发动机动态试验直采测试影响因素研究

田茂军,黄德军,徐辉,唐卜,张谦益,邓力

(中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122)

随着排放法规的不断加严，我国重型车辆国Ⅵ排放测试标准紧跟欧Ⅵ标准步伐，不仅在国Ⅳ、国Ⅴ基础上增加了PEMS整车实际道路测试，也将瞬态ETC排放测试循环转变为转速和负荷区域更低的WHTC循环，将稳态ESC循环转变为WHSC循环，同时将稳态循环的气态污染物的测试要求由每工况最后30 s的平均浓度[1]转变为在整个试验循环过程中测定气态污染物的浓度[2]，并将ESC控制区NOx抽检，转变为WNTE循环对CO、THC、NOx、PM的测试。由此可知，重型车用发动机排放标准的升级，是将以往的稳态工况单点测试加权计算，转变为全过程动态测试。GB 17691—2018中描述了两种功能同等的测量系统：1)气体组分采用从原始排气中直接采样测量，颗粒物用部分流稀释系统测量；2)气体组分及颗粒物采用全流稀释系统测量。虽然标准允许两种系统任意组合[2]，但标准同时规定了型式检验时需采用全流稀释测试系统[2]。部分流排放测试系统是将发动机排气直接采样通入分析仪，并将所测的浓度曲线与排气流量曲线对时间进行积分。这种测量方法的优点是测量直接简单，系统价格便宜，但同样存在一定的缺陷[3]。现有文献对汽车尾气排放全流测试系统和部分流测试系统已有相关研究：王凤滨，尹超等[4-9]研究了发动机相关工作参数对排放的影响以及全流、部分流测试系统对排放结果的影响；汤碧华[3]分析了全流稀释法排放测量和直采排放测量的优缺点，以及相应的系统设备构成；倪计民，林建华等[10-11]分析了动态排放测试的影响因素，利用直采取样及定容稀释取样建立的系统效应物理修正模型对发动机排放测试系统的响应进行物理修正，使直采取样系统具备基本的动态排放测试的功能；刘永进[12]针对气体输送和分析带来的延迟对实际测量值的影响进行了分析。从以上文献可知，关于发动机动态循环排放测试已经开展了一些研究，但主要是针对发动机试验边界参数和测试系统参数对排放的影响，针对直采排放测试系统对发动机动态循环测试结果影响的相关研究较少。

基于以上因素，本研究采用一台高压共轨的重型柴油机，在同时具备气态组分全流稀释采样和原始排气直接采样的发动机台架上进行试验，重点研究发动机气态污染物直采排放结果因采样系统设置因素而带来的影响。

1 排放测试结果影响因素的理论分析

1.1 直采测试系统影响因素分析

GB 17691—2018第CA.5.2.3条定义了直采排放测试系统气态污染物质量排放量(mgas)的计算公式：

(1)

式中：ugas为排气组分密度和排气密度比；cgas,i为排气组分的瞬时浓度；qmew,i为瞬时排气质量流量；f为采样频率；n为测量次数。

按本实验室实际情况，瞬时排气质量流量应用进气质量流量和燃料质量流量间接计算而得：

qmew,i=qmaw,i+qmf,i。

(2)

式中：qmaw,i为瞬时进气质量流量；qmf,i为瞬时燃料质量流量。

由式(1)和式(2)可知，直采排放测试系统气态污染物质量排放量与ugas，cgas,i，f，n，qmaw,i，qmf,i相关，GB 17691—2018标准要求排放相关数据所记录的排气组分瞬时浓度及排气质量流量应按照转换时间对齐。ugas可按标准固定值进行应用，其对排放结果的影响与测量方式无关；cgas,i由分析仪直接测量而得，该值的准确性与采样位置的样气混合均匀性、采样流量稳定性以及分析仪的标定检查相关。分析仪的标定检查合格性是判定试验有效性的基础要求，采样流量通过系统设定固定采样流量，通过采样泵抽取而来，其受发动机工况的影响较小，因此仅有采样位置的样气混合均可能影响cgas,i的准确性。对于增压中冷发动机，发动机原始排气在经过增压器时，增压器叶轮对发动机原始排气具有扰流作用，导致增压器后的排气处于紊流状态，同时在增压器后端足够距离测试，其样气混合均匀性应可以得到保障。采样次数n取决于采样频率f，因此采样频率直接影响采样结果的计算。按标准要求采样频率需大于2 Hz，一般可将采样频率设置为较高的值，从而规避因采样频率过低造成的影响。qmaw,i,qmf,i分别由空气流量计和油耗仪直接测量，相关设备每年均应通过计量校准，其准确性可得到保障。各分析单元和测量设备均有各自的响应时间和转换时间，不同时间点所测试的污染物浓度和质量流量均不同，相乘计算出来的该点质量排放量则不同，因此排气组分瞬时浓度和排气质量流量按照转换时间对齐与否则是影响气态污染物质量排放量的关键因素。

1.2 全流测试系统影响因素分析

GB 17691—2018第CA.6.2.1条定义了全流稀释排放测试系统气态污染物质量排放量mgas的计算公式：

mgas=ugas×cgas×med。

(3)

式中：ugas为排气组分密度和稀释排气密度比；cgas为背景修正后的排气组分平均浓度；med为整个循环的总稀释排气质量流量。

(4)

式中：cgas,e为稀释排气中测得的组分浓度；cd为稀释空气中测得的背景组分浓度；D为稀释系数。

柴油机和LPG发动机的稀释系数为

(5)

式中：FS为理论空燃比，燃料为柴油时可用13.4代替；cCO2,e为稀释排气中CO2的湿基浓度；cHC,e为稀释排气中HC的湿基浓度；cCO,e为稀释排气中CO的湿基浓度。

按本实验室实际情况，采用的全流稀释系统是CFV-CVS系统，其整个循环的总稀释排气质量流量计算公式如下：

(6)

式中：t为循环时间；KV为标准条件下临界流量文丘里管标定系数；PP为文丘里管入口绝对压力；T为文丘里管入口绝对温度。

由式(3)至式(6)可知，全流排放稀释系统的气态污染物质量排放量计算过程较直采测试系统相对复杂，涉及的参数较多。ugas可按标准固定值进行应用，其对排放结果的影响与测量方式无关。cgas通过气体组分稀释后的循环均值cgas,e与背景浓度校正后获得，cgas,e通过设置分析系统响应延迟后，在稀释通道内连续测量各组分浓度，然后对整个试验过程测量值积分计算出平均浓度或者通过分析整个循环的袋采样而得。积分计算与采样频率有关，按标准要求采样频率需大于2 Hz，可通过设定较高的采样频率规避其对计算平均浓度的影响。分析仪的标定检查同直采，是试验有效性的基础要求，对污染物浓度测试的影响可忽略。测试点在经过稀释空气均匀混合后，瞬时总稀释排气体积流量基本稳定，因此测量的排气组分浓度准确性不受发动机工况变化的影响。背景浓度校正所有相关污染物浓度，同理受发动机工况变化的影响较小。在计算med的过程中，循环时间t为固定值，仅因循环不同而不同，KV是CVS系统固有参数，不受其他参数影响，该CFV-CVS系统带热交换器，因此PP和T在循环过程中相对稳定。由上述分析可知，虽然全流排放稀释系统的气态污染物质量排放量计算过程较直采测试系统相对复杂，涉及的参数较多，但理论上其受发动机工况变化和各相关参数的影响相对较小，仅可能因分析系统响应延迟时间设置而受影响。但无论WHSC还是WHTC循环，其开始和结束工况均是怠速，怠速排放对于重型车用发动机而言，各污染物的瞬时排放均较小，GB 17691—2018标准规定了系统的延迟时间最大不超过20 s，因稀释通道的混合稀释气体的流量基本稳定，即使系统实际延迟时间为20 s，且系统设置的时间偏移为0，其对污染物质量排放量结果的影响比例也应低于20/1 800，仅为1%左右。

2 试验装置及方案

2.1 试验装置

研究对象是一套同时具备气态组分全流稀释采样和原始排气直接采样的发动机台架，其主要技术参数见表1，试验所用发动机主要参数见表2。

表1 台架测试系统的主要技术参数

表2 发动机的主要技术参数

2.2 试验方案

试验主要研究发动机气态污染物直采排放结果因采样系统因素而带来的影响，为灵活地布置直采测试点，并利用直采测量方式和全流稀释测量方式同时测量气态污染物排放，本试验采用不带后处理系统的发动机进行测试。排气管长度可直接影响发动机排气进入分析单元的时间，油耗仪后和空气流量计后管路的长度将影响两者的测量数据延迟。因此，按发动机适配车型的实际排气管总长度，分别按最长和最短排气管长度安装测试发动机排气管。直采测试点分别布置在排气管的尾端位置，各排气管长度状态下，直采探头距增压器出口的距离分别为1.5 m和4.6 m。在不同的排气管长度和不同的油耗仪后、空气流量计后管路长度状态下同时启动全流稀释测试系统和直采测试系统开展WHTC热态试验，试验前均在标定工况运行发动机10 min以充分预热发动机和采样系统，同时保证试验前的发动机边界条件尽可能一致。预热结束后立即开始试验，在试验前检查测试系统保证测试系统无泄漏，试验前后检查分析仪等相关试验条件，保证试验的有效性。直采探头和稀采探头处的分析系统转换时间采用标气分别通入各采样探头测试而得(见表3)，测试台架数据处理中分析仪的偏移时间按对应的转换时间设定。图1示出测试系统布置。

表3 测试系统转换时间

图1 测试系统布置

3 试验结果与分析

3.1 不同排气管长度下的测试结果

表4示出相同油耗仪后和空气流量计后管路长度，不同排气管长度下全流稀释测试时WHTC试验结果及相对均值的偏差，油耗仪后管路长度为2.5 m，空气流量计后管路长度为1.5 m，全流稀释测试时均采用稀释通道连续采样的结果。由表4可知，不同的排气管长度下，全流稀释测试时各组分的结果相对两次测试结果均值的偏差均在1%以内，因此在全流稀释采样测试时，WHTC的结果相对稳定，受排气管长度变化的影响较小，与理论分析一致，因此动态试验直采测试的影响因素分析将以全流稀释测试的结果为参考。

表4 不同排气管长度下稀采WHTC测试结果及偏差

表5和表6分别示出不同排气管长度下，全流稀释测试和直采测试的WHTC试验结果以及直采相对全流稀释采样结果的偏差。

表5 排气管长度1.5 m时WHTC测试结果及偏差

表6 排气管长度4.6 m时WHTC测试结果及偏差

由表5和表6可知，在排气管长度较短时，直采结果相对全流稀采结果均偏小，但相对偏差不显著，均在3.00%以内，但是当排气管长度增加后，直采结果相对全流稀采结果差异明显增加，最大偏差达24.40%，由此可知，直采排放测试结果受排气管长度变化的影响显著。而切换标气仅能对采样探头处的分析仪转换时间进行测量，无法将增加的排气管路造成的影响进行准确测试。不同的排气管路长度下，发动机原始排气在排气管内的滞留时间不同，因此，滞留时间才是不同排气管长度下数据偏移的关键影响因素。针对瞬态工况，发动机排气流量随工况变化，不是固定值，因此，发动机排气在排气管内的滞留时间也随工况的变化而变化，想在整个动态循环中测试不同工况的排气滞留时间，测量难度大，以测量得到的滞留时间去调整各工况点的数据偏移时间可行性也低。经分析可知，当排气管较短时，虽然同样存在滞留时间的影响，但其对排放结果的影响相对较小，而在排气管路较短时，系统设置并没有按工况以滞留时间对偏移量进行调整，仅设置了某固定值。因此，针对不同排气管路长度可对时间偏移进行固定值调整。

WHTC热态循环下，发动机的平均排气流量为520 kg/h，平均排气温度为274 ℃，平均背压为5 kPa。当发动机工况为1 050 r/min，550 N·m时，发动机的平均排气流量、平均排气温度、平均背压基本同WHTC循环相当。因发动机的CO2直采排放浓度可直观反映发动机的负荷变化，相对其他污染物，其具备良好的工况变化一致性，所以采用突变工况的方式测量发动机负荷变化后CO2直采测试采样的响应延迟，从而调整排气管长度改变后各排气污染物的偏移时间。排气管长度为4.6 m，发动机在1 050 r/min，150 N·m工况以0.1 s的加速时间在测功机转速/扭矩模式下变化至1 050 r/min，550 N·m工况。加速过程的扭矩和直采CO2排放体积分数变化情况见图2，经测试，CO2直采浓度曲线较扭矩曲线变化延迟大约8.1 s，该延迟时间比采样探头处测得的转换时间长约1.7 s。所有直采测试单元的时间偏移均在原设定值的基础上延长1.7 s。改变时间偏移后的测试结果见表7。经测试，按本方案调整时间偏移后，可获得较好的测试结果一致性。

图2 加速过程扭矩和直采CO2排放

表7 排气管长度4.6 m时改变时间偏移后测试结果及偏差WHTC

3.2 不同空气流量计后管道长度下的测试结果

为比较排气管长度和进气管长度的影响，空气流量计后管道长度分别设置为1.5 m和4.6 m，将直采测试结果分别与全流测试结果进行比较，试验时排气管长度保持1.5 m不变，油耗仪后管道保持2.5 m不变。表8示出两种状态下的直采测试结果相对全流测试的偏差。由表8可知，空气流量计后管道的增加对直采测试结果有较明显影响，进气管道越长，其对直采结果的影响越大，但是进气管道的影响不如排气管道的影响显著。因此在进行直采测试时，可尽量缩短空气流量计后的进气管道，减小该影响因素。

表8 不同空气流量计后管道长度下WHTC直采测试结果偏差

3.3 不同油耗仪后管道长度下的测试结果偏差

分别设置油耗仪后管道长度为2.5 m和5.6 m，其管道增加量同排气管道增加量一致，进气管和排气管长度均为1.5 m。表9示出两种状态下的直采测试结果相对全流测试的偏差。由表9可知，油耗仪后管道长度变化对测试结果无显著影响，由于燃油属于液体，其可压缩性小，因此其测量延迟受管道长度的变化影响较小，该差异应当归属于测试系统误差。

表9 不同油耗仪后管道长度下WHTC直采测试结果偏差

3.4 不同采样频率时的测试结果偏差

分别设置2 Hz和10 Hz的直采采样频率，其他试验参数保持一致，同时进行直采测试和全流稀释测试。表10示出两种状态下的直采测试结果相对全流测试结果的偏差。由表10可知，采样频率对测试结果有一定的影响，影响差异不显著，当采样频率较低时，各污染物结果相对全流稀释采样结果偏差的散差变大，因此直采测试时，应尽量设置较高的采样频率以获得更好的结果一致性。

表10 不同采样频率下WHTC直采测试结果偏差

4 结论

a) 动态试验时，全流稀释采样测试结果受测试参数变化的影响较小;

b) 动态试验时，直采测试排气组分瞬时浓度与排气质量流量按照转换时间对齐与否是影响气态污染物质量排放量准确性的关键因素;

c) 排气管长度导致的发动机原始排气在排气管内的滞留时间变化是影响直采排气组分瞬时浓度与排气质量流量对齐与否的关键，该影响可通过测试CO2延迟予以修正;

d) 油耗仪后管道长度对直采测试结果基本无影响；空气流量计后管道长度变化对测试结果的影响较小，可通过缩短管道长度以减小该影响;

e) 直采采样频率较低时，各污染物结果相对全流稀释采样结果偏差的散差会变大。