不同技術(shù)路線柴油機運行WHTC循環(huán)排放特性研究

1、 中汽中心科研課題研究報告不同技術(shù)路線柴油機運行WHTC循環(huán)排放特性Emission Characteristic of Diesel Engines with Different Technical Routes Running WHTC Cycle課題編號：13142309承擔部門：試驗所課題負責人：尹超完成日期：2013年5月目 錄第一章 研究背景和試驗方案41.1 歐洲重型柴油車輛排放測試循環(huán)的發(fā)展41.2 北京市地方標準采用WHTC循環(huán)的背景61.3試驗方案81.3.1 試驗發(fā)動機和測試系統(tǒng)91.3.2 WHTC試驗流程10第二章 SCR柴油機運行WHTC循環(huán)的排放特性122.1 試

2、驗發(fā)動機和研究內(nèi)容122.2 WHTC與ETC排放對比122.2.1 濰柴WP5.200E40發(fā)動機WHTC與ETC排放對比122.2.2 福田戴姆勒OM457LA.IV/4發(fā)動機WHTC與ETC排放對比142.3 冷啟動WHTC循環(huán)與熱啟動WHTC循環(huán)對比152.3.1 冷啟動和熱啟動循環(huán)發(fā)動機運行狀態(tài)差異152.3.2 冷啟動和熱啟動循環(huán)發(fā)動機排放差異192.4 本章小結(jié)21第三章 DOC+POC柴油機運行WHTC循環(huán)的排放特性223.1 試驗發(fā)動機和研究內(nèi)容223.2 WHTC與ETC排放對比223.2.1雷沃IE4D160-e4EP發(fā)動機WHTC與ETC排放對比223.2.2揚柴YE4

3、DB1-40發(fā)動機WHTC與ETC排放對比233.3冷啟動和熱啟動循環(huán)發(fā)動機排放差異243.4 本章小結(jié)26第四章 DPF柴油機運行WHTC循環(huán)的排放特性274.1試驗發(fā)動機和研究內(nèi)容274.2 WHTC與ETC排放對比274.2.1福建奔馳651955發(fā)動機WHTC與ETC排放對比274.2.2卡特彼勒C18IVH發(fā)動機WHTC與ETC排放對比284.3冷啟動和熱啟動循環(huán)發(fā)動機排放差異294.4 本章小結(jié)31第五章 總結(jié)與展望32參考文獻33附件34摘要本課題對采用SCR、EGR+DOC+POC，以及EGR+DOC+DPF三種不同技術(shù)路線的6臺柴油機進行了DB11/964-2013規(guī)定的WH

4、TC試驗和GB17691-2005規(guī)定的ETC試驗。每種技術(shù)路線參與試驗的發(fā)動機均為兩臺，其中一臺滿足GB17691-2005規(guī)定的ETC試驗國四限值，但尚未針對WHTC試驗進行專門標定，另一臺滿足DB11/964-2013規(guī)定的WHTC試驗第四階段限值。對比了不同后處理技術(shù)路線發(fā)動機進行WHTC試驗和ETC試驗的排放差異，冷啟動和熱啟動WHTC循環(huán)發(fā)動機運行狀態(tài)的差異，以及冷啟動和熱啟動WHTC循環(huán)的排放差異，檢測項目包括常規(guī)氣態(tài)污染物和顆粒物。試驗結(jié)果表明：無論采用哪一種后處理技術(shù)路線，WHTC試驗各種污染物的排放普遍高于ETC試驗；對于采用SCR后處理系統(tǒng)的發(fā)動機，SCR的主要作用是可以

5、明顯降低WHTC試驗和ETC試驗的NOx排放，但ETC試驗NOx的轉(zhuǎn)化效率高于WHTC試驗。采用SCR或EGR+DOC+POC后處理系統(tǒng)的發(fā)動機，盡管滿足GB17691-2005第四階段ETC排放限值，但若不針對WHTC循環(huán)工況進行專門的標定，將難以滿足DB11/964-2013第四階段WHTC排放限值；采用EGR+DPF后處理系統(tǒng)的發(fā)動機，由于ETC試驗排放本身很低，甚至滿足GB17691-2005第五階段限值，盡管WHTC試驗排放有所增大，但依然較容易滿足DB11/964-2013第四階段限值。冷啟動和熱啟動WHTC循環(huán)發(fā)動機運行狀態(tài)差異主要體現(xiàn)在機油溫度、循環(huán)水溫和排氣溫度三個參數(shù)上，其

6、中機油溫度和循環(huán)水溫的差異主要體現(xiàn)在循環(huán)前600s，循環(huán)1000s以后二者基本無差異，排氣溫度的主要體現(xiàn)在循環(huán)的前400s，之后二者基本無差異。無論采用哪一種后處理技術(shù)路線，冷啟動WHTC循環(huán)各種污染物的排放普遍高于熱啟動WHTC循環(huán)，其中CO、THC和NOx排放差異較大，發(fā)動機冷熱狀態(tài)對發(fā)動機PM排放影響較小。關(guān)鍵詞：柴油機；SCR；DOC+POC；DPF；WHTC第一章 研究背景和試驗方案1.1 歐洲重型柴油車輛排放測試循環(huán)的發(fā)展目前我國機動車排放法規(guī)主要沿用歐洲法規(guī)體系，歐洲自1988年4月起，開始以88/77/EEC指令控制裝于總質(zhì)量大于3.5噸柴油車輛的發(fā)動機排氣污染物，基于發(fā)動機臺

7、架進行測試認證。1991年10月發(fā)布91/542/EEC指令對88/77/EEC進行了修訂，規(guī)定從1992年起分階段實施歐和歐階段排放法規(guī)。1999年發(fā)布了1999/96/EC的歐盟議會和理事會指令，該指令規(guī)定了歐、歐和歐各階段排放標準以及EEV（增強型環(huán)境友好機）排放標準1,2。2009年6月頒布595/2009（EC）指令，制定了歐階段的排放法規(guī)3。表1-1為各階段排放法規(guī)的實施時間和排放測試循環(huán)。表1-1 歐洲重型柴油車輛各階段排放法規(guī)測試循環(huán)實施階段實施日期排放測試循環(huán)歐以前1988.4.1 穩(wěn)態(tài)13工況歐1992.7.1穩(wěn)態(tài)13工況歐1995.10.1穩(wěn)態(tài)13工況歐2000.10ES

8、C、ETC歐2005.10ESC、ETC歐2008.10ESC、ETC歐2012.12.31ESC、ETC、WHSC、WHTC 表1-2為穩(wěn)態(tài)十三工況的循環(huán)定義，圖1-1、圖1-2分別為ESC和ETC的循環(huán)工況示意圖，ESC為穩(wěn)態(tài)循環(huán)、ETC為瞬態(tài)循環(huán)4。表1-2 穩(wěn)態(tài)13工況循環(huán)工況號發(fā)動機轉(zhuǎn)速負荷百分比工況號發(fā)動機轉(zhuǎn)速負荷百分比1怠速/8額定轉(zhuǎn)速1002中間轉(zhuǎn)速109額定轉(zhuǎn)速753中間轉(zhuǎn)速2510額定轉(zhuǎn)速504中間轉(zhuǎn)速5011額定轉(zhuǎn)速255中間轉(zhuǎn)速7512額定轉(zhuǎn)速106中間轉(zhuǎn)速10013怠速/7怠速/圖1-1 ESC試驗循環(huán)工況示意圖圖1-2 ETC試驗循環(huán)工況示意圖表1-3和圖1-3分別

9、為WHSC試驗循環(huán)（穩(wěn)態(tài)）和WHTC的循環(huán)（瞬態(tài)）工況示意圖。WHSC和WHTC循環(huán)是WP.29（世界汽車法規(guī)協(xié)調(diào)論壇）下設(shè)的污染與能源工作組（GRPE）考慮了歐盟、美國、日本和澳大利亞重型柴油車的典型實際行駛工況，根據(jù)9輛輕卡、20輛重卡、1輛臥鋪車、18輛牽引車、11輛公交車的路譜數(shù)據(jù)來制定的，其盡可能真實的反映了世界范圍內(nèi)重型發(fā)動機道路實際運行情況5。WHSC循環(huán)類似于ESC循環(huán)，均為13個穩(wěn)態(tài)工況組成；WHTC循環(huán)類似于ETC循環(huán)，均為1800s的瞬態(tài)試驗工況。表1-3 WHSC試驗循環(huán)序號歸一化轉(zhuǎn)速（%）歸一化負荷（%）工況時間（s）（包括20s過渡時間）10021025510050

10、3552525045570755351005062525200745707584525150955501251075100501135502001235252501300210總計-1895圖1-3 WHTC循環(huán)工況示意圖1.2 北京市地方標準采用WHTC循環(huán)的背景北京市于2008年7月在全國范圍內(nèi)率先對公交、環(huán)衛(wèi)和郵政等重型柴油車輛實施了國四階段地方排放法規(guī)，2013年7月1日起，規(guī)定所有的重型車必須滿足國四階段排放法規(guī)6。表1-4為北京市重型柴油車輛排放法規(guī)實施進程、各階段的實施時間，以及所采用的排放測試循環(huán)。表1-4 北京市重型柴油車輛排放法規(guī)實施情況實施階段實施對象實施日期排放測試循環(huán)

11、國三階段所有重型柴油車輛2005.12.30ESC、ETC國四階段公交、環(huán)衛(wèi)用途重型柴油車輛2008.7.1ESC、ETC2013.3.1ESC、ETC、WHTC所有重型柴油車輛2013.7.1ESC、ETC、WHTC國五階段公交、環(huán)衛(wèi)用途重型柴油車輛20137.1ESC、ETC、WHTC所有重型柴油車輛待定由上表可知，北京市于2013年3月1日首次開始采用WHTC循環(huán)作為重型柴油車輛的排放測試循環(huán)。在原有ESC和ETC排放測試循環(huán)基礎(chǔ)之上增加WHTC循環(huán)的主要背景如下。自2008年7月對公交環(huán)衛(wèi)用途重型柴油車輛實施國四階段排放法規(guī)以來，北京市環(huán)保局聯(lián)合北京理工大學、中國汽車技術(shù)研究中心，通過

12、車載排放測試設(shè)備（OBM）對公交環(huán)衛(wèi)車輛的實際道路排放水平進行了大量的測試，測試對象覆蓋滿足國三和國四排放等級的車輛。通過此方法考察過去幾年國四排放法規(guī)實施效果時發(fā)現(xiàn)，部分滿足國四階段ESC和ETC循環(huán)排放限值的柴油車輛實際運行時的排放水平甚至高于滿足國三階段的柴油車輛5。一方面，這是由于車輛實際運行時的發(fā)動機工況與法規(guī)認證要求的ESC和ETC循環(huán)工況差別較大，制造商通過標定ESC和ETC循環(huán)工況的排放實現(xiàn)了較低的排放，但車輛實際運行時依然有很多工況不在ESC和ETC循環(huán)工況覆蓋范圍內(nèi)，這些工況的排放由于沒有法規(guī)的要求而未進行標定，排放較差，因此滿足國四階段排放法規(guī)的車輛，實際運行時排放水平不

13、一定好于國三車輛。另一方面，當前國四柴油機普遍采用了排氣后處理裝置，而裝配大功率柴油機的公交車輛，其后處理主要采用SCR系統(tǒng)。眾所周知，當前SCR系統(tǒng)只有在發(fā)動機排氣溫度較高時，才能發(fā)揮較好的轉(zhuǎn)化效率。而公交車實際運行的工況負荷小、排溫低，若不能實現(xiàn)對氮氧化物的有效轉(zhuǎn)化，其排放水平極有可能比國三發(fā)動機更高。為此，北京市于2013年3月1日頒布實施了地方標準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)，在原有ESC和ETC循環(huán)基礎(chǔ)上，增加WHTC循環(huán)作為排放認證項目。WHTC循環(huán)是歐重型柴油車排放法規(guī)的測試循環(huán)之一，相比于ESC和ETC循

14、環(huán)，其工況更接近車輛的實際運行工況。從而要求制造商對更接近公交環(huán)衛(wèi)車輛實際運行的低負荷工況進行排放標定，有效的降低車輛實際運行時的排放。表1-5為北京市公交實際道路工況與WHTC和ETC循環(huán)工況的對比情況5。表1-5 北京市公交實際道路工況與WHTC和ETC循環(huán)工況的對比ETCWHTC北京市實際道路工況平均發(fā)動機轉(zhuǎn)速/額定轉(zhuǎn)速（%）573646.07平均發(fā)動機功率/額定功率（%）311717.36怠速時間/全部行駛時間（%）61716.981.3試驗方案當前為了滿足國四階段的排放法規(guī)，柴油機普遍采用了尾氣后處理裝置，后處理技術(shù)路線主要包括SCR、EGR+DOC+POC，以及EGR+DOC+DP

15、F。目前國內(nèi)以SCR技術(shù)路線應(yīng)用最為廣泛，普遍應(yīng)用于大、中、小各種功率段的柴油機，而EGR+DOC+POC和EGR+DOC+DPF技術(shù)路線主要用于中小功率段的柴油機。日美等國則以EGR+DOC+DPF技術(shù)路線為主。北京市地方標準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)出臺以后，各種后處理技術(shù)路線柴油機都必須滿足相應(yīng)的WHTC循環(huán)排放限值后方可在北京市進行銷售。WHTC循環(huán)和ETC循環(huán)同為瞬態(tài)循環(huán)，但前者循環(huán)工況的平均轉(zhuǎn)速和平均負荷都要小于ETC循環(huán)，循環(huán)功和循環(huán)平均排氣溫度會降低。對于采用SCR技術(shù)路線的發(fā)動機，由于排溫的降低SCR

16、的轉(zhuǎn)化效率會下降，NOx排放可能會增大7；但對于EGR+DOC+POC和EGR+DOC+DPF技術(shù)路線的柴油機，相關(guān)試驗研究還比較少，有必要進行大量的對比試驗來考察。本課題對采用SCR、EGR+DOC+POC，以及EGR+DOC+DPF三種不同技術(shù)路線的6臺柴油機進行了DB11/964-2013規(guī)定的WHTC試驗和GB17691-2005規(guī)定的ETC試驗。每種技術(shù)路線參與試驗的發(fā)動機均為兩臺，其中一臺滿足GB17691-2005規(guī)定的ETC試驗國四限值，但尚未針對WHTC試驗進行專門標定，另一臺滿足DB11/964-2013規(guī)定的WHTC試驗第四階段限值。對比了不同后處理技術(shù)路線發(fā)動機進行WH

17、TC試驗和ETC試驗的排放差異，冷啟動和熱啟動WHTC循環(huán)發(fā)動機運行狀態(tài)的差異，以及冷啟動和熱啟動WHTC循環(huán)的排放差異，檢測項目包括常規(guī)氣態(tài)污染物和顆粒物。1.3.1 試驗發(fā)動機和測試系統(tǒng)表1-6為參與試驗的發(fā)動機清單。表1-6 試驗發(fā)動機清單發(fā)動機來源后處理技術(shù)路線排放等級濰柴WP5.200E40SCRDB11/964-2013第四階段福田戴姆勒OM457LA.IV/4SCRGB17691-2005第四階段雷沃IE4D160-e4EPEGR+DOC+POCDB11/964-2013第四階段揚柴YE4DB1-40EGR+DOC+POCGB17691-2005第四階段福建奔馳651955EGR

18、+DOC+DPFDB11/964-2013第四階段卡特彼勒C18IVHEGR+DOC+DPFGB17691-2005第四階段由于本課題采用的發(fā)動機數(shù)量較多，每一臺發(fā)動機的試驗周期比較分散，所有的比對試驗并不是在同一個測試系統(tǒng)上完成的，包括全流稀釋采樣系統(tǒng)和部分流稀釋采樣系統(tǒng)兩種。但對于同一臺發(fā)動機的所有試驗均在同一個測試系統(tǒng)上完成的。圖1-4和1-5分別為全流稀釋采樣系統(tǒng)和部分流稀釋采樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖1-4 全流稀釋采樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖1-5 部分流稀釋采樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.3.2 WHTC試驗流程 DB11/964-2013標準規(guī)定的WHTC試驗規(guī)程包括冷啟動WHTC循環(huán)、20分鐘熱浸期，以及熱啟動

19、WHTC循環(huán)三個部分。按照標準要求，開始冷啟動WHTC循環(huán)前，發(fā)動機應(yīng)在額定工況調(diào)整好的進氣阻力、中冷后溫度、中冷前后壓差、排氣阻力等邊界條件。之后采用自然冷卻的方式，在2030之間的環(huán)境溫度下至少冷卻6小時，直到發(fā)動機潤滑液、冷卻液和后處理系統(tǒng)溫度都達到2030環(huán)境溫度范圍內(nèi)以后，才可以開始冷啟動WHTC循環(huán)。完成冷啟動循環(huán)后立即進行10±1min熱浸期作為發(fā)動機熱啟動循環(huán)的預(yù)處理，熱浸期試驗室環(huán)境溫度應(yīng)處于2331之間。熱浸期結(jié)束后運行熱啟動WHTC循環(huán)。試驗結(jié)果處理方式如公式（1）所示： （1）式中：WHTCresult：各排放物組分最終試驗結(jié)果，g/kw·h；mco

20、ld：冷啟動循環(huán)各排放物組份的質(zhì)量，g/循環(huán)；mhot：熱啟動循環(huán)各排放物組份的質(zhì)量，g/循環(huán)；mact，cold：冷啟動循環(huán)的實際循環(huán)功，kw·h；mact，hot：熱啟動循環(huán)的實際循環(huán)功，kw·h。第二章 SCR柴油機運行WHTC循環(huán)的排放特性2.1 試驗發(fā)動機和研究內(nèi)容表2-1為試驗所用SCR發(fā)動機基本參數(shù)。其中濰柴WP5.200E40發(fā)動機滿足DB11/964-2013第四階段限值，福田戴姆勒OM457LA.IV/4發(fā)動機未針對WHTC循環(huán)工況進行標定，只滿足GB17691-2005第四階段限值。本課題對濰柴WP5.200E40發(fā)動機進行了帶后處理的WHTC和ETC

21、試驗,以及原機的WHTC和ETC試驗，對福田戴姆勒OM457LA.IV/4發(fā)動機進行了帶后處理的WHTC和ETC試驗。表2-1 SCR發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)發(fā)動機型號濰柴WP5.200E40福田戴姆勒OM457LA.IV/4型式直列4缸、增壓中冷直列6缸、增壓中冷供油方式高壓共軌電控單體泵排量/L4.7611.97額定功率/轉(zhuǎn)速（kW/r/min）147/2300313.2/1900后處理型式SCRSCR排放標準DB11/964-2013第四階段GB17691-2005第四階段2.2 WHTC與ETC排放對比2.2.1 濰柴WP5.200E40發(fā)動機WHTC與ETC排放對比濰柴WP5.200E40

22、發(fā)動機針對WHTC循環(huán)工況進行了標定，其滿足DB11/964-2013第四階段的排放限值。圖2-1、2-2、2-3和2-4分別為WHTC試驗和ETC試驗CO、THC、NOx和PM的排放對比情況，同時包括原機和帶后處理系統(tǒng)兩種情況下的排放對比。由圖2-1至2-4可知，原機情況下，發(fā)動機進行WHTC試驗時的CO、THC、NOx和PM的排放均明顯高于ETC試驗，這可能是由于相比于ETC循環(huán)，發(fā)動機運行WHTC循環(huán)時平均轉(zhuǎn)速和平均負荷更低，燃料燃燒不如ETC循環(huán)充分，從而導(dǎo)致排放惡化。安裝SCR后處理系統(tǒng)以后，WHTC和ETC試驗NOx排放均明顯下降，CO、THC和PM排放均略有上升，但WHTC試驗的

23、各種污染物的排放結(jié)果依然高于ETC試驗。SCR系統(tǒng)的作用主要體現(xiàn)于降低NOx排放。WHTC試驗時，SCR系統(tǒng)對NOx的轉(zhuǎn)化效率為67%，ETC試驗時，NOx的轉(zhuǎn)化效率為84%。這可能是由于ETC循環(huán)的平均排氣溫度更高，從而實現(xiàn)了SCR更好的轉(zhuǎn)化效率。安裝SCR后處理系統(tǒng)以后，WHTC試驗CO、THC、NOx和PM的排放分別為ETC試驗的5.8倍、3.7倍、2.3倍和1.1倍。圖2-1 WHTC試驗和ETC試驗CO排放對比圖2-2 WHTC試驗和ETC試驗THC排放對比圖2-3 WHTC試驗和ETC試驗NOx排放對比圖2-4 WHTC試驗和ETC試驗PM排放對比2.2.2 福田戴姆勒OM457L

24、A.IV/4發(fā)動機WHTC與ETC排放對比福田戴姆勒OM457LA.IV/4發(fā)動機滿足GB17691-2005第四階段限值，但其尚未針對WHTC循環(huán)工況進行專門的標定，圖2-5為該發(fā)動機進行ETC試驗和WHTC試驗的排放對比情況。由圖可知，相比于ETC試驗，WHTC試驗的CO、NOx和PM排放均明顯較高，其中NOx和PM排放超出了DB11/964-2013第四階段WHTC排放限值。該發(fā)動機兩種循環(huán)THC排放均基本為零。WHTC試驗CO、NOx和PM的排放分別為ETC試驗的1.8倍、1.8倍和1.3倍。圖2-5 福田戴姆勒發(fā)動機WHTC和ETC循環(huán)的排放對比2.3 冷啟動WHTC循環(huán)與熱啟動WH

25、TC循環(huán)對比對于采用SCR技術(shù)路線的柴油機，在進行WHTC試驗時，冷啟動循環(huán)開始前發(fā)動機機體和后處理系統(tǒng)基本處于2030的室溫狀態(tài)，而熱啟動循環(huán)開始時發(fā)動機機體和后處理系統(tǒng)溫度會較高，因此發(fā)動機進行冷啟動循環(huán)和熱啟動循環(huán)時，后處理的轉(zhuǎn)化效率會存在較大差異。本節(jié)基于濰柴WP5.200E40發(fā)動機進行的WHTC試驗，研究冷啟動WHTC循環(huán)與熱啟動WHTC循環(huán)發(fā)動機的運行狀態(tài)差異和排放差異。2.3.1 冷啟動和熱啟動循環(huán)發(fā)動機運行狀態(tài)差異圖2-6至2-13依次為發(fā)動機運行冷啟動WHTC循環(huán)和熱啟動WHTC循環(huán)時，進氣溫度、中冷后溫度、機油溫度、循環(huán)水溫、排氣背壓、排氣溫度、進氣量、油耗量的差異對比。

26、由圖2-6至2-13可知，發(fā)動機運行冷啟動循環(huán)和熱啟動循環(huán)的狀態(tài)差異主要體現(xiàn)在進氣溫度、機油溫度、循環(huán)水溫和排氣溫度。由于發(fā)動機進氣溫度由進氣空調(diào)設(shè)定，進氣溫度的差異與循環(huán)的冷啟動和熱啟動并無關(guān)系，故不考慮其對發(fā)動機排放的影響。因此，導(dǎo)致冷啟動和熱啟動循環(huán)排放差異的參數(shù)主要是機油溫度、循環(huán)水溫和排氣溫度。由圖2-8和2-9可知，在循環(huán)的前600s，冷啟動循環(huán)機油溫度和循環(huán)水溫明顯低于熱啟動循環(huán)，1000s以后，二者基本無差異。機油溫度和循環(huán)水溫度低，會導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒溫度降低，進而影響燃料燃燒情況，導(dǎo)致排放差異。因此，可以預(yù)測這兩個參數(shù)導(dǎo)致的排放差異也主要體現(xiàn)在循環(huán)的前600s。由圖2-11可知，

27、冷啟動循環(huán)和熱啟動循環(huán)排氣溫度的主要體現(xiàn)在循環(huán)的前400s，之后二者基本無差異。因此，可以預(yù)測冷啟動和熱啟動循環(huán)SCR對NOx的減排差異也主要體現(xiàn)在循環(huán)前400s。圖2-6 發(fā)動機進氣溫度的對比圖2-7 中冷后溫度的對比圖2-8 發(fā)動機機油溫度的對比圖2-9 發(fā)動機循環(huán)水溫的對比圖2-10 發(fā)動機排氣背壓的對比圖2-11 SCR后處理前排氣溫度的對比圖2-12 發(fā)動機進氣量的對比圖2-13 發(fā)動機油耗量的對比2.3.2 冷啟動和熱啟動循環(huán)發(fā)動機排放差異圖2-14為冷啟動WHTC循環(huán)和熱啟動WHTC循環(huán)發(fā)動機加權(quán)比排放的對比情況。圖2-15至2-17分別為循環(huán)過程中CO、THC和NOx的實時濃度

28、排放對比情況。由圖2-14可知，冷啟動循環(huán)CO和THC排放明顯高于熱啟動循環(huán)，由圖2-15和2-16可知，這種差異主要體現(xiàn)在循環(huán)前600s，可見由于冷啟動循環(huán)前600s循環(huán)水溫和機油溫度較低，導(dǎo)致發(fā)動機缸內(nèi)燃燒溫度較低，燃油燃燒不充分，CO和THC排放較高。由圖2-14可知，相比于冷啟動循環(huán)，熱啟動循環(huán)NOx排放也有所降低，由圖2-17可知，這種差異主要體現(xiàn)在循環(huán)前400s，這主要是由于冷啟動循環(huán)前400s排氣溫度較低，SCR轉(zhuǎn)化效率較低，導(dǎo)致冷啟動循環(huán)NOx排放較高。由圖2-14可知，冷啟動循環(huán)和熱啟動循環(huán)PM排放差異較小，可見對于SCR發(fā)動機，發(fā)動機的冷熱狀態(tài)對PM排放的影響較小。圖2-1

29、4 冷啟動循環(huán)和熱啟動循環(huán)排放對比圖2-15 CO排放濃度的對比圖2-16 THC排放濃度的對比圖2-17 NOx排放濃度的對比2.4 本章小結(jié)（1）無論是原機和帶后處理情況，對于針對WHTC進行了標定的循環(huán)濰柴WP5.200E40 SCR柴油機，WHTC試驗各種污染物排放都要高于ETC試驗；SCR系統(tǒng)的主要作用是可以明顯降低WHTC試驗和ETC試驗的NOx排放，但ETC試驗的轉(zhuǎn)化效率更高。（2）采用SCR后處理系統(tǒng)的福田戴姆勒OM457LA.IV/4發(fā)動機滿足GB17691-2005第四階段限值，但其尚未針對WHTC循環(huán)工況進行專門的標定，其WHTC試驗的CO、NOx和PM排放都明顯高于ET

30、C試驗，二者THC排放基本為零；該發(fā)動機WHTC試驗NOx和PM排放超出了DB11/964-2013第四階段WHTC排放限值。（3）對于采用SCR后處理系統(tǒng)的濰柴WP5.200E40發(fā)動機，冷啟動和熱啟動WHTC循環(huán)發(fā)動機運行狀態(tài)差異主要體現(xiàn)在機油溫度、循環(huán)水溫和排氣溫度三個參數(shù)上；其中機油溫度和循環(huán)水溫的差異主要體現(xiàn)在循環(huán)前600s，循環(huán)1000s以后，二者基本無差異；排氣溫度的主要體現(xiàn)在循環(huán)的前400s，之后二者基本無差異。（4）對于采用SCR后處理系統(tǒng)的濰柴WP5.200E40發(fā)動機，冷啟動循環(huán)CO和THC排放明顯高于熱啟動循環(huán)，這種差異主要體現(xiàn)在循環(huán)前600s；熱啟動循環(huán)NOx排放也有

31、所降低，這種差異主要體現(xiàn)在循環(huán)前400s；冷啟動循環(huán)和熱啟動循環(huán)PM排放差異較小。第三章 DOC+POC柴油機運行WHTC循環(huán)的排放特性3.1 試驗發(fā)動機和研究內(nèi)容表3-1為試驗所用DOC+POC發(fā)動機基本參數(shù)。其中雷沃IE4D160-e4EP發(fā)動機滿足DB11/964-2013第四階段限值，揚柴YE4DB1-40發(fā)動機未針對WHTC循環(huán)工況進行標定，只滿足GB17691-2005第四階段限值。本課題對兩臺發(fā)動機均進行了WHTC和ETC試驗。表3-1 試驗發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)發(fā)動機來源雷沃IE4D160-e4EP揚柴YE4DB1-40型式直列4缸、增壓中冷直列4缸、增壓中冷供油方式高壓共軌高壓共

32、軌排量/L3.994.087額定功率/轉(zhuǎn)速（kW/r/min）116/250097/2600后處理型式EGR+DOC+POCEGR+DOC+POC排放標準DB11/964-2013第四階段GB17691-2005第四階段3.2 WHTC與ETC排放對比3.2.1雷沃IE4D160-e4EP發(fā)動機WHTC與ETC排放對比雷沃IE4D160-e4EP發(fā)動機針對WHTC循環(huán)工況進行了標定，其滿足DB11/964-2013第四階段的排放限值。圖3-1為該發(fā)動機進行ETC試驗和WHTC試驗的排放對比情況。由圖可知，相比于ETC試驗，WHTC試驗的CO、THC和NOx排放均明顯較高，但PM排放基本一致。W

33、HTC試驗CO、THC和NOx的排放分別為ETC試驗的1.5倍、1.7倍和1.3倍。圖3-1 雷沃發(fā)動機WHTC與ETC循環(huán)排放對比3.2.2揚柴YE4DB1-40發(fā)動機WHTC與ETC排放對比揚柴YE4DB1-40發(fā)動機滿足GB17691-2005第四階段限值，但其尚未針對WHTC循環(huán)工況進行專門的標定，圖3-2為該發(fā)動機進行ETC試驗和WHTC試驗的排放對比情況。由圖可知，相比于ETC試驗，WHTC試驗的CO、THC、NOx和PM排放均明顯較高，其中THC和PM排放超出了DB11/964-2013第四階段WHTC排放限值。WHTC試驗CO、THC、NOx和PM的排放分別為ETC試驗的2.8

34、倍、6.4倍、1.2倍和1.4倍。相比于針對WHTC循環(huán)工況進行了標定的雷沃IE4D160-e4EP發(fā)動機，揚柴YE4DB1-40發(fā)動機ETC試驗和WHTC試驗各種污染物的排放差距更大，尤其是CO、THC和PM排放。圖3-2 揚柴發(fā)動機WHTC與ETC循環(huán)排放對比3.3冷啟動和熱啟動循環(huán)發(fā)動機排放差異本節(jié)基于滿足DB11/964-2013第四階段限值的雷沃IE4D160-e4EP發(fā)動機，研究DOC+POC發(fā)動機進行WHTC試驗時冷啟動循環(huán)與熱啟動循環(huán)的排放差異。由于該發(fā)動機進行冷啟動循環(huán)和熱啟動循環(huán)時，排溫、水溫，以及機油溫度等運行狀態(tài)差異與SCR發(fā)動機類似，故本節(jié)不再對比冷啟動和熱啟動循環(huán)發(fā)

35、動機運行狀態(tài)的差異，直接對比冷啟動和熱啟動循環(huán)的排放差異。圖3-3為冷啟動WHTC循環(huán)和熱啟動WHTC循環(huán)時的發(fā)動機排放對比。圖3-4至3-6分別為循環(huán)過程中CO、THC 和NOx的實時排放對比情況。由圖3-3可知，相比于熱啟動循環(huán)，冷啟動循環(huán)CO、THC和NOx排放均較高，但PM排放相當。由圖3-4至3-6可知，熱啟動循環(huán)CO和THC排放較低主要體現(xiàn)在循環(huán)前800s，熱啟動循環(huán)NOx排放較低主要體現(xiàn)在循環(huán)前400s。此外，對于DOC+POC發(fā)動機而言，發(fā)動機冷熱狀態(tài)對PM的排放影響較小。圖3-3 冷啟動循環(huán)和熱啟動循環(huán)排放對比圖3-4 CO排放濃度的對比圖3-5 THC排放濃度的對比圖3-6

36、 NOx排放濃度的對比3.4 本章小結(jié)（1）采用DOC+POC后處理系統(tǒng)的雷沃IE4D160-e4EP發(fā)動機針對WHTC循環(huán)進行了標定，滿足DB11/964-2013第四階段WHTC排放限值，WHTC試驗的CO、THC和NOx排放均明顯高于ETC試驗，但PM排放基本一致。（2）采用DOC+POC后處理系統(tǒng)的揚柴YE4DB1-40發(fā)動機滿足GB17691-2005第四階段限值，但其尚未針對WHTC循環(huán)工況進行專門的標定，WHTC試驗的CO、THC、NOx和PM排放均明顯高于ETC試驗；該發(fā)動機WHTC試驗THC和PM排放超出了DB11/964-2013第四階段WHTC排放限值，CO排放也接近限值

37、。（3）對于采用DOC+POC后處理系統(tǒng)的雷沃IE4D160-e4EP發(fā)動機，相比于熱啟動WHTC循環(huán)，冷啟動循環(huán)CO、THC和NOx排放均較高，但PM排放相當。熱啟動循環(huán)CO和THC排放較低主要體現(xiàn)在循環(huán)前800s，NOx排放較低主要體現(xiàn)在循環(huán)前400s，發(fā)動機冷熱狀態(tài)對PM的排放影響較小。第四章 DPF柴油機運行WHTC循環(huán)的排放特性4.1試驗發(fā)動機和研究內(nèi)容表4-1為試驗所用DPF發(fā)動機基本參數(shù)。其中福建奔馳651955發(fā)動機滿足DB11/964-2013第四階段限值，卡特彼勒C18IVH發(fā)動機未針對WHTC循環(huán)工況進行標定，只滿足GB17691-2005第四階段限值。本課題對兩臺發(fā)動機

38、均進行了WHTC和ETC試驗。表4-1 試驗發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)發(fā)動機來源福建奔馳651955卡特彼勒C18IVH型式直列4缸、增壓中冷直列6缸、增壓中冷供油方式高壓共軌單體泵排量/L2.14318.1額定功率/轉(zhuǎn)速（kW/r/min）110/3800470/1900后處理型式EGR+DOC+DPFEGR+DOC+DPF排放標準DB11/964-2013第四階段GB17691-2005第四階段4.2 WHTC與ETC排放對比4.2.1福建奔馳651955發(fā)動機WHTC與ETC排放對比福建奔馳651955發(fā)動機針對WHTC循環(huán)工況進行了標定，其滿足DB11/964-2013第四階段的排放限值。圖3

39、-1為該發(fā)動機進行ETC試驗和WHTC試驗的排放對比情況。由圖可知，相比于ETC試驗，WHTC試驗的CO排放明顯較高，NOx和PM排放也有所增大，二者THC排放基本為零。圖4-1福建奔馳發(fā)動機WHTC與ETC循環(huán)排放對比4.2.2卡特彼勒C18IVH發(fā)動機WHTC與ETC排放對比卡特彼勒C18IVH發(fā)動機滿足GB17691-2005第四階段限值，但其尚未針對WHTC循環(huán)工況進行專門的標定，圖4-2為該發(fā)動機進行ETC試驗和WHTC試驗的排放對比情況。由圖可知，相比于ETC試驗，WHTC試驗的CO、THC、NOx和PM排放均明顯較高，但都滿足DB11/964-2013第四階段WHTC排放限值。該

40、發(fā)動機采用了先進的周期性再生DPF和EGR技術(shù)，ETC試驗排放本身很低，甚至滿足GB17691-2005第五階段限值。因此，盡管WHTC試驗排放有所增大，但依然能夠滿足DB11/964-2013第四階段限值。圖4-2 卡特彼勒發(fā)動機WHTC與ETC循環(huán)排放對比4.3冷啟動和熱啟動循環(huán)發(fā)動機排放差異本節(jié)基于滿足DB11/964-2013第四階段限值的福建奔馳651955發(fā)動機，研究DPF發(fā)動機進行WHTC試驗時冷啟動循環(huán)與熱啟動循環(huán)的排放差異。由于該發(fā)動機進行冷啟動循環(huán)和熱啟動循環(huán)時，排溫、水溫，以及機油溫度等運行狀態(tài)差異與SCR發(fā)動機類似，故本節(jié)不再對比冷啟動和熱啟動循環(huán)發(fā)動機運行狀態(tài)的差異，

41、直接對比冷啟動和熱啟動循環(huán)的排放差異。圖4-3為冷啟動WHTC循環(huán)和熱啟動WHTC循環(huán)發(fā)動機排放對比。由圖可知，冷啟動循環(huán)CO排放明顯高于熱啟動循環(huán)，NOx和PM排放也略高，二者THC排放基本為零。圖4-4至4-5分別為循環(huán)過程中CO和NOx的實時排放對比情況。由圖可知，冷啟動循環(huán)CO和NOx排放較高主要體現(xiàn)在循環(huán)前600s，這可能是由于冷啟動循環(huán)前600s缸內(nèi)燃燒溫度和后處理系統(tǒng)溫度較低所致。圖4-3 冷啟動循環(huán)和熱啟動循環(huán)排放對比圖4-4 CO排放濃度的對比圖4-5 NOx排放濃度的對比4.4 本章小結(jié)（1）采用DPF后處理系統(tǒng)的福建奔馳651955發(fā)動機針對WHTC循環(huán)進行了標定，滿足D

42、B11/964-2013第四階段WHTC排放限值，相比于ETC試驗，WHTC試驗的CO排放明顯較高，NOx和PM排放也有所增大，二者THC排放基本為零。（2）采用DPF后處理系統(tǒng)的卡特彼勒C18IVH發(fā)動機滿足GB17691-2005第四階段限值，但其尚未針對WHTC循環(huán)工況進行專門的標定，相比于ETC試驗，WHTC試驗的CO、THC、NOx和PM排放均有所增大，盡管如此，該發(fā)動機WHTC試驗各項污染物依然滿足DB11/964-2013第四階段WHTC排放限值。（3）對于采用DPF后處理系統(tǒng)的福建奔馳651955發(fā)動機，冷啟動循環(huán)CO排放明顯高于熱啟動循環(huán)，NOx和PM排放也略高，二者THC排

43、放基本為零；冷啟動循環(huán)CO和NOx排放較高主要體現(xiàn)在循環(huán)前600s，發(fā)動機冷熱狀態(tài)對DPF發(fā)動機PM排放影響較小。65第五章 總結(jié)與展望本文對分別采用SCR、DOC+POC和DPF三種主流減排后處理技術(shù)路線的柴油機進行了WHTC試驗和ETC試驗，對比了每一種技術(shù)路線發(fā)動機WHTC試驗與ETC試驗的排放差異和冷啟動WHTC循環(huán)與熱啟動WHTC循環(huán)的排放差異，總結(jié)了不同技術(shù)路線柴油機運行WHTC循環(huán)的排放特性，主要得出如下結(jié)論：（1）無論采用哪一種后處理技術(shù)路線，WHTC試驗各種污染物的排放普遍高于ETC試驗；對于采用SCR后處理系統(tǒng)的發(fā)動機，SCR的主要作用是可以明顯降低WHTC試驗和ETC試驗

44、的NOx排放，但ETC試驗NOx的轉(zhuǎn)化效率高于WHTC試驗。（2）采用SCR或EGR+DOC+POC后處理系統(tǒng)的發(fā)動機，盡管滿足GB17691-2005第四階段ETC排放限值，但若不針對WHTC循環(huán)工況進行專門的標定，將難以滿足DB11/964-2013第四階段WHTC排放限值；采用EGR+DPF后處理系統(tǒng)的發(fā)動機，由于ETC試驗排放本身很低，甚至滿足GB17691-2005第五階段限值，盡管WHTC試驗排放有所增大，但依然較容易滿足DB11/964-2013第四階段限值。（3）冷啟動和熱啟動WHTC循環(huán)發(fā)動機運行狀態(tài)差異主要體現(xiàn)在機油溫度、循環(huán)水溫和排氣溫度三個參數(shù)上，其中機油溫度和循環(huán)水溫

45、的差異主要體現(xiàn)在循環(huán)前600s，循環(huán)1000s以后，二者基本無差異，排氣溫度的主要體現(xiàn)在循環(huán)的前400s，之后二者基本無差異。（4）無論采用哪一種后處理技術(shù)路線，冷啟動WHTC循環(huán)各種污染物的排放普遍高于熱啟動WHTC循環(huán)，其中CO、THC和NOx排放差異較大，發(fā)動機冷熱狀態(tài)對發(fā)動機PM排放影響較小。由北京市公交實際道路工況與WHTC和ETC循環(huán)工況的對比可知，WHTC循環(huán)工況更接近于公交實際道路工況，因此WHTC試驗的排放結(jié)果將更能體現(xiàn)車輛實際運行時的排放情況。本課題研究不同技術(shù)路線柴油機進行WHTC試驗的排放特性，掌握不同技術(shù)路線國四柴油機滿足DB11/964-2013第四階段WHTC排放

46、限值的難點所在。此外，考察了滿足DB11/964-2013第四階段WHTC排放限值的柴油機進行ETC試驗的排放情況，驗證了WHTC試驗對于約束柴油車輛排放的實際效果。參考文獻1 豪彥. 歐、美、日、中國汽車排放法規(guī)J. 汽車與配件,1999, 11:34362 劉伏萍. 淺析重型發(fā)動機排放測試標準J. 北京汽車, 2008, 10: 21233 (EC) No 595/2009 on type-approval of motor vehicles and engines with respect to emissions from heavy duty vehicles (Euro VI) a

47、nd on access to vehicle repair and maintenance information and amending Regulation (EC) No 715/2007 and Directive 2007/46/EC and repealing Directives 80/1269/EEC,2005/55/EC and 2005/78/EC4 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（中國III、IV、V階段）S.北京：中國標準出版社，2005: 11145 車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車冷啟動排氣污染物

48、排放限值及測量方法（征求意見稿）編制說明6 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)S.北京：中國標準出版社，2013:17 陶建忠.利用選擇性催化還原反應(yīng)（SCR）降低車用柴油機氮氧化物的技術(shù)研究D.山東大學博士學位論文，2008附件發(fā)表論文情況統(tǒng)計：編號論 文 / 專 著 題 目發(fā)表刊物發(fā)表/出版日期1高壓共軌柴油機燃用煤制柴油的性能和排放研究內(nèi)燃機工程待刊2出京試驗對國五SCR柴油機性能和排放的影響汽車工程待刊3DOC+POC發(fā)動機燃用不同基準燃油尾氣排放的影響研究車用發(fā)動機待刊4SCR柴油機運行WHTC循環(huán)和ETC循環(huán)的排放

49、特性對比尚未發(fā)表5SCR柴油機運行冷啟動和熱啟動WHTC循環(huán)排放特性差異尚未發(fā)表高壓共軌柴油機燃用煤制柴油的性能和排放研究尹超，王鳳濱，李騰騰中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300摘要 基于一臺未經(jīng)任何改動的高壓共軌柴油機，對間接液化煤制柴油（FT，F(xiàn)ischer-Tropsch diesel）、直接液化煤制柴油（DDCL，diesel from direct coal liquefaction），以及國4石化柴油進行了性能和排放的對比研究。分別對三種油樣進行了外特性試驗、ESC（European steady state cycle）和ETC（European transient cycl

50、e）試驗。結(jié)果表明：相比于國4柴油，F(xiàn)T柴油的動力性有所下降，但燃油經(jīng)濟性有所提高；穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)循環(huán)下，F(xiàn)T柴油對顆粒物（PM）減排水平均達到50%左右，二氧化碳（CO2）有所降低，氮氧化物（NOx）在穩(wěn)態(tài)下有所降低，一氧化碳（CO）在瞬態(tài)下大幅降低。相比于國4柴油，DDCL柴油對發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性和排放的影響較小。關(guān)鍵詞：煤制柴油，動力性，經(jīng)濟性，排放中圖分類號: TK428.9 文獻標識碼：APerformance and Emissions of High Pressure Common Rail Diesel Engine Fueled with diesel from coal li

51、quefactionYin Chao，Wang Fengbin，Li TengtengChina Automobile Technology and Research Center，Tianjin 300300，ChinaAbstract Power performance, fuel economy and emissions are tested with three diesel fuels, namely a synthetic diesel from indirect coal liquefaction also known as Fischer-Tropsch diesel, a

52、synthetic diesel from direct coal liquefaction called DDCL for short, and traditional petroleum diesel. Full-load power test, ESC(European Steady Cycle) and ETC(Eeropean Transient Cycle) emission tests are performed using a high pressure common rail diesel engine which without any modification. The

53、results show that, compared with petroleum diesel, power performance of FT diesel is deteriorated, but fuel economy is improved, for both ESC and ETC emission test, PM emissions reduction are more than 50%, CO2 emissions decrease slightly, NOx emissions decrease a little for ESC test, and CO emissio

54、ns decrease remarkably for ETC test. For DDCL diesel, there are little influence to power performance, fuel economy, and emissions compared with petroleum diesel.Keywords：Diesel from Coal Liquefaction, Power performance, Fuel Economy, Emissions 尹超（1987-），男，工程師，碩士，主要研究方向為柴油機排放法規(guī)和排放測試技術(shù)。E-mail：yinchao

55、1前言目前，車用柴油的生成主要依賴于石油，隨著石油資源的不斷減少，尋找其替代能源刻不容緩1。我國石油資源匱乏、煤炭資源豐富，通過發(fā)展煤炭液化產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)車用燃料，緩解對石油的依賴，無疑是保證國家能源安全最有效的手段2。煤炭液化（CTL，coal to liquid）技術(shù)可以分為間接液化和直接液化兩大類。煤的間接液化是以煤氣化制備的合成氣為原料，在一定的溫度和壓力下，定向的催化合成烴類燃料和化工原料的工藝，也稱為費托合成；煤的直接液化是煤在適當?shù)臏囟群蛪毫ο?，催化加氫裂化生成液體烴類，并脫除煤中氮、氧和硫等雜質(zhì)元素的工藝3。目前，通過間接液化可以生產(chǎn)具有十六烷值高、無硫、低芳香烴含量等特點的煤制柴油（費托柴油）；通過直接液化可以生成低硫、低凝固點的柴油，但十六烷值較低，但可以通過添加劑進行改善4。Paul W. Schaberg等5在2000年發(fā)表SAE論文對比了南非沙索地區(qū)生產(chǎn)的費托柴油、美國加州柴油，以及美國2-D柴油用于重型柴油機瞬態(tài)循環(huán)試驗的排放結(jié)果，相比于加州柴油和2-D柴油，費托柴油可以大幅降低PM、CO和THC排放，對NOX排放也有所降低。國內(nèi)王真等