艾 毅 王鳳濱 付鐵強(qiáng) 郭 勇 王長園

（1-北京市環(huán)境保護(hù)局北京1000812-中國汽車技術(shù)研究中心）

基于同型號歐Ⅵ發(fā)動(dòng)機(jī)的整車與臺(tái)架排放測試差異性研究

艾 毅1王鳳濱2付鐵強(qiáng)2郭 勇2王長園2

（1-北京市環(huán)境保護(hù)局北京1000812-中國汽車技術(shù)研究中心）

重型汽車整車排放測試是未來中國第Ⅵ階段法規(guī)的重要研究項(xiàng)目之一。以滿足歐Ⅵ排放法規(guī)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及安裝該型號發(fā)動(dòng)機(jī)的重型汽車為研究對象，對比測試循環(huán)的工況特征，分別進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架熱態(tài)WHTC試驗(yàn)和整車熱態(tài)C-WTVC試驗(yàn)，采用同一套排放分析設(shè)備分析試驗(yàn)循環(huán)間氣體污染物、顆粒物質(zhì)量以及顆粒物數(shù)量的差異性。研究發(fā)現(xiàn)，兩種測試循環(huán)工況存在很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，且兩循環(huán)所有污染物排放均滿足歐Ⅵ法規(guī)限值要求。但由于循環(huán)運(yùn)行工況和試驗(yàn)條件的差異，CO2的比排放相差0.97%，NOx的比排放相差16.41%，顆粒物質(zhì)量PM相差17.69%，顆粒物數(shù)量PN相差6.54%。

柴油機(jī)歐Ⅵ測試循環(huán)排放差異性

引言

目前，全球范圍內(nèi)的重型汽車排放認(rèn)證主要是基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行的，但發(fā)動(dòng)機(jī)作為中間產(chǎn)品，不能完全反映整車的排放特性，臺(tái)架試驗(yàn)也存在整車企業(yè)監(jiān)管缺失、在用車抽查可行性低等一系列問題。為此，未來重型汽車第Ⅵ階段排放法規(guī)擬增加重型汽車整車測試，直觀地評價(jià)整車排放水平。

研究重型汽車整車測試循環(huán)C-WTVC與發(fā)動(dòng)機(jī)測試循環(huán)WHTC之間的相關(guān)性，對制定中國重型汽車法規(guī)具有很大的現(xiàn)實(shí)意義，能更好地完成從發(fā)動(dòng)機(jī)排放向整車排放過渡。作為不同的測試對象，研究兩循環(huán)之間的排放差異性也是評價(jià)整車排放的必備課題。

本文以滿足重型汽車歐Ⅵ排放法規(guī)的發(fā)動(dòng)機(jī)及安裝該發(fā)動(dòng)機(jī)的整車作為試驗(yàn)對象，同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架以及重型汽車底盤測功機(jī)上分別進(jìn)行WHTC（World Harmonised Transient Cycle）[1]和C-WTVC（adapted World Transient Vehicle Cycle）[2]試驗(yàn)，全面分析測試循環(huán)的行駛特征、氣體污染物、顆粒物質(zhì)量（Particle Matter，PM）和顆粒物數(shù)量（Particle Number，PN）。

1 測試系統(tǒng)及測試循環(huán)

1.1 測試設(shè)備

為滿足排放測試的一致性要求，整車和發(fā)動(dòng)機(jī)排放試驗(yàn)采用同一套能滿足歐Ⅵ排放測試要求的全流稀釋采樣系統(tǒng)，表1為試驗(yàn)所采用的設(shè)備及型號，系統(tǒng)布置圖如圖1所示。

表1 試驗(yàn)裝置

圖1 測試系統(tǒng)組成圖

相比國Ⅴ發(fā)動(dòng)機(jī)，歐Ⅵ污染物測試項(xiàng)目著重增加了顆粒物數(shù)量PN的測試[3]，本試驗(yàn)選擇滿足歐Ⅵ法規(guī)的AVL489顆粒計(jì)數(shù)器，該測量裝置應(yīng)首先通過揮發(fā)性顆粒去除器除去可揮發(fā)性顆粒，然后通過顆粒計(jì)數(shù)單元對固體顆粒進(jìn)行計(jì)數(shù)。其粒徑范圍為23 nm～2.5 um，能對柴油機(jī)排氣的顆粒數(shù)量實(shí)現(xiàn)較高精度檢測。

1.2 試驗(yàn)車輛和發(fā)動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)如表2所示。該發(fā)動(dòng)機(jī)后處理型式為DOC+DPF+SCR的組合方式，排放污染物均滿足歐Ⅵ限值要求。

試驗(yàn)車輛為后驅(qū)式廂式貨車，最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量為6 495 kg。

表2 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

1.3 試驗(yàn)燃油

試驗(yàn)燃油為北京市售國Ⅴ基準(zhǔn)燃油。燃油的基本特性參數(shù)如表3所示。

表3 燃料特性

1.4 測試循環(huán)介紹

全球重型商用車瞬態(tài)循環(huán)（WTVC，World Transient Vehicle Cycle）是通過對全球不同國家和地區(qū)的重型汽車駕駛行為和統(tǒng)計(jì)信息數(shù)據(jù)的收集及分析形成的，以車速和校正功率的形式給出。而CWTVC是通過調(diào)整WTVC的加速度和減速度，結(jié)合國內(nèi)大部分車輛的行駛特點(diǎn)，完善形成的中國重型商用車循環(huán)。

發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)WHTC是以WTVC為基礎(chǔ)進(jìn)行轉(zhuǎn)化獲得的。WHTC試驗(yàn)循環(huán)盡可能地反映世界范圍內(nèi)重型發(fā)動(dòng)機(jī)的道路實(shí)際運(yùn)行情況。歐Ⅵ發(fā)動(dòng)機(jī)的WHTC循環(huán)包括一組1 800 s逐秒變化的轉(zhuǎn)速和扭矩規(guī)范百分值，若在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，依據(jù)每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)性能曲線將發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩百分比轉(zhuǎn)化成實(shí)際值，以形成基準(zhǔn)循環(huán)。

圖2和圖3分別為C-WTVC和WHTC的循環(huán)工況圖。

圖2 C-WTVC循環(huán)工況圖

1.5 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)參照歐Ⅵ法規(guī)EU No 582/2011[4]，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行兩次熱態(tài)WHTC試驗(yàn)；依據(jù)GB/T 27840-2011在轉(zhuǎn)鼓上進(jìn)行兩次C-WTVC試驗(yàn)，最后的測試結(jié)果取平均值。試驗(yàn)前熱車30分鐘，為保證與臺(tái)架試驗(yàn)的一致性，更好地模擬熱啟動(dòng)過程，試驗(yàn)前熱車10分鐘后立即著車進(jìn)行試驗(yàn)。整車試驗(yàn)時(shí)，由數(shù)據(jù)采集設(shè)備讀取發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出扭矩。

圖3 WHTC循環(huán)工況圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 測試循環(huán)特征參數(shù)對比

表4為測試循環(huán)主要特征參數(shù)的統(tǒng)計(jì)對比。

表4 測試循環(huán)主要特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)對比

從表4的參數(shù)對比可分析出，WHTC循環(huán)的平均轉(zhuǎn)速比整車C-WTVC循環(huán)高66 r/min，平均扭矩比C-WTVC循環(huán)低11 N·m，而循環(huán)功比C-WTVC循環(huán)低3%左右。C-WTVC循環(huán)的怠速比例比WHTC循環(huán)高10%，這點(diǎn)可從圖6的各工況分布圖印證。怠速的差異是當(dāng)車輛在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)時(shí)，車輛滑行過程中的轉(zhuǎn)速均為怠速，而實(shí)際臺(tái)架測試過程中的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是按照工況設(shè)定值嚴(yán)格由電力測功機(jī)自動(dòng)控制的。

為更好地對比整個(gè)試驗(yàn)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)工況的變化，圖4和圖5分別給出了整車C-WTVC和發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC測試過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩的對比。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對比

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩對比

從圖4可以看出，城市工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在400～650s內(nèi)C-WTVC低于WHTC，高速循環(huán)下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速C-WTVC比WHTC普遍高350 r/min左右，其余時(shí)間段一致性較好。主要是由于C-WTVC下的城市工況主要為低車速，駕駛員普遍選擇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低的低檔位行駛，而在高速循環(huán)，駕駛員選擇直接檔以提高車速。

從圖5可以看出，WHTC測試時(shí)的測功機(jī)多為轉(zhuǎn)速/扭矩的電子控制模式，轉(zhuǎn)速和扭矩的響應(yīng)時(shí)間短，扭矩比C-WTVC測試時(shí)的變化幅度劇烈。城市和公路部分下的C-WTVC輸出扭矩略偏大，高速時(shí)輸出扭矩偏低。

圖6為兩種測試循環(huán)的實(shí)際工況分布。從圖6可以看出，C-WTVC在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速的工況分布概率大，印證了C-WTVC的怠速比例大，同時(shí)C-WTVC的倒拖扭矩比例高，說明在整車實(shí)際試驗(yàn)過程中，C-WTVC滑行的比重高于WHTC。

圖6 兩種測試循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況分布圖

2.2 氣體污染物對比

表5為整車C-WTVC和發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC氣體污染物排放平均值和歐Ⅵ限值的對比。

表5 C-WTVC和WHTC的氣體污染物排放g/kW·h

從表5可以看到，兩循環(huán)的污染物排放均滿足歐Ⅵ限值要求。C-WTVC循環(huán)的CO2比排放比WHTC循環(huán)低0.97%，說明發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)基本一致；NOx由于絕對排放量低，兩循環(huán)的NOx比排放相差不大，C-WTVC循環(huán)的NOx比排放比WHTC循環(huán)高16.41%。

圖 7CO2瞬時(shí)排放濃度對比圖

圖7 為兩循環(huán)經(jīng)CVS稀釋后的CO2瞬時(shí)排放濃度對比圖。從圖7可以看出，CO2的排放與發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩呈正向關(guān)系。C-WTVC在啟動(dòng)后的CO2排放均值較低，但第80 s左右的加速工況下的CO2排放峰值較高；在高速階段1 680 s左右，WHTC的CO2排放隨扭矩的突然增大而增大，而C-WTVC在該時(shí)刻的CO2高排放持續(xù)時(shí)間短。從最終的CO2比排放分析，C-WTVC為674.57 g/（kW·h），WHTC為681.14 g/（kW·h），前者比后者低0.97%。此外，盡管在某些時(shí)間段兩測試循環(huán)內(nèi)CO2排放存在差異，但其變化趨勢基本相同，進(jìn)一步驗(yàn)證了兩循環(huán)的高度一致性。

圖8為兩循環(huán)經(jīng)CVS稀釋后的NOx瞬時(shí)排放濃度對比圖。從圖8可以看出，WHTC的NOx排放在初始階段遠(yuǎn)小于C-WTVC，而在之后的城市和公路循環(huán)出現(xiàn)幾處峰值；WHTC循環(huán)NOx排放的均值為0.88× 10-6，C-WTVC循環(huán)NOx排放的均值為1.19×10-6。

圖8 NOx瞬時(shí)排放濃度對比圖

從整體分析看，C-WTVC試驗(yàn)時(shí)的進(jìn)氣溫度均值為21.7℃，WHTC由于控溫均衡，平均溫度為24.16℃。進(jìn)氣溫度越低，進(jìn)氣量越大，整車試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度和后處理前的排氣管溫度就越低，SCR的反應(yīng)效率降低，NOx排放高。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架布置時(shí)的排氣管保溫效果較整車好，至DOC前的溫度高于整車，經(jīng)過DOC后的NO2生成量高，NO2與NH3的反應(yīng)速率和效率高，也是臺(tái)架測試NOx低的原因之一。至于WHTC其他工況下的NOx排放在不同階段出現(xiàn)波峰的情況，原因是中等轉(zhuǎn)速下扭矩瞬時(shí)變化程度劇烈，特別是在負(fù)荷增大過程中，隨著燃燒溫度的升高，NOx排放增大[5]。此外，循環(huán)工況差異造成儲(chǔ)氨裝置釋放NH3的程度有所差別，也是造成NOx排放差異的因素之一。

圖9為兩循環(huán)經(jīng)CVS稀釋后的CO瞬時(shí)排放濃度對比圖。

圖9 CO瞬時(shí)排放濃度對比圖

從圖9可以看出，WHTC循環(huán)和C-WTVC循環(huán)的CO平均值分別為0.04×10-6和0.11×10-6。C-WTVC啟動(dòng)前100s的CO峰值達(dá)到12.68×10-6，這是由于啟動(dòng)過程中混合氣過濃，過量空氣系數(shù)低，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不完全[6]；同時(shí)，熱態(tài)試驗(yàn)前的環(huán)境溫度低，車輛保溫較發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架差，使C-WTVC開始前的排氣溫度低，導(dǎo)致C-WTVC在冷啟動(dòng)階段的CO排放出現(xiàn)峰值；而在其余工況，C-WTVC循環(huán)的CO排放與WHTC比較接近，且相對變化比較平穩(wěn)，除部分工況外，大部分工況下的CO均為1×10-6以下。

WHTC循環(huán)的THC平均濃度為0.02×10-6，峰值濃度為0.22×10-6，整個(gè)WHTC循環(huán)的THC平均排放幾乎為零；而C-WTVC循環(huán)的THC排放平均值為0.09×10-6，說明經(jīng)過DOC氧化后的排氣中已無THC化合物。

2.3 顆粒物質(zhì)量PM

發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC循環(huán)測試的顆粒物質(zhì)量比排放為0.0026g/（kW·h），而整車C-WTVC循環(huán)測試的顆粒物質(zhì)量比排放為0.00214g/（kW·h），C-WTVC循環(huán)的顆粒物質(zhì)量PM比排放比WHTC循環(huán)低17.69%。造成差異的原因是C-WTVC循環(huán)平均進(jìn)氣量多，不利于顆粒物中碳煙的生成。此外，歐Ⅵ發(fā)動(dòng)機(jī)加裝DPF后顆粒物的質(zhì)量排放大幅降低，而測試工況及環(huán)境條件差異也是造成偏差的因素之一。

2.4 顆粒物數(shù)量PN

分析兩循環(huán)下的顆粒物數(shù)量PN排放數(shù)據(jù)得知，WHTC循環(huán)的PN平均濃度為1 178個(gè)/cm3，C-WTVC循環(huán)的PN平均濃度為1 281個(gè)/cm3，WHTC循環(huán)與C-WTVC循環(huán)的PN比排放分別為6.72×1011g/（kW·h）和7.19×1011g/（kW·h），C-WTVC循環(huán)的顆粒物數(shù)量PN比排放比WHTC循環(huán)低6.54%。

圖10為兩循環(huán)下的顆粒物數(shù)量PN排放濃度對比圖。

圖10 顆粒物數(shù)量PN瞬時(shí)排放濃度對比圖

從圖10可以看出，相比C-WTVC，WHTC在前200 s的啟動(dòng)階段PN排放最高，隨著試驗(yàn)循環(huán)的進(jìn)行，在城市和公路部分C-WTVC的PN濃度普遍高于WHTC，而高速階段的PN反映出發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物排放更為惡劣。循環(huán)前200s的PN排放存在差異的原因?yàn)檫M(jìn)行C-WTVC試驗(yàn)時(shí)，由于浸車時(shí)間長，環(huán)境溫度低，在循環(huán)前200s，缸內(nèi)溫度較低，柴油燃燒不如WHTC熱啟動(dòng)循環(huán)充分，導(dǎo)致顆粒物總質(zhì)量PM增大，但由此增加的顆粒物粒徑較大，可揮發(fā)性成分較多，經(jīng)過采樣設(shè)備的探頭分離和蒸發(fā)后，PN數(shù)量低于WHTC循環(huán)；隨著循環(huán)的進(jìn)行，C-WTVC循環(huán)下的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量多，燃燒較WHTC循環(huán)更充分，經(jīng)DPF過濾后的細(xì)顆粒較多，PN排放反而呈現(xiàn)增大的趨勢；高速工況，發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC循環(huán)的較低轉(zhuǎn)速和較高負(fù)荷的燃燒性能使顆粒物的整體排放水平高。

1）兩種測試循環(huán)工況存在很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，C-WTVC循環(huán)的怠速比例比WHTC循環(huán)高10%。

2）C-WTVC循環(huán)和WHTC循環(huán)所有污染物排放均滿足歐Ⅵ法規(guī)限值要求。

3）C-WTVC循環(huán)的NOx比排放比WHTC循環(huán)高16.41%，C-WTVC循環(huán)的CO2比排放比WHTC循環(huán)低0.97%。

4）C-WTVC循環(huán)的顆粒物質(zhì)量PM比排放比WHTC循環(huán)低17.69%，C-WTVC循環(huán)的顆粒物數(shù)量PN比排放比WHTC循環(huán)低6.54%。

5）通過對嚴(yán)格等同的試驗(yàn)環(huán)境、后處理布置和SCR的氨存儲(chǔ)等方面進(jìn)行完善，未來將更好地降低整車排放測試和發(fā)動(dòng)機(jī)排放測試之間的差異性。

3 結(jié)論

采用滿足歐Ⅵ排放法規(guī)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及安裝該型號發(fā)動(dòng)機(jī)的重型汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)以熱態(tài)WHTC以及整車依據(jù)熱態(tài)C-WTVC，使用同一排放設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。得出以下結(jié)論：

1全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).HJ 689-2014城市車輛用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法（WHTC工況法）[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014

2全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 27840-2011重型商用車輛燃料消耗量測試方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011

3UnitedNationsEconomicCommissionforEurope.ECE R49.06. Uniform provisions concerning the measures to be taken against the emission of gaseous and particulate pollutants from compression-ignition engines and positive ignition engines for use in vehicles[S].E/ECE/324/Rev.1/Add.48/Rev.6-E/ECE/ TRANS/505/Rev.1/Add.48/Rev.6,4 March 2013

4The European Commission.（EU）No 582/2011.Consolidated to Regulation（EU）No 64/2012 Heavy Duty Emissions-Euro VI[S].2011：95-96

5王鳳濱.基于全流和部分流稀釋采樣系統(tǒng)測試柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放的相關(guān)性分析[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009

6周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999

A Study about Difference between Vehicle and Engine Emission Test Based on the EuroⅥRegulations

Ai Yi1,Wang Fengbin2,Fu Tieqiang2,Guo Yong2,Wang Changyuan2
1-Beijing Environment Protection Bureau(Beijing,100081,China)
2-China Automobile Technology and Research Center

The Euro VI emission diesel engines and installation of this type of engine of a heavy-duty diesel vehicles were selected,the engine with the hot WHTC and vehicle based on the hot C-WTVC.With the same emission test equipment.The difference of the particulate number PN,particulate matter PM and the gas pollutant between the two cycles was measured.The operating characteristics of the two test cycles were verified.The study found that the two test cycles have a strong correlation.On the whole,the C-WTVC and WHTC emissions are all satisfied with the Euro VI regulations.Because of the difference of the working conditions as well as of the testing cycles,the difference of NOxwas 30.98%,CO2was 0.97%,PM was 17.69%,PN was 15.74%.

Diesel engine,EuroⅥ,Test cycle,Emission,Difference

TK427

A

2095-8234（2016）05-0034-06

2016-08-09）

艾毅（1981—），男，工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)動(dòng)車排放控制。