楊神林
【摘 要】為驗證顆粒捕集器(DPF)后處理系統(tǒng)的重型柴油發(fā)動機在《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物限值及測量方法(臺架工況法)》規(guī)定的WHTC試驗循環(huán)下的污染物排放,選用了一臺國五排放的重型柴油發(fā)動機進行了ETC、WHTC循環(huán)的對比試驗研究。研究表明,采用DPF技術(shù)的重型國五柴油發(fā)動機,能滿足臺架工況法規(guī)定的WHTC循環(huán)下的排放限值要求,在DPF不再生時,ETC、熱態(tài)WHTC、冷態(tài)WHTC這三個循環(huán)相比,氮氧化物(NOX)排放增加,排氣溫度降低,燃料消耗量增加;在DPF再生時,熱態(tài)WHTC循環(huán)下,發(fā)動機及后處理系統(tǒng)工作較為惡劣,總體燃燒不好,造成與再生時的ETC循環(huán)相比NOX偏低,其他污染物全部大幅度升高。
【關(guān)鍵詞】重型汽車;柴油發(fā)動機;排放;顆粒捕集器;WHTC;ETC
為改善空氣污染狀況,北京、上海等地相繼對公交、環(huán)衛(wèi)、郵政用途的重型汽車提前實施國四排放標(biāo)準(zhǔn),由于公交車行駛在低溫低速的城市工況下,選擇性催化還原系統(tǒng)(SCR)不能正常工作,導(dǎo)致車輛氮氧化物(NOX)排放嚴(yán)重超標(biāo)。
造成這一問題的原因在于,現(xiàn)行的排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的瞬態(tài)試驗循環(huán)(European Transient Cycle,ETC)與城市公交實際運行情況相比,發(fā)動機平均負(fù)荷相對較高,平均排氣溫度也較高,造成發(fā)動機生產(chǎn)企業(yè)在開發(fā)新發(fā)動機時時基本沒有考慮低溫、低負(fù)荷的工況,以至于在實際的低溫低負(fù)荷的城區(qū)工況中運行時,會產(chǎn)生很高的NOX排放。而全球統(tǒng)一的重型發(fā)動機瞬態(tài)試驗循環(huán)(World Harmonized Transient Cycle, WHTC),在發(fā)動機平均轉(zhuǎn)速、平均功率、怠速時間、排氣溫度等方面,與目前實際城市車輛運行工況吻合較好。為了解決城市車輛低速低溫工況氮氧化物超標(biāo)問題,并在國五排放標(biāo)準(zhǔn)實施前修補現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)的漏洞,環(huán)境保護部組織相關(guān)專家進行研究,引入WHTC循環(huán)作為新標(biāo)準(zhǔn)的試驗工況,編制了新的重型汽車排放標(biāo)準(zhǔn),即《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物限值及測量方法(臺架工況法)》。
國五排放重型柴油發(fā)動機主要有兩種技術(shù)路線,EGR+DOC+DPF和缸內(nèi)凈化+SCR,由于在編制標(biāo)準(zhǔn)過程中,主要研究對象是SCR技術(shù)路線的重型柴油車,因此,本文將以EGR+DOC+DPF技術(shù)路線為研究對象,對重型國五排放柴油車瞬態(tài)試驗循環(huán)進行對比研究。
1.試驗循環(huán)
1.1 ETC循環(huán)
我國于2005年頒布的GB17691-2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法的國家標(biāo)準(zhǔn),采用了歐盟標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的ETC試驗循環(huán)來測量發(fā)動機的氣態(tài)污染物排放。歐盟瞬態(tài)循環(huán)是在重型車實際道路行駛工況測量的基礎(chǔ)上研究而成的,有測功機和發(fā)動機臺架兩種表現(xiàn)形式,循環(huán)總時長共1800秒,根據(jù)不同的駕駛環(huán)境,分成城市、郊區(qū)和高速三部分,每部分時長600秒。
1.2全球統(tǒng)一的重型發(fā)動機瞬態(tài)試驗循環(huán)(World Harmonized Transient Cycle,WHTC)
在WP29的框架下,UN ECE GRPE工作組制定了第4號全球技術(shù)法規(guī)(GTR 04)《全球統(tǒng)一的重型車測試規(guī)程(WHDC)》, 該法規(guī)充分考慮了世界各地的道路情況,試驗工況由歐盟、美國、日本、澳大利亞等地區(qū)的典型路面駕駛工況總結(jié)而成,整個工況也是1800秒,市區(qū)、市郊和高速分別約為892秒、468秒、440秒。
排放試驗時,首先進行一個完整的冷啟動WHTC 測試,緊接著是10 分鐘的熱浸時間(發(fā)動機關(guān)閉并且不采集數(shù)據(jù)),然后一個熱啟動的WHTC 測試。發(fā)動機最終的排放值由冷啟動和熱啟動加權(quán)計算而來,冷啟動的加權(quán)系數(shù)為14%,熱啟動的加權(quán)系數(shù)為86%。
1.3試驗設(shè)備和樣機
試驗設(shè)備為AVL AFAT490交流電力測功機、Horiba MEXA-7200D排氣分析儀和HoribaDLS-7200E顆粒采集系統(tǒng)。
選用5H型重型柴油發(fā)動機作為試驗樣機,該發(fā)動機排量2.2L,直列四缸、四沖程,增壓中冷,高壓共軌,電控EGR,后處理系統(tǒng)為DOC+DPF,滿足重型柴油國五排放水平。
2.試驗過程
由于此次之前,在國內(nèi)從未進行過DPF后處理系統(tǒng)的WHTC瞬態(tài)循環(huán)的排放試驗,不能確保DPF后處理系統(tǒng)在低速低溫的工況循環(huán)下能正常工作,因此,本次的試驗過程安排的首先要驗證發(fā)動機在ETC工況下的排放狀態(tài),在發(fā)動機工作正常的基礎(chǔ)上驗證熱態(tài)WHTC循環(huán)下的排放結(jié)果,確保能在熱態(tài)WHTC循環(huán)下正常工作,最后,開始進行冷態(tài)WHTC循環(huán)排放試驗。同時,根據(jù)DPF后處理系統(tǒng)周期再生的特性,安排整個試驗過程。
發(fā)動機冷啟動后進行熱機,達到廠家設(shè)定工作條件后,檢查發(fā)動機外特性,分別開始DPF不再生與再生情況下的ETC循環(huán)的排放試驗;停機進行20分鐘熱浸車,同時計算ETC工況下的排放結(jié)果并核實發(fā)動機狀態(tài);分別開始DPF不再生與再生情況下熱態(tài)WHTC循環(huán)的排放試驗,停機,并計算熱態(tài)WHTC循環(huán)的排放結(jié)果;發(fā)動機冷卻至第二天,發(fā)動機冷啟動后,立即進行冷態(tài)WHTC循環(huán)的排放試驗。
3.試驗結(jié)果及分析
3.1 排放試驗結(jié)果
重型柴油發(fā)動機排放試驗測量CO、NOX、THC、PM這4種排放污染物,ETC、冷態(tài)WHTC、熱態(tài)WHTC三種試驗循環(huán),同時附上CO2、排氣溫度的試驗結(jié)果。
3.2排放試驗結(jié)果分析
比較兩個循環(huán),我們可以發(fā)現(xiàn),WHTC循環(huán)與ETC循環(huán)的平均轉(zhuǎn)速分別為2369r/min、1786r/min,工況整體偏向低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷。兩個循環(huán)相比,WHTC比ETC的平均轉(zhuǎn)速低580r/min,循環(huán)功低5.5kW,循環(huán)累計油耗降低1.7kg,平均排氣溫度降低55℃。
從試驗結(jié)果可以看出,WHTC循環(huán)比ETC循環(huán)NOX排放增加15-20%左右,冷態(tài)WHTC循環(huán)下NOX排放更高。WHTC循環(huán)下的NOX排放比ETC循環(huán)高16.6%,冷態(tài)WHTC循環(huán)NOX排放比ETC循環(huán)高35.9%,冷態(tài)WHTC循環(huán)NOX排放比WHTC循環(huán)高16.5%。
由于DPF系統(tǒng)的優(yōu)勢,無論在ETC、WHTC、冷態(tài)WHTC的循環(huán)下,該發(fā)動機的后處理系統(tǒng)都能正常工作,對PM處理非常理想,各種循環(huán)下PM絕對值變化不大。但是,再生時WHTC循環(huán)發(fā)動機及后處理系統(tǒng)工作較為惡劣,總體燃燒不好,造成與再生時ETC相比NOx偏低,其他污染物全部大幅度升高,WHTC循環(huán)比ETC循環(huán)CO2排放偏高6%左右,即油耗升高。
4.結(jié)論
通過重型柴油發(fā)動機冷熱態(tài)WHTC循環(huán)和ETC循環(huán)排放試驗,并對排放污染物試驗結(jié)果進行分析,可以得出以下結(jié)論:
(1)顆粒捕集器(DPF)后處理系統(tǒng)的重型柴油發(fā)動機,能滿足《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物限值及測量方法(臺架工況法)》規(guī)定的WHTC試驗循環(huán)下的污染物排放限值要求。
(2)在DPF不再生時,ETC、熱態(tài)WHTC、冷態(tài)WHTC這三個循環(huán)相比,氮氧化物(NOX)排放增加,排氣溫度降低,燃料消耗量增加;在DPF再生時,熱態(tài)WHTC循環(huán)下,發(fā)動機及后處理系統(tǒng)工作較為惡劣,總體燃燒不好,造成與再生時的ETC循環(huán)相比NOX偏低,其他污染物全部大幅度升高。
(3)考慮到WHTC循環(huán)整體工況情況,在WHTC循環(huán)下運行可能會導(dǎo)致DPF后處理系統(tǒng)的再生周期縮短,這一點有待后續(xù)驗證。 [科]
【參考文獻】
[1]DB11/964-2013.車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物限值及測量方法(臺架工況法).
[2]GB17691-2005.車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中圖III、IV、V階段).