重型车用发动机WHTC与ETC瞬态测试循环试验对比研究

针对我国原重型柴油机排放标准对道路实际工况覆盖不全面,尤其不能全面反映城市车辆长期低速低负荷状态,北京地标在原GB17691-2005基础上增加对城市用重型车的WHTC循环的要求。本文利用一台国IV排放水平的柴油机,试验分析了同是瞬态测试循环的WHTC与ETC工况点的差异,发动机负荷及工作状态的差异。总结了最终导致两个循环比排放量差异的原因,阐述了增加WHTC对改善城市车辆或发动机排放的意义,以及增加WHTC对排放后处理技术所形成的新的挑战。

基于WHTC循环的柴油机瞬态工况烟度排放研究

为了研究电控高压共轨柴油机的瞬态烟度排放,根据环保法规中要求的WHTC瞬态循环,将其转化成试验发动机循环工况。通过运行试验柴油机的WHTC循环试验,分析柴油机瞬态过程中烟度排放过大的原因。基于原因分析,建立瞬态轨压模块进行降烟度排放试验。通过提取WHTC循环片段标定瞬态轨压值进行验证。试验结果表明:通过标定瞬态轨压可以明显降低瞬态过程中的烟度排放,发动机整个WHTC循环烟度排放也能明显降低。

柴油机瞬态VNT开度优化研究

瞬态工况下,可变喷嘴涡轮增压器(Variable Nozzle Turbocharger,VNT)开度的调节对柴油机增压压力、扭矩响应及污染物排放具有较大影响。为优化瞬态工况下VNT开度,实现瞬态工况下柴油机与VNT的协调控制,该研究以配备VNT的高压共轨柴油机为对象,通过台架试验研究了不同转速下负荷1、3和5 s从0瞬变至50%、75%和100%时,不同VNT开度对柴油机瞬态性能及排放的影响。结果表明:2000 r/min下,负荷1、3和5 s从0瞬变至50%、75%、100%的过程中,VNT开度对负荷1 s瞬变工况的影响比3和5 s明显;随着VNT开度减小,增压压力响应时间逐渐缩短,扭矩响应时间先减小后增大。1600、2000和2600 r/min下,负荷1 s从0瞬变至75%的过程中,NOx体积分数先增大后减小,然后再逐渐增大趋于稳定;颗粒物数量(PN)峰值随VNT开度的减小而增大。综合考虑柴油机瞬态响应和排放,对全工况范围下柴油机的VNT开度控制进行优化,获得了柴油机瞬态工况下的优化VNT开度协调控制方案,并进行WHTC循环试验,结果表明:与原机相比,冷、热态下WHTC循环扭矩回归线的截距分别下降0.03和0.37,标准偏差分别下降0.11和1.07;WHTC冷、热态循环NOx比排放与原机相比分别下降7.59%和2.21%;颗粒物排放量(PM)下降8.64%和25.28%;PN下降6.74%和12.4%。研究结果可为柴油机瞬态工况下VNT的协调控制提供参考。

WHTC工况下PN10和PN23计数器粒子数排放测量差异分析

为探究当前主流的PN23计数器与更先进的PN10计数器测量结果差异,选取一台符合国Ⅵ排放标准的柴油发动机进行世界统一瞬态循环(World Harmonized Transient Cycle,WHTC)工况排放试验。该发动机可配置两套标定功率数据。使用最小测试粒径分别为23 nm和10 nm的粒子数(Particulate Number,PN)计数器同时测取PN排放数,分析对比PN排放结果,并总结排放规律。结果显示:标定功率为316 kW和430 kW的WHTC循环PN10计数器粒子数排放结果比PN23计数器分别高约27.48%和27.46%;WHTC循环第1145 s后,PN10计数器粒子数浓度显著高于PN23计数器,中等以上负荷、稳定转速工况更利于23 nm以下粒子生成;转速高于1000 r/min时,PN10计数器测得的粒子数浓度比PN23计数器明显更高;随着负荷增加,直径为10~23 nm的粒子数浓度先增加后减少。发动机在上述工况下运行时,PN23计数器测量值显著低于PN10计数器,该差异最终导致循环排放结果相对不准确。

国六动态循环试验颗粒物排放结果不确定度分析

国六排放标准中采用了世界统一瞬态测试循环对发动机进行动态排放测试。针对被测污染物中的颗粒物,根据试验程序建立颗粒物比排放量不确定度分析的数学模型。国六排放试验中,由于滤纸荷重较低,增加了浮力校正等计算模型;再结合稀释排气量,发动机循环功等计算模型,最终得出颗粒物比排放结果的不确定度分析结果。

满足欧七排放法规PN_(10)要求的重型柴油机优化分析

2022年11月发布的欧洲第七阶段排放法规(以下简称“欧七排放法规”)草案对汽车尾气排放中固体悬浮微粒数量(PN)的检测方法和排放限值都做了修改,这对于满足中国第六阶段排放法规(以下简称“国六排放法规”)的汽车带来了新的挑战。以某款重型柴油机为例,对其进行全流程发动机台架试验,在世界统一瞬态循环(WHTC)工况下,对比国六排放法规与欧七排放法规对于PN限值的差异。通过对比PN排放,明确催化器后不同粒径颗粒物(PM)的来源,并通过改变尿素喷射频率和优化选择性催化还原(SCR)混合器,控制PM的生成,从而降低PN排放,以满足欧七排放法规。

Cu-Fe复合沸石型SCR催化剂在重型柴油机上的应用研究

在重型柴油机台架上研究了Cu-Fe复合沸石型SCR催化剂的稳态转化效率、氨存储特性、ETC循环和WHTC循环中的瞬态反应特性,以及催化剂后副反应产物N2O的生成规律。试验表明,相同条件下该沸石型SCR催化剂饱和氨存储量明显大于钒基催化剂,温度低于250℃时NOx转化效率受到氨存储量的影响,催化剂氨存储充分时190℃温度下NOx转化效率达到74%。瞬态循环中WHTC循环的平均排气温度比ETC循环大幅降低,催化剂的NOx转化效率受到氨泄漏的限制,经过SCR控制策略优化后可以满足北京第四阶段对WHTC循环的检测要求。N2O是该SCR系统的主要副产物,在低温和高温时浓度较高,符合N2O的生成机理。

台架中冷气管长度对发动机排放影响的研究

为研究发动机台架中冷器出气口与发动机进气口之间的连接管(简称中冷气管)长度对发动机排放的影响,采用国家标准GB17691-2018 《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》规定的世界统一瞬态测试循环(World harmonized transient cycle,WHTC)进行相关试验研究。以整车中冷气管为基准,设计了2种发动机台架排放试验方案。第1种方案中冷气管长度大于整车中冷气管长度,第2种方案中冷气管长度等同于整车中冷气管。试验结果表明:2种试验方案的一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、碳氢化合物(HC)气态污染物测量结果相差不大:CO的偏差为1. 14%、NOx的偏差为2. 21%,HC的偏差为2. 61%;第2种方案的颗粒物(PM)比第1种方案的PM降低了67%左右。这表明台架中冷气管长度对发动机CO、NOx、HC气态污染物排放几乎没有影响,但对PM排放影响较大。

双级尿素-选择性催化还原系统对柴油机排放特性的影响研究

为满足国Ⅵ排放标准,提出并开发了双级尿素(urea)选择性催化还原(selective catalytic reduction system, SCR)系统及控制策略,并针对该系统在柴油机上的NOx排放特性及对柴油颗粒捕集器(DPF)被动再生的影响进行了台架验证。结果表明:冷态国际统一瞬态循环(WHTC)双级urea-SCR系统NOx转化效率达到89.2%,比单级urea-SCR系统提高了5.4%,冷起动NOx排放显著降低;热态WHTC双级urea-SCR系统NOx转化效率达到99.3%,比单级urea-SCR系统提高了3.0%;对双级urea-SCR系统尿素喷射量采用闭环控制策略,热态WHTC下DPF平衡点碳载量仅比单级urea-SCR系统提高了0.2 g/L,DPF被动再生效果几乎未受影响。

基于温耗比的重型柴油发动机排气热管理试验研究

对缸内燃烧喷射参数、进气节流阀和电控放气阀提升排气温度的规律进行研究,提出温耗比的概念用于表征经济性和排气温度提升效率,针对全球统一瞬态试验循环(WHTC)工况下冷态污染物排放量高的问题,通过分析提温幅度与加热时长的关系,优化了热管理控制策略。试验结果表明:优化后在油耗保持基本不变的前提下,冷态WHTC工况下的涡轮后平均排气温度提升了13℃,尿素喷射提前了63 s,NOx比排放量降低了32%;10%负载的车载排放检测系统(PEMS)测试中,在满足国家第六阶段污染物排放标准的基础上,涡轮后平均排气温度提升了17.8℃,台架PEMS试验油耗降低了3.7%。