发动机气态排放检测系统的研究与开发

2018-07-05 02:36
汽车与新动力 2018年3期
关键词:热管分析仪气体

(上汽集团商用车技术中心,上海 200438)

1 研究开发发动机气态排放检测系统的必要性

研究开发发动机气态排放检测系统的必要性综合起来主要有两点:一是由于发动机排放法规日益严格,发动机开发过程中对发动机排放量的测量需要大大增加;二是目前我国排放设备严重依赖欧洲、日本等地的产品,成本过高。

近几年来我国的汽车保有量增长迅速 ,其中私家车的比例逐年上升 ,尤其在北京、上海等特大城市中这种现象更为明显。随着汽车保有量的增加 ,一系列问题也随之而来。其中比较严重的就是机动车排放物造成的大气污染,并引起了很多全球性的环境问题[1], 治理汽车尾气排放污染的问题刻不容缓。

2017年汽车最新的国六排放标准已经发布,非道路第三及第四阶段标准也已发布。在排放标准中规定了排放测试规程及测试方法。

用于排放测量的系统开发在国内相对薄弱,目前在用的排放测量仪主要是奥地利AVL公司和日本HORIBA公司的产品。无论是国家检测机构、还是研究机构、汽车制造公司、发动机制造公司都是如此。本文所开发的检测系统完全可以替代国外产品,用于发动机排放量的检测。

2 排放检测系统的组成及原理

对于发动机气态排放物来说,主要检测氮氧化物(NOx)、碳氢化合物(HC)、CO、CO2、O2共5种气体。测方式方法在标准中已有规定。本文采用德国ABB公司生产的排放成套检测系统。其中NOx采用紫外线方法测量,HC采用氢火焰离子法测量,CO和CO2采用红外线方法测量,O2采用顺磁法测量。检测系统见图1。

图1 气体排放测量系统图

图1中说明,发动机气体排放检测系统分为3个部分,第一部分是机旁采样部分,放置在发动机排气管附近,用于在发动机上采集测量的样气,并对样气进行加热过滤。采样探头后部分采用高温伴热管与采样箱相连。第二部分是样气处理部分,放在设备机箱中,接收机旁采样部分送来的样气。样气在这里被分成3份,一份采用气泵通过190 ℃伴热管输出用于测量NOx(输送线L31-L31),一份采用气泵通过190伴热管输出用于测量总碳氢化合物(THC)(输送线L32-L32),还有一部分用气泵通过制冷除水后用于测量CO及CO2(输送线L33-L33)。第三部分包括NOx、CO、HC等气体排放测量部分。采用化学发光法测量NOx(可以分别测量NO2及NO,也可测量NOx),选用法国Environnement S.A公司TOPAZE 32M产品;采用氢火焰离子法测量THC(选用德国ABB公司AA02020FIDAS24系列产品);采用红外线法测量CO/CO2(选用德国ABBAA02020 Uras 26系列产品);采用顺磁法测量O2(选用德国ABBAA02020 Magnos206系列产品)。

2.1 机旁采样部分

机旁采样部分主要包括按标准制作的采样探头、高温过滤器、过滤器中带加热。保证采样气温度一直保持在190 ℃。同时,由于过滤器直接接触发动机排气,需要经常清洗,所以系统中设计了压缩空气吹扫管线。机旁采样系统的原理图见图2。

图2 机旁采样系统的原理图

2.2 样气处理部分

样气处理部分主要包括3个空气压缩机,恒温控制箱(190 ℃)和样气制冷系统,分别为3个排放分析仪提供样气。整个样气处理室采用加热保温箱,温度控制在190 ℃。图3为样气处理系统。

图3 样气处理系统

图中压缩机1提供NOx测量用样气,全程带伴热管,控制在190 ℃;压缩机2提供THC测量用样气,全程带伴热管,控制在190 ℃;压缩机3提供CO/CO2测量用样气,需要先进行制冷除湿,带保温输出。

2.3 气体排放测量部分

气体排放测量采用了国际上先进的排放测量仪表,主要是德国ABB公司和法国Environnement S.A公司的产品。测量方法完全满足国五及国六排放标准(图4)。

图4 气体排放测量系统

气体排放测量系统中除了检测样气的浓度的管路外,还有各测量仪表的标定气体管路。在本系统中各种仪表量程选择见表1。

表1 各分析仪的原理及测量范围

3 测量结果的比较

本文选用了目前在国内大量采用的AVL排放仪,并与与本文所研制的排放检测系统进行了对比分析。选用于国内主流柴油机生产企业生产的发动机,并在企业技术中心试验室进行了对比研究。测量采用直采系统。测量结果见表2,表3和表4。

表2 量距气标定结果

表3 稳压测量结果比较(工况1)

表4 稳压测量结果比较(工况2)

4 结论

通过以上设计及测量结果比对,得出以下结论:

(1) 本文所设计制作的发动机气体排放分析仪包括了主要的5组份气体测量,符合最新的法规要求。

(2) 本文所设计制作的发动机气体排放分析仪所采用的分析原理满足排放法规要求。

(3) 测量数据与市场普遍认可的AVL排放比对,偏差较小,满足使用要求。

参 考 文 献

[1]车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法_中国Ⅲ、Ⅳ、V阶段[S]. GB 17691—2005.

[2]梁桂森,顾宏中.直喷式柴油机有害排放量智能化控制技术[J]. 车用发动机, 1997(2):49-53.

[3]梁和平,梁桂森.车用发动机尾气排放遥测分析仪研究[J]. 柴油机, 2001(6):27-29.

[4]丁家松,梁桂森,顾雪群等. 便携式发动机排气分析仪的研制[J]. 内燃机工程, 2001 ,22(2):27-30.

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