機動車污染物排放測量結(jié)果穩(wěn)定性分析

溫 溢，楊正軍，田冬蓮，王建海，潘 朋，陳 弘

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

我國自從頒布排放法規(guī)以來，THC，CO，NOx一直是被嚴(yán)格控制的3種機動車排放污染物［1］。在污染物限值逐漸降低以及對排放測量結(jié)果精度更加重視的趨勢下，排放試驗室開始衡量污染物的測試值與真實值之間的差距。為了驗證試驗測量準(zhǔn)確度，國內(nèi)排放試驗室一般選取相同車輛進行比對排放試驗，試驗室自身也會選取車輛進行相同條件下的多次連續(xù)試驗。

影響機動車多次排放試驗結(jié)果發(fā)生變化的因素主要有兩方面：第一，機動車自身發(fā)動機和催化器等部件的重復(fù)性；第二，排放測試系統(tǒng)、試驗環(huán)境、試驗人員等外部因素。在目前的試驗室中，前者是車輛自身的穩(wěn)定性，而后者是試驗人員及其設(shè)備的穩(wěn)定性，應(yīng)該盡可能地將后者偏差降低到最小。

為了驗證車輛在試驗中多次排放的變化量，本研究對所有測試車輛均進行兩次排放測試來對比排放結(jié)果。在保證環(huán)境、設(shè)備、人員基本一致的條件下，分析機動車排放結(jié)果中THC，CO，NOx3種污染物在兩次排放測試中的變化量。這些數(shù)據(jù)能為檢測機構(gòu)、整車廠以及標(biāo)定公司進行排放試驗提供一定的參考依據(jù)。

1 試驗描述

1.1 試驗方法

排放試驗均按照GB 18352.3—2005中Ⅰ型試驗的方法，具體步驟為第1天試驗車預(yù)處理后在浸車區(qū)靜置大約18h，第2天進行1次正式排放試驗，試驗結(jié)束后當(dāng)天進行一遍預(yù)處理后繼續(xù)靜置在浸車區(qū)大約18h，第3天進行1次正式排放試驗。兩次正式試驗的車況，譬如油溫、水溫、電壓等都盡可能保持一致，試驗時的駕駛員、試驗環(huán)境、分析儀設(shè)置也保持相同，以便在最大程度上排除外界對污染物排放測量的影響。Ⅰ型排放試驗工況NEDC共分兩個階段（見圖1），分別為1部的ECE（市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)）和2部的EUDC（市郊運轉(zhuǎn)循環(huán)）［1］。

取樣方法：試驗通過CVS定容取樣系統(tǒng)對所選車輛的尾氣進行連續(xù)稀釋后用氣袋進行取樣，隨后將樣氣送入各自的分析儀，得到THC，CO，NOx等污染物的測量結(jié)果。

樣氣分析方法：在MEXA系統(tǒng)中，使用氫火焰離子化型分析儀測量THC；使用不分光紅外吸收型分析儀測量CO；用化學(xué)發(fā)光型分析儀測量NOx的濃度［3］。

結(jié)果計算方法：變化量用兩次試驗結(jié)果的相對偏差值來表示。假設(shè)第1次排放結(jié)果為M1，第2次為M2，把兩次結(jié)果的算術(shù)平均值M作為真實值：

那么兩次值相對偏差為

偏差值大說明兩次排放的變化量大，穩(wěn)定性差；偏差值小說明兩次排放的變化量小，穩(wěn)定性好。

1.2 試驗內(nèi)容

1）3種常規(guī)污染物變化量試驗

選取滿足國Ⅳ排放的30輛不同類型的試驗車，按照本研究的試驗方法進行兩次尾氣排放測試，得到每輛試驗車兩次試驗中THC，CO，NOx3種污染物的排放值，最后對測量結(jié)果進行相對偏差分析；另外，對其中車況較為穩(wěn)定的20輛試驗車，對比分析ECE和EUDC兩種工況下的排放變化量。

此外，30輛樣車中有9輛采用了缸內(nèi)直噴技術(shù)的汽油車和9輛采用進氣道噴射技術(shù)的汽油車，對這18輛樣車兩次排放試驗結(jié)果進行相對偏差分析，對比分析缸內(nèi)直噴汽油機與進氣道噴射汽油機污染物的變化。

2）催化器比對試驗

選取一輛柴油車，按照本研究的試驗方法，分別對安裝有氧化型催化器（DOC）以及直管（無DOC）各進行2次尾氣排放測試，對比兩種不同車況條件下車輛排放的變化，分析催化器對整車在排放試驗中穩(wěn)定性的影響。

1.3 試驗車輛及設(shè)備

本研究中第一項試驗使用了不同類型國Ⅳ排放試驗車共30輛，車況穩(wěn)定，涵蓋了目前主流的汽車類型，其中汽油車18輛（裝配缸內(nèi)直噴汽油機9輛，進氣道噴射汽油機9輛），柴油車12輛。第二項試驗中的樣車選取了2012年生產(chǎn)的柴油車，該車車況穩(wěn)定，試驗初始行駛里程為8 130km，其相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 樣車相關(guān)參數(shù)

測試系統(tǒng)主要包括MEXA－7400LE排氣分析系統(tǒng)、CVS－7400定容稀釋系統(tǒng)和 ECDM－48L－4WD底盤測功機。環(huán)境試驗倉在試驗中能將環(huán)境溫度偏差控制在±1°以內(nèi)，相對環(huán)境濕度控制在±5%以內(nèi)。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 NEDC工況排放測量結(jié)果變化

圖2示出30輛樣車連續(xù)兩次NEDC工況試驗THC，CO，NOx排放結(jié)果變化的統(tǒng)計量。整體上看，3種污染物變化量都較小，其中90%排放結(jié)果的相對偏差都在20%以下，50%以上排放結(jié)果的相對偏差都在10%以下。這說明目前國Ⅳ排放水平的車輛對排放變化的控制比較好，兩次排放試驗的結(jié)果大致相同，也表明試驗室稀釋取樣后進行污染物測試得到的結(jié)果比較可靠。

此外，從圖中可以看出，3種污染物中THC的變化量最小，兩次試驗的偏差均在10%以下，而CO和NOx的變化量相對要大一些，尤其是NOx，有兩次試驗結(jié)果的相對偏差大于30%。這主要是因為NOx的反應(yīng)機制最為復(fù)雜，對它的控制更困難。從3種污染物的平均相對偏差（見圖3）也可看出以上特點。

2.2 ECE和EUDC工況排放測量結(jié)果對比

圖4至圖6示出20輛樣車的3種污染物排放測量結(jié)果在ECE和EUDC兩種工況下，袋采取樣分析的相對偏差統(tǒng)計比對。從圖4和圖5中可以看出，THC和CO測量結(jié)果在EUDC階段的變化量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ECE階段，在EUDC階段，這兩種污染物的相對偏差有50%以上都超過了20%。圖6中，NOx測量結(jié)果在兩個階段的相對偏差相差不大。

圖7示出20輛樣車的3種污染物測量結(jié)果在ECE和EUDC兩種工況下的平均偏差。從圖中可以看出，THC，CO，NOx3種污染物在ECE工況下的平均偏差都小于EUDC工況下的偏差，并且THC和CO在EUDC工況下的平均相對偏差大約是ECE工況下的兩倍。

2.3 直噴汽油機與進氣道噴射汽油機的對比

缸內(nèi)直噴是指將高壓燃油直接注入燃燒室平順高效地燃燒［4］，該技術(shù)很大程度上降低了燃油消耗并提高了動力性，缸內(nèi)直噴汽油機已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于車輛中。本研究為考察缸內(nèi)直噴汽油機兩次排放的變化量，對比了9輛直噴汽油機樣車和9輛進氣道噴射汽油機樣車的THC，CO，NOx排放結(jié)果的變化。

圖8示出兩種車輛在NEDC工況下相對偏差值的對比。從圖中可以看出，缸內(nèi)直噴汽油機車輛THC排放結(jié)果的相對偏差較小，而進氣道噴射汽油機車輛的偏差值相對而言較大。

圖9中可以看到，直噴汽油機車輛的CO變化量要遠(yuǎn)小于進氣道噴射汽油機車輛，且大部分的偏差都在10%以下，而9輛進氣道噴射汽油機車輛中，5輛車的CO偏差都達到了20%。這說明缸內(nèi)直噴技術(shù)控制得更精準(zhǔn)。圖10中，兩種車輛的NOx排放結(jié)果差別沒有明顯規(guī)律。

圖11示出缸內(nèi)直噴汽油機車輛和進氣道噴射汽油機車輛污染物測量結(jié)果的平均偏差。由圖中可以看出，缸內(nèi)直噴汽油機車輛3種污染物測量結(jié)果的平均偏差都比進氣道噴射汽油機車輛的小。這說明缸內(nèi)直噴汽油機車輛排放結(jié)果的變化量要小于進氣道噴射汽油機車輛。

2.4 有無氧化催化器對比

機動車尾氣中的污染物是由于發(fā)動機缸內(nèi)燃燒不充分造成的。由于燃燒過程時間極短，可燃?xì)怏w得不到均勻混合，燃料氧化反應(yīng)不完全，甚至有未燃燒的燃料，這樣就造成了發(fā)動機產(chǎn)生THC和CO排放。另外，缸內(nèi)2 000℃以上的高溫極其容易將氮氣氧化產(chǎn)生NOx。為了降低污染物排放值，大多數(shù)機動車都裝配了催化器，通過氧化和還原反應(yīng)降低污染物的排放量［2］。

表2示出樣車安裝DOC和不安裝DOC兩種條件下分別進行排放試驗的結(jié)果。由表2可以看出，安裝DOC后，車輛THC和CO的排放量大大降低了，這說明催化器對污染物的控制起到很大作用［5］。

表2 有無DOC排放結(jié)果對比

圖12示出樣車安裝氧化催化器和不安裝氧化催化器兩種情況下的排放變化量對比。從圖中可以明顯看出，THC和CO的測量結(jié)果在對比試驗中的變化很大，車輛安裝了DOC后的排放變化量遠(yuǎn)大于沒有安裝DOC的排放變化量。由于催化器在每次試驗中開始工作的時間，以及工作后內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的程度存在不一致，所以安裝DOC后出現(xiàn)了偏差增大的情況。DOC對NOx測量結(jié)果影響不大。

3 結(jié)論及建議

a）NEDC工況下3種常規(guī)污染物排放結(jié)果中，THC的穩(wěn)定性最好，變化量最小，平均相對偏差為7.1%，而CO和NOx的變化量相對較大，其中NOx的變化量最大，相對偏差為11.4%；

b）3種污染物測量結(jié)果在ECE工況下的變化量比在EUDC工況下的要小，其中THC和CO表現(xiàn)得更為明顯，兩種工況下的偏差值相差約2倍；

c）3種污染物測量結(jié)果在缸內(nèi)直噴汽油機車輛中的穩(wěn)定性比進氣道噴射汽油機車輛中的穩(wěn)定性好，尤其是CO的變化量最為明顯，表明直噴技術(shù)對缸內(nèi)燃燒控制得更精準(zhǔn)，更穩(wěn)定；

d）氧化催化器能很大程度降低THC和CO排放，但同時也使得這兩種污染物排放結(jié)果的穩(wěn)定性變差；

e）國Ⅳ排放水平車輛在試驗中的污染物測量偏差大多在10%以內(nèi)，但NOx的偏差最大可達到30%以上，對于研發(fā)性質(zhì)試驗，建議進行多次測量；

f）為了提高排放試驗測量穩(wěn)定性，建議嚴(yán)格控制正式試驗前車輛的機油溫度和電壓，并保證固定的有經(jīng)驗的駕駛員進行試驗。

［1］ 中國汽車技術(shù)研究中心，北京汽車研究所，中國兵器裝備集團公司.GB 18352.3—2005 輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）［S］.北京：國家環(huán)境保護總局，2007.

［2］ 周 松，肖友洪，朱元清.內(nèi)燃機排放與污染控制［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010：7－9.

［3］ 黃海燕.汽車發(fā)動機試驗學(xué)教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009：56－59.

［4］ 李長灝.淺談汽油機缸內(nèi)直噴技術(shù)［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2012（8）：62.

［5］ 廖世勇，蔣德明.柴油機排氣后處理技術(shù)的研究進展及存在的問題［J］.內(nèi)燃機，2002（3）：1－5.