基于WHTC循环的柴油机颗粒物数量峰值的研究

熊兴旺，高俊华，周 涛，于津涛

(1.中国汽车技术研究中心，北京 100176； 2.潍柴动力股份有限公司，潍坊 261001)

基于WHTC循环的柴油机颗粒物数量峰值的研究

熊兴旺1，高俊华1，周 涛2，于津涛1

(1.中国汽车技术研究中心，北京 100176； 2.潍柴动力股份有限公司，潍坊 261001)

在一台京五柴油机上，燃用国五柴油，进行了原机的瞬态加速、减速试验和WHTC冷热态试验。为便于分析，引入“流量积”概念(进气量和燃油流量之积)作为一个变量。在瞬态加速和减速试验中，颗粒物数量与流量积变化趋势一致，颗粒物数量的变化时刻滞后于流量积的变化时刻。WHTC循环试验中颗粒物数量峰值和相应的流量积峰值呈正相关关系，颗粒物数量峰值出现的时刻与相应的流量积峰值出现的时刻间存在滞后时间，该滞后时间与流量积峰值大小呈负相关关系。

柴油机；颗粒物数量排放；瞬态工况；进气量；燃油流量

前言

柴油机排气中的颗粒物，尤其是细小颗粒物，对人体危害极大，国内外排放法规逐渐对颗粒物数量排放进行限制。汽车实际行驶中，柴油机瞬态工况发生变化时，柴油机进气量和喷油量也随之变化，导致缸内燃烧劣化，进而引起瞬时颗粒物排放升高[1]。有研究表明[2－3]:恒转速增转矩瞬态工况下，瞬时颗粒物数量排放先升高，后逐渐降低并趋于稳定；高转矩增转速瞬态工况时，瞬时颗粒物数量排放先出现一个尖峰后迅速下降，而低转矩增转速瞬态工况时颗粒物数量瞬时排放持续增加且较高。柴油机恒转速增转矩瞬变过程中，过渡时间越短，转矩增加率越大，缸内燃烧越恶劣[4]。瞬态工况变化剧烈程度对颗粒物排放量有较大影响[5－6]:随转矩增加率的增大，颗粒物排放量增加，其中可溶性有机物增加是导致恒转速增转矩瞬态工况下颗粒物排放量增加的主要原因；随转矩减小率的增大，颗粒物排放量逐渐降低。

法规瞬态循环试验中，各种排放污染物易出现瞬态排放峰值，导致循环整体比排放大大升高。文献[7]中利用决策树方法对瞬态过程中烟度的排放峰值进行了预测。文献[8]中对氮氧化物和烟度的排放峰值成因进行了研究分析。目前，少有针对瞬态工况颗粒物数量排放峰值的研究，如果能对瞬态循环中颗粒物数量排放峰值出现的时刻进行预判，则可定位出现峰值的瞬态工况区域，方便进行相应的标定，以削减整体循环颗粒物数量排放。本文中基于WHTC瞬态循环试验，研究了进气量和燃油流量之积的峰值与瞬态颗粒物数量排放峰值的关系。

1 试验系统与方案

1.1 试验发动机

试验发动机为采用EGR＋DOC＋DPF技术路线满足京五排放法规的四冲程高压共轨增压中冷柴油机，表1给出了试验用发动机的性能参数。

表1 试验柴油机性能参数

1.2 试验设备

试验采用交流电力测功机，并使用全流稀释系统对发动机排气进行稀释，颗粒物数量由AVL 489颗粒计数器测量，表2给出了试验中所用的关键设备。

表2 主要测试仪器与设备

1.3 试验方案

发动机拆除后处理装置，原机燃用国五柴油，首先进行了瞬态加速和减速试验。瞬态加速试验从750r/min怠速工况，在15s内加速、加载至2 030r/min满负荷工况，之后运行在该稳态工况；瞬态减速试验从3 200r/min满负荷稳态工况，在20s内降速、卸载至怠速750r/min，之后运行在怠速工况。在此基础上又按照标准DB 11/964—2013[9]进行了原机冷热态WHTC循环试验。图1给出了WHTC循环试验中各工况转速和转矩。

图1 WHTC循环试验各工况转速和转矩

2 试验结果分析

图2 WHTC热态循环瞬时颗粒物数量排放曲线

2.1 流量积的定义

WHTC瞬态循环中，各工况点变化剧烈，瞬时颗粒物数量排放值也随之剧烈变化，颗粒物数量曲线上存在较多的瞬时排放峰值。图2所示为WHTC热态循环中瞬时颗粒物数量排放曲线。根据图2计算可以得到:对超过整个循环颗粒物数量排放平均值的部分进行积分，其积分值约占全部循环颗粒物数量积分值的50%。可见，超过循环平均值的瞬时颗粒物数量值，尤其是瞬时排放峰值，对于循环的总体排放影响巨大。

柴油机燃烧形式主要为扩散燃烧，缸内的混合气并不均匀，且各处的局部空燃比有较大差异，用平均空燃比并不能全面反映瞬时燃烧的状况。从宏观上考虑，空气和燃油是颗粒物的最终来源。瞬态工况下进气流量和燃油流量随工况点变化，综合考虑二者对颗粒物的影响，本文中把进气量和燃油流量的乘积，即流量积，作为一个表征瞬态工况的构造变量，研究瞬态过程中颗粒物数量排放与流量积随时间的变化情况，即

式中:L为流量积，(kg/h)2；m·air为进气量，kg/h；m·fuel为燃油流量，kg/h。

2.2 瞬态加速、减速试验结果分析

图3给出了瞬态加速试验中流量积、颗粒物数量排放(PN)及转速的变化曲线。

图3 瞬态加速试验各参数变化曲线

由图3可见，瞬态加速试验初始，颗粒物数量开始增加时刻滞后于流量积开始增加的时刻大约10s，且颗粒物数量和流量积开始增加的时刻均滞后于转速开始增加的时刻。瞬态过程后期，流量积在第29s基本达到稳定，颗粒物数量在第27s达到峰值后开始下降，第29s还在继续变化。

图4给出了瞬态减速试验中流量积、颗粒物数量排放及转速的变化曲线。

图4 瞬态减速试验各参数变化曲线

由图4可见，瞬态减速试验初始，颗粒物数量开始减小时刻滞后于流量积开始减小的时刻大约7s，且颗粒物数量和流量积开始减小的时刻均滞后于转速开始变化的时刻。瞬态过程后期，流量积在第15s基本结束下降而达到稳定，颗粒物数量在第24s结束下降达到稳定。

上述试验结果表明:在瞬态加速和减速过程中，颗粒物数量与流量积的变化趋势一致，且颗粒物数量的变化一直滞后于流量积的变化。瞬态加速和减速试验中颗粒物数量开始变化时刻滞后于流量积开始变化时刻，且瞬态过程后期，颗粒物数量排放达到稳定的时刻均滞后于流量积达到稳定的时刻。

首先，滞后时间包含管路传输时间和分析仪响应时间。研究指出，气态污染物的测量延迟时间[10－13]由排气从排气总管至分析仪传感器的传输时间和分析仪的响应时间组成。文献[3]中采用EEPS颗粒测试仪测试颗粒物数量时也存在颗粒数量变化起始点滞后于瞬态工况变化起始点的现象，这是由于测试系统响应存在滞后时间所导致。文献[14]中以平均指示压力的变化起始时刻为基准，证明测试系统的排气传输过程及传感器响应过程会导致测量颗粒物数量排放存在滞后时间。

其次，进气量信号和燃油流量信号采集过程均在空气和燃油进入发动机之前进行，而后发动机缸内燃烧生成颗粒物并排出尾气至排气总管这一系列过程才发生，过程的先后也会导致颗粒物数量实时排放与流量积之间存在一定的滞后时间。研究表明，进气量的响应落后于燃油流量的响应[15]，所以这部分滞后时间主要与空气从流经空气流量计到进入进气歧管之前的管路距离和流速有关，同时也与发动机每循环的时间有关。在台架试验中，空气流量计到进入进气歧管之前的管路距离是确定的，但进气流速和每循环时间会随工况而有所变化，所以这部分滞后时间也随工况而变。

除此之外，在瞬态过程中，带有EGR系统的柴油机，EGR率会存在响应滞后与超调[16－17]。EGR率达到稳定前，缸内燃烧状态会持续变化，颗粒物数量排放也在持续变化。这也会导致颗粒物数量排放达到稳定的时刻滞后于流量积达到稳定的时刻。

2.3 流量积峰值与颗粒物数量峰值大小关系

图5和图6分别给出了WHTC冷态和热态循环试验全程流量积变化曲线和颗粒物数量排放变化曲线。由图5和图6可见:流量积增减趋势和颗粒物数量排放的增减趋势一致。由图5中编号为1～5的冷态循环典型峰值和图6中编号为1～5的热态循环典型峰值可见，流量积峰值和颗粒物数量排放峰值是相对应的，即流量积曲线出现峰值，则颗粒物数量排放曲线也会相应出现峰值。

图5 WHTC冷态循环流量积和颗粒物数量排放曲线

图6 WHTC热态循环流量积和颗粒物数量排放曲线

柴油机实际运行中，加速工况会引起喷油量增大，同时进气流量也会增大，从而导致流量积的急速增加。但是涡轮增压器在工况变化时存在涡轮迟滞现象，进气量的增加和喷油量增加存在时间差[18]，引起瞬态过程中空燃比不断变化[19]。涡轮增压器响应滞后引起燃烧劣化[20]，EGR率响应延迟与超调，进一步导致缸内燃烧劣化。文献[3]中指出，燃烧劣化会引起颗粒物数量排放升高。所以，流量积的急速增加会导致颗粒物数量排放的升高，其直观表现就是流量积峰值的出现伴随着颗粒物数量排放峰值的出现。

对图5和图6中典型的流量积峰值大小与其对应的颗粒物数量峰值的大小进行统计，结果如图7所示。由图7可见，无论是冷态WHTC循环还是热态WHTC循环，颗粒物数量排放峰值大小和流量积峰值大小都近似呈正相关关系。

2.4 颗粒物数量峰值相对于流量积峰值的滞后时间

在图5和图6中分别对峰值4放大可见，流量积峰值出现的时刻总是在颗粒物数量排放峰值出现的时刻之前，即颗粒物数量排放峰值滞后于流量积峰值。

表3统计了图5中1～5号颗粒物数量峰值与相应的流量积峰值间的滞后时间及流量积取值范围。

图7 流量积峰值与颗粒物数量排放峰值关系

表3 冷态WHTC循环峰值滞后时间统计

表4统计了WHTC热态循环中1～5号颗粒物数量峰值与相应的流量积峰值间的滞后时间及流量积取值范围。

表4 热态WHTC循环峰值滞后时间统计

由表3和表4可见，冷态和热态循环的峰值滞后时间基本一致，对应的流量积取值范围也相同。整体来看，在流量积峰值取值较大时(7 000～11 000 (kg/h)2)，该滞后时间较小(4～5s)；流量积峰值取值较小时(0～7 000(kg/h)2)，该滞后时间较大(7～8s)。

在此基础上，统计图7中的颗粒物数量排放峰值及与之相对应的流量积峰值之间的滞后时间，统计结果如图8所示。由图可见，滞后时间大小与流量积峰值的大小近似呈负相关关系。

图8 峰值滞后时间与流量积峰值关系

WHTC循环可以看作是一系列连续瞬态加速、减速过程的叠加，因此颗粒物数量排放峰值与相应的流量积的峰值之间会存在滞后时间。瞬态循环中某工况对应的流量积峰值越大，则进气流速也越高，进气量信号和燃油流量信号采集过程与缸内燃烧、排气过程的时间间隔变小，缩短了颗粒物数量排放峰值与流量积峰值之间的滞后时间。同时，在WHTC循环中，流量积峰值越大，表明瞬变率越大，引起的涡轮滞后效应与EGR率变化越大，缸内的燃烧劣化越严重，则颗粒物数量排放升高越快，达到峰值所用的时间越短，这进一步缩短了颗粒物数量排放峰值与流量积峰值之间的滞后时间。

以上试验及统计分析结果表明，在原机瞬态循环工况中，颗粒物数量排放的峰值与流量积的峰值有较强的关联性，因此可以利用流量积的峰值对颗粒物数量排放峰值的大小及出现的时刻进行预判。

3 结论

(1)瞬态加速和瞬态减速试验中，流量积与颗粒物数量的变化趋势一致，且二者的变化时刻存在一定的滞后时间。

(2)WHTC循环试验中，流量积峰值与颗粒物数量排放峰值伴随出现。颗粒物数量排放峰值大小和流量积峰值大小呈正相关关系；颗粒物数量排放峰值与相应的流量积峰值出现时刻间存在滞后时间，该滞后时间大小与流量积峰值大小呈负相关关系。

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A Study on Particulate Number Peaks in a Diesel Engine Based on WHTC Cycle

Xiong Xingwang1，Gao Junhua1，Zhou Tao2＆Yu Jintao1
1.China Automotive Technology＆Research Center，Beijing 100176； 2.Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261001

Transient acceleration and deceleration tests together with cold-and hot-started WHTC tests are conducted on a Beijing-Ⅴdiesel engine fueled with State-Ⅴdiesel fuel.For facilitating analysis，a concept of'flow product'is introduced(defined as the product of air mass flow and fuel mass flow)as a variable.In transient acceleration and deceleration tests，particulate number shows the same variation trend as flow product does，but the changes of particulate number lag behind that of flow product.In WHTC tests there exists a positive correlation between particulate number peaks and corresponding flow product peaks，but there show time lags between the moments particulate number peaks and corresponding flow product peaks appear，while time legs exhibit a negative correlation with the amplitude of flow product peaks.

diesel engines；particulate number emission；transient conditions；air mass flow；fuel mass flow

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.04.003

原稿收到日期为2016年6月27日，修改稿收到日期为2016年8月11日。

熊兴旺，硕士，E-mail:xiongxingwang＠126.com。