國(guó)六重型柴油機(jī)不同測(cè)試循環(huán)下的排放響應(yīng)研究

田茂軍，黃德軍，唐卜，張騰，徐輝

(1.中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2.濰柴西港新能源動(dòng)力有限公司，山東 濰坊 261061)

隨著社會(huì)的發(fā)展、城市化進(jìn)程的加快以及人民生活水平的提高，汽車保有量逐年攀升，導(dǎo)致我國(guó)大中城市交通變得日趨擁堵。ESC(European Steady-state Cycle)和ETC(European Transient Cycle)是國(guó)Ⅳ、國(guó)Ⅴ階段評(píng)價(jià)重型車排放性能的測(cè)試循環(huán)，其工況轉(zhuǎn)速和負(fù)荷均較高，對(duì)車輛的低速、低負(fù)荷工況考核過(guò)少，在實(shí)際的車輛排放控制中已凸顯出一定弊端。隨著GB 17691—2018[1]的發(fā)布實(shí)施，我國(guó)重型車用柴油機(jī)排放測(cè)試評(píng)價(jià)工況由ESC和ETC轉(zhuǎn)變?yōu)閃HSC(World Harmonised Steady-state Cycle)和WHTC(World Harmonised Transient Cycle)。當(dāng)今世界各個(gè)國(guó)家和地區(qū)執(zhí)行的排放標(biāo)準(zhǔn)不一，測(cè)試循環(huán)也存在差異，歐盟、美國(guó)、日本這三大排放體系其測(cè)試工況也不盡相同。汽車尾氣排放受多種因素影響，同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的測(cè)試條件和工況下，其污染物排放、排氣溫度等參數(shù)也存在差異，即排放響應(yīng)存在差異。隨著國(guó)內(nèi)重型車排放標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步發(fā)展，有必要對(duì)當(dāng)前世界各主流測(cè)試循環(huán)的排放響應(yīng)差異開(kāi)展研究，從而為國(guó)內(nèi)下一階段排放測(cè)試循環(huán)的選擇和構(gòu)建提供理論和數(shù)據(jù)支撐。國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者已開(kāi)展了部分研究。黃俊等[2]研究了不同測(cè)試循環(huán)下輕型汽車的排放特性，發(fā)現(xiàn)不同測(cè)試循環(huán)下車輛的排放結(jié)果不同，車輛的加速過(guò)程排放對(duì)結(jié)果起主導(dǎo)作用。馮謙、葛旸等[3-8]對(duì)ESC、ETC和WHSC、WHTC循環(huán)間的排放差異以及臺(tái)架循環(huán)與整車PEMS的排放差異進(jìn)行了分析研究。宋東、許家毅等[9-11]研究了不同載荷條件下實(shí)際道路行駛的PEMS排放特性。張運(yùn)[12]研究了道路坡度與交通狀況對(duì)輕型汽油車實(shí)際行駛排放的影響。岳大俊等[13]研究了不同駕駛行為對(duì)重型車PEMS結(jié)果的影響。汪曉偉等[14]分析了國(guó)六排放測(cè)試循環(huán)與中國(guó)工況發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試循環(huán)的差異。于津濤等[15]研究了重型車PEMS試驗(yàn)工況與中國(guó)整車工況的差異。艾毅等[16]研究了WHTC循環(huán)與整車C-WTVC循環(huán)的排放差異。現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)不同工況下的排放響應(yīng)研究主要集中在ESC、ETC與WHSC、WHTC的差異，以及不同測(cè)試條件對(duì)整車PEMS的排放影響，鮮有關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)在歐、美、中現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試循環(huán)下的排放響應(yīng)對(duì)比研究。

本研究在1臺(tái)基于國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的重型柴油機(jī)上開(kāi)展試驗(yàn)，研究了同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在歐、美、中現(xiàn)行測(cè)試循環(huán)下的排放響應(yīng)。

1 試驗(yàn)裝置及方案

1.1 試驗(yàn)裝置

采用1臺(tái)滿足GB 17691—2018 6b標(biāo)準(zhǔn)的重型柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，試驗(yàn)設(shè)備如表2所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 試驗(yàn)設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

測(cè)試系統(tǒng)布置如圖1所示，采用計(jì)量標(biāo)定合格的全流稀釋系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣態(tài)和顆粒污染物進(jìn)行測(cè)量分析，稀釋空氣經(jīng)過(guò)前置預(yù)處理以保障其背景污染物濃度均處于較低水平。為保障試驗(yàn)邊界條件一致，采用進(jìn)氣空調(diào)系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度、濕度進(jìn)行控制；采用試驗(yàn)室全室空調(diào)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架環(huán)境進(jìn)行溫度控制，以保障后處理的環(huán)境溫度盡可能一致；采用符合GB 17691—2018要求的同一批次的基準(zhǔn)柴油。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)布置

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案如下：

1) 按GB 17691—2018進(jìn)行WHSC和WHTC冷熱態(tài)試驗(yàn)。

2) 按40 CFR Part 1065，40 CFR PART 86進(jìn)行RMC(ramped-modal duty cycle)和HDDE(EPA Engine Dynamometer Schedule for Heavy-Duty Diesel Engines)試驗(yàn)。

3) 按美國(guó)加州LLC(Low Load Cycle)循環(huán)開(kāi)展試驗(yàn)。

4) 按40 CFR Part 1065的瞬態(tài)冷熱循環(huán)的熱浸時(shí)間，將WHTC的熱浸時(shí)間改為20 min后，開(kāi)展WHTC冷熱態(tài)試驗(yàn)。

為保證試驗(yàn)開(kāi)始前的發(fā)動(dòng)機(jī)及后處理狀態(tài)盡可能一致，在開(kāi)展每項(xiàng)試驗(yàn)前，需運(yùn)行1次熱態(tài)WHTC試驗(yàn)作為預(yù)處理。開(kāi)展穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)時(shí)，統(tǒng)一按WHSC的試驗(yàn)流程，首先在WHSC第9工況熱機(jī)10 min，停機(jī)5 min之后，開(kāi)始試驗(yàn)。冷、熱態(tài)瞬態(tài)循環(huán)一律在25 ℃室溫條件下冷機(jī)6 h及以上，LLC循環(huán)按熱態(tài)WHTC試驗(yàn)程序開(kāi)展。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 重型車用柴油機(jī)測(cè)試循環(huán)分析

歐Ⅵ排放測(cè)試循環(huán)與GB 17691—2018一致，采用WHSC和WHTC。當(dāng)前美國(guó)EPA標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)重型車用柴油機(jī)規(guī)定了兩種標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試循環(huán)，分別是RMC和HDDE循環(huán)。其中RMC循環(huán)按車型年份，又分RMC 10和RMC 07；EPA HDDE分兩個(gè)階段，分別是冷起動(dòng)和熱起動(dòng)，其中冷起動(dòng)權(quán)重1/7，熱起動(dòng)權(quán)重6/7，冷、熱循環(huán)之間以20 min的停機(jī)熱浸過(guò)渡。美國(guó)加州針對(duì)車輛低負(fù)荷運(yùn)行情況，還專門(mén)提出了LLC循環(huán)。日本重型車發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試循環(huán)JE05是根據(jù)東京實(shí)際駕駛條件開(kāi)發(fā)的瞬態(tài)循環(huán)，與WHTC循環(huán)相比，JE05工況差異不多，且日本已將WHTC循環(huán)納入到法規(guī)測(cè)試循環(huán)的范圍，可知JE05已不再具備突出的代表性，因此未單獨(dú)分析JE05。國(guó)內(nèi)在2021年8月20日發(fā)布了GB/T 38146.3—2021《中國(guó)汽車行駛工況 第3部分：發(fā)動(dòng)機(jī)》，其中也規(guī)定了一個(gè)穩(wěn)態(tài)循環(huán)CASC(China Steady-state Cycle)和一個(gè)瞬態(tài)循環(huán)CATC(China Transient Cycle)。

2.2 穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)分析

穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)工況分布見(jiàn)圖2。由圖可知，RMC工況轉(zhuǎn)速和負(fù)荷相對(duì)WHSC、CASC均較高，而WHSC和CASC主要分布在中低速區(qū)，大部分工況正好處在該發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩的轉(zhuǎn)速范圍，且WHSC和CASC兩者工況分布區(qū)域相近，僅CASC低負(fù)荷工況的負(fù)荷更低。經(jīng)統(tǒng)計(jì)RMC循環(huán)的循環(huán)功最高，而CASC的循環(huán)功最低。WHSC和CASC低負(fù)荷工況占比均較大，25%及以下負(fù)荷占比分別是67.0%和66.4%，兩者相近。

圖2 穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)工況分布

穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)的試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表3和表4。由結(jié)果可知，RMC循環(huán)的CO2比排放結(jié)果比CASC和WHSC均較高，原因與RMC循環(huán)工況點(diǎn)的分布有關(guān)，RMC循環(huán)僅A轉(zhuǎn)速在最大扭矩轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，B、C轉(zhuǎn)速均在最大扭矩轉(zhuǎn)速范圍外。由柴油機(jī)的燃燒特性可知，最大扭矩轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，其工況熱效率在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍均較高，因此CASC和WHSC循環(huán)的CO2比排放較RMC低，但由于CASC低負(fù)荷工況點(diǎn)的負(fù)荷率比WHSC更低，過(guò)低的負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致工況熱效率下降，因此CASC的CO2比排放較WHSC略高。RMC原排狀態(tài)NOx比排放較CASC和WHSC均較高，而CASC和WHSC兩者NOx比排放十分接近，該現(xiàn)象與RMC的工況負(fù)荷有關(guān)，發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷越高，則熱負(fù)荷越重，導(dǎo)致其NOx原排越高。CASC的原排CO、HC最高，與CASC的低負(fù)荷工況的負(fù)荷有關(guān)，負(fù)荷越低則發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒狀態(tài)越差，則CO、HC原排越高。

表3 穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)原排結(jié)果

表4 穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)尾排結(jié)果

尾排狀態(tài)所有循環(huán)的污染物排放結(jié)果均能滿足國(guó)Ⅵ階段限值要求，由表5可知，氣態(tài)污染物的轉(zhuǎn)化率均在96.0%以上。CASC循環(huán)的尾排NOx結(jié)果最高，但與WHSC的差異較小，與RMC循環(huán)差異略大。由圖3可知，CASC循環(huán)的整體排氣溫度最低，特別是循環(huán)的前840 s，其排溫均處于300 ℃以下，且有680 s左右時(shí)間處于250 ℃以內(nèi)，該溫度雖高于SCR起噴溫度，但較低的排溫對(duì)SCR效率存在一定影響，由表5的污染物轉(zhuǎn)化率可得到印證。CO，HC和PM排放因DOC和DPF的存在，差異較小，其中RMC循環(huán)的PN略高于其他循環(huán)，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因與RMC循環(huán)的排溫有關(guān)，排溫越高越不利于DPF對(duì)PN的降低；RMC循環(huán)的NH3排放最高，可能與SCR的標(biāo)定策略存在關(guān)系。兩個(gè)RMC循環(huán)的污染物原排和尾排均無(wú)顯著差異，因此，在該穩(wěn)態(tài)工況下，工況順序?qū)ξ廴疚锏呐欧庞绊戄^小。

表5 穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)污染物轉(zhuǎn)化效率

圖3 穩(wěn)態(tài)循環(huán)各工況排氣溫度

通過(guò)上述分析可知，在穩(wěn)態(tài)循環(huán)下基于國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)用上述這幾種測(cè)試循環(huán)均能有效地評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣污染物排放；同時(shí)因CASC與WHSC工況、原排、尾排、污染物轉(zhuǎn)化率均相近，因此采用CASC和WHSC評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)排放均能促使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到相近的減排效果。

2.3 瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)分析

瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)工況分布見(jiàn)圖4和圖5。由圖4可知，HDDE工況相對(duì)其他兩個(gè)循環(huán)，其工況分布較分散，相對(duì)集中在高轉(zhuǎn)速區(qū)間，且高負(fù)荷工況占比較大；而CATC和WHTC工況分布相近，主要集中在中、低速區(qū)間，且低負(fù)荷占比較大；相較于WHTC，CATC低負(fù)荷工況占比略多，但兩者工況分布無(wú)顯著差異；LLC循環(huán)時(shí)間是WHTC循環(huán)的3倍，由圖5可知，LLC工況主要集中在低負(fù)荷區(qū)間。工況的分布特點(diǎn)與各工況制定的初衷有關(guān)。WHTC和CATC是基于當(dāng)前越來(lái)越擁堵的實(shí)際交通情況構(gòu)建的，因此相較于原ETC測(cè)試循環(huán)，其更側(cè)重考核車輛低速低負(fù)荷工況對(duì)排放的惡劣影響；而HDDE循環(huán)因工況制定時(shí)間相對(duì)于WHTC和CATC較早，其工況制定時(shí)的交通情況相對(duì)較好，因此其對(duì)車輛低速低負(fù)荷工況下的排放考核較少；而LLC循環(huán)是加州為彌補(bǔ)HDDE循環(huán)對(duì)車輛低速低負(fù)荷工況考核過(guò)少而專門(mén)提出的，其由持續(xù)低負(fù)荷、低負(fù)荷向高負(fù)荷突變工況、低速巡航及倒拖工況、高負(fù)荷突變低負(fù)荷工況構(gòu)成，因此其工況更集中于低負(fù)荷區(qū)間。

圖4 瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)工況分布

圖5 WHTC和LLC循環(huán)工況分布

瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)的試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表6和表7。由此可知，HDDE循環(huán)CO2排放明顯高于CATC和WHTC循環(huán)，導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因與穩(wěn)態(tài)循環(huán)一致。HDDE循環(huán)的NOx原機(jī)排放較CATC和WHTC偏小，而NOx原機(jī)排放與循環(huán)的工況變化激烈程度有關(guān)，由圖6和圖7可知，HDDE循環(huán)的工況點(diǎn)切換最平緩，CATC循環(huán)最激烈，因此HDDE循環(huán)原機(jī)NOx排放最低，CATC最高。雖然CATC與WHTC原機(jī)排放存在差異，但總體而言原排污染物結(jié)果相近。

表6 瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)原排結(jié)果

表7 瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)尾排結(jié)果

圖6 瞬態(tài)循環(huán)工況轉(zhuǎn)速變化

圖7 瞬態(tài)循環(huán)工況扭矩變化

尾排結(jié)果除LLC外均滿足國(guó)Ⅵ限值，因此對(duì)于基于國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)，HDDE和CATC瞬態(tài)循環(huán)對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)具備相近的尾氣排放評(píng)價(jià)能力。通過(guò)表7可知，WHTC循環(huán)的NOx結(jié)果最低，而HDDE循環(huán)的最高。理論上循環(huán)工況的負(fù)荷越高，排氣溫度越高，后處理系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率越高。瞬態(tài)循環(huán)過(guò)程的排氣溫度見(jiàn)圖8和圖9。由圖可見(jiàn)：HDDE冷態(tài)循環(huán)平均排溫242 ℃，最高排溫478 ℃；熱態(tài)平均排溫246 ℃，最高排溫478 ℃。CATA冷態(tài)循環(huán)平均排溫248 ℃，最高排溫457 ℃；熱態(tài)平均排溫252 ℃，最高排溫456 ℃。WHTC冷態(tài)平均排溫254 ℃，最高排溫468 ℃；熱態(tài)平均排溫258 ℃，最高排溫469 ℃?？傮w而言，HDDE工況的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷比其他循環(huán)高，其循環(huán)最高排氣溫度高，但因循環(huán)時(shí)間過(guò)短(1 200 s),導(dǎo)致高負(fù)荷工況的相對(duì)持續(xù)時(shí)間短，且冷、熱態(tài)之間的熱浸時(shí)間長(zhǎng)(20 min)，導(dǎo)致其循環(huán)平均排溫反而最低。分析循環(huán)過(guò)程中尿素的起噴時(shí)刻發(fā)現(xiàn)，HDDE冷、熱態(tài)尿素的起噴時(shí)刻基本在430 s左右，CATC在670 s左右，WHTC在500 s左右，占對(duì)應(yīng)循環(huán)時(shí)長(zhǎng)的百分比分別為36%，37%，27%。HDDE循環(huán)整體排溫較低，而尿素未噴射的時(shí)間占比又高，從而導(dǎo)致NOx等污染物的轉(zhuǎn)化率較低，NOx排放較其他循環(huán)略高。CO的尾排狀態(tài)以及表8的轉(zhuǎn)化率也印證了HDDE循環(huán)的排溫狀態(tài)。CATC原排和尾排結(jié)果較WHTC循環(huán)略高，但無(wú)顯著差異，各污染物的轉(zhuǎn)化率、排氣溫度、工況分布基本一致，因此采用CATC與WHTC評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)排放均能促使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到相近的減排效果。

圖8 冷態(tài)循環(huán)排氣溫度

圖9 熱態(tài)循環(huán)排氣溫度

表8 瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)污染物轉(zhuǎn)化效率

LLC循環(huán)原排和尾排均較高，且在尾排狀態(tài)下，即使該發(fā)動(dòng)機(jī)滿足國(guó)Ⅵ階段限值要求，其LLC循環(huán)下各氣態(tài)污染物排放結(jié)果均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)Ⅵ排放限值。由圖10可以發(fā)現(xiàn)，LLC低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，高、低負(fù)荷工況切換頻繁，循環(huán)整體排溫低，且低溫持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，因此LLC在一定程度上可以較好地考核發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行和高、低負(fù)荷頻繁切換時(shí)的排溫、升溫能力以及排溫保持能力，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)該工況下的尾氣排放控制是一項(xiàng)嚴(yán)峻考驗(yàn)。

圖10 LLC循環(huán)

2.4 WHTC試驗(yàn)循環(huán)不同熱浸時(shí)間對(duì)比

WHTC循環(huán)不同熱浸時(shí)間下的排放結(jié)果分別見(jiàn)表9和表10。將WHTC熱浸時(shí)間調(diào)整為20 min后，循環(huán)起始排溫降低41 ℃，循環(huán)前370 s平均排溫低12 ℃。較低的排溫惡化了熱起動(dòng)階段的缸內(nèi)燃燒，導(dǎo)致原排CO和HC有所增加，而NOx卻相對(duì)降低。由表11可知，熱浸時(shí)間的延長(zhǎng)導(dǎo)致熱態(tài)循環(huán)時(shí)后處理裝置的污染物轉(zhuǎn)化率有所降低，其中NOx轉(zhuǎn)化率降低3.3個(gè)百分點(diǎn)，熱起動(dòng)循環(huán)的NOx排放增加46.1%，冷、熱加權(quán)后的NOx排放增加34.7%。因此較長(zhǎng)時(shí)間的熱浸對(duì)后處理系統(tǒng)的排氣溫度保持能力和熱起動(dòng)減排具備一定的考核能力。

表9 WHTC不同熱浸時(shí)間下的原排結(jié)果

表10 WHTC不同熱浸時(shí)間下的尾排結(jié)果

表11 WHTC不同熱浸時(shí)間下的污染物轉(zhuǎn)化效率

3 結(jié)論

a) 美國(guó)EPA循環(huán)和中國(guó)測(cè)試工況對(duì)基于國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)具備相近的尾氣排放評(píng)價(jià)能力；

b) CASC、CATC與WHSC、WHTC具有相近的尾氣排放評(píng)價(jià)能力；

c) LLC在一定程度上可以較好地考核發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行和高、低負(fù)荷頻繁切換時(shí)的排氣升溫能力以及排溫保持能力，對(duì)該工況下的尾氣排放控制能力是一項(xiàng)嚴(yán)峻考驗(yàn)；

d) 工況負(fù)荷高不一定對(duì)尾氣排放控制好，還與高負(fù)荷工況的持續(xù)時(shí)間相關(guān)；停機(jī)熱浸時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致熱起動(dòng)循環(huán)排溫降低，其對(duì)后處理系統(tǒng)的排溫保持能力和熱起動(dòng)減排具備一定的考核能力。