采样方式对柴油机排放测试结果的影响

2020-03-27许小华

小型内燃机与车辆技术 2020年1期

许小华张涛

（1-同济大学汽车学院上海 201804 2-堀场（中国）贸易有限公司）

引言

近几年中国汽车产业飞速发展，逐步成为世界第一大汽车消费市场，我国汽车保有量飞速攀升。尽管柴油车的保有量占汽车总保有量的比例不高，但却是汽车最主要的NOx和PM 排放源[1]，控制柴油车特别是重型柴油车排放意义重大。

越来越多的国家开始制定和实施高要求的发动机排放标准。欧洲重型柴油车排放标准已经从欧V 过渡到了欧VI 标准，中国也在推行《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》。新的排放标准大大加严了主要排放物的限值要求[2]。在如此低的排放限值下，测试方法对测试结果的影响也更加重要。重型柴油机欧VI 及国六排放标准都推荐采用全流稀释下的排放测试，但其布置受限且成本较高，尽管能够采用成本较低的部分流稀释，但成本依然较高。

随着排放法规执行时间的临近，各大整车、整机以及后处理厂家，都在开展国六相关排放控制技术的开发、标定和验证等工作。为了提高开发效率和降低成本，都迫切希望能在台架上进行直采的低成本技术方案[3]。

本文则基于某轻型柴油机，开展了基于全流稀释和直采2 种手段下的ESC、ETC 排放测试，来研究直采与全流稀释采样对柴油机排放测试结果的影响。

1 试验设备及方法

试验发动机为某轻型增压中冷直列四缸柴油发动机，其主要参数如表1 所示。

所采用的排放采样系统分别为HORIBA 公司生产的HORIBA-CVS-HDD 全流稀释采样系统布置示意图如图1 所示，HORIBA-MDLT-MEXA2300SPCS直接采样系统布置示意图如图2 所示。

表1 试验发动机主要参数

测试工况为ESC 循环和ETC 循环工况。其中ESC 循环下工况点分布及加权比如图3 所示，ETC循环工况点转速及转矩分布如图4 所示。平均功率为34.25 kW。

图1 HORIBA-CVS-HDD 全流稀释采样系统布置示意图

图2 HORIBA-MDLT-MEXA2300SPCS 直接采样系统布置示意图

图3 发动机ESC 循环工况点分布及占比

图4 ETC 循环目标转速和转矩

2 试验结果及分析

2.1 ESC 循环测试结果对比

ESC 循环排放测试结果对比如表2 所示。从表2中可以看出直采下相对稀采下ESC 循环排放测试结果有所差异，其中直采下CO2排放和NOx排放相对稀采下都有所增加，分别增加了2.6%和8.6%，而直采下CO 排放相对稀采下却有所减少，减少27.7%。

表2 ESC 循环排放测试结果对比

图5 所示为各工况点直采下和稀采下NOx排放速率对比。从图5 中可以看出，相同转速下，NOx排放随着负荷的增加呈增加趋势，这主要是因为负荷越高，燃烧温度越高，热力型NOx也较高，其中在B 转速的100%负荷，稀采下NOx排放速率高达676 g/h，直采下高达736 g/h。

直采下，ESC 循环的各工况下NOx排放速率都有所增加，但在高负荷时更明显。这主要是因为发动机排温较高，排气中NOx也较高，而法规推荐的稀采模拟了烟气在大气中的扩散过程，使用空气对排气进行冷却，排气温度明显降低[4-5]，热力型NOx生成反应向着放热的逆反应过程进行，导致稀释后NOx排放减少。而在大负荷时，稀释带来的冷却效应更明显，因此NOx排放降低得更明显。

最终，ESC 循环下各个工况点对直采下NOx排放较高的贡献比如图6 所示。从图6 中可以看出，A转速、B 转速和C 转速下的中高负荷贡献比较高，其中B 转速的100%负荷贡献比多达18%，A 转速和C转速下100%负荷贡献比也多达15%，而怠速和各转速下的25%负荷占比较低，只有约1%～3%。

图5 不同转速负荷下NOx排放对比

图6 直采下NOx排放相对稀采下对ESC 循环排放偏差贡献比

图7 所示为各工况点直采下和稀采下CO 排放速率对比。从图7 中可以看出随着负荷的增加，CO排放呈增加趋势，而随着转速的增加，CO 也呈增加趋势。这主要是因为随着负荷的增加，空燃比降低，高温缺氧区域增加，而随着转速的增加，反应时间变短，都恶化了燃烧过程，CO 排放增加。

图7 不同转速负荷下CO 排放对比

直采下，ESC 循环的各工况下CO 排放速率都有所增加。这主要是因为：稀释后，排气中氧含量增加，排温降低，CO 向着氧化的正向放热反应进行引起的。

图8 直采下CO 排放相对稀采下对ESC 循环排放偏差贡献比

最终，ESC 循环下各工况点对直采下CO 排放较高的贡献比如图8 所示。从图8 中可见，B 转速中低负荷的贡献比较高，中低负荷下贡献比多达10%～13%。A 转速的高负荷和低负荷贡献比也较高，其中100%负荷时，贡献比多达9%，25%负荷时多达7%。

2.2 ETC 循环测试结果对比

ETC 循环排放测试结果对比如表3 所示。从表3中可以看出，直采下相对稀采下ETC 循环排放测试结果有所差异，其中直采下CO2排放和NOx排放相对稀采下都有所增加，分别增加了2.8%和6.6%，而直采下CO 排放相对稀采下却有所减少，减少27.7%。

表3 ETC 循环排放对比

直采下和稀采下ETC 循环NOx排放和CO 排放规律与ESC 循环下规律基本相同。其中CO 排放减少幅度基本不变，这是因为B 转速等占比较高引起的。而NOx排放增加幅度相对较小，这主要是因为，ETC 循环下，NOx排放偏差贡献比较高的高速、高负荷所占比例较低引起的，如图9 所示。

图9 ETC 循环下工况点分布密度

图10 所示为直采下和稀采下ETC 循环瞬时NOx排放速率对比。图11 所示为直采下和稀采下ETC 循环瞬时CO 排放速率对比。

图10 直采和稀采下ETC 循环NOx排放对比

图11 直采和稀采下ETC 循环CO 排放对比

从图10 中可以看出直采下NOx排放在ETC 循环的开始阶段，与稀采测试结果基本相同，这主要是因为测试前期排气温度较低，稀释采样的冷却效应较小引起的。随着测试时间的延长，排气温度升高，稀释采样的冷却效应增大，直采相对稀采就明显增加，且增加幅度在工况相对稳定的较高转速和较高负荷时更明显，而在工况切换较剧烈的工况相对不明显，这主要是工况稳定时对应的排气温度更改导致的。

从图11 中可以看出直采下CO 排放在ETC 循环各个时刻都相对稀采有所减少，且在ETC 循环的前期负荷相对较高时，CO 排放降低更明显，而在后期负荷相对较低时，CO 排放降低相对不明显，这主要是因为高负荷时燃空比较大，低负荷时燃空比较小引起的，如图12 所示。