燃?xì)廛嘝EMS排放測(cè)試與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架WHTC測(cè)試對(duì)比分析

張騰，劉興華，靳航，陳龍，陳占明，韓文濤

(1.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061；2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；3.一汽解放汽車有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130011；4.長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064)

天然氣具有氣源豐富、熱值高等特點(diǎn)，已成為最受重視的重型車用發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料。GB 17691—2018排放法規(guī)規(guī)定，發(fā)動(dòng)機(jī)排放測(cè)試不僅需要通過臺(tái)架排放測(cè)試，還需要通過整車實(shí)際道路排放測(cè)試。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架上進(jìn)行排放測(cè)試采用全球統(tǒng)一瞬態(tài)循環(huán)(World Harmonized Transient Cycle，WHTC)，與歐洲瞬態(tài)循環(huán)(European Transient Cycle，ETC)相比，WHTC循環(huán)增加了城市運(yùn)行工況所占的比例，與整車實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的發(fā)動(dòng)機(jī)工況更接近，因此發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架排放結(jié)果與整車實(shí)際道路排放結(jié)果更為接近。但是發(fā)動(dòng)機(jī)是整車動(dòng)力總成部分，在臺(tái)架上進(jìn)行排放測(cè)試僅能反映車輛在特定環(huán)境下的排放水平，不能完全反映車輛實(shí)際運(yùn)行排放特性，因此即使發(fā)動(dòng)機(jī)排放結(jié)果滿足臺(tái)架排放法規(guī)限值，也并不一定滿足整車實(shí)際道路排放測(cè)試要求[1]。當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)和整車企業(yè)大多數(shù)為分開運(yùn)營(yíng)，導(dǎo)致整車企業(yè)無法實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)排放等一系列問題。為此，整車企業(yè)有必要增加整車實(shí)際道路排放測(cè)試確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行排放結(jié)果。

隨著整車實(shí)際道路排放測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，隧道法、遙感法等技術(shù)陸續(xù)被應(yīng)用，而車載排放測(cè)試系統(tǒng)(Portable Emission Measurement System，PEMS)操作簡(jiǎn)單，測(cè)量準(zhǔn)確，被廣泛應(yīng)用于整車實(shí)際道路排放測(cè)試。當(dāng)前國內(nèi)外研究者對(duì)整車實(shí)際道路排放和發(fā)動(dòng)機(jī)排放測(cè)試循環(huán)開展了大量研究工作。葛蘊(yùn)珊等[2]研究發(fā)現(xiàn)，車輛實(shí)際道路上整車污染物排放因子隨車速的增加而降低，但明顯高于實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證工況下的測(cè)試結(jié)果。馮謙等[1]研究表明，與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架WHTC測(cè)試循環(huán)相比，PEMS測(cè)得的車輛實(shí)際道路NOx排放水平較高。Pelkman等[3]通過研究實(shí)際道路排放結(jié)果與底盤測(cè)功機(jī)試驗(yàn)循環(huán)的排放結(jié)果，發(fā)現(xiàn)車輛實(shí)際CO和NOx排放遠(yuǎn)高于新歐洲行駛循環(huán)循環(huán)測(cè)量結(jié)果。高翔等[4]通過整車行駛循環(huán)的模擬排放試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，國五輕型車在瞬態(tài)工況下污染物排放量與歐洲穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)工況有明顯不同，HC排放低 64.1%，NOx排放低 34.5%，CO排放低8.6%。目前各學(xué)者主要是針對(duì)柴油車或者輕型車進(jìn)行研究，對(duì)天然氣車輛實(shí)際道路行駛排放與臺(tái)架排放測(cè)試循環(huán)的差異研究較少。因此有必要針對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架排放測(cè)試循環(huán)和實(shí)際道路排放關(guān)聯(lián)性進(jìn)行對(duì)比研究。

在本試驗(yàn)中分別進(jìn)行天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC循環(huán)排放測(cè)試和天然氣整車實(shí)際道路排放測(cè)試，探討臺(tái)架排放測(cè)試循環(huán)和實(shí)際道路排放的排放結(jié)果之間的差異。由于整車實(shí)際道路排放測(cè)試受試驗(yàn)路線、路況、司機(jī)駕駛習(xí)慣、車輛載荷等外界因素影響較大，因此在本研究中對(duì)整車PEMS測(cè)試進(jìn)行定性分析，從而進(jìn)行兩種排放測(cè)試循環(huán)的對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架排放測(cè)試試驗(yàn)

在本試驗(yàn)中以滿足國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)的重型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)該天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行WHTC循環(huán)排放測(cè)試以及對(duì)搭載相同型號(hào)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的整車進(jìn)行實(shí)際道路行駛排放測(cè)試。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)后處理形式為三元后處理裝置(Three Way Catalyst，TWC)，后處理裝置安裝位置距離增壓器出氣口2.8 m，發(fā)動(dòng)機(jī)和整車的具體參數(shù)見表1。

表1 整車和發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

1.2 整車PEMS實(shí)際道路排放試驗(yàn)

在本試驗(yàn)中選用Horiba OBS-ONE系列便攜式車載排放測(cè)試系統(tǒng)，該設(shè)備主要由氣體分析單元、尾氣流量計(jì)、GPS及環(huán)境測(cè)量模塊等構(gòu)成。氣體分析模塊可對(duì)CO、NOx、THC進(jìn)行采集與測(cè)量，尾氣流量計(jì)用于測(cè)量排氣流量和體積，GPS可對(duì)車輛的行駛路線與速度進(jìn)行記錄與測(cè)量，環(huán)境測(cè)量模塊可記錄溫度、濕度和大氣壓力。

1.3 測(cè)試循環(huán)

對(duì)于N3類非城市車型，GB 17691—2018排放法規(guī)要求測(cè)試路段為20%的市區(qū)路、25%的市郊路、55%的高速路，依次進(jìn)行，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)可以有±5%的偏差；測(cè)試時(shí)間最短應(yīng)保證累計(jì)功達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC循環(huán)功的4～7倍[5]。整車加載砂石料，均勻放置在車廂中，負(fù)載率在35%左右。為減少外界因素對(duì)整車排放測(cè)試結(jié)果的影響，選用同一駕駛員在相同的路線及天氣狀況相近的條件下依據(jù)國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)要求分別完成整車PEMS測(cè)試。試驗(yàn)路線選擇在生態(tài)環(huán)保部備案路線：濰坊市濰安路—濰坊東—G20—S21。

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架排放測(cè)試，GB 17691—2018排放法規(guī)規(guī)定天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試循環(huán)需進(jìn)行冷熱態(tài)WHTC循環(huán)。WHTC循環(huán)時(shí)間為1 800 s，包括城市道路工況、城郊工況和高速工況，根據(jù)實(shí)際路況設(shè)定了起停與怠速過程，轉(zhuǎn)速和扭矩分布也相應(yīng)地向低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷工況區(qū)域集中，以更加貼近車輛實(shí)際道路運(yùn)行工況。圖1示出了發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC循環(huán)曲線。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC循環(huán)曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 測(cè)試循環(huán)特征參數(shù)對(duì)比

表2示出了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架排放測(cè)試WHTC循環(huán)和整車實(shí)際道路排放PEMS測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況特征參數(shù)對(duì)比。從表2的特征參數(shù)對(duì)比可知，發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架WHTC排放測(cè)試循環(huán)的平均轉(zhuǎn)速比整車PEMS排放測(cè)試低150 r/min，平均扭矩比整車PEMS排放測(cè)試循環(huán)低304 N·m，而怠速所占比例比整車PEMS排放測(cè)試循環(huán)高10.11%。整車PEMS排放測(cè)試車輛循環(huán)功是發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架WHTC循環(huán)功的5.48倍，滿足國Ⅵ排放法規(guī)要求。

表2 WHTC循環(huán)和PEMS測(cè)試循環(huán)主要參數(shù)對(duì)比

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行WHTC循環(huán)測(cè)試時(shí)主要按照設(shè)定模式進(jìn)行，基本上不受外界影響，整體運(yùn)行平穩(wěn)；而整車PEMS排放測(cè)試是在車輛實(shí)際行駛狀態(tài)下測(cè)試，受整車配置、道路工況等影響，具有不可控因素，特別是在市區(qū)路段，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化頻繁，且極容易出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩超調(diào)或者倒拖現(xiàn)象。因此有必要分析在兩種不同測(cè)試工況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩的占比，圖2示出了整車PEMS和發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC測(cè)試過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)比。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分布占比

從圖2可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架上進(jìn)行WHTC循環(huán)時(shí)轉(zhuǎn)速1 300～1 500 r/min區(qū)間占比最高，為28.65%，而整車PEMS測(cè)試時(shí)，轉(zhuǎn)速1 100～1 300 r/min區(qū)間占比最高，為54.29%，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分布差別較大。這主要是因?yàn)檎囋谶M(jìn)行PEMS循環(huán)測(cè)試時(shí)，在市區(qū)路段下車速較低，司機(jī)一般選用低擋位行駛，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及負(fù)荷較低；而在高速時(shí)司機(jī)通常選擇直接擋位或者超速擋行駛以提高車速，保證車速滿足法規(guī)規(guī)定[6]。發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架WHTC排放測(cè)試工況變化按照既定設(shè)置進(jìn)行，并且由測(cè)功機(jī)拖動(dòng)可實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換工況，而整車在進(jìn)行功率、扭矩轉(zhuǎn)換時(shí)需變速箱、后橋等各機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)配合，存在著一定的響應(yīng)時(shí)間，因此發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架WHTC循環(huán)和整車PEMS發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況會(huì)有一定的差別[7]。圖3示出兩種測(cè)試循環(huán)的實(shí)際工況分布。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩分布對(duì)比

從圖3可以看出，整車PEMS排放測(cè)試時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)扭矩占比較高，車輛在行駛過程中容易發(fā)生倒拖現(xiàn)象，滑行距離占比較多，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放有一定的影響。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)排放氣體污染物結(jié)果對(duì)比

整車進(jìn)行PEMS測(cè)試時(shí)對(duì)HC的要求是總HC的限值，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行WHTC排放測(cè)試時(shí)，HC的測(cè)量采用CH4和非甲烷碳?xì)浠衔锵嗉又瓦M(jìn)行對(duì)比分析。表3示出發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架WHTC循環(huán)排放測(cè)試和整車道路行駛PEMS測(cè)試中，滿足限值要求的有效功基窗口比例達(dá)到 90%以上時(shí)比排放值的對(duì)比。

表3 WHTC和PEMS循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放

從表3可以看到，兩種循環(huán)下排放測(cè)試污染物的測(cè)試結(jié)果均滿足國Ⅵ排放限值要求，但是整車PEMS的排放測(cè)試結(jié)果高于發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC排放測(cè)試結(jié)果。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度對(duì)比分析

排氣溫度對(duì)TWC的催化轉(zhuǎn)化效率有較大影響，特別是在起動(dòng)階段，因此有必要分析兩種排放測(cè)試循環(huán)下的排氣溫度變化。圖4示出了兩種測(cè)試工況下排氣溫度的變化，發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架進(jìn)行WHTC循環(huán)時(shí)排氣溫度平均為512 ℃，整車PEMS測(cè)試時(shí)平均排氣溫度為431 ℃。由于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架處于試驗(yàn)室內(nèi)，受外界影響較小，因此升溫較快，TWC可快速達(dá)到起燃溫度，TWC工作效率較高，發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC循環(huán)下排放降低。

圖4 WHTC循環(huán)和PEMS測(cè)試循環(huán)下發(fā)動(dòng)機(jī)排溫對(duì)比

2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)過量空氣系數(shù)對(duì)比分析

當(dāng)前滿足國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用的技術(shù)路線為理論空燃比+TWC。根據(jù)TWC的空燃比特性可知，TWC的最高催化轉(zhuǎn)化效率發(fā)生在理論空燃比附近，而在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于氧傳感器的響應(yīng)時(shí)間、噴嘴工作響應(yīng)時(shí)間、發(fā)動(dòng)機(jī)控制模式發(fā)生變化等客觀因素影響，極易引起空燃比波動(dòng)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣處于較稀薄狀態(tài)時(shí)，CO和THC的催化轉(zhuǎn)化效率較高，但是NOx的催化轉(zhuǎn)化效率下降；反之，NOx的催化轉(zhuǎn)化效率一直處于較高水平，但是CO和THC的催化轉(zhuǎn)化效率迅速下降[8]。這與Xi等[9]研究相一致，即當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)過量空氣系數(shù)略小于理論空燃比，在0.99附近時(shí)甲烷的轉(zhuǎn)化率接近100%，而過量空氣系數(shù)在1.02附近時(shí)甲烷轉(zhuǎn)化率降至30%左右。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)時(shí)通常將發(fā)動(dòng)機(jī)過量空氣系數(shù)設(shè)置在0.98～0.99范圍內(nèi)，以保證TWC處于高效工作區(qū)間。但是在排放測(cè)試過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)主要是在瞬態(tài)工況下運(yùn)行，其過量空氣系數(shù)有一定的波動(dòng)，對(duì)TWC的工作效率有較大的影響。因此有必要分析發(fā)動(dòng)機(jī)在兩種不同排放測(cè)試循環(huán)下過量空氣系數(shù)波動(dòng)情況。

當(dāng)前天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)通常采用寬裕氧傳感器對(duì)過量空氣系數(shù)進(jìn)行閉環(huán)控制。寬裕氧傳感器通過檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中氧含量并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)反饋到發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(Electronic Control Unit，ECU)中，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU經(jīng)內(nèi)部計(jì)算可提供有效的發(fā)動(dòng)機(jī)過量空氣系數(shù)[10]。同時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)時(shí)利用臺(tái)架上空氣流量計(jì)和天然氣流量計(jì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU計(jì)算出的發(fā)動(dòng)機(jī)過量空氣系數(shù)進(jìn)行校對(duì)，經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架數(shù)據(jù)計(jì)算出的過量空氣系數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU計(jì)算值相吻合，因此認(rèn)為ECU計(jì)算的過量空氣系數(shù)是準(zhǔn)確的，所以在本試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)過量空氣系數(shù)通過天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)控制程序采集。

圖5示出了兩種不同排放測(cè)試工況下過量空氣系數(shù)的瞬時(shí)變化曲線。由圖5可知，發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行WHTC排放循環(huán)測(cè)試時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的過量空氣系數(shù)波動(dòng)較小且在偏濃的狀態(tài)下占比較多，TWC在高效區(qū)間工作。在進(jìn)行整車PEMS道路測(cè)試時(shí)，由2.1節(jié)可知整車在運(yùn)行時(shí)倒拖運(yùn)行頻繁，發(fā)動(dòng)機(jī)在燃?xì)馇袛嗄Ｊ较逻\(yùn)行，此時(shí)氧傳感器反饋值較小，甚至接近于0，發(fā)動(dòng)機(jī)過量空氣系數(shù)波動(dòng)較大，也因此對(duì)TWC的催化轉(zhuǎn)化效率產(chǎn)生較大的影響。李志軍等[11]研究發(fā)現(xiàn)，過量空氣系數(shù)在0.96～1.04，波動(dòng)頻率為0.5 Hz的條件下，空燃比波動(dòng)的振幅越大，TWC可以越快起燃。但是在整車道路PEMS排放循環(huán)測(cè)試時(shí)，過量空氣系數(shù)的波動(dòng)比較隨機(jī)，沒有固定的頻率，所以無法促進(jìn)TWC的快速起燃，對(duì)車輛排放有較大的影響。

圖5 WHTC循環(huán)和PEMS測(cè)試循環(huán)下發(fā)動(dòng)機(jī)過量空氣系數(shù)對(duì)比

2.5 排放結(jié)果分析

2.5.1 THC排放

發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架進(jìn)行WHTC循環(huán)排放測(cè)試時(shí)THC的比排放量為0.16 g/(kW·h)，整車PEMS實(shí)際道路排放值為0.19 g/(kW·h)，圖6示出了兩種測(cè)試方法下THC的瞬時(shí)變化曲線。在起動(dòng)階段兩種測(cè)試方法測(cè)得的THC排放較高，這主要是因?yàn)榇藭r(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)過量空氣系數(shù)小于1，缸內(nèi)混合氣處于較濃狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)缸壁溫度較低并且缸內(nèi)混合氣燃燒不完全，缸內(nèi)潤(rùn)滑油吸附、狹隙效應(yīng)、壁面冷激效應(yīng)等導(dǎo)致THC排放量較高[12]。而在進(jìn)行整車實(shí)際道路測(cè)試時(shí)，排氣管及催化器處于開放環(huán)境下，排氣溫度上升較慢，TWC的催化轉(zhuǎn)化效率較低，導(dǎo)致整車實(shí)際道路PEMS排放測(cè)試值更高。

圖6 WHTC循環(huán)和PEMS測(cè)試循環(huán)THC瞬時(shí)排放對(duì)比

另外，根據(jù)陳林[13]研究可知，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣過量空氣系數(shù)在1.1～1.2范圍內(nèi)時(shí)，THC排放最小；如果過量空氣系數(shù)超出此范圍，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒惡化或者發(fā)生失火問題，導(dǎo)致THC排放反而增加。由圖5可知，整車PEMS實(shí)際道路排放測(cè)試時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)過量空氣系數(shù)波動(dòng)大，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣THC原始排放值較高，同時(shí)過量空氣系數(shù)的波動(dòng)使TWC的工作效率也較低，導(dǎo)致整車實(shí)際道路PEMS排放測(cè)試時(shí)排放值偏高。而發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行WHTC循環(huán)排放測(cè)試時(shí)，過量空氣系數(shù)波動(dòng)較小且略小于1，缸內(nèi)溫度和排氣溫度上升較快，生成THC的條件破壞，同時(shí)TWC的催化轉(zhuǎn)化效率較高，所以THC的排放值較小。

隨著排放測(cè)試的進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入正常行駛狀態(tài)，特別是在高速路段，發(fā)動(dòng)機(jī)缸壁溫度升高，TWC的催化轉(zhuǎn)化效率較高，發(fā)動(dòng)機(jī)排放較穩(wěn)定，THC的排放值減少，THC的瞬時(shí)排放在100×10-6以下；但是車輛無論是在市郊還是高速階段行駛，均容易受到外界影響，如車輛帶擋滑行、擋位變換等，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放有一定的影響，因此整車PEMS實(shí)際道路排放值呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)，但是THC瞬時(shí)排放值較低。

2.5.2 CO排放

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架WHTC循環(huán)和整車實(shí)際道路PEMS排放測(cè)試的CO比排放量分別為0.213 g/(kW·h)和0.267 g/(kW·h)，圖7示出了兩種排放測(cè)試循環(huán)下CO的瞬時(shí)變化曲線。

圖7 WHTC循環(huán)和PEMS測(cè)試循環(huán)CO瞬時(shí)排放對(duì)比

從圖7可以看出，WHTC排放測(cè)試時(shí)，CO的排放峰值出現(xiàn)在冷起動(dòng)階段，最高為1 200×10-6；而整車排放在冷起動(dòng)階段CO的排放值也比較高，車輛在市郊或者市區(qū)工況下運(yùn)行時(shí)CO排放峰值高達(dá)1 479×10-6，整體排放水平相對(duì)較高。在起動(dòng)階段兩種排放測(cè)試循環(huán)下CO排放均比較高，主要是因?yàn)樵谄饎?dòng)階段，為了使發(fā)動(dòng)機(jī)快速到達(dá)正常溫度，通常使發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃?xì)馓幱谶^濃狀態(tài)，而CO生成受過量空氣系數(shù)影響較大，因此發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的CO排放值較高[12]。在整車PEMS排放測(cè)試時(shí)，在2 800 s前主要是在市區(qū)和市郊運(yùn)行，車輛運(yùn)行受道路狀況影響較大，容易發(fā)生車輛頻繁起停、扭矩變化頻繁等現(xiàn)象，過量空氣系數(shù)也隨之變化，TWC工作效率的波動(dòng)較大，導(dǎo)致CO的排放量較高[13]。但是除部分工況外，兩種排放測(cè)試工況下大部分工況的CO排放均在450×10-6以下。

2.5.3 NOx排放

圖8示出兩種發(fā)動(dòng)機(jī)排放測(cè)試循環(huán)下NOx瞬時(shí)排放濃度對(duì)比。從圖8可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架WHTC排放循環(huán)下的NOx排放在起動(dòng)時(shí)較高，進(jìn)入后續(xù)工況后排放也會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，但是整體排放較低。這與馮謙等研究結(jié)果一致，也即發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩發(fā)生變化時(shí)NOx排放量上升[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)階段排氣溫度較低，缸內(nèi)天然氣較多，混合氣燃燒溫度較高，TWC催化轉(zhuǎn)化效率較低，所以NOx排放量較高[14-15]。待發(fā)動(dòng)機(jī)到達(dá)正常狀態(tài)后，發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC循環(huán)測(cè)試下過量空氣系數(shù)波動(dòng)較小，TWC的催化轉(zhuǎn)化效率提升，發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放量較低。在整車實(shí)際道路排放測(cè)試時(shí)，車輛在市區(qū)車速較低且發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩變化頻繁，當(dāng)車輛在加速行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣處于過濃狀態(tài)，缸內(nèi)溫度較高，NOx生成量較高[13,16]。TWC也因發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度上升緩慢、過量空氣系數(shù)等原因?qū)е鹿ぷ餍式档?，所以整車PEMS的NOx排放略高。

圖8 WHTC循環(huán)和PEMS測(cè)試循環(huán)下NOx瞬時(shí)排放對(duì)比

3 結(jié)論

a) 兩種發(fā)動(dòng)機(jī)排放測(cè)試工況對(duì)比，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架WHTC循環(huán)下怠速占比比整車實(shí)際道路PEMS排放測(cè)試高10.11%，平均扭矩比整車PEMS排放測(cè)試循環(huán)低304 N·m，因此兩種排放測(cè)試工況的差異使同一發(fā)動(dòng)機(jī)的排放值表現(xiàn)出一定的差異；

b) 兩種排放測(cè)試方法下污染物排放值均滿足國Ⅵ法規(guī)限值要求，但是發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架WHTC循環(huán)比排放值較低；兩種排放測(cè)試方法可有效地測(cè)試天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排放值，但是PEMS測(cè)試值遠(yuǎn)低于法規(guī)限值，可考慮在未來排放標(biāo)準(zhǔn)中加嚴(yán)整車實(shí)際道路的排放限值；

c) 發(fā)動(dòng)機(jī)在開發(fā)標(biāo)定時(shí)，應(yīng)結(jié)合WHTC循環(huán)和PEMS排放測(cè)試的工況，特別是在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)車輛的起動(dòng)階段、加減速以及過量空氣系數(shù)波動(dòng)較大時(shí)和TWC低溫下控制發(fā)動(dòng)機(jī)排放，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)排放滿足要求。