放循環測試時，過量空氣系數的波動比較隨機，沒有固定的頻率，所以無法促進TWC的快速起燃，對車輛排放有較大的影響。

圖5 WHTC循環和PEMS測試循環下發動機過量空氣系數對比

2.5 排放結果分析

2.5.1 THC排放

發動機在臺架進行WHTC循環排放測試時THC的比排放量為0.16 g/(kW·h)，整車PEMS實際道路排放值為0.19 g/(kW·h)，圖6示出了兩種測試方法下THC的瞬時變化曲線。在起動階段兩種測試方法測得的THC排放較高，這主要是因為此時發動機過量空氣系數小于1，缸內混合氣處于較濃狀態，發動機缸壁溫度較低并且缸內混合氣燃燒不完全，缸內潤滑油吸附、狹隙效應、壁面冷激效應等導致THC排放量較高[12]。而在進行整車實際道路測試時，排氣管及催化器處于開放環境下，排氣溫度上升較慢，TWC的催化轉化效率較低，導致整車實際道路PEMS排放測試值更高。

圖6 WHTC循環和PEMS測試循環THC瞬時排放對比

另外，根據陳林[13]研究可知，當發動機缸內混合氣過量空氣系數在1.1～1.2范圍內時，THC排放最小；如果過量空氣系數超出此范圍，發動機缸內燃燒惡化或者發生失火問題，導致THC排放反而增加。由圖5可知，整車PEMS實際道路排放測試時發動機過量空氣系數波動大，導致發動機尾氣THC原始排放值較高，同時過量空氣系數的波動使TWC的工作效率也較低，導致整車實際道路PEMS排放測試時排放值偏高。而發動機在進行WHTC循環排放測試時，過量空氣系數波動較小且略小于1，缸內溫度和排氣溫度上升較快，生成THC的條件破壞，同時TWC的催化轉化效率較高，所以THC的排放值較小。

隨著排放測試的進行，發動機進入正常行駛狀態，特別是在高速路段，發動機缸壁溫度升高，TWC的催化轉化效率較高，發動機排放較穩定，THC的排放值減少，THC的瞬時排放在100×10-6以下；但是車輛無論是在市郊還是高速階段行駛，均容易受到外界影響，如車輛帶擋滑行、擋位變換等，對發動機排放有一定的影響，因此整車PEMS實際道路排放值呈現出一定的波動，但是THC瞬時排放值較低。

2.5.2 CO排放

發動機臺架WHTC循環和整車實際道路PEMS排放測試的CO比排放量分別為0.213 g/(kW·h)和0.267 g/(kW·h)，圖7示出了兩種排放測試循環下CO的瞬時變化曲線。

圖7 WHTC循環和PEMS測試循環CO瞬時排放對比

從圖7可以看出，WHTC排放測試時，CO的排放峰值出現在冷起動階段，最高為1 200×10-6；而整車排放在冷起動階段CO的排放值也比較高，車輛在市郊或者市區工況下運行時CO排放峰值高達1 479×10-6，整體排放水平相對較高。在起動階段兩種排放測試循環下CO排放均比較高，主要是因為在起動階段，為了使發動機快速到達正常溫度，通常使發動機缸內燃氣處于過濃狀態，而CO生成受過量空氣系數影響較大，因此發動機尾氣中的CO排放值較高[12]。在整車PEMS排放測試時，在2 800 s前主要是在市區和市郊運行，車輛運行受道路狀況影響較大，容易發生車輛頻繁起停、扭矩變化頻繁等現象，過量空氣系數也隨之變化，TWC工作效率的波動較大，導致CO的排放量較高[13]。但是除部分工況外，兩種排放測試工況下大部分工況的CO排放均在450×10-6以下。

2.5.3 NOx排放

圖8示出兩種發動機排放測試循環下NOx瞬時排放濃度對比。從圖8可以看出，發動機臺架WHTC排放循環下的NOx排放在起動時較高，進入后續工況后排放也會出現波動，但是整體排放較低。這與馮謙等研究結果一致，也即發動機扭矩發生變化時NOx排放量上升[1]。發動機在起動階段排氣溫度較低，缸內天然氣較多，混合氣燃燒溫度較高，TWC催化轉化效率較低，所以NOx排放量較高[14-15]。待發動機到達正常狀態后，發動機WHTC循環測試下過量空氣系數波動較小，TWC的催化轉化效率提升，發動機NOx排放量較低。在整車實際道路排放測試時，車輛在市區車速較低且發動機扭矩變化頻繁，當車輛在加速行駛時發動機缸內混合氣處于過濃狀態，缸內溫度較高，NOx生成量較高[13,16]。TWC也因發動機排氣溫度上升緩慢、過量空氣系數等原因導致工作效率降低，所以整車PEMS的NOx排放略高。

圖8 WHTC循環和PEMS測試循環下NOx瞬時排放對比

3 結論

a) 兩種發動機排放測試工況對比，發動機臺架WHTC循環下怠速占比比整車實際道路PEMS排放測試高10.11%，平均扭矩比整車PEMS排放測試循環低304 N·m，因此兩種排放測試工況的差異使同一發動機的排放值表現出一定的差異；

b) 兩種排放測試方法下污染物排放值均滿足國Ⅵ法規限值要求，但是發動機臺架WHTC循環比排放值較低；兩種排放測試方法可有效地測試天然氣發動機排放值，但是PEMS測試值遠低于法規限值，可考慮在未來排放標準中加嚴整車實際道路的排放限值；

c) 發動機在開發標定時，應結合WHTC循環和PEMS排放測試的工況，特別是在天然氣發動機車輛的起動階段、加減速以及過量空氣系數波動較大時和TWC低溫下控制發動機排放，以保證發動機排放滿足要求。