有關(guān)國(guó)Ⅳ重型車用柴油機(jī)排放測(cè)試的討論

劉偉 孟昭智

摘 要：中國(guó)大陸的國(guó)Ⅳ柴油機(jī)已處于起步階段。未雨綢繆，予先對(duì)國(guó)Ⅳ柴油機(jī)排放測(cè)試中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，梳理思考，提出對(duì)策，無(wú)疑會(huì)對(duì)行將面臨和必須解決的課題帶來(lái)裨益?，F(xiàn)僅就可以予見的與國(guó)Ⅳ排放測(cè)試有關(guān)問(wèn)題討論如下。

關(guān)鍵詞：Ⅳ柴油機(jī)；排放測(cè)試；控制裝置

1.排放控制裝置的耐久試驗(yàn)

從國(guó)Ⅳ開始，另行增加了針對(duì)柴油機(jī)排放控制裝置（SCR、EGR+DPF）的耐久考核。試驗(yàn)可在試驗(yàn)臺(tái)架上完成，也可用汽車道路試驗(yàn)或?qū)嶋H使用里程數(shù)替代。

若在臺(tái)架上耐久，需經(jīng)歷600-800小時(shí)循環(huán)工況考核，每循環(huán)由27個(gè)工況，歷時(shí)5小時(shí)組成。

2.車載診斷系統(tǒng)OBD的模擬試驗(yàn)

歐盟于2005年10月1日開始在重型汽車上安裝OBD-Ⅰ診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)儲(chǔ)存了大量柴油機(jī)排放控制元件的故障代碼。一旦某些元件出現(xiàn)故障，導(dǎo)致排放控制能力下降時(shí)，傳感器和診斷程序?qū)⒃撛墓收洗a讀出，進(jìn)而提示駕駛員，需按指示的故障部位和性質(zhì)予以處理。

歐盟已于2008年10月1日在歐Ⅴ車上安裝了具有排放監(jiān)測(cè)功能的OBD-Ⅱ。我國(guó)國(guó)Ⅳ重型車上，也會(huì)隨勢(shì)而上。

由于OBD與柴油機(jī)排放控制系統(tǒng)（包括電控燃油系統(tǒng)）有不可分割的聯(lián)系，它們之間的匹配試驗(yàn)將由主機(jī)廠完成。OBD匹配試驗(yàn)即模擬試驗(yàn)，是有意識(shí)將故障元件（另件）裝在柴油機(jī)上，按縮短時(shí)間的ESC循環(huán)（每工況1分鐘），完成3-9循環(huán)，檢查故障碼的讀出狀態(tài)。

3.燃料柴油品質(zhì)的升級(jí)

車用柴油機(jī)要達(dá)到國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)，除采取機(jī)內(nèi)外措施外，還有一個(gè)重要的前提，即燃料柴油品質(zhì)必須升級(jí)，滿足國(guó)Ⅳ柴油機(jī)對(duì)油品的特殊要求，否則國(guó)Ⅳ柴油機(jī)就會(huì)成為無(wú)本之木，無(wú)源之水。

國(guó)Ⅳ柴油要有髙十六烷值，低芳香烴含量，低密度和極低的含硫量。歐盟2005年開始，要求柴油中含硫量小于50ppm（質(zhì)量比，下同），美國(guó)2006年六月一日前，含硫量小于160ppm，之后含硫量小于15ppm。我國(guó)國(guó)Ⅲ柴油含硫限值小于350ppm。

按我國(guó)國(guó)情，日后國(guó)Ⅲ、國(guó)Ⅳ柴油機(jī)將會(huì)共存若干年，因此，兩種品級(jí)的柴油，從生產(chǎn)到使用的各個(gè)環(huán)節(jié)，都要嚴(yán)格分開，否則會(huì)給國(guó)Ⅳ柴油機(jī)帶來(lái)災(zāi)難性后果。

相比較而言，采用SCR的柴油機(jī)對(duì)油品含硫量的要求要比EGR低得多，有專家予言，滿足EⅢ排放的柴油可用在國(guó)Ⅳ柴油機(jī)上（SCR）。

4.提髙電力測(cè)功系統(tǒng)瞬態(tài)控制精度，確保ETC循環(huán)功接近或超過(guò)設(shè)定值

在試驗(yàn)臺(tái)架控制系統(tǒng)中，柴油機(jī)供油量的改變（油門位置改變），電力測(cè)功激磁電流的變化（測(cè)功機(jī)負(fù)載變化），都能分別改變柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出扭矩，形成相互關(guān)聯(lián)，互為因果的雙閉環(huán)控制體系。另外，又因柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)，其油量、轉(zhuǎn)速和扭矩三者之問(wèn)呈非線性變化關(guān)系，變化斜率及正負(fù)因不同的運(yùn)行區(qū)間而不同。因此柴油機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)架上按ETC工況運(yùn)行，是一個(gè)程序步驟繁多，邏輯關(guān)系復(fù)雜，各種條件相互關(guān)聯(lián)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。盡管采取了各種先進(jìn)的控制理論和方法， ETC試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果仍有些不盡人意。

某國(guó)外著名公司的電力測(cè)功試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行ETC的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在1800個(gè)工況點(diǎn)中，有80%以上的轉(zhuǎn)速，50%以上的扭矩和60%以上功率點(diǎn)，實(shí)測(cè)值小于設(shè)定值，完全符合設(shè)定值的幾乎沒有。有許多工況點(diǎn)的實(shí)際扭矩偏離設(shè)定值幾倍甚至十幾倍，其結(jié)果是整個(gè)循環(huán)的循環(huán)功（KWh）低于理論計(jì)算值（設(shè)定值）。GB17691-2005標(biāo)準(zhǔn)允許低于計(jì)算值的15%，這種寬松的限值，實(shí)質(zhì)上是對(duì)電力測(cè)功臺(tái)位動(dòng)態(tài)控制品質(zhì)不良的默認(rèn)。但對(duì)于主機(jī)制造商而言，是極為不利的。有可能會(huì)出現(xiàn)這種情況，排放原本合格的柴油機(jī)，僅因?yàn)樵囼?yàn)臺(tái)架控制品質(zhì)較差，實(shí)際循環(huán)功降低，導(dǎo)致比排放超限而被判為不合格；或因電測(cè)功試驗(yàn)臺(tái)型號(hào)不同，得出不同的循環(huán)功和比排放。因此，在試驗(yàn)中，我們要努力使實(shí)際循環(huán)功接近甚超過(guò)（允許超5%）理論計(jì)算值。

5.提高分析儀系統(tǒng)測(cè)試精度

目前國(guó)內(nèi)使用的排放分析儀系統(tǒng)絕大多數(shù)為日本HORIBA公司和奧地利AVL公司產(chǎn)品。從一般意義上看，它們都可以滿足國(guó)Ⅳ柴油機(jī)排放測(cè)量要求。但細(xì)究起來(lái)，還有許多工作要做。

5.1.整定分析儀測(cè)量精度和分辨率

以NOX污染物為例，國(guó)Ⅳ柴油機(jī)NOX排放限值比國(guó)Ⅲ收緊1/3，由5g/kwh減至3.5g/kwh，各工況點(diǎn)原始排氣NOX濃度會(huì)大幅度降低。顯然，我們只能選用分析儀的小量程測(cè)量。

按標(biāo)準(zhǔn)，分析儀的最佳工作量程應(yīng)保證被測(cè)濃度在量程的15%-100%區(qū)間內(nèi)。低于100ppm濃度者，其誤差≤4ppm。在低于15%量程的范圍內(nèi)，若要用來(lái)計(jì)量，則至少標(biāo)定包括零點(diǎn)在內(nèi)的5個(gè)點(diǎn)濃度，用最小二乘法回歸擬合，其擬合計(jì)算值與標(biāo)定值之差應(yīng)在標(biāo)定值的±4%以內(nèi)，零點(diǎn)在±1%FS以內(nèi)。建議用4、20、40、80Pppm的NO標(biāo)準(zhǔn)氣標(biāo)定分析儀100ppm量程，目前國(guó)內(nèi)可提供3-5ppm級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)氣。

5.2.添置新分析儀

5.2.1.對(duì)裝備EGR的國(guó)Ⅳ柴油機(jī)，為測(cè)定EGR率（進(jìn)氣中CO2所占比例），可用小量程（0-5%）不分光紅外分析儀，其采樣管、過(guò)濾器、采樣泵、樣氣冷卻器等自成系統(tǒng)。

5.2.2.對(duì)裝備SCR的國(guó)Ⅳ柴油機(jī)，在臺(tái)架上試驗(yàn)時(shí)，目前國(guó)內(nèi)大多采用量子激光紅外光譜原理，精確測(cè)量SCR下游廢氣中殘存的NH3濃度。

5.3.調(diào)整顆粒測(cè)量運(yùn)行參數(shù)

國(guó)Ⅳ柴油機(jī)顆粒排放限值為0.02g/kwh，僅為國(guó)Ⅲ柴油機(jī)的1/5，因廢氣中顆粒大幅減少，完全有可能一次試驗(yàn)循環(huán)后，濾紙荷重小于1.3mg。此時(shí)，應(yīng)按原試驗(yàn)條件和原工況，再進(jìn)行一次試驗(yàn)循環(huán)，取其荷重平均值。若要避免重復(fù)試驗(yàn)，事前要根據(jù)成熟的經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整CVS系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，諸如減小一級(jí)稀釋風(fēng)道的定容流量，稀釋空氣溫度降至20℃，甚至更低（美國(guó)EPA-2007重型柴油機(jī)排放法規(guī)定15℃）。除盡可能降低一級(jí)稀釋風(fēng)道的定容流量外（保證二級(jí)稀釋進(jìn)口處溫度小于191℃）。也可加大二級(jí)風(fēng)道流量（濾紙迎風(fēng)風(fēng)速要小于80cm/s，保證濾紙?zhí)帨囟刃∮?2℃）等等。

順便指出，若引用美國(guó)EPA-2007重型柴油機(jī)排放法規(guī)，在濾紙上游增設(shè)一個(gè)離心式顆粒予分器Cyclone，將稀釋樣氣中大于2.5μm的顆粒除掉50%以上，1μm以下的被濾紙吸附99%。屆時(shí)濾紙的荷重就會(huì)更少了。

6.ETC試驗(yàn)工況參數(shù)的回歸處理

為判定ETC試驗(yàn)工況的有效性，要對(duì)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速、扭矩、功率數(shù)值與其設(shè)定值之間，用最小二乘法按線性方程進(jìn)行回歸分析。其方程Y=b+mX即是對(duì)應(yīng)設(shè)定值X的計(jì)算方程，計(jì)算值Y是實(shí)測(cè)值的平均值。

為控制ETC試驗(yàn)工況的精確性，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了斜率m，截距b和相關(guān)系數(shù)r2的限值。同時(shí)對(duì)回歸方程本身的精度予以評(píng)估，計(jì)算實(shí)測(cè)值偏離方程計(jì)算值（平均值）的標(biāo)準(zhǔn)偏差S（標(biāo)準(zhǔn)條文中為SE）。該標(biāo)準(zhǔn)偏差即是實(shí)測(cè)值的波動(dòng)范圍。根據(jù)誤差理論，實(shí)測(cè)值在y±2s范圍內(nèi)的概率是95%以上，在y±s范圍內(nèi)的概率是54%。

轉(zhuǎn)速，扭矩，功率回歸處理時(shí)，可將不參與回歸的工況點(diǎn)了刪除，刪除的條件如下：

⑴ 轉(zhuǎn)速：在怠速工況點(diǎn)，若實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速大于設(shè)定值，則該點(diǎn)刪除。

⑵ 扭矩、功率：

① 倒拖工況點(diǎn)全部刪除，有正扭矩也不例外。

② 被刪除的怠速工況，即使帶負(fù)載也予以刪除。

③全負(fù)荷點(diǎn)，若實(shí)測(cè)值小于設(shè)定值，則該點(diǎn)刪除。

④ 空車工況，若實(shí)測(cè)扭矩不為零（無(wú)論正負(fù)），則該點(diǎn)刪除。

⑤ 其他工況，若實(shí)測(cè)扭矩為負(fù)值，則該點(diǎn)刪除。

交流電測(cè)功試驗(yàn)臺(tái)最終給出回歸結(jié)果并判定合格與否。