不同技术路线柴油机运行WHTC循环排放特性研究

1、 中汽中心科研课题研究报告不同技术路线柴油机运行WHTC循环排放特性Emission Characteristic of Diesel Engines with Different Technical Routes Running WHTC Cycle课题编号：13142309承担部门：试验所课题负责人：尹超完成日期：2013年5月目 录第一章 研究背景和试验方案41.1 欧洲重型柴油车辆排放测试循环的发展41.2 北京市地方标准采用WHTC循环的背景61.3试验方案81.3.1 试验发动机和测试系统91.3.2 WHTC试验流程10第二章 SCR柴油机运行WHTC循环的排放特性122.1 试

2、验发动机和研究内容122.2 WHTC与ETC排放对比122.2.1 潍柴WP5.200E40发动机WHTC与ETC排放对比122.2.2 福田戴姆勒OM457LA.IV/4发动机WHTC与ETC排放对比142.3 冷启动WHTC循环与热启动WHTC循环对比152.3.1 冷启动和热启动循环发动机运行状态差异152.3.2 冷启动和热启动循环发动机排放差异192.4 本章小结21第三章 DOC+POC柴油机运行WHTC循环的排放特性223.1 试验发动机和研究内容223.2 WHTC与ETC排放对比223.2.1雷沃IE4D160-e4EP发动机WHTC与ETC排放对比223.2.2扬柴YE4

3、DB1-40发动机WHTC与ETC排放对比233.3冷启动和热启动循环发动机排放差异243.4 本章小结26第四章 DPF柴油机运行WHTC循环的排放特性274.1试验发动机和研究内容274.2 WHTC与ETC排放对比274.2.1福建奔驰651955发动机WHTC与ETC排放对比274.2.2卡特彼勒C18IVH发动机WHTC与ETC排放对比284.3冷启动和热启动循环发动机排放差异294.4 本章小结31第五章 总结与展望32参考文献33附件34摘要本课题对采用SCR、EGR+DOC+POC，以及EGR+DOC+DPF三种不同技术路线的6台柴油机进行了DB11/964-2013规定的WH

4、TC试验和GB17691-2005规定的ETC试验。每种技术路线参与试验的发动机均为两台，其中一台满足GB17691-2005规定的ETC试验国四限值，但尚未针对WHTC试验进行专门标定，另一台满足DB11/964-2013规定的WHTC试验第四阶段限值。对比了不同后处理技术路线发动机进行WHTC试验和ETC试验的排放差异，冷启动和热启动WHTC循环发动机运行状态的差异，以及冷启动和热启动WHTC循环的排放差异，检测项目包括常规气态污染物和颗粒物。试验结果表明：无论采用哪一种后处理技术路线，WHTC试验各种污染物的排放普遍高于ETC试验；对于采用SCR后处理系统的发动机，SCR的主要作用是可以

5、明显降低WHTC试验和ETC试验的NOx排放，但ETC试验NOx的转化效率高于WHTC试验。采用SCR或EGR+DOC+POC后处理系统的发动机，尽管满足GB17691-2005第四阶段ETC排放限值，但若不针对WHTC循环工况进行专门的标定，将难以满足DB11/964-2013第四阶段WHTC排放限值；采用EGR+DPF后处理系统的发动机，由于ETC试验排放本身很低，甚至满足GB17691-2005第五阶段限值，尽管WHTC试验排放有所增大，但依然较容易满足DB11/964-2013第四阶段限值。冷启动和热启动WHTC循环发动机运行状态差异主要体现在机油温度、循环水温和排气温度三个参数上，其

6、中机油温度和循环水温的差异主要体现在循环前600s，循环1000s以后二者基本无差异，排气温度的主要体现在循环的前400s，之后二者基本无差异。无论采用哪一种后处理技术路线，冷启动WHTC循环各种污染物的排放普遍高于热启动WHTC循环，其中CO、THC和NOx排放差异较大，发动机冷热状态对发动机PM排放影响较小。关键词：柴油机；SCR；DOC+POC；DPF；WHTC第一章 研究背景和试验方案1.1 欧洲重型柴油车辆排放测试循环的发展目前我国机动车排放法规主要沿用欧洲法规体系，欧洲自1988年4月起，开始以88/77/EEC指令控制装于总质量大于3.5吨柴油车辆的发动机排气污染物，基于发动机台

7、架进行测试认证。1991年10月发布91/542/EEC指令对88/77/EEC进行了修订，规定从1992年起分阶段实施欧和欧阶段排放法规。1999年发布了1999/96/EC的欧盟议会和理事会指令，该指令规定了欧、欧和欧各阶段排放标准以及EEV（增强型环境友好机）排放标准1,2。2009年6月颁布595/2009（EC）指令，制定了欧阶段的排放法规3。表1-1为各阶段排放法规的实施时间和排放测试循环。表1-1 欧洲重型柴油车辆各阶段排放法规测试循环实施阶段实施日期排放测试循环欧以前1988.4.1 稳态13工况欧1992.7.1稳态13工况欧1995.10.1稳态13工况欧2000.10ES

8、C、ETC欧2005.10ESC、ETC欧2008.10ESC、ETC欧2012.12.31ESC、ETC、WHSC、WHTC 表1-2为稳态十三工况的循环定义，图1-1、图1-2分别为ESC和ETC的循环工况示意图，ESC为稳态循环、ETC为瞬态循环4。表1-2 稳态13工况循环工况号发动机转速负荷百分比工况号发动机转速负荷百分比1怠速/8额定转速1002中间转速109额定转速753中间转速2510额定转速504中间转速5011额定转速255中间转速7512额定转速106中间转速10013怠速/7怠速/图1-1 ESC试验循环工况示意图图1-2 ETC试验循环工况示意图表1-3和图1-3分别

9、为WHSC试验循环（稳态）和WHTC的循环（瞬态）工况示意图。WHSC和WHTC循环是WP.29（世界汽车法规协调论坛）下设的污染与能源工作组（GRPE）考虑了欧盟、美国、日本和澳大利亚重型柴油车的典型实际行驶工况，根据9辆轻卡、20辆重卡、1辆卧铺车、18辆牵引车、11辆公交车的路谱数据来制定的，其尽可能真实的反映了世界范围内重型发动机道路实际运行情况5。WHSC循环类似于ESC循环，均为13个稳态工况组成；WHTC循环类似于ETC循环，均为1800s的瞬态试验工况。表1-3 WHSC试验循环序号归一化转速（%）归一化负荷（%）工况时间（s）（包括20s过渡时间）10021025510050

10、3552525045570755351005062525200745707584525150955501251075100501135502001235252501300210总计-1895图1-3 WHTC循环工况示意图1.2 北京市地方标准采用WHTC循环的背景北京市于2008年7月在全国范围内率先对公交、环卫和邮政等重型柴油车辆实施了国四阶段地方排放法规，2013年7月1日起，规定所有的重型车必须满足国四阶段排放法规6。表1-4为北京市重型柴油车辆排放法规实施进程、各阶段的实施时间，以及所采用的排放测试循环。表1-4 北京市重型柴油车辆排放法规实施情况实施阶段实施对象实施日期排放测试循环

11、国三阶段所有重型柴油车辆2005.12.30ESC、ETC国四阶段公交、环卫用途重型柴油车辆2008.7.1ESC、ETC2013.3.1ESC、ETC、WHTC所有重型柴油车辆2013.7.1ESC、ETC、WHTC国五阶段公交、环卫用途重型柴油车辆20137.1ESC、ETC、WHTC所有重型柴油车辆待定由上表可知，北京市于2013年3月1日首次开始采用WHTC循环作为重型柴油车辆的排放测试循环。在原有ESC和ETC排放测试循环基础之上增加WHTC循环的主要背景如下。自2008年7月对公交环卫用途重型柴油车辆实施国四阶段排放法规以来，北京市环保局联合北京理工大学、中国汽车技术研究中心，通过

12、车载排放测试设备（OBM）对公交环卫车辆的实际道路排放水平进行了大量的测试，测试对象覆盖满足国三和国四排放等级的车辆。通过此方法考察过去几年国四排放法规实施效果时发现，部分满足国四阶段ESC和ETC循环排放限值的柴油车辆实际运行时的排放水平甚至高于满足国三阶段的柴油车辆5。一方面，这是由于车辆实际运行时的发动机工况与法规认证要求的ESC和ETC循环工况差别较大，制造商通过标定ESC和ETC循环工况的排放实现了较低的排放，但车辆实际运行时依然有很多工况不在ESC和ETC循环工况覆盖范围内，这些工况的排放由于没有法规的要求而未进行标定，排放较差，因此满足国四阶段排放法规的车辆，实际运行时排放水平不

13、一定好于国三车辆。另一方面，当前国四柴油机普遍采用了排气后处理装置，而装配大功率柴油机的公交车辆，其后处理主要采用SCR系统。众所周知，当前SCR系统只有在发动机排气温度较高时，才能发挥较好的转化效率。而公交车实际运行的工况负荷小、排温低，若不能实现对氮氧化物的有效转化，其排放水平极有可能比国三发动机更高。为此，北京市于2013年3月1日颁布实施了地方标准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(台架工况法)，在原有ESC和ETC循环基础上，增加WHTC循环作为排放认证项目。WHTC循环是欧重型柴油车排放法规的测试循环之一，相比于ESC和ETC循

14、环，其工况更接近车辆的实际运行工况。从而要求制造商对更接近公交环卫车辆实际运行的低负荷工况进行排放标定，有效的降低车辆实际运行时的排放。表1-5为北京市公交实际道路工况与WHTC和ETC循环工况的对比情况5。表1-5 北京市公交实际道路工况与WHTC和ETC循环工况的对比ETCWHTC北京市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/全部行驶时间（%）61716.981.3试验方案当前为了满足国四阶段的排放法规，柴油机普遍采用了尾气后处理装置，后处理技术路线主要包括SCR、EGR+DOC+POC，以及EGR+DOC+DP

15、F。目前国内以SCR技术路线应用最为广泛，普遍应用于大、中、小各种功率段的柴油机，而EGR+DOC+POC和EGR+DOC+DPF技术路线主要用于中小功率段的柴油机。日美等国则以EGR+DOC+DPF技术路线为主。北京市地方标准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(台架工况法)出台以后，各种后处理技术路线柴油机都必须满足相应的WHTC循环排放限值后方可在北京市进行销售。WHTC循环和ETC循环同为瞬态循环，但前者循环工况的平均转速和平均负荷都要小于ETC循环，循环功和循环平均排气温度会降低。对于采用SCR技术路线的发动机，由于排温的降低SCR

16、的转化效率会下降，NOx排放可能会增大7；但对于EGR+DOC+POC和EGR+DOC+DPF技术路线的柴油机，相关试验研究还比较少，有必要进行大量的对比试验来考察。本课题对采用SCR、EGR+DOC+POC，以及EGR+DOC+DPF三种不同技术路线的6台柴油机进行了DB11/964-2013规定的WHTC试验和GB17691-2005规定的ETC试验。每种技术路线参与试验的发动机均为两台，其中一台满足GB17691-2005规定的ETC试验国四限值，但尚未针对WHTC试验进行专门标定，另一台满足DB11/964-2013规定的WHTC试验第四阶段限值。对比了不同后处理技术路线发动机进行WH

17、TC试验和ETC试验的排放差异，冷启动和热启动WHTC循环发动机运行状态的差异，以及冷启动和热启动WHTC循环的排放差异，检测项目包括常规气态污染物和颗粒物。1.3.1 试验发动机和测试系统表1-6为参与试验的发动机清单。表1-6 试验发动机清单发动机来源后处理技术路线排放等级潍柴WP5.200E40SCRDB11/964-2013第四阶段福田戴姆勒OM457LA.IV/4SCRGB17691-2005第四阶段雷沃IE4D160-e4EPEGR+DOC+POCDB11/964-2013第四阶段扬柴YE4DB1-40EGR+DOC+POCGB17691-2005第四阶段福建奔驰651955EGR

18、+DOC+DPFDB11/964-2013第四阶段卡特彼勒C18IVHEGR+DOC+DPFGB17691-2005第四阶段由于本课题采用的发动机数量较多，每一台发动机的试验周期比较分散，所有的比对试验并不是在同一个测试系统上完成的，包括全流稀释采样系统和部分流稀释采样系统两种。但对于同一台发动机的所有试验均在同一个测试系统上完成的。图1-4和1-5分别为全流稀释采样系统和部分流稀释采样系统结构图。图1-4 全流稀释采样系统结构图图1-5 部分流稀释采样系统结构图1.3.2 WHTC试验流程 DB11/964-2013标准规定的WHTC试验规程包括冷启动WHTC循环、20分钟热浸期，以及热启动

19、WHTC循环三个部分。按照标准要求，开始冷启动WHTC循环前，发动机应在额定工况调整好的进气阻力、中冷后温度、中冷前后压差、排气阻力等边界条件。之后采用自然冷却的方式，在2030之间的环境温度下至少冷却6小时，直到发动机润滑液、冷却液和后处理系统温度都达到2030环境温度范围内以后，才可以开始冷启动WHTC循环。完成冷启动循环后立即进行10±1min热浸期作为发动机热启动循环的预处理，热浸期试验室环境温度应处于2331之间。热浸期结束后运行热启动WHTC循环。试验结果处理方式如公式（1）所示： （1）式中：WHTCresult：各排放物组分最终试验结果，g/kw·h；mco

20、ld：冷启动循环各排放物组份的质量，g/循环；mhot：热启动循环各排放物组份的质量，g/循环；mact，cold：冷启动循环的实际循环功，kw·h；mact，hot：热启动循环的实际循环功，kw·h。第二章 SCR柴油机运行WHTC循环的排放特性2.1 试验发动机和研究内容表2-1为试验所用SCR发动机基本参数。其中潍柴WP5.200E40发动机满足DB11/964-2013第四阶段限值，福田戴姆勒OM457LA.IV/4发动机未针对WHTC循环工况进行标定，只满足GB17691-2005第四阶段限值。本课题对潍柴WP5.200E40发动机进行了带后处理的WHTC和ETC

21、试验,以及原机的WHTC和ETC试验，对福田戴姆勒OM457LA.IV/4发动机进行了带后处理的WHTC和ETC试验。表2-1 SCR发动机主要技术参数发动机型号潍柴WP5.200E40福田戴姆勒OM457LA.IV/4型式直列4缸、增压中冷直列6缸、增压中冷供油方式高压共轨电控单体泵排量/L4.7611.97额定功率/转速（kW/r/min）147/2300313.2/1900后处理型式SCRSCR排放标准DB11/964-2013第四阶段GB17691-2005第四阶段2.2 WHTC与ETC排放对比2.2.1 潍柴WP5.200E40发动机WHTC与ETC排放对比潍柴WP5.200E40

22、发动机针对WHTC循环工况进行了标定，其满足DB11/964-2013第四阶段的排放限值。图2-1、2-2、2-3和2-4分别为WHTC试验和ETC试验CO、THC、NOx和PM的排放对比情况，同时包括原机和带后处理系统两种情况下的排放对比。由图2-1至2-4可知，原机情况下，发动机进行WHTC试验时的CO、THC、NOx和PM的排放均明显高于ETC试验，这可能是由于相比于ETC循环，发动机运行WHTC循环时平均转速和平均负荷更低，燃料燃烧不如ETC循环充分，从而导致排放恶化。安装SCR后处理系统以后，WHTC和ETC试验NOx排放均明显下降，CO、THC和PM排放均略有上升，但WHTC试验的

23、各种污染物的排放结果依然高于ETC试验。SCR系统的作用主要体现于降低NOx排放。WHTC试验时，SCR系统对NOx的转化效率为67%，ETC试验时，NOx的转化效率为84%。这可能是由于ETC循环的平均排气温度更高，从而实现了SCR更好的转化效率。安装SCR后处理系统以后，WHTC试验CO、THC、NOx和PM的排放分别为ETC试验的5.8倍、3.7倍、2.3倍和1.1倍。图2-1 WHTC试验和ETC试验CO排放对比图2-2 WHTC试验和ETC试验THC排放对比图2-3 WHTC试验和ETC试验NOx排放对比图2-4 WHTC试验和ETC试验PM排放对比2.2.2 福田戴姆勒OM457L

24、A.IV/4发动机WHTC与ETC排放对比福田戴姆勒OM457LA.IV/4发动机满足GB17691-2005第四阶段限值，但其尚未针对WHTC循环工况进行专门的标定，图2-5为该发动机进行ETC试验和WHTC试验的排放对比情况。由图可知，相比于ETC试验，WHTC试验的CO、NOx和PM排放均明显较高，其中NOx和PM排放超出了DB11/964-2013第四阶段WHTC排放限值。该发动机两种循环THC排放均基本为零。WHTC试验CO、NOx和PM的排放分别为ETC试验的1.8倍、1.8倍和1.3倍。图2-5 福田戴姆勒发动机WHTC和ETC循环的排放对比2.3 冷启动WHTC循环与热启动WH

25、TC循环对比对于采用SCR技术路线的柴油机，在进行WHTC试验时，冷启动循环开始前发动机机体和后处理系统基本处于2030的室温状态，而热启动循环开始时发动机机体和后处理系统温度会较高，因此发动机进行冷启动循环和热启动循环时，后处理的转化效率会存在较大差异。本节基于潍柴WP5.200E40发动机进行的WHTC试验，研究冷启动WHTC循环与热启动WHTC循环发动机的运行状态差异和排放差异。2.3.1 冷启动和热启动循环发动机运行状态差异图2-6至2-13依次为发动机运行冷启动WHTC循环和热启动WHTC循环时，进气温度、中冷后温度、机油温度、循环水温、排气背压、排气温度、进气量、油耗量的差异对比。

26、由图2-6至2-13可知，发动机运行冷启动循环和热启动循环的状态差异主要体现在进气温度、机油温度、循环水温和排气温度。由于发动机进气温度由进气空调设定，进气温度的差异与循环的冷启动和热启动并无关系，故不考虑其对发动机排放的影响。因此，导致冷启动和热启动循环排放差异的参数主要是机油温度、循环水温和排气温度。由图2-8和2-9可知，在循环的前600s，冷启动循环机油温度和循环水温明显低于热启动循环，1000s以后，二者基本无差异。机油温度和循环水温度低，会导致缸内燃烧温度降低，进而影响燃料燃烧情况，导致排放差异。因此，可以预测这两个参数导致的排放差异也主要体现在循环的前600s。由图2-11可知，

27、冷启动循环和热启动循环排气温度的主要体现在循环的前400s，之后二者基本无差异。因此，可以预测冷启动和热启动循环SCR对NOx的减排差异也主要体现在循环前400s。图2-6 发动机进气温度的对比图2-7 中冷后温度的对比图2-8 发动机机油温度的对比图2-9 发动机循环水温的对比图2-10 发动机排气背压的对比图2-11 SCR后处理前排气温度的对比图2-12 发动机进气量的对比图2-13 发动机油耗量的对比2.3.2 冷启动和热启动循环发动机排放差异图2-14为冷启动WHTC循环和热启动WHTC循环发动机加权比排放的对比情况。图2-15至2-17分别为循环过程中CO、THC和NOx的实时浓度

28、排放对比情况。由图2-14可知，冷启动循环CO和THC排放明显高于热启动循环，由图2-15和2-16可知，这种差异主要体现在循环前600s，可见由于冷启动循环前600s循环水温和机油温度较低，导致发动机缸内燃烧温度较低，燃油燃烧不充分，CO和THC排放较高。由图2-14可知，相比于冷启动循环，热启动循环NOx排放也有所降低，由图2-17可知，这种差异主要体现在循环前400s，这主要是由于冷启动循环前400s排气温度较低，SCR转化效率较低，导致冷启动循环NOx排放较高。由图2-14可知，冷启动循环和热启动循环PM排放差异较小，可见对于SCR发动机，发动机的冷热状态对PM排放的影响较小。图2-1

29、4 冷启动循环和热启动循环排放对比图2-15 CO排放浓度的对比图2-16 THC排放浓度的对比图2-17 NOx排放浓度的对比2.4 本章小结（1）无论是原机和带后处理情况，对于针对WHTC进行了标定的循环潍柴WP5.200E40 SCR柴油机，WHTC试验各种污染物排放都要高于ETC试验；SCR系统的主要作用是可以明显降低WHTC试验和ETC试验的NOx排放，但ETC试验的转化效率更高。（2）采用SCR后处理系统的福田戴姆勒OM457LA.IV/4发动机满足GB17691-2005第四阶段限值，但其尚未针对WHTC循环工况进行专门的标定，其WHTC试验的CO、NOx和PM排放都明显高于ET

30、C试验，二者THC排放基本为零；该发动机WHTC试验NOx和PM排放超出了DB11/964-2013第四阶段WHTC排放限值。（3）对于采用SCR后处理系统的潍柴WP5.200E40发动机，冷启动和热启动WHTC循环发动机运行状态差异主要体现在机油温度、循环水温和排气温度三个参数上；其中机油温度和循环水温的差异主要体现在循环前600s，循环1000s以后，二者基本无差异；排气温度的主要体现在循环的前400s，之后二者基本无差异。（4）对于采用SCR后处理系统的潍柴WP5.200E40发动机，冷启动循环CO和THC排放明显高于热启动循环，这种差异主要体现在循环前600s；热启动循环NOx排放也有

31、所降低，这种差异主要体现在循环前400s；冷启动循环和热启动循环PM排放差异较小。第三章 DOC+POC柴油机运行WHTC循环的排放特性3.1 试验发动机和研究内容表3-1为试验所用DOC+POC发动机基本参数。其中雷沃IE4D160-e4EP发动机满足DB11/964-2013第四阶段限值，扬柴YE4DB1-40发动机未针对WHTC循环工况进行标定，只满足GB17691-2005第四阶段限值。本课题对两台发动机均进行了WHTC和ETC试验。表3-1 试验发动机主要技术参数发动机来源雷沃IE4D160-e4EP扬柴YE4DB1-40型式直列4缸、增压中冷直列4缸、增压中冷供油方式高压共轨高压共

32、轨排量/L3.994.087额定功率/转速（kW/r/min）116/250097/2600后处理型式EGR+DOC+POCEGR+DOC+POC排放标准DB11/964-2013第四阶段GB17691-2005第四阶段3.2 WHTC与ETC排放对比3.2.1雷沃IE4D160-e4EP发动机WHTC与ETC排放对比雷沃IE4D160-e4EP发动机针对WHTC循环工况进行了标定，其满足DB11/964-2013第四阶段的排放限值。图3-1为该发动机进行ETC试验和WHTC试验的排放对比情况。由图可知，相比于ETC试验，WHTC试验的CO、THC和NOx排放均明显较高，但PM排放基本一致。W

33、HTC试验CO、THC和NOx的排放分别为ETC试验的1.5倍、1.7倍和1.3倍。图3-1 雷沃发动机WHTC与ETC循环排放对比3.2.2扬柴YE4DB1-40发动机WHTC与ETC排放对比扬柴YE4DB1-40发动机满足GB17691-2005第四阶段限值，但其尚未针对WHTC循环工况进行专门的标定，图3-2为该发动机进行ETC试验和WHTC试验的排放对比情况。由图可知，相比于ETC试验，WHTC试验的CO、THC、NOx和PM排放均明显较高，其中THC和PM排放超出了DB11/964-2013第四阶段WHTC排放限值。WHTC试验CO、THC、NOx和PM的排放分别为ETC试验的2.8

34、倍、6.4倍、1.2倍和1.4倍。相比于针对WHTC循环工况进行了标定的雷沃IE4D160-e4EP发动机，扬柴YE4DB1-40发动机ETC试验和WHTC试验各种污染物的排放差距更大，尤其是CO、THC和PM排放。图3-2 扬柴发动机WHTC与ETC循环排放对比3.3冷启动和热启动循环发动机排放差异本节基于满足DB11/964-2013第四阶段限值的雷沃IE4D160-e4EP发动机，研究DOC+POC发动机进行WHTC试验时冷启动循环与热启动循环的排放差异。由于该发动机进行冷启动循环和热启动循环时，排温、水温，以及机油温度等运行状态差异与SCR发动机类似，故本节不再对比冷启动和热启动循环发

35、动机运行状态的差异，直接对比冷启动和热启动循环的排放差异。图3-3为冷启动WHTC循环和热启动WHTC循环时的发动机排放对比。图3-4至3-6分别为循环过程中CO、THC 和NOx的实时排放对比情况。由图3-3可知，相比于热启动循环，冷启动循环CO、THC和NOx排放均较高，但PM排放相当。由图3-4至3-6可知，热启动循环CO和THC排放较低主要体现在循环前800s，热启动循环NOx排放较低主要体现在循环前400s。此外，对于DOC+POC发动机而言，发动机冷热状态对PM的排放影响较小。图3-3 冷启动循环和热启动循环排放对比图3-4 CO排放浓度的对比图3-5 THC排放浓度的对比图3-6

36、 NOx排放浓度的对比3.4 本章小结（1）采用DOC+POC后处理系统的雷沃IE4D160-e4EP发动机针对WHTC循环进行了标定，满足DB11/964-2013第四阶段WHTC排放限值，WHTC试验的CO、THC和NOx排放均明显高于ETC试验，但PM排放基本一致。（2）采用DOC+POC后处理系统的扬柴YE4DB1-40发动机满足GB17691-2005第四阶段限值，但其尚未针对WHTC循环工况进行专门的标定，WHTC试验的CO、THC、NOx和PM排放均明显高于ETC试验；该发动机WHTC试验THC和PM排放超出了DB11/964-2013第四阶段WHTC排放限值，CO排放也接近限值

37、。（3）对于采用DOC+POC后处理系统的雷沃IE4D160-e4EP发动机，相比于热启动WHTC循环，冷启动循环CO、THC和NOx排放均较高，但PM排放相当。热启动循环CO和THC排放较低主要体现在循环前800s，NOx排放较低主要体现在循环前400s，发动机冷热状态对PM的排放影响较小。第四章 DPF柴油机运行WHTC循环的排放特性4.1试验发动机和研究内容表4-1为试验所用DPF发动机基本参数。其中福建奔驰651955发动机满足DB11/964-2013第四阶段限值，卡特彼勒C18IVH发动机未针对WHTC循环工况进行标定，只满足GB17691-2005第四阶段限值。本课题对两台发动机

38、均进行了WHTC和ETC试验。表4-1 试验发动机主要技术参数发动机来源福建奔驰651955卡特彼勒C18IVH型式直列4缸、增压中冷直列6缸、增压中冷供油方式高压共轨单体泵排量/L2.14318.1额定功率/转速（kW/r/min）110/3800470/1900后处理型式EGR+DOC+DPFEGR+DOC+DPF排放标准DB11/964-2013第四阶段GB17691-2005第四阶段4.2 WHTC与ETC排放对比4.2.1福建奔驰651955发动机WHTC与ETC排放对比福建奔驰651955发动机针对WHTC循环工况进行了标定，其满足DB11/964-2013第四阶段的排放限值。图3

39、-1为该发动机进行ETC试验和WHTC试验的排放对比情况。由图可知，相比于ETC试验，WHTC试验的CO排放明显较高，NOx和PM排放也有所增大，二者THC排放基本为零。图4-1福建奔驰发动机WHTC与ETC循环排放对比4.2.2卡特彼勒C18IVH发动机WHTC与ETC排放对比卡特彼勒C18IVH发动机满足GB17691-2005第四阶段限值，但其尚未针对WHTC循环工况进行专门的标定，图4-2为该发动机进行ETC试验和WHTC试验的排放对比情况。由图可知，相比于ETC试验，WHTC试验的CO、THC、NOx和PM排放均明显较高，但都满足DB11/964-2013第四阶段WHTC排放限值。该

40、发动机采用了先进的周期性再生DPF和EGR技术，ETC试验排放本身很低，甚至满足GB17691-2005第五阶段限值。因此，尽管WHTC试验排放有所增大，但依然能够满足DB11/964-2013第四阶段限值。图4-2 卡特彼勒发动机WHTC与ETC循环排放对比4.3冷启动和热启动循环发动机排放差异本节基于满足DB11/964-2013第四阶段限值的福建奔驰651955发动机，研究DPF发动机进行WHTC试验时冷启动循环与热启动循环的排放差异。由于该发动机进行冷启动循环和热启动循环时，排温、水温，以及机油温度等运行状态差异与SCR发动机类似，故本节不再对比冷启动和热启动循环发动机运行状态的差异，

41、直接对比冷启动和热启动循环的排放差异。图4-3为冷启动WHTC循环和热启动WHTC循环发动机排放对比。由图可知，冷启动循环CO排放明显高于热启动循环，NOx和PM排放也略高，二者THC排放基本为零。图4-4至4-5分别为循环过程中CO和NOx的实时排放对比情况。由图可知，冷启动循环CO和NOx排放较高主要体现在循环前600s，这可能是由于冷启动循环前600s缸内燃烧温度和后处理系统温度较低所致。图4-3 冷启动循环和热启动循环排放对比图4-4 CO排放浓度的对比图4-5 NOx排放浓度的对比4.4 本章小结（1）采用DPF后处理系统的福建奔驰651955发动机针对WHTC循环进行了标定，满足D

42、B11/964-2013第四阶段WHTC排放限值，相比于ETC试验，WHTC试验的CO排放明显较高，NOx和PM排放也有所增大，二者THC排放基本为零。（2）采用DPF后处理系统的卡特彼勒C18IVH发动机满足GB17691-2005第四阶段限值，但其尚未针对WHTC循环工况进行专门的标定，相比于ETC试验，WHTC试验的CO、THC、NOx和PM排放均有所增大，尽管如此，该发动机WHTC试验各项污染物依然满足DB11/964-2013第四阶段WHTC排放限值。（3）对于采用DPF后处理系统的福建奔驰651955发动机，冷启动循环CO排放明显高于热启动循环，NOx和PM排放也略高，二者THC排

43、放基本为零；冷启动循环CO和NOx排放较高主要体现在循环前600s，发动机冷热状态对DPF发动机PM排放影响较小。65第五章 总结与展望本文对分别采用SCR、DOC+POC和DPF三种主流减排后处理技术路线的柴油机进行了WHTC试验和ETC试验，对比了每一种技术路线发动机WHTC试验与ETC试验的排放差异和冷启动WHTC循环与热启动WHTC循环的排放差异，总结了不同技术路线柴油机运行WHTC循环的排放特性，主要得出如下结论：（1）无论采用哪一种后处理技术路线，WHTC试验各种污染物的排放普遍高于ETC试验；对于采用SCR后处理系统的发动机，SCR的主要作用是可以明显降低WHTC试验和ETC试验

44、的NOx排放，但ETC试验NOx的转化效率高于WHTC试验。（2）采用SCR或EGR+DOC+POC后处理系统的发动机，尽管满足GB17691-2005第四阶段ETC排放限值，但若不针对WHTC循环工况进行专门的标定，将难以满足DB11/964-2013第四阶段WHTC排放限值；采用EGR+DPF后处理系统的发动机，由于ETC试验排放本身很低，甚至满足GB17691-2005第五阶段限值，尽管WHTC试验排放有所增大，但依然较容易满足DB11/964-2013第四阶段限值。（3）冷启动和热启动WHTC循环发动机运行状态差异主要体现在机油温度、循环水温和排气温度三个参数上，其中机油温度和循环水温

45、的差异主要体现在循环前600s，循环1000s以后，二者基本无差异，排气温度的主要体现在循环的前400s，之后二者基本无差异。（4）无论采用哪一种后处理技术路线，冷启动WHTC循环各种污染物的排放普遍高于热启动WHTC循环，其中CO、THC和NOx排放差异较大，发动机冷热状态对发动机PM排放影响较小。由北京市公交实际道路工况与WHTC和ETC循环工况的对比可知，WHTC循环工况更接近于公交实际道路工况，因此WHTC试验的排放结果将更能体现车辆实际运行时的排放情况。本课题研究不同技术路线柴油机进行WHTC试验的排放特性，掌握不同技术路线国四柴油机满足DB11/964-2013第四阶段WHTC排放

46、限值的难点所在。此外，考察了满足DB11/964-2013第四阶段WHTC排放限值的柴油机进行ETC试验的排放情况，验证了WHTC试验对于约束柴油车辆排放的实际效果。参考文献1 豪彦. 欧、美、日、中国汽车排放法规J. 汽车与配件,1999, 11:34362 刘伏萍. 浅析重型发动机排放测试标准J. 北京汽车, 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: 11145 车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车冷启动排气污染物

48、排放限值及测量方法（征求意见稿）编制说明6 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(台架工况法)S.北京：中国标准出版社，2013:17 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D.山东大学博士学位论文，2008附件发表论文情况统计：编号论 文 / 专 著 题 目发表刊物发表/出版日期1高压共轨柴油机燃用煤制柴油的性能和排放研究内燃机工程待刊2出京试验对国五SCR柴油机性能和排放的影响汽车工程待刊3DOC+POC发动机燃用不同基准燃油尾气排放的影响研究车用发动机待刊4SCR柴油机运行WHTC循环和ETC循环的排放

49、特性对比尚未发表5SCR柴油机运行冷启动和热启动WHTC循环排放特性差异尚未发表高压共轨柴油机燃用煤制柴油的性能和排放研究尹超，王凤滨，李腾腾中国汽车技术研究中心，天津 300300摘要 基于一台未经任何改动的高压共轨柴油机，对间接液化煤制柴油（FT，Fischer-Tropsch diesel）、直接液化煤制柴油（DDCL，diesel from direct coal liquefaction），以及国4石化柴油进行了性能和排放的对比研究。分别对三种油样进行了外特性试验、ESC（European steady state cycle）和ETC（European transient cycl

50、e）试验。结果表明：相比于国4柴油，FT柴油的动力性有所下降，但燃油经济性有所提高；稳态和瞬态循环下，FT柴油对颗粒物（PM）减排水平均达到50%左右，二氧化碳（CO2）有所降低，氮氧化物（NOx）在稳态下有所降低，一氧化碳（CO）在瞬态下大幅降低。相比于国4柴油，DDCL柴油对发动机动力性、经济性和排放的影响较小。关键词：煤制柴油，动力性，经济性，排放中图分类号: TK428.9 文献标识码：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，工程师，硕士，主要研究方向为柴油机排放法规和排放测试技术。E-mail：yinchao

55、1前言目前，车用柴油的生成主要依赖于石油，随着石油资源的不断减少，寻找其替代能源刻不容缓1。我国石油资源匮乏、煤炭资源丰富，通过发展煤炭液化产业生产车用燃料，缓解对石油的依赖，无疑是保证国家能源安全最有效的手段2。煤炭液化（CTL，coal to liquid）技术可以分为间接液化和直接液化两大类。煤的间接液化是以煤气化制备的合成气为原料，在一定的温度和压力下，定向的催化合成烃类燃料和化工原料的工艺，也称为费托合成；煤的直接液化是煤在适当的温度和压力下，催化加氢裂化生成液体烃类，并脱除煤中氮、氧和硫等杂质元素的工艺3。目前，通过间接液化可以生产具有十六烷值高、无硫、低芳香烃含量等特点的煤制柴油（费托柴油）；通过直接液化可以生成低硫、低凝固点的柴油，但十六烷值较低，但可以通过添加剂进行改善4。Paul W. Schaberg等5在2000年发表SAE论文对比了南非沙索地区生产的费托柴油、美国加州柴油，以及美国2-D柴油用于重型柴油机瞬态循环试验的排放结果，相比于加州柴油和2-D柴油，费托柴油可以大幅降低PM、CO和THC排放，对NOX排放也有所降低。国内王真等