基于WHTC循环的柴油机瞬态工况烟度排放研究

基于WHTC循环的柴油机瞬态工况烟度排放研究

张清鲁，任锦玲，隋振富

（山东科技职业学院汽车工程系，山东潍坊261053）

摘要：为了研究电控高压共轨柴油机的瞬态烟度排放，根据环保法规中要求的WHTC瞬态循环，将其转化成试验发动机循环工况。通过运行试验柴油机的WHTC循环试验，分析柴油机瞬态过程中烟度排放过大的原因。基于原因分析，建立瞬态轨压模块进行降烟度排放试验。通过提取WHTC循环片段标定瞬态轨压值进行验证。试验结果表明：通过标定瞬态轨压可以明显降低瞬态过程中的烟度排放，发动机整个WHTC循环烟度排放也能明显降低。

关键词：瞬态过程；烟度；WHTC；标定；循环试验中图分类号：D470文献标志码：B文章编号：1674－1986（2019）02－019－06

StudyonSmokeEmissionofDieselEngineunderTransientOperatingConditions

BasedonWHTCCycle

ZHANGQinglu，ＲENJinling，SUIZhenfu

（DepartmentofAutomotiveEngineering，ShandongVocationalCollegeofScience＆Technology，

WeifangShandong261053，China）

Abstract：Inordertostudythetransientsmokeemissionoftheelectronicallycontrolledhighpressurecommonraildieselengine，accordingtoWHTC（worldharmonizedtransientcycle）transientcycleinenvironmentalprotectionlawsandregulations，WHTCcyclewastransformdedintooperatingcycleofthetestedengine．ThecauseofexcessivesmokeemissionduringthetransientprocessofdieselenginewasanalyzedbytheWHTCcycletestofadieselengine．Accordingtotheanalysisreason，thesmokereductiontestwascarriedoutbyestablishingtransientrailpressuremodule．ThetransientorbitalpressurevaluewascalibratedbyextractingWHTCcyclesegmentforverification．Thetestresultsshowthatthesmokeemissioninthetransientprocesscanbesignificantlyreducedbythecalibrationoftransientrailpressure，andthesmokeemissionofthewholeWHTCcyclecanalsobesignificantlyreduced．

Keywords：Transientprocess；Smoke；Worldharmonizedtransientcycle；Calibration；Cycletest

0引言

WHTC（WorldHarmonizedTransientCycle）NOx和烟度排放，6］如文献［中研究了燃油喷射控制参数对WHTC循环排放和经7］济性的影响，文献［中通过提高排气温度降低WHTC瞬态排8］放的研究，文献［中通过研究SCＲ控制策略来降低WHTC瞬态排放。但当前通过研究瞬态过程和瞬态控制策略来降低烟度9］排放的文章相对较少，如文献［中通过研究EGＲ瞬态修正模10］块来降低瞬态排放，文献［中通过研究喷油参数来降低瞬态排放过程的烟度等。而基于国家即将推行的国六排放法规试验，基于WHTC循环的瞬态过程的烟度排放的研究几乎一片空白，利用轨压瞬态修正降低瞬态烟度排放的研究也非常少。

本文作者基于WHTC循环进行瞬态过程烟度排放分析，基于分析结果，以WHTC瞬态过程为研究对象，通过建立轨压瞬态修正模型，降低瞬态烟度排放。

在国家“金山银山不如绿水青山”的号召下，在国内汽车

保有量突破2.9亿辆之际，研究和降低汽车排放污染物成为很重要且见效显著的一种途径。尤其是近几年“雾霾”的横行，汽车烟度颗粒物的排放占据“雾霾”总量比重越来越大。因此降低汽车颗粒物排放，刻不容缓。

当前情况下，为满足国四、国五甚至后续的国六排放法规，电控高压共轨成为了柴油机的标配。现今柴油机的主要研究方向为减排和节能。很多学者和企业对柴油机的烟度排放做过很多研究，如通过在燃油中添加有机金属成分或纳米颗粒来抑制碳烟的形成并促进缸内碳烟氧化排放的影响

［2］

［1］

，研究不同EGＲ

（ExhaustGasＲecirculation，废气再循环系统）率对NOx及颗粒

，多次喷射与EGＲ联合控制降低烟度排放［3］，

［4］

通过标定轨压和喷油提前角降低烟度排放，增设后处理设备

［5］

如DPF（DieselParticulateFilter，颗粒捕捉器）等降低柴油机

1基于WHTC的瞬态过程分析

汽车发动机大部分时间都是在瞬态工况中运转，即转速和

烟度的研究非常多。也有很多学者通过研究各种控制策略降低

收稿日期：2018－10－10

mail：549630836@qq.com。作者简介：张清鲁（1988—），男，硕士，助教，主要研究电控柴油发动机性能标定。E-

转矩每时每刻都在变化，对汽车发动机的瞬态排放性能进行研究将有很重要的实际意义。环境保护部在2014年1月16日发布了HJ689－2014《城市车辆用柴油发动机排气污染物排放限值及测量方法（WHTC工况法）》

，规定自2015年1月1日起在柴油机型式核准中增加新的测试循环—

——世界统一的瞬态测试循环（WorldHarmonizedTransientCycle，WHTC）。

未来几年推行国六排放势在必行，环保法规中的国六排放要求柴油机出厂前须进行WHTC瞬态试验循环，因此选取WHTC试验循环作为测试循环，进行瞬态过程的研究和验证。

WHTC循环包含一组逐秒变化的转速和扭矩的规范百分值。为了在发动机试验台上进行试验，根据试验发动机的性能数据和参数，将百分比转化为实际值，以换算成适用于发动机的台架试验循环。根据试验发动机参数（见表1），转化后的WHTC工况点分布如图1所示。

表1

试验柴油机参数

项目参数

型式直列、水冷、四冲程

进气方式增压中冷

气缸数4供油系统高压共轨

总排量/L

7最大转矩/（N·m）1050额定功率/kW200怠速/（r·min－1

）700

最大扭矩转速/（r·min－1

）

1200～1700

图1

试验发动机WHTC工况点分布（黑色“+”为工况点）

图中包含了WHTC、WHSC、WNTE3种循环的工况点，其中“+”号表示的点为该试验发动机WHTC的1800个循环工况点，这些循环工况点覆盖了该型号发动机常用经济转速区，很全面地体现了该型号柴油机常用工况。

依据转化后的WHTC台架循环测试，运行柴油机台架试验程序，调取其中的转速、扭矩及PM（颗粒物）参数数据，得

到图2所示整个循环过程的PM排放结果（AVL483在线测量值）。

图2柴油机WHTC排放结果

可以看出：整个WHTC排放循环中，有很多个峰值点，最

大的峰值点可达到500mg/m3

。因图中集中了1800个工况点，比较密集，很难分辨具体细节，截出PM峰值较高的一段作详细分析，如图3所示。

图3WHTC部分循环排放

可以看出：

（1）WHTC循环工况中的碳烟排放出现大量峰值，从截取

的时间段来看，有两个峰值超过400mg/m3

，这两个峰值排放占整个截取时间段的80%以上。

（2）烟度排放峰值与扭矩峰值具有一定的相关性，烟度峰值出现在扭矩增幅较大的区域。

同样截取WHTC中一段，调取其他影响燃烧的参数：进气量、喷油量、循环排放，3个参数关系如图4所示。

从图4中得出：扭矩增加过程中，油量响应迅速，几乎与扭矩趋势一致，而进气量响应滞后，导致空气不足，从而形成过量空气系数低谷。烟度峰值与过量空气系数低谷峰值相吻合，这说明烟度的产生与进气量延迟有直接关系。

根据上面的分析结果，文中设计瞬态轨压修正控制策略，通过改变瞬态轨压来改善瞬态过程中喷油雾化情况，优化“油多气少”的燃烧情况，降低WHTC瞬态过程中烟度排放。

图4烟度与进气量、过量空气系数关系图

2设计瞬态轨压修正控制策略

在原有的轨压控制策略中，存在轨压的环境温度、环境压力修正，无轨压瞬态修正模块，这里引入瞬态轨压修正值，使得瞬态过程中的实际轨压=轨压计算值+瞬态轨压修正值。通

过引入轨压瞬态修正值来降低瞬态过程的烟度排放。通过FlexECU软件将模型程序写入试验发动机ECU中。图5所示为轨压计算模型，图6所示为轨压设定值计算模型，图7所示为轨压瞬态修正控制策略。

图5轨压计算模型

图6轨压设定值计算模型

图7轨压瞬态修正控制策略

3试验方法

整个试验过程如图8所示。

图8

整个试验过程

3.1发动机试验循环选取

通过上述瞬态过程中烟度排放分析，可以看出，整个瞬态循环的烟度峰值占烟度总量的比例很大，因此研究的重点在于消减瞬态排放过程的烟度峰值。

根据WHTC试验循环排放结果，找出其中烟度峰值集中的

部分。这里选取WHTC循环中烟度峰值大于50mg/m3

（暂定值，根据瞬态工况中NOx、油耗等综合因素变化情况需要再次

调整）工况进行修正。试验方法：找到PM比较大的工况，分别从WHTC中提取出包含这些工况（最好从怠速开始）的一些时间段，将这些微片段WHTC循环导入台架测控仪，分别运行这些分段的瞬态工况。

3.2标定方法

运行WHTC循环时，调出烟度同步测量值。在运行至烟度峰值点对应的瞬态轨压MAP中的区域（烟度峰值产生时黑框经过的区域）进行标定，如图9所示。标定时，以10MPa为单位，依次递增进行标定，同时观察该区间烟度峰值的变化，若峰值未变化或仍较大，加大瞬态轨压值或改变标定区域，直

至烟度峰值降至50mg/m3

以内，找到运行工况区域的最佳标定值并记录。

要注意的是烟度测量仪测量的滞后性，因为当前循环中标定的轨压对排放的影响效果只有在后面的发动机循环中被烟度

仪测量到。因此，要注意标定区域的合理选取。

图9瞬态轨压标定MAP

4

试验结果

4.1

试验参数

试验发动机采用EGＲ（ExhaustGasＲecirculation，废气再循环系统）+SCＲ（SelectiveCatalyticＲeduction，选择性催化还

原技术）技术路线，满足国五排放法规的四冲程高压共轨增压中冷柴油机，表1给出了试验用柴油机的性能参数。

采用的烟度测量设备：瞬态过程在线测量使用AVL483测量仪，整个WHTC循环排放收集采用AVL415S设备。两设备参数如表2所示。

表2

烟度测量仪参数

项目AVL415SAVL483测量结果表示

滤纸式烟度值碳烟质量密度分辨率0.001FSN0.001mg/m3检测下限0.002FSN0.005mg/m3测量范围0～10FSN0.005～50mg/m3

排气温度

≤600℃

≤1000℃

4.2

瞬态循环结果对比

首先，在试验台架上运行提取WHTC高烟度峰值片段，记

录该过程的烟度排放。对该循环运行过的所有工况区域标定轨压MAP，标定后再次循环运行，调出排放数据，检查排放结果。标定前后烟度排放对比如图10所示。

可以看出，标定后的烟度排放相比于标定前烟度总量明显减小，且提取WHTC循环片段的烟度排放峰值都有明显的减小，这说明轨压瞬态修正对瞬态烟度峰值消减效果明显。

图10轨压修正前后烟度值对比

完成WHTC循环中所有高烟度峰值对应的工况区域的标定后，运行HTC循环，对比瞬态标定前后的烟度排放情况，修正前后的瞬态烟度排放如图11所示。

图11标定前后烟度排放值

可以明显看出，标定后的烟度峰值远小于标定前的烟度峰

值，基本控制在60mg/m3

以内，较好地实现了预期的烟度值消减目标。

在标定过程中将烟度峰值控制在60mg/m3

以内，若继续进

行增减瞬态轨压值，NOx增大较快，因此利用外修改提前角、EGＲ率、进气量等因素来消减增加的这部分NOx排放，非常不利于整机排放的降低。在标定瞬态轨压模块降低烟度的过程中，一个基本的原则就是在油耗、NOx值可控的情况下，不能因瞬态过程中烟度排放降低造成油耗、NOx较大的变化。

4.3WHTC循环整体排放对比

分别开启和关闭瞬态修正模块，运行WHTC循环，得到如表3所示对比试验结果。

表3

瞬态轨压标定前后排放结果对比g/（kW·h）

项目/WHTCNoxTHCCOPMBSFC标定前0.410.010.120.0040236.37标定后0.45

0.06

0.09

0.0032

237.34

注：THC表示气体中含有碳氧化合物的总量；BSFC表示有效燃油

水消耗率。

通过上述结果，可以看出标定后整个瞬态过程烟度下降20%，烟度降排效果客观，但是NOx排放上升9.75%，油耗上升1g/（kW·h）。综合PM与NOx排放考虑，该研究取得较好降烟度效果。多出的NOx排放可通过EGＲ与SCＲ的耦合控制来消除。

5结论

通过对电控高压共轨柴油机基于WHTC循环的瞬态排放研

究，分析了电控高压共轨柴油机瞬态过程中烟度排放过大的原因机制，即瞬态过程中进气量滞后于喷油量造成过量空气系数低谷，燃烧不良，烟度增多。在分析结论基础上，建立瞬态轨压修正模型，通过轨压瞬态修正模块的标定，标定后的WHTC循环烟度排放峰值明显减小，说明瞬态轨压修正能有效降低瞬态过程烟度排放，对研究柴油机烟度排放具有很重要的意义。但也存在一些不足：

（1）影响发动机烟度排放的因素是多方面的，如发动机装配到整车后，进气环境及排气背压等都受到影响。因此发动机装配整车后还需要进行标定和验证，以确认标定效果的有效性；

（2）瞬态模块中还有诸多子模块，比如预喷瞬态修正、EGＲ瞬态修正、预喷提前角瞬态修正等多个模块，这些瞬态模块是否能同样降低瞬态烟度排放，都需要进行标定和验证，以确定该标定方法最终有效。

参考文献：

1］王玉梅，孙平，冯浩杰，等．柴油机燃用铁基FBC燃油的微粒排

放特性［

J］．浙江大学学报（工学版），2017，51（10）：1981－1986．WANGYM，SUNP，FENGHJ，etal．ParticulateemissioncharactersticsofdieselenginefueledwithdieselandFe－FBCblends［J］

．JournalofZhejiangUiversity（EngineeringScience），2017，51（10）：1981－1986．

2］朱瑞军，王锡斌，冉帆，等．EGＲ和冷EGＲ对柴油机燃烧和排放

的影响［

J］．西安交通大学学报，2009，43（9）：23－26．ZHUＲJ，WANGXB，ＲANF，etal．EffectsofEGＲandcooledEGＲoncombustionandemissionofadieselengine［J］．JournalofXi’

anJiaotongUniversity，2009，43（9）：23－26．3］王浒，尧命发，郑尊清，等．多次喷射与EGＲ耦合控制对柴油机

性能和排放影响的试验研究［

J］．内燃机学报，2010，28（1）：26－32．

WANGH，

YAOMF，ZHENGZQ，etal．Experimentalstudyoftheinfluenceofmulti-injectioncoupledwithEGＲondieselperformanceandemissions［

J］．TransactionsofCSICE，2010，28（1）：26－32．4］吴建财，钱超，邹建．轨压与喷油提前角对柴油机NOx排放和烟

度的影响［

J］．内燃机，2017（3）：34－37．WUJC，QIANC，ZOUJ．EffectsofrailpressureandfuelinjectionadvanceangleonNOxemissionandsmokeofdieselengine［J］．InternalCombustionEngines，

2017（3）：34－37．5］马志豪，李磊，钞莹，等．用HＲTEM研究DOC和DPF对柴油机

［［［［［J］．内燃机工程，2014，35（2）：54－58．颗粒排放的影响［

MAZH，LIL，CHAOY，etal．EffectsofDOCandDPFonparticulate．ChineseInternalemissionsofdieselengineusingHＲTEM［J］CombustionEngineEngineering，2014，35（2）：54－58．

［6］王云飞．基于WHTC循环的车用柴油机瞬态性能与排放控制研

D］．上海：上海交通大学，2014．究［

［7］张培植．某型发动机WHTC工况提升排温研究［D］．长春：吉林

2016．大学，

［8］张立雄，张琳，景晓军，等．基于SCＲ柴油机的WHTC冷、热启动

．小型内燃机与车辆技术，2016，45（3）：循环排放差异研究［J］

37－40．

ZHANGL，JINGXJ，etal．EmissiondifferenceZHANGLX，

betweencoldstartandhotstartWHTCcyclesbasedonaSCＲdieselJ］．SmallInternalCombustionEngineandVehicleTechnique，engine［

2016，45（3）：37－40．

［9］韩晓梅，田威，林学东，等．废气再循环瞬态修正控制策略对重

．西安交通大学学报，2018，52型柴油机排放性能的影响［J］

（3）：1－7．

TIANW，LINXD，etal．InfluenceofEGＲtransientHANXM，

correctionstrategyonemissionperformanceofheavydutydieselJ］．JournalofXi’anJiaotongUniversity，2018，52（3）：1－7．engine［

［10］刘忠长，孙士杰，田径，等．瞬态工况下喷油参数对柴油机排放

J］．吉林大学学报（工学版），2014，44（6）：及燃烧特性的影响［

1639－1646．

LIUZC，SUNSJ，TIANJ，etal．Influencesoffuelinjectionparametersonemissionsandcombustionofdieselengineunder．JournalofJilinUniversity（Engineeringtransientconditions［J］

2014，44（6）：1639－1646．andTechnologyEdition），

美光与高通合作，推动下一代车载信息娱乐系统创新

2019年1月8日，作为汽车行业创新存储解决方案的领先

供应商，美光科技股份有限公司宣布与高通公司（QualcommIncorporated）的子公司高通科技有限公司（QualcommTechnologies，Inc.）合作，为下一代车载驾驶舱计算系统开发先进的解决方案。实现车内体验提升的高水平科技，需要系统化的设计专长和创新，有效地加速技术集成。为了促成此类技术目标，美光正在优化其用于第三代高通骁龙汽车数字座舱平

TM

台（QualcommSnapdragonAutomotiveCockpitPlatforms）的新型高密度汽车级LPDDＲ4X内存设备。两家公司将共同验证美光内存解决方案，并将其集成到骁龙汽车数字座舱平台，为高通的客户提供高性能的参考方案。

美光LPDDＲ4X内存的系统容量可达2～16GB，吞吐率达546GB/s。这种快速吞吐速度可以支持汽车信息娱乐系统中的高分辨率3D图像显示，结合与计算密集型平台关联的必要内存带宽，是高级驾驶辅助系统（ADAS）的理想选择。骁龙汽车数字座舱平台旨在为下一代车辆的高级功能提供更高级别的计算性能，包括高度直观的人工智能（AI）体验。该平台的设计还支持精确导航功能，并提供沉浸式的音频体验和丰富的视觉体验。

“除了先进的人机界面（HMI）和应用程序，功能日益丰富的未来汽车驾驶舱还将配备更多高分辨率显示器，这些功能

”美光科技嵌入式产品事业部市场都提出了更高的性能要求，

，“美光非常高兴能与高通科技合作，提供副总裁KBAXTEＲ说

”下一代汽车内存解决方案，使更加丰富的车内体验成为现实。

汽车驾驶舱计算系统将传统的多媒体和导航功能与数字仪表盘、平视显示器和远程信息处理相结合，通过人机界面进行定制化配置，打造个性化车内体验。采用AI，车内系统可以通过语音和驾驶员识别、驾驶员警报监控等功能增强用户体验，并最大限度地减少干扰。如需满足此类车内功能和体验，计算处理更快的且性能更佳的内存和存储必不可少。美光与高通科技合作，正在优化系统定义，同时加快商业化进程。

“当今，先进的汽车驾驶舱计算解决方案必须具备更高的

”高通科技产品管理高级总计算性能以及更快的数据吞吐量，

监SKＲISHNAMUＲTHY说。

美光广泛的易失性和非易失性内存解决方案组合针对汽车应用进行了优化，并为汽车相关客户提供高质量、长使用寿命的内存产品和完善的客户支持。

（来源：俞庆华）

博泽与彼欧集团合作研发创新侧门系统

2019年1月7日，博泽和彼欧集团已启动创新轻量化车门联合开发项目。这两家家族企业正在联合研发一种采用塑料和金属复合材料制造车门的新概念，旨在预测和满足汽车制造商未来在设计、功能性和制造工艺方面的需求。

博泽为此次合作贡献了自身在机电一体化、车门系统和车辆出入系统领域的专长。彼欧集团则提供了有关车身钣金件、

。“通过结合两家公司掌碰撞和车身外饰系统设计的技术知识

握的技术和专业知识，可以实现新的造型、新的功能和新的车辆装配策略。这将有助于我们迎接自动驾驶模式下所面临的挑

”博泽集团首席执行官战，提高驾乘者的安全性和舒适度。

KSAUEＲNHEIMEＲ和彼欧集团主席兼首席执行官LBUＲELLE就此达成共识。

KSAUEＲNHEIMEＲ补充道：“此次合作让我们朝着为全球

”目前，博客户供应整套车门系统的战略目标迈进了一大步。

泽正准备推出一系列能够自动打开、关闭侧门的电驱动器。这一全新的传感器技术能预防碰撞，让乘客以更舒适的方式进出车辆。

（来源：俞庆华）