中汽中心科研课题研究报告不同技术路线柴油机运行WHTC循环排放特性Emission Characteristic of Diesel Engines with Different Technical Routes Running WHTC Cycle课题编号：13142309承担部门：试验所课题负责人：尹超完成日期：2013年5月目录第一章研究背景和试验方案 (4)1.1 欧洲重型柴油车辆排放测试循环的发展 (4)1.2 北京市地方标准采用WHTC循环的背景 (6)1.3试验方案 (8)1.3.1 试验发动机和测试系统 (9)1.3.2 WHTC试验流程 (10)第二章SCR柴油机运行WHTC循环的排放特性 (12)2.1 试验发动机和研究内容 (12)2.2 WHTC与ETC排放对比 (12)2.2.1 潍柴WP5.200E40发动机WHTC与ETC排放对比 (12)2.2.2 福田戴姆勒OM457LA.IV/4发动机WHTC与ETC排放对比 (14)2.3 冷启动WHTC循环与热启动WHTC循环对比 (15)2.3.1 冷启动和热启动循环发动机运行状态差异 (15)2.3.2 冷启动和热启动循环发动机排放差异 (19)2.4 本章小结 (21)第三章DOC+POC柴油机运行WHTC循环的排放特性 (22)3.1 试验发动机和研究内容 (22)3.2 WHTC与ETC排放对比 (22)3.2.1雷沃IE4D160-e4EP发动机WHTC与ETC排放对比 (22)3.2.2扬柴YE4DB1-40发动机WHTC与ETC排放对比 (23)3.3冷启动和热启动循环发动机排放差异 (24)3.4 本章小结 (26)第四章DPF柴油机运行WHTC循环的排放特性 (27)4.1试验发动机和研究内容 (27)4.2 WHTC与ETC排放对比 (27)4.2.1福建奔驰651955发动机WHTC与ETC排放对比 (27)4.2.2卡特彼勒C18IVH发动机WHTC与ETC排放对比 (28)4.3冷启动和热启动循环发动机排放差异 (29)4.4 本章小结 (31)第五章总结与展望 (32)参考文献 (34)附件 (35)摘要本课题对采用SCR、EGR+DOC+POC，以及EGR+DOC+DPF三种不同技术路线的6台柴油机进行了DB11/964-2013规定的WHTC试验和GB17691-2005规定的ETC试验。
每种技术路线参与试验的发动机均为两台，其中一台满足GB17691-2005规定的ETC 试验国四限值，但尚未针对WHTC试验进行专门标定，另一台满足DB11/964-2013规定的WHTC试验第四阶段限值。
对比了不同后处理技术路线发动机进行WHTC试验和ETC试验的排放差异，冷启动和热启动WHTC循环发动机运行状态的差异，以及冷启动和热启动WHTC循环的排放差异，检测项目包括常规气态污染物和颗粒物。
试验结果表明：无论采用哪一种后处理技术路线，WHTC试验各种污染物的排放普遍高于ETC 试验；对于采用SCR后处理系统的发动机，SCR的主要作用是可以明显降低WHTC试验和ETC试验的NOx 排放，但ETC试验NOx的转化效率高于WHTC试验。
采用SCR或EGR+DOC+POC后处理系统的发动机，尽管满足GB17691-2005第四阶段ETC排放限值，但若不针对WHTC循环工况进行专门的标定，将难以满足DB11/964-2013第四阶段WHTC排放限值；采用EGR+DPF后处理系统的发动机，由于ETC试验排放本身很低，甚至满足GB17691-2005第五阶段限值，尽管WHTC试验排放有所增大，但依然较容易满足DB11/964-2013第四阶段限值。
冷启动和热启动WHTC循环发动机运行状态差异主要体现在机油温度、循环水温和排气温度三个参数上，其中机油温度和循环水温的差异主要体现在循环前600s，循环1000s以后二者基本无差异，排气温度的主要体现在循环的前400s，之后二者基本无差异。
无论采用哪一种后处理技术路线，冷启动WHTC循环各种污染物的排放普遍高于热启动WHTC循环，其中CO、THC和NOx 排放差异较大，发动机冷热状态对发动机PM排放影响较小。
关键词：柴油机；SCR；DOC+POC；DPF；WHTC第一章研究背景和试验方案1.1 欧洲重型柴油车辆排放测试循环的发展目前我国机动车排放法规主要沿用欧洲法规体系，欧洲自1988年4月起，开始以88/77/EEC指令控制装于总质量大于3.5吨柴油车辆的发动机排气污染物，基于发动机台架进行测试认证。
1991年10月发布91/542/EEC指令对88/77/EEC进行了修订，规定从1992年起分阶段实施欧Ⅰ和欧Ⅱ阶段排放法规。
1999年发布了1999/96/EC 的欧盟议会和理事会指令，该指令规定了欧Ⅲ、欧Ⅳ和欧Ⅴ各阶段排放标准以及EEV （增强型环境友好机）排放标准[1,2]。
2009年6月颁布595/2009（EC）指令，制定了欧Ⅵ阶段的排放法规[3]。
表1-1为各阶段排放法规的实施时间和排放测试循环。
表1-1 欧洲重型柴油车辆各阶段排放法规测试循环表1-2为稳态十三工况的循环定义，图1-1、图1-2分别为ESC和ETC的循环工况示意图，ESC为稳态循环、ETC为瞬态循环[4]。
表1-2 稳态13工况循环转 速 (r·min -1)扭 矩 (N ·m )图1-1 ESC 试验循环工况示意图020040060080010001200140016001800-20020*********扭矩（%）时间（s）2004006008001000120014001600180020406080转速（%）时间（s）图1-2 ETC 试验循环工况示意图表1-3和图1-3分别为WHSC 试验循环（稳态）和WHTC 的循环（瞬态）工况示意图。
WHSC 和WHTC 循环是WP.29（世界汽车法规协调论坛）下设的污染与能源工作组（GRPE ）考虑了欧盟、美国、日本和澳大利亚重型柴油车的典型实际行驶工况，根据9辆轻卡、20辆重卡、1辆卧铺车、18辆牵引车、11辆公交车的路谱数据来制定的，其尽可能真实的反映了世界范围内重型发动机道路实际运行情况[5]。
WHSC循环类似于ESC 循环，均为13个稳态工况组成；WHTC 循环类似于ETC循环，均为1800s 的瞬态试验工况。
表1-3 WHSC 试验循环20040060080010001200140016001800-20020*********扭矩（%）时间（s）020040060080010001200140016001800020*********转速（%）时间（s）图1-3 WHTC 循环工况示意图1.2 北京市地方标准采用WHTC 循环的背景北京市于2008年7月在全国范围内率先对公交、环卫和邮政等重型柴油车辆实施了国四阶段地方排放法规，2013年7月1日起，规定所有的重型车必须满足国四阶段排放法规[6]。
表1-4为北京市重型柴油车辆排放法规实施进程、各阶段的实施时间，以及所采用的排放测试循环。
表1-4 北京市重型柴油车辆排放法规实施情况由上表可知，北京市于2013年3月1日首次开始采用WHTC循环作为重型柴油车辆的排放测试循环。
在原有ESC和ETC排放测试循环基础之上增加WHTC循环的主要背景如下。
自2008年7月对公交环卫用途重型柴油车辆实施国四阶段排放法规以来，北京市环保局联合北京理工大学、中国汽车技术研究中心，通过车载排放测试设备（OBM）对公交环卫车辆的实际道路排放水平进行了大量的测试，测试对象覆盖满足国三和国四排放等级的车辆。
通过此方法考察过去几年国四排放法规实施效果时发现，部分满足国四阶段ESC和ETC循环排放限值的柴油车辆实际运行时的排放水平甚至高于满足国三阶段的柴油车辆[5]。
一方面，这是由于车辆实际运行时的发动机工况与法规认证要求的ESC和ETC 循环工况差别较大，制造商通过标定ESC和ETC循环工况的排放实现了较低的排放，但车辆实际运行时依然有很多工况不在ESC和ETC循环工况覆盖范围内，这些工况的排放由于没有法规的要求而未进行标定，排放较差，因此满足国四阶段排放法规的车辆，实际运行时排放水平不一定好于国三车辆。
另一方面，当前国四柴油机普遍采用了排气后处理装置，而装配大功率柴油机的公交车辆，其后处理主要采用SCR系统。
众所周知，当前SCR系统只有在发动机排气温度较高时，才能发挥较好的转化效率。
而公交车实际运行的工况负荷小、排温低，若不能实现对氮氧化物的有效转化，其排放水平极有可能比国三发动机更高。
为此，北京市于2013年3月1日颁布实施了地方标准DB11/964-2013《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物限值及测量方法(台架工况法)》，在原有ESC和ETC循环基础上，增加WHTC循环作为排放认证项目。
WHTC循环是欧Ⅵ重型柴油车排放法规的测试循环之一，相比于ESC和ETC循环，其工况更接近车辆的实际运行工况。
从而要求制造商对更接近公交环卫车辆实际运行的低负荷工况进行排放标定，有效的降低车辆实际运行时的排放。
表1-5为北京市公交实际道路工况与WHTC和ETC循环工况的对比情况[5]。
表1-5 北京市公交实际道路工况与WHTC和ETC循环工况的对比1.3试验方案当前为了满足国四阶段的排放法规，柴油机普遍采用了尾气后处理装置，后处理技术路线主要包括SCR、EGR+DOC+POC，以及EGR+DOC+DPF。
目前国内以SCR技术路线应用最为广泛，普遍应用于大、中、小各种功率段的柴油机，而EGR+DOC+POC 和EGR+DOC+DPF技术路线主要用于中小功率段的柴油机。
日美等国则以EGR+DOC+DPF 技术路线为主。
北京市地方标准DB11/964-2013《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物限值及测量方法(台架工况法)》出台以后，各种后处理技术路线柴油机都必须满足相应的WHTC循环排放限值后方可在北京市进行销售。
WHTC循环和ETC循环同为瞬态循环，但前者循环工况的平均转速和平均负荷都要小于ETC循环，循环功和循环平均排气温度会降低。
对于采用SCR技术路线的发动机，由于排温的降低SCR的转化效率会下降，NO排放可能会增大[7]；但对于xEGR+DOC+POC和EGR+DOC+DPF技术路线的柴油机，相关试验研究还比较少，有必要进行大量的对比试验来考察。
本课题对采用SCR、EGR+DOC+POC，以及EGR+DOC+DPF三种不同技术路线的6台柴油机进行了DB11/964-2013规定的WHTC试验和GB17691-2005规定的ETC试验。