国四轻卡柴油机满足WHTC排放限值的策略及实验研究

郭华锋　腾　和　危　亮　骆旭薇　廖善彬　赵立林（江铃汽车股份有限公司发动机开发部江西南昌330001）



国四轻卡柴油机满足WHTC排放限值的策略及实验研究

郭华锋腾和危亮骆旭薇廖善彬赵立林
（江铃汽车股份有限公司发动机开发部江西南昌330001）

对某款排量为3L的国-IV轻卡柴油发动机满足WHTC排放的技术路线进行了台架试验研究。试验机配置有EGR-DOC-POC排放控制系统。针对WHTC的循环特性及排放限值的挑战，提出如下减少试验机WHTC排放的控制策略：1）优化各WHTC工况点的喷油提前角，EGR率，EGR响应及轨压以减少燃烧中NOx的生成；2）对高颗粒排放工况增加后喷，通过优化后喷参数使在主喷油期生成的大部分颗粒及其它不完全燃烧产物在缸内氧化；3）对加速工况设置烟度限制以减少加速时瞬态喷油量和缸内空气量的不同步性，使燃烧得以在较高的瞬态过量空气系数下进行，从而有效地抑制加速工况碳烟的生成。试验机在实施优化控制策略后，冷态和热态试验均满足WHTC排放的限值，冷热循环的加权平均后的颗粒排放仅为0.028 g/（kW·h），低于北京市和环保部的限值0.030 g/（kW·h）。台架试验数据证明，提出的排放优化策略是可行及实用的。

国IV排放增压柴油机WHTC循环后喷标定优化

引言

随着中国经济的快速发展，能源消耗量也不断地随之增加。作为工业发展的副产品，环境污染也随之不断加重。近年来，中国主要大城市的空气质量不断恶化，频繁出现重雾霾天气。车辆发动机尾气排放中的氮氧化合物（oxides of nitrogen or NOx），碳氢化合物（hydrocarbons or HC）与颗粒（particular matter or PM）是形成城市雾霾天气的重要空气污染源成分［1］。为了减少城市空气污染，净化环境，北京市和环保部先后发布了限制城市车辆发动机排放的新标准DB11/964-2013和HJ689-2014。在这两个标准中，作为降低城市雾霾的排放法规措施，World Harmonic Transient Cycle（WHTC）被作为对城市车辆发动机的补充排放试验循环。新的国家标准HJ689-2014作为2005年发布的国家标准GB17691-2005的补充，适用于国-IV/V车用发动机排放限值及测量方法。

WHTC循环由联合国欧洲经济委员会污染与能源专家工作组（UN-ECE-GRPE）提出作为适用于全球的重型柴油机排放的一个试验测试循环［2］。TNO Science and Industry［3］和International Council on Clean Transporation（ICCT）［4］对WHTC循环的排放特性进行了较详细的试验研究。在欧-VI排放测试规范中WHTC循环做为重型柴油机的排放测试循环取代了应用于欧-IV/V的European Transient Cycle（ETC）循环［3-4］。

WHTC循环和ETC循环的不同在于以下三个方面：

1）发动机的平均转速和负荷不同；

2）增加了附加的冷启动（cold start）试验；

3）增加了附加的5～10 min的车辆热浸（hot soak）试验。

循环排放是冷热循环的加权平均。WHTC循环的低速低负荷工况较ETC循环大幅度增加，循环平均转速和负荷仅相当于ETC循环的60%左右，怠速在循环中所占比例增加近2.8倍。这些变化增加了对发动机排放控制的要求［3-7］。

如何满足国-IV/V阶段WHTC排放是每一个相关车企都面临的挑战。最近，国内一些部门和学者对国-IV/V柴油机的WHTC循环排放性能进行了实验研究：如济南汽车检测中心对多个不同排量的配备SCR（selective catalytic reduction catalyst）后处理的国-IV/V柴油机进行了WHTC和ETC的对比［7］；孙国华等人对配备SCR后处理的国-V公交车柴油机进行了WHTC循环下的发动机尾气排放研究［8］；李来群报告了对排量为4.8L（SCR控制NOx）和3L（废气再循环控制NOx）的国-IV柴油机满足WHTC循环排放的标定策略及分析［9］。这些研究为了解国-IV/V柴油机的WHTC循环排放性提供了基础。

在上述工作的基础上，本研究对应用于轻卡的小排量国-IV柴油机在WHTC循环的排放特性做进一步的探讨，并对轻卡发动机满足WHTC排放面临的挑战和技术路线进行可行性分析。

表1　试验发动机特性参数

图1　发动机配置示意图

1　试验发动机及后处理系统

本研究选用的试验发动机是江铃汽车股份有限公司的一款3L国-IV高增压柴油机，其系统特性参数列于表1。图1给出了该机的废气再循环（exhaust gas reculation or EGR）系统，DOC（diesel oxidation catalyst）和POC（particle oxidation catalyst）后处理系统的布置示意图。实验研究的主要目的是通过台架实验探讨国-IV轻卡柴油机满足WHTC排放的控制策略。基本技术路线是通过优化EGR和VGT （variable geometry turbine）控制策略来达到NOx排放目标和发动机油耗指标，预喷策略来降低发动机噪声水平，及在WHTC排放区增加后喷降低PM值［10］。

2　WHTC循环排放的挑战

北京市和环保部对第四阶段WHTC循环排放的限值列于表2。作为比较，环保部对第四阶段ETC循环排放的限值也同表列出。可以看出，各标准对第四阶段发动机排放限值的主要区别是NOx排放。

表2　北京市和环保部WHTC排放限值比较

图2比较试验发动机对应的WHTC和ETC循环工况（每秒钟采集一次数据；负扭矩表示发动机倒拖）。可以看出，较之ETC循环，WHTC循环低速低负荷的权重增加。按照试验机当前以ETC循环为基础的排放控制，要满足WHTC循环排放限值，必须对低速区域进行排放控制修正。与国内大多数中小排量国四柴油机相同，试验发动机采用EGR+DOC +POC的排放控制技术（如图1所示）。各工况NOx排放由通过EGR阀的开度来提供所需EGR率控制，因此在低温下NOx的标定并不是难点。由于WHTC排放包含冷启动试验部分，主要挑战是在冷机条件下的不完全燃烧产物排放：冷机工况燃烧不完善度增加，低排温又导致后处理转化效率恶化，因此一氧化碳（CO）和HC排放会大幅度增加；由于低温条件下燃料在缸内蒸发困难，PM也相应提高。因此降低CO，HC和PM是采用EGR+DOC+POC的排放控制技术的中小排量国-IV柴油机满足WHTC排放限值的挑战。

图2　　试验发动机WHTC和ETC工况比较

3　满足WHTC排放限值的策略

3.1降低WHTC循环排放的控制策略

针对WHTC的循环特性及排放限值的挑战，本研究提出如下控制策略以减少试验机的WHTC排放：

1）对低速部分负荷工况NOx的控制：推迟主喷油提前角，增加EGR率及优化轨压以降低缸内工质在燃烧过程中的温度升高率和最高温度，以减少燃烧中NOx的生成；

2）对低温部分负荷工况PM/HC/CO的控制：在主喷完成后增加后喷（post injection；欧洲文献也称after injection），通过控制后喷燃烧使在主喷油期生成的PM大部分得以在缸内氧化；后喷带来的排温提高也有助于提高DOC和POC的转换效率；

3）对瞬态加速工况PM的控制：加速工况由于增压器的响应滞后（turbo lag），空气量的响应滞后于喷油量响应，使加速时缸内混合气瞬态过量空气系数下降；局部混合气因氧气不足产生的不完全燃烧导致PM生成。考虑空气和喷油在加速时的不同步性，在标定策略中增加烟度限制，根据空气的响应调节喷油，尽可能避免在过低的局部空-燃比条件下燃烧，减少加速工况PM的生成。

3.2低速部分负荷工况NOx排放的控制

试验机配置有外部冷却EGR系统（如图1所示）。各工况所需的EGR率由电控EGR阀控制。控制WHTC循环区的NOx排放除了优化喷油提前角，EGR率及轨压外，还必须优化EGR在WHTC循环区的瞬态响应及稳定性才能有效地减少WHTC循环区的NOx排放。

3.3低温工况PM/HC/CO排放的控制

试验机配置的Bosch高压共轨喷油系统可实现多次喷油，因而可以支持本研究的排放控制策略。图3显示出和本研究有关的喷油窗口。后喷主要是为氧化或烧掉主喷油期产生的PM和不完全燃烧气体产物而设置［10］。对不同负荷和转速调节后喷对应的时间窗口，喷油压力和喷油量，可以更有效地处理PM、HC和CO。

图3　喷油系统多次喷油窗口示意图

根据WHTC和ETC工况转速范围（如图2所示），试验机的排放控制区由ETC循环对应的1 800 r/min到3 000 r/min调整到WHTC循环对应的1 180 r/min到3 000 r/min，并在低速区根据不同负荷和转速增加后喷，以在缸内尽可能多地氧化主喷油期生成的PM，HC和CO，减少发动机原排（engine-out emissions）。在WHTC循环负荷点密集的转速区（1 600 r/min到2 403 r/min），对后喷的喷油量进行优化以同时兼顾减排和发动机经济性。

3.4加速工况PM排放的控制

通过对柴油机的PM的质量构成分析，Teng和Bernard［11］指出：PM的主要质量来自碳粒（soot）的贡献；鉴于排放法规主要是针对发动机污染物的质量排放，对PM的质量排放控制可以通过对碳粒的质量排放控制来把控。柴油机的碳粒排放和滤纸烟度（filter smoke number or FSN）存在对应关系。

图4所示是本文作者根据试验数据得出的碳粒质量排放和滤纸烟度（以下简称烟度）的经验关系，它和Northrop等［12］测定的碳粒浓度（mg/m3）和烟度（FSN）的关系基本一致。通过对在不同燃烧温度和过量空气系数条件下碳烟生成的分析，Kitamura等［13］指出，提高过量空气系数可以有效地抑制碳烟的生成。

图4　柴油机碳粒排放和烟度的对应关系

图5是根据Kitamura等人报告的数据生成的缸内局部均匀混合气中碳烟、过量空气系数和燃烧温度的关系。可以推论，在给定的油束雾化和缸内湍流条件下，提高加速工况的瞬态过量空气系数可以有效地降低加速工况碳烟的生成，进而抑制PM的生成。

图5　局部过量空气系数和碳烟生成的关系

根据以上分析，对WHTC循环排放区域PM的控制可以通过对烟度控制实现。在本研究中，提高瞬态工况过量空气系数的方法通过减少瞬态油量实现，即在不影响发动机动力的前提下减少相同空气量对应的瞬态喷油量。通过优化标定，尽可能地提高加速工况的瞬态过量空气系数，降低燃烧中的碳烟，消弱缸内PM的生成条件，从而满足在WHTC排放区域中PM的限值。控制瞬态工况喷油量必须考虑加速工况增压压力波动引起的进气量波动，即有效地控制加速工况碳烟生成必须同时优化喷油和增压压力。

图6所示为测量的瞬态喷油量和增压压力：上图显示在优化前较小的瞬态增压压力波动就可诱发较大的喷油量振荡，导致瞬态过量下降，燃烧恶化；下图显示优化后，在不影响发动机动力的前提下，与优化加速时的增压压力，使其变化较为平顺，减少了瞬态增压压力波时的喷油量。优化后加速工况混合气的过量空气系数提高，有利于降低缸内碳烟和PM的生成。

4　试验结果

图8为WHTC循环标定优化过程的3个基本步骤中烟度的变化情况（对应图中a～c）。3个步骤分别

图7　某柴油机排气的滤纸烟度和不透光度的关系

图8　优化过程中WHTC工况点烟度变化

试验分为两步进行：首先在江铃汽车股份公司（JMC）发动机试验室的高性能Horiba台架上确定标定控制策略，然后在重庆检测中心的排放台架对确定的控制策略进行验证。标定优化的主要依据是试验机在WHTC循环对应的烟度。各瞬态工况对应的烟度值由AVL439不透光式烟度计（Opacimeter）［14］测量。不透光式烟度计对烟度的表示以不透光度（或吸收率，absorption coefficient）给出，它和滤纸烟度（FSN）的关系一般是非线性的。

图7是根据文献［15］报道的某柴油机数据关联的由AVL 415烟度计（Smoke meter）测量的滤纸烟度和由AVL 439不透光式烟度计测量的不透光度的关系。虽然滤纸烟度和不透光度存在确定的关系，不透光式烟度计动态响应好［15］，因而更适合于本研究对WHTC循环烟度的动态控制的标定。对不同参数进行优化标定。

步骤1：对整个map的主喷喷油提前角、过量空气系数及轨压的优化；

步骤2：在上述优化基础上在1 200～1 600 r/min的低转速区增加后喷并优化后喷参数；

步骤3：优化EGR在WHTC循环区的瞬态响应及稳定性，在此基础上对整个map的烟度值进行优化标定。

在图8a）到c）所示的不透光度气泡图中，对应工况点的不透光度大于0.06 m-1；气泡越大或颜色越重，对应的瞬态不透光度值就越大。

图9给出各优化阶段对应的最大瞬态烟度和PM排放，数字标识与图8对应。

图9　优化过程中WHTC的最大瞬态烟度值

表3给出在JMC台架试验和重庆汽研所台架试验WHTC循环排放的数据对比。在表3中，试验3是对喷油提前角，进气量与轨压进行优化后的排放结果：

1）优化将尾管PM排放由优化前的0.085 g/（kW·h）降低到0.064 g/（kW·h）；

2）试验4是在1 180到1 600 r/min转速区域增加后喷的排放结果：

3）后喷提高了PM的缸内氧化率，使尾管PM排放降低到0.042 g/（kW·h），优化后喷油量也使油耗减少近1%（限于篇幅，本文没有对优化过程中的油耗变化进行讨论）；

4）试验5是对EGR的瞬态响应，以烟度限制控制瞬态加速工况喷油量等参数优化后的排放结果。

可以看出，通过实施本研究的优化控制策略，尾管PM排放降低到0.029 g/（kW·h），略小于国-IV要求的WHTC排放限值。在重庆汽研所台架的验证试验显示，试验机在实施优化控制策略后，冷态和热态试验均满足国-IV要求的WHTC排放限值：冷热循环的加权平均后的PM排放为0.028 g/（kW·h），低于北京市和环保部的限值0.030 g/（kW·h）。试验结果说明本试验采取的优化策略是可行的，试验达到了预期目标。

表3　JMC和重庆汽研所台架排放数据对比

5　结论

本文针对WHTC的循环特性及排放限值对轻卡柴油发动机的挑战，提出以下控制WHTC排放的策略：

1）通过优化WHTC工况点的主喷油提前角，EGR率及EGR响应及轨压减少燃烧中NOx的生成。

2）对高PM工况采用后喷技术，并通过优化后喷参数使在主喷油期生成的PM大部得以在缸内氧化。

3）在加速工况设置烟度限制值来减少加速瞬态进入缸内的空气量和喷油量的不协调性，使加速过程对应的燃烧有较高的瞬态过量空气系数，减少PM的生成。

台架试验表明，上述控制策略可有效地减少试验机的WHTC排放。优化喷油提前角，EGR率及轨压将尾管PM排放较优化前降低了25%；采用后喷技术及优化后喷参数使尾管PM排放进一步降低了34%；在上述基础上优化EGR率及用烟度限制控制加速工况瞬态燃烧的空-燃比，可使尾管PM排放最终降低到0.029 g/（kW·h），满足国-IV要求的WHTC排放限值。试验机在实施优化控制策略后，冷热循环的加权平均后的PM排放仅为0.028 g/（kW·h），低于北京市和环保部的限值0.030 g/（kW·h）。试验结果表明，本试验提出的满足WHTC排放限值的优化策略对轻卡柴油发动机是可行和实用的。

1腾和，胡庭军，廖善彬，等.汽油机直喷增压技术应用于轻卡、轻客对减少中国城市空气污染的作用［C］//.SAE 2013 Energy Saving Emission Reduction Forum_Shanghai.上海：2013

2United Nations.Development of a world-wide harmonised heavy-duty engine emissions test cycle［EB/OL］.http：//www. unece.org/fileadmin/DAM/trans/doc/2001/wp29grpe/TRANSWP29-GRPE-42-inf02.pdf

3TNO Science and Industry.Correlation factors between European and world harmonic test cycles for heavy-duty engines［EB/OL］.http：//www.pedz.uni-mannheim.de/daten/ edz-h/gdb/08/report_whtc_correlation.pdf

4International Council on Clean Transportation（icct）.Urban off-cycle NOx emissions from Euro-IV/V trucks and buses ［EB/OL］.http：//www.theicct.org/sites/default/files/publications/ICCT_WP18_urban_Nox_emissions.pdf

5Vressner，A.，Gabrielsson，P.，Gekas，I.，et al.Meeting the EURO-VI NOxemission legislation using a EURO-IV base engine and a SCR/ASC/DOC/DPF configuration in the World Harmonized Transient Cycle［C］.SAE Paper 2010-01-1216

6May，J.，Bosteels，D.，Such，C.，et al.Heavy-duty engine particulate emissions：Application of PMP methodology to measure particle number and particulate mass［C］.SAE Paper 2008-01-1176

7济南汽车检测中心.北京市重型整车及其发动机第五阶段排放标准制订情况介绍［EB/OL］．http：//wenku.baidu. com/view/84de67feaef8941ea76e05da.html，2012-09-21

8孙国华，杜骞，蒲雨新.WHTC循环评价城市中柴油车尾气排放性能的适应性研究［J］.小型内燃机与摩托车，2013，42（5）：10-13

9李来群.小排量柴油机WHTC试验研究［EB/OL］．http：// www.docin.com/p-864791147.html，2014-05-14

10Bosch.Diesel-Engine Management，3rd edition［M］.SAE International，2004

11Teng，H.，Bernard，M.Physicochemical characteristics of soot deposits in EGR coolers［C］.SAE Paper 2010-01-0730

12Northrop，W.F.，Bohac，S.V.，Chin，J.Y.，et al.Comparison of filter smoke number and elemental carbon mass from partiallypremixedlowtemperaturecombustionina direct-injection diesel engine［J］.Journal of Eng.Gas Turbines Power，2011，133（10）：102804-6

13Kitamura，T.，Ito，T.，Senda，J.，et al.Mechanism of smokeless diesel combustion with oxygenated fuels based on the dependence of the equivalence ration and temperature on soot particle formation［J］.Internationl Journal of Engine Research，2002，3（4）：223-248

14AVL.AVL opacimeter［EB/OL］.www.avl.com/-/avl-opacimeter

15包帅善.柴油机烟度排放测试技术的发展［J］.柴油机设计与制造，2006，14（2）：281-288

Control Strategy for and Experimental Investigation on a China-IV LD Truck Diesel Engine to Meet WHTC Emission Limits

Guo Huafeng，Teng He，Wei Liang，Luo Xuwei，Liao Shanbin，Zhao Lilin
EngineResearch&DevelopmentDepartment，JianglingMotorsCo，Ltd（Nanchang，Jiangxi，330001，China）

An experimental investigation was conducted on a China-IV light-duty truck diesel engine for meeting WHTC emission limits.The engine emissions were controlled with EGR，and DOC and POC in the aftertreatment.Considering cycle characteristics and challenges in meeting WHTC emission limits，the following strategies were proposed：1）optimizing the injection advance，EGR rate as well as response，and common rail pressure for all WHTC load points to minimize NOxformation；2）employing after-injection and optimizing its parameters to load points with high PM to oxidize PM and other incomplete combustion products in the cylinder as much as possible；3）using an“in-situ smoke limit”as a measure to leverage fuel injection and air delivery by the turbo compressor in acceleration transients to achieve combustions with higher air-fuel ratios.With employing strategies aforementioned，the engine WHTC emissions in both hot and cold cycles met the regulations，with the composite PM emission being 0.028 g/kW.h＜0.030 g/kW. h regulated by Beijing City and Ministry of Environmental Protection of China.This demonstrated that the strategies proposed are practical.

China-IV，Turbocharged diesel engine，WHTC，After injection，Calibration optimization

U467.2+1

A

2095-8234（2015）06-0024-07

郭华锋（1981-），男，硕士研究生，主要研究方向为发动机性能燃烧开发与排放。

（2015-08-07）