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國四輕卡柴油機滿足WHTC排放限值的策略及實驗研究

郭華鋒騰和危亮駱旭薇廖善彬趙立林
（江鈴汽車股份有限公司發(fā)動機開發(fā)部江西南昌330001）

對某款排量為3L的國-IV輕卡柴油發(fā)動機滿足WHTC排放的技術路線進行了臺架試驗研究。試驗機配置有EGR-DOC-POC排放控制系統(tǒng)。針對WHTC的循環(huán)特性及排放限值的挑戰(zhàn)，提出如下減少試驗機WHTC排放的控制策略：1）優(yōu)化各WHTC工況點的噴油提前角，EGR率，EGR響應及軌壓以減少燃燒中NOx的生成；2）對高顆粒排放工況增加后噴，通過優(yōu)化后噴參數(shù)使在主噴油期生成的大部分顆粒及其它不完全燃燒產物在缸內氧化；3）對加速工況設置煙度限制以減少加速時瞬態(tài)噴油量和缸內空氣量的不同步性，使燃燒得以在較高的瞬態(tài)過量空氣系數(shù)下進行，從而有效地抑制加速工況碳煙的生成。試驗機在實施優(yōu)化控制策略后，冷態(tài)和熱態(tài)試驗均滿足WHTC排放的限值，冷熱循環(huán)的加權平均后的顆粒排放僅為0.028 g/（kW·h），低于北京市和環(huán)保部的限值0.030 g/（kW·h）。臺架試驗數(shù)據(jù)證明，提出的排放優(yōu)化策略是可行及實用的。

國IV排放增壓柴油機WHTC循環(huán)后噴標定優(yōu)化

引言

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源消耗量也不斷地隨之增加。作為工業(yè)發(fā)展的副產品，環(huán)境污染也隨之不斷加重。近年來，中國主要大城市的空氣質量不斷惡化，頻繁出現(xiàn)重霧霾天氣。車輛發(fā)動機尾氣排放中的氮氧化合物（oxides of nitrogen or NOx），碳氫化合物（hydrocarbons or HC）與顆粒（particular matter or PM）是形成城市霧霾天氣的重要空氣污染源成分［1］。為了減少城市空氣污染，凈化環(huán)境，北京市和環(huán)保部先后發(fā)布了限制城市車輛發(fā)動機排放的新標準DB11/964-2013和HJ689-2014。在這兩個標準中，作為降低城市霧霾的排放法規(guī)措施，World Harmonic Transient Cycle（WHTC）被作為對城市車輛發(fā)動機的補充排放試驗循環(huán)。新的國家標準HJ689-2014作為2005年發(fā)布的國家標準GB17691-2005的補充，適用于國-IV/V車用發(fā)動機排放限值及測量方法。

WHTC循環(huán)由聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會污染與能源專家工作組（UN-ECE-GRPE）提出作為適用于全球的重型柴油機排放的一個試驗測試循環(huán)［2］。TNO Science and Industry［3］和International Council on Clean Transporation（ICCT）［4］對WHTC循環(huán)的排放特性進行了較詳細的試驗研究。在歐-VI排放測試規(guī)范中WHTC循環(huán)做為重型柴油機的排放測試循環(huán)取代了應用于歐-IV/V的European Transient Cycle（ETC）循環(huán)［3-4］。

WHTC循環(huán)和ETC循環(huán)的不同在于以下三個方面：

1）發(fā)動機的平均轉速和負荷不同；

2）增加了附加的冷啟動（cold start）試驗；

3）增加了附加的5～10 min的車輛熱浸（hot soak）試驗。

循環(huán)排放是冷熱循環(huán)的加權平均。WHTC循環(huán)的低速低負荷工況較ETC循環(huán)大幅度增加，循環(huán)平均轉速和負荷僅相當于ETC循環(huán)的60%左右，怠速在循環(huán)中所占比例增加近2.8倍。這些變化增加了對發(fā)動機排放控制的要求［3-7］。

如何滿足國-IV/V階段WHTC排放是每一個相關車企都面臨的挑戰(zhàn)。最近，國內一些部門和學者對國-IV/V柴油機的WHTC循環(huán)排放性能進行了實驗研究：如濟南汽車檢測中心對多個不同排量的配備SCR（selective catalytic reduction catalyst）后處理的國-IV/V柴油機進行了WHTC和ETC的對比［7］；孫國華等人對配備SCR后處理的國-V公交車柴油機進行了WHTC循環(huán)下的發(fā)動機尾氣排放研究［8］；李來群報告了對排量為4.8L（SCR控制NOx）和3L（廢氣再循環(huán)控制NOx）的國-IV柴油機滿足WHTC循環(huán)排放的標定策略及分析［9］。這些研究為了解國-IV/V柴油機的WHTC循環(huán)排放性提供了基礎。

在上述工作的基礎上，本研究對應用于輕卡的小排量國-IV柴油機在WHTC循環(huán)的排放特性做進一步的探討，并對輕卡發(fā)動機滿足WHTC排放面臨的挑戰(zhàn)和技術路線進行可行性分析。

表1　試驗發(fā)動機特性參數(shù)

圖1　發(fā)動機配置示意圖

1　試驗發(fā)動機及后處理系統(tǒng)

本研究選用的試驗發(fā)動機是江鈴汽車股份有限公司的一款3L國-IV高增壓柴油機，其系統(tǒng)特性參數(shù)列于表1。圖1給出了該機的廢氣再循環(huán)（exhaust gas reculation or EGR）系統(tǒng)，DOC（diesel oxidation catalyst）和POC（particle oxidation catalyst）后處理系統(tǒng)的布置示意圖。實驗研究的主要目的是通過臺架實驗探討國-IV輕卡柴油機滿足WHTC排放的控制策略?；炯夹g路線是通過優(yōu)化EGR和VGT （variable geometry turbine）控制策略來達到NOx排放目標和發(fā)動機油耗指標，預噴策略來降低發(fā)動機噪聲水平，及在WHTC排放區(qū)增加后噴降低PM值［10］。

2　WHTC循環(huán)排放的挑戰(zhàn)

北京市和環(huán)保部對第四階段WHTC循環(huán)排放的限值列于表2。作為比較，環(huán)保部對第四階段ETC循環(huán)排放的限值也同表列出?？梢钥闯?，各標準對第四階段發(fā)動機排放限值的主要區(qū)別是NOx排放。

表2　北京市和環(huán)保部WHTC排放限值比較

圖2比較試驗發(fā)動機對應的WHTC和ETC循環(huán)工況（每秒鐘采集一次數(shù)據(jù)；負扭矩表示發(fā)動機倒拖）?？梢钥闯?，較之ETC循環(huán)，WHTC循環(huán)低速低負荷的權重增加。按照試驗機當前以ETC循環(huán)為基礎的排放控制，要滿足WHTC循環(huán)排放限值，必須對低速區(qū)域進行排放控制修正。與國內大多數(shù)中小排量國四柴油機相同，試驗發(fā)動機采用EGR+DOC +POC的排放控制技術（如圖1所示）。各工況NOx排放由通過EGR閥的開度來提供所需EGR率控制，因此在低溫下NOx的標定并不是難點。由于WHTC排放包含冷啟動試驗部分，主要挑戰(zhàn)是在冷機條件下的不完全燃燒產物排放：冷機工況燃燒不完善度增加，低排溫又導致后處理轉化效率惡化，因此一氧化碳（CO）和HC排放會大幅度增加；由于低溫條件下燃料在缸內蒸發(fā)困難，PM也相應提高。因此降低CO，HC和PM是采用EGR+DOC+POC的排放控制技術的中小排量國-IV柴油機滿足WHTC排放限值的挑戰(zhàn)。

圖2　　試驗發(fā)動機WHTC和ETC工況比較

3　滿足WHTC排放限值的策略

3.1降低WHTC循環(huán)排放的控制策略

針對WHTC的循環(huán)特性及排放限值的挑戰(zhàn)，本研究提出如下控制策略以減少試驗機的WHTC排放：

1）對低速部分負荷工況NOx的控制：推遲主噴油提前角，增加EGR率及優(yōu)化軌壓以降低缸內工質在燃燒過程中的溫度升高率和最高溫度，以減少燃燒中NOx的生成；

2）對低溫部分負荷工況PM/HC/CO的控制：在主噴完成后增加后噴（post injection；歐洲文獻也稱after injection），通過控制后噴燃燒使在主噴油期生成的PM大部分得以在缸內氧化；后噴帶來的排溫提高也有助于提高DOC和POC的轉換效率；

3）對瞬態(tài)加速工況PM的控制：加速工況由于增壓器的響應滯后（turbo lag），空氣量的響應滯后于噴油量響應，使加速時缸內混合氣瞬態(tài)過量空氣系數(shù)下降；局部混合氣因氧氣不足產生的不完全燃燒導致PM生成?？紤]空氣和噴油在加速時的不同步性，在標定策略中增加煙度限制，根據(jù)空氣的響應調節(jié)噴油，盡可能避免在過低的局部空-燃比條件下燃燒，減少加速工況PM的生成。

3.2低速部分負荷工況NOx排放的控制

試驗機配置有外部冷卻EGR系統(tǒng)（如圖1所示）。各工況所需的EGR率由電控EGR閥控制?？刂芖HTC循環(huán)區(qū)的NOx排放除了優(yōu)化噴油提前角，EGR率及軌壓外，還必須優(yōu)化EGR在WHTC循環(huán)區(qū)的瞬態(tài)響應及穩(wěn)定性才能有效地減少WHTC循環(huán)區(qū)的NOx排放。

3.3低溫工況PM/HC/CO排放的控制

試驗機配置的Bosch高壓共軌噴油系統(tǒng)可實現(xiàn)多次噴油，因而可以支持本研究的排放控制策略。圖3顯示出和本研究有關的噴油窗口。后噴主要是為氧化或燒掉主噴油期產生的PM和不完全燃燒氣體產物而設置［10］。對不同負荷和轉速調節(jié)后噴對應的時間窗口，噴油壓力和噴油量，可以更有效地處理PM、HC和CO。

圖3　噴油系統(tǒng)多次噴油窗口示意圖

根據(jù)WHTC和ETC工況轉速范圍（如圖2所示），試驗機的排放控制區(qū)由ETC循環(huán)對應的1 800 r/min到3 000 r/min調整到WHTC循環(huán)對應的1 180 r/min到3 000 r/min，并在低速區(qū)根據(jù)不同負荷和轉速增加后噴，以在缸內盡可能多地氧化主噴油期生成的PM，HC和CO，減少發(fā)動機原排（engine-out emissions）。在WHTC循環(huán)負荷點密集的轉速區(qū)（1 600 r/min到2 403 r/min），對后噴的噴油量進行優(yōu)化以同時兼顧減排和發(fā)動機經(jīng)濟性。

3.4加速工況PM排放的控制

通過對柴油機的PM的質量構成分析，Teng和Bernard［11］指出：PM的主要質量來自碳粒（soot）的貢獻；鑒于排放法規(guī)主要是針對發(fā)動機污染物的質量排放，對PM的質量排放控制可以通過對碳粒的質量排放控制來把控。柴油機的碳粒排放和濾紙煙度（filter smoke number or FSN）存在對應關系。

圖4所示是本文作者根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得出的碳粒質量排放和濾紙煙度（以下簡稱煙度）的經(jīng)驗關系，它和Northrop等［12］測定的碳粒濃度（mg/m3）和煙度（FSN）的關系基本一致。通過對在不同燃燒溫度和過量空氣系數(shù)條件下碳煙生成的分析，Kitamura等［13］指出，提高過量空氣系數(shù)可以有效地抑制碳煙的生成。

圖4　柴油機碳粒排放和煙度的對應關系

圖5是根據(jù)Kitamura等人報告的數(shù)據(jù)生成的缸內局部均勻混合氣中碳煙、過量空氣系數(shù)和燃燒溫度的關系?？梢酝普?，在給定的油束霧化和缸內湍流條件下，提高加速工況的瞬態(tài)過量空氣系數(shù)可以有效地降低加速工況碳煙的生成，進而抑制PM的生成。

圖5　局部過量空氣系數(shù)和碳煙生成的關系

根據(jù)以上分析，對WHTC循環(huán)排放區(qū)域PM的控制可以通過對煙度控制實現(xiàn)。在本研究中，提高瞬態(tài)工況過量空氣系數(shù)的方法通過減少瞬態(tài)油量實現(xiàn)，即在不影響發(fā)動機動力的前提下減少相同空氣量對應的瞬態(tài)噴油量。通過優(yōu)化標定，盡可能地提高加速工況的瞬態(tài)過量空氣系數(shù)，降低燃燒中的碳煙，消弱缸內PM的生成條件，從而滿足在WHTC排放區(qū)域中PM的限值?？刂扑矐B(tài)工況噴油量必須考慮加速工況增壓壓力波動引起的進氣量波動，即有效地控制加速工況碳煙生成必須同時優(yōu)化噴油和增壓壓力。

圖6所示為測量的瞬態(tài)噴油量和增壓壓力：上圖顯示在優(yōu)化前較小的瞬態(tài)增壓壓力波動就可誘發(fā)較大的噴油量振蕩，導致瞬態(tài)過量下降，燃燒惡化；下圖顯示優(yōu)化后，在不影響發(fā)動機動力的前提下，與優(yōu)化加速時的增壓壓力，使其變化較為平順，減少了瞬態(tài)增壓壓力波時的噴油量。優(yōu)化后加速工況混合氣的過量空氣系數(shù)提高，有利于降低缸內碳煙和PM的生成。

4　試驗結果

圖8為WHTC循環(huán)標定優(yōu)化過程的3個基本步驟中煙度的變化情況（對應圖中a～c）。3個步驟分別

圖7　某柴油機排氣的濾紙煙度和不透光度的關系

圖8　優(yōu)化過程中WHTC工況點煙度變化

試驗分為兩步進行：首先在江鈴汽車股份公司（JMC）發(fā)動機試驗室的高性能Horiba臺架上確定標定控制策略，然后在重慶檢測中心的排放臺架對確定的控制策略進行驗證。標定優(yōu)化的主要依據(jù)是試驗機在WHTC循環(huán)對應的煙度。各瞬態(tài)工況對應的煙度值由AVL439不透光式煙度計（Opacimeter）［14］測量。不透光式煙度計對煙度的表示以不透光度（或吸收率，absorption coefficient）給出，它和濾紙煙度（FSN）的關系一般是非線性的。

圖7是根據(jù)文獻［15］報道的某柴油機數(shù)據(jù)關聯(lián)的由AVL 415煙度計（Smoke meter）測量的濾紙煙度和由AVL 439不透光式煙度計測量的不透光度的關系。雖然濾紙煙度和不透光度存在確定的關系，不透光式煙度計動態(tài)響應好［15］，因而更適合于本研究對WHTC循環(huán)煙度的動態(tài)控制的標定。對不同參數(shù)進行優(yōu)化標定。

步驟1：對整個map的主噴噴油提前角、過量空氣系數(shù)及軌壓的優(yōu)化；

步驟2：在上述優(yōu)化基礎上在1 200～1 600 r/min的低轉速區(qū)增加后噴并優(yōu)化后噴參數(shù)；

步驟3：優(yōu)化EGR在WHTC循環(huán)區(qū)的瞬態(tài)響應及穩(wěn)定性，在此基礎上對整個map的煙度值進行優(yōu)化標定。

在圖8a）到c）所示的不透光度氣泡圖中，對應工況點的不透光度大于0.06 m-1；氣泡越大或顏色越重，對應的瞬態(tài)不透光度值就越大。

圖9給出各優(yōu)化階段對應的最大瞬態(tài)煙度和PM排放，數(shù)字標識與圖8對應。

圖9　優(yōu)化過程中WHTC的最大瞬態(tài)煙度值

表3給出在JMC臺架試驗和重慶汽研所臺架試驗WHTC循環(huán)排放的數(shù)據(jù)對比。在表3中，試驗3是對噴油提前角，進氣量與軌壓進行優(yōu)化后的排放結果：

1）優(yōu)化將尾管PM排放由優(yōu)化前的0.085 g/（kW·h）降低到0.064 g/（kW·h）；

2）試驗4是在1 180到1 600 r/min轉速區(qū)域增加后噴的排放結果：

3）后噴提高了PM的缸內氧化率，使尾管PM排放降低到0.042 g/（kW·h），優(yōu)化后噴油量也使油耗減少近1%（限于篇幅，本文沒有對優(yōu)化過程中的油耗變化進行討論）；

4）試驗5是對EGR的瞬態(tài)響應，以煙度限制控制瞬態(tài)加速工況噴油量等參數(shù)優(yōu)化后的排放結果。

可以看出，通過實施本研究的優(yōu)化控制策略，尾管PM排放降低到0.029 g/（kW·h），略小于國-IV要求的WHTC排放限值。在重慶汽研所臺架的驗證試驗顯示，試驗機在實施優(yōu)化控制策略后，冷態(tài)和熱態(tài)試驗均滿足國-IV要求的WHTC排放限值：冷熱循環(huán)的加權平均后的PM排放為0.028 g/（kW·h），低于北京市和環(huán)保部的限值0.030 g/（kW·h）。試驗結果說明本試驗采取的優(yōu)化策略是可行的，試驗達到了預期目標。

表3　JMC和重慶汽研所臺架排放數(shù)據(jù)對比

5　結論

本文針對WHTC的循環(huán)特性及排放限值對輕卡柴油發(fā)動機的挑戰(zhàn)，提出以下控制WHTC排放的策略：

1）通過優(yōu)化WHTC工況點的主噴油提前角，EGR率及EGR響應及軌壓減少燃燒中NOx的生成。

2）對高PM工況采用后噴技術，并通過優(yōu)化后噴參數(shù)使在主噴油期生成的PM大部得以在缸內氧化。

3）在加速工況設置煙度限制值來減少加速瞬態(tài)進入缸內的空氣量和噴油量的不協(xié)調性，使加速過程對應的燃燒有較高的瞬態(tài)過量空氣系數(shù)，減少PM的生成。

臺架試驗表明，上述控制策略可有效地減少試驗機的WHTC排放。優(yōu)化噴油提前角，EGR率及軌壓將尾管PM排放較優(yōu)化前降低了25%；采用后噴技術及優(yōu)化后噴參數(shù)使尾管PM排放進一步降低了34%；在上述基礎上優(yōu)化EGR率及用煙度限制控制加速工況瞬態(tài)燃燒的空-燃比，可使尾管PM排放最終降低到0.029 g/（kW·h），滿足國-IV要求的WHTC排放限值。試驗機在實施優(yōu)化控制策略后，冷熱循環(huán)的加權平均后的PM排放僅為0.028 g/（kW·h），低于北京市和環(huán)保部的限值0.030 g/（kW·h）。試驗結果表明，本試驗提出的滿足WHTC排放限值的優(yōu)化策略對輕卡柴油發(fā)動機是可行和實用的。

1騰和，胡庭軍，廖善彬，等.汽油機直噴增壓技術應用于輕卡、輕客對減少中國城市空氣污染的作用［C］//.SAE 2013 Energy Saving Emission Reduction Forum_Shanghai.上海：2013

2United Nations.Development of a world-wide harmonised heavy-duty engine emissions test cycle［EB/OL］.http：//www. unece.org/fileadmin/DAM/trans/doc/2001/wp29grpe/TRANSWP29-GRPE-42-inf02.pdf

3TNO Science and Industry.Correlation factors between European and world harmonic test cycles for heavy-duty engines［EB/OL］.http：//www.pedz.uni-mannheim.de/daten/ edz-h/gdb/08/report_whtc_correlation.pdf

4International Council on Clean Transportation（icct）.Urban off-cycle NOx emissions from Euro-IV/V trucks and buses ［EB/OL］.http：//www.theicct.org/sites/default/files/publications/ICCT_WP18_urban_Nox_emissions.pdf

5Vressner，A.，Gabrielsson，P.，Gekas，I.，et al.Meeting the EURO-VI NOxemission legislation using a EURO-IV base engine and a SCR/ASC/DOC/DPF configuration in the World Harmonized Transient Cycle［C］.SAE Paper 2010-01-1216

6May，J.，Bosteels，D.，Such，C.，et al.Heavy-duty engine particulate emissions：Application of PMP methodology to measure particle number and particulate mass［C］.SAE Paper 2008-01-1176

7濟南汽車檢測中心.北京市重型整車及其發(fā)動機第五階段排放標準制訂情況介紹［EB/OL］．http：//wenku.baidu. com/view/84de67feaef8941ea76e05da.html，2012-09-21

8孫國華，杜騫，蒲雨新.WHTC循環(huán)評價城市中柴油車尾氣排放性能的適應性研究［J］.小型內燃機與摩托車，2013，42（5）：10-13

9李來群.小排量柴油機WHTC試驗研究［EB/OL］．http：// www.docin.com/p-864791147.html，2014-05-14

10Bosch.Diesel-Engine Management，3rd edition［M］.SAE International，2004

11Teng，H.，Bernard，M.Physicochemical characteristics of soot deposits in EGR coolers［C］.SAE Paper 2010-01-0730

12Northrop，W.F.，Bohac，S.V.，Chin，J.Y.，et al.Comparison of filter smoke number and elemental carbon mass from partiallypremixedlowtemperaturecombustionina direct-injection diesel engine［J］.Journal of Eng.Gas Turbines Power，2011，133（10）：102804-6

13Kitamura，T.，Ito，T.，Senda，J.，et al.Mechanism of smokeless diesel combustion with oxygenated fuels based on the dependence of the equivalence ration and temperature on soot particle formation［J］.Internationl Journal of Engine Research，2002，3（4）：223-248

14AVL.AVL opacimeter［EB/OL］.www.avl.com/-/avl-opacimeter

15包帥善.柴油機煙度排放測試技術的發(fā)展［J］.柴油機設計與制造，2006，14（2）：281-288

Control Strategy for and Experimental Investigation on a China-IV LD Truck Diesel Engine to Meet WHTC Emission Limits

Guo Huafeng，Teng He，Wei Liang，Luo Xuwei，Liao Shanbin，Zhao Lilin
EngineResearch&DevelopmentDepartment，JianglingMotorsCo，Ltd（Nanchang，Jiangxi，330001，China）

An experimental investigation was conducted on a China-IV light-duty truck diesel engine for meeting WHTC emission limits.The engine emissions were controlled with EGR，and DOC and POC in the aftertreatment.Considering cycle characteristics and challenges in meeting WHTC emission limits，the following strategies were proposed：1）optimizing the injection advance，EGR rate as well as response，and common rail pressure for all WHTC load points to minimize NOxformation；2）employing after-injection and optimizing its parameters to load points with high PM to oxidize PM and other incomplete combustion products in the cylinder as much as possible；3）using an“in-situ smoke limit”as a measure to leverage fuel injection and air delivery by the turbo compressor in acceleration transients to achieve combustions with higher air-fuel ratios.With employing strategies aforementioned，the engine WHTC emissions in both hot and cold cycles met the regulations，with the composite PM emission being 0.028 g/kW.h＜0.030 g/kW. h regulated by Beijing City and Ministry of Environmental Protection of China.This demonstrated that the strategies proposed are practical.

China-IV，Turbocharged diesel engine，WHTC，After injection，Calibration optimization

U467.2+1

A

2095-8234（2015）06-0024-07

郭華鋒（1981-），男，碩士研究生，主要研究方向為發(fā)動機性能燃燒開發(fā)與排放。

（2015-08-07）