基于简易瞬态工况法的在用汽油车排放特性试验研究

2021-02-26高冬冬罗马吉刘成

车用发动机 2021年1期

高冬冬，罗马吉，刘成

(武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北武汉 430070)

随着我国经济的快速发展，汽车保有量与日俱增，汽车作为一种移动污染源，排出的有害气体不仅影响着人类的生存环境，同时也给人们的生活健康带来了危害。2019年中国环境保护部发布[1]的《中国机动车环境管理年报》表明，全国机动车CO、HC、NOx和PM的污染物排放总量初步核算达到4 065.3万t，其中，CO排放3 089.4万t，HC排放368.8万t，NOx排放562.9万t，PM排放44.2万t。汽车是机动车大气排放污染物的首要承担者，为此我国制定了一系列环保法规，限制在用轻型汽油车有害污染物的排放，如2019年5月1日起施行的GB 18285—2018[2]《汽油车污染物排放限值及测量方法(双怠速法及简易工况法)》。

关于在用轻型汽油车排放控制技术，国内外研究人员和科研单位展开了一系列的研究工作。吴烨等[3]研究了自20世纪80年代以来国内制定的综合排放控制政策和措施，包括实施新车排放标准、在用车检查和维护(I/M制度)、提高燃料质量[4]、促进可持续交通和替代燃料车辆[5]以及交通管理[6]等方面[7]。针对在用轻型汽油车排放污染物数据收集技术，Vicente 等[8]研究表明：台架试验法(实验室条件下利用底盘测功机或发动机测功机模拟车辆测试工况)是最成熟的技术，在未来几年中，是支撑车辆排放试验数据的主要来源。

三元催化器是在用轻型汽油车最重要的后处理装置之一，它可以有效地控制CO、HC和NOx的排放[9]。郑轩等[10]研究表明：未安装三元催化器的出租车HC、CO和NOx的平均排放因子分别为0.55±0.07 g/km，8.9±0.6 g/km和2.3±0.6 g/km，而装有三元催化器的出租车THC、CO和NOx的平均排放因子分别为0.01±0.00 g/km，0.9±0.8 g/km和 0.03±0.02 g/km，未安装三元催化器比装有三元催化器的出租车排放污染物显著升高。同时文献[10]还强调了在用车排放检查的重要性，以排除违反法规的“高排放车辆”。

EGR技术是减少NOx排放的有效措施之一，最初用于柴油发动机。但是随着能源和环境问题的日益严重，EGR系统已与其他先进技术一起广泛用于汽油发动机[11-13]。卫海桥等[13]针对EGR系统在汽油机上的应用进行了详细分析，研究表明：EGR通过改进发动机的燃烧过程来减少NOx排放，并有助于抑制发动机的爆震。EGR技术可以与其他先进技术一起减少汽油发动机的燃油消耗，并满足未来更严格的排放法规。

2019年5月1日开始实施的GB 18285—2018排放标准中对污染物CO、HC、NOx的排放限值大幅度下调，下调比例分别为37.5%，37.5%和46.2%。然而针对新排放标准的研究较少。本研究搭建汽车尾气测试的转鼓试验台架，以自主研发的EGR系统和市售三元催化器为研究对象，结合新实施的GB 18285—2018 《汽油车污染物排放限值及测量方法(双怠速法及简易工况法)》中简易瞬态工况法进行排放试验，并针对新的排放标准提出排放策略。

1 试验设备及方案

1.1 试验设备

本试验在整车上完成，试验所用在用轻型汽油车为2009年1.6 L一汽大众捷达车，试验车辆为前驱动，手动变速，四冲程，4缸，主要参数如表1所示。试验燃料为市售92号汽油。图1示出简易瞬态工况下试验装置示意。试验设备采用NHC-03A底盘测功机和排放测试系统；尾气排放测量采用NHA-508气体分析仪；气体流量测量采用NHF-1气体流量分析仪；废气再循环采用自主研制的电控EGR阀；三元催化器为市售贵金属催化剂，目数为400 目，体积与发动机排量的比值在1～1.5范围。

表1 试验车辆主要参数

图1 简易瞬态工况下试验装置示意

EGR系统中EGR阀为真空电磁阀，微处理器单元通过对脉宽调制信号占空比的控制实现对EGR阀真空度的调制，装置示意如图2所示。真空电磁阀的开启时间越小，则EGR阀开度就越小，反之则EGR阀开度越大[14]。通过调节EGR阀门开度，使进入缸内的废气浓度随阀门的开度变化而变化。

图2 EGR系统装置示意

1.2 试验方案

试验基于简易瞬态工况法，原理是通过底盘测功机模拟车辆道路行驶工况，将被检车辆按照运转循环(见图3)进行怠速、加速、等速和减速等15种运行工况行驶，测试有效行驶时间为195 s，循环理论行驶距离为1.013 km。简易瞬态工况下排放污染物测量值计算主要分为单位时间排放质量和比排放量。

单位时间排放质量(g/s)=浓度×密度×排气量，

(1)

(2)

图3 简易瞬态工况运转循环

试验选用EGR阀开度为0%，2%，5%，8%，10%，15%六组不同开度。在加装三元催化器(编号为TWC1、TWC2、TWC3、TWC4、TWC5、TWC6)以及无三元催化器情况下进行排放特性测试，根据市场应用效果三元催化器分为高、中、低三个质量等级：质量等级高是指由市场反馈信誉良好厂家生产的三元催化器(TWC1、TWC5)；质量等级中是指各不同地区生产厂家生产的三元催化器(TWC2、TWC3、TWC4)；质量等级低是指由IM站提供的通过“作弊手段”已过检的旧三元催化器(TWC6)。

2 试验结果与分析

2.1 EGR系统对排放的影响

图4示出捷达车简易瞬态工况下原排(无三元催化器)测试数据。排放污染物总趋势是随着EGR阀开度的增加，NOx排放明显下降，CO和HC排放从保持不变到略有上升。同时可以看出，有害排放污染物排放曲线基本上反映了发动机工况的变化。

图4 简易瞬态工况下EGR对试验车辆排放测试结果的影响

由图4a可知：当EGR阀关闭时，NOx排放在加速、等速和减速工况下有较大的排放值，最大峰值在3挡等速阶段。因为此时发动机是在全负荷条件下工作，发动机燃烧条件较好，为NOx的生成提供了条件。当EGR阀开度为2%和5%时，NOx排放未有明显变化，由于EGR阀开度较小，引入的废气量对发动机缸内燃料燃烧的最高温度影响不明显。当EGR阀开度在8%～15%范围时，2挡、3挡加速和3挡等速阶段NOx排放均出现大幅度降低。此时由于EGR阀开度进一步增加，使得引入缸内废气中的CO2量也逐渐增加，从而抑制了NOx富氧、高温的生成条件。

由图4b和4c可知：当EGR阀关闭时，CO和HC排放在加速和减速工况下形成波峰，EGR阀打开时在160～195 s范围内也出现波峰，这是因为汽车运行过程中等速、换挡、减速、离合器脱开和怠速等多个工况相互转换，导致发动机缸内出现不稳定燃烧以及未燃烧燃料的增加，从而促使CO和HC排放的生成，数据波峰出现。随着EGR阀开度的增加，CO和HC排放从保持不变到稍有增加，EGR阀开度为15%时CO和HC排放急剧增加。原因是随着EGR阀开度增加，引入的废气量也同时增加，从而为CO和HC的生成提供了便利条件。

2.2 三元催化器对排放的影响

安装三元催化器后试验车辆在简易瞬态工况下排放测试过程数据如图5所示。由图5可知：在未安装三元催化器和安装旧三元催化器时，试验车辆排放有害污染物中CO、HC和NOx在加速和减速工况中均出现急剧升高的波峰，此时旧三元催化器的催化转化效果极低。当选择安装TWC1时，排放污染物中CO、HC和NOx出现明显降低，其中CO排放质量仅稍高于0 mg，催化转化效果极其明显。同时HC和NOx排放也出现明显下降。当选择安装TWC2、TWC3、TWC4、TWC5时，有害排放污染物均为试验三元催化器装置中的最低排放，催化转化效果明显，但存在着NOx排放接近排放限值情况。

图5 简易瞬态工况下TWC对试验车辆排放测试结果的影响

根据式(1)和式(2)计算得到试验车辆安装旧三元催化器时CO、HC和NOx的排放量，分别为5.89 g/km，0.51 g/km和2.82 g/km，其中NOx排放量高于排放限值a中 NOx限值(1.3 g/km)，排放不合格。原排条件下CO、HC和NOx的排放量分别为8.18 g/km，0.7 g/km和3.01 g/km，其中CO和NOx的排放量高于排放限值a中CO限值(8 g/km)和NOx限值(1.3 g/km)，导致检测不合格。

2.3 三元催化器结合EGR系统的排放特性

由2.1节可知，随着EGR阀开度增加，在用轻型汽油车排放污染物中NOx排放明显降低，但污染物中CO和HC的排放从保持不变到略有提升。由2.2节可知，三元催化器对在用轻型汽油车排放污染物具有显著的净化作用，但存在污染物中NOx排放超标的情况，而且文献[15-17]均表明在用轻型汽油车排放检测中污染物NOx排放超标车辆居多。为了使在用轻型汽油车排放污染物达到国家限值标准，改善大气环境，在在用轻型汽油车上同时安装三元催化器(TWC1～TWC5)和EGR系统进行排放试验。

由图6a可知：当EGR阀开度为2%时，NOx排放下降明显，其中安装TWC1的NOx排放从1.46 g/km下降至1.21 g/km，符合标准限值a的排放要求。当EGR阀开度为8%时，试验车辆污染物中NOx排放全部符合限值a的排放标准，随着EGR阀开度增大，捷达车排放污染物中NOx排放出现低于排放限值b(0.7 g/km)的情况，此时TWC5的催化转化效果最为明显。

由图6b可知：EGR阀开度在2%～10%范围内，CO排放总体缓慢升高，这是因为EGR阀引入的废气为CO的生成提供了条件，但此时引入的废气量并不大，从而数值波动不大。当EGR阀开度为15%时，引入的废气量较大，降低了发动机的最高燃烧温度，燃料不完全燃烧增多，从而污染物中CO排放上升。

由图6c可知：HC排放整体趋势和CO排放类似，在EGR阀开度2%～10%范围内，HC排放略有上升，EGR阀开度为15%时，HC排放明显升高。但在EGR阀开启过程中，HC排放始终没有超过限值b(1.0 g/km)的要求。

图6 简易瞬态工况下TWC+EGR对试验车辆排放测试结果的影响

由以上分析可知：在用轻型汽油车安装三元催化器(TWC1～TWC5)和EGR系统时，有害污染物中CO、HC和NOx排放均有所降低。尤其EGR阀开度在2%～10%范围内时，随着EGR阀开度增大，NOx排放明显减低，CO和HC排放略有上升的负面效果被三元催化器净化效果所抵消。结合2.1节、2.2节内容可以得出：治理CO、HC和NOx排放超标的在用轻型汽油车时应首先选择更换三元催化器。若NOx排放超标严重，则可以选择安装EGR系统进行减排。