国VI WLTC工况对汽油机排放和排温的影响

邵军 赵志国 李建

（北京汽车研究总院有限公司）

随着我国汽车保有量的不断增加和排放法规的日益严格，排放法规也在不断更新，2016-12-23日颁布了新的国Ⅵ法规，针对Ⅰ型排放（常温下冷启动后排气污染物排放试验），国Ⅵ与国Ⅴ相比有所改变，国Ⅵ法规引入了Ⅰ型试验测试工况（WLTC），替代国Ⅴ的Ⅰ型试验测试工况（NEDC）。同时国Ⅵ加严了排放污染物的限值，对所有的点燃式汽车都有颗粒物质量（PM）的限值要求，并新增了颗粒物个数（PN）要求。文章为应对国Ⅵ法规的要求，通过对一辆SUV四驱车开展排放摸底，排温测试试验及分析，为国Ⅵ的汽油机研发项目提供了参考。

1 试验准备及测试条件

试验车采用SUV四驱车型，整备质量2 050 kg，变速箱6AT，匹配2.0T的缸内直喷（GDI）发动机，发动机参数设置，如表1所示。ECU标定数据借用一款基础车型的标定数据，首先完成汽车改制及物理搭载，完成汽车3 000 km磨合，加装热电偶设备（监控实际排温）和宽氧设备（监控空燃比变化），安排在转鼓试验室进行排放测试，监控NEDC工况和WLTC工况的排放污染物和发动机排温数据，通过INCA标定软件采集数据进行数据分析。

表1 SUV四驱试验车发动机参数设置表

2 试验过程

试验车安排在转鼓排放试验室进行NEDC工况和WLTC工况的Ⅰ型排放试验，工程师采集过程数据，记录测试结果。考虑到国Ⅴ与国Ⅵ排放的Ⅰ型排放限值不同，均按照国VIB排放限值进行统计分析，标定数据采用同一版数据（标定数据已关闭排温保护功能，便于监控实际排温），本次测试只关注工况变化对排放结果及排温的影响。图1示出Ⅰ型排放试验曲线图。

图1 Ⅰ型排放试验曲线图

国Ⅴ采用NEDC工况[1]，国Ⅵ引入WLTC工况[2]，WLTC工况覆盖的转速和负荷范围更大，瞬态工况增多，测试时长增加，最高车速高达130 km/h，新的WLTC工况更能充分反映汽车实际驾驶行为，包含了对极端驾驶行为的考虑。

NEDC工况分析：4个市区循环+1个市郊循环，市区及市郊最高车速分别为50，120 km/h、测试时间为1 180 s，测试里程为11.007 km。

WLTC工况分析：低速阶段+中速阶段+高速阶段+超高速阶段，低速段、中速段、高速段及超高速段最高车速分别为 56，76，97，130 km/h，测试时间为1 800 s，测试里程为23.27 km。

3 测试结果分析

NEDC工况和WLTC工况Ⅰ型试验排放测试结果，如表2所示。

表2 NEDC工况和WLTC工况Ⅰ型试排放验测试结果

3.1 排放测试结果分析

图2示出NEDC工况和WLTC工况排放秒彩图，从图2可以看出，2种工况的THC排放污染物控制比较合理，只在冷启动阶段冒出，工况变化对THC的影响不大，NOx满足法规要求，而CO超标严重，2种工况的变化对CO影响较大。

图2 NEDC工况和WLTC工况排放秒彩图

3.1.1 NEDC工况解析

如图2a所示，NEDC稳态工况居多，加速工况曲线是平稳上升的，驾驶员在跟线踩油门控制较容易，负荷变化没有那么大，汽车只在100～120 km/h加速时的高速段冒出小部分CO。此工况冒出CO的原因有2种：1）因空燃比过浓导致CO增多，空燃比过浓也分2种情况：a.因排温过高，需要进入排温状态保护发动机硬件或催化器硬件，进入此工况后通过ECU控制加浓空燃比来降排温，但在试验前ECU标定数据已关闭加浓保护功能，因此不涉及此问题导致CO增多；b.因为整车标定的预空不准，窗口偏移，导致此工况的空燃比过浓。2）因催化器在高温情况下氧化能力降低，硬件在匹配上不能满足开发要求，需要提升催化器的涂层和贵金属配方。

3.1.2 WLTC工况解析

WLTC瞬态工况较多，加速工况增多，驾驶员在跟线踩油门的控制变化增大，负荷变化较大。从图2b可以看出，每个瞬态加速都会有CO冒出，这是因瞬态控制的变化增多导致的，说明同一版数据不能覆盖2种工况，需要对WLTC的瞬态工况进行精细的标定，合理控制加速的空燃比稀浓的变化。在WLTC工况第4部超高速段100～130 km/h加速时冒出大量CO，如果此工况要控制空燃比在1附近，催化器硬件就存在匹配问题，需要提升催化器的涂层和贵金属配方。

3.2 排温测试结果分析

3.2.1 NEDC工况

图3示出INCA采集NEDC工况排温曲线显示界面。从图3可以看出，NEDC工况实测温度为914℃，满足催化器厂商设定的耐受温度（950℃），因此排放工况不需要进行空燃比加浓控制来保护催化器硬件，避免了因进入加浓保护策略，造成CO排放量升高。

图3 INCA采集NEDC工况排温曲线显示界面

在发动机台架标定开发过程中，为了控制发动机达到最佳的油耗，在提升性能的情况下尽可能达到最优的经济性能，燃烧稳定性（COV）控制在3%附近，空燃比控制在1附近。但随着发动机转速加大，负荷随之增大，燃烧稳定性会下降，发动机硬件的排温会升高，此工况就需要加浓空燃比来降低排温，控制燃烧，确保发动机还能达到最大功率和最大扭矩，从空燃比加浓开始的各个负荷转速的点理解成加浓线。图4示出NEDC工况发动机加浓线与实车扭矩曲线对比图，从图4可以看出，NEDC工况需求的扭矩小，实车不会跑出加浓线，因此不会出现排温高的情况。

图4 NEDC工况发动机加浓线与实车扭矩曲线对比图

3.2.2 WLTC工况

图5示出INCA采集WLTC工况排温曲线显示界面。从图5可以看出，在WLTC工况的超高速段，排温已经达到992℃，超出催化器厂商给出的950℃稳态排温限值，此工况如果不进行加浓保护，很容易损坏发动机及催化器硬件。

图5 INCA采集WLTC工况排温曲线显示界面

图6示出WLTC工况发动机加浓线与实车扭矩曲线对比图。从图6可以看出，WLTC工况对汽车的扭矩需求较大，如果发动机性能匹配不合适，汽车很容易跑进加浓工况，就会出现排温超高问题。

图6 WLTC工况发动机加浓线与实车扭矩曲线对比图

4 结论

1）试验通过对比NEDC工况与WLTC工况的排放摸底，确定了WLTC工况比NEDC工况对汽车需求的扭矩更大，对发动机及催化器硬件承受排温的限值要求更高；

2）对于开发国Ⅵ项目的汽车，需要考虑车重比，选择发动机不能只关注最大功率和最大扭矩的参数，需要关注加浓线在WLTC工况中的表现；

3）国Ⅵ排放限值加严，在催化器选型中也要考虑提升贵金属配方和涂层的优化，再通过标定精细控制来满足国Ⅵ法规的要求。