WHSC/WHTC與ESC/ETC測試循環(huán)的試驗比較與研究

趙國斌　蓋永田　耿帥　金靈　伍恒

摘 要：相比于之前廣泛采用的ESC/ETC測試循環(huán)，WHSC/WHTC測試循環(huán)在工況設(shè)置方面有了很大改變，尤其突出了對低速低負(fù)荷工況的側(cè)重。為了研究兩種測試循環(huán)的不同，通過在發(fā)動機臺架上分別運行兩種測試循環(huán)并采集數(shù)據(jù)，分析它們對發(fā)動機排放指標(biāo)的影響，比較兩種測試循環(huán)的排氣溫度不同，重點研究了平均排溫和升溫過程，從而定量分析了它們在排溫、排放等方面的不同。

關(guān)鍵詞：測試循環(huán)；排放法規(guī)；排溫；后處理

中圖分類號：TK421.5文獻標(biāo)文獻標(biāo)識碼：A文獻標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.01.05

環(huán)境保護部在2014年1月16日發(fā)布了《城市車輛用柴油發(fā)動機排氣污染物排放限值及測量方法（WHTC工況法）》，規(guī)定自2015年1月1日起在柴油機型式核準(zhǔn)中增加新的測試循環(huán)——世界統(tǒng)一的瞬態(tài)測試循環(huán)（World Harmonized Transient Cycle，WHTC）。

在歐IV和歐V法規(guī)中采用的測試循環(huán)分別為歐洲穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)（European steady-state cycle，ESC）

和歐洲瞬態(tài)測試循環(huán)（European transient cycle，

ETC），而在最新實施的歐VI法規(guī)中則采用了世界統(tǒng)一的測試循環(huán)，它包括世界統(tǒng)一的穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)（World Harmonized Steady-state Cycle，WHSC）和WHTC。我國的排放法規(guī)參考?xì)W洲，目前雖然只是部分采用了WHTC工況法，但在未來必將全面采用世界統(tǒng)一測試循環(huán)。

通過在YL40型國IV柴油機上進行世界統(tǒng)一測試循環(huán)與歐洲測試循環(huán)的對比試驗，就兩種測試循環(huán)進行比較研究。

1 WHSC/WHTC測試循環(huán)的發(fā)展與采用

WHSC/WHTC測試循環(huán)是世界車輛法規(guī)協(xié)調(diào)論壇（World Forum for Harmonization of Vehicle Regulations，簡稱為UN/WP29或WP29）在制訂第4號全球技術(shù)法規(guī)《全球統(tǒng)一的重型車測試規(guī)程（WHDC）》時，通過充分考察世界各地的道路狀況和各種車輛的行駛特征，而制定出的具有代表意義的測試循環(huán)。

其制定原因是歐洲在實施歐IV和歐V法規(guī)過程中，發(fā)現(xiàn)裝有選擇性催化還原系統(tǒng)（Selective Catalyst Reduction，SCR）的后處理系統(tǒng)的柴油車輛在實際道路條件下NOx排放遠遠超過法規(guī)排放標(biāo)準(zhǔn)，而這些車輛發(fā)動機及其后處理系統(tǒng)在進行生產(chǎn)核準(zhǔn)時都能夠滿足排放限值。相關(guān)研究表明，在平均車速較低的城市工況下，NOx排放往往能達到限值的2～3倍左右，遠遠高于排放限值[1]。其原因是城市行駛多為低速、低功率工況，排氣溫度較低，而現(xiàn)有SCR系統(tǒng)在溫度低于280℃時轉(zhuǎn)化效率會嚴(yán)重降低，在低于200℃時會停止工作，從而造成實際NOx排放嚴(yán)重超標(biāo)。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有發(fā)動機及其后處理系統(tǒng)在低溫時排放偏高的問題根源在于出廠時測試工況的選擇不合理。ESC/ETC不能夠真實反映車輛實際運行的情況，而且在測試中允許企業(yè)對發(fā)動機進行預(yù)熱和調(diào)整，達到理想的工作狀態(tài)后才進行循環(huán)檢測，這就使測試循環(huán)中發(fā)動機的排溫較高，利于后處理系統(tǒng)工作，能夠滿足排放限值，從而使生產(chǎn)企業(yè)不再致力于研究降低低溫排放的方法和技術(shù)。

因此在2009年，歐盟發(fā)布了EC/595/2009法規(guī)，并在2011年發(fā)布修訂法規(guī) EC/582/2011，制訂了重型車輛的歐VI排放標(biāo)準(zhǔn)。歐VI法規(guī)規(guī)定采用對實際車輛行駛狀況具有較好代表性的WHSC和WHTC。

我國北京地區(qū)排放法規(guī)領(lǐng)先于全國標(biāo)準(zhǔn)，在2013年2月北京市環(huán)保局頒布的第五階段柴油機排放法規(guī)《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）》中，已明確規(guī)定北京地區(qū)車用柴油機在歐洲測試循環(huán)外，加入WHTC測試循環(huán)。此次環(huán)境保護部發(fā)布的新的補充辦法，代表著該測試循環(huán)在我國被更廣泛地采用。

2 WHSC/WHTC測試循環(huán)與ESC/ETC測試

循環(huán)的比較研究

2.1 WHSC與ESC的比較研究

WHSC與ESC測試循環(huán)都選擇了具有代表性的13個工況來進行測量，但是在運行參數(shù)、排氣溫度等方面又有著較大不同。

圖1和圖2分別為ESC和WHSC測試循環(huán)工況的分布。

它們的區(qū)別主要體現(xiàn)在：

（1）工況參數(shù)的不同

ESC測試循環(huán)除怠速外分別選擇了在最大凈功率下55%、60%、65%的轉(zhuǎn)速作為基本轉(zhuǎn)速，每個轉(zhuǎn)速各對應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩下25%、50%、75%、100%四個轉(zhuǎn)矩；WHSC測試循環(huán)則包括兩個怠速工況，轉(zhuǎn)速包括最大凈功率下25%、35%、45%、55%、75%五個轉(zhuǎn)速，每個轉(zhuǎn)速對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩又各不相同，其中55%轉(zhuǎn)速分別對應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩下25%、50%、70%、100%四個工況，35%轉(zhuǎn)速對應(yīng)25%、50%、100%三個工況，45%轉(zhuǎn)速對應(yīng)25%、75%兩個工況，25%和75%轉(zhuǎn)速分別對應(yīng)25%和100%一個工況。

通過比較可以看出，ESC測試循環(huán)的轉(zhuǎn)速選擇范圍較窄，且3個轉(zhuǎn)速都是中高轉(zhuǎn)速，在每個轉(zhuǎn)速下分別進行低、中、高負(fù)荷的測試；而WHSC轉(zhuǎn)速范圍明顯更寬，并且低于50%最大凈功率轉(zhuǎn)速的低轉(zhuǎn)速工況有6個，占到了將近半數(shù)，體現(xiàn)了對低轉(zhuǎn)速工況的側(cè)重。同時WHSC在工況轉(zhuǎn)矩的設(shè)定上，避免了ESC每個轉(zhuǎn)速平均排布轉(zhuǎn)矩的做法，如對25%低速工況和75%高速工況，只是有選擇地分別測量它們的低或高負(fù)荷，增強了工況的代表性。

計算ESC與WHSC的平均轉(zhuǎn)速、平均轉(zhuǎn)矩和平均功率，可以更直觀地看到這種差別，見表1。

由表1可知，WHSC的平均轉(zhuǎn)速為ESC的75%，平均轉(zhuǎn)矩為ESC的49%，平均功率為ESC的36%，明顯體現(xiàn)了對低速低負(fù)荷工況的側(cè)重。

（2）排氣溫度的不同

平均功率的不同必將使發(fā)動機排氣溫度有明顯的不同，而排氣溫度對后處理系統(tǒng)的工作效率有直接影響。

運行ESC和WHSC測試循環(huán)并采集排溫數(shù)據(jù)。分別計算ESC和WHSC的13個工況平均排溫，如圖3和圖4所示，分別為ESC和WHSC各工況的平均排溫。

為了更直觀地表現(xiàn)ESC/WHSC的排溫差異，分別將它們各工況的排氣溫度從低到高排列后進行比較，如圖5所示。

雖然ESC與WHSC中每個工況所占權(quán)重是有差別的，而且圖5中用來對比的兩個工況可能并不相同，但是可以觀察到ESC測試循環(huán)的平均排溫要遠遠低于WHSC測試循環(huán)。

分別計算ESC與WHSC測試循環(huán)的整體平均排溫，得到ESC的平均排溫為371 ℃，WHSC的平均排溫為229 ℃，比ESC低約38%，其中平均排溫的計算采用權(quán)重法，其計算公式為

。

式中，Ti為瞬時排溫，Qi為瞬時排氣流量。

由圖5可知，WHSC的平均排溫遠遠低于ESC，致使后處理系統(tǒng)不能正常工作。

（3）排放水平的不同

分別采集ESC與WHSC測試循環(huán)的原機排放數(shù)據(jù)，見表2。

由表2可知，WHSC測試循環(huán)的4種原機污染物排放相比于ESC均有不同幅度的增加，其中，CO增加0.223 g/kwh，增幅92%；THC增加0.096 g/kwh，

增幅46%；NOx增加3.766 g/kwh，增幅44%；PM增加0.007 g/kwh，增幅32%。

考慮到WHSC測試循環(huán)較低的平均排溫，后處理系統(tǒng)的NOx除去率遠低于ESC測試循環(huán)，因此經(jīng)過后處理的NOx排放相比于ESC測試循環(huán)的增幅還要變得更高。

2.2 WHTC與ETC的比較研究

WHTC與ETC測試循環(huán)都是在1800 s逐秒變化的瞬態(tài)工況，但它們在工況的分配、平均排溫等方面存在明顯的不同。運行ETC和WHTC測試循環(huán)，其轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩變化分別如圖6和圖7所示。

它們的不同主要體現(xiàn)在：

（1）工況參數(shù)的不同

在ETC的工況中，前600 s為城市道路工況，600～1 200 s為鄉(xiāng)村道路工況，1 200～1 800 s為高速公路工況，各占全部工況的三分之一。而在WHTC測試循環(huán)中，城市工況占49.6%，郊區(qū)工況占26%，高速工況占24.3% 。

同時，WHTC測試循環(huán)要求分別進行冷啟動與熱啟動測試，即首先在不對發(fā)動機進行預(yù)熱的情況下直接運行測試循環(huán)，檢測冷啟動條件下的排放變化，緊接著對發(fā)動機進行10±1 min的熱浸（hot soak），再運行熱啟動條件下的測試循環(huán)，最終的測試結(jié)果按照下式計算：

WHTC試驗結(jié)果

式中，mcold為冷啟動循環(huán)各排放物組分的質(zhì)量，

g/循環(huán)；mhot 為熱啟動循環(huán)各排放物組分的質(zhì)量，g/循環(huán)；Wact，cold為冷啟動循環(huán)的實際循環(huán)功，kWh；Wact，hot為熱啟動循環(huán)的實際循環(huán)功，kWh。

分別計算ETC與WHTC的平均轉(zhuǎn)速，平均轉(zhuǎn)矩與平均功率，結(jié)果見表3。

由表3可知，ETC測試循環(huán)與WHTC測試循環(huán)在平均轉(zhuǎn)速方面差別很小，但是平均轉(zhuǎn)矩有著明顯不同。ETC中的工況平均轉(zhuǎn)矩較大，負(fù)荷較高，而WHTC的平均轉(zhuǎn)矩明顯較小，偏重于低負(fù)荷工況，因而使WHTC循環(huán)的平均功率只有ETC的62%。

（2）排氣溫度的不同

計算ETC與WHTC的平均排溫，得到ETC的平均排溫為236 ℃，而WHTC冷啟動測試平均排溫為187 ℃，熱啟動測試平均排溫為194 ℃，分別比ETC低21%和18%。

但是它們最大的差別不在于平均排溫，而是測試循環(huán)運行過程中的溫度變化情況。圖8所示為ETC/WHTC的排溫變化曲線。

由圖8可知，在大部分循環(huán)時間里ETC測試循環(huán)的排溫都高于WHTC循環(huán)，也高于SCR的起始工作溫度200 ℃，而冷啟動的WHTC循環(huán)排溫在起始時排溫較低，之后曲線與熱啟動循環(huán)曲線基本一致。WHTC循環(huán)的排溫大部分時間都低于SCR的起始工作溫度，直到1300 s左右才穩(wěn)定地高于200 ℃，也就是說在循環(huán)的大部分時間SCR都不能工作或者效率很低。

以200 s為間隔，分別計算前200n s（）時間內(nèi)的平均排溫，得到結(jié)果見表4。

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)制成圖9。

從圖9中可以更明顯地看出平均排溫的變化，ETC和WHTC（冷/熱）循環(huán)的平均排溫基本趨勢都是隨測試運行時間增加而增高，但是起始排溫與溫度增加速率有較大差別。ETC測試循環(huán)在第500 s左右時，平均排溫就穩(wěn)定地超過了200 ℃，而WHTC（冷/熱）平均排溫增加較慢，且一直低于200 ℃的SCR最低工作溫度。

（3）排放水平的不同

分別采集ESC與WHSC測試循環(huán)的原機排放數(shù)據(jù)見表5。

由表5可知，WHSC測試循環(huán)的4種原機污染物排放相比于ESC均有不同幅度的增加，其中，CO增加0.513 g/kwh，增幅34%；THC增加0.078 g/kwh，

增幅35%；NOx增加1.485 g/kwh，增幅16%；PM增加0.012 g/kwh，增幅25%。

與WHSC類似，WHTC測試循環(huán)中后處理系統(tǒng)的NOx除去率也會因排溫較低而大幅下降，大量NOx未經(jīng)處理直接排出，造成排放大幅提高。

3 結(jié)論

（1）與ESC/WHSC測試循環(huán)相比，ETC/WHTC測試循環(huán)低速低負(fù)荷工況比重明顯增加。從而帶來排氣溫度的降低和排放污染物的小幅增加；尤其是NOx因目前的后處理系統(tǒng)對排氣溫度敏感，隨著溫度降低而工作效率變差，排放增加幅度更為明顯。

（2）相比國IV排放法規(guī)，新的排放法規(guī)不僅提高了排放限值，同時增加了測試循環(huán)工況。WHTC的引入要求排放后處理系統(tǒng)有更好的低溫性能。