采樣方式對柴油機排放測試結(jié)果的影響

許小華 張 濤

（1-同濟大學(xué)汽車學(xué)院 上海 201804 2-堀場（中國）貿(mào)易有限公司）

引言

近幾年中國汽車產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，逐步成為世界第一大汽車消費市場，我國汽車保有量飛速攀升。盡管柴油車的保有量占汽車總保有量的比例不高，但卻是汽車最主要的NOx和PM 排放源[1]，控制柴油車特別是重型柴油車排放意義重大。

越來越多的國家開始制定和實施高要求的發(fā)動機排放標(biāo)準(zhǔn)。歐洲重型柴油車排放標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)從歐V 過渡到了歐VI 標(biāo)準(zhǔn)，中國也在推行《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》。新的排放標(biāo)準(zhǔn)大大加嚴(yán)了主要排放物的限值要求[2]。在如此低的排放限值下，測試方法對測試結(jié)果的影響也更加重要。重型柴油機歐VI 及國六排放標(biāo)準(zhǔn)都推薦采用全流稀釋下的排放測試，但其布置受限且成本較高，盡管能夠采用成本較低的部分流稀釋，但成本依然較高。

隨著排放法規(guī)執(zhí)行時間的臨近，各大整車、整機以及后處理廠家，都在開展國六相關(guān)排放控制技術(shù)的開發(fā)、標(biāo)定和驗證等工作。為了提高開發(fā)效率和降低成本，都迫切希望能在臺架上進行直采的低成本技術(shù)方案[3]。

本文則基于某輕型柴油機，開展了基于全流稀釋和直采2 種手段下的ESC、ETC 排放測試，來研究直采與全流稀釋采樣對柴油機排放測試結(jié)果的影響。

1 試驗設(shè)備及方法

試驗發(fā)動機為某輕型增壓中冷直列四缸柴油發(fā)動機，其主要參數(shù)如表1 所示。

所采用的排放采樣系統(tǒng)分別為HORIBA 公司生產(chǎn)的HORIBA-CVS-HDD 全流稀釋采樣系統(tǒng)布置示意圖如圖1 所示，HORIBA-MDLT-MEXA2300SPCS直接采樣系統(tǒng)布置示意圖如圖2 所示。

表1 試驗發(fā)動機主要參數(shù)

測試工況為ESC 循環(huán)和ETC 循環(huán)工況。其中ESC 循環(huán)下工況點分布及加權(quán)比如圖3 所示，ETC循環(huán)工況點轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩分布如圖4 所示。平均功率為34.25 kW。

圖1 HORIBA-CVS-HDD 全流稀釋采樣系統(tǒng)布置示意圖

圖2 HORIBA-MDLT-MEXA2300SPCS 直接采樣系統(tǒng)布置示意圖

圖3 發(fā)動機ESC 循環(huán)工況點分布及占比

圖4 ETC 循環(huán)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 ESC 循環(huán)測試結(jié)果對比

ESC 循環(huán)排放測試結(jié)果對比如表2 所示。從表2中可以看出直采下相對稀采下ESC 循環(huán)排放測試結(jié)果有所差異，其中直采下CO2排放和NOx排放相對稀采下都有所增加，分別增加了2.6%和8.6%，而直采下CO 排放相對稀采下卻有所減少，減少27.7%。

表2 ESC 循環(huán)排放測試結(jié)果對比

圖5 所示為各工況點直采下和稀采下NOx排放速率對比。從圖5 中可以看出，相同轉(zhuǎn)速下，NOx排放隨著負(fù)荷的增加呈增加趨勢，這主要是因為負(fù)荷越高，燃燒溫度越高，熱力型NOx也較高，其中在B 轉(zhuǎn)速的100%負(fù)荷，稀采下NOx排放速率高達676 g/h，直采下高達736 g/h。

直采下，ESC 循環(huán)的各工況下NOx排放速率都有所增加，但在高負(fù)荷時更明顯。這主要是因為發(fā)動機排溫較高，排氣中NOx也較高，而法規(guī)推薦的稀采模擬了煙氣在大氣中的擴散過程，使用空氣對排氣進行冷卻，排氣溫度明顯降低[4-5]，熱力型NOx生成反應(yīng)向著放熱的逆反應(yīng)過程進行，導(dǎo)致稀釋后NOx排放減少。而在大負(fù)荷時，稀釋帶來的冷卻效應(yīng)更明顯，因此NOx排放降低得更明顯。

最終，ESC 循環(huán)下各個工況點對直采下NOx排放較高的貢獻比如圖6 所示。從圖6 中可以看出，A轉(zhuǎn)速、B 轉(zhuǎn)速和C 轉(zhuǎn)速下的中高負(fù)荷貢獻比較高，其中B 轉(zhuǎn)速的100%負(fù)荷貢獻比多達18%，A 轉(zhuǎn)速和C轉(zhuǎn)速下100%負(fù)荷貢獻比也多達15%，而怠速和各轉(zhuǎn)速下的25%負(fù)荷占比較低，只有約1%～3%。

圖5 不同轉(zhuǎn)速負(fù)荷下NOx排放對比

圖6 直采下NOx排放相對稀采下對ESC 循環(huán)排放偏差貢獻比

圖7 所示為各工況點直采下和稀采下CO 排放速率對比。從圖7 中可以看出隨著負(fù)荷的增加，CO排放呈增加趨勢，而隨著轉(zhuǎn)速的增加，CO 也呈增加趨勢。這主要是因為隨著負(fù)荷的增加，空燃比降低，高溫缺氧區(qū)域增加，而隨著轉(zhuǎn)速的增加，反應(yīng)時間變短，都惡化了燃燒過程，CO 排放增加。

圖7 不同轉(zhuǎn)速負(fù)荷下CO 排放對比

直采下，ESC 循環(huán)的各工況下CO 排放速率都有所增加。這主要是因為：稀釋后，排氣中氧含量增加，排溫降低，CO 向著氧化的正向放熱反應(yīng)進行引起的。

圖8 直采下CO 排放相對稀采下對ESC 循環(huán)排放偏差貢獻比

最終，ESC 循環(huán)下各工況點對直采下CO 排放較高的貢獻比如圖8 所示。從圖8 中可見，B 轉(zhuǎn)速中低負(fù)荷的貢獻比較高，中低負(fù)荷下貢獻比多達10%～13%。A 轉(zhuǎn)速的高負(fù)荷和低負(fù)荷貢獻比也較高，其中100%負(fù)荷時，貢獻比多達9%，25%負(fù)荷時多達7%。

2.2 ETC 循環(huán)測試結(jié)果對比

ETC 循環(huán)排放測試結(jié)果對比如表3 所示。從表3中可以看出，直采下相對稀采下ETC 循環(huán)排放測試結(jié)果有所差異，其中直采下CO2排放和NOx排放相對稀采下都有所增加，分別增加了2.8%和6.6%，而直采下CO 排放相對稀采下卻有所減少，減少27.7%。

表3 ETC 循環(huán)排放對比

直采下和稀采下ETC 循環(huán)NOx排放和CO 排放規(guī)律與ESC 循環(huán)下規(guī)律基本相同。其中CO 排放減少幅度基本不變，這是因為B 轉(zhuǎn)速等占比較高引起的。而NOx排放增加幅度相對較小，這主要是因為，ETC 循環(huán)下，NOx排放偏差貢獻比較高的高速、高負(fù)荷所占比例較低引起的，如圖9 所示。

圖9 ETC 循環(huán)下工況點分布密度

圖10 所示為直采下和稀采下ETC 循環(huán)瞬時NOx排放速率對比。圖11 所示為直采下和稀采下ETC 循環(huán)瞬時CO 排放速率對比。

圖10 直采和稀采下ETC 循環(huán)NOx排放對比

圖11 直采和稀采下ETC 循環(huán)CO 排放對比

從圖10 中可以看出直采下NOx排放在ETC 循環(huán)的開始階段，與稀采測試結(jié)果基本相同，這主要是因為測試前期排氣溫度較低，稀釋采樣的冷卻效應(yīng)較小引起的。隨著測試時間的延長，排氣溫度升高，稀釋采樣的冷卻效應(yīng)增大，直采相對稀采就明顯增加，且增加幅度在工況相對穩(wěn)定的較高轉(zhuǎn)速和較高負(fù)荷時更明顯，而在工況切換較劇烈的工況相對不明顯，這主要是工況穩(wěn)定時對應(yīng)的排氣溫度更改導(dǎo)致的。

從圖11 中可以看出直采下CO 排放在ETC 循環(huán)各個時刻都相對稀采有所減少，且在ETC 循環(huán)的前期負(fù)荷相對較高時，CO 排放降低更明顯，而在后期負(fù)荷相對較低時，CO 排放降低相對不明顯，這主要是因為高負(fù)荷時燃空比較大，低負(fù)荷時燃空比較小引起的，如圖12 所示。

圖12 稀釋采樣稀釋比和絕對燃空比（燃料質(zhì)量/（進氣質(zhì)量+稀釋空氣質(zhì)量））對比

3 結(jié)論

1）直采下相對稀采下ESC 循環(huán)排放中，CO2排放和NOx排放都有所增加，分別增加了2.6%和8.6%，而CO 排放卻有所減少，減少了27.7%。

2）直采下相對稀采下ETC 循環(huán)排放測試結(jié)果有所差異，其中直采下CO2排放和NOx排放相對稀采下都有所增加，分別增加了2.8%和6.6%，而直采下CO 排放相對稀采下卻有所減少，減少了27.7%。

3）直采下相對稀采下NOx排放較高和CO 排放較低的原因，主要是因為直采沒有稀采的模擬煙氣在大氣中的擴散過程帶來的冷卻擴散效應(yīng)。而直采與稀采排放測試結(jié)果偏差的大小與發(fā)動機轉(zhuǎn)速負(fù)荷相關(guān)。