發(fā)動(dòng)機(jī)氣態(tài)排放檢測(cè)系統(tǒng)的研究與開發(fā)

(上汽集團(tuán)商用車技術(shù)中心，上海 200438)

1 研究開發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)氣態(tài)排放檢測(cè)系統(tǒng)的必要性

研究開發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)氣態(tài)排放檢測(cè)系統(tǒng)的必要性綜合起來主要有兩點(diǎn)：一是由于發(fā)動(dòng)機(jī)排放法規(guī)日益嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放量的測(cè)量需要大大增加；二是目前我國(guó)排放設(shè)備嚴(yán)重依賴歐洲、日本等地的產(chǎn)品，成本過高。

近幾年來我國(guó)的汽車保有量增長(zhǎng)迅速 ,其中私家車的比例逐年上升 ,尤其在北京、上海等特大城市中這種現(xiàn)象更為明顯。隨著汽車保有量的增加 ,一系列問題也隨之而來。其中比較嚴(yán)重的就是機(jī)動(dòng)車排放物造成的大氣污染,并引起了很多全球性的環(huán)境問題[1]， 治理汽車尾氣排放污染的問題刻不容緩。

2017年汽車最新的國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)布，非道路第三及第四階段標(biāo)準(zhǔn)也已發(fā)布。在排放標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了排放測(cè)試規(guī)程及測(cè)試方法。

用于排放測(cè)量的系統(tǒng)開發(fā)在國(guó)內(nèi)相對(duì)薄弱，目前在用的排放測(cè)量?jī)x主要是奧地利AVL公司和日本HORIBA公司的產(chǎn)品。無論是國(guó)家檢測(cè)機(jī)構(gòu)、還是研究機(jī)構(gòu)、汽車制造公司、發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司都是如此。本文所開發(fā)的檢測(cè)系統(tǒng)完全可以替代國(guó)外產(chǎn)品，用于發(fā)動(dòng)機(jī)排放量的檢測(cè)。

2 排放檢測(cè)系統(tǒng)的組成及原理

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)氣態(tài)排放物來說，主要檢測(cè)氮氧化物(NOx)、碳?xì)浠衔?HC)、CO、CO2、O2共5種氣體。測(cè)方式方法在標(biāo)準(zhǔn)中已有規(guī)定。本文采用德國(guó)ABB公司生產(chǎn)的排放成套檢測(cè)系統(tǒng)。其中NOx采用紫外線方法測(cè)量，HC采用氫火焰離子法測(cè)量，CO和CO2采用紅外線方法測(cè)量，O2采用順磁法測(cè)量。檢測(cè)系統(tǒng)見圖1。

圖1 氣體排放測(cè)量系統(tǒng)圖

圖1中說明，發(fā)動(dòng)機(jī)氣體排放檢測(cè)系統(tǒng)分為3個(gè)部分，第一部分是機(jī)旁采樣部分，放置在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管附近，用于在發(fā)動(dòng)機(jī)上采集測(cè)量的樣氣，并對(duì)樣氣進(jìn)行加熱過濾。采樣探頭后部分采用高溫伴熱管與采樣箱相連。第二部分是樣氣處理部分，放在設(shè)備機(jī)箱中，接收機(jī)旁采樣部分送來的樣氣。樣氣在這里被分成3份，一份采用氣泵通過190 ℃伴熱管輸出用于測(cè)量NOx(輸送線L31-L31)，一份采用氣泵通過190伴熱管輸出用于測(cè)量總碳?xì)浠衔?THC)(輸送線L32-L32)，還有一部分用氣泵通過制冷除水后用于測(cè)量CO及CO2(輸送線L33-L33)。第三部分包括NOx、CO、HC等氣體排放測(cè)量部分。采用化學(xué)發(fā)光法測(cè)量NOx(可以分別測(cè)量NO2及NO，也可測(cè)量NOx)，選用法國(guó)Environnement S.A公司TOPAZE 32M產(chǎn)品；采用氫火焰離子法測(cè)量THC(選用德國(guó)ABB公司AA02020FIDAS24系列產(chǎn)品)；采用紅外線法測(cè)量CO/CO2(選用德國(guó)ABBAA02020 Uras 26系列產(chǎn)品);采用順磁法測(cè)量O2(選用德國(guó)ABBAA02020 Magnos206系列產(chǎn)品)。

2.1 機(jī)旁采樣部分

機(jī)旁采樣部分主要包括按標(biāo)準(zhǔn)制作的采樣探頭、高溫過濾器、過濾器中帶加熱。保證采樣氣溫度一直保持在190 ℃。同時(shí)，由于過濾器直接接觸發(fā)動(dòng)機(jī)排氣，需要經(jīng)常清洗，所以系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了壓縮空氣吹掃管線。機(jī)旁采樣系統(tǒng)的原理圖見圖2。

圖2 機(jī)旁采樣系統(tǒng)的原理圖

2.2 樣氣處理部分

樣氣處理部分主要包括3個(gè)空氣壓縮機(jī)，恒溫控制箱(190 ℃)和樣氣制冷系統(tǒng)，分別為3個(gè)排放分析儀提供樣氣。整個(gè)樣氣處理室采用加熱保溫箱，溫度控制在190 ℃。圖3為樣氣處理系統(tǒng)。

圖3 樣氣處理系統(tǒng)

圖中壓縮機(jī)1提供NOx測(cè)量用樣氣，全程帶伴熱管，控制在190 ℃；壓縮機(jī)2提供THC測(cè)量用樣氣，全程帶伴熱管，控制在190 ℃；壓縮機(jī)3提供CO/CO2測(cè)量用樣氣，需要先進(jìn)行制冷除濕，帶保溫輸出。

2.3 氣體排放測(cè)量部分

氣體排放測(cè)量采用了國(guó)際上先進(jìn)的排放測(cè)量?jī)x表，主要是德國(guó)ABB公司和法國(guó)Environnement S.A公司的產(chǎn)品。測(cè)量方法完全滿足國(guó)五及國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)(圖4)。

圖4 氣體排放測(cè)量系統(tǒng)

氣體排放測(cè)量系統(tǒng)中除了檢測(cè)樣氣的濃度的管路外，還有各測(cè)量?jī)x表的標(biāo)定氣體管路。在本系統(tǒng)中各種儀表量程選擇見表1。

表1 各分析儀的原理及測(cè)量范圍

3 測(cè)量結(jié)果的比較

本文選用了目前在國(guó)內(nèi)大量采用的AVL排放儀，并與與本文所研制的排放檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比分析。選用于國(guó)內(nèi)主流柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，并在企業(yè)技術(shù)中心試驗(yàn)室進(jìn)行了對(duì)比研究。測(cè)量采用直采系統(tǒng)。測(cè)量結(jié)果見表2，表3和表4。

表2 量距氣標(biāo)定結(jié)果

表3 穩(wěn)壓測(cè)量結(jié)果比較(工況1)

表4 穩(wěn)壓測(cè)量結(jié)果比較(工況2)

4 結(jié)論

通過以上設(shè)計(jì)及測(cè)量結(jié)果比對(duì)，得出以下結(jié)論：

(1) 本文所設(shè)計(jì)制作的發(fā)動(dòng)機(jī)氣體排放分析儀包括了主要的5組份氣體測(cè)量，符合最新的法規(guī)要求。

(2) 本文所設(shè)計(jì)制作的發(fā)動(dòng)機(jī)氣體排放分析儀所采用的分析原理滿足排放法規(guī)要求。

(3) 測(cè)量數(shù)據(jù)與市場(chǎng)普遍認(rèn)可的AVL排放比對(duì)，偏差較小，滿足使用要求。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法_中國(guó)Ⅲ、Ⅳ、V階段[S]. GB 17691—2005.

[2]梁桂森,顧宏中.直噴式柴油機(jī)有害排放量智能化控制技術(shù)[J]. 車用發(fā)動(dòng)機(jī), 1997(2)：49-53.

[3]梁和平,梁桂森.車用發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放遙測(cè)分析儀研究[J]. 柴油機(jī), 2001(6)：27-29.

[4]丁家松,梁桂森,顧雪群等. 便攜式發(fā)動(dòng)機(jī)排氣分析儀的研制[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程, 2001 ,22(2)：27-30.