重型柴油机WHTC循环低温冷起动排放特性研究

廖清睿，王凤滨，车金涛，覃庆孔

摘要： 基于满足国Ⅵb阶段排放标准的柴油发动机，在配备低温环境仓的发动机台架上开展WHTC循环排放测试。设置多个环境温度，对比CO，HC，NOx，PN及PM的比排放结果。分析环境温度、中冷后温度、排气温度与排气污染物的关系以及WHTC循环3个阶段不同环境温度下CO，HC，NOx和PN排放特性的差异。结果发现：环境温度降低，NOx，CO和HC比排放值逐渐增加，PN比排放值总体减少，PM比排放值先减少后升高；环境温度分别为-10 ℃和-15 ℃，且尿素冻结的状态下，NOx比排放是尿素未冻结状态的1.2倍和3.3倍；阶段1、阶段2工况下，NOx排放控制主要以DOC和EGR為主，阶段3的大扭矩、大负荷工况则更依赖SCR；CO和HC比排放结果中环境温度引起的差异主要发生于阶段1工况。环境温度-15 ℃和-20 ℃条件下，阶段1至阶段3的PN平均浓度均低于100 个/cm3。

关键词： 重型柴油机；冷起动；WHTC；排放测量

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.02.003

中图分类号： U467.2文献标志码： B文章编号： 1001-２２２２（２０24）０2-００19-０7

温带地区四季分明，冬季温度多数处于0 ℃以下。我国大部分国土处于温带地区，且世界近一半人口生活在温带范围内。同时，重型柴油车的排放污染在所有机动车中占比最大。因此，冬季低温环境下重型柴油车运行所产生的排放污染不容忽视。

早在1989年的零下工程研讨会上，R. E. Larson的研究成果就已表明车辆在低温环境下的排放控制效果会大打折扣［1］，-7 ℃时的排放水平会是24 ℃时的3倍至4倍，此种条件下喷油相对过浓，且催化器的转化效率会显著降低，CO排放严重增加。近年来，低温环境对机动车排放的影响研究也在不断扩展。V. N. Matthaios等研究了英国各区域低温天气（5 ℃以下）和常温天气的车流的NO2排放差异［2］，发现低温天气下车流产生的NO2排放比常温高64.5%。王猛、解难等基于转鼓测试对直喷汽油车的颗粒物排放展开研究，发现-7 ℃环境温度下，PN排放增加4倍［3］，-17 ℃环境温度下颗粒物的数量、体积、表面积浓度均显著增加［4］。孙远涛、肖建华基于发动机台架测试对汽油机的排放规律展开研究，发现催化器前HC和CO排放增加，NO排放降低，但催化器后上述污染物排放都有所增加［5-6］。除传统汽油车外，也有学者对混动汽车低温环境颗粒物质量浓度、粒径分布开展研究［7］。

柴油车试验研究方面，郭勇、谭丕强等在实际道路上研究0 ℃左右环境下柴油车辆的排放规律，发现相对常温而言，CO和NOx增加较为显著，而PN增加不明显［8-9］。N. Oliver［10］着重研究了轻型柴油车冷起动的排放情况，发现发动机在低负载下，低温使得燃烧稳定性差，从而导致排放增加，且低温使得EGR低于目标值，也会导致NOx增加。李晓明［11］通过FLUENT软件模拟柴油机在-40 ℃低温环境条件下的运行规律，发现低温条件下缸内燃烧的混合气中心温度更低，这是发动机CO和PN原排增加的成因。陈龙等［12］基于柴油机台架在低温环境下运行WHSC循环，发现尿素冻结会严重影响NOx的排放水平。

为了有效降低低温环境下的污染物排放，国内外学者开展了大量关于提高催化器低温性能的试验和研究，其中，主要以设计快速升温机构和研发高效的低温反应材料为主［13-16］。H. Y. Chen等［13］研究发现，Pd-BEA结构催化器减排性能、持续时间、低温存储性能、高温释放性能及抗硫化性能最佳。任学成等［14］对冷起动催化器DCSC开展研究，DCSC相比LNT而言，可以一直处于稀燃状态并具有较好的低温NOx捕集效果，且无需周期性加浓燃油。L. S. Duan等［16］研究发现，在DOC前布置电加热器能明显缩短WHTC循环中排温达到200 ℃所需要的时间。

综上，虽然目前有较多关于低温环境机动车排放的研究报道，但有关柴油机WHTC循环低温排放研究的文献较少，且尚未有关于低温环境下尿素冻结前后排放差异的对比，环境温度条件设置也不够广泛。我国重型车标准制定工作组已着手开展下一阶段标准的制定研究，其中，低温环境条件的设置范围将会影响台架测试、转鼓测试、PEMS测试的排放结果范围，需要足够的数据支撑作为划定依据。

本研究基于一台满足国Ⅵb阶段排放标准的柴油发动机，在配备低温环境仓的发动机台架上开展WHTC循环排放测试，设置多个环境温度，对比CO，HC，NOx，PN及PM的比排放结果，将WHTC循环划设为3个阶段，分析环境温度、中冷后温度、排气温度与排气污染物的相关性以及各阶段不同环境温度下的排放特性差异。

1试验方案

根据本研究试验测试需求，使用发动机高低温环境仓模拟并控制低温环境，使用表1所示设备测量发动机运行参数、污染物排放浓度等。发动机尾气测量点位于后处理系统之后，全段排气管路采取必要的保温措施。具体布置方案如图1所示。

目前我国执行国Ⅵb阶段重型车排放标准，为确保试验条件的先进性，选取满足国Ⅵb排放标准且在市场上应用较为广泛的发动机作为研究对象，该样机与后处理系统的基本参数如表2所示。

为获取更全面的测试数据以评估低温冷起动工况对排放特性的影响，将环境温度分别设置为25，10，0，-5，-10，-15，-20 ℃，逐一运行WHTC冷起动循环试验。上述7个环境温度条件涵盖了常温、低温、零下结冰、尿素冻结等情形。发动机、后处理系统及其附件在达到设定温度的环境仓内静置至少12 h。在-10，-15，-20 ℃环境温度条件下运行试验时，选择手动拖转起机，点火运行正常后正式开始试验，拖转时间不超过30 s。其中，-10，-15，-20 ℃环境温度条件下尿素发生冻结，影响SCR正常工作，NOx排放受其影响较大。为研究尿素冻结前低温环境分别对重型发动机NOx排放的影响，在-10，-15，-20 ℃环境温度条件下额外进行一组试验，即在静置阶段尿素罐置于环境仓外，在试验前10 min再将尿素罐连接至后处理系统。基于测取的发动机运行参数和排放污染物浓度数值，通过国Ⅵ重型车排放标准中的排放计算方法得到比排放数值，开展规律性分析。基于环境温度、中冷后温度、排气温度数据分析低温环境下重型柴油发动机排气污染物的排放特性。

2排放试验结果

图2示出各环境温度下的NOx比排放结果。其中，在-10，-15，-20 ℃的环境温度条件下分别测量了尿素冻结和未冻结状态下的NOx排放。从总体趋势来看，随着环境温度的逐渐降低，NOx比排放逐渐增大。在25 ℃的环境温度下，NOx比排放为668.1 mg/（kW·h）；在环境温度为-20 ℃，且尿素未冻结的状态下，NOx比排放为1 182.9 mg/（kW·h），尿素冻结状态下则为4 497.6 mg/（kW·h），是未冻结状态的3.8倍。-10，-15 ℃环境温度下，尿素冻结状态NOx比排放分别是未冻结状态的1.2倍和3.3倍。由此可见，环境温度越低，尿素冻结对NOx排放的影响则越大。这是因为环境温度越低，尿素罐中的尿素水溶液冻结速度越快，尿素罐中心温度越低，尿素罐加热模块的解冻时间越长，可能一个WHTC循环结束后都无法完成解冻。

图3和图4分别示出各环境温度下的CO和HC比排放。可以发现，随着环境温度的降低，CO和HC比排放逐渐升高，其曲线近似二次函数，温度越低，增幅越大。低温环境一方面使得缸壁温度降低，油气混合物燃烧不完全，容易生成HC和CO；另一方面使得DOC反应效率下降，导致HC和CO反应量减少。与国Ⅵ限值对比发现，即使是-20 ℃环境温度条件，CO和HC比排放分别未超过加权限值4 000 mg/（kW·h）和160 mg/（kW·h）。

图5示出各环境温度下PN比排放。从图中可知，环境温度从25 ℃降至0 ℃，PN比排放先减小后增大，在4×1010～5.5×1010 个/（kW·h）范围内。环境温度为0 ℃以下，PN比排放随着温度降低而减小；环境温度为-20 ℃时，PN比排放为2.49×109 个/（kW·h）。尽管试验室已采取了保温措施，但环境温度降低时，依然会对排气管壁面和后处理系统表面温度产生影响，使得颗粒物在管路中容易发生聚合现象，进而使得PN降低。

各环境温度条件下PM比排放结果如图6所示。与图5的PN比排放结果对比后发现，其与环境温度的关系刚好与PN相反。环境温度从25 ℃降至-5 ℃，PM比排放先略微增加后减小。环境温度低于0 ℃时，环境温度越低，PM比排放值越大。分析认为，环境温度在-5 ℃以上时，由于EGR率减小，PM总量有所下降；但当环境温度低于-5 ℃时，由于缸壁温度越来越低，缸内油气混合物燃烧不完全的情况可能愈发严重，除了HC和CO容易生成之外，也会产生更多炭烟，PM总量随之急剧上升。

3排放分析

3.1循环阶段划分

环境温度、中冷温度和排气温度一方面受到热量累积的影响，另一方面受到发动机工况变化的影响，于是将WHTC循环分成3个阶段展开对比分析。图7示出WHTC循环3个阶段划分的示意图。根据WHTC循環的3种特征，以怠速为界，分成3个阶段。阶段1为0～710 s，该阶段内扭矩波动大，怠速较多，与车辆实际行驶当中的市区行驶工况较为接近。阶段2为711～1 150 s，该阶段内扭矩和转速波动相对较少，怠速仅有1处，与市郊或者快速路的行驶工况较为接近。阶段3为1 151～1 800 s，1 500 s前扭矩、转速波动相对较大，与在高速路的加速过程较相似；1 500 s后扭矩、转速波动平缓，与在高速路稳定行驶较相似。

计算3个阶段的转速和扭矩均值，结果如图8所示。总体而言，随着时间推移，3个阶段的转速、扭矩均值依序增加。阶段1变化至阶段2，转速和扭矩分别增加了3.13%和5.69%；阶段2变化至阶段3，转速和扭矩分别增加了18.49%和145.27%。

3.2排放试验温度变化分析

试验中环境温度的差异会对中冷出口温度和排气温度产生影响，发动机缸内燃烧情况会发生变化，后处理的净化效率也会因此而改变。

尽管试验中已通过环境仓控制系统设置环境温度恒定，但由于发动机在运行过程中会产生大量的热量，可能会对环境温度产生一定影响。整理数据并绘制WHTC循环3个阶段平均环境温度折线图（见图9），发现阶段1至阶段2，环境温度最多升高0.8 ℃，出现在25 ℃的环境条件下；阶段2至阶段3，环境温度最多升高4.9 ℃，出现在0 ℃的环境条件下。0 ℃以下条件的温升总体较小，低于0.6 ℃。总体而言，试验中的环境温度相对比较恒定，发动机自身产生的热量不会对环境温度产生过大影响。

发动机进气温度影响发动机缸内燃烧情况，最终对排放性能产生影响。进气温度降低后，喷射过程中液态燃油量增加，放热峰值延迟，速率加快，缸压下降，最终使得原始排气中的NOx和炭烟减少，HC和CO增加［17］。

各环境温度条件下WHTC循环3个阶段的中冷出口平均温度如图10所示。随着发动机转速、扭矩的增加，中冷出口温度不断升高。环境温度越低，工况变化导致的中冷出口温度升高越多。阶段1至阶段2，环境温度0 ℃及以上时，中冷出口温度温升最大为4.0 ℃，环境温度0 ℃以下时则为8.8 ℃；阶段2至阶段3，环境温度0 ℃及以上时，中冷出口温度温升最大为5.1 ℃，环境温度0 ℃以下时则为7.2 ℃。环境温度越低，空气密度越大，则缸内吸入的空气越多，在一定程度上反而会增大燃烧的放热量，增加排气的总能量，增压器压气机出口温度增加，使得中冷后温度上升更快。

环境温度影响发动机进气、燃烧等一系列过程，并且影响排气系统的散热速率。后处理系统入口的排气温度与后处理各单元的净化效率息息相关。图11示出WHTC循环3个阶段各环境温度下的平均排气温度。环境温度0 ℃及以上时，阶段1至阶段2和阶段2至阶段3的温升均在41.3～45.8 ℃的范围内，相对平均；环境温度低于0 ℃时，阶段1至阶段2的温升在51.2～54.2 ℃，温升较快，阶段2至阶段3的温升在34.7～37.1 ℃，温升放缓。

分析认为，阶段2工况且环境温度0 ℃以下时，相对其他温度条件下的燃烧放热量增加更多，使得排气温升较多；阶段3工况较为稳定，转速和扭矩适中，EGR比例增加，由于废气中水和CO2的比热容较大，使得环境温度0 ℃以下时的排气温度升高减缓。

图12示出各环境温度下WHTC循环前500 s排气温度。除了因环境温度影响导致的排气温度固有的差异之外，观察虚线框中所示的部分发现，环境温度越低，转速或扭矩降低所导致的排气温度降低越快。此外，随着时间推移，各环境温度下的排气温度偏差逐渐减小。

3.3低温环境污染物排放规律分析

图13示出各环境温度下WHTC循环3个阶段的NOx平均浓度的变化。总体而言，从阶段1至阶段2，NOx平均浓度整体下降；阶段2至阶段3，除了-15 ℃和-20 ℃尿素冻结之外的其他状态下NOx平均浓度基本保持一致。在阶段1中，环境温度越低，NOx平均浓度越高。WHTC循环前500 s排气温度的差异决定了后处理整体转化效率的高低，温度越高，转化效率越高。在阶段2中，除了-20 ℃环境温度条件下NOx平均浓度接近50×10-6外，其余条件下NOx平均浓度接近0。阶段2中各种环境温度条件下排气温度接近，后处理转化效率基本一致，且转速、扭矩适中，怠速减少，EGR率升高，NOx生成量不高。-20 ℃环境温度条件下排气温度最低，使其NOx平均浓度比其他环境温度条件下的更高。在阶段3中，转速、扭矩显著上升，NOx生成量增加，由于-15 ℃和-20 ℃环境温度下尿素自然冻结，SCR无法正常工作，故NOx平均浓度急剧增加，分别达到264.3×10-6和364.3×10-6。-15 ℃和-20 ℃环境温度下保持尿素正常喷射时NOx平均浓度则与其他环境温度条件下的基本一致。由此可见，阶段3的大扭矩、大负荷工况更依赖SCR控制NOx排放；阶段1、阶段2工况下NOx排放与SCR的工作状态关系不大，DOC和EGR起主要作用，该工况下NOx排放与整体排气温度更相关。

图14示出各环境温度下WHTC循環3个阶段CO平均浓度的变化。由图可知，阶段1中，环境温度越高，CO平均浓度越低，规律性较强。阶段2和阶段3中，各环境温度下的CO平均浓度基本一致，均接近0。由此可见，环境温度所引起的CO排放差异主要发生于阶段1工况。该工况排气温度和环境温度梯度明显，且排气温度均值不超过200 ℃，而CO的生成与在DOC内的反应分别受环境温度和排气温度的影响较大。阶段2和阶段3中，排气温度均值超过200 ℃，DOC效率较高，CO反应充分。

图15示出各环境温度条件下WHTC循环3个阶段HC平均浓度的变化。阶段1工况下，环境温度越高，HC平均浓度越低，规律性较强。阶段2和阶段3工况下，所有环境温度条件下HC平均浓度都低于2×10-6。总体来看，与CO平均浓度的变化相似，阶段1总体排气温度低，HC的生成和氧化反应受排气温度和环境温度影响较大；阶段2和阶段3排气温度超过200 ℃，DOC内的还原反应相对充分，HC排放降低。

图16示出各环境温度条件下WHTC循环3个阶段PN平均浓度的变化。总体而言，环境温度越高，PN平均浓度越高。环境温度-10～25 ℃条件下，阶段1至阶段3的PN平均浓度总体呈递增趋势。环境温度-15 ℃和-20 ℃条件下，阶段1至阶段3的PN平均浓度均低于100 个/cm3，该条件下，因尿素冻结导致喷射异常，SCR不会形成多余的尿素结晶。此外，由于排气温度相对较低，颗粒物易发生聚合效应，使得PN降低。

4结论

a） 环境温度降低，NOx，CO和HC的比排放值逐渐增加，PN比排放值总体减少，PM比排放值先减少后升高；-10 ℃和-15 ℃环境温度下，若尿素冻结，NOx比排放则是尿素未冻结状态的1.2倍和3.3倍；

b） 根据WHTC循环的3种特征，以循环第710 s和第1 150 s的怠速工况为界分成3个阶段，3个阶段的环境温度基本恒定；从阶段1至阶段3，低温环境下的中冷出口温度升高较快；从阶段1至阶段2，低温环境下的排气温度升高较快；从阶段2至阶段3，低温环境下的排气温度升高减缓；WHTC循环前500 s，环境温度越低，转速或扭矩降低所导致的排气温度降低越快；

c） 阶段3的大扭矩、大负荷工况更依赖SCR控制NOx排放；阶段1、阶段2工况下主要由DOC和EGR控制NOx排放，该工况下NOx排放与整体排气温度更相关；CO和HC比排放结果中环境温度所引起的差异主要发生于阶段1工况；环境温度-10～25 ℃条件下，阶段1至阶段3的PN平均浓度总体呈递增趋势；环境温度-15 ℃和-20 ℃条件下，阶段1至阶段3的PN平均浓度均低于100 个/cm3。

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Cold Start Emission Characteristics of Heavy-Duty Diesel Engine under WHTC Cycle

LIAO Qingrui1，WANG Fengbin1，2，CHE Jintao1，QIN Qingkong1

（1.China Automotive Technology and Research Center Co.，Ltd.，Tianjin300300，China;2.State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin300072，China）

Abstract： Based on a diesel engine that meets the China Ⅵb emission standard， WHTC cycle emission testing was conducted on an engine bench equipped with a low-temperature climatic chamber. Different simulated temperatures were set and the specific emission results of CO， HC， NOx， PN， and PM were compared. Then the relationships of ambient temperature， intercooled temperature and exhaust temperature with exhaust pollutants were analyzed， and the differences in CO， HC， NOx， and PN emission characteristics at different ambient temperatures during the three stages of WHTC cycle were also analyzed. The results showed that the specific emissions of NOx， CO， and HC gradually increased， while the overall specific emissions of PN decreased， and the specific emissions of PM first decreased and then increased with the decrease of ambient temperature. The NOx emissions under -10 ℃ and -15 ℃ in frozen urea state were 1.2 times and 3.3 times of those in unfrozen urea state. NOx emission control mainly relied on DOC and EGR at stage 1 and stage 2 and was more dependent on SCR under the high torque and load conditions of stage 3. The differences caused by ambient temperatures in the CO and HC specific emission results mainly occurred in stage 1. At -15 ℃ and -20 ℃ conditions， the average concentration of PN in stage 1 to stage 3 was below 100 unit/cm3.

Key  words： heavy-duty diesel engine；cold start；WHTC；emission measurement

［编辑： 潘丽丽］