燃气车PEMS排放测试与发动机台架WHTC测试对比分析

2022-06-24张腾刘兴华靳航陈龙陈占明韩文涛

车用发动机 2022年3期

张腾，刘兴华，靳航，陈龙，陈占明，韩文涛

(1.潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261061；2.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081；3.一汽解放汽车有限公司，吉林长春 130011；4.长安大学汽车学院，陕西西安 710064)

天然气具有气源丰富、热值高等特点，已成为最受重视的重型车用发动机替代燃料。GB 17691—2018排放法规规定，发动机排放测试不仅需要通过台架排放测试，还需要通过整车实际道路排放测试。天然气发动机在台架上进行排放测试采用全球统一瞬态循环(World Harmonized Transient Cycle，WHTC)，与欧洲瞬态循环(European Transient Cycle，ETC)相比，WHTC循环增加了城市运行工况所占的比例，与整车实际运行状态下的发动机工况更接近，因此发动机台架排放结果与整车实际道路排放结果更为接近。但是发动机是整车动力总成部分，在台架上进行排放测试仅能反映车辆在特定环境下的排放水平，不能完全反映车辆实际运行排放特性，因此即使发动机排放结果满足台架排放法规限值，也并不一定满足整车实际道路排放测试要求[1]。当前发动机企业和整车企业大多数为分开运营，导致整车企业无法实时监控发动机排放等一系列问题。为此，整车企业有必要增加整车实际道路排放测试确认发动机实际运行排放结果。

随着整车实际道路排放测试技术的发展，隧道法、遥感法等技术陆续被应用，而车载排放测试系统(Portable Emission Measurement System，PEMS)操作简单，测量准确，被广泛应用于整车实际道路排放测试。当前国内外研究者对整车实际道路排放和发动机排放测试循环开展了大量研究工作。葛蕴珊等[2]研究发现，车辆实际道路上整车污染物排放因子随车速的增加而降低，但明显高于实验室认证工况下的测试结果。冯谦等[1]研究表明，与发动机台架WHTC测试循环相比，PEMS测得的车辆实际道路NOx排放水平较高。Pelkman等[3]通过研究实际道路排放结果与底盘测功机试验循环的排放结果，发现车辆实际CO和NOx排放远高于新欧洲行驶循环循环测量结果。高翔等[4]通过整车行驶循环的模拟排放试验发现，国五轻型车在瞬态工况下污染物排放量与欧洲稳态测试循环工况有明显不同，HC排放低 64.1%，NOx排放低 34.5%，CO排放低8.6%。目前各学者主要是针对柴油车或者轻型车进行研究，对天然气车辆实际道路行驶排放与台架排放测试循环的差异研究较少。因此有必要针对天然气发动机的台架排放测试循环和实际道路排放关联性进行对比研究。

在本试验中分别进行天然气发动机WHTC循环排放测试和天然气整车实际道路排放测试，探讨台架排放测试循环和实际道路排放的排放结果之间的差异。由于整车实际道路排放测试受试验路线、路况、司机驾驶习惯、车辆载荷等外界因素影响较大，因此在本研究中对整车PEMS测试进行定性分析，从而进行两种排放测试循环的对比分析。

1 试验装置与试验方法

1.1 发动机台架排放测试试验

在本试验中以满足国Ⅵ排放标准的重型天然气发动机为研究对象，对该天然气发动机进行WHTC循环排放测试以及对搭载相同型号天然气发动机的整车进行实际道路行驶排放测试。天然气发动机后处理形式为三元后处理装置(Three Way Catalyst，TWC)，后处理装置安装位置距离增压器出气口2.8 m，发动机和整车的具体参数见表1。

表1 整车和发动机主要参数

1.2 整车PEMS实际道路排放试验

在本试验中选用Horiba OBS-ONE系列便携式车载排放测试系统，该设备主要由气体分析单元、尾气流量计、GPS及环境测量模块等构成。气体分析模块可对CO、NOx、THC进行采集与测量，尾气流量计用于测量排气流量和体积，GPS可对车辆的行驶路线与速度进行记录与测量，环境测量模块可记录温度、湿度和大气压力。

1.3 测试循环

对于N3类非城市车型，GB 17691—2018排放法规要求测试路段为20%的市区路、25%的市郊路、55%的高速路，依次进行，在实际运行时可以有±5%的偏差；测试时间最短应保证累计功达到发动机WHTC循环功的4～7倍[5]。整车加载砂石料，均匀放置在车厢中，负载率在35%左右。为减少外界因素对整车排放测试结果的影响，选用同一驾驶员在相同的路线及天气状况相近的条件下依据国Ⅵ标准要求分别完成整车PEMS测试。试验路线选择在生态环保部备案路线：潍坊市潍安路—潍坊东—G20—S21。

对于发动机台架排放测试，GB 17691—2018排放法规规定天然气发动机测试循环需进行冷热态WHTC循环。WHTC循环时间为1 800 s，包括城市道路工况、城郊工况和高速工况，根据实际路况设定了起停与怠速过程，转速和扭矩分布也相应地向低转速低负荷工况区域集中，以更加贴近车辆实际道路运行工况。图1示出了发动机WHTC循环曲线。

图1 发动机WHTC循环曲线

2 试验结果及分析

2.1 测试循环特征参数对比

表2示出了天然气发动机台架排放测试WHTC循环和整车实际道路排放PEMS测试发动机运行工况特征参数对比。从表2的特征参数对比可知，发动机在台架WHTC排放测试循环的平均转速比整车PEMS排放测试低150 r/min，平均扭矩比整车PEMS排放测试循环低304 N·m，而怠速所占比例比整车PEMS排放测试循环高10.11%。整车PEMS排放测试车辆循环功是发动机台架WHTC循环功的5.48倍，满足国Ⅵ排放法规要求。

表2 WHTC循环和PEMS测试循环主要参数对比

发动机进行WHTC循环测试时主要按照设定模式进行，基本上不受外界影响，整体运行平稳；而整车PEMS排放测试是在车辆实际行驶状态下测试，受整车配置、道路工况等影响，具有不可控因素，特别是在市区路段，发动机转速变化频繁，且极容易出现发动机转速、扭矩超调或者倒拖现象。因此有必要分析在两种不同测试工况下发动机转速和扭矩的占比，图2示出了整车PEMS和发动机WHTC测试过程中发动机转速对比。

图2 发动机转速分布占比

从图2可以看出，发动机在台架上进行WHTC循环时转速1 300～1 500 r/min区间占比最高，为28.65%，而整车PEMS测试时，转速1 100～1 300 r/min区间占比最高，为54.29%，发动机转速分布差别较大。这主要是因为整车在进行PEMS循环测试时，在市区路段下车速较低，司机一般选用低挡位行驶，发动机转速及负荷较低；而在高速时司机通常选择直接挡位或者超速挡行驶以提高车速，保证车速满足法规规定[6]。发动机台架WHTC排放测试工况变化按照既定设置进行，并且由测功机拖动可实现快速转换工况，而整车在进行功率、扭矩转换时需变速箱、后桥等各机构协调配合，存在着一定的响应时间，因此发动机台架WHTC循环和整车PEMS发动机运行工况会有一定的差别[7]。图3示出两种测试循环的实际工况分布。

图3 发动机转速和扭矩分布对比

从图3可以看出，整车PEMS排放测试时，发动机负扭矩占比较高，车辆在行驶过程中容易发生倒拖现象，滑行距离占比较多，因此对发动机排放有一定的影响。

2.2 发动机排放气体污染物结果对比

整车进行PEMS测试时对HC的要求是总HC的限值，因此在发动机进行WHTC排放测试时，HC的测量采用CH4和非甲烷碳氢化合物相加之和进行对比分析。表3示出发动机在台架WHTC循环排放测试和整车道路行驶PEMS测试中，满足限值要求的有效功基窗口比例达到 90%以上时比排放值的对比。

表3 WHTC和PEMS循环的发动机污染物排放

从表3可以看到，两种循环下排放测试污染物的测试结果均满足国Ⅵ排放限值要求，但是整车PEMS的排放测试结果高于发动机WHTC排放测试结果。

2.3 发动机排气温度对比分析

排气温度对TWC的催化转化效率有较大影响，特别是在起动阶段，因此有必要分析两种排放测试循环下的排气温度变化。图4示出了两种测试工况下排气温度的变化，发动机在台架进行WHTC循环时排气温度平均为512 ℃，整车PEMS测试时平均排气温度为431 ℃。由于发动机台架处于试验室内，受外界影响较小，因此升温较快，TWC可快速达到起燃温度，TWC工作效率较高，发动机WHTC循环下排放降低。

图4 WHTC循环和PEMS测试循环下发动机排温对比

2.4 发动机过量空气系数对比分析

当前满足国Ⅵ排放标准的天然气发动机采用的技术路线为理论空燃比+TWC。根据TWC的空燃比特性可知，TWC的最高催化转化效率发生在理论空燃比附近，而在发动机实际运行时，由于氧传感器的响应时间、喷嘴工作响应时间、发动机控制模式发生变化等客观因素影响，极易引起空燃比波动。当发动机缸内混合气处于较稀薄状态时，CO和THC的催化转化效率较高，但是NOx的催化转化效率下降；反之，NOx的催化转化效率一直处于较高水平，但是CO和THC的催化转化效率迅速下降[8]。这与Xi等[9]研究相一致，即当发动机过量空气系数略小于理论空燃比，在0.99附近时甲烷的转化率接近100%，而过量空气系数在1.02附近时甲烷转化率降至30%左右。因此，在发动机开发时通常将发动机过量空气系数设置在0.98～0.99范围内，以保证TWC处于高效工作区间。但是在排放测试过程中，发动机主要是在瞬态工况下运行，其过量空气系数有一定的波动，对TWC的工作效率有较大的影响。因此有必要分析发动机在两种不同排放测试循环下过量空气系数波动情况。

当前天然气发动机通常采用宽裕氧传感器对过量空气系数进行闭环控制。宽裕氧传感器通过检测发动机尾气中氧含量并转化为电信号反馈到发动机控制单元(Electronic Control Unit，ECU)中，发动机ECU经内部计算可提供有效的发动机过量空气系数[10]。同时，在发动机开发时利用台架上空气流量计和天然气流量计对发动机ECU计算出的发动机过量空气系数进行校对，经发动机台架数据计算出的过量空气系数与发动机ECU计算值相吻合，因此认为ECU计算的过量空气系数是准确的，所以在本试验中发动机过量空气系数通过天然气发动机控制程序采集。

图5示出了两种不同排放测试工况下过量空气系数的瞬时变化曲线。由图5可知，发动机在进行WHTC排放循环测试时，发动机的过量空气系数波动较小且在偏浓的状态下占比较多，TWC在高效区间工作。在进行整车PEMS道路测试时，由2.1节可知整车在运行时倒拖运行频繁，发动机在燃气切断模式下运行，此时氧传感器反馈值较小，甚至接近于0，发动机过量空气系数波动较大，也因此对TWC的催化转化效率产生较大的影响。李志军等[11]研究发现，过量空气系数在0.96～1.04，波动频率为0.5 Hz的条件下，空燃比波动的振幅越大，TWC可以越快起燃。但是在整车道路PEMS排放循环测试时，过量空气系数的波动比较随机，没有固定的频率，所以无法促进TWC的快速起燃，对车辆排放有较大的影响。

图5 WHTC循环和PEMS测试循环下发动机过量空气系数对比

2.5 排放结果分析

2.5.1 THC排放

发动机在台架进行WHTC循环排放测试时THC的比排放量为0.16 g/(kW·h)，整车PEMS实际道路排放值为0.19 g/(kW·h)，图6示出了两种测试方法下THC的瞬时变化曲线。在起动阶段两种测试方法测得的THC排放较高，这主要是因为此时发动机过量空气系数小于1，缸内混合气处于较浓状态，发动机缸壁温度较低并且缸内混合气燃烧不完全，缸内润滑油吸附、狭隙效应、壁面冷激效应等导致THC排放量较高[12]。而在进行整车实际道路测试时，排气管及催化器处于开放环境下，排气温度上升较慢，TWC的催化转化效率较低，导致整车实际道路PEMS排放测试值更高。

图6 WHTC循环和PEMS测试循环THC瞬时排放对比

另外，根据陈林[13]研究可知，当发动机缸内混合气过量空气系数在1.1～1.2范围内时，THC排放最小；如果过量空气系数超出此范围，发动机缸内燃烧恶化或者发生失火问题，导致THC排放反而增加。由图5可知，整车PEMS实际道路排放测试时发动机过量空气系数波动大，导致发动机尾气THC原始排放值较高，同时过量空气系数的波动使TWC的工作效率也较低，导致整车实际道路PEMS排放测试时排放值偏高。而发动机在进行WHTC循环排放测试时，过量空气系数波动较小且略小于1，缸内温度和排气温度上升较快，生成THC的条件破坏，同时TWC的催化转化效率较高，所以THC的排放值较小。

随着排放测试的进行，发动机进入正常行驶状态，特别是在高速路段，发动机缸壁温度升高，TWC的催化转化效率较高，发动机排放较稳定，THC的排放值减少，THC的瞬时排放在100×10-6以下；但是车辆无论是在市郊还是高速阶段行驶，均容易受到外界影响，如车辆带挡滑行、挡位变换等，对发动机排放有一定的影响，因此整车PEMS实际道路排放值呈现出一定的波动，但是THC瞬时排放值较低。

2.5.2 CO排放

发动机台架WHTC循环和整车实际道路PEMS排放测试的CO比排放量分别为0.213 g/(kW·h)和0.267 g/(kW·h)，图7示出了两种排放测试循环下CO的瞬时变化曲线。

图7 WHTC循环和PEMS测试循环CO瞬时排放对比

从图7可以看出，WHTC排放测试时，CO的排放峰值出现在冷起动阶段，最高为1 200×10-6；而整车排放在冷起动阶段CO的排放值也比较高，车辆在市郊或者市区工况下运行时CO排放峰值高达1 479×10-6，整体排放水平相对较高。在起动阶段两种排放测试循环下CO排放均比较高，主要是因为在起动阶段，为了使发动机快速到达正常温度，通常使发动机缸内燃气处于过浓状态，而CO生成受过量空气系数影响较大，因此发动机尾气中的CO排放值较高[12]。在整车PEMS排放测试时，在2 800 s前主要是在市区和市郊运行，车辆运行受道路状况影响较大，容易发生车辆频繁起停、扭矩变化频繁等现象，过量空气系数也随之变化，TWC工作效率的波动较大，导致CO的排放量较高[13]。但是除部分工况外，两种排放测试工况下大部分工况的CO排放均在450×10-6以下。

2.5.3 NOx排放

图8示出两种发动机排放测试循环下NOx瞬时排放浓度对比。从图8可以看出，发动机台架WHTC排放循环下的NOx排放在起动时较高，进入后续工况后排放也会出现波动，但是整体排放较低。这与冯谦等研究结果一致，也即发动机扭矩发生变化时NOx排放量上升[1]。发动机在起动阶段排气温度较低，缸内天然气较多，混合气燃烧温度较高，TWC催化转化效率较低，所以NOx排放量较高[14-15]。待发动机到达正常状态后，发动机WHTC循环测试下过量空气系数波动较小，TWC的催化转化效率提升，发动机NOx排放量较低。在整车实际道路排放测试时，车辆在市区车速较低且发动机扭矩变化频繁，当车辆在加速行驶时发动机缸内混合气处于过浓状态，缸内温度较高，NOx生成量较高[13,16]。TWC也因发动机排气温度上升缓慢、过量空气系数等原因导致工作效率降低，所以整车PEMS的NOx排放略高。