張立雄　張　琳　景曉軍　尹　超　王振宇

（中國汽車技術(shù)研究中心天津300162）

基于SCR柴油機(jī)的WHTC冷、熱啟動(dòng)循環(huán)排放差異研究

張立雄張琳景曉軍尹超王振宇

（中國汽車技術(shù)研究中心天津300162）

依據(jù)北京地方標(biāo)準(zhǔn)DB11/964-2013規(guī)定的WHTC試驗(yàn)規(guī)程，基于全流型定容稀釋采樣系統(tǒng)對配備有SCR后處理裝置的柴油機(jī)運(yùn)行了WHTC試驗(yàn)循環(huán)，考察了SCR柴油機(jī)運(yùn)行WHTC冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)循環(huán)的排放特性差異及其原因。試驗(yàn)結(jié)果表明：相比于WHTC熱啟動(dòng)試驗(yàn)循環(huán)，冷啟動(dòng)試驗(yàn)循環(huán)的前600 s機(jī)油溫度、冷卻液溫度、后處理入口排氣溫度和中冷后溫度明顯較低；冷啟動(dòng)試驗(yàn)循環(huán)的NOX、CO和CO2排放量要顯著高于熱啟動(dòng)試驗(yàn)循環(huán)，二者的THC排放均較低且相差不大，PM排放無明顯差異；WHTC循環(huán)對發(fā)動(dòng)機(jī)后處理的性能提出了更加苛刻的要求。

SCR柴油機(jī)WHTC排放

引言

隨著環(huán)境污染和能源危機(jī)的日益嚴(yán)峻，世界范圍內(nèi)對柴油機(jī)的排放要求愈加嚴(yán)格。北京市于2013年3月1日開始執(zhí)行新的地方標(biāo)準(zhǔn)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量方法》，在原有ESC、ETC和ELR排放試驗(yàn)循環(huán)的基礎(chǔ)上，增加了WHTC循環(huán)作為排放認(rèn)證項(xiàng)目［1-2］。該WHTC試驗(yàn)規(guī)程包括WHTC冷啟動(dòng)循環(huán)和熱啟動(dòng)循環(huán)兩部分，其中對冷啟動(dòng)循環(huán)開始前的環(huán)境條件有著嚴(yán)格的要求，這與以往在進(jìn)行ESC等排放試驗(yàn)前，發(fā)動(dòng)機(jī)在額定工況熱機(jī)完畢后進(jìn)行測試循環(huán)有很大區(qū)別，對PM和NOx等排放提出了更大挑戰(zhàn)。

自國Ⅲ排放法規(guī)實(shí)施以來，為了滿足后續(xù)排放法規(guī)對柴油機(jī)排放的要求，不同的減排技術(shù)被廣泛研究。在兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和國內(nèi)油品條件等因素下，國內(nèi)一大批柴油機(jī)廠商采用優(yōu)化缸內(nèi)燃燒和加裝SCR后處理裝置的技術(shù)路線。目前市場上大部分SCR催化劑的最佳轉(zhuǎn)化效率要求后處理溫度在250℃以上，柴油機(jī)的排氣溫度對SCR后處理裝置的轉(zhuǎn)化效率影響極大，因此冷啟動(dòng)循環(huán)和熱啟動(dòng)循環(huán)對同一發(fā)動(dòng)機(jī)的排放測試結(jié)果可能產(chǎn)生很大的影響［3］。

本文選擇裝備有SCR后處理裝置的柴油機(jī)來考察發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行WHTC冷、熱啟動(dòng)循環(huán)時(shí)的工作狀態(tài)差異，進(jìn)而分析發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行WHTC冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)循環(huán)存在排放差異的原因，有助于北京地方標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于WHTC試驗(yàn)規(guī)程的規(guī)范實(shí)施，同時(shí)也有助于相關(guān)廠商采取針對性策略來達(dá)到法規(guī)的要求。

1　WHTC試驗(yàn)規(guī)程

DB11/964-2013標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的WHTC試驗(yàn)規(guī)程包括WHTC冷啟動(dòng)循環(huán)、10 min熱浸期、WHTC熱啟動(dòng)循環(huán)三個(gè)部分。循環(huán)要求的扭矩和轉(zhuǎn)速工況如圖1所示。

圖1　WHTC瞬態(tài)循環(huán)工況［4］

按照標(biāo)準(zhǔn)要求，開始WHTC冷啟動(dòng)循環(huán)前，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)在額定工況調(diào)整好進(jìn)氣阻力、中冷后溫度、中冷前后壓差、排氣阻力等邊界條件。之后采用自然冷卻的方式，在20～30℃之間的環(huán)境溫度下至少冷卻6小時(shí)，直到發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑液、冷卻液和后處理系統(tǒng)溫度都達(dá)到20～30℃環(huán)境溫度范圍內(nèi)以后，才可以開始WHTC冷啟動(dòng)循環(huán)。完成冷啟動(dòng)循環(huán)后立即進(jìn)行10±1 min熱浸期作為發(fā)動(dòng)機(jī)熱啟動(dòng)循環(huán)的預(yù)處理，熱浸期試驗(yàn)室環(huán)境溫度應(yīng)處于23～31℃之間。熱浸期結(jié)束后運(yùn)行WHTC熱啟動(dòng)循環(huán)。試驗(yàn)結(jié)果處理方式如公式（1）所示：式（1）中：

WHTCresult：各排放物組分最終試驗(yàn)結(jié)果，g/（kW· h）；

mcold：冷啟動(dòng)循環(huán)各排放物組份的質(zhì)量，g/循環(huán)；

mhot：熱啟動(dòng)循環(huán)各排放物組份的質(zhì)量，g/循環(huán)；

Wact，cold：冷啟動(dòng)循環(huán)的實(shí)際循環(huán)功，kW·h；

Wact，hot：熱啟動(dòng)循環(huán)的實(shí)際循環(huán)功，kW·h。

2　試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為采用SCR后處理裝置的國Ⅳ柴油機(jī)，其主要參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)所用設(shè)備主要有AVL ACS進(jìn)氣空調(diào)、AVL PUMA OPEN全自動(dòng)控制軟件、AVL動(dòng)態(tài)交流測功機(jī)、AVL735油耗儀、AVL AMA i60多組分氣體分析儀，AVL CVS i60全流稀釋系統(tǒng)和PSS i60顆粒采樣系統(tǒng)。試驗(yàn)過程中可精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫濕度和壓力、燃油溫度和壓力等參數(shù)，避免外界因素波動(dòng)對結(jié)果產(chǎn)生影響［5］。圖2為臺(tái)架系統(tǒng)示意圖。

表1　試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖2　排放測試系統(tǒng)示意圖

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

對試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行了WHTC試驗(yàn)循環(huán)，且在兩階段測試過程中不對發(fā)動(dòng)機(jī)的控制和狀態(tài)做任何人為改變。冷、熱啟動(dòng)循環(huán)的排放加權(quán)結(jié)果如表2所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷、熱啟動(dòng)循環(huán)的循環(huán)功幾乎完全一致，說明測功機(jī)對循環(huán)工況的控制精度很高，兩階段循環(huán)工況的一致性很好。但相對于熱啟動(dòng)循環(huán)，冷啟動(dòng)循環(huán)的CO2比排放量要高出3.5%左右。盡管CO2排放量并不是排放標(biāo)準(zhǔn)著重考量的指標(biāo)之一，但鑒于日益嚴(yán)峻的CO2排放形勢，有必要考察其排放存在差異的原因。

表2　WHTC冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)循環(huán)最終加權(quán)比排放

為了具體對比分析WHTC冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)循環(huán)測試結(jié)果中CO2排放的差異，對同一工況點(diǎn)，將冷啟動(dòng)CO2瞬時(shí)排放量與熱啟動(dòng)CO2瞬時(shí)排放量的差值作為兩種循環(huán)下的相對CO2排放，并繪制其散點(diǎn)圖如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在循環(huán)的前600 s內(nèi)，多數(shù)相對CO2的值要遠(yuǎn)大于零，即冷啟動(dòng)循環(huán)的CO2瞬時(shí)排放量要明顯高于熱啟動(dòng)循環(huán)。在這一階段內(nèi)，冷啟動(dòng)循環(huán)的比油耗更高，發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性較差。

圖3　WHTC循環(huán)瞬態(tài)CO2相對排放

圖4　試驗(yàn)循環(huán)機(jī)油溫度

圖4和圖5為試驗(yàn)過程中機(jī)油溫度和冷卻水溫度實(shí)時(shí)值，在循環(huán)前600 s內(nèi)，冷啟動(dòng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度和冷卻水溫度一直在上升，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于熱啟動(dòng)循環(huán)同時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油溫度和冷卻水溫度。如第300 s時(shí)，機(jī)油溫度和冷卻水溫度分別相差37℃和31℃。較低的機(jī)油溫度并不能達(dá)到理想的潤滑，使得摩擦損失增大，同時(shí)較低的冷卻水溫度使得發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)散熱損失增大［6］，從而造成發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行冷啟動(dòng)循環(huán)時(shí)機(jī)械效率降低，比油耗升高，CO2比排放偏高。

圖5　試驗(yàn)循環(huán)冷卻水溫度

對于現(xiàn)代柴油機(jī)，氮氧化物和顆粒物排放水平是最為重要的兩個(gè)指標(biāo)。本研究排放結(jié)果顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)循環(huán)的NOx排放量比熱啟動(dòng)循環(huán)要高68%以上。將同一工況點(diǎn)的冷啟動(dòng)NOx瞬時(shí)排放與熱啟動(dòng)NOx瞬時(shí)排放的差值作為瞬態(tài)相對NOx排放，并繪出其散點(diǎn)圖如圖6所示。在循環(huán)前600 s內(nèi)，多數(shù)相對NOx排放值大于零，即冷啟動(dòng)NOx瞬時(shí)排放要顯著高于熱啟動(dòng)循環(huán)，而600 s以后的工況兩者基本一致。

圖6　WHTC試驗(yàn)循環(huán)瞬態(tài)相對NOx排放

將冷啟動(dòng)循環(huán)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)SCR后處理入口處排氣溫度與熱啟動(dòng)循環(huán)時(shí)該溫度的商作為WHTC循環(huán)的相對排溫，當(dāng)該值小于1時(shí)表明冷啟動(dòng)循環(huán)的排氣溫度低于熱啟動(dòng)循環(huán)，如圖7所示。在循環(huán)前600 s的大部分時(shí)間內(nèi)，冷啟動(dòng)循環(huán)的后處理入口處排氣溫度要低于熱啟動(dòng)循環(huán)。盡管這會(huì)使得原機(jī)缸內(nèi)的NOx生成量有所降低，但較低的排氣溫度使得該試驗(yàn)階段內(nèi)，冷啟動(dòng)循環(huán)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)SCR后處理的催化轉(zhuǎn)化效率偏低，直接導(dǎo)致冷啟動(dòng)循環(huán)時(shí)的NOx排放明顯高于熱啟動(dòng)循環(huán)。

圖7　WHTC循環(huán)相對排氣溫度

同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果表明，冷啟動(dòng)循環(huán)和熱啟動(dòng)循環(huán)的顆粒物（PM）排放相差不大。相關(guān)研究表明，在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)高溫濃混合氣區(qū)域容易產(chǎn)生大量PM［7］。在本研究中，雖然熱啟動(dòng)循環(huán)前期缸內(nèi)溫度更高，但燃油的擴(kuò)散和混合速度更快，濃混合氣區(qū)域減少，最終造成原機(jī)PM生成量與冷啟動(dòng)循環(huán)十分接近。與此同時(shí)，雖然較低的燃燒溫度不利于缸內(nèi)燃油的完全燃燒，但THC的來源很多，除燃油的不完全燃燒外，還可能來自燃燒室表面附著、噴油器壓力室擠油等多方面渠道［7］。因此在本試驗(yàn)中，才會(huì)出現(xiàn)冷啟動(dòng)循環(huán)的THC含量略高于熱啟動(dòng)循環(huán)，但兩者的THC排放數(shù)值都較小，總體相差不大。

另外，冷啟動(dòng)循環(huán)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的CO排放量達(dá)到了熱啟動(dòng)循環(huán)CO排放量的4倍以上。圖8和圖9分別為WHTC循環(huán)瞬態(tài)相對CO排放（冷啟動(dòng)CO排放與熱啟動(dòng)CO排放的商）和瞬態(tài)相對中冷后溫度（冷啟動(dòng)中冷后溫度與熱啟動(dòng)中冷后溫度的差）的變化情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行約800 s時(shí)，冷啟動(dòng)循環(huán)的中冷后溫度超過熱啟動(dòng)循環(huán)，此時(shí)，冷啟動(dòng)循環(huán)的CO排放也開始低于熱啟動(dòng)循環(huán)。CO排放與中冷后溫度具有很強(qiáng)的相關(guān)性。這是因?yàn)楫?dāng)中冷后溫度較低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒溫度也較低，造成燃油短時(shí)間內(nèi)不能完全氧化，從而形成大量的CO隨尾氣排出。較高的缸內(nèi)溫度有助于降低CO排放。

圖8　WHTC循環(huán)相對CO排放

4　結(jié)論

基于定容稀釋采樣系統(tǒng)，對一國ⅣSCR柴油機(jī)運(yùn)行了WHTC循環(huán)，分析并研究了冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)循環(huán)之間排放差異的原因，結(jié)論如下：

1）SCR發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行WHTC冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)循環(huán)的邊界條件差異主要體現(xiàn)在循環(huán)前600 s，冷啟動(dòng)循環(huán)的中冷后溫度、機(jī)油溫度、冷卻水溫以及SCR入口處排氣溫度四個(gè)參數(shù)值明顯較低，使得發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)燃燒效率和機(jī)械效率降低，比油耗升高，CO和CO2排放偏高，SCR催化轉(zhuǎn)化效率較低，NOx排放較高。

2）SCR發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行WHTC循環(huán)時(shí)，由于油氣混合等復(fù)雜因素，冷啟動(dòng)、熱啟動(dòng)循環(huán)對于THC和PM排放的影響并不顯著。

3）為了降低WHTC冷啟動(dòng)循環(huán)前600 s的NOx和CO排放，以滿足法規(guī)要求，相關(guān)廠商應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化SCR性能，降低起燃溫度，提高轉(zhuǎn)化效率，并采取相應(yīng)措施減少CO排放。

1全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).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量方法（中國III、IV、V階段）》［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005

2全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).DB11/185-2013《非道路機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物限值及測量方法》［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013

3陶建忠.利用選擇性催化還原反應(yīng)（SCR）降低車用柴油機(jī)氮氧化物的技術(shù)研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2008

4Sun G，Du Q，Pu Y.Study on the adaptability for WHTC cycle evaluating emission performance of diesel vehicles in cities［J］.Small Internal Combustion Engine&Motorcycle，2013，42（5）：9-13

5邢居真.測試系統(tǒng)參數(shù)對車用發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響研究［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，2005

7Arcoumanis C，Kamimoto T.Flow and combustion in peciprocating engines［M］.Berlin：Springer，2010

Emission Difference between Coldstart and Hotstart WHTC Cycles Based on a SCR Diesel Engine

Zhang Lixiong，Zhang Lin，Jing Xiaojun，Yin Chao，Wang Zhenyu
China Automobile Technology and Research Center（Tianjin，300162，China）

Based on WHTC test procedure defined by Beijing regional legislation，DB11/964-2013，coldstart and hotstart WHTC test cycles were conducted with a diesel engine which was equipped with a SCR aftertreatment，then the emission differences of the two phases and the reasons were studied.The results show that，compared with hotstart WHTC cycle，temperatures of intake air after cooler，oil，cooling water，and exhaust before SCR were much lower during the first 600 s of coldstart WHTC cycle.NOx，CO2and CO emissions of coldstart WHTC cycle were much higher than hotstart WHTC cycle.For both cycles，TCH and PM emissions were almost the same.

SCR，Diesel engine，WHTC，Emissions

TK421+.5

A

2095-8234（2016）03-0037-04

張立雄（1987-），男，工程師，主要研究方向?yàn)槠嚋y試技術(shù)。

2016-03-26）