柴油机排放控制系统耐久性试验前后排放特性分析

洪汉池，林勇明，黄丁智，穆劲松

(1.厦门理工学院机械工程系,福建厦门 361000；2.厦门大学物理与机电工程学院,福建厦门 361000；3.厦门环境保护机动车污染控制技术中心,福建厦门 361000)

为了降低柴油机的排气污染物，国内外学者进行了广泛的研究[1-4]。目前，达到国Ⅳ阶段排放的柴油机大多数是在电控高压喷射系统作为基础的前提下，有两大技术路线，即：废气再循环(EGR)路线[5]和催化还原后处理技术(SCR)路线。 一种是采用EGR降低机内NOx排放，通过颗粒氧化催化剂装置(POC)降低拦截碳烟中的Soot部分，再利用氧化催化剂装置(DOC)降低柴油机排气中的CO，HC和颗粒物中部分可溶有机成分以及醛类物质[6-8];另一种是通过燃烧系统优化、增压中冷等技术改善柴油机的燃烧过程，降低颗粒物(PM)的排放，再利用SCR技术降低NOx排放[9-10]。

排气污染物排放控制系统在有效寿命内能否都满足要求，达到预期的实施效果，耐久性是关键[11-12]。欧州法规2005/55/EC和2005/78/EC规定了排气污染控制系统试验方法。美国CFR40—86规定中对美国2001年以后的重型汽车排气污染物排放控制系统均提出了耐久性要求。日本国土交通省自动车交通局技术安全部对2005年后重型汽车排气污染物排放控制系统均提出了耐久性要求。中国也于2007年发布了GB 20890—2007，规定了重型汽车排气污染物排放控制系统耐久性要求及试验方法[13]。本文根据GB 20890—2007和GB 17691—2005[14]的规定，以国Ⅳ柴油机为试验对象，利用欧洲稳态循环(ESC)及欧洲瞬态循环(ETC)试验方法，研究了柴油机在排放控制系统耐久性试验前后排气污染物的排放特性。

1 试验设备与方法

1.1 发动机

试验用国Ⅳ柴油机装有EGR，POC和DOC的排气污染物排放控制系统，发动机技术参数如表1 所示。

1.2 试验设备

发动机台架试验系统示意图如图1所示, 该系统包括电力测功机、发动机、排放测量系统、自动测试系统和附加设备，可进行国家标准规定的ESC，ETC和耐久性试验。使用AVL AMA i60排放测量系统对排放物进行分析，采用氢火焰离子检测仪(FID)检测碳氢化合物排放；采用不分光红外线分

表1 发动机技术参数Tab.1 Engine specificions

析仪(NDIR)检测碳氧化物排放；采用化学发光法(CLD)检测氮氧化合物排放；颗粒物PM通过滤纸采用微克天平进行测量。

1-测功机；2-发动机；3-全流稀释通道；4-排放测量系统；5-GEM301H自动控制系统；6-文丘里管；7-废气排放管道；8-颗粒采样系统；9-称量室及天平；10-测功机控制系统

1.3 试验方法

1.3.1 耐久性试验

按照GB 20890—2007《重型汽车排气污染物排放控制系统耐久性要求及试验方法》进行发动机台架耐久性运行试验。发动机台架耐久性运行试验一个循环5 h，换算为整车道路耐久性行驶里程数800 km，共包含27个工况,循环工况之间的转换时间为(60±5)s,该转换时间计入下一工况的运转时间内。对于包括驾驶员座位在内，座位数超过九座，且最大设计总质量超过5 000 kg的载客车辆，即M3类车，其允许的最短试验里程为80 000 km。图2表示本次发动机台架耐久性运行试验一个实际循环工况。

图2 耐久性试验循环工况Fig.2 Operating condition of durability test

图3 ESC试验循环运行工况Fig.3 Operating condition of ESC

1.3.2 ESC与ETC试验循环

依照GB 17691—2005 在发动机台架耐久性试验前后分别进行1次ESC试验和ETC试验。

ESC试验包括13个稳态的发动机工况点, 各工况点的加权系数分布比较均匀,以保证整车在大部分的运行工况的排放均得到控制[15]。图3所示为ESC试验循环实际运行情况。

ETC试验循环实际运行工况如图4所示。ETC试验循环包括1 800个逐秒变化转速和负荷的工况点，构成一个整体试验循环并连续运行。ETC试验模拟了城市街道、乡间道路和高速公路3个不同路况发动机运行情况，所测得的污染物排放值变化情况更具有代表性。

图4 ETC试验循环运行工况Fig.4 Operating condition of ETC

2 试验结果与分析

2.1 ESC试验排放特性分析

图5 CO浓度随ESC试验工况变化Fig.5 Emisson of CO under ETC

图5—图7分别列出了耐久性试验前后,ESC试验测得的气态污染物CO，HC和NOx浓度随发动机运行工况变化情况。

从图5—图7可看出，耐久性试验前后，据ESC试验测得的气态污染物随工况的变化趋势基本一致；相同工况下，耐久性试验后测得CO浓度低于耐久前所测得的浓度，其中出现部分CO的浓度为负值，说明CO的浓度值非常小，接近于零，在实际的计算过程中按零处理；NOx浓度变化极小；HC浓度略高于耐久前所测得的浓度。排气污染物排放控制系统在经过耐久性试验后，其转化效率和过滤效率仍然维持在很高的水平，并未出现明显的下降现象。

图6 HC浓度随ESC试验工况变化Fig.6 Emisson of HC under ESC

图7 NOx浓度随ESC试验工况变化Fig.7 Emisson of NOx under ESC

2.2 ETC试验排放特性分析

图8—图10分别列出了耐久性试验前后，ETC试验测得的气态污染物随发动机运行工况变化情况。

图8 CO排放随ETC试验变化情况Fig.8 Emisson of CO under ETC

图9 HC排放随ETC试验变化情况Fig.9 Emisson of HC under ESC

图10 NOx排放随ETC试验变化情况Fig.10 Emisson of NOx under ETC

从图8—图10可看出，根据ETC试验测得的气态污染物浓度随发动机运行工况的变化规律在耐久性试验前后基本相同；耐久性试验后CO和HC的浓度升高，NOx浓度变化很小;CO浓度的峰值出现在高速公路，HC浓度的峰值出现在乡间道路，而NOx浓度的峰值出现在城市街道。

2.3 试验结果

表2列出了排气污染物排放控制系统耐久性试验前后国IV柴油机排放结果。从表2可知，经耐久性试验后，排气污染物排放控制装置POC和DOC出现一定程度的劣化，排气污染物的转化效率有所下降，其在ETC试验中表现得尤为明显；CO，HC和PM排放，在ETC试验分别增加了67%，508%和85%，而在ESC试验其变化较小；柴油机的排气污染物在耐久性试验前后均能满足国IV限值的要求，排气污染物排放控制系统符合国标GB 20890—2007的要求。

表2 耐久性试验前后柴油机排放结果Tab.2 Test results before and after durability test

3 结 论

1)耐久性试验前后，气体污染物排放随发动机运行工况的变化趋势基本一致。

2)在ETC试验中，CO浓度峰值出现在高速公路，HC浓度峰值出现在乡间道路，而NOx浓度峰值出现在城市街道。

3)在发动机台架耐久性试验后，柴油机仍能满足国Ⅳ排放标准，排气污染物排放控制系统中的POC和DOC出现一定程度的劣化，但仍能满足国标GB 20890—2007的要求。

4)经耐久性试验后，NOx排放量变化极小，CO，HC和PM排放，在ETC试验分别增加了67%，508%和85%，而在ESC试验其变化较小。

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