国六排放循环热浸状态对发动机排放性能影响研究

王元真 陈雄 戴丽红 彭梦姣 姜江

摘  要：国家排放法规对发动机排放性能测试方法进行了明确的规定，且对各种排放物的排放水平均进行了严格的限制。本文通过对《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段GB17691-2018）》标准中排放循环测试方法进行解析，对标准规定的关键因素进行对应控制，研究WHTC试验在不同热浸状态下发动机性能相关参数变化及对排放水平的影响。结果表明冷热WHTC双循环试验的热浸状态不同，主要对NOx排放水平会产生一定的影响，对发动机性能排放标定及开发工作有一定的指导意义。

关键词：WHTC;热浸;排放NOx

中图分类号：U463        文献标识码：A       文章编号：1005-2550（2022）02-0066-04

Research on Impact of Hot Dip State of G6 Emission Cycle on

Engine Emission Performance

WANG Yuan-zhen， CHEN Xiong， DAI Li-hong， PENG Meng-jiao， JIANG Jiang

（ Dongfeng Commercial Vehicle Technology Center， Wuhan 430058， China）

Abstract： The national emission regulations clearly stipulate the engine emission performance test method， and strictly restrict the emission level of various emissions. In this paper， the emission cycle test method in the standard 《Limits and measurement methods for emissions from diesel fuelled heavy-duty vehicles（CHINA Ⅵ）》was analyzed， and the key factors specified in the standard were controlled accordingly to study the change of engine performance parameters and the impact on emission level under different hot immersion conditions in WHTC test. The results show that the different hot immersion conditions during cold-hot dual WHTC test mainly affect the NOx emission level， which has a certain significance for guiding the emission calibration and development of engine performance.

Key Words： WHTC; hot immersion; emission; NOx

着中国特色社会主义经济的快速发展，国家交通道路运输业也日益发达;同时也对物流运输提出了更高的要求。柴油发动机因具有动力性强、可靠性稳定优点，在长途物流运输中有着重要的地位。经济发展同时伴随而来的环境污染问题也引起了国家的高度重视，大力提倡绿色发展、可持续发展;汽车保有量的不断提升，使其排放物也成为城市污染物的主要来源之一[1]。为匹配经济发展及环境保护需求，中国在不同阶段针对汽车排放制定了相关的测量方法及排放水平限值标准，其中GB17691-2018标准规定在2021年7月1日开始对柴油发动机正式实施国六排放标准，给各大生产企业带来了巨大的技术挑战。柴油发动机国六排放标准与前期国五等标准相比，要求排放物水平控制更低、测试条件要求更多、更加嚴格[2]。

柴油发动机因柴油特性及其运行机理原因，其主要排放物为NOx和PM（碳烟颗粒）。当前柴油机主流普遍采用高压共轨喷射技术，有效加强了柴油雾化效果，且随着技术不断发展和突破，大型柴油机的共轨压力控制水平越来越高;匹配涡轮增压技术，进一步提升柴油机进气流量水平，使柴油与空气充分混合，提升了柴油发动机的燃烧效率水平，抑制PM排放的生成[3]。NOx排放物主要是由于柴油机在高温富氧情况下生成，通过采用EGR技术可以有效缸内温度的提升从而降低NOx排放水平[4]。但仅仅采用上述路线，发动机排放水平不能满足国六排放水平，必须匹配对应的后处理应用技术。采用DOC+DPF可以高效的降低柴油机PM排放水平;通过SCR技术可以对NOx排放物进行还原转换，最终可以使系统排放水平达成相关法规要求[4]。影响后处理技术转换效率的环境因素较多，所以国家排放法规对排放循环试验的控制条件进行了严格的控制，以保证排放法规排放水平的严格有效性。本文通过对《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段GB17691-2018）》进行解读，结合某款发动机进行WHTC循环排放水平进行测试，研究WHTC循环在不同热浸状态下系统排放的水平，结果表明WHTC循环试验的热浸状态对热态WHTC循环的NOx排放物可以产生一定的影响;对其他排放物基本无明显影响，为发动机性能开发标定工作提供了一定的指导方向。

1    试验样机

本文采用某款国六发动机进行试验研究，该发动机燃油系统采用高压共轨技术，且利用EGR技术以降低NOx原始排放水平，具体配置信息如表1：

图1为该发动机系统配置布置，增压器出口至DOC入口排气段采用对应的包裹技术以保证排气温降;后处理系统利用DOC及DPF来降低PM排放水平，通过SCR系统转换NOx排放以保证系统排放水平控制，通过ASC来捕捉逃逸的氨气。

2    试验过程介绍

国六排放法规对冷热WHTC试验环境控制条件有严格要求，冷态WHTC试验要求发动机需充分冷浸，其水温机油温度不能超过30℃水平;试验过程中环境温度需要控制在25℃水平，完成冷态WHTC试验后进入热态WHTC循环，需进行10分钟的热浸。

图2为该发动机循环工况运行点，WHTC试验发动机循环工况主要布置在发动机低转速区域，且低负荷工况点占比较多。又因该循环为瞬态排放循环，不利于排气温度控制，会导致SCR温度较低;SCR温度对NOx转换效率有着明显的影响，从而导致该循环排放水平控制难度较大。

WHTC循环热浸过程中SCR系统会产生热损失从而导致SCR温度降低，影响SCR转换NOx效果。不同的热浸状态会对SCR的热损失产生不同的影响，本文采用两种状态下对比分析热浸状态对WHTC瞬态排放结果的影响。首先对原机进行冷热WHTC试验，以判断发动机的状态水平;其次进行冷热WHTC系统排放试验，热浸过程中关闭室内风机以避免强风吹扫SCR造成过多热量损失，以验证该状态下WHTC试验循环排放水平（定义为热浸A）;再次进行冷热WHTC试验，热浸过程中采用室内风机强吹扫SCR系统，以验证该状态下系统排放水平（定义为热浸B）。对比分析这两种热浸状态下后处理状态及系统排放水平，以研究不同热浸状态对柴油机WHTC试验循环排放水平的影响。

3    试验结果

3.1   原机排放结果

表2为该发动机WHTC循环试验原机排放水平，其各项排放水平均处于正常范围内。图3为热态WHTC试验循环发动机排气温度。WHTC循环试验主要为城市道路、市郊道路、高速道路工况，从图3可以看出在热态WHTC循环前0～600s范围内发动机排气温度处于较低水平，该区间工况点NOx系统排放水平控制难度较高。

3.2   热浸A试验结果

热浸状态A过程中，发动机试验间室内风机为关闭状态，表3为该状态下WHTC冷热态试验循环相关排放物的试验结果，可以看出各项排放物均满足GB17691-2018中国六排放污染物的限值要求。在此热浸状态下进行WHTC循环排放试验效果良好。

3.3   热浸B试验结果

热浸状态B过程中发动机试验间室内风机为吹扫SCR系统状态，表4为该状态下WHTC试验循环冷热态相关排放物试验结果。由表4可以看出除NOx排放外其余各排放物均满足GB17691-2018中国六排放水平限值要求，表明热浸状态主要对NOx排放水平存在明显的影响，对其他排放物影响较低。

根据国六法规循环要求，WHTC系统排放采用冷热加权结果进行计算，冷态占比为0.14水平，热态占比为0.86水平，所以最终排放物水平最主要取决于热态WHTC排放水平[5]。由表3、表4对比分析可以看出，热浸A状态下热态WHTC试验NOx排放水平仅为294mg/（kWh）水平;但在热浸B状态下NOx排放水平高至501mg/（kWh）排放水平，导致最终系统排放超高。

3.4   对比分析

图4为不同热浸状态下热态WHTC循环NOx系统排放浓度对比分析图，通过该图可以看出在不同热浸状态下WHTC循环系统排放NOX排放变化趋势基本一致，但是热浸A的NOx排放水平明显低于热浸B状态。试验过程300～600s区间段的NOx排放水平最高，热态B最高水平可以达到850ppm水平。

图5为不同热浸状态下SCR系统床温对比图，在试验循环前段部分SCR床温趋于下降趋势，主要原因为冷态WHTC系统排放结束后SCR温度较高且存在热容，进入热态WHTC循环后在该工况段发动机排气温度较低引起SCR床温下降。尤其在试验循环400s左右SCR床温出现低谷，此时其转换效率最低，故出现NOx排放峰值。SCR转换效率存在转折点，当其温度高于某一限值时其转换效率会快速升高，但低于该限值时SCR转换效率很低或者为0，该特性由SCR的还原催化反应特性决定，温度过低其催化转换反应未被激活。本文所用SCR转换效率的转折点温度大概在200～220℃，为敏感温度区域范围;另SCR系统尿素喷射速率与其床温相关，但温度过低为防止NH3逃逸水平过高其喷射速率会有所降低，故在前600s工况范围内，SCR床温对其转换效率有决定性的影响。热浸B状态下强风吹扫SCR系统，导致其在热浸过程中冷却过快;在WHTC循环前段工况发动机排温相对较低无法有效提升SCR床温，故热浸温度损失对该工况段的SCR系统转换效率有决定性的作用。

图6为不同热浸状态下尿素喷射速率，在热浸A状态下整个热态WHTC循环消耗尿素244.6g，在热浸B狀态下热态WHTC循环消耗尿素220.3g，与热浸A状态相比尿素消耗量降低8.2%水平，更进一步不利于SCR系统转换NOx排放。

4    结论

本文对两种WHTC试验热浸状态下试验循环进行对比分析，结果表明热浸状态主要影响SCR系统温度损失从而对其转换效率存在一定的影响，同时对尿素喷射速率也产生影响从而最终影响NOx排放水平。WHTC试验过程中热浸过程需严格按照法规要求进行控制，对发动机性能排放标定及开发工作有一定的指导意义。

参考文献：

[1]龙超，喻哥.柴油机排放物的危害及控制技术配件[J].内燃机与配件，2021（5）;38～39.

[2]杉原啓之.车用柴油机的市场发展趋势与技术动向[J].汽车与动力，2021（3）;1～2.

[3]赵伟.国Ⅵ汽油车颗粒物排放后处理应对策略[J]，汽车维护与修理，2021（2）;7～10.

[4]艾会明.国Ⅵ柴油车排放法规及排放控制技术路线简介[J]，汽车维护与修理，2021（2）;3～4.

[5]GB 17691-2018，重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[S].

王元真

毕业于武汉理工大学能源动力工程学院，硕士学位，现就职于东风商用车有限公司技术中心，任责任工程师，主要研究发动机性能标定优化和台架试验方法，已发表论文《船舶柴油机主动隔震监控系统设计》。

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王必璠

东风商用车技术中心

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