艾 毅 王凤滨 付铁强 郭 勇 王长园

（1-北京市环境保护局北京1000812-中国汽车技术研究中心）

基于同型号欧Ⅵ发动机的整车与台架排放测试差异性研究

艾 毅1王凤滨2付铁强2郭 勇2王长园2

（1-北京市环境保护局北京1000812-中国汽车技术研究中心）

重型汽车整车排放测试是未来中国第Ⅵ阶段法规的重要研究项目之一。以满足欧Ⅵ排放法规的柴油发动机及安装该型号发动机的重型汽车为研究对象，对比测试循环的工况特征，分别进行发动机台架热态WHTC试验和整车热态C-WTVC试验，采用同一套排放分析设备分析试验循环间气体污染物、颗粒物质量以及颗粒物数量的差异性。研究发现，两种测试循环工况存在很强的关联性，且两循环所有污染物排放均满足欧Ⅵ法规限值要求。但由于循环运行工况和试验条件的差异，CO2的比排放相差0.97%，NOx的比排放相差16.41%，颗粒物质量PM相差17.69%，颗粒物数量PN相差6.54%。

柴油机欧Ⅵ测试循环排放差异性

引言

目前，全球范围内的重型汽车排放认证主要是基于发动机台架试验进行的，但发动机作为中间产品，不能完全反映整车的排放特性，台架试验也存在整车企业监管缺失、在用车抽查可行性低等一系列问题。为此，未来重型汽车第Ⅵ阶段排放法规拟增加重型汽车整车测试，直观地评价整车排放水平。

研究重型汽车整车测试循环C-WTVC与发动机测试循环WHTC之间的相关性，对制定中国重型汽车法规具有很大的现实意义，能更好地完成从发动机排放向整车排放过渡。作为不同的测试对象，研究两循环之间的排放差异性也是评价整车排放的必备课题。

本文以满足重型汽车欧Ⅵ排放法规的发动机及安装该发动机的整车作为试验对象，同时在发动机台架以及重型汽车底盘测功机上分别进行WHTC（World Harmonised Transient Cycle）[1]和C-WTVC（adapted World Transient Vehicle Cycle）[2]试验，全面分析测试循环的行驶特征、气体污染物、颗粒物质量（Particle Matter，PM）和颗粒物数量（Particle Number，PN）。

1 测试系统及测试循环

1.1 测试设备

为满足排放测试的一致性要求，整车和发动机排放试验采用同一套能满足欧Ⅵ排放测试要求的全流稀释采样系统，表1为试验所采用的设备及型号，系统布置图如图1所示。

表1 试验装置

图1 测试系统组成图

相比国Ⅴ发动机，欧Ⅵ污染物测试项目着重增加了颗粒物数量PN的测试[3]，本试验选择满足欧Ⅵ法规的AVL489颗粒计数器，该测量装置应首先通过挥发性颗粒去除器除去可挥发性颗粒，然后通过颗粒计数单元对固体颗粒进行计数。其粒径范围为23 nm～2.5 um，能对柴油机排气的颗粒数量实现较高精度检测。

1.2 试验车辆和发动机

试验发动机的主要参数如表2所示。该发动机后处理型式为DOC+DPF+SCR的组合方式，排放污染物均满足欧Ⅵ限值要求。

试验车辆为后驱式厢式货车，最大设计总质量为6 495 kg。

表2 试验发动机参数

1.3 试验燃油

试验燃油为北京市售国Ⅴ基准燃油。燃油的基本特性参数如表3所示。

表3 燃料特性

1.4 测试循环介绍

全球重型商用车瞬态循环（WTVC，World Transient Vehicle Cycle）是通过对全球不同国家和地区的重型汽车驾驶行为和统计信息数据的收集及分析形成的，以车速和校正功率的形式给出。而CWTVC是通过调整WTVC的加速度和减速度，结合国内大部分车辆的行驶特点，完善形成的中国重型商用车循环。

发动机瞬态试验循环WHTC是以WTVC为基础进行转化获得的。WHTC试验循环尽可能地反映世界范围内重型发动机的道路实际运行情况。欧Ⅵ发动机的WHTC循环包括一组1 800 s逐秒变化的转速和扭矩规范百分值，若在发动机试验台上进行试验，依据每台发动机的瞬态性能曲线将发动机的转速和扭矩百分比转化成实际值，以形成基准循环。

图2和图3分别为C-WTVC和WHTC的循环工况图。

图2 C-WTVC循环工况图

1.5 试验方法

试验参照欧Ⅵ法规EU No 582/2011[4]，在发动机台架上进行两次热态WHTC试验；依据GB/T 27840-2011在转鼓上进行两次C-WTVC试验，最后的测试结果取平均值。试验前热车30分钟，为保证与台架试验的一致性，更好地模拟热启动过程，试验前热车10分钟后立即着车进行试验。整车试验时，由数据采集设备读取发动机的转速和输出扭矩。

图3 WHTC循环工况图

2 试验结果及分析

2.1 测试循环特征参数对比

表4为测试循环主要特征参数的统计对比。

表4 测试循环主要特征参数统计对比

从表4的参数对比可分析出，WHTC循环的平均转速比整车C-WTVC循环高66 r/min，平均扭矩比C-WTVC循环低11 N·m，而循环功比C-WTVC循环低3%左右。C-WTVC循环的怠速比例比WHTC循环高10%，这点可从图6的各工况分布图印证。怠速的差异是当车辆在转鼓试验时，车辆滑行过程中的转速均为怠速，而实际台架测试过程中的发动机转速是按照工况设定值严格由电力测功机自动控制的。

为更好地对比整个试验过程中发动机工况的变化，图4和图5分别给出了整车C-WTVC和发动机WHTC测试过程中发动机转速和扭矩的对比。

图4 发动机转速对比

图5 发动机扭矩对比

从图4可以看出，城市工况下的发动机转速在400～650s内C-WTVC低于WHTC，高速循环下的发动机转速C-WTVC比WHTC普遍高350 r/min左右，其余时间段一致性较好。主要是由于C-WTVC下的城市工况主要为低车速，驾驶员普遍选择发动机转速较低的低档位行驶，而在高速循环，驾驶员选择直接档以提高车速。

从图5可以看出，WHTC测试时的测功机多为转速/扭矩的电子控制模式，转速和扭矩的响应时间短，扭矩比C-WTVC测试时的变化幅度剧烈。城市和公路部分下的C-WTVC输出扭矩略偏大，高速时输出扭矩偏低。

图6为两种测试循环的实际工况分布。从图6可以看出，C-WTVC在低转速和高转速的工况分布概率大，印证了C-WTVC的怠速比例大，同时C-WTVC的倒拖扭矩比例高，说明在整车实际试验过程中，C-WTVC滑行的比重高于WHTC。

图6 两种测试循环的发动机实际工况分布图

2.2 气体污染物对比

表5为整车C-WTVC和发动机WHTC气体污染物排放平均值和欧Ⅵ限值的对比。

表5 C-WTVC和WHTC的气体污染物排放g/kW·h

从表5可以看到，两循环的污染物排放均满足欧Ⅵ限值要求。C-WTVC循环的CO2比排放比WHTC循环低0.97%，说明发动机的工作状态基本一致；NOx由于绝对排放量低，两循环的NOx比排放相差不大，C-WTVC循环的NOx比排放比WHTC循环高16.41%。

图 7CO2瞬时排放浓度对比图

图7 为两循环经CVS稀释后的CO2瞬时排放浓度对比图。从图7可以看出，CO2的排放与发动机的输出扭矩呈正向关系。C-WTVC在启动后的CO2排放均值较低，但第80 s左右的加速工况下的CO2排放峰值较高；在高速阶段1 680 s左右，WHTC的CO2排放随扭矩的突然增大而增大，而C-WTVC在该时刻的CO2高排放持续时间短。从最终的CO2比排放分析，C-WTVC为674.57 g/（kW·h），WHTC为681.14 g/（kW·h），前者比后者低0.97%。此外，尽管在某些时间段两测试循环内CO2排放存在差异，但其变化趋势基本相同，进一步验证了两循环的高度一致性。

图8为两循环经CVS稀释后的NOx瞬时排放浓度对比图。从图8可以看出，WHTC的NOx排放在初始阶段远小于C-WTVC，而在之后的城市和公路循环出现几处峰值；WHTC循环NOx排放的均值为0.88× 10-6，C-WTVC循环NOx排放的均值为1.19×10-6。

图8 NOx瞬时排放浓度对比图

从整体分析看，C-WTVC试验时的进气温度均值为21.7℃，WHTC由于控温均衡，平均温度为24.16℃。进气温度越低，进气量越大，整车试验时的环境温度和后处理前的排气管温度就越低，SCR的反应效率降低，NOx排放高。此外，发动机台架布置时的排气管保温效果较整车好，至DOC前的温度高于整车，经过DOC后的NO2生成量高，NO2与NH3的反应速率和效率高，也是台架测试NOx低的原因之一。至于WHTC其他工况下的NOx排放在不同阶段出现波峰的情况，原因是中等转速下扭矩瞬时变化程度剧烈，特别是在负荷增大过程中，随着燃烧温度的升高，NOx排放增大[5]。此外，循环工况差异造成储氨装置释放NH3的程度有所差别，也是造成NOx排放差异的因素之一。

图9为两循环经CVS稀释后的CO瞬时排放浓度对比图。

图9 CO瞬时排放浓度对比图

从图9可以看出，WHTC循环和C-WTVC循环的CO平均值分别为0.04×10-6和0.11×10-6。C-WTVC启动前100s的CO峰值达到12.68×10-6，这是由于启动过程中混合气过浓，过量空气系数低，导致发动机燃烧不完全[6]；同时，热态试验前的环境温度低，车辆保温较发动机台架差，使C-WTVC开始前的排气温度低，导致C-WTVC在冷启动阶段的CO排放出现峰值；而在其余工况，C-WTVC循环的CO排放与WHTC比较接近，且相对变化比较平稳，除部分工况外，大部分工况下的CO均为1×10-6以下。

WHTC循环的THC平均浓度为0.02×10-6，峰值浓度为0.22×10-6，整个WHTC循环的THC平均排放几乎为零；而C-WTVC循环的THC排放平均值为0.09×10-6，说明经过DOC氧化后的排气中已无THC化合物。

2.3 颗粒物质量PM

发动机WHTC循环测试的颗粒物质量比排放为0.0026g/（kW·h），而整车C-WTVC循环测试的颗粒物质量比排放为0.00214g/（kW·h），C-WTVC循环的颗粒物质量PM比排放比WHTC循环低17.69%。造成差异的原因是C-WTVC循环平均进气量多，不利于颗粒物中碳烟的生成。此外，欧Ⅵ发动机加装DPF后颗粒物的质量排放大幅降低，而测试工况及环境条件差异也是造成偏差的因素之一。

2.4 颗粒物数量PN

分析两循环下的颗粒物数量PN排放数据得知，WHTC循环的PN平均浓度为1 178个/cm3，C-WTVC循环的PN平均浓度为1 281个/cm3，WHTC循环与C-WTVC循环的PN比排放分别为6.72×1011g/（kW·h）和7.19×1011g/（kW·h），C-WTVC循环的颗粒物数量PN比排放比WHTC循环低6.54%。

图10为两循环下的颗粒物数量PN排放浓度对比图。

图10 颗粒物数量PN瞬时排放浓度对比图

从图10可以看出，相比C-WTVC，WHTC在前200 s的启动阶段PN排放最高，随着试验循环的进行，在城市和公路部分C-WTVC的PN浓度普遍高于WHTC，而高速阶段的PN反映出发动机的颗粒物排放更为恶劣。循环前200s的PN排放存在差异的原因为进行C-WTVC试验时，由于浸车时间长，环境温度低，在循环前200s，缸内温度较低，柴油燃烧不如WHTC热启动循环充分，导致颗粒物总质量PM增大，但由此增加的颗粒物粒径较大，可挥发性成分较多，经过采样设备的探头分离和蒸发后，PN数量低于WHTC循环；随着循环的进行，C-WTVC循环下的发动机进气量多，燃烧较WHTC循环更充分，经DPF过滤后的细颗粒较多，PN排放反而呈现增大的趋势；高速工况，发动机WHTC循环的较低转速和较高负荷的燃烧性能使颗粒物的整体排放水平高。

1）两种测试循环工况存在很强的关联性，C-WTVC循环的怠速比例比WHTC循环高10%。

2）C-WTVC循环和WHTC循环所有污染物排放均满足欧Ⅵ法规限值要求。

3）C-WTVC循环的NOx比排放比WHTC循环高16.41%，C-WTVC循环的CO2比排放比WHTC循环低0.97%。

4）C-WTVC循环的颗粒物质量PM比排放比WHTC循环低17.69%，C-WTVC循环的颗粒物数量PN比排放比WHTC循环低6.54%。

5）通过对严格等同的试验环境、后处理布置和SCR的氨存储等方面进行完善，未来将更好地降低整车排放测试和发动机排放测试之间的差异性。

3 结论

采用满足欧Ⅵ排放法规的柴油发动机及安装该型号发动机的重型汽车，发动机以热态WHTC以及整车依据热态C-WTVC，使用同一排放设备进行试验。得出以下结论：

1全国汽车标准化技术委员会.HJ 689-2014城市车辆用柴油发动机排气污染物排放限值及测量方法（WHTC工况法）[S].北京：中国标准出版社，2014

2全国汽车标准化技术委员会.GB/T 27840-2011重型商用车辆燃料消耗量测试方法[S].北京：中国标准出版社，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王凤滨.基于全流和部分流稀释采样系统测试柴油发动机排放的相关性分析[D].武汉：武汉理工大学，2009

6周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，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，工程师，主要研究方向为机动车排放控制。