高原環(huán)境下國(guó)六柴油機(jī)排放污染物測(cè)試

宋超 王勇 孟令楠 解永全 伊全平

摘 要：通過(guò)對(duì)高原發(fā)動(dòng)測(cè)試臺(tái)架測(cè)量控制軟件的升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了高原發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)與排放試驗(yàn)的程序化控制，建立了高原發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)與排放試驗(yàn)的集成化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本文對(duì)一臺(tái)國(guó)六排放水平的發(fā)動(dòng)機(jī)在升級(jí)后的電渦流測(cè)控臺(tái)架進(jìn)行WHSC穩(wěn)態(tài)循環(huán)的試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：基于電渦流測(cè)功系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架可以通過(guò)程序控制采集不帶過(guò)渡工況的WHSC循環(huán)數(shù)據(jù)。實(shí)測(cè)循環(huán)功與理論循環(huán)功的比值為99.91%，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定85%-105%的要求。

關(guān)鍵詞：高原環(huán)境 國(guó)六柴油機(jī) 電渦流測(cè)功系統(tǒng) 氣態(tài)污染物 WHSC循環(huán)

1 引言

柴油機(jī)因其經(jīng)濟(jì)性好、動(dòng)力性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于交通、軍事、發(fā)電、航海等領(lǐng)域，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)和日常生活中發(fā)揮著重要作用。[1]然而，隨著柴油機(jī)的廣泛應(yīng)用，不斷增加的碳煙顆粒物（PN/PM）、氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）等污染物使得大氣污染問(wèn)題日益突出。2018年國(guó)家環(huán)保部發(fā)布重型車(chē)國(guó)六排放測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB-17691-2018《重型柴油車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》。與第五階段相比，國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)加嚴(yán)了污染物排放限值，增加了粒子數(shù)量排放限值，變更了污染物排放測(cè)試循環(huán)。[2]國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)將穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)從原來(lái)的歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán)（European Steady-state Cycle，ESC）循環(huán)變更為全球統(tǒng)一的穩(wěn)態(tài)循環(huán)（World Harmonized Steady-state Cycle，WHSC），作為發(fā)動(dòng)機(jī)出廠時(shí)的型式核準(zhǔn)工況。[3]與國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)相比，國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)更注重發(fā)動(dòng)機(jī)低速低負(fù)荷工況下的排放。

我公司常年承接高海拔內(nèi)燃機(jī)性能試驗(yàn)業(yè)務(wù)，建有兩個(gè)基于電渦流測(cè)功系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架。國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以來(lái)，整個(gè)內(nèi)燃機(jī)檢測(cè)行業(yè)重點(diǎn)業(yè)務(wù)已經(jīng)由單純的性能檢測(cè)向排放檢測(cè)傾斜，內(nèi)燃機(jī)生產(chǎn)廠家也采用犧牲功率來(lái)保排放合格的策略認(rèn)真執(zhí)行國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)。因此，內(nèi)燃機(jī)排放檢測(cè)已經(jīng)成為各大檢測(cè)中心的主營(yíng)業(yè)務(wù)。為追趕國(guó)六排放大趨勢(shì)，我公司購(gòu)置日本HORIBA與奧地利AVL兩家公司的臺(tái)架排放設(shè)備、升級(jí)現(xiàn)有電渦流測(cè)功機(jī)臺(tái)架控制系統(tǒng)，以滿足內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室排放檢測(cè)能力。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)建立后，隨即開(kāi)展了基于電渦流測(cè)功系統(tǒng)的WHSC穩(wěn)態(tài)循環(huán)驗(yàn)證。

2 試驗(yàn)條件及試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)室地處青海西寧，海拔2200米，設(shè)有固定臺(tái)架和移動(dòng)臺(tái)架各一個(gè)。本次試驗(yàn)在固定臺(tái)架進(jìn)行，臺(tái)架設(shè)備如表1所示。

2.2 試驗(yàn)樣機(jī)技術(shù)參數(shù)

本試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為東風(fēng)康明斯某型柴油機(jī)，試驗(yàn)中沒(méi)有對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行任何改動(dòng)，柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

2.3 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)工況

本次試驗(yàn)采取兩種方式控制發(fā)動(dòng)機(jī)做WHSC循環(huán)，一種是人為控制帶過(guò)渡工況的穩(wěn)態(tài)循環(huán)工況，一種為程序控制不帶過(guò)度工況的穩(wěn)態(tài)循環(huán)。試驗(yàn)布置如圖1所示：

試驗(yàn)包括兩個(gè)怠速工況，轉(zhuǎn)速為最大凈功率對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速的25%、35%、45%、55%、75%共5個(gè)不同轉(zhuǎn)速，每個(gè)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的扭矩各不相同。其中：55%轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的扭矩有四個(gè)，該轉(zhuǎn)速最大扭矩值的25%、50%、70%、100%;35%轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)該轉(zhuǎn)速下最大扭矩值25%、50%、100%三個(gè)扭矩;45%轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)25%、75%兩個(gè)工況;25%轉(zhuǎn)速和75%轉(zhuǎn)速分別對(duì)應(yīng)相應(yīng)轉(zhuǎn)速最大扭矩值的25%、100%一個(gè)工況?？偣?3個(gè)工況點(diǎn)。試驗(yàn)工況如圖2所示：

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 WHSC循環(huán)

帶過(guò)渡工況的WHSC循環(huán)總共運(yùn)行時(shí)間為2128s，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定WHSC循環(huán)1895s，超時(shí)233s。WHSC理論循環(huán)功為24.86kW·h，實(shí)際循環(huán)功為29.345kW·h，實(shí)際循環(huán)功超出理論循環(huán)功18%，此值超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的85%～105%范圍;不帶過(guò)渡工況的WHSC循環(huán)總共運(yùn)行時(shí)間為1895s，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定WHSC循環(huán)時(shí)間。WHSC理論循環(huán)功為24.86kW·h，實(shí)際循環(huán)功為24.834kW·h，實(shí)際循環(huán)功為理論循環(huán)功的99.91%，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的85%～105%范圍。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了研究發(fā)動(dòng)機(jī)在各個(gè)不同工況下的排放情況，將每個(gè)工況產(chǎn)生的排氣污染物分別進(jìn)行排放計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4-6。結(jié)果表明：

1.燃油燃燒過(guò)程中，當(dāng)燃油與空氣混合不完全或含氧量較少時(shí)，會(huì)產(chǎn)生CO。一氧化碳主要是在不完全燃燒或低溫條件而產(chǎn)生。進(jìn)入呼吸道參與血液循環(huán)，結(jié)合血紅蛋白，導(dǎo)致人體不能運(yùn)輸氧氣，中樞神經(jīng)系統(tǒng)受損，引起頭暈、嘔吐、頭痛等癥。

CO2和CO的排放量值有較強(qiáng)的相關(guān)性，其變化規(guī)律隨工況變化的趨勢(shì)基本一致;不同的是，CO在怠速工況下的排放量占總排放量的比重較CO2高，說(shuō)明在怠速工況下，柴油機(jī)缸內(nèi)不完全燃燒的比重較高;CO在經(jīng)過(guò)后處理后有部分被氧化為CO2，這是尾排CO2排放量升高的原因之一。另外本次試驗(yàn)中所用顆粒捕集器為催化再生型DPF，在碳煙顆粒被捕捉的同時(shí)進(jìn)行再生，也會(huì)產(chǎn)生CO2。

2.NOx。氮氧化合物主要是發(fā)動(dòng)機(jī)大負(fù)荷工作時(shí)放電，在燃燒室高溫富氧的環(huán)境中先產(chǎn)生NO，繼而氧化成的一種褐色且有臭味的氣體NO2。氮氧化合物吸入肺部后能形成亞硝酸和硝酸，對(duì)肺組織產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激和傷害，以致引起肺部病變。此外，氮氧化物還會(huì)導(dǎo)致酸雨和光化學(xué)煙霧污染，在水系中的沉降會(huì)造成富營(yíng)養(yǎng)化。

NOx的排放量隨著工況的變化呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，由于NOx產(chǎn)生的條件是缸內(nèi)的高溫和富氧，因此NOx排放與工況變化密切相關(guān)，柴油機(jī)氮氧化物（NOx）高原排放隨著工況轉(zhuǎn)速和扭矩的變化情況總結(jié)如下：

①氮氧化物（NOx）排放隨轉(zhuǎn)速的波動(dòng)變化很大。扭矩相同，轉(zhuǎn)速不同，氮氧化物（NOx）排放量值差異很大：在25%低扭矩和100%高扭矩下，NOx排放量隨轉(zhuǎn)速的升高呈上升趨勢(shì)，高扭矩下的上升趨勢(shì)比較明顯，低扭矩下隨著轉(zhuǎn)速的升高，NOx排放量先升高再回落再升高，總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì);在中高扭矩50%和70%扭矩下，NOx排放量隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且下降迅速，50%扭矩下低轉(zhuǎn)速的NOx排放量最高，隨著轉(zhuǎn)速升高NOx排放量急劇下降;總體來(lái)說(shuō)，柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速區(qū)段運(yùn)行時(shí)氮氧化物（NOx）排放量值較高，在中等轉(zhuǎn)速區(qū)段運(yùn)行時(shí)柴油機(jī)氮氧化物（NOx）排放量值較低，柴油機(jī)氮氧化物（NOx）排放與其運(yùn)行轉(zhuǎn)速的變化密切相關(guān)。

②柴油機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速不變時(shí)，大部分情況下，氮氧化物（NOx）排放量值隨加載扭矩值的升高呈上升趨勢(shì);在中小扭矩加載范圍，柴油機(jī)氮氧化物（NOx）排放上升迅速;

3.THC。碳?xì)浠衔锸遣煌耆紵呐欧盼?，包括未燃和未完全燃燒的燃油和機(jī)油蒸汽，氣態(tài)時(shí)是VOC，固態(tài)則為顆粒物。碳?xì)浠衔锖偷趸衔镌陉?yáng)光紫外線照射下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成光化學(xué)煙霧。

4 結(jié)論

1.在海拔2200米下，經(jīng)過(guò)柴油機(jī)后處理設(shè)備處理后的尾氣有害污染物成分下降明顯，CO排放量下降了19.3%，NOx排放量下降了97.8%，THC排放量下降了48.8%，CO2排放量有所上升。本次試驗(yàn)由于測(cè)試條件有限，沒(méi)有對(duì)柴油機(jī)排氣中顆粒物加以分析。

2.升級(jí)后的電渦流測(cè)功系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能滿足柴油機(jī)高原穩(wěn)態(tài)排放測(cè)試。

《青海省內(nèi)燃動(dòng)力機(jī)械高原動(dòng)力及排放重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室》2021-ZY-Y18。

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