田茂軍,黃德軍,徐輝,唐卜,張謙益,鄧力

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

隨著排放法規(guī)的不斷加嚴，我國重型車輛國Ⅵ排放測試標準緊跟歐Ⅵ標準步伐，不僅在國Ⅳ、國Ⅴ基礎上增加了PEMS整車實際道路測試，也將瞬態(tài)ETC排放測試循環(huán)轉變?yōu)檗D速和負荷區(qū)域更低的WHTC循環(huán)，將穩(wěn)態(tài)ESC循環(huán)轉變?yōu)閃HSC循環(huán)，同時將穩(wěn)態(tài)循環(huán)的氣態(tài)污染物的測試要求由每工況最后30 s的平均濃度[1]轉變?yōu)樵谡麄€試驗循環(huán)過程中測定氣態(tài)污染物的濃度[2]，并將ESC控制區(qū)NOx抽檢，轉變?yōu)閃NTE循環(huán)對CO、THC、NOx、PM的測試。由此可知，重型車用發(fā)動機排放標準的升級，是將以往的穩(wěn)態(tài)工況單點測試加權計算，轉變?yōu)槿^程動態(tài)測試。GB 17691—2018中描述了兩種功能同等的測量系統(tǒng)：1)氣體組分采用從原始排氣中直接采樣測量，顆粒物用部分流稀釋系統(tǒng)測量；2)氣體組分及顆粒物采用全流稀釋系統(tǒng)測量。雖然標準允許兩種系統(tǒng)任意組合[2]，但標準同時規(guī)定了型式檢驗時需采用全流稀釋測試系統(tǒng)[2]。部分流排放測試系統(tǒng)是將發(fā)動機排氣直接采樣通入分析儀，并將所測的濃度曲線與排氣流量曲線對時間進行積分。這種測量方法的優(yōu)點是測量直接簡單，系統(tǒng)價格便宜，但同樣存在一定的缺陷[3]?，F有文獻對汽車尾氣排放全流測試系統(tǒng)和部分流測試系統(tǒng)已有相關研究：王鳳濱，尹超等[4-9]研究了發(fā)動機相關工作參數對排放的影響以及全流、部分流測試系統(tǒng)對排放結果的影響；湯碧華[3]分析了全流稀釋法排放測量和直采排放測量的優(yōu)缺點，以及相應的系統(tǒng)設備構成；倪計民，林建華等[10-11]分析了動態(tài)排放測試的影響因素，利用直采取樣及定容稀釋取樣建立的系統(tǒng)效應物理修正模型對發(fā)動機排放測試系統(tǒng)的響應進行物理修正，使直采取樣系統(tǒng)具備基本的動態(tài)排放測試的功能；劉永進[12]針對氣體輸送和分析帶來的延遲對實際測量值的影響進行了分析。從以上文獻可知，關于發(fā)動機動態(tài)循環(huán)排放測試已經開展了一些研究，但主要是針對發(fā)動機試驗邊界參數和測試系統(tǒng)參數對排放的影響，針對直采排放測試系統(tǒng)對發(fā)動機動態(tài)循環(huán)測試結果影響的相關研究較少。

基于以上因素，本研究采用一臺高壓共軌的重型柴油機，在同時具備氣態(tài)組分全流稀釋采樣和原始排氣直接采樣的發(fā)動機臺架上進行試驗，重點研究發(fā)動機氣態(tài)污染物直采排放結果因采樣系統(tǒng)設置因素而帶來的影響。

1 排放測試結果影響因素的理論分析

1.1 直采測試系統(tǒng)影響因素分析

GB 17691—2018第CA.5.2.3條定義了直采排放測試系統(tǒng)氣態(tài)污染物質量排放量(mgas)的計算公式：

(1)

式中：ugas為排氣組分密度和排氣密度比；cgas,i為排氣組分的瞬時濃度；qmew,i為瞬時排氣質量流量；f為采樣頻率；n為測量次數。

按本實驗室實際情況，瞬時排氣質量流量應用進氣質量流量和燃料質量流量間接計算而得：

qmew,i=qmaw,i+qmf,i。

(2)

式中：qmaw,i為瞬時進氣質量流量；qmf,i為瞬時燃料質量流量。

由式(1)和式(2)可知，直采排放測試系統(tǒng)氣態(tài)污染物質量排放量與ugas，cgas,i，f，n，qmaw,i，qmf,i相關，GB 17691—2018標準要求排放相關數據所記錄的排氣組分瞬時濃度及排氣質量流量應按照轉換時間對齊。ugas可按標準固定值進行應用，其對排放結果的影響與測量方式無關；cgas,i由分析儀直接測量而得，該值的準確性與采樣位置的樣氣混合均勻性、采樣流量穩(wěn)定性以及分析儀的標定檢查相關。分析儀的標定檢查合格性是判定試驗有效性的基礎要求，采樣流量通過系統(tǒng)設定固定采樣流量，通過采樣泵抽取而來，其受發(fā)動機工況的影響較小，因此僅有采樣位置的樣氣混合均可能影響cgas,i的準確性。對于增壓中冷發(fā)動機，發(fā)動機原始排氣在經過增壓器時，增壓器葉輪對發(fā)動機原始排氣具有擾流作用，導致增壓器后的排氣處于紊流狀態(tài)，同時在增壓器后端足夠距離測試，其樣氣混合均勻性應可以得到保障。采樣次數n取決于采樣頻率f，因此采樣頻率直接影響采樣結果的計算。按標準要求采樣頻率需大于2 Hz，一般可將采樣頻率設置為較高的值，從而規(guī)避因采樣頻率過低造成的影響。qmaw,i,qmf,i分別由空氣流量計和油耗儀直接測量，相關設備每年均應通過計量校準，其準確性可得到保障。各分析單元和測量設備均有各自的響應時間和轉換時間，不同時間點所測試的污染物濃度和質量流量均不同，相乘計算出來的該點質量排放量則不同，因此排氣組分瞬時濃度和排氣質量流量按照轉換時間對齊與否則是影響氣態(tài)污染物質量排放量的關鍵因素。

1.2 全流測試系統(tǒng)影響因素分析

GB 17691—2018第CA.6.2.1條定義了全流稀釋排放測試系統(tǒng)氣態(tài)污染物質量排放量mgas的計算公式：

mgas=ugas×cgas×med。

(3)

式中：ugas為排氣組分密度和稀釋排氣密度比；cgas為背景修正后的排氣組分平均濃度；med為整個循環(huán)的總稀釋排氣質量流量。

(4)

式中：cgas,e為稀釋排氣中測得的組分濃度；cd為稀釋空氣中測得的背景組分濃度；D為稀釋系數。

柴油機和LPG發(fā)動機的稀釋系數為

(5)

式中：FS為理論空燃比，燃料為柴油時可用13.4代替；cCO2,e為稀釋排氣中CO2的濕基濃度；cHC,e為稀釋排氣中HC的濕基濃度；cCO,e為稀釋排氣中CO的濕基濃度。

按本實驗室實際情況，采用的全流稀釋系統(tǒng)是CFV-CVS系統(tǒng)，其整個循環(huán)的總稀釋排氣質量流量計算公式如下：

(6)

式中：t為循環(huán)時間；KV為標準條件下臨界流量文丘里管標定系數；PP為文丘里管入口絕對壓力；T為文丘里管入口絕對溫度。

由式(3)至式(6)可知，全流排放稀釋系統(tǒng)的氣態(tài)污染物質量排放量計算過程較直采測試系統(tǒng)相對復雜，涉及的參數較多。ugas可按標準固定值進行應用，其對排放結果的影響與測量方式無關。cgas通過氣體組分稀釋后的循環(huán)均值cgas,e與背景濃度校正后獲得，cgas,e通過設置分析系統(tǒng)響應延遲后，在稀釋通道內連續(xù)測量各組分濃度，然后對整個試驗過程測量值積分計算出平均濃度或者通過分析整個循環(huán)的袋采樣而得。積分計算與采樣頻率有關，按標準要求采樣頻率需大于2 Hz，可通過設定較高的采樣頻率規(guī)避其對計算平均濃度的影響。分析儀的標定檢查同直采，是試驗有效性的基礎要求，對污染物濃度測試的影響可忽略。測試點在經過稀釋空氣均勻混合后，瞬時總稀釋排氣體積流量基本穩(wěn)定，因此測量的排氣組分濃度準確性不受發(fā)動機工況變化的影響。背景濃度校正所有相關污染物濃度，同理受發(fā)動機工況變化的影響較小。在計算med的過程中，循環(huán)時間t為固定值，僅因循環(huán)不同而不同，KV是CVS系統(tǒng)固有參數，不受其他參數影響，該CFV-CVS系統(tǒng)帶熱交換器，因此PP和T在循環(huán)過程中相對穩(wěn)定。由上述分析可知，雖然全流排放稀釋系統(tǒng)的氣態(tài)污染物質量排放量計算過程較直采測試系統(tǒng)相對復雜，涉及的參數較多，但理論上其受發(fā)動機工況變化和各相關參數的影響相對較小，僅可能因分析系統(tǒng)響應延遲時間設置而受影響。但無論WHSC還是WHTC循環(huán)，其開始和結束工況均是怠速，怠速排放對于重型車用發(fā)動機而言，各污染物的瞬時排放均較小，GB 17691—2018標準規(guī)定了系統(tǒng)的延遲時間最大不超過20 s，因稀釋通道的混合稀釋氣體的流量基本穩(wěn)定，即使系統(tǒng)實際延遲時間為20 s，且系統(tǒng)設置的時間偏移為0，其對污染物質量排放量結果的影響比例也應低于20/1 800，僅為1%左右。

2 試驗裝置及方案

2.1 試驗裝置

研究對象是一套同時具備氣態(tài)組分全流稀釋采樣和原始排氣直接采樣的發(fā)動機臺架，其主要技術參數見表1，試驗所用發(fā)動機主要參數見表2。

表1 臺架測試系統(tǒng)的主要技術參數

表2 發(fā)動機的主要技術參數

2.2 試驗方案

試驗主要研究發(fā)動機氣態(tài)污染物直采排放結果因采樣系統(tǒng)因素而帶來的影響，為靈活地布置直采測試點，并利用直采測量方式和全流稀釋測量方式同時測量氣態(tài)污染物排放，本試驗采用不帶后處理系統(tǒng)的發(fā)動機進行測試。排氣管長度可直接影響發(fā)動機排氣進入分析單元的時間，油耗儀后和空氣流量計后管路的長度將影響兩者的測量數據延遲。因此，按發(fā)動機適配車型的實際排氣管總長度，分別按最長和最短排氣管長度安裝測試發(fā)動機排氣管。直采測試點分別布置在排氣管的尾端位置，各排氣管長度狀態(tài)下，直采探頭距增壓器出口的距離分別為1.5 m和4.6 m。在不同的排氣管長度和不同的油耗儀后、空氣流量計后管路長度狀態(tài)下同時啟動全流稀釋測試系統(tǒng)和直采測試系統(tǒng)開展WHTC熱態(tài)試驗，試驗前均在標定工況運行發(fā)動機10 min以充分預熱發(fā)動機和采樣系統(tǒng)，同時保證試驗前的發(fā)動機邊界條件盡可能一致。預熱結束后立即開始試驗，在試驗前檢查測試系統(tǒng)保證測試系統(tǒng)無泄漏，試驗前后檢查分析儀等相關試驗條件，保證試驗的有效性。直采探頭和稀采探頭處的分析系統(tǒng)轉換時間采用標氣分別通入各采樣探頭測試而得(見表3)，測試臺架數據處理中分析儀的偏移時間按對應的轉換時間設定。圖1示出測試系統(tǒng)布置。

表3 測試系統(tǒng)轉換時間

圖1 測試系統(tǒng)布置

3 試驗結果與分析

3.1 不同排氣管長度下的測試結果

表4示出相同油耗儀后和空氣流量計后管路長度，不同排氣管長度下全流稀釋測試時WHTC試驗結果及相對均值的偏差，油耗儀后管路長度為2.5 m，空氣流量計后管路長度為1.5 m，全流稀釋測試時均采用稀釋通道連續(xù)采樣的結果。由表4可知，不同的排氣管長度下，全流稀釋測試時各組分的結果相對兩次測試結果均值的偏差均在1%以內，因此在全流稀釋采樣測試時，WHTC的結果相對穩(wěn)定，受排氣管長度變化的影響較小，與理論分析一致，因此動態(tài)試驗直采測試的影響因素分析將以全流稀釋測試的結果為參考。

表4 不同排氣管長度下稀采WHTC測試結果及偏差

表5和表6分別示出不同排氣管長度下，全流稀釋測試和直采測試的WHTC試驗結果以及直采相對全流稀釋采樣結果的偏差。

表5 排氣管長度1.5 m時WHTC測試結果及偏差

表6 排氣管長度4.6 m時WHTC測試結果及偏差

由表5和表6可知，在排氣管長度較短時，直采結果相對全流稀采結果均偏小，但相對偏差不顯著，均在3.00%以內，但是當排氣管長度增加后，直采結果相對全流稀采結果差異明顯增加，最大偏差達24.40%，由此可知，直采排放測試結果受排氣管長度變化的影響顯著。而切換標氣僅能對采樣探頭處的分析儀轉換時間進行測量，無法將增加的排氣管路造成的影響進行準確測試。不同的排氣管路長度下，發(fā)動機原始排氣在排氣管內的滯留時間不同，因此，滯留時間才是不同排氣管長度下數據偏移的關鍵影響因素。針對瞬態(tài)工況，發(fā)動機排氣流量隨工況變化，不是固定值，因此，發(fā)動機排氣在排氣管內的滯留時間也隨工況的變化而變化，想在整個動態(tài)循環(huán)中測試不同工況的排氣滯留時間，測量難度大，以測量得到的滯留時間去調整各工況點的數據偏移時間可行性也低。經分析可知，當排氣管較短時，雖然同樣存在滯留時間的影響，但其對排放結果的影響相對較小，而在排氣管路較短時，系統(tǒng)設置并沒有按工況以滯留時間對偏移量進行調整，僅設置了某固定值。因此，針對不同排氣管路長度可對時間偏移進行固定值調整。

WHTC熱態(tài)循環(huán)下，發(fā)動機的平均排氣流量為520 kg/h，平均排氣溫度為274 ℃，平均背壓為5 kPa。當發(fā)動機工況為1 050 r/min，550 N·m時，發(fā)動機的平均排氣流量、平均排氣溫度、平均背壓基本同WHTC循環(huán)相當。因發(fā)動機的CO2直采排放濃度可直觀反映發(fā)動機的負荷變化，相對其他污染物，其具備良好的工況變化一致性，所以采用突變工況的方式測量發(fā)動機負荷變化后CO2直采測試采樣的響應延遲，從而調整排氣管長度改變后各排氣污染物的偏移時間。排氣管長度為4.6 m，發(fā)動機在1 050 r/min，150 N·m工況以0.1 s的加速時間在測功機轉速/扭矩模式下變化至1 050 r/min，550 N·m工況。加速過程的扭矩和直采CO2排放體積分數變化情況見圖2，經測試，CO2直采濃度曲線較扭矩曲線變化延遲大約8.1 s，該延遲時間比采樣探頭處測得的轉換時間長約1.7 s。所有直采測試單元的時間偏移均在原設定值的基礎上延長1.7 s。改變時間偏移后的測試結果見表7。經測試，按本方案調整時間偏移后，可獲得較好的測試結果一致性。

圖2 加速過程扭矩和直采CO2排放

表7 排氣管長度4.6 m時改變時間偏移后測試結果及偏差WHTC

3.2 不同空氣流量計后管道長度下的測試結果

為比較排氣管長度和進氣管長度的影響，空氣流量計后管道長度分別設置為1.5 m和4.6 m，將直采測試結果分別與全流測試結果進行比較，試驗時排氣管長度保持1.5 m不變，油耗儀后管道保持2.5 m不變。表8示出兩種狀態(tài)下的直采測試結果相對全流測試的偏差。由表8可知，空氣流量計后管道的增加對直采測試結果有較明顯影響，進氣管道越長，其對直采結果的影響越大，但是進氣管道的影響不如排氣管道的影響顯著。因此在進行直采測試時，可盡量縮短空氣流量計后的進氣管道，減小該影響因素。

表8 不同空氣流量計后管道長度下WHTC直采測試結果偏差

3.3 不同油耗儀后管道長度下的測試結果偏差

分別設置油耗儀后管道長度為2.5 m和5.6 m，其管道增加量同排氣管道增加量一致，進氣管和排氣管長度均為1.5 m。表9示出兩種狀態(tài)下的直采測試結果相對全流測試的偏差。由表9可知，油耗儀后管道長度變化對測試結果無顯著影響，由于燃油屬于液體，其可壓縮性小，因此其測量延遲受管道長度的變化影響較小，該差異應當歸屬于測試系統(tǒng)誤差。

表9 不同油耗儀后管道長度下WHTC直采測試結果偏差

3.4 不同采樣頻率時的測試結果偏差

分別設置2 Hz和10 Hz的直采采樣頻率，其他試驗參數保持一致，同時進行直采測試和全流稀釋測試。表10示出兩種狀態(tài)下的直采測試結果相對全流測試結果的偏差。由表10可知，采樣頻率對測試結果有一定的影響，影響差異不顯著，當采樣頻率較低時，各污染物結果相對全流稀釋采樣結果偏差的散差變大，因此直采測試時，應盡量設置較高的采樣頻率以獲得更好的結果一致性。

表10 不同采樣頻率下WHTC直采測試結果偏差

4 結論

a) 動態(tài)試驗時，全流稀釋采樣測試結果受測試參數變化的影響較小;

b) 動態(tài)試驗時，直采測試排氣組分瞬時濃度與排氣質量流量按照轉換時間對齊與否是影響氣態(tài)污染物質量排放量準確性的關鍵因素;

c) 排氣管長度導致的發(fā)動機原始排氣在排氣管內的滯留時間變化是影響直采排氣組分瞬時濃度與排氣質量流量對齊與否的關鍵，該影響可通過測試CO2延遲予以修正;

d) 油耗儀后管道長度對直采測試結果基本無影響；空氣流量計后管道長度變化對測試結果的影響較小，可通過縮短管道長度以減小該影響;

e) 直采采樣頻率較低時，各污染物結果相對全流稀釋采樣結果偏差的散差會變大。