WHSC/WHTC与ESC/ETC测试循环的试验比较与研究

赵国斌　盖永田　耿帅　金灵　伍恒

摘 要：相比于之前广泛采用的ESC/ETC测试循环，WHSC/WHTC测试循环在工况设置方面有了很大改变，尤其突出了对低速低负荷工况的侧重。为了研究两种测试循环的不同，通过在发动机台架上分别运行两种测试循环并采集数据，分析它们对发动机排放指标的影响，比较两种测试循环的排气温度不同，重点研究了平均排温和升温过程，从而定量分析了它们在排温、排放等方面的不同。

关键词：测试循环；排放法规；排温；后处理

中图分类号：TK421.5文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.01.05

环境保护部在2014年1月16日发布了《城市车辆用柴油发动机排气污染物排放限值及测量方法（WHTC工况法）》，规定自2015年1月1日起在柴油机型式核准中增加新的测试循环——世界统一的瞬态测试循环（World Harmonized Transient Cycle，WHTC）。

在欧IV和欧V法规中采用的测试循环分别为欧洲稳态测试循环（European steady-state cycle，ESC）

和欧洲瞬态测试循环（European transient cycle，

ETC），而在最新实施的欧VI法规中则采用了世界统一的测试循环，它包括世界统一的稳态测试循环（World Harmonized Steady-state Cycle，WHSC）和WHTC。我国的排放法规参考欧洲，目前虽然只是部分采用了WHTC工况法，但在未来必将全面采用世界统一测试循环。

通过在YL40型国IV柴油机上进行世界统一测试循环与欧洲测试循环的对比试验，就两种测试循环进行比较研究。

1 WHSC/WHTC测试循环的发展与采用

WHSC/WHTC测试循环是世界车辆法规协调论坛（World Forum for Harmonization of Vehicle Regulations，简称为UN/WP29或WP29）在制订第4号全球技术法规《全球统一的重型车测试规程（WHDC）》时，通过充分考察世界各地的道路状况和各种车辆的行驶特征，而制定出的具有代表意义的测试循环。

其制定原因是欧洲在实施欧IV和欧V法规过程中，发现装有选择性催化还原系统（Selective Catalyst Reduction，SCR）的后处理系统的柴油车辆在实际道路条件下NOx排放远远超过法规排放标准，而这些车辆发动机及其后处理系统在进行生产核准时都能够满足排放限值。相关研究表明，在平均车速较低的城市工况下，NOx排放往往能达到限值的2～3倍左右，远远高于排放限值[1]。其原因是城市行驶多为低速、低功率工况，排气温度较低，而现有SCR系统在温度低于280℃时转化效率会严重降低，在低于200℃时会停止工作，从而造成实际NOx排放严重超标。

经分析发现，现有发动机及其后处理系统在低温时排放偏高的问题根源在于出厂时测试工况的选择不合理。ESC/ETC不能够真实反映车辆实际运行的情况，而且在测试中允许企业对发动机进行预热和调整，达到理想的工作状态后才进行循环检测，这就使测试循环中发动机的排温较高，利于后处理系统工作，能够满足排放限值，从而使生产企业不再致力于研究降低低温排放的方法和技术。

因此在2009年，欧盟发布了EC/595/2009法规，并在2011年发布修订法规 EC/582/2011，制订了重型车辆的欧VI排放标准。欧VI法规规定采用对实际车辆行驶状况具有较好代表性的WHSC和WHTC。

我国北京地区排放法规领先于全国标准，在2013年2月北京市环保局颁布的第五阶段柴油机排放法规《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物限值及测量方法（台架工况法）》中，已明确规定北京地区车用柴油机在欧洲测试循环外，加入WHTC测试循环。此次环境保护部发布的新的补充办法，代表着该测试循环在我国被更广泛地采用。

2 WHSC/WHTC测试循环与ESC/ETC测试

循环的比较研究

2.1 WHSC与ESC的比较研究

WHSC与ESC测试循环都选择了具有代表性的13个工况来进行测量，但是在运行参数、排气温度等方面又有着较大不同。

图1和图2分别为ESC和WHSC测试循环工况的分布。

它们的区别主要体现在：

（1）工况参数的不同

ESC测试循环除怠速外分别选择了在最大净功率下55%、60%、65%的转速作为基本转速，每个转速各对应最大转矩下25%、50%、75%、100%四个转矩；WHSC测试循环则包括两个怠速工况，转速包括最大净功率下25%、35%、45%、55%、75%五个转速，每个转速对应的转矩又各不相同，其中55%转速分别对应最大转矩下25%、50%、70%、100%四个工况，35%转速对应25%、50%、100%三个工况，45%转速对应25%、75%两个工况，25%和75%转速分别对应25%和100%一个工况。

通过比较可以看出，ESC测试循环的转速选择范围较窄，且3个转速都是中高转速，在每个转速下分别进行低、中、高负荷的测试；而WHSC转速范围明显更宽，并且低于50%最大净功率转速的低转速工况有6个，占到了将近半数，体现了对低转速工况的侧重。同时WHSC在工况转矩的设定上，避免了ESC每个转速平均排布转矩的做法，如对25%低速工况和75%高速工况，只是有选择地分别测量它们的低或高负荷，增强了工况的代表性。

计算ESC与WHSC的平均转速、平均转矩和平均功率，可以更直观地看到这种差别，见表1。

由表1可知，WHSC的平均转速为ESC的75%，平均转矩为ESC的49%，平均功率为ESC的36%，明显体现了对低速低负荷工况的侧重。

（2）排气温度的不同

平均功率的不同必将使发动机排气温度有明显的不同，而排气温度对后处理系统的工作效率有直接影响。

运行ESC和WHSC测试循环并采集排温数据。分别计算ESC和WHSC的13个工况平均排温，如图3和图4所示，分别为ESC和WHSC各工况的平均排温。

为了更直观地表现ESC/WHSC的排温差异，分别将它们各工况的排气温度从低到高排列后进行比较，如图5所示。

虽然ESC与WHSC中每个工况所占权重是有差别的，而且图5中用来对比的两个工况可能并不相同，但是可以观察到ESC测试循环的平均排温要远远低于WHSC测试循环。

分别计算ESC与WHSC测试循环的整体平均排温，得到ESC的平均排温为371 ℃，WHSC的平均排温为229 ℃，比ESC低约38%，其中平均排温的计算采用权重法，其计算公式为

。

式中，Ti为瞬时排温，Qi为瞬时排气流量。

由图5可知，WHSC的平均排温远远低于ESC，致使后处理系统不能正常工作。

（3）排放水平的不同

分别采集ESC与WHSC测试循环的原机排放数据，见表2。

由表2可知，WHSC测试循环的4种原机污染物排放相比于ESC均有不同幅度的增加，其中，CO增加0.223 g/kwh，增幅92%；THC增加0.096 g/kwh，

增幅46%；NOx增加3.766 g/kwh，增幅44%；PM增加0.007 g/kwh，增幅32%。

考虑到WHSC测试循环较低的平均排温，后处理系统的NOx除去率远低于ESC测试循环，因此经过后处理的NOx排放相比于ESC测试循环的增幅还要变得更高。

2.2 WHTC与ETC的比较研究

WHTC与ETC测试循环都是在1800 s逐秒变化的瞬态工况，但它们在工况的分配、平均排温等方面存在明显的不同。运行ETC和WHTC测试循环，其转速、转矩变化分别如图6和图7所示。

它们的不同主要体现在：

（1）工况参数的不同

在ETC的工况中，前600 s为城市道路工况，600～1 200 s为乡村道路工况，1 200～1 800 s为高速公路工况，各占全部工况的三分之一。而在WHTC测试循环中，城市工况占49.6%，郊区工况占26%，高速工况占24.3% 。

同时，WHTC测试循环要求分别进行冷启动与热启动测试，即首先在不对发动机进行预热的情况下直接运行测试循环，检测冷启动条件下的排放变化，紧接着对发动机进行10±1 min的热浸（hot soak），再运行热启动条件下的测试循环，最终的测试结果按照下式计算：

WHTC试验结果

式中，mcold为冷启动循环各排放物组分的质量，

g/循环；mhot 为热启动循环各排放物组分的质量，g/循环；Wact，cold为冷启动循环的实际循环功，kWh；Wact，hot为热启动循环的实际循环功，kWh。

分别计算ETC与WHTC的平均转速，平均转矩与平均功率，结果见表3。

由表3可知，ETC测试循环与WHTC测试循环在平均转速方面差别很小，但是平均转矩有着明显不同。ETC中的工况平均转矩较大，负荷较高，而WHTC的平均转矩明显较小，偏重于低负荷工况，因而使WHTC循环的平均功率只有ETC的62%。

（2）排气温度的不同

计算ETC与WHTC的平均排温，得到ETC的平均排温为236 ℃，而WHTC冷启动测试平均排温为187 ℃，热启动测试平均排温为194 ℃，分别比ETC低21%和18%。

但是它们最大的差别不在于平均排温，而是测试循环运行过程中的温度变化情况。图8所示为ETC/WHTC的排温变化曲线。

由图8可知，在大部分循环时间里ETC测试循环的排温都高于WHTC循环，也高于SCR的起始工作温度200 ℃，而冷启动的WHTC循环排温在起始时排温较低，之后曲线与热启动循环曲线基本一致。WHTC循环的排温大部分时间都低于SCR的起始工作温度，直到1300 s左右才稳定地高于200 ℃，也就是说在循环的大部分时间SCR都不能工作或者效率很低。

以200 s为间隔，分别计算前200n s（）时间内的平均排温，得到结果见表4。

根据表3中的数据制成图9。

从图9中可以更明显地看出平均排温的变化，ETC和WHTC（冷/热）循环的平均排温基本趋势都是随测试运行时间增加而增高，但是起始排温与温度增加速率有较大差别。ETC测试循环在第500 s左右时，平均排温就稳定地超过了200 ℃，而WHTC（冷/热）平均排温增加较慢，且一直低于200 ℃的SCR最低工作温度。

（3）排放水平的不同

分别采集ESC与WHSC测试循环的原机排放数据见表5。

由表5可知，WHSC测试循环的4种原机污染物排放相比于ESC均有不同幅度的增加，其中，CO增加0.513 g/kwh，增幅34%；THC增加0.078 g/kwh，

增幅35%；NOx增加1.485 g/kwh，增幅16%；PM增加0.012 g/kwh，增幅25%。

与WHSC类似，WHTC测试循环中后处理系统的NOx除去率也会因排温较低而大幅下降，大量NOx未经处理直接排出，造成排放大幅提高。

3 结论

（1）与ESC/WHSC测试循环相比，ETC/WHTC测试循环低速低负荷工况比重明显增加。从而带来排气温度的降低和排放污染物的小幅增加；尤其是NOx因目前的后处理系统对排气温度敏感，随着温度降低而工作效率变差，排放增加幅度更为明显。

（2）相比国IV排放法规，新的排放法规不仅提高了排放限值，同时增加了测试循环工况。WHTC的引入要求排放后处理系统有更好的低温性能。