机动车污染物排放测量结果稳定性分析

2014-12-29杨正军田冬莲王建海

车用发动机 2014年6期

温溢，杨正军，田冬莲，王建海，潘朋，陈弘

（中国汽车技术研究中心，天津 300300）

我国自从颁布排放法规以来，THC，CO，NOx一直是被严格控制的3种机动车排放污染物［1］。在污染物限值逐渐降低以及对排放测量结果精度更加重视的趋势下，排放试验室开始衡量污染物的测试值与真实值之间的差距。为了验证试验测量准确度，国内排放试验室一般选取相同车辆进行比对排放试验，试验室自身也会选取车辆进行相同条件下的多次连续试验。

影响机动车多次排放试验结果发生变化的因素主要有两方面：第一，机动车自身发动机和催化器等部件的重复性；第二，排放测试系统、试验环境、试验人员等外部因素。在目前的试验室中，前者是车辆自身的稳定性，而后者是试验人员及其设备的稳定性，应该尽可能地将后者偏差降低到最小。

为了验证车辆在试验中多次排放的变化量，本研究对所有测试车辆均进行两次排放测试来对比排放结果。在保证环境、设备、人员基本一致的条件下，分析机动车排放结果中THC，CO，NOx3种污染物在两次排放测试中的变化量。这些数据能为检测机构、整车厂以及标定公司进行排放试验提供一定的参考依据。

1 试验描述

1.1 试验方法

排放试验均按照GB 18352.3—2005中Ⅰ型试验的方法，具体步骤为第1天试验车预处理后在浸车区静置大约18h，第2天进行1次正式排放试验，试验结束后当天进行一遍预处理后继续静置在浸车区大约18h，第3天进行1次正式排放试验。两次正式试验的车况，譬如油温、水温、电压等都尽可能保持一致，试验时的驾驶员、试验环境、分析仪设置也保持相同，以便在最大程度上排除外界对污染物排放测量的影响。Ⅰ型排放试验工况NEDC共分两个阶段（见图1），分别为1部的ECE（市区运转循环）和2部的EUDC（市郊运转循环）［1］。

取样方法：试验通过CVS定容取样系统对所选车辆的尾气进行连续稀释后用气袋进行取样，随后将样气送入各自的分析仪，得到THC，CO，NOx等污染物的测量结果。

样气分析方法：在MEXA系统中，使用氢火焰离子化型分析仪测量THC；使用不分光红外吸收型分析仪测量CO；用化学发光型分析仪测量NOx的浓度［3］。

结果计算方法：变化量用两次试验结果的相对偏差值来表示。假设第1次排放结果为M1，第2次为M2，把两次结果的算术平均值M作为真实值：

那么两次值相对偏差为

偏差值大说明两次排放的变化量大，稳定性差；偏差值小说明两次排放的变化量小，稳定性好。

1.2 试验内容

1）3种常规污染物变化量试验

选取满足国Ⅳ排放的30辆不同类型的试验车，按照本研究的试验方法进行两次尾气排放测试，得到每辆试验车两次试验中THC，CO，NOx3种污染物的排放值，最后对测量结果进行相对偏差分析；另外，对其中车况较为稳定的20辆试验车，对比分析ECE和EUDC两种工况下的排放变化量。

此外，30辆样车中有9辆采用了缸内直喷技术的汽油车和9辆采用进气道喷射技术的汽油车，对这18辆样车两次排放试验结果进行相对偏差分析，对比分析缸内直喷汽油机与进气道喷射汽油机污染物的变化。

2）催化器比对试验

选取一辆柴油车，按照本研究的试验方法，分别对安装有氧化型催化器（DOC）以及直管（无DOC）各进行2次尾气排放测试，对比两种不同车况条件下车辆排放的变化，分析催化器对整车在排放试验中稳定性的影响。

1.3 试验车辆及设备

本研究中第一项试验使用了不同类型国Ⅳ排放试验车共30辆，车况稳定，涵盖了目前主流的汽车类型，其中汽油车18辆（装配缸内直喷汽油机9辆，进气道喷射汽油机9辆），柴油车12辆。第二项试验中的样车选取了2012年生产的柴油车，该车车况稳定，试验初始行驶里程为8 130km，其相关参数见表1。

表1 样车相关参数

测试系统主要包括MEXA－7400LE排气分析系统、CVS－7400定容稀释系统和 ECDM－48L－4WD底盘测功机。环境试验仓在试验中能将环境温度偏差控制在±1°以内，相对环境湿度控制在±5%以内。

2 试验结果及分析

2.1 NEDC工况排放测量结果变化

图2示出30辆样车连续两次NEDC工况试验THC，CO，NOx排放结果变化的统计量。整体上看，3种污染物变化量都较小，其中90%排放结果的相对偏差都在20%以下，50%以上排放结果的相对偏差都在10%以下。这说明目前国Ⅳ排放水平的车辆对排放变化的控制比较好，两次排放试验的结果大致相同，也表明试验室稀释取样后进行污染物测试得到的结果比较可靠。

此外，从图中可以看出，3种污染物中THC的变化量最小，两次试验的偏差均在10%以下，而CO和NOx的变化量相对要大一些，尤其是NOx，有两次试验结果的相对偏差大于30%。这主要是因为NOx的反应机制最为复杂，对它的控制更困难。从3种污染物的平均相对偏差（见图3）也可看出以上特点。

2.2 ECE和EUDC工况排放测量结果对比

图4至图6示出20辆样车的3种污染物排放测量结果在ECE和EUDC两种工况下，袋采取样分析的相对偏差统计比对。从图4和图5中可以看出，THC和CO测量结果在EUDC阶段的变化量要远远大于ECE阶段，在EUDC阶段，这两种污染物的相对偏差有50%以上都超过了20%。图6中，NOx测量结果在两个阶段的相对偏差相差不大。

图7示出20辆样车的3种污染物测量结果在ECE和EUDC两种工况下的平均偏差。从图中可以看出，THC，CO，NOx3种污染物在ECE工况下的平均偏差都小于EUDC工况下的偏差，并且THC和CO在EUDC工况下的平均相对偏差大约是ECE工况下的两倍。

2.3 直喷汽油机与进气道喷射汽油机的对比

缸内直喷是指将高压燃油直接注入燃烧室平顺高效地燃烧［4］，该技术很大程度上降低了燃油消耗并提高了动力性，缸内直喷汽油机已经越来越多地应用于车辆中。本研究为考察缸内直喷汽油机两次排放的变化量，对比了9辆直喷汽油机样车和9辆进气道喷射汽油机样车的THC，CO，NOx排放结果的变化。

图8示出两种车辆在NEDC工况下相对偏差值的对比。从图中可以看出，缸内直喷汽油机车辆THC排放结果的相对偏差较小，而进气道喷射汽油机车辆的偏差值相对而言较大。

图9中可以看到，直喷汽油机车辆的CO变化量要远小于进气道喷射汽油机车辆，且大部分的偏差都在10%以下，而9辆进气道喷射汽油机车辆中，5辆车的CO偏差都达到了20%。这说明缸内直喷技术控制得更精准。图10中，两种车辆的NOx排放结果差别没有明显规律。

图11示出缸内直喷汽油机车辆和进气道喷射汽油机车辆污染物测量结果的平均偏差。由图中可以看出，缸内直喷汽油机车辆3种污染物测量结果的平均偏差都比进气道喷射汽油机车辆的小。这说明缸内直喷汽油机车辆排放结果的变化量要小于进气道喷射汽油机车辆。

2.4 有无氧化催化器对比

机动车尾气中的污染物是由于发动机缸内燃烧不充分造成的。由于燃烧过程时间极短，可燃气体得不到均匀混合，燃料氧化反应不完全，甚至有未燃烧的燃料，这样就造成了发动机产生THC和CO排放。另外，缸内2 000℃以上的高温极其容易将氮气氧化产生NOx。为了降低污染物排放值，大多数机动车都装配了催化器，通过氧化和还原反应降低污染物的排放量［2］。

表2示出样车安装DOC和不安装DOC两种条件下分别进行排放试验的结果。由表2可以看出，安装DOC后，车辆THC和CO的排放量大大降低了，这说明催化器对污染物的控制起到很大作用［5］。

表2 有无DOC排放结果对比

图12示出样车安装氧化催化器和不安装氧化催化器两种情况下的排放变化量对比。从图中可以明显看出，THC和CO的测量结果在对比试验中的变化很大，车辆安装了DOC后的排放变化量远大于没有安装DOC的排放变化量。由于催化器在每次试验中开始工作的时间，以及工作后内部发生化学反应的程度存在不一致，所以安装DOC后出现了偏差增大的情况。DOC对NOx测量结果影响不大。