基于SCR柴油机的WHTC冷、热启动循环排放差异研究

张立雄　张　琳　景晓军　尹　超　王振宇

（中国汽车技术研究中心天津300162）

基于SCR柴油机的WHTC冷、热启动循环排放差异研究

张立雄张琳景晓军尹超王振宇

（中国汽车技术研究中心天津300162）

依据北京地方标准DB11/964-2013规定的WHTC试验规程，基于全流型定容稀释采样系统对配备有SCR后处理装置的柴油机运行了WHTC试验循环，考察了SCR柴油机运行WHTC冷启动和热启动循环的排放特性差异及其原因。试验结果表明：相比于WHTC热启动试验循环，冷启动试验循环的前600 s机油温度、冷却液温度、后处理入口排气温度和中冷后温度明显较低；冷启动试验循环的NOX、CO和CO2排放量要显著高于热启动试验循环，二者的THC排放均较低且相差不大，PM排放无明显差异；WHTC循环对发动机后处理的性能提出了更加苛刻的要求。

SCR柴油机WHTC排放

引言

随着环境污染和能源危机的日益严峻，世界范围内对柴油机的排放要求愈加严格。北京市于2013年3月1日开始执行新的地方标准DB11/964-2013《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》，在原有ESC、ETC和ELR排放试验循环的基础上，增加了WHTC循环作为排放认证项目［1-2］。该WHTC试验规程包括WHTC冷启动循环和热启动循环两部分，其中对冷启动循环开始前的环境条件有着严格的要求，这与以往在进行ESC等排放试验前，发动机在额定工况热机完毕后进行测试循环有很大区别，对PM和NOx等排放提出了更大挑战。

自国Ⅲ排放法规实施以来，为了满足后续排放法规对柴油机排放的要求，不同的减排技术被广泛研究。在兼顾发动机动力性、经济性和国内油品条件等因素下，国内一大批柴油机厂商采用优化缸内燃烧和加装SCR后处理装置的技术路线。目前市场上大部分SCR催化剂的最佳转化效率要求后处理温度在250℃以上，柴油机的排气温度对SCR后处理装置的转化效率影响极大，因此冷启动循环和热启动循环对同一发动机的排放测试结果可能产生很大的影响［3］。

本文选择装备有SCR后处理装置的柴油机来考察发动机运行WHTC冷、热启动循环时的工作状态差异，进而分析发动机运行WHTC冷启动和热启动循环存在排放差异的原因，有助于北京地方标准关于WHTC试验规程的规范实施，同时也有助于相关厂商采取针对性策略来达到法规的要求。

1　WHTC试验规程

DB11/964-2013标准规定的WHTC试验规程包括WHTC冷启动循环、10 min热浸期、WHTC热启动循环三个部分。循环要求的扭矩和转速工况如图1所示。

图1　WHTC瞬态循环工况［4］

按照标准要求，开始WHTC冷启动循环前，发动机应在额定工况调整好进气阻力、中冷后温度、中冷前后压差、排气阻力等边界条件。之后采用自然冷却的方式，在20～30℃之间的环境温度下至少冷却6小时，直到发动机润滑液、冷却液和后处理系统温度都达到20～30℃环境温度范围内以后，才可以开始WHTC冷启动循环。完成冷启动循环后立即进行10±1 min热浸期作为发动机热启动循环的预处理，热浸期试验室环境温度应处于23～31℃之间。热浸期结束后运行WHTC热启动循环。试验结果处理方式如公式（1）所示：式（1）中：

WHTCresult：各排放物组分最终试验结果，g/（kW· h）；

mcold：冷启动循环各排放物组份的质量，g/循环；

mhot：热启动循环各排放物组份的质量，g/循环；

Wact，cold：冷启动循环的实际循环功，kW·h；

Wact，hot：热启动循环的实际循环功，kW·h。

2　试验装置

试验发动机为采用SCR后处理装置的国Ⅳ柴油机，其主要参数如表1所示。试验所用设备主要有AVL ACS进气空调、AVL PUMA OPEN全自动控制软件、AVL动态交流测功机、AVL735油耗仪、AVL AMA i60多组分气体分析仪，AVL CVS i60全流稀释系统和PSS i60颗粒采样系统。试验过程中可精确控制发动机进气温湿度和压力、燃油温度和压力等参数，避免外界因素波动对结果产生影响［5］。图2为台架系统示意图。

表1　试验发动机主要技术参数

图2　排放测试系统示意图

3　试验结果及分析

对试验发动机运行了WHTC试验循环，且在两阶段测试过程中不对发动机的控制和状态做任何人为改变。冷、热启动循环的排放加权结果如表2所示。从试验结果可以发现，发动机冷、热启动循环的循环功几乎完全一致，说明测功机对循环工况的控制精度很高，两阶段循环工况的一致性很好。但相对于热启动循环，冷启动循环的CO2比排放量要高出3.5%左右。尽管CO2排放量并不是排放标准着重考量的指标之一，但鉴于日益严峻的CO2排放形势，有必要考察其排放存在差异的原因。

表2　WHTC冷启动和热启动循环最终加权比排放

为了具体对比分析WHTC冷启动和热启动循环测试结果中CO2排放的差异，对同一工况点，将冷启动CO2瞬时排放量与热启动CO2瞬时排放量的差值作为两种循环下的相对CO2排放，并绘制其散点图如图3所示。可以发现，在循环的前600 s内，多数相对CO2的值要远大于零，即冷启动循环的CO2瞬时排放量要明显高于热启动循环。在这一阶段内，冷启动循环的比油耗更高，发动机的经济性较差。

图3　WHTC循环瞬态CO2相对排放

图4　试验循环机油温度

图4和图5为试验过程中机油温度和冷却水温度实时值，在循环前600 s内，冷启动循环发动机机油温度和冷却水温度一直在上升，但远远低于热启动循环同时刻发动机的机油温度和冷却水温度。如第300 s时，机油温度和冷却水温度分别相差37℃和31℃。较低的机油温度并不能达到理想的润滑，使得摩擦损失增大，同时较低的冷却水温度使得发动机原机散热损失增大［6］，从而造成发动机运行冷启动循环时机械效率降低，比油耗升高，CO2比排放偏高。

图5　试验循环冷却水温度

对于现代柴油机，氮氧化物和颗粒物排放水平是最为重要的两个指标。本研究排放结果显示，发动机冷启动循环的NOx排放量比热启动循环要高68%以上。将同一工况点的冷启动NOx瞬时排放与热启动NOx瞬时排放的差值作为瞬态相对NOx排放，并绘出其散点图如图6所示。在循环前600 s内，多数相对NOx排放值大于零，即冷启动NOx瞬时排放要显著高于热启动循环，而600 s以后的工况两者基本一致。

图6　WHTC试验循环瞬态相对NOx排放

将冷启动循环时发动机SCR后处理入口处排气温度与热启动循环时该温度的商作为WHTC循环的相对排温，当该值小于1时表明冷启动循环的排气温度低于热启动循环，如图7所示。在循环前600 s的大部分时间内，冷启动循环的后处理入口处排气温度要低于热启动循环。尽管这会使得原机缸内的NOx生成量有所降低，但较低的排气温度使得该试验阶段内，冷启动循环时发动机SCR后处理的催化转化效率偏低，直接导致冷启动循环时的NOx排放明显高于热启动循环。

图7　WHTC循环相对排气温度

同时，试验结果表明，冷启动循环和热启动循环的颗粒物（PM）排放相差不大。相关研究表明，在发动机缸内高温浓混合气区域容易产生大量PM［7］。在本研究中，虽然热启动循环前期缸内温度更高，但燃油的扩散和混合速度更快，浓混合气区域减少，最终造成原机PM生成量与冷启动循环十分接近。与此同时，虽然较低的燃烧温度不利于缸内燃油的完全燃烧，但THC的来源很多，除燃油的不完全燃烧外，还可能来自燃烧室表面附着、喷油器压力室挤油等多方面渠道［7］。因此在本试验中，才会出现冷启动循环的THC含量略高于热启动循环，但两者的THC排放数值都较小，总体相差不大。

另外，冷启动循环时发动机的CO排放量达到了热启动循环CO排放量的4倍以上。图8和图9分别为WHTC循环瞬态相对CO排放（冷启动CO排放与热启动CO排放的商）和瞬态相对中冷后温度（冷启动中冷后温度与热启动中冷后温度的差）的变化情况。可以发现，当试验循环进行约800 s时，冷启动循环的中冷后温度超过热启动循环，此时，冷启动循环的CO排放也开始低于热启动循环。CO排放与中冷后温度具有很强的相关性。这是因为当中冷后温度较低时，发动机缸内燃烧温度也较低，造成燃油短时间内不能完全氧化，从而形成大量的CO随尾气排出。较高的缸内温度有助于降低CO排放。

图8　WHTC循环相对CO排放

4　结论

基于定容稀释采样系统，对一国ⅣSCR柴油机运行了WHTC循环，分析并研究了冷启动和热启动循环之间排放差异的原因，结论如下：

1）SCR发动机运行WHTC冷启动和热启动循环的边界条件差异主要体现在循环前600 s，冷启动循环的中冷后温度、机油温度、冷却水温以及SCR入口处排气温度四个参数值明显较低，使得发动机原机燃烧效率和机械效率降低，比油耗升高，CO和CO2排放偏高，SCR催化转化效率较低，NOx排放较高。

2）SCR发动机运行WHTC循环时，由于油气混合等复杂因素，冷启动、热启动循环对于THC和PM排放的影响并不显著。

3）为了降低WHTC冷启动循环前600 s的NOx和CO排放，以满足法规要求，相关厂商应继续优化SCR性能，降低起燃温度，提高转化效率，并采取相应措施减少CO排放。

1全国汽车标准化技术委员会.GB17691-2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国III、IV、V阶段）》［S］.北京：中国标准出版社，2005

2全国汽车标准化技术委员会.DB11/185-2013《非道路机械用柴油机排气污染物限值及测量方法》［S］.北京：中国标准出版社，2013

3陶建忠.利用选择性催化还原反应（SCR）降低车用柴油机氮氧化物的技术研究［D］.济南：山东大学，2008

4Sun G，Du Q，Pu Y.Study on the adaptability for WHTC cycle evaluating emission performance of diesel vehicles in cities［J］.Small Internal Combustion Engine&Motorcycle，2013，42（5）：9-13

5邢居真.测试系统参数对车用发动机排放的影响研究［D］.武汉：武汉理工大学，2009

6周龙保.内燃机学［M］.北京：机械工业出版社，2005

7Arcoumanis C，Kamimoto T.Flow and combustion in peciprocating engines［M］.Berlin：Springer，2010

Emission Difference between Coldstart and Hotstart WHTC Cycles Based on a SCR Diesel Engine

Zhang Lixiong，Zhang Lin，Jing Xiaojun，Yin Chao，Wang Zhenyu
China Automobile Technology and Research Center（Tianjin，300162，China）

Based on WHTC test procedure defined by Beijing regional legislation，DB11/964-2013，coldstart and hotstart WHTC test cycles were conducted with a diesel engine which was equipped with a SCR aftertreatment，then the emission differences of the two phases and the reasons were studied.The results show that，compared with hotstart WHTC cycle，temperatures of intake air after cooler，oil，cooling water，and exhaust before SCR were much lower during the first 600 s of coldstart WHTC cycle.NOx，CO2and CO emissions of coldstart WHTC cycle were much higher than hotstart WHTC cycle.For both cycles，TCH and PM emissions were almost the same.

SCR，Diesel engine，WHTC，Emissions

TK421+.5

A

2095-8234（2016）03-0037-04

张立雄（1987-），男，工程师，主要研究方向为汽车测试技术。

2016-03-26）