許小華 張 濤

（1-同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院 上海 201804 2-堀場(chǎng)（中國(guó)）貿(mào)易有限公司）

引言

近幾年中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，逐步成為世界第一大汽車(chē)消費(fèi)市場(chǎng)，我國(guó)汽車(chē)保有量飛速攀升。盡管柴油車(chē)的保有量占汽車(chē)總保有量的比例不高，但卻是汽車(chē)最主要的NOx和PM 排放源[1]，控制柴油車(chē)特別是重型柴油車(chē)排放意義重大。

越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始制定和實(shí)施高要求的發(fā)動(dòng)機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)。歐洲重型柴油車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)從歐V 過(guò)渡到了歐VI 標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)也在推行《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）》。新的排放標(biāo)準(zhǔn)大大加嚴(yán)了主要排放物的限值要求[2]。在如此低的排放限值下，測(cè)試方法對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響也更加重要。重型柴油機(jī)歐VI 及國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)都推薦采用全流稀釋下的排放測(cè)試，但其布置受限且成本較高，盡管能夠采用成本較低的部分流稀釋，但成本依然較高。

隨著排放法規(guī)執(zhí)行時(shí)間的臨近，各大整車(chē)、整機(jī)以及后處理廠家，都在開(kāi)展國(guó)六相關(guān)排放控制技術(shù)的開(kāi)發(fā)、標(biāo)定和驗(yàn)證等工作。為了提高開(kāi)發(fā)效率和降低成本，都迫切希望能在臺(tái)架上進(jìn)行直采的低成本技術(shù)方案[3]。

本文則基于某輕型柴油機(jī)，開(kāi)展了基于全流稀釋和直采2 種手段下的ESC、ETC 排放測(cè)試，來(lái)研究直采與全流稀釋采樣對(duì)柴油機(jī)排放測(cè)試結(jié)果的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為某輕型增壓中冷直列四缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要參數(shù)如表1 所示。

所采用的排放采樣系統(tǒng)分別為HORIBA 公司生產(chǎn)的HORIBA-CVS-HDD 全流稀釋采樣系統(tǒng)布置示意圖如圖1 所示，HORIBA-MDLT-MEXA2300SPCS直接采樣系統(tǒng)布置示意圖如圖2 所示。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

測(cè)試工況為ESC 循環(huán)和ETC 循環(huán)工況。其中ESC 循環(huán)下工況點(diǎn)分布及加權(quán)比如圖3 所示，ETC循環(huán)工況點(diǎn)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩分布如圖4 所示。平均功率為34.25 kW。

圖1 HORIBA-CVS-HDD 全流稀釋采樣系統(tǒng)布置示意圖

圖2 HORIBA-MDLT-MEXA2300SPCS 直接采樣系統(tǒng)布置示意圖

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)ESC 循環(huán)工況點(diǎn)分布及占比

圖4 ETC 循環(huán)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 ESC 循環(huán)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

ESC 循環(huán)排放測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表2 所示。從表2中可以看出直采下相對(duì)稀采下ESC 循環(huán)排放測(cè)試結(jié)果有所差異，其中直采下CO2排放和NOx排放相對(duì)稀采下都有所增加，分別增加了2.6%和8.6%，而直采下CO 排放相對(duì)稀采下卻有所減少，減少27.7%。

表2 ESC 循環(huán)排放測(cè)試結(jié)果對(duì)比

圖5 所示為各工況點(diǎn)直采下和稀采下NOx排放速率對(duì)比。從圖5 中可以看出，相同轉(zhuǎn)速下，NOx排放隨著負(fù)荷的增加呈增加趨勢(shì)，這主要是因?yàn)樨?fù)荷越高，燃燒溫度越高，熱力型NOx也較高，其中在B 轉(zhuǎn)速的100%負(fù)荷，稀采下NOx排放速率高達(dá)676 g/h，直采下高達(dá)736 g/h。

直采下，ESC 循環(huán)的各工況下NOx排放速率都有所增加，但在高負(fù)荷時(shí)更明顯。這主要是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)排溫較高，排氣中NOx也較高，而法規(guī)推薦的稀采模擬了煙氣在大氣中的擴(kuò)散過(guò)程，使用空氣對(duì)排氣進(jìn)行冷卻，排氣溫度明顯降低[4-5]，熱力型NOx生成反應(yīng)向著放熱的逆反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行，導(dǎo)致稀釋后NOx排放減少。而在大負(fù)荷時(shí)，稀釋帶來(lái)的冷卻效應(yīng)更明顯，因此NOx排放降低得更明顯。

最終，ESC 循環(huán)下各個(gè)工況點(diǎn)對(duì)直采下NOx排放較高的貢獻(xiàn)比如圖6 所示。從圖6 中可以看出，A轉(zhuǎn)速、B 轉(zhuǎn)速和C 轉(zhuǎn)速下的中高負(fù)荷貢獻(xiàn)比較高，其中B 轉(zhuǎn)速的100%負(fù)荷貢獻(xiàn)比多達(dá)18%，A 轉(zhuǎn)速和C轉(zhuǎn)速下100%負(fù)荷貢獻(xiàn)比也多達(dá)15%，而怠速和各轉(zhuǎn)速下的25%負(fù)荷占比較低，只有約1%～3%。

圖5 不同轉(zhuǎn)速負(fù)荷下NOx排放對(duì)比

圖6 直采下NOx排放相對(duì)稀采下對(duì)ESC 循環(huán)排放偏差貢獻(xiàn)比

圖7 所示為各工況點(diǎn)直采下和稀采下CO 排放速率對(duì)比。從圖7 中可以看出隨著負(fù)荷的增加，CO排放呈增加趨勢(shì)，而隨著轉(zhuǎn)速的增加，CO 也呈增加趨勢(shì)。這主要是因?yàn)殡S著負(fù)荷的增加，空燃比降低，高溫缺氧區(qū)域增加，而隨著轉(zhuǎn)速的增加，反應(yīng)時(shí)間變短，都惡化了燃燒過(guò)程，CO 排放增加。

圖7 不同轉(zhuǎn)速負(fù)荷下CO 排放對(duì)比

直采下，ESC 循環(huán)的各工況下CO 排放速率都有所增加。這主要是因?yàn)椋合♂尯?，排氣中氧含量增加，排溫降低，CO 向著氧化的正向放熱反應(yīng)進(jìn)行引起的。

圖8 直采下CO 排放相對(duì)稀采下對(duì)ESC 循環(huán)排放偏差貢獻(xiàn)比

最終，ESC 循環(huán)下各工況點(diǎn)對(duì)直采下CO 排放較高的貢獻(xiàn)比如圖8 所示。從圖8 中可見(jiàn)，B 轉(zhuǎn)速中低負(fù)荷的貢獻(xiàn)比較高，中低負(fù)荷下貢獻(xiàn)比多達(dá)10%～13%。A 轉(zhuǎn)速的高負(fù)荷和低負(fù)荷貢獻(xiàn)比也較高，其中100%負(fù)荷時(shí)，貢獻(xiàn)比多達(dá)9%，25%負(fù)荷時(shí)多達(dá)7%。

2.2 ETC 循環(huán)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

ETC 循環(huán)排放測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表3 所示。從表3中可以看出，直采下相對(duì)稀采下ETC 循環(huán)排放測(cè)試結(jié)果有所差異，其中直采下CO2排放和NOx排放相對(duì)稀采下都有所增加，分別增加了2.8%和6.6%，而直采下CO 排放相對(duì)稀采下卻有所減少，減少27.7%。

表3 ETC 循環(huán)排放對(duì)比

直采下和稀采下ETC 循環(huán)NOx排放和CO 排放規(guī)律與ESC 循環(huán)下規(guī)律基本相同。其中CO 排放減少幅度基本不變，這是因?yàn)锽 轉(zhuǎn)速等占比較高引起的。而NOx排放增加幅度相對(duì)較小，這主要是因?yàn)椋珽TC 循環(huán)下，NOx排放偏差貢獻(xiàn)比較高的高速、高負(fù)荷所占比例較低引起的，如圖9 所示。

圖9 ETC 循環(huán)下工況點(diǎn)分布密度

圖10 所示為直采下和稀采下ETC 循環(huán)瞬時(shí)NOx排放速率對(duì)比。圖11 所示為直采下和稀采下ETC 循環(huán)瞬時(shí)CO 排放速率對(duì)比。

圖10 直采和稀采下ETC 循環(huán)NOx排放對(duì)比

圖11 直采和稀采下ETC 循環(huán)CO 排放對(duì)比

從圖10 中可以看出直采下NOx排放在ETC 循環(huán)的開(kāi)始階段，與稀采測(cè)試結(jié)果基本相同，這主要是因?yàn)闇y(cè)試前期排氣溫度較低，稀釋采樣的冷卻效應(yīng)較小引起的。隨著測(cè)試時(shí)間的延長(zhǎng)，排氣溫度升高，稀釋采樣的冷卻效應(yīng)增大，直采相對(duì)稀采就明顯增加，且增加幅度在工況相對(duì)穩(wěn)定的較高轉(zhuǎn)速和較高負(fù)荷時(shí)更明顯，而在工況切換較劇烈的工況相對(duì)不明顯，這主要是工況穩(wěn)定時(shí)對(duì)應(yīng)的排氣溫度更改導(dǎo)致的。

從圖11 中可以看出直采下CO 排放在ETC 循環(huán)各個(gè)時(shí)刻都相對(duì)稀采有所減少，且在ETC 循環(huán)的前期負(fù)荷相對(duì)較高時(shí)，CO 排放降低更明顯，而在后期負(fù)荷相對(duì)較低時(shí)，CO 排放降低相對(duì)不明顯，這主要是因?yàn)楦哓?fù)荷時(shí)燃空比較大，低負(fù)荷時(shí)燃空比較小引起的，如圖12 所示。

圖12 稀釋采樣稀釋比和絕對(duì)燃空比（燃料質(zhì)量/（進(jìn)氣質(zhì)量+稀釋空氣質(zhì)量））對(duì)比

3 結(jié)論

1）直采下相對(duì)稀采下ESC 循環(huán)排放中，CO2排放和NOx排放都有所增加，分別增加了2.6%和8.6%，而CO 排放卻有所減少，減少了27.7%。

2）直采下相對(duì)稀采下ETC 循環(huán)排放測(cè)試結(jié)果有所差異，其中直采下CO2排放和NOx排放相對(duì)稀采下都有所增加，分別增加了2.8%和6.6%，而直采下CO 排放相對(duì)稀采下卻有所減少，減少了27.7%。

3）直采下相對(duì)稀采下NOx排放較高和CO 排放較低的原因，主要是因?yàn)橹辈蓻](méi)有稀采的模擬煙氣在大氣中的擴(kuò)散過(guò)程帶來(lái)的冷卻擴(kuò)散效應(yīng)。而直采與稀采排放測(cè)試結(jié)果偏差的大小與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速負(fù)荷相關(guān)。