臺架中冷氣管長度對發(fā)動機(jī)排放影響的研究

黃志強(qiáng)1，，王磊，楊名名

(1.同濟(jì)大學(xué)，上海 201804；2.上海機(jī)動車檢測認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805)

0 引言

柴油發(fā)動機(jī)由于其良好的燃油經(jīng)濟(jì)性、可靠性、動力性強(qiáng)等顯著優(yōu)勢，且其在節(jié)能與CO2排放方面的優(yōu)勢是其他發(fā)動機(jī)無法取代，從而在商用車輛上得到越來越廣泛的運(yùn)用。顆粒物(PM)、氮氧化物(NOx)、碳?xì)浠衔?HC)、一氧化碳(CO)是柴油機(jī)排氣中有害污染物[1]。機(jī)動車按燃料類型分類，汽油車占89.0%，柴油車占9.4%，燃?xì)廛囌?.6%。雖然柴油車的占比不是很高，但柴油車排放的NOx接近汽車排放總量的70%，PM超過90%[2]。

重型柴油機(jī)型式核準(zhǔn)試驗(yàn)是在發(fā)動機(jī)臺架上根據(jù)法規(guī)規(guī)定的試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行測試的。采用渦輪增壓器技術(shù)路線的發(fā)動機(jī)，使用臺架中冷器模擬整車實(shí)際中冷情況。因此，在發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)時，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口與臺架中冷器出氣口采用不銹鋼鋼管連接。本文依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》[3]中規(guī)定的世界統(tǒng)一瞬態(tài)測試循環(huán)(World harmonized transient cycle, WHTC)試驗(yàn)方法，研究中冷器出氣口到發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口之間的不銹鋼鋼管長度(以下簡稱中冷氣管)對發(fā)動機(jī)排放的影響。

1 試驗(yàn)方案和設(shè)備

發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括以下幾個系統(tǒng)：測功機(jī)系統(tǒng)、進(jìn)氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和排放測試系統(tǒng)。發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

測功機(jī)系統(tǒng)主要由交流電機(jī)、油耗儀、轉(zhuǎn)速和扭矩傳感器等組成；進(jìn)氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括壓力、溫度、濕度控制單元，其能夠調(diào)節(jié)大氣環(huán)境中壓力、溫度、濕度至相對穩(wěn)定的狀態(tài)；冷卻系統(tǒng)包括熱交換器單元，其能夠精準(zhǔn)地控制進(jìn)出水溫度；中冷器系統(tǒng)包括熱交換器及壓力調(diào)節(jié)閥，其能夠控制中冷溫度及中冷器前后的壓差；排放測試系統(tǒng)包括主控計算機(jī)(含軟、硬件)、氣體污染物分析模塊、PM取樣單元、溫度和壓力采集系統(tǒng)和設(shè)備標(biāo)定用裝置，以及其他必須的管路、附件等輔助設(shè)備。

1.1 試驗(yàn)發(fā)動機(jī)

試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)為1臺額定功率110 kW、最大扭矩400 Nm渦輪增壓中冷柴油發(fā)動機(jī)。其主要參數(shù)如表1所示，試驗(yàn)所用柴油為市售國六柴油。

表1 發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用的設(shè)備如表2所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)備

1.3 試驗(yàn)方案

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB17691-2018規(guī)定，試驗(yàn)循環(huán)采用世界統(tǒng)一瞬態(tài)測試循環(huán)(the World harmonized transient cycle, WHTC)。WHTC瞬態(tài)循環(huán)由城市工況、郊區(qū)工況、高速工況組成。其中城市工況占比為49.6%左右，郊區(qū)工況占比為26.0%左右，高速工況占比為24.4%左右，整個試驗(yàn)循環(huán)時間為連續(xù)1 800 s。氣體分析儀和PM的采樣探頭位于渦輪排氣出口50 cm處，用于測量發(fā)動機(jī)原始(裸機(jī))排放。

試驗(yàn)采用2種方案。第1種試驗(yàn)方案中，中冷氣管長度為1.2 m。由于中冷器出氣口與發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口不在同一高度，中冷氣管有2段90°的彎管。如圖2所示。

第2種試驗(yàn)方案中，中冷氣管長度為0.6 m，與在整車上布置的距離一致。將中冷器中的熱交換器固定在小車支架上，支架可以上下調(diào)整中冷器出氣口高度，使中冷器出氣口高度與發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口同高度，故無需用90°的彎管轉(zhuǎn)接連接，如圖3所示。

1.4 試驗(yàn)邊界條件

由于進(jìn)氣溫度、濕度、進(jìn)氣阻力、中冷后的溫度和中冷器前后壓差會影響發(fā)動機(jī)排氣污染物結(jié)果，進(jìn)行試驗(yàn)時，須在發(fā)動機(jī)額定工況點(diǎn)嚴(yán)格控制試驗(yàn)的邊界條件后，方可進(jìn)行熱態(tài)的WHTC試驗(yàn)循環(huán)。試驗(yàn)邊界條件如表3所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 氣態(tài)污染物

2種試驗(yàn)方案測量結(jié)果和偏差如表4所示。由表4可見，2種試驗(yàn)方案的CO、NOx、HC氣態(tài)污染物的測量結(jié)果偏差不大，CO的測量結(jié)果偏差為1.14%、NOx的為2.21%，HC的為2.61%，屬于正常的測量偏差范圍之內(nèi)。因此，中冷氣管的長度對氣態(tài)排氣污染物的測量結(jié)果幾乎沒有影響。

表4 兩種方案氣態(tài)污染物對比

2.2 顆粒物(PM)

2種試驗(yàn)方案PM測量結(jié)果和偏差如表5所示。由表5可見，2種試驗(yàn)方案的PM排氣測量結(jié)果偏差較大，且為67%左右。因此，中冷氣管的長度對PM排放測量結(jié)果有影響。一般情況下，試驗(yàn)臺架的中冷氣管比整車配置的中冷氣管長。長度越長且彎接頭越多，對PM測量結(jié)果影響越大。

PM是由固態(tài)碳煙、可溶性有機(jī)物和硫酸鹽混合而成的有機(jī)組分。碳煙是燃料未完全燃燒產(chǎn)生的，通常發(fā)生在高溫下沒有足夠氧氣濃度的富油區(qū)。最初形成的碳煙晶核尺寸為0.005～0.05 μm，碳核在高溫高壓下聚合，尺寸不斷增大，最終形成的PM尺寸大部分集中在0.05～1 μm[4]。

PM的形成過程主要有熱解、成核、表面生長、集聚與凝結(jié)、氧化等階段。碳煙形成過程取決于壓力、溫度、噴射參數(shù)、燃料結(jié)構(gòu)等條件，其生成和氧化速率主要與溫度和壓力有關(guān)[5]。根據(jù)PM形成的原理，需要進(jìn)一步分析2種試驗(yàn)方案的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量和中冷后壓力的差異。2種試驗(yàn)方案的進(jìn)氣量測試結(jié)果對比如圖4所示。發(fā)動機(jī)在中轉(zhuǎn)速、中負(fù)荷時，第1種方案的進(jìn)氣量比第2種方案的進(jìn)氣量低，發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷及在高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷時，2種方案的進(jìn)氣量基本一致，WHTC循環(huán)的中轉(zhuǎn)速、中負(fù)荷占整個循環(huán)的比例為50%左右。

進(jìn)一步分析2種方案PM排放差異較大的原因，2種方案的在WHTC試驗(yàn)工況的PM測試結(jié)果對比如圖5所示。由圖5可以看出，第2種方案的PM明顯比第1種方案的低。

3 結(jié)論

1)發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)時，中冷氣管的長度盡可能與整車上布置長度保持一致，避免由于臺架中冷氣管的長度不同導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果有偏差。

2)中冷氣管長度對CO、NOx、HC氣態(tài)污染物測量結(jié)果幾乎沒有影響，故僅測量CO、NOx、HC氣態(tài)污染物排放，試驗(yàn)臺架上中冷氣管長度與整車上布置的長度可以不同。

3)中冷氣管長度對PM測量結(jié)果有影響，故測量PM時，盡量保持發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架的中冷氣管長度與整車上布置的長度一致時，這樣得到PM測量結(jié)果與在整車上測得的結(jié)果一致，否則就會有偏差。如中冷氣管長度長一倍，PM測量偏差高達(dá)約67%。