張騰，劉興華，靳航，陳龍，陳占明，韓文濤

(1.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061；2.北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院，北京 100081；3.一汽解放汽車有限公司，吉林 長春 130011；4.長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064)

天然氣具有氣源豐富、熱值高等特點，已成為最受重視的重型車用發(fā)動機替代燃料。GB 17691—2018排放法規(guī)規(guī)定，發(fā)動機排放測試不僅需要通過臺架排放測試，還需要通過整車實際道路排放測試。天然氣發(fā)動機在臺架上進行排放測試采用全球統(tǒng)一瞬態(tài)循環(huán)(World Harmonized Transient Cycle，WHTC)，與歐洲瞬態(tài)循環(huán)(European Transient Cycle，ETC)相比，WHTC循環(huán)增加了城市運行工況所占的比例，與整車實際運行狀態(tài)下的發(fā)動機工況更接近，因此發(fā)動機臺架排放結(jié)果與整車實際道路排放結(jié)果更為接近。但是發(fā)動機是整車動力總成部分，在臺架上進行排放測試僅能反映車輛在特定環(huán)境下的排放水平，不能完全反映車輛實際運行排放特性，因此即使發(fā)動機排放結(jié)果滿足臺架排放法規(guī)限值，也并不一定滿足整車實際道路排放測試要求[1]。當(dāng)前發(fā)動機企業(yè)和整車企業(yè)大多數(shù)為分開運營，導(dǎo)致整車企業(yè)無法實時監(jiān)控發(fā)動機排放等一系列問題。為此，整車企業(yè)有必要增加整車實際道路排放測試確認(rèn)發(fā)動機實際運行排放結(jié)果。

隨著整車實際道路排放測試技術(shù)的發(fā)展，隧道法、遙感法等技術(shù)陸續(xù)被應(yīng)用，而車載排放測試系統(tǒng)(Portable Emission Measurement System，PEMS)操作簡單，測量準(zhǔn)確，被廣泛應(yīng)用于整車實際道路排放測試。當(dāng)前國內(nèi)外研究者對整車實際道路排放和發(fā)動機排放測試循環(huán)開展了大量研究工作。葛蘊珊等[2]研究發(fā)現(xiàn)，車輛實際道路上整車污染物排放因子隨車速的增加而降低，但明顯高于實驗室認(rèn)證工況下的測試結(jié)果。馮謙等[1]研究表明，與發(fā)動機臺架WHTC測試循環(huán)相比，PEMS測得的車輛實際道路NOx排放水平較高。Pelkman等[3]通過研究實際道路排放結(jié)果與底盤測功機試驗循環(huán)的排放結(jié)果，發(fā)現(xiàn)車輛實際CO和NOx排放遠高于新歐洲行駛循環(huán)循環(huán)測量結(jié)果。高翔等[4]通過整車行駛循環(huán)的模擬排放試驗發(fā)現(xiàn)，國五輕型車在瞬態(tài)工況下污染物排放量與歐洲穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)工況有明顯不同，HC排放低 64.1%，NOx排放低 34.5%，CO排放低8.6%。目前各學(xué)者主要是針對柴油車或者輕型車進行研究，對天然氣車輛實際道路行駛排放與臺架排放測試循環(huán)的差異研究較少。因此有必要針對天然氣發(fā)動機的臺架排放測試循環(huán)和實際道路排放關(guān)聯(lián)性進行對比研究。

在本試驗中分別進行天然氣發(fā)動機WHTC循環(huán)排放測試和天然氣整車實際道路排放測試，探討臺架排放測試循環(huán)和實際道路排放的排放結(jié)果之間的差異。由于整車實際道路排放測試受試驗路線、路況、司機駕駛習(xí)慣、車輛載荷等外界因素影響較大，因此在本研究中對整車PEMS測試進行定性分析，從而進行兩種排放測試循環(huán)的對比分析。

1 試驗裝置與試驗方法

1.1 發(fā)動機臺架排放測試試驗

在本試驗中以滿足國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)的重型天然氣發(fā)動機為研究對象，對該天然氣發(fā)動機進行WHTC循環(huán)排放測試以及對搭載相同型號天然氣發(fā)動機的整車進行實際道路行駛排放測試。天然氣發(fā)動機后處理形式為三元后處理裝置(Three Way Catalyst，TWC)，后處理裝置安裝位置距離增壓器出氣口2.8 m，發(fā)動機和整車的具體參數(shù)見表1。

表1 整車和發(fā)動機主要參數(shù)

1.2 整車PEMS實際道路排放試驗

在本試驗中選用Horiba OBS-ONE系列便攜式車載排放測試系統(tǒng)，該設(shè)備主要由氣體分析單元、尾氣流量計、GPS及環(huán)境測量模塊等構(gòu)成。氣體分析模塊可對CO、NOx、THC進行采集與測量，尾氣流量計用于測量排氣流量和體積，GPS可對車輛的行駛路線與速度進行記錄與測量，環(huán)境測量模塊可記錄溫度、濕度和大氣壓力。

1.3 測試循環(huán)

對于N3類非城市車型，GB 17691—2018排放法規(guī)要求測試路段為20%的市區(qū)路、25%的市郊路、55%的高速路，依次進行，在實際運行時可以有±5%的偏差；測試時間最短應(yīng)保證累計功達到發(fā)動機WHTC循環(huán)功的4～7倍[5]。整車加載砂石料，均勻放置在車廂中，負(fù)載率在35%左右。為減少外界因素對整車排放測試結(jié)果的影響，選用同一駕駛員在相同的路線及天氣狀況相近的條件下依據(jù)國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)要求分別完成整車PEMS測試。試驗路線選擇在生態(tài)環(huán)保部備案路線：濰坊市濰安路—濰坊東—G20—S21。

對于發(fā)動機臺架排放測試，GB 17691—2018排放法規(guī)規(guī)定天然氣發(fā)動機測試循環(huán)需進行冷熱態(tài)WHTC循環(huán)。WHTC循環(huán)時間為1 800 s，包括城市道路工況、城郊工況和高速工況，根據(jù)實際路況設(shè)定了起停與怠速過程，轉(zhuǎn)速和扭矩分布也相應(yīng)地向低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷工況區(qū)域集中，以更加貼近車輛實際道路運行工況。圖1示出了發(fā)動機WHTC循環(huán)曲線。

圖1 發(fā)動機WHTC循環(huán)曲線

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 測試循環(huán)特征參數(shù)對比

表2示出了天然氣發(fā)動機臺架排放測試WHTC循環(huán)和整車實際道路排放PEMS測試發(fā)動機運行工況特征參數(shù)對比。從表2的特征參數(shù)對比可知，發(fā)動機在臺架WHTC排放測試循環(huán)的平均轉(zhuǎn)速比整車PEMS排放測試低150 r/min，平均扭矩比整車PEMS排放測試循環(huán)低304 N·m，而怠速所占比例比整車PEMS排放測試循環(huán)高10.11%。整車PEMS排放測試車輛循環(huán)功是發(fā)動機臺架WHTC循環(huán)功的5.48倍，滿足國Ⅵ排放法規(guī)要求。

表2 WHTC循環(huán)和PEMS測試循環(huán)主要參數(shù)對比

發(fā)動機進行WHTC循環(huán)測試時主要按照設(shè)定模式進行，基本上不受外界影響，整體運行平穩(wěn)；而整車PEMS排放測試是在車輛實際行駛狀態(tài)下測試，受整車配置、道路工況等影響，具有不可控因素，特別是在市區(qū)路段，發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化頻繁，且極容易出現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩超調(diào)或者倒拖現(xiàn)象。因此有必要分析在兩種不同測試工況下發(fā)動機轉(zhuǎn)速和扭矩的占比，圖2示出了整車PEMS和發(fā)動機WHTC測試過程中發(fā)動機轉(zhuǎn)速對比。

圖2 發(fā)動機轉(zhuǎn)速分布占比

從圖2可以看出，發(fā)動機在臺架上進行WHTC循環(huán)時轉(zhuǎn)速1 300～1 500 r/min區(qū)間占比最高，為28.65%，而整車PEMS測試時，轉(zhuǎn)速1 100～1 300 r/min區(qū)間占比最高，為54.29%，發(fā)動機轉(zhuǎn)速分布差別較大。這主要是因為整車在進行PEMS循環(huán)測試時，在市區(qū)路段下車速較低，司機一般選用低擋位行駛，發(fā)動機轉(zhuǎn)速及負(fù)荷較低；而在高速時司機通常選擇直接擋位或者超速擋行駛以提高車速，保證車速滿足法規(guī)規(guī)定[6]。發(fā)動機臺架WHTC排放測試工況變化按照既定設(shè)置進行，并且由測功機拖動可實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換工況，而整車在進行功率、扭矩轉(zhuǎn)換時需變速箱、后橋等各機構(gòu)協(xié)調(diào)配合，存在著一定的響應(yīng)時間，因此發(fā)動機臺架WHTC循環(huán)和整車PEMS發(fā)動機運行工況會有一定的差別[7]。圖3示出兩種測試循環(huán)的實際工況分布。

圖3 發(fā)動機轉(zhuǎn)速和扭矩分布對比

從圖3可以看出，整車PEMS排放測試時，發(fā)動機負(fù)扭矩占比較高，車輛在行駛過程中容易發(fā)生倒拖現(xiàn)象，滑行距離占比較多，因此對發(fā)動機排放有一定的影響。

2.2 發(fā)動機排放氣體污染物結(jié)果對比

整車進行PEMS測試時對HC的要求是總HC的限值，因此在發(fā)動機進行WHTC排放測試時，HC的測量采用CH4和非甲烷碳?xì)浠衔锵嗉又瓦M行對比分析。表3示出發(fā)動機在臺架WHTC循環(huán)排放測試和整車道路行駛PEMS測試中，滿足限值要求的有效功基窗口比例達到 90%以上時比排放值的對比。

表3 WHTC和PEMS循環(huán)的發(fā)動機污染物排放

從表3可以看到，兩種循環(huán)下排放測試污染物的測試結(jié)果均滿足國Ⅵ排放限值要求，但是整車PEMS的排放測試結(jié)果高于發(fā)動機WHTC排放測試結(jié)果。

2.3 發(fā)動機排氣溫度對比分析

排氣溫度對TWC的催化轉(zhuǎn)化效率有較大影響，特別是在起動階段，因此有必要分析兩種排放測試循環(huán)下的排氣溫度變化。圖4示出了兩種測試工況下排氣溫度的變化，發(fā)動機在臺架進行WHTC循環(huán)時排氣溫度平均為512 ℃，整車PEMS測試時平均排氣溫度為431 ℃。由于發(fā)動機臺架處于試驗室內(nèi)，受外界影響較小，因此升溫較快，TWC可快速達到起燃溫度，TWC工作效率較高，發(fā)動機WHTC循環(huán)下排放降低。

圖4 WHTC循環(huán)和PEMS測試循環(huán)下發(fā)動機排溫對比

2.4 發(fā)動機過量空氣系數(shù)對比分析

當(dāng)前滿足國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)的天然氣發(fā)動機采用的技術(shù)路線為理論空燃比+TWC。根據(jù)TWC的空燃比特性可知，TWC的最高催化轉(zhuǎn)化效率發(fā)生在理論空燃比附近，而在發(fā)動機實際運行時，由于氧傳感器的響應(yīng)時間、噴嘴工作響應(yīng)時間、發(fā)動機控制模式發(fā)生變化等客觀因素影響，極易引起空燃比波動。當(dāng)發(fā)動機缸內(nèi)混合氣處于較稀薄狀態(tài)時，CO和THC的催化轉(zhuǎn)化效率較高，但是NOx的催化轉(zhuǎn)化效率下降；反之，NOx的催化轉(zhuǎn)化效率一直處于較高水平，但是CO和THC的催化轉(zhuǎn)化效率迅速下降[8]。這與Xi等[9]研究相一致，即當(dāng)發(fā)動機過量空氣系數(shù)略小于理論空燃比，在0.99附近時甲烷的轉(zhuǎn)化率接近100%，而過量空氣系數(shù)在1.02附近時甲烷轉(zhuǎn)化率降至30%左右。因此，在發(fā)動機開發(fā)時通常將發(fā)動機過量空氣系數(shù)設(shè)置在0.98～0.99范圍內(nèi)，以保證TWC處于高效工作區(qū)間。但是在排放測試過程中，發(fā)動機主要是在瞬態(tài)工況下運行，其過量空氣系數(shù)有一定的波動，對TWC的工作效率有較大的影響。因此有必要分析發(fā)動機在兩種不同排放測試循環(huán)下過量空氣系數(shù)波動情況。

當(dāng)前天然氣發(fā)動機通常采用寬裕氧傳感器對過量空氣系數(shù)進行閉環(huán)控制。寬裕氧傳感器通過檢測發(fā)動機尾氣中氧含量并轉(zhuǎn)化為電信號反饋到發(fā)動機控制單元(Electronic Control Unit，ECU)中，發(fā)動機ECU經(jīng)內(nèi)部計算可提供有效的發(fā)動機過量空氣系數(shù)[10]。同時，在發(fā)動機開發(fā)時利用臺架上空氣流量計和天然氣流量計對發(fā)動機ECU計算出的發(fā)動機過量空氣系數(shù)進行校對，經(jīng)發(fā)動機臺架數(shù)據(jù)計算出的過量空氣系數(shù)與發(fā)動機ECU計算值相吻合，因此認(rèn)為ECU計算的過量空氣系數(shù)是準(zhǔn)確的，所以在本試驗中發(fā)動機過量空氣系數(shù)通過天然氣發(fā)動機控制程序采集。

圖5示出了兩種不同排放測試工況下過量空氣系數(shù)的瞬時變化曲線。由圖5可知，發(fā)動機在進行WHTC排放循環(huán)測試時，發(fā)動機的過量空氣系數(shù)波動較小且在偏濃的狀態(tài)下占比較多，TWC在高效區(qū)間工作。在進行整車PEMS道路測試時，由2.1節(jié)可知整車在運行時倒拖運行頻繁，發(fā)動機在燃?xì)馇袛嗄Ｊ较逻\行，此時氧傳感器反饋值較小，甚至接近于0，發(fā)動機過量空氣系數(shù)波動較大，也因此對TWC的催化轉(zhuǎn)化效率產(chǎn)生較大的影響。李志軍等[11]研究發(fā)現(xiàn)，過量空氣系數(shù)在0.96～1.04，波動頻率為0.5 Hz的條件下，空燃比波動的振幅越大，TWC可以越快起燃。但是在整車道路PEMS排放循環(huán)測試時，過量空氣系數(shù)的波動比較隨機，沒有固定的頻率，所以無法促進TWC的快速起燃，對車輛排放有較大的影響。

圖5 WHTC循環(huán)和PEMS測試循環(huán)下發(fā)動機過量空氣系數(shù)對比

2.5 排放結(jié)果分析

2.5.1 THC排放

發(fā)動機在臺架進行WHTC循環(huán)排放測試時THC的比排放量為0.16 g/(kW·h)，整車PEMS實際道路排放值為0.19 g/(kW·h)，圖6示出了兩種測試方法下THC的瞬時變化曲線。在起動階段兩種測試方法測得的THC排放較高，這主要是因為此時發(fā)動機過量空氣系數(shù)小于1，缸內(nèi)混合氣處于較濃狀態(tài)，發(fā)動機缸壁溫度較低并且缸內(nèi)混合氣燃燒不完全，缸內(nèi)潤滑油吸附、狹隙效應(yīng)、壁面冷激效應(yīng)等導(dǎo)致THC排放量較高[12]。而在進行整車實際道路測試時，排氣管及催化器處于開放環(huán)境下，排氣溫度上升較慢，TWC的催化轉(zhuǎn)化效率較低，導(dǎo)致整車實際道路PEMS排放測試值更高。

圖6 WHTC循環(huán)和PEMS測試循環(huán)THC瞬時排放對比

另外，根據(jù)陳林[13]研究可知，當(dāng)發(fā)動機缸內(nèi)混合氣過量空氣系數(shù)在1.1～1.2范圍內(nèi)時，THC排放最?。蝗绻^量空氣系數(shù)超出此范圍，發(fā)動機缸內(nèi)燃燒惡化或者發(fā)生失火問題，導(dǎo)致THC排放反而增加。由圖5可知，整車PEMS實際道路排放測試時發(fā)動機過量空氣系數(shù)波動大，導(dǎo)致發(fā)動機尾氣THC原始排放值較高，同時過量空氣系數(shù)的波動使TWC的工作效率也較低，導(dǎo)致整車實際道路PEMS排放測試時排放值偏高。而發(fā)動機在進行WHTC循環(huán)排放測試時，過量空氣系數(shù)波動較小且略小于1，缸內(nèi)溫度和排氣溫度上升較快，生成THC的條件破壞，同時TWC的催化轉(zhuǎn)化效率較高，所以THC的排放值較小。

隨著排放測試的進行，發(fā)動機進入正常行駛狀態(tài)，特別是在高速路段，發(fā)動機缸壁溫度升高，TWC的催化轉(zhuǎn)化效率較高，發(fā)動機排放較穩(wěn)定，THC的排放值減少，THC的瞬時排放在100×10-6以下；但是車輛無論是在市郊還是高速階段行駛，均容易受到外界影響，如車輛帶擋滑行、擋位變換等，對發(fā)動機排放有一定的影響，因此整車PEMS實際道路排放值呈現(xiàn)出一定的波動，但是THC瞬時排放值較低。

2.5.2 CO排放

發(fā)動機臺架WHTC循環(huán)和整車實際道路PEMS排放測試的CO比排放量分別為0.213 g/(kW·h)和0.267 g/(kW·h)，圖7示出了兩種排放測試循環(huán)下CO的瞬時變化曲線。

圖7 WHTC循環(huán)和PEMS測試循環(huán)CO瞬時排放對比

從圖7可以看出，WHTC排放測試時，CO的排放峰值出現(xiàn)在冷起動階段，最高為1 200×10-6；而整車排放在冷起動階段CO的排放值也比較高，車輛在市郊或者市區(qū)工況下運行時CO排放峰值高達1 479×10-6，整體排放水平相對較高。在起動階段兩種排放測試循環(huán)下CO排放均比較高，主要是因為在起動階段，為了使發(fā)動機快速到達正常溫度，通常使發(fā)動機缸內(nèi)燃?xì)馓幱谶^濃狀態(tài)，而CO生成受過量空氣系數(shù)影響較大，因此發(fā)動機尾氣中的CO排放值較高[12]。在整車PEMS排放測試時，在2 800 s前主要是在市區(qū)和市郊運行，車輛運行受道路狀況影響較大，容易發(fā)生車輛頻繁起停、扭矩變化頻繁等現(xiàn)象，過量空氣系數(shù)也隨之變化，TWC工作效率的波動較大，導(dǎo)致CO的排放量較高[13]。但是除部分工況外，兩種排放測試工況下大部分工況的CO排放均在450×10-6以下。

2.5.3 NOx排放

圖8示出兩種發(fā)動機排放測試循環(huán)下NOx瞬時排放濃度對比。從圖8可以看出，發(fā)動機臺架WHTC排放循環(huán)下的NOx排放在起動時較高，進入后續(xù)工況后排放也會出現(xiàn)波動，但是整體排放較低。這與馮謙等研究結(jié)果一致，也即發(fā)動機扭矩發(fā)生變化時NOx排放量上升[1]。發(fā)動機在起動階段排氣溫度較低，缸內(nèi)天然氣較多，混合氣燃燒溫度較高，TWC催化轉(zhuǎn)化效率較低，所以NOx排放量較高[14-15]。待發(fā)動機到達正常狀態(tài)后，發(fā)動機WHTC循環(huán)測試下過量空氣系數(shù)波動較小，TWC的催化轉(zhuǎn)化效率提升，發(fā)動機NOx排放量較低。在整車實際道路排放測試時，車輛在市區(qū)車速較低且發(fā)動機扭矩變化頻繁，當(dāng)車輛在加速行駛時發(fā)動機缸內(nèi)混合氣處于過濃狀態(tài)，缸內(nèi)溫度較高，NOx生成量較高[13,16]。TWC也因發(fā)動機排氣溫度上升緩慢、過量空氣系數(shù)等原因?qū)е鹿ぷ餍式档?，所以整車PEMS的NOx排放略高。

圖8 WHTC循環(huán)和PEMS測試循環(huán)下NOx瞬時排放對比

3 結(jié)論

a) 兩種發(fā)動機排放測試工況對比，發(fā)動機臺架WHTC循環(huán)下怠速占比比整車實際道路PEMS排放測試高10.11%，平均扭矩比整車PEMS排放測試循環(huán)低304 N·m，因此兩種排放測試工況的差異使同一發(fā)動機的排放值表現(xiàn)出一定的差異；

b) 兩種排放測試方法下污染物排放值均滿足國Ⅵ法規(guī)限值要求，但是發(fā)動機臺架WHTC循環(huán)比排放值較低；兩種排放測試方法可有效地測試天然氣發(fā)動機排放值，但是PEMS測試值遠低于法規(guī)限值，可考慮在未來排放標(biāo)準(zhǔn)中加嚴(yán)整車實際道路的排放限值；

c) 發(fā)動機在開發(fā)標(biāo)定時，應(yīng)結(jié)合WHTC循環(huán)和PEMS排放測試的工況，特別是在天然氣發(fā)動機車輛的起動階段、加減速以及過量空氣系數(shù)波動較大時和TWC低溫下控制發(fā)動機排放，以保證發(fā)動機排放滿足要求。