楊神林

【摘 要】為驗(yàn)證顆粒捕集器（DPF）后處理系統(tǒng)的重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物限值及測(cè)量方法（臺(tái)架工況法）》規(guī)定的WHTC試驗(yàn)循環(huán)下的污染物排放，選用了一臺(tái)國(guó)五排放的重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了ETC、WHTC循環(huán)的對(duì)比試驗(yàn)研究。研究表明，采用DPF技術(shù)的重型國(guó)五柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，能滿足臺(tái)架工況法規(guī)定的WHTC循環(huán)下的排放限值要求，在DPF不再生時(shí)，ETC、熱態(tài)WHTC、冷態(tài)WHTC這三個(gè)循環(huán)相比，氮氧化物（NOX）排放增加，排氣溫度降低，燃料消耗量增加；在DPF再生時(shí)，熱態(tài)WHTC循環(huán)下，發(fā)動(dòng)機(jī)及后處理系統(tǒng)工作較為惡劣，總體燃燒不好，造成與再生時(shí)的ETC循環(huán)相比NOX偏低，其他污染物全部大幅度升高。

【關(guān)鍵詞】重型汽車；柴油發(fā)動(dòng)機(jī)；排放；顆粒捕集器；WHTC；ETC

為改善空氣污染狀況，北京、上海等地相繼對(duì)公交、環(huán)衛(wèi)、郵政用途的重型汽車提前實(shí)施國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)，由于公交車行駛在低溫低速的城市工況下，選擇性催化還原系統(tǒng)（SCR）不能正常工作，導(dǎo)致車輛氮氧化物（NOX）排放嚴(yán)重超標(biāo)。

造成這一問(wèn)題的原因在于，現(xiàn)行的排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)（European Transient Cycle，ETC）與城市公交實(shí)際運(yùn)行情況相比，發(fā)動(dòng)機(jī)平均負(fù)荷相對(duì)較高，平均排氣溫度也較高，造成發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)在開(kāi)發(fā)新發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)時(shí)基本沒(méi)有考慮低溫、低負(fù)荷的工況，以至于在實(shí)際的低溫低負(fù)荷的城區(qū)工況中運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高的NOX排放。而全球統(tǒng)一的重型發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)（World Harmonized Transient Cycle， WHTC），在發(fā)動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)速、平均功率、怠速時(shí)間、排氣溫度等方面，與目前實(shí)際城市車輛運(yùn)行工況吻合較好。為了解決城市車輛低速低溫工況氮氧化物超標(biāo)問(wèn)題，并在國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施前修補(bǔ)現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)的漏洞，環(huán)境保護(hù)部組織相關(guān)專家進(jìn)行研究，引入WHTC循環(huán)作為新標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)工況，編制了新的重型汽車排放標(biāo)準(zhǔn)，即《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物限值及測(cè)量方法（臺(tái)架工況法）》。

國(guó)五排放重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)主要有兩種技術(shù)路線，EGR+DOC+DPF和缸內(nèi)凈化+SCR，由于在編制標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程中，主要研究對(duì)象是SCR技術(shù)路線的重型柴油車，因此，本文將以EGR+DOC+DPF技術(shù)路線為研究對(duì)象，對(duì)重型國(guó)五排放柴油車瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行對(duì)比研究。

1.試驗(yàn)循環(huán)

1.1 ETC循環(huán)

我國(guó)于2005年頒布的GB17691-2005《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，采用了歐盟標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的ETC試驗(yàn)循環(huán)來(lái)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的氣態(tài)污染物排放。歐盟瞬態(tài)循環(huán)是在重型車實(shí)際道路行駛工況測(cè)量的基礎(chǔ)上研究而成的，有測(cè)功機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架兩種表現(xiàn)形式，循環(huán)總時(shí)長(zhǎng)共1800秒，根據(jù)不同的駕駛環(huán)境，分成城市、郊區(qū)和高速三部分，每部分時(shí)長(zhǎng)600秒。

1.2全球統(tǒng)一的重型發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)（World Harmonized Transient Cycle，WHTC）

在WP29的框架下，UN ECE GRPE工作組制定了第4號(hào)全球技術(shù)法規(guī)（GTR 04）《全球統(tǒng)一的重型車測(cè)試規(guī)程（WHDC）》， 該法規(guī)充分考慮了世界各地的道路情況，試驗(yàn)工況由歐盟、美國(guó)、日本、澳大利亞等地區(qū)的典型路面駕駛工況總結(jié)而成，整個(gè)工況也是1800秒，市區(qū)、市郊和高速分別約為892秒、468秒、440秒。

排放試驗(yàn)時(shí)，首先進(jìn)行一個(gè)完整的冷啟動(dòng)WHTC 測(cè)試，緊接著是10 分鐘的熱浸時(shí)間（發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉并且不采集數(shù)據(jù)），然后一個(gè)熱啟動(dòng)的WHTC 測(cè)試。發(fā)動(dòng)機(jī)最終的排放值由冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)加權(quán)計(jì)算而來(lái)，冷啟動(dòng)的加權(quán)系數(shù)為14%，熱啟動(dòng)的加權(quán)系數(shù)為86%。

1.3試驗(yàn)設(shè)備和樣機(jī)

試驗(yàn)設(shè)備為AVL AFAT490交流電力測(cè)功機(jī)、Horiba MEXA-7200D排氣分析儀和HoribaDLS-7200E顆粒采集系統(tǒng)。

選用5H型重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為試驗(yàn)樣機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)排量2.2L，直列四缸、四沖程，增壓中冷，高壓共軌，電控EGR，后處理系統(tǒng)為DOC+DPF，滿足重型柴油國(guó)五排放水平。

2.試驗(yàn)過(guò)程

由于此次之前，在國(guó)內(nèi)從未進(jìn)行過(guò)DPF后處理系統(tǒng)的WHTC瞬態(tài)循環(huán)的排放試驗(yàn)，不能確保DPF后處理系統(tǒng)在低速低溫的工況循環(huán)下能正常工作，因此，本次的試驗(yàn)過(guò)程安排的首先要驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)在ETC工況下的排放狀態(tài)，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常的基礎(chǔ)上驗(yàn)證熱態(tài)WHTC循環(huán)下的排放結(jié)果，確保能在熱態(tài)WHTC循環(huán)下正常工作，最后，開(kāi)始進(jìn)行冷態(tài)WHTC循環(huán)排放試驗(yàn)。同時(shí)，根據(jù)DPF后處理系統(tǒng)周期再生的特性，安排整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)后進(jìn)行熱機(jī)，達(dá)到廠家設(shè)定工作條件后，檢查發(fā)動(dòng)機(jī)外特性，分別開(kāi)始DPF不再生與再生情況下的ETC循環(huán)的排放試驗(yàn)；停機(jī)進(jìn)行20分鐘熱浸車，同時(shí)計(jì)算ETC工況下的排放結(jié)果并核實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)；分別開(kāi)始DPF不再生與再生情況下熱態(tài)WHTC循環(huán)的排放試驗(yàn)，停機(jī)，并計(jì)算熱態(tài)WHTC循環(huán)的排放結(jié)果；發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻至第二天，發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)后，立即進(jìn)行冷態(tài)WHTC循環(huán)的排放試驗(yàn)。

3.試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 排放試驗(yàn)結(jié)果

重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放試驗(yàn)測(cè)量CO、NOX、THC、PM這4種排放污染物，ETC、冷態(tài)WHTC、熱態(tài)WHTC三種試驗(yàn)循環(huán)，同時(shí)附上CO2、排氣溫度的試驗(yàn)結(jié)果。

3.2排放試驗(yàn)結(jié)果分析

比較兩個(gè)循環(huán)，我們可以發(fā)現(xiàn)，WHTC循環(huán)與ETC循環(huán)的平均轉(zhuǎn)速分別為2369r/min、1786r/min，工況整體偏向低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷。兩個(gè)循環(huán)相比，WHTC比ETC的平均轉(zhuǎn)速低580r/min，循環(huán)功低5.5kW，循環(huán)累計(jì)油耗降低1.7kg，平均排氣溫度降低55℃。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，WHTC循環(huán)比ETC循環(huán)NOX排放增加15-20%左右，冷態(tài)WHTC循環(huán)下NOX排放更高。WHTC循環(huán)下的NOX排放比ETC循環(huán)高16.6%，冷態(tài)WHTC循環(huán)NOX排放比ETC循環(huán)高35.9%，冷態(tài)WHTC循環(huán)NOX排放比WHTC循環(huán)高16.5%。

由于DPF系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，無(wú)論在ETC、WHTC、冷態(tài)WHTC的循環(huán)下，該發(fā)動(dòng)機(jī)的后處理系統(tǒng)都能正常工作，對(duì)PM處理非常理想，各種循環(huán)下PM絕對(duì)值變化不大。但是，再生時(shí)WHTC循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)及后處理系統(tǒng)工作較為惡劣，總體燃燒不好，造成與再生時(shí)ETC相比NOx偏低，其他污染物全部大幅度升高，WHTC循環(huán)比ETC循環(huán)CO2排放偏高6%左右，即油耗升高。

4.結(jié)論

通過(guò)重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱態(tài)WHTC循環(huán)和ETC循環(huán)排放試驗(yàn)，并對(duì)排放污染物試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）顆粒捕集器（DPF）后處理系統(tǒng)的重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，能滿足《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物限值及測(cè)量方法（臺(tái)架工況法）》規(guī)定的WHTC試驗(yàn)循環(huán)下的污染物排放限值要求。

（2）在DPF不再生時(shí)，ETC、熱態(tài)WHTC、冷態(tài)WHTC這三個(gè)循環(huán)相比，氮氧化物（NOX）排放增加，排氣溫度降低，燃料消耗量增加；在DPF再生時(shí)，熱態(tài)WHTC循環(huán)下，發(fā)動(dòng)機(jī)及后處理系統(tǒng)工作較為惡劣，總體燃燒不好，造成與再生時(shí)的ETC循環(huán)相比NOX偏低，其他污染物全部大幅度升高。

（3）考慮到WHTC循環(huán)整體工況情況，在WHTC循環(huán)下運(yùn)行可能會(huì)導(dǎo)致DPF后處理系統(tǒng)的再生周期縮短，這一點(diǎn)有待后續(xù)驗(yàn)證。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]DB11/964-2013.車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物限值及測(cè)量方法（臺(tái)架工況法）.

[2]GB17691-2005.車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中圖III、IV、V階段）.