高原环境下国六柴油机排放污染物测试

宋超 王勇 孟令楠 解永全 伊全平

摘 要：通过对高原发动测试台架测量控制软件的升级，实现了高原发动机性能试验与排放试验的程序化控制，建立了高原发动机性能试验与排放试验的集成化数据采集系统。本文对一台国六排放水平的发动机在升级后的电涡流测控台架进行WHSC稳态循环的试验验证。结果表明：基于电涡流测功系统的发动机试验台架可以通过程序控制采集不带过渡工况的WHSC循环数据。实测循环功与理论循环功的比值为99.91%，满足标准规定85%-105%的要求。

关键词：高原环境 国六柴油机 电涡流测功系统 气态污染物 WHSC循环

1 引言

柴油机因其经济性好、动力性强、可靠性高等优点，已广泛应用于交通、军事、发电、航海等领域，在国民经济、国防建设和日常生活中发挥着重要作用。[1]然而，随着柴油机的广泛应用，不断增加的碳烟颗粒物（PN/PM）、氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）等污染物使得大气污染问题日益突出。2018年国家环保部发布重型车国六排放测试标准GB-17691-2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》。与第五阶段相比，国六标准加严了污染物排放限值，增加了粒子数量排放限值，变更了污染物排放测试循环。[2]国六标准将稳态测试循环从原来的欧洲稳态循环（European Steady-state Cycle，ESC）循环变更为全球统一的稳态循环（World Harmonized Steady-state Cycle，WHSC），作为发动机出厂时的型式核准工况。[3]与国五标准相比，国六标准更注重发动机低速低负荷工况下的排放。

我公司常年承接高海拔內燃机性能试验业务，建有两个基于电涡流测功系统的发动机试验台架。国六标准发布以来，整个内燃机检测行业重点业务已经由单纯的性能检测向排放检测倾斜，内燃机生产厂家也采用牺牲功率来保排放合格的策略认真执行国六标准。因此，内燃机排放检测已经成为各大检测中心的主营业务。为追赶国六排放大趋势，我公司购置日本HORIBA与奥地利AVL两家公司的台架排放设备、升级现有电涡流测功机台架控制系统，以满足内燃机重点实验室排放检测能力。数据采集系统建立后，随即开展了基于电涡流测功系统的WHSC稳态循环验证。

2 试验条件及试验内容

2.1 试验设备

实验室地处青海西宁，海拔2200米，设有固定台架和移动台架各一个。本次试验在固定台架进行，台架设备如表1所示。

2.2 试验样机技术参数

本试验用发动机为东风康明斯某型柴油机，试验中没有对柴油机进行任何改动，柴油机技术参数见表2。

2.3 试验方法及试验工况

本次试验采取两种方式控制发动机做WHSC循环，一种是人为控制带过渡工况的稳态循环工况，一种为程序控制不带过度工况的稳态循环。试验布置如图1所示：

试验包括两个怠速工况，转速为最大净功率对应转速的25%、35%、45%、55%、75%共5个不同转速，每个转速对应的扭矩各不相同。其中：55%转速对应的扭矩有四个，该转速最大扭矩值的25%、50%、70%、100%;35%转速对应该转速下最大扭矩值25%、50%、100%三个扭矩;45%转速对应25%、75%两个工况;25%转速和75%转速分别对应相应转速最大扭矩值的25%、100%一个工况。总共13个工况点。试验工况如图2所示：

3 试验结果

3.1 WHSC循环

带过渡工况的WHSC循环总共运行时间为2128s，标准规定WHSC循环1895s，超时233s。WHSC理论循环功为24.86kW·h，实际循环功为29.345kW·h，实际循环功超出理论循环功18%，此值超出标准规定的85%～105%范围;不带过渡工况的WHSC循环总共运行时间为1895s，符合标准规定WHSC循环时间。WHSC理论循环功为24.86kW·h，实际循环功为24.834kW·h，实际循环功为理论循环功的99.91%，符合标准规定的85%～105%范围。

3.2 试验结果分析

为了研究发动机在各个不同工况下的排放情况，将每个工况产生的排气污染物分别进行排放计算，计算结果见图4-6。结果表明：

1.燃油燃烧过程中，当燃油与空气混合不完全或含氧量较少时，会产生CO。一氧化碳主要是在不完全燃烧或低温条件而产生。进入呼吸道参与血液循环，结合血红蛋白，导致人体不能运输氧气，中枢神经系统受损，引起头晕、呕吐、头痛等症。

CO2和CO的排放量值有较强的相关性，其变化规律随工况变化的趋势基本一致;不同的是，CO在怠速工况下的排放量占总排放量的比重较CO2高，说明在怠速工况下，柴油机缸内不完全燃烧的比重较高;CO在经过后处理后有部分被氧化为CO2，这是尾排CO2排放量升高的原因之一。另外本次试验中所用颗粒捕集器为催化再生型DPF，在碳烟颗粒被捕捉的同时进行再生，也会产生CO2。

2.NOx。氮氧化合物主要是发动机大负荷工作时放电，在燃烧室高温富氧的环境中先产生NO，继而氧化成的一种褐色且有臭味的气体NO2。氮氧化合物吸入肺部后能形成亚硝酸和硝酸，对肺组织产生强烈的刺激和伤害，以致引起肺部病变。此外，氮氧化物还会导致酸雨和光化学烟雾污染，在水系中的沉降会造成富营养化。

NOx的排放量随着工况的变化呈现出不同的变化趋势，由于NOx产生的条件是缸内的高温和富氧，因此NOx排放与工况变化密切相关，柴油机氮氧化物（NOx）高原排放随着工况转速和扭矩的变化情况总结如下：

①氮氧化物（NOx）排放随转速的波动变化很大。扭矩相同，转速不同，氮氧化物（NOx）排放量值差异很大：在25%低扭矩和100%高扭矩下，NOx排放量随转速的升高呈上升趋势，高扭矩下的上升趋势比较明显，低扭矩下随着转速的升高，NOx排放量先升高再回落再升高，总体呈现上升趋势;在中高扭矩50%和70%扭矩下，NOx排放量随转速的升高而下降，且下降迅速，50%扭矩下低转速的NOx排放量最高，随着转速升高NOx排放量急剧下降;总体来说，柴油机在低转速和高转速区段运行时氮氧化物（NOx）排放量值较高，在中等转速区段运行时柴油机氮氧化物（NOx）排放量值较低，柴油机氮氧化物（NOx）排放与其运行转速的变化密切相关。

②柴油机运行转速不变时，大部分情况下，氮氧化物（NOx）排放量值随加载扭矩值的升高呈上升趋势;在中小扭矩加载范围，柴油机氮氧化物（NOx）排放上升迅速;

3.THC。碳氢化合物是不完全燃烧的排放物，包括未燃和未完全燃烧的燃油和机油蒸汽，气态时是VOC，固态则为颗粒物。碳氢化合物和氮氧化合物在阳光紫外线照射下发生化学反应，形成光化学烟雾。

4 结论

1.在海拔2200米下，经过柴油机后处理设备处理后的尾气有害污染物成分下降明显，CO排放量下降了19.3%，NOx排放量下降了97.8%，THC排放量下降了48.8%，CO2排放量有所上升。本次试验由于测试条件有限，没有对柴油机排气中颗粒物加以分析。

2.升级后的电涡流测功系统及数据采集系统能满足柴油机高原稳态排放测试。

《青海省内燃动力机械高原动力及排放重点实验室》2021-ZY-Y18。

参考文献：

[1]王建昕，帅石金.汽车发动机原理.北京.清华大学出版社.2011.3.

[2]环境保护部.重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）：GB 17691-2018[S].北京.中国环境出版社.2018.

[3]赵国斌，盖永田，耿帅，金灵，伍恒.WHSC/WHTC与ESC/ETC测试循环的试验比较与研究[J].汽车工程学报，2015，5（01）：29-34.

[4]董淼.某国六柴油机NO_x排放测试分析[J].内燃机与动力装置，2019，36（06）：16-20.