车用柴油机WHTC与ETC瞬态测试循环排气温度及排放对比试验研究

0引言随着世界范围内环境污染问题的加剧，法规对发动机排放的要求日剧严苛，其不止表现在各排放指标限值的不断降低，同样表现在所采用的测试循环逐渐从稳态工况扩展至瞬态工况，从只关注热机工况排放扩展至冷启动和暖机工况。

发动机排放测试采用瞬态循环主要基于两方面考虑，一方面有研究表明，瞬态工况占发动机实际运行工况的50%以上[1，2]，加入瞬态循环下发动机排放的测试与控制可以有效避免台架开发与产品应用之间的脱节，另一方面进行瞬态测试循环更有利于发动机参数标定技术的开发，避免在稳态工况下进行大量不同参数组合模式的测试，极大地减少发动机标定工作量[3]。

发动机排放测试加入对冷启动和暖机工况下排放的考虑主要是因为发动机在冷启动和暖机工况下会出现发动机燃烧恶化、后处理工作效率下降等现象，其排放远高于热机状态[4]，而发动机在实际工作过程中将不可避免地出现冷启动和暖机工况，因此在排放测试中考虑冷启动和暖机工况下的排放将更能代表发动机实际工作状态下的排放特性。

我国车用发动机排放法规的制定很大程度上借鉴了欧洲车用发动机排放法规的制定，其中针对重型柴油机的瞬态排放测试循环先后采用了ETC [5]（European Transient Cycle ，欧洲瞬态循环）和WHTC [6]（World HarmoniousTransient Cycle ，世界统一瞬态测试循环）两种，而后者更是成为欧VI 及国VI 排放法规用以对发动机进行瞬态排放测试的主要循环。

本文基于不同型号的柴油机进行试验，对柴油机在WHTC 和ETC 循环下的排气温度、气态污染物（NO X 、HC 、CO ）及颗粒物（PM ）排放进行对比分析，为控制城市汽车污染物排放和柴油机节能减排研究提供技术支持和研究经验。

1试验台架及试验方法1.1试验发动机及台架本文拟分析柴油机在WHTC 和ETC 循环下的排气温度及气态污染物、颗粒物排放对比，选取两台不同型号的发动机进行对比试验，以期使对比结果拥有更普遍的适用性，试验用发动机主要参数及排放控制策略如表1所示。

发动机台架布置方案如图1所示，试验台架实物如图2所示。

试验用测功机及油耗仪分别为AVL 公司产DynoRoad 204/8SL 及AVL 735，HC 、NO X 、C0、C02气态污染物由HORIBA 公司产MEXA 7200D 进行测试，颗粒物质量排放由HORIBA 公司产CVS 定容取样系统CVS-7400T 及颗粒取样控制系统DLS-7200E 共同完成。

值得指出的是，试验过程中HC 、NO X 、C0、C02等气态污染物排放测试方法与颗粒物排放测试方法相同，即先经过全流稀———————————————————————作者简介：李祚兵（1987-），男，四川绵阳人，本科，助理工程师，主要研究方向为重型发动机排放及性能测试。

车用柴油机WHTC 与ETC 瞬态测试循环排气温度及排放对比试验研究Experimental Study of WHTC and ETC Test Cycles in Heavy Duty Diesel Engine李祚兵LI Zuo-bing ；田茂军TIAN Mao-jun ；谷雨GU Yu ；徐辉XU Hui ；唐卜TANG Bu（中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆401122）（China Automotive Engineering Research Institute ，Chongqing 401122，China ）摘要：在两台不同型号的车用柴油机上进行WHTC 及ETC 循环排放测试试验，以研究WHTC 冷启动循环、WHTC 热启动循环及ETC 循环下发动机排放（CO 、HC 、NO X 、PM ）特性差异。

试验结果表明：WHTC 冷启动循环下发动机排气温度及冷却水温度在0～800s 范围内均低于WHTC 热启动循环，总体排放明显偏高，其中CO 、HC 及PM 排放差距较大，NO X 排放差距则相对较小；WHTC 循环下排气温度及冷却水温度在循环绝大部分时间范围内均低于ETC 循环，总体排放明显偏高，其中CO 、HC 及NO X 排放差距较大，PM 排放差距则相对较小；该试验结果可为柴油机节能减排研究提供技术支持和研究经验。

Abstract:Emission tests of two different heavy duty diesel engines with WHTC and ETC cycles were carried to study and compare the emission performance (CO,HC,NO X ,PM)with WHTC hot cycle,WHTC cold start cycle and ETC cycle,respectively.The experimental results show that the exhaust gas temperature and the coolant temperature are both lower with WHTC cold start cycle than that with WHTC hot start cyclein 0-800s,and the whole emission,especially CO,HC and PM,with WHTC cold start cycle is obviously higher than that with WHTC hot start cycle.The exhaust gas temperature and the coolant temperature are both lower with WHTC cycle in most of the cycle time than that with ETC cycle,and the whole emission,especially CO,HC and NO X ,with WHTC cycle is obviously higher than that with ETC cycle.The experimental results can give support to emission control of heavy duty diesel engine.关键词：车用柴油机；排放；WHTC 循环；ETC 循环Key words:heavy duty diesel engine ；emission ；WHTC ；ETC机型发动机排量气缸数额定转速额定功率燃料类型排放水平污染控制装置I II 2.992.77443400320072850#0#国V 国VCR+DOC+SCR CR+DOC+SCR表1试验发动机主要参数及排放控制策略释（CVS ）后再进行测试，这是考虑到发动机在瞬态工况下气态污染物排放浓度较高，若不经稀释直接采用排气测试仪进行测量，可能会发生超出测试量程的情况。

1.2WHTC 及ETC 排放测试循环WHTC 及ETC 均为典型的瞬态排放测试循环，其中前者为欧洲第六阶段排放法规所采用的测试循环，后者为欧洲第四及第五阶段排放法规所采用的测试循环，而我国在第四、第五阶段排放法规同时采用了这两种测试循环，在第六阶段排放法规征求意见[7]中采用WHTC 测试循环。

WHTC 及ETC 试验循环均包括一组逐秒变化的转速和扭矩的规范百分值(占额定转速和额定扭矩的百分比)，如图3及图4所示[5，6]。

其中WHTC 试验循环又分为冷启动循环排放测试及热启动循环排放测试，最终的污染物排放结果由式（1）进行加权计算。

e=（0.14×m cold ）+（0.86×m hot ）（0.14×W act,cold）+（0.86×W act,hot ）（1）式中：m cold —冷启动循环的各类污染物排放质量，g/循环；m hot —热启动循环的各类污染物排放质量，g/循环；W act,cold —冷启动循环的实际循环功，kW ·h ；W act,hot —热启动循环的实际循环功，kW ·h 。

可以看到，WHTC 试验循环相比ETC 试验循环一方面加入了对冷启动和暖机工况考虑，另一方面更加侧重于对低速小负荷工况的排放限制，这样的循环设定在与发动机实际工作状态更加接近[8]的同时，也对发动机排放控制提出了更加严峻的挑战。

2试验结果及分析2.1WHTC 冷启动循环与热启动循环排放特性对比依据HJ689-2014《城市车辆用柴油发动机污染物排放限值及测量方法（WHTC 工况法）》分别对两台试验发动机进行WHTC 冷启动循环及热启动循环排放测量试验，其气态污染物（CO 、HC 、NO X ）及颗粒物（PM ）排放结果示于表2。

两台试验发动机均能达到国V 排放限值要求，但在WHTC 冷启动循环及热启动循环下排放特性有明显差别。

图5所示为两台试验发动机在WHTC 冷启动循环及热启动循环下CO 、HC 、NO X 及PM 排放对比，采用1800s 试验循环的平均排放值。

可以看到，两台试验发动机在热启动循环下的各项排放均明显低于冷启动循环，其中CO 、HC 及PM 排放差距较大，NO X 排放差距则相对较小，以机型II 为例，其热启动循环下CO 、HC 、NO X 、PM 排放依次为冷启动循环下的41.5%、28.4%、91.1%、54.0%。

出现这种排放差异的主要原因在于冷热循环导致的发动机工作状态差异，考虑以发动机排气温度及冷却水温度对发动机缸内工作温度的高低进行表征，并基于此进一步分析冷热循环下的排放差异。

图6所示为两台试验发动机在WHTC冷启动循环及图2发动机试验台架实物图1发动机试验台架示意图图3ETC试验循环转速和扭矩规范值图4WHTC 试验循环转速和扭矩规范值热启动循环下冷却水温度及排气温度对比，取随试验循环推进的逐秒变化值。

可以看到，两台发动机的循环排气温度及冷却水温度均随循环工况变化而变化，且表现出了较高的一致性，在循环约0～800s 范围内排气温度及冷却水温度均表现为冷启动低于热启动，进一步表征发动机在循环前半部分冷启动状态下缸内温度及整机温度均低于热启动状态。

发动机冷热循环下CO 及HC 排放差异主要由缸内燃烧状态不同诱发，冷启动循环下较低的机体温度及缸内温度会导致混合气形成过程恶化、燃烧不完全，进一步导致图5中所示发动机冷启动循环CO 及HC 排放均大幅高于热启动循环；NO X 排放差异来源于两个方面，一方面冷启动循环下发动机混合气形成过程恶化会导致燃烧过程中缸内局部高温点增多，导致NO X 原排增多，另一方面冷启动循环排温较低会诱发SCR 转化效率大幅下降，最终诱发图5中所示发动机冷启动循环NO X 排放高于热启动循环；PM 排放差异主要来源于缸内混合气局部浓区数量及燃烧温度的差异，冷启动循环混合气形成过程恶化会导致缸内局部浓区增多、燃烧温度降低，从而导致了图5中所示发动机冷启动循环PM 排放高于热启动循环。