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SCR柴油机WHTC和ETC排放特性对比的试验与研究王振宇，景晓军，尹超，张琳中国汽车技术研究中心，天津300162[摘要]为验证SCR柴油机在WHTC试验循环下的污染物排放，本文基于一台国四SCR车用柴油机运行WHTC循环和ETC循环试验，对比了发动机运行两种循环时的状态差异和排放特性差异。试验结果表明：该柴油机运行WHTC循环的平均排气温度明显低于ETC循环，循环功也只有ETC循环的57.5%。相比于ETC循环的排放情况，WHTC循环的N0x、PM，以及CO排放都明显要高于ETC循环，分别高出81.2%、34.7%、69.3%。CO2排放略高，二者THC排放基本为零。关键词：柴油机；SCR；WHTC；ETC；排放对比ComparativeExperimentStudyonEmissionCharacteristicofSCRDiselEngineunderWHTCandETCCyclesWangZhenyu,JingXiaojun,YinChao,ZhangLinChinaAutomobileTechnologyandResearchCenter,Tianjin300162[Abstract]ToevaluatetheemissionsofpollutantsofSCRdieselengineunderWHTCtestcycle，BasedonaCHINA-ⅣdieselenginewhichequipedwithSCRaftertreatment，WHTCcycleandETCcyclewererun.Thedifferencesofenginestateandemissioncharacteristicbetweenthetwocycleswerecompared.Theresultsshowthat,comparedwithETCcycle,averageexhausttemperatureandcycleworkofWHTCcycleismuchlower.Fortheemission,NOxPMandCOemissionofWHTCcycleisevidentlyhigherthanETCcycle,81.2%,34.7%,69.3%,respectively.Forbothcycle,THCemissionisalmostzero.Keywords：Diesel，SCR，WHTC，ETC，Emission1前言由于城市车辆（特别是公交车和市政车辆）实际运行的工况在国家标准控制区域之外，选用SCR的柴油车在低速低温工况下NOx超标严重，因此，2013年3月1日起，北京市开始执行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》地方标准，该标准在GB17691-2005规定的ESC和ETC测试循环基础上，对国Ⅳ和国Ⅴ阶段重型车辆增加了WHTC循环的测试要求，并且制定了各阶段相应的排放限值要求【1-2】。济南汽车检测中心在DB11/964-2013标准制定过程中，对比了北京公交实际道路运行工况和ETC、WHTC循环工况在转速、负荷和怠速时间上的分配比例，对比结果如表1所示，WHTC循环在三者的比例上都比ETC循环更接近于北京公交实际道路运行工况。当前SCR技术路线是重型柴油车辆满足现阶段国Ⅳ排放标准的主流技术路线，其要求发动机在较高的排气温度下才能发挥较好的转化效率[3]。相比ETC循环，SCR柴油机运行WHTC循环时，平均负荷较小、平均排温较低，其排放水平将会有所恶化。表1道路行驶与试验循环数据比较循环特征参数ETCWHTC北京实际道路工况平均发动机转速/额定转速%573646.07平均发动机功率/额定功率%311717.36怠速时间/整个行驶时间%61716.98目前国内关于WHTC循环的台架试验还比较少，本文在不改变发动机任何标定策略的前提下，基于一台国ⅣSCR柴油机运行了WHTC循环和ETC循环，对比了两种循环发动机的运行状态和排放特性差异。对于探索当前满足国Ⅳ阶段ETC排放限值的SCR柴油机进一步满足北京地标WHTC循环排放现值的技术提供研究经验。2试验装置和发动机试验发动机为配置SCR后处理系统的国Ⅳ柴油机，其主要参数如表2所示。试验所用设备主要有AVL-PUMA全自动控制软件、AVL电力测功机、AVL735油耗仪、AVL-AMAi60多组分气体分析仪，AV-CVSi60全流稀释系统和PSSi60颗粒采样系统。表2试验发动机主要技术参数型式直列6缸、增压中冷供油方式电控单体泵排量/L11.97额定功率/转速（kW/r/min）315/1900后处理型式SCR排放标准国Ⅳ3试验方案DB11/964-2013标准规定的WHTC试验包括冷态WHTC循环、10分钟热浸期，以及热态WHTC循环三个部分。本文为了更直观的对比不同循环对发动机运行状态和排放特性的影响，WHTC试验采用仅进行热态WHTC循环的方式进行。即发动机在进行WHTC循环和ETC循环试验前，均在额定功率点进行热机并将边界条件调整一致，保证循环开始前发动机运行状态相同。4试验结果对比4.1发动机运行状态对比图1、图2和图3分别为发动机运行WHTC循环和ETC循环的实际转速、扭矩和排气温度的对比情况。由图1可知，WHTC循环的转速普遍低于ETC循环，在循环后1200s尤为明显，WHTC循环的平均转速为1065r/min，ETC循环的平均转速1333r/min。由图2和图3可知，在循环前1200s，WHTC循环的扭矩和排气温度普遍低于ETC循环，循环后600s，WHTC循环的扭矩高于ETC循环，排气温度也更高。总体而言，WHTC循环的平均扭矩和平均排气温度均低于ETC循环。WHTC循环的平均扭矩为445Nm、平均排气温度221℃，ETC循环的平均扭矩为676Nm、平均排气温度为285℃。05000100001500020000250003000035000-2000200400600800100012001400160018002000转速（r/min）时间（20-1s）ETCWHTC图1WHTC和ETC循环转速对比0500010000150002000025000300003500005001000150020002500WHTC扭矩（Nm）时间（20-1s）0500010000150002000025000300003500005001000150020002500ETC扭矩（Nm）时间（20-1s）图2WHTC和ETC循环扭矩对比05000100001500020000250003000035000050100150200250300350400450500涡轮后排温（℃）时间（20-1s）ETCWHTC图3WHTC和ETC循环SCR前排温对比4.2排放特性对表3为WHTC循环和ETC循环的最终加权排放和循环功对比情况。由表可知，满足国Ⅳ阶段ETC排放限值的SCR柴油机，在不改变任何标定策略的条件下运行WHTC循环，NOx和PM排放均明显变高，CO和CO2排放也有所增长，NOx和PM排放已不能满足DB11/964-2013规定的国Ⅳ阶段限值要求。WHTC循环的循环功只有ETC循环的60%左右。表3WHTC循环和ETC循环的最终加权排放和循环功对比试验循环NOxCOTHCPMCO2循环功g/kw·hg/kw·hg/kw·hg/kw·hg/kw·hkw·hWHTC4.6332.8920.0010.0385690.530.31WHTC国Ⅳ限值3.74.00.550.03------ETC2.5571.7080.0060.02858663.852.74ETC国Ⅳ限值3.54.00.550.3------图4、图5和图6分别循环过程中为NOx、CO和THC排放浓度的对比情况。由图4可知，循环前300s，WHTC循环的NOx排放浓度明显高于ETC循环，这可能是由于该阶段发动机排气温度较低，SCR转化效率较低所致。整个循环过程中，WHTC循环和ETC循环的NOx排放平均浓度较为接近，分别为19.38ppm和18.9ppm，WHTC循环的NOx最终排放较高主要是由于其循环功较低所致。由于循环前300s的循环功比重较小，该部分排放的大小对最终加权比排放影响权重最大，降低该部分排放水平是实现NOx排放满足WHTC国Ⅳ限值的重要途径。由图5可知，相比于ETC循环，WHTC循环的CO排放浓度在循环前300s明显较低，在循环后600s明显较高。由图6可知，WHTC循环和ETC循环的THC排放浓度在整个循环过程中都较为接近。0600012000180002400030000360000306090120ETCNOX排放(10-6)时间（20-1s）0600012000180002400030000360000306090120WHTCNOX排放(10-6)时间（20-1s）图4循环过程中NOx排放浓度对比0600012000180002400030000360000100200300400ETCCO排放(10-6)时间（20-1s）0600012000180002400030000360000100200300400500WHTCCO排放(10-6)时间（20-1s）图5循环过程中CO排放浓度对比0600012000180002400030000360000246810ETCTHC排放(10-6)时间（20-1s）0600012000180002400030000360000246810WHTCTHC排放(10-6)时间（20-1s）图6循环过程中THC排放浓度对比4小结（1）发动机运行WHTC循环时，循环过程中的平均转速、平均扭矩和平均排气温度都明显低于ETC循环。（2）满足国Ⅳ阶段ETC排放限值的SCR柴油机，在不改变任何标定策略的条件下运行WHTC循环，NOx和PM排放均明显增大，已不能满足DB11/964-2013规定的WHTC循环国Ⅳ阶段限值要求；CO和CO2排放也有所增长。（3）由于WHTC循环前300s循环功比重较小，该部分排放水平较高，其对最终加权比排放影响权重最大，降低该部分排放水平是实现NOx排放满足WHTC国Ⅳ限值的重要途径。参考文献[1]GB17691-2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国III、IV、V阶段）》[S].北京：中国标准出版社，2005[2]DB11/964-2013《非道路机械用柴油机排气污染物限值及测量方法》[S].北京：中国标准出版社，2013[3]陶建忠.利用选择性催化还原反应（SCR）降低车用柴油机氮氧化物的技术研究：[博士学位论文].山东大学，2008