台架中冷气管长度对发动机排放影响的研究

黄志强1，，王磊，杨名名

(1.同济大学，上海 201804；2.上海机动车检测认证技术研究中心有限公司，上海 201805)

0 引言

柴油发动机由于其良好的燃油经济性、可靠性、动力性强等显著优势，且其在节能与CO2排放方面的优势是其他发动机无法取代，从而在商用车辆上得到越来越广泛的运用。颗粒物(PM)、氮氧化物(NOx)、碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)是柴油机排气中有害污染物[1]。机动车按燃料类型分类，汽油车占89.0%，柴油车占9.4%，燃气车占1.6%。虽然柴油车的占比不是很高，但柴油车排放的NOx接近汽车排放总量的70%，PM超过90%[2]。

重型柴油机型式核准试验是在发动机台架上根据法规规定的试验循环进行测试的。采用涡轮增压器技术路线的发动机，使用台架中冷器模拟整车实际中冷情况。因此，在发动机台架试验时，发动机进气口与台架中冷器出气口采用不锈钢钢管连接。本文依据国家标准GB17691-2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》[3]中规定的世界统一瞬态测试循环(World harmonized transient cycle, WHTC)试验方法，研究中冷器出气口到发动机进气口之间的不锈钢钢管长度(以下简称中冷气管)对发动机排放的影响。

1 试验方案和设备

发动机台架试验系统主要包括以下几个系统：测功机系统、进气调节系统、冷却系统和排放测试系统。发动机台架试验系统结构示意如图1所示。

测功机系统主要由交流电机、油耗仪、转速和扭矩传感器等组成；进气调节系统包括压力、温度、湿度控制单元，其能够调节大气环境中压力、温度、湿度至相对稳定的状态；冷却系统包括热交换器单元，其能够精准地控制进出水温度；中冷器系统包括热交换器及压力调节阀，其能够控制中冷温度及中冷器前后的压差；排放测试系统包括主控计算机(含软、硬件)、气体污染物分析模块、PM取样单元、温度和压力采集系统和设备标定用装置，以及其他必须的管路、附件等辅助设备。

1.1 试验发动机

试验用发动机为1台额定功率110 kW、最大扭矩400 Nm涡轮增压中冷柴油发动机。其主要参数如表1所示，试验所用柴油为市售国六柴油。

表1 发动机主要参数

1.2 试验设备

试验所用的设备如表2所示。

表2 试验设备

1.3 试验方案

依据国家标准GB17691-2018规定，试验循环采用世界统一瞬态测试循环(the World harmonized transient cycle, WHTC)。WHTC瞬态循环由城市工况、郊区工况、高速工况组成。其中城市工况占比为49.6%左右，郊区工况占比为26.0%左右，高速工况占比为24.4%左右，整个试验循环时间为连续1 800 s。气体分析仪和PM的采样探头位于涡轮排气出口50 cm处，用于测量发动机原始(裸机)排放。

试验采用2种方案。第1种试验方案中，中冷气管长度为1.2 m。由于中冷器出气口与发动机进气口不在同一高度，中冷气管有2段90°的弯管。如图2所示。

第2种试验方案中，中冷气管长度为0.6 m，与在整车上布置的距离一致。将中冷器中的热交换器固定在小车支架上，支架可以上下调整中冷器出气口高度，使中冷器出气口高度与发动机进气口同高度，故无需用90°的弯管转接连接，如图3所示。

1.4 试验边界条件

由于进气温度、湿度、进气阻力、中冷后的温度和中冷器前后压差会影响发动机排气污染物结果，进行试验时，须在发动机额定工况点严格控制试验的边界条件后，方可进行热态的WHTC试验循环。试验边界条件如表3所示。

2 试验结果与分析

2.1 气态污染物

2种试验方案测量结果和偏差如表4所示。由表4可见，2种试验方案的CO、NOx、HC气态污染物的测量结果偏差不大，CO的测量结果偏差为1.14%、NOx的为2.21%，HC的为2.61%，属于正常的测量偏差范围之内。因此，中冷气管的长度对气态排气污染物的测量结果几乎没有影响。

表4 两种方案气态污染物对比

2.2 颗粒物(PM)

2种试验方案PM测量结果和偏差如表5所示。由表5可见，2种试验方案的PM排气测量结果偏差较大，且为67%左右。因此，中冷气管的长度对PM排放测量结果有影响。一般情况下，试验台架的中冷气管比整车配置的中冷气管长。长度越长且弯接头越多，对PM测量结果影响越大。

PM是由固态碳烟、可溶性有机物和硫酸盐混合而成的有机组分。碳烟是燃料未完全燃烧产生的，通常发生在高温下没有足够氧气浓度的富油区。最初形成的碳烟晶核尺寸为0.005～0.05 μm，碳核在高温高压下聚合，尺寸不断增大，最终形成的PM尺寸大部分集中在0.05～1 μm[4]。

PM的形成过程主要有热解、成核、表面生长、集聚与凝结、氧化等阶段。碳烟形成过程取决于压力、温度、喷射参数、燃料结构等条件，其生成和氧化速率主要与温度和压力有关[5]。根据PM形成的原理，需要进一步分析2种试验方案的发动机进气量和中冷后压力的差异。2种试验方案的进气量测试结果对比如图4所示。发动机在中转速、中负荷时，第1种方案的进气量比第2种方案的进气量低，发动机在低转速、低负荷及在高转速、高负荷时，2种方案的进气量基本一致，WHTC循环的中转速、中负荷占整个循环的比例为50%左右。

进一步分析2种方案PM排放差异较大的原因，2种方案的在WHTC试验工况的PM测试结果对比如图5所示。由图5可以看出，第2种方案的PM明显比第1种方案的低。

3 结论

1)发动机台架试验时，中冷气管的长度尽可能与整车上布置长度保持一致，避免由于台架中冷气管的长度不同导致试验结果有偏差。

2)中冷气管长度对CO、NOx、HC气态污染物测量结果几乎没有影响，故仅测量CO、NOx、HC气态污染物排放，试验台架上中冷气管长度与整车上布置的长度可以不同。

3)中冷气管长度对PM测量结果有影响，故测量PM时，尽量保持发动机试验台架的中冷气管长度与整车上布置的长度一致时，这样得到PM测量结果与在整车上测得的结果一致，否则就会有偏差。如中冷气管长度长一倍，PM测量偏差高达约67%。