收稿日期：2018－10－10
学习厨师作者简介：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-
mail ： 。DOI ：10.19466/jki.1674－1986.2019.02.005
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
Study on Smoke Emission of Diel Engine under Transient Operating Conditions
Bad on WHTC Cycle
ZHANG Qinglu ，ＲEN Jinling ，SUI Zhenfu
（Department of Automotive Engineering ，Shandong Vocational College of Science ＆Technology ，
Weifang Shandong 261053，China ）
Abstract ：In order to study the transient smoke emission of the electronically controlled high pressure common rail diel engine ，according to WHTC （world harmonized transient cycle ）transient cycle in environmental protection laws and regulations ，WHTC cycle was transformded into operating cycle of the tested engine．The cau of excessive smoke emission during the transient process of diel engine was analyzed by the WHTC cycle test of a diel engine．According to the analysis reason ，the smoke reduction test was carried out by establishing transien
t rail pressure module．The transient orbital pressure value was calibrated by extracting WHTC cycle gment for verification．The test results show that the smoke emission in the transient process can be significantly reduced by the calibration of transient rail pressure ，and the smoke emission of the whole WHTC cycle can also be significantly reduced．
Keywords ：Transient process ；Smoke ；World harmonized transient cycle ；Calibration ；Cycle test
0引言
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［1］
，
研究不同EGＲ
（Exhaust Gas Ｒecirculation ，废气再循环系统）率对NO x 及颗粒
排放的影响
［2］
，多次喷射与EGＲ联合控制降低烟度排放［3］，
通过标定轨压和喷油提前角降低烟度排放［4］
，增设后处理设备
如DPF （Diel Particulate Filter ，颗粒捕捉器）［5］
等降低柴油机
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
WHTC （World Harmonized Transient Cycle ）NO x 和烟度排放，如文献［6］中研究了燃油喷射控
制参数对WHTC 循环排放和经济性的影响，文献［7］中通过提高排气温度降低WHTC 瞬态排放的研究，文献［8］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排放的文章相对较少，如文献［9］中通过研究EGＲ瞬态修正模块来降低瞬态排放，文献［10］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。
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
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HJ 689－2014《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（World Harmonized Transient Cycle ，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/kW 200怠速/（r ·min －1
）700
最大扭矩转速/（r ·min －1
）
1200 1致上
700
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 、WNTE 3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 /m 3
。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 /m 3
，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
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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
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部分。这里选取WHTC 循环中烟度峰值大于50mg /m 3
（暂定值，根据瞬态工况中NO x 、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 /m 3
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（Exhaust Gas Ｒecirculation ，废气再循环系统）+SCＲ（Selective Catalytic Ｒeduction ，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AVL 483测量仪，整个WHTC 循环排放收集采用AVL 41
5S 设备。两设备参数如表2所示。
表2
烟度测量仪参数
项目AVL 415S AVL 483测量结果表示
滤纸式烟度值碳烟质量密度分辨率0.001FSN 0.001mg /m 3检测下限0.002FSN 0.005mg /m 3测量范围0 10FSN 0.005 50mg /m 3
排气温度
≤600ħ
≤1000ħ
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 /m 3
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 /m 3
以内，若继续进
行增减瞬态轨压值，NO x 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NO x 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、NO x 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、NO x 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/WHTC No x THC CO PM BSFC 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NO x 排放上升9.75%，油耗上升1g /（kW ·h ）。综合PM 与NO x 排放考虑，该研究取得较好降烟度效果。多出的NO x 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：
三口重叠
（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。
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