柴油機排放控制系統(tǒng)耐久性試驗前后排放特性分析

洪漢池，林勇明，黃丁智，穆勁松

(1.廈門理工學院機械工程系,福建廈門 361000；2.廈門大學物理與機電工程學院,福建廈門 361000；3.廈門環(huán)境保護機動車污染控制技術中心,福建廈門 361000)

為了降低柴油機的排氣污染物，國內外學者進行了廣泛的研究[1-4]。目前，達到國Ⅳ階段排放的柴油機大多數(shù)是在電控高壓噴射系統(tǒng)作為基礎的前提下，有兩大技術路線，即：廢氣再循環(huán)(EGR)路線[5]和催化還原后處理技術(SCR)路線。 一種是采用EGR降低機內NOx排放，通過顆粒氧化催化劑裝置(POC)降低攔截碳煙中的Soot部分，再利用氧化催化劑裝置(DOC)降低柴油機排氣中的CO，HC和顆粒物中部分可溶有機成分以及醛類物質[6-8];另一種是通過燃燒系統(tǒng)優(yōu)化、增壓中冷等技術改善柴油機的燃燒過程，降低顆粒物(PM)的排放，再利用SCR技術降低NOx排放[9-10]。

排氣污染物排放控制系統(tǒng)在有效壽命內能否都滿足要求，達到預期的實施效果，耐久性是關鍵[11-12]。歐州法規(guī)2005/55/EC和2005/78/EC規(guī)定了排氣污染控制系統(tǒng)試驗方法。美國CFR40—86規(guī)定中對美國2001年以后的重型汽車排氣污染物排放控制系統(tǒng)均提出了耐久性要求。日本國土交通省自動車交通局技術安全部對2005年后重型汽車排氣污染物排放控制系統(tǒng)均提出了耐久性要求。中國也于2007年發(fā)布了GB 20890—2007，規(guī)定了重型汽車排氣污染物排放控制系統(tǒng)耐久性要求及試驗方法[13]。本文根據(jù)GB 20890—2007和GB 17691—2005[14]的規(guī)定，以國Ⅳ柴油機為試驗對象，利用歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán)(ESC)及歐洲瞬態(tài)循環(huán)(ETC)試驗方法，研究了柴油機在排放控制系統(tǒng)耐久性試驗前后排氣污染物的排放特性。

1 試驗設備與方法

1.1 發(fā)動機

試驗用國Ⅳ柴油機裝有EGR，POC和DOC的排氣污染物排放控制系統(tǒng)，發(fā)動機技術參數(shù)如表1 所示。

1.2 試驗設備

發(fā)動機臺架試驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示, 該系統(tǒng)包括電力測功機、發(fā)動機、排放測量系統(tǒng)、自動測試系統(tǒng)和附加設備，可進行國家標準規(guī)定的ESC，ETC和耐久性試驗。使用AVL AMA i60排放測量系統(tǒng)對排放物進行分析，采用氫火焰離子檢測儀(FID)檢測碳氫化合物排放；采用不分光紅外線分

表1 發(fā)動機技術參數(shù)Tab.1 Engine specificions

析儀(NDIR)檢測碳氧化物排放；采用化學發(fā)光法(CLD)檢測氮氧化合物排放；顆粒物PM通過濾紙采用微克天平進行測量。

1-測功機；2-發(fā)動機；3-全流稀釋通道；4-排放測量系統(tǒng)；5-GEM301H自動控制系統(tǒng)；6-文丘里管；7-廢氣排放管道；8-顆粒采樣系統(tǒng)；9-稱量室及天平；10-測功機控制系統(tǒng)

1.3 試驗方法

1.3.1 耐久性試驗

按照GB 20890—2007《重型汽車排氣污染物排放控制系統(tǒng)耐久性要求及試驗方法》進行發(fā)動機臺架耐久性運行試驗。發(fā)動機臺架耐久性運行試驗一個循環(huán)5 h，換算為整車道路耐久性行駛里程數(shù)800 km，共包含27個工況,循環(huán)工況之間的轉換時間為(60±5)s,該轉換時間計入下一工況的運轉時間內。對于包括駕駛員座位在內，座位數(shù)超過九座，且最大設計總質量超過5 000 kg的載客車輛，即M3類車，其允許的最短試驗里程為80 000 km。圖2表示本次發(fā)動機臺架耐久性運行試驗一個實際循環(huán)工況。

圖2 耐久性試驗循環(huán)工況Fig.2 Operating condition of durability test

圖3 ESC試驗循環(huán)運行工況Fig.3 Operating condition of ESC

1.3.2 ESC與ETC試驗循環(huán)

依照GB 17691—2005 在發(fā)動機臺架耐久性試驗前后分別進行1次ESC試驗和ETC試驗。

ESC試驗包括13個穩(wěn)態(tài)的發(fā)動機工況點, 各工況點的加權系數(shù)分布比較均勻,以保證整車在大部分的運行工況的排放均得到控制[15]。圖3所示為ESC試驗循環(huán)實際運行情況。

ETC試驗循環(huán)實際運行工況如圖4所示。ETC試驗循環(huán)包括1 800個逐秒變化轉速和負荷的工況點，構成一個整體試驗循環(huán)并連續(xù)運行。ETC試驗模擬了城市街道、鄉(xiāng)間道路和高速公路3個不同路況發(fā)動機運行情況，所測得的污染物排放值變化情況更具有代表性。

圖4 ETC試驗循環(huán)運行工況Fig.4 Operating condition of ETC

2 試驗結果與分析

2.1 ESC試驗排放特性分析

圖5 CO濃度隨ESC試驗工況變化Fig.5 Emisson of CO under ETC

圖5—圖7分別列出了耐久性試驗前后,ESC試驗測得的氣態(tài)污染物CO，HC和NOx濃度隨發(fā)動機運行工況變化情況。

從圖5—圖7可看出，耐久性試驗前后，據(jù)ESC試驗測得的氣態(tài)污染物隨工況的變化趨勢基本一致；相同工況下，耐久性試驗后測得CO濃度低于耐久前所測得的濃度，其中出現(xiàn)部分CO的濃度為負值，說明CO的濃度值非常小，接近于零，在實際的計算過程中按零處理；NOx濃度變化極??；HC濃度略高于耐久前所測得的濃度。排氣污染物排放控制系統(tǒng)在經(jīng)過耐久性試驗后，其轉化效率和過濾效率仍然維持在很高的水平，并未出現(xiàn)明顯的下降現(xiàn)象。

圖6 HC濃度隨ESC試驗工況變化Fig.6 Emisson of HC under ESC

圖7 NOx濃度隨ESC試驗工況變化Fig.7 Emisson of NOx under ESC

2.2 ETC試驗排放特性分析

圖8—圖10分別列出了耐久性試驗前后，ETC試驗測得的氣態(tài)污染物隨發(fā)動機運行工況變化情況。

圖8 CO排放隨ETC試驗變化情況Fig.8 Emisson of CO under ETC

圖9 HC排放隨ETC試驗變化情況Fig.9 Emisson of HC under ESC

圖10 NOx排放隨ETC試驗變化情況Fig.10 Emisson of NOx under ETC

從圖8—圖10可看出，根據(jù)ETC試驗測得的氣態(tài)污染物濃度隨發(fā)動機運行工況的變化規(guī)律在耐久性試驗前后基本相同；耐久性試驗后CO和HC的濃度升高，NOx濃度變化很小;CO濃度的峰值出現(xiàn)在高速公路，HC濃度的峰值出現(xiàn)在鄉(xiāng)間道路，而NOx濃度的峰值出現(xiàn)在城市街道。

2.3 試驗結果

表2列出了排氣污染物排放控制系統(tǒng)耐久性試驗前后國IV柴油機排放結果。從表2可知，經(jīng)耐久性試驗后，排氣污染物排放控制裝置POC和DOC出現(xiàn)一定程度的劣化，排氣污染物的轉化效率有所下降，其在ETC試驗中表現(xiàn)得尤為明顯；CO，HC和PM排放，在ETC試驗分別增加了67%，508%和85%，而在ESC試驗其變化較??；柴油機的排氣污染物在耐久性試驗前后均能滿足國IV限值的要求，排氣污染物排放控制系統(tǒng)符合國標GB 20890—2007的要求。

表2 耐久性試驗前后柴油機排放結果Tab.2 Test results before and after durability test

3 結 論

1)耐久性試驗前后，氣體污染物排放隨發(fā)動機運行工況的變化趨勢基本一致。

2)在ETC試驗中，CO濃度峰值出現(xiàn)在高速公路，HC濃度峰值出現(xiàn)在鄉(xiāng)間道路，而NOx濃度峰值出現(xiàn)在城市街道。

3)在發(fā)動機臺架耐久性試驗后，柴油機仍能滿足國Ⅳ排放標準，排氣污染物排放控制系統(tǒng)中的POC和DOC出現(xiàn)一定程度的劣化，但仍能滿足國標GB 20890—2007的要求。

4)經(jīng)耐久性試驗后，NOx排放量變化極小，CO，HC和PM排放，在ETC試驗分別增加了67%，508%和85%，而在ESC試驗其變化較小。

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