车用发动机WHTC和ETC循环排放对比的试验研究

张 凡 李 昂 高鑫磊

（中国汽车技术研究中心天津300162）

车用发动机WHTC和ETC循环排放对比的试验研究

张 凡 李 昂 高鑫磊

（中国汽车技术研究中心天津300162）

在发动机台架上针对不同的车用重型柴油机和天然气发动机进行了WHTC和ETC循环的排放测试，使用稀释采样分析方法测量了发动机在不同循环和初始温度条件下的污染物排放。结果表明，发动机原始状态和安装催化器后，WHTC和ETC循环的CO2排放比值不超过105%。柴油机安装催化器后，WHTC和ETC循环的NOx排放比值大于2，明显高于两种循环的NOx原始排放比值。WHTC热启动循环的CO2、NOx和PM原始排放水平与WHTC冷启动循环基本一致，而WHTC热启动循环的CO和THC排放比WHTC冷启动循环大约低10%～25%。安装催化器后，WHTC热启动循环的CO2排放与WHTC冷启动循环基本一致，而其他排放物在WHTC热启动循环时的排放水平远低于WHTC冷启动循环。

WHTCETC车用发动机排放循环

引言

随着中国经济的高速发展，重型柴油车和天然气汽车的保有量也迅速增加，这些汽车带来的NOx、THC、CH4和颗粒物排放对环境和人体带来的危害日益严重。中国于2005年颁布的GB 17691-2005《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）》[1]引入了ETC（European Transient Cycle）瞬态循环来评价重型车用柴油机和天然气发动机的循环工况排放，并分别规定了国Ⅲ、国Ⅳ和国Ⅴ阶段的限值要求。随着对重型汽车道路工况条件和发动机运行规律的进一步研究，欧盟在2011年颁布了（EU）No 582/2011欧Ⅵ法规[2]，引入新的瞬态工况WHTC（World Harmonized Transient Driving Cycle）循环对重型柴油机和天然气发动机的排放进行了更为严格的管理。环保部在2014年颁布的HJ 689-2014《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）》标准中也引入了WHTC循环测试，对重型柴油机在低负荷工况条件下的排放限值进行了规定[3]。

文献研究表明，为了更好地达到WHTC循环排放的限值要求，国内发动机企业和研究机构已开展了国内发动机对WHTC循环测试的适应性研究。中国汽车技术研究中心[4]用一台重型汽油机验证了WHTC循环应用于国内发动机排放试验的可行性。军事交通学院[5]、中国汽车工程研究院股份有限公司[6]分别用一台重型柴油机对比分析了在ETC循环和WHTC循环测试中发动机排放、排气温度、冷却水温度等关键参数的差异。中机中联工程有限公司[7]用三台柴油机研究了在不同控制策略条件下发动机ETC和WHTC循环排放的差异。中国重汽集团杭州发动机有限公司[8]对比分析了WHTC循环的发动机转速、功率和怠速比例等循环特征参数与北京公交道路工况特征参数。总的来说，各研究主要集中在循环工况参数本身的差异性，测量对象多为单一发动机。

本文在发动机台架上针对不同的柴油机和天然气发动机进行了WHTC和ETC循环的排放测试，使用稀释采样分析方法测量了发动机在不同循环和初始温度条件下安装催化器前后的污染物排放。重点分析了发动机在ETC和WHTC循环下各污染物排放测量结果的差异，并探讨了发动机初始温度和后处理系统等因素对WHTC循环发动机原始排放和安装催化器后CO2、CO、NOx、THC、CH4和PM等排放的影响。

1 试验用发动机台架

1.1 台架组成和仪器设备

试验用发动机台架测试系统主要由试验用发动机、测功机系统、发动机水温控制系统、发动机进气控制系统以及采样和排放分析系统等部分组成，具体的试验装置及仪器型号见表1。本试验采用奥地利AVL公司的DynoRoad 304/8 Sx测功机来控制发动机的转速和扭矩。排气采样和分析系统主要包括奥地利AVL公司的CVS i60全流稀释定容采样系统和AMA i60 D1稀释采样分析系统。颗粒物采样和分析系统主要包括奥地利AVL公司的PSS i60采样系统和德国Sartorius公司的MSE2.7S-F滤纸称重天平。分别使用AVL公司的735S油耗仪、ACS1600进气空调和553恒温系统来控制发动机的燃油供给、进气条件和循环水温度。

表1 试验装置及仪器型号

1.2 试验用发动机

试验用发动机共8台，序号分别标记为A～H，其中4台为以国Ⅴ柴油为燃料的柴油发动机，另外4台为以天然气为燃料的天然气发动机（3台LNG+ 1台CNG）。发动机排量涵盖大、中、小三档，约为3L、7L和10L。柴油机均为高压共轨、增压中冷发动机，LNG发动机均为预混合单点喷射，CNG发动机为进气道多点喷射。发动机通过使用SCR、DOC+SCR、DOC+DPF+SCR、DOC和三效催化器等不同后处理系统分别达到国Ⅳ、国Ⅴ和欧Ⅵ排放水平。试验用发动机的相关参数如表2所示。

表2 试验用发动机相关参数

2 试验方法

（GB 17691-2005）和WHTC（HJ 689-2014和ECE R49.06）循环排放测试。ETC和WHTC循环的曲线分别如图1和图2所示。

2.1 试验循环

依据标准法规的要求，对发动机进行ETC

图1 ETC试验循环转速和扭矩规范值曲线

图2 WHTC试验循环转速和扭矩规范值曲线[8]

2.2 试验方法

使用AMA i60 D1稀释采样分析系统测量经过CVS全流稀释定容采样系统后的稀释排气中CO、 NOx、CO2、THC（NMHC）、CH4等排放物，再与定容采样系统记录的稀释排气瞬时流量值进行积分计算，最后除以发动机循环功，得到循环工况平均排放的稀释采样结果。

试验中通过PSS i60颗粒物采样系统和滤纸称重天平计算稀释排气中颗粒物的质量，结合定容采样系统记录的稀释排气流量值和发动机循环功，计算出颗粒物质量（PM）的循环工况平均排放。

为了考察催化器对循环工况平均排放的影响规律，分别在安装和不安装催化器的条件下进行不同循环工况的排放测试。为了避免试验方法和仪器设备的准确性和重复性影响试验结果，每台发动机每种循环工况一般进行3次试验，使用3次试验的平均值做为最终结果进行分析。

3 试验结果及分析

3.1 WHTC和ETC循环排放对比

3.1.1 循环工况对发动机原始排放的影响

图3为柴油机C和天然气发动机E在ETC和WHTC循环工况条件下CO2、CO、NOx、THC、CH4和PM原始排放的对比。从图中可以看出，无论是柴油机还是天然气发动机，WHTC循环的原始排放都高于ETC循环的平均排放水平。试验结果表明，由于WHTC循环的低速低负荷工况明显多于ETC循环，发动机在试验时平均扭矩较低，发动机的WHTC实际循环功约为ETC循环的60%，因此计算得出的WHTC循环原始排放要高于ETC循环。

图3 循环工况对发动机原始排放的影响

为了定量分析工况参数对发动机原始排放的影响，表3给出了柴油机C、D和天然气发动机E、F在WHTC和ETC循环工况条件下原始排放的比值。从表3可以看出，所有发动机WHTC循环CO2原始排放与ETC循环CO2原始排放的比值基本一致，约为105%。柴油机WHTC循环与ETC循环的CO、NOx和THC原始排放比值相对稳定，约为110%～130%，而WHTC循环的PM排放约高于ETC循环80%～90%。天然气发动机WHTC循环与ETC循环的PM原始排放比值在110%～200%之间，波动较大，主要受到发动机本身标定情况的影响。

表3 WHTC和ETC循环发动机原始排放的对比

3.1.2 循环工况对安装催化器后排放的影响

在不同循环工况条件下安装催化器后的排放水平除了受到发动机原始排放的影响之外，还受到催化器对各种排放物的转化效率的影响。图4为柴油机A和天然气发动机F安装催化器后在ETC和WHTC循环工况条件下的CO2、CO、NOx、THC、CH4和PM排放。从图4a）可以看出，柴油机排放经过催化器转换后，WHTC循环的CO2、NOx和PM排放明显高于ETC循环，而CO和THC排放水平已经很低，两种循环的对比关系不明确。从图4b）可以看出，天然气发动机F安装催化器后在WHTC循环工况条件下的CO2、NOx和CH4排放高于ETC循环，THC排放基本一致，而安装催化器后的CO排放水平很低。

图4 循环工况对安装催化器后排放的影响

表4定量给出了柴油机A、B、D和天然气发动机G、F、H安装催化器后WHTC循环与ETC循环的CO2、CO、NOx、THC、CH4和PM排放比值。从表4可以看出，安装催化器后，所有发动机WHTC循环与ETC循环的CO2排放比值都不超过105%，基本保持不变，而CO排放的绝对值较低，因此WHTC循环与ETC循环的CO比值波动很大。此外，柴油机安装催化器后WHTC循环与ETC循环的NOx排放比值明显高于原始排放（最大约为5），说明WHTC循环低速低负荷工况特性造成的排气温度低会影响SCR催化器的起燃，催化器在WHTC循环工况条件下的转化效率变低，使安装催化器后WHTC循环的NOx排放远高于ETC循环。柴油机安装催化器后在WHTC循环工况下的PM排放比ETC循环高20%～60%。天然气发动机安装催化器后WHTC循环与ETC循环的NOx排放比值要小于柴油机，约为120%～180%。安装催化器后，WHTC循环与ETC循环的THC和CH4排放比值约为100%～170%，说明WHTC循环低的排气温度会降低DOC催化器对THC和CH4排放的转换效率。

表4 安装催化器后WHTC和ETC循环的排放对比

3.2 发动机初始温度对WHTC排放的影响

3.2.1 初始温度对发动机原始排放的影响

根据标准要求，发动机需要在冷却水温度、机油温度和后处理系统温度都在20～30℃范围时进行一次WHTC冷启动循环，然后在热浸10分钟后再进行一次WHTC热启动循环。表5定量给出了柴油机C和D在不安装催化器时各排放物WHTC热启动和WHTC冷启动循环排放的对比。从表5可以看出，发动机初始温度对WHTC循环原始排放的影响较小。WHTC热启动循环的CO2、NOx和PM排放与WHTC冷启动循环基本一致，而WHTC热启动循环的CO和THC排放比WHTC冷启动循环大约低10%～25%。

表5 WHTC热启动和WHTC冷启动循环原始排放的对比

3.2.2 安装催化器后初始温度对排放的影响

为了定量分析发动机初始温度对安装催化器后排放的影响，表6给出了柴油机A、B、D和天然气发动机F、G、H安装催化器后在WHTC热启动循环和WHTC冷启动循环排放的比值。

表6 安装催化器后WHTC热启动和WHTC冷启动循环排放的对比

从表6可以看出，所有发动机WHTC热启动循环的CO2排放与WHTC冷启动循环基本一致，而其他排放物在WHTC热启动循环时的排放水平要远低于WHTC冷启动循环。柴油机WHTC热启动循环与WHTC冷启动循环的NOx排放比值可以降低到30%，WHTC热启动循环与WHTC冷启动循环的PM排放比值可以降低到60%。天然气发动机在WHTC热启动循环的THC和CH4排放可以降低为WHTC冷启动循环的15%。试验结果表明，较高的发动机初始温度能够有效提高催化器在整个WHTC循环的转化效率，降低安装催化器后WHTC循环的排放。

3.3 后处理系统对WHTC循环排放的影响

为了研究后处理系统的影响作用，使用柴油机D选用不同的后处理系统进行WHTC循环测试。图5为各排放物在不同后处理系统下的WHTC循环排放水平。从图5可以看出，与不安装催化器相比，SCR催化器能将柴油机的NOx排放降低到原始排放的50%。在加装DOC后，DOC能有效氧化CO和THC，使柴油机安装催化器后的CO和THC排放降到很低水平。而DOC的氧化作用能提高SCR入口处的排气温度，使SCR催化器对NOx排放的转化效率再提高5%。同时，DOC能氧化柴油机颗粒物排放中的部分SOF成分，DOC+SCR后处理系统的PM排放比SCR系统降低5%。

图5 后处理系统对柴油机WHTC循环排放的影响

4 结论

1）发动机原始状态和安装催化器后，WHTC循环和ETC循环的CO2排放比值都不超过105%。柴油机安装催化器后，WHTC循环和ETC循环的NOx排放比值大于2，明显高于原始排放比值。柴油机安装催化器后，WHTC循环的PM排放比ETC循环高20%～60%。

2）WHTC热启动循环的CO2、NOx和PM原始排放水平与WHTC冷启动循环基本一致，而WHTC热启动循环的CO和THC排放比WHTC冷启动循环大约低10%～25%。安装催化器后，WHTC热启动循环的CO2排放与WHTC冷启动循环基本一致，而其他排放物在WHTC热启动循环时的排放水平远低于WHTC冷启动循环。

3）柴油机加装DOC时，DOC的氧化作用能提高SCR入口处的排气温度和氧化柴油机颗粒物排放中部分SOF成分，促进SCR催化器对NOx排放的转化效率提高以及降低PM排放。

1环境保护部.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：中国环境科学出版社，2005

2Commission Regulation（EU）No 582/2011 of 25 May 2011. implementing and amending Regulation（EC）No 595/2009 of the European Parliament and of the Council with respect to emissions from heavy duty vehicles（Euro VI）and amending Annexes I and III to Directive 2007/46/EC of the European Parliament and of the Council[C].2011，167：1-25

3环境保护部.HJ689-2014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）[S].北京:中国环境科学出版社，2014

4尤林华，景晓军，阮旭，等.重型汽油机WHDC排放试验循环研究[C]//中国内燃机学会.2010年APC联合学术年会论文集.宜昌：会务组，2010：28-32

5赵国斌，盖永田，耿帅，等.WHSC/WHTC与ESC/ETC测试循环的试验比较与研究[J].汽车工程学报，2015，5（1）：29-34

6田茂军，黄德军，谷雨，等.重型车用发动机WHTC与ETC瞬态测试循环试验对比研究[J].内燃机与配件，2015（1）：1-4

7魏厚敏，蔡大伟，黄德军，等.不同控制策略条件下车用柴油机WHTC和ETC排放比对试验与研究[J].内燃机，2014（4）：20-23

8孙国华，杜骞，蒲雨新，等.WHTC循环评价城市中柴油车尾气排放性能的适应性研究[J].小型内燃机与摩托车，2013，42（5）：9-13

Experimental Research on Comparison of Emissions from Vehicle Engines during WHTC and ETC Cycles

Zhang Fan,Li Ang,Gao Xinlei
China Automotive Technology&Research Center(Tianjin,300162,China)

Using different diesel and natural gas engines,emissions tests of WHTC and ETC cycles were carried on an engine test bench.The method of diluting sampling was utilized to measure emissions during the conditions of different cycles and initial temperatures.The test results show that the ratios of CO2emissions during WHTC and ETC cycles are not more than 105%,for both engine-out and catalyst-out emissions.The ratios of two cycles of catalyst-out NOxemission from diesel engines are greater than 2, which are obviously higher than those of engine-out emission.Engine-out CO2,NOxand PM emissions of hot-start WHTC cycle are basically the same with those of cold-start cycle.CO and THC emissions of hotstart WHTC cycle are about 10～25%less than those of cold-start cycle.Catalyst-out CO2emissions of hotstart and cold-start cycles are nearly the same,while other pollutants emissions of hot-start cycle are significantly less than those of cold-start cycle.

WHTC,ETC,Vehicle engines,Emissions,Cycles

U464

A

2095-8234（2016）05-0017-06

2016-08-03）（

2016-08-22）

张凡（1982—），男，博士，主要研究方向为汽车和发动机的污染物排放和测试技术。