基于WHTC循环的柴油机瞬态工况烟度排放研究

张清鲁，任锦玲，隋振富

(山东科技职业学院汽车工程系，山东潍坊 261053)

0 引言

在国家“金山银山不如绿水青山”的号召下，在国内汽车保有量突破2.9亿辆之际，研究和降低汽车排放污染物成为很重要且见效显著的一种途径。尤其是近几年“雾霾”的横行，汽车烟度颗粒物的排放占据“雾霾”总量比重越来越大。因此降低汽车颗粒物排放，刻不容缓。

当前情况下，为满足国四、国五甚至后续的国六排放法规，电控高压共轨成为了柴油机的标配。现今柴油机的主要研究方向为减排和节能。很多学者和企业对柴油机的烟度排放做过很多研究，如通过在燃油中添加有机金属成分或纳米颗粒来抑制碳烟的形成并促进缸内碳烟氧化[1]，研究不同EGR(Exhaust Gas Recirculation，废气再循环系统)率对NOx及颗粒排放的影响[2]，多次喷射与EGR联合控制降低烟度排放[3]，通过标定轨压和喷油提前角降低烟度排放[4]，增设后处理设备如DPF(Diesel Particulate Filter，颗粒捕捉器)[5]等降低柴油机烟度的研究非常多。也有很多学者通过研究各种控制策略降低WHTC(World Harmonized Transient Cycle)NOx和烟度排放，如文献[6]中研究了燃油喷射控制参数对WHTC循环排放和经济性的影响，文献[7]中通过提高排气温度降低WHTC瞬态排放的研究，文献[8]中通过研究SCR控制策略来降低WHTC瞬态排放。但当前通过研究瞬态过程和瞬态控制策略来降低烟度排放的文章相对较少，如文献[9]中通过研究EGR瞬态修正模块来降低瞬态排放，文献[10]中通过研究喷油参数来降低瞬态排放过程的烟度等。而基于国家即将推行的国六排放法规试验，基于WHTC循环的瞬态过程的烟度排放的研究几乎一片空白，利用轨压瞬态修正降低瞬态烟度排放的研究也非常少。

本文作者基于WHTC循环进行瞬态过程烟度排放分析，基于分析结果，以WHTC瞬态过程为研究对象，通过建立轨压瞬态修正模型，降低瞬态烟度排放。

1 基于WHTC的瞬态过程分析

汽车发动机大部分时间都是在瞬态工况中运转，即转速和转矩每时每刻都在变化，对汽车发动机的瞬态排放性能进行研究将有很重要的实际意义。环境保护部在2014年1月16日发布了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)》，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)。

未来几年推行国六排放势在必行，环保法规中的国六排放要求柴油机出厂前须进行WHTC瞬态试验循环，因此选取WHTC试验循环作为测试循环，进行瞬态过程的研究和验证。

WHTC循环包含一组逐秒变化的转速和扭矩的规范百分值。为了在发动机试验台上进行试验，根据试验发动机的性能数据和参数，将百分比转化为实际值，以换算成适用于发动机的台架试验循环。根据试验发动机参数(见表1)，转化后的WHTC工况点分布如图1所示。

表1 试验柴油机参数

图中包含了WHTC、WHSC、WNTE 3种循环的工况点，其中“+”号表示的点为该试验发动机WHTC的1 800个循环工况点，这些循环工况点覆盖了该型号发动机常用经济转速区，很全面地体现了该型号柴油机常用工况。

依据转化后的WHTC台架循环测试，运行柴油机台架试验程序，调取其中的转速、扭矩及PM(颗粒物)参数数据，得到图2所示整个循环过程的PM排放结果(AVL483在线测量值)。

图2 柴油机WHTC排放结果

可以看出：整个WHTC排放循环中，有很多个峰值点，最大的峰值点可达到500 mg/m3。因图中集中了1 800个工况点，比较密集，很难分辨具体细节，截出PM峰值较高的一段作详细分析，如图3所示。

图3 WHTC部分循环排放

可以看出：

(1)WHTC循环工况中的碳烟排放出现大量峰值，从截取的时间段来看，有两个峰值超过400 mg/m3，这两个峰值排放占整个截取时间段的80%以上。

(2)烟度排放峰值与扭矩峰值具有一定的相关性，烟度峰值出现在扭矩增幅较大的区域。

同样截取WHTC中一段，调取其他影响燃烧的参数：进气量、喷油量、循环排放，3个参数关系如图4所示。

从图4中得出：扭矩增加过程中，油量响应迅速，几乎与扭矩趋势一致，而进气量响应滞后，导致空气不足，从而形成过量空气系数低谷。烟度峰值与过量空气系数低谷峰值相吻合，这说明烟度的产生与进气量延迟有直接关系。

根据上面的分析结果，文中设计瞬态轨压修正控制策略，通过改变瞬态轨压来改善瞬态过程中喷油雾化情况，优化“油多气少”的燃烧情况，降低WHTC瞬态过程中烟度排放。

2 设计瞬态轨压修正控制策略

在原有的轨压控制策略中，存在轨压的环境温度、环境压力修正，无轨压瞬态修正模块，这里引入瞬态轨压修正值，使得瞬态过程中的实际轨压=轨压计算值+瞬态轨压修正值。通过引入轨压瞬态修正值来降低瞬态过程的烟度排放。通过FlexECU软件将模型程序写入试验发动机ECU中。图5所示为轨压计算模型，图6所示为轨压设定值计算模型，图7所示为轨压瞬态修正控制策略。

图5 轨压计算模型

图6 轨压设定值计算模型

图7 轨压瞬态修正控制策略

3 试验方法

整个试验过程如图8所示。

图8 整个试验过程

3.1 发动机试验循环选取

通过上述瞬态过程中烟度排放分析，可以看出，整个瞬态循环的烟度峰值占烟度总量的比例很大，因此研究的重点在于消减瞬态排放过程的烟度峰值。

根据WHTC试验循环排放结果，找出其中烟度峰值集中的部分。这里选取WHTC循环中烟度峰值大于50 mg/m3(暂定值，根据瞬态工况中NOx、油耗等综合因素变化情况需要再次调整)工况进行修正。试验方法：找到PM比较大的工况，分别从WHTC中提取出包含这些工况(最好从怠速开始)的一些时间段，将这些微片段WHTC循环导入台架测控仪，分别运行这些分段的瞬态工况。

3.2 标定方法

运行WHTC循环时，调出烟度同步测量值。在运行至烟度峰值点对应的瞬态轨压MAP中的区域(烟度峰值产生时黑框经过的区域)进行标定，如图9所示。标定时，以10 MPa为单位，依次递增进行标定，同时观察该区间烟度峰值的变化，若峰值未变化或仍较大，加大瞬态轨压值或改变标定区域，直至烟度峰值降至50 mg/m3以内，找到运行工况区域的最佳标定值并记录。

要注意的是烟度测量仪测量的滞后性，因为当前循环中标定的轨压对排放的影响效果只有在后面的发动机循环中被烟度仪测量到。因此，要注意标定区域的合理选取。

图9 瞬态轨压标定MAP

4 试验结果

4.1 试验参数

试验发动机采用EGR(Exhaust Gas Recirculation，废气再循环系统)+SCR(Selective Catalytic Reduction，选择性催化还原技术)技术路线，满足国五排放法规的四冲程高压共轨增压中冷柴油机，表1给出了试验用柴油机的性能参数。

采用的烟度测量设备：瞬态过程在线测量使用AVL 483测量仪，整个WHTC循环排放收集采用AVL 415S设备。两设备参数如表2所示。

表2 烟度测量仪参数

4.2 瞬态循环结果对比

首先，在试验台架上运行提取WHTC高烟度峰值片段，记录该过程的烟度排放。对该循环运行过的所有工况区域标定轨压MAP，标定后再次循环运行，调出排放数据，检查排放结果。标定前后烟度排放对比如图10所示。

可以看出，标定后的烟度排放相比于标定前烟度总量明显减小，且提取WHTC循环片段的烟度排放峰值都有明显的减小，这说明轨压瞬态修正对瞬态烟度峰值消减效果明显。

图10 轨压修正前后烟度值对比

完成WHTC循环中所有高烟度峰值对应的工况区域的标定后，运行HTC循环，对比瞬态标定前后的烟度排放情况，修正前后的瞬态烟度排放如图11所示。

图11 标定前后烟度排放值

可以明显看出，标定后的烟度峰值远小于标定前的烟度峰值，基本控制在60 mg/m3以内，较好地实现了预期的烟度值消减目标。

在标定过程中将烟度峰值控制在60 mg/m3以内，若继续进行增减瞬态轨压值，NOx增大较快，因此利用外修改提前角、EGR率、进气量等因素来消减增加的这部分NOx排放，非常不利于整机排放的降低。在标定瞬态轨压模块降低烟度的过程中，一个基本的原则就是在油耗、NOx值可控的情况下，不能因瞬态过程中烟度排放降低造成油耗、NOx较大的变化。

4.3 WHTC循环整体排放对比

分别开启和关闭瞬态修正模块，运行WHTC循环，得到如表3所示对比试验结果。

表3 瞬态轨压标定前后排放结果对比 g/(kW·h)

注：THC表示气体中含有碳氧化合物的总量；BSFC表示有效燃油水消耗率。

通过上述结果，可以看出标定后整个瞬态过程烟度下降20%，烟度降排效果客观，但是NOx排放上升9.75%，油耗上升1 g/(kW·h)。综合PM与NOx排放考虑，该研究取得较好降烟度效果。多出的NOx排放可通过EGR与SCR的耦合控制来消除。

5 结论

通过对电控高压共轨柴油机基于WHTC循环的瞬态排放研究，分析了电控高压共轨柴油机瞬态过程中烟度排放过大的原因机制，即瞬态过程中进气量滞后于喷油量造成过量空气系数低谷，燃烧不良，烟度增多。在分析结论基础上，建立瞬态轨压修正模型，通过轨压瞬态修正模块的标定，标定后的WHTC循环烟度排放峰值明显减小，说明瞬态轨压修正能有效降低瞬态过程烟度排放，对研究柴油机烟度排放具有很重要的意义。但也存在一些不足：

(1)影响发动机烟度排放的因素是多方面的，如发动机装配到整车后，进气环境及排气背压等都受到影响。因此发动机装配整车后还需要进行标定和验证，以确认标定效果的有效性；

(2)瞬态模块中还有诸多子模块，比如预喷瞬态修正、EGR瞬态修正、预喷提前角瞬态修正等多个模块，这些瞬态模块是否能同样降低瞬态烟度排放，都需要进行标定和验证，以确定该标定方法最终有效。