（光学工程专业论文）基于全流和部分流稀释采样系统测试柴油发动机排放的相关性分析.pdf

武汉理t 大学硕士学位论文 摘要 重型柴油发动机占发动机的总比例逐年增大，应用范围越来越广泛。目前对 于重型柴油发动机的排放测试主要是发动机的台架测试方法，而根据其测试原理 的不同可分为全流稀释采样系统和部分流稀释采样系统。 本课题是根据g b l 7 6 9 l 2 0 0 5 和i s 0 1 6 18 3 2 0 0 2 的规定对两套测试系统进 行发动机的排放测试，并对排放结果进行相关性分析。通过分析两种不同测量方 法的测试原理，分析结果差异，对两套设备的相关性做出评价。试验主要包括两 大部分，一是发动机的工作参数对各排放物比排放的影响，包括中冷后温度、排 气背压、进气温度和进气湿度。一是采样系统参数对p m 采样的影响，部分流 p m 采样系统包括经过滤纸的稀释排气流量瓯，、采样比，、稀释通道温度、传 送管温度和稀释空气温度；全流系统包括c v s 的流量q c 啦、经过滤纸的稀释排 气质量流量g 脚和二级稀释空气的质量流量g 。研究分析了发动机工作参数和 采样系统参数对测试结果的影响。在结果分析过程中，采用基于偏最小二乘法 ( p l s ) 的数学理论方法对各排放物进行建模，对影响参数进行量化的直观分析， 以试图寻找一种研究不同测试系统相关差异性的简便方法。 试验研究及分析表明，随着中冷后温度的升高，n o x 的排放一直增大，p m 比排放先降低后增大；而c o 和h c 的比排放随着中冷温度的升高一直降低。随 着背压的增大，除了h c 外，各排放物的比排放呈增大趋势。随着进气温度的升 高，c o 和h c 的比排放降低，而n o x 和p m 得比排放呈增大的趋势。随着进气 湿度的增大，c o 、h c 和p m 的值增大，n o x 的比排放降低。 对部分流p m 采样系统的各参数研究表明，除了经过滤纸的稀释排气流量 瓯，和采样比，外，其余各参数对p m 的影响很小，比排放结果几乎没有什么变 化。其中，瓯，增加会导致p m 的比排放增大，而r 增大会导致p m 的比排放减 小。本课题研究的全流系统的各参数值增大，p m 的比排放都有增加的趋势。 通过p l s 的数学理论及方法对各排放物的比排放进行了建模，建立了以比排 放值为因变量，以各研究参数为自变量的函数关系式。通过分析回归系数与先前 的试验结果，结合实际比排放值和模拟比排放值的相对偏差认为模型的建立是成 功的。随后，对全流和部分流的p m 模型进行了比对分析研究，认为在发动机工 作参数设定一致的情况下，理论上可以满足法规中规定的同一发动机同一台架同 时使用不同测试系统测试偏差在5 以下的要求。但是随后对气体比排放值的模 拟发现，除了n o x 的相对偏差在1 0 左右外，c o 和h c 的模拟值与实际值的偏 差最大在3 0 左右，认为是由于多种误差造成的，并建议通过采用实际全流气态 污染物的比排放模型等措施加以改进。 武汉理j 大学硕士学位论文 由于本课题是对两不同试验室采用不同测试原理的台架系统进行的试验测 试研究，由于试验室不同导致不确定性因素增多，以试验研究测试结果为基础的 相关差异性研究对未来试验室的评估和改进试验室的缺陷，提高测试水平具有一 定的指导意义。 关键词：重型柴油机，排放测试，全流稀释采样，部分流稀释采样，相关性，偏 最小二乘法 武汉理t 大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ep r o p o r t i o no fh e a v y - d u t yd i e s e le n g i n eu s e dv e h i c l e si nt h ec o u n t r yh a s b e e ni n c r e a s i n gy e a rb yy e a r a tp r e s e n t ，f o rh e a v y - d u t yd i e s e le n g i n ee m i s s i o n s t e s t i n gi sm a i n l yt h ee n g i n eb e n c ht e s t i n gm e t h o d s ，w h i c hc a nb ed i v i d e di n t o f u l l - f l o wd i l u t i o ns a m p l i n gs y s t e m ( f f d s s ) a n dp a r t i a l f l o wo ft h ed i l u t i o ns a m p l i n g s y s t e m ( p f d s s ) a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tt e s t i n gp r i n c i p l e s t h ee m i s s i o ne x p e r i m e n t sb a s e do ng b17 6 91 - 2 0 0 5a n di s o1618 3 2 0 0 2a r e m a d ei nb o t ho ft h et w om e t h o d s ，t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt e s tr e s u l t sa r ea n a l y z e di n t h i sp a p e ri no r d e rt oa s s e s st h ep e r f o r m a n c eo ft h et w ot e s t i n gc e l l s t h ep r i n c i p l e so f t h et w ot e s t i n gs y s t e ma n dt h ed i f f e r e n c eo ft h er e s u l t sa r ea l s oa n a l y z e di nt h i sp a p e r t h et e s t sm a i n l yi n c l u d et w op a r t s ，o n ei se n g i n eo p e r a t i n gp a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gt h e t e m p e r a t u r eo ft h ea i ra tt h eo u t l e to ft h ei n t a k ei n t e r c o o l e r ，e x h a u s tb a c kp r e s s u r e ， i n t a k ea i rt e m p e r a t u r ea n di n t a k ea i rh u m i d i t y ；t h eo t h e ri s s a m p l i n gs y s t e m p a r a m e t e r so ft h ep m f o rt h ep a r t i a l f l o ws y s t e m ，w h i c hi n c l u d e st h ed i l u t i o n e x h a u s tf l o wr a t et h r o u g ht h ef i l t e r ，s a m p l i n gr a t i o ，t h et e m p e r a t u r eo fd i l u t i o n c h a n n e l ，t h et e m p e r a t u r eo ft r a n s m i s s i o nt u b ea n dt h et e m p e r a t u r eo fd i l u t i o na i r t h e f u l l f l o ws y s t e mc o n t a i n st h ec v sv o l u m ef l o wr a t e ，t h ef l o wt h r o u g ht h ef i l t e ra n d s e c o n d a r yd i l u t i o na i rm a s sf l o w s u b s e q u e n t l y , w i t ht h ep u r p o s eo fa n a l y z i n gt h e i m p a c to ft h ep a r a m e t e r si nd e p t h ，t h ep a r t i a ll e a s ts q u a r e s ( p l s ) i su s e di nt h e s p e c i f i ce m i s s i o n t h e ne m i s s i o n sm o d e l sa b o u tt h em a t h e m a t i c a lt h e o r ya r em a d e ， t r y i n gt of i n das i m p l em e t h o dt oa s s e s st h ec o r r e l a t i o no fd if f e r e n tt e s ts y s t e m si n t h e o r ym e t h o d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c hs h o w st h a t ，w i t ht h et e m p e r a t u r eo ft h ea i ra tt h eo u t l e to f t h ei n t a k ei n t e r c o o l e ri n c r e a s e ，n o xh a sb e e ni n c r e a s i n g ；t h ep ml o w e rt h a nt h ef i r s t ， a n dt h e ni n c r e a s e da f t e r ；w h i l ec oa n dh cd e c r e a s e da l lt h et i m e a st h eb a c k p r e s s u r ei n c r e a s e s ，t h ev a l u e so fa l le m i s s i o n sa r el a r g e rt h a nb e f o r ei na d d i t i o nt oh c w i t ht h ei n c r e a s eo fi n t a k ea i rt e m p e r a t u r e ，c oa n dh ce m i s s i o n sd e c r e a s e d ，w h i l e t h es p e c i f i ce m i s s i o n so fn o xa n dp mi n c r e a s e w i t ht h ei n c r e a s eo fi n l e th u m i d i t y , t h ec o ，h ca n dp mv a l u e si n c r e a s e ，b u tt h en o xi si nc o n t r a r yt r e n d t ot h ep a r a m e t e r so fp ms a m p l i n gs y s t e mf o rp f d s s ，m o s tp a r a m e t e r sh a v ea l i t t l ei m p a c to nt h ep mi na d d i t i o nt od i l u t i o ne x h a u s tf l o wr a t et h r o u g ht h ef i l t e ra n d s a m p l i n gr a t i o f o rt h ef f d s s ，t h es p e c i f i cr e s u l t si n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n go fa l l p a r a m e t e r s ，p a r t i c u l a r l y ，t h ec v sv o l u m ef l o wr a t ea n ds e c o n d a r yd i l u t i o na i rm a s s f l o wh a v eas i g n i f i c a n ti m p a c to nt h ep ms p e c i f i cr e s u l t s t h em o d e l so nt h es p e c i f i ce m i s s i o nr e s u l t sa l em a d eb a s e do nt h ep l s m a t h e m a t i c a lt h e o r y t h em o d e l si n d i c a t et h e r e l a t i o n s h i pa m o n gt h es t u d y i n g p a r a m e t e r s c o m p a r e dt h er e g r e s s i o nc o e f f i c i e n t sw i t hp r e v i o u se x p e r i m e n t a lr e s u l t s ， c o m b i n e dw i t ht h er e l a t i v ed e v i a t i o no fa c t u a lv a l u ea n dt h es i m u l a t i o nv a l u ep r o v e d t h a tt l l em o d e l sa l es u c c e s s f u l s u b s e q u e n t l y ，w h e nt h ee n g i n eo p e r a t i n gp a r a m e t e r sa r es e ti nt h es a m e c i r c u m s t a n c e sb o t ho fb e n c h e s ，t h ec o m p a r e da l em a d eb e t w e e nt h ef f d s sp m m o d e la n dt h ep f d s sp mm o d e l t h er e s u l t ss h o wt h a ti ti sp o s s i b l et om e e tt h et e s t r e g u l a t i o nu n d e rt h ed e v i a t i o no f5 o rl e s sr a n g e b u tt ot h ev a l u eo ft h e g a s s i m u l a t i o ns p e c i f i ce m i s s i o n s ，i na d d i t i o nt on o xr e l a t i v ed e v i a t i o ni sa b o u t10 ，t h e m a x i m u md e v i a t i o no fs i m u l a t e dv a l u e sa n dt h ea c t u a lv a l u eo fc o ，a n dh c i s3 0 w h i c hi sd u et oa v a r i e t yo fm e a s u r ee ll o ra n dc a l c u l a t i v ee r r o r a st h ee n g i n ei st e s t e dd u r i n gt h et w od i f f e r e n tl a b o r a t o r i e si nd i f f e r e n tt e s t i n g p r i n c i p l ei nt h i sa r t i c l e ，w h i c hl e a d st h eu n c e r t a i n t yf a c t o r sa p p e a r e df o rt h i st e s t t h i s a r t i c l ec o u l dh e l pt oi m p r o v et h ee n g i n et e s t i n gl e v e lb e t w e e nd i f f e r e n tl a b o r a t o r i e si n f u t u r e k e yw o r d s ：h e a v y - d u t yd i e s e le n g i n e ，e m i s s i o nt e s t i n g ，f u l l f l o wd i l u t i o n s a m p l i n gs y s t e m ( f f d s s ) ，p a r t i a l - f l o wo ft h ed i l u t i o ns a m p l i n gs y s t e m ( p f f d s s ) ， c o r r e l a t i o n ，p a r t i a ll e a s t s q u a r e s ( p l s ) i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：王凰鎏 日期：型卫l2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解盔唇应遵守此规定) 签名：导师签名日期： 武汉理丁大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 柴油车辆发展的必然性 柴油发动机具有低速大扭矩、耐久性增强【1 】等诸多优点。柴油机的热效率高、 能量利用率好，是有害废气排放量较少的一种机型。与汽油机相比，柴油机具有 高的压缩比而使其燃油效率比汽油机高，在相同路况下，柴油车与同等排量汽油 车的油耗比例为7 ：1 0 1 2j 。所以柴油机在大功率车辆如大型客车、大型货车上得到 广泛应用。， 目前，柴油车在世界上许多国家得到大量应用，欧洲是汽车柴油化比例最高 的地区，轿车柴油化趋势越来越明显，2 0 0 4 年欧盟新增乘用车( 主要是轿车) 中 5 0 是柴油车。根据德国调查公司f r o s t & s u l l i v a n 的预测报告，欧洲柴油车在新 车中的比例将从2 0 0 4 年的4 5 上升至1 j 2 0 1 2 年的5 3 唰3 1 。美国柴油车比重尽管不高， 但在过去的5 年中销量增长了5 6 。根据国外有关机构预测，2 0 0 1 年至2 0 1 4 年的 1 5 年间，全球汽车市场总规模将增长3 9 ，其中汽油车增长2 3 ，柴油车增长 9 7 【4 i 。在我国，中型和重型载货车一直主要采用柴油作动力，近几年装配柴油 机的轻型车也越来越多。除了一汽一大众的捷达、宝来和奥迪等合资品牌推出了 柴油轿车外，昆明云内动力、玉柴等多家柴油机厂商也自主开发了轿车用柴油机， 还有一些企业如华泰等从国外引进技术，生产先进的轻型车或轿车用柴油机。 在柴油发动机方面，柴油机的生产量和比例也逐年增加。图l 给出了我国从 1 9 9 9 年至u 2 0 0 8 年之间的年生产量和销售量。2 0 0 0 年，柴油车占汽车总产量的比重 提高到了2 9 7 。2 0 0 4 年车用柴油机的产量为1 4 1 8 3 万台，占汽车总量的2 7 9 ， 1 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 2 2 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 6 2 0 0 72 0 0 8 年份 图1 11 9 9 9 年到2 0 0 8 年之问我国柴油机的年生产量和销售量 武汉理- 1 ：大学硕士学位论文 而到2 0 0 8 年，我国车用柴油机的总量已经达2 3 3 3 6 万台，整个汽车的柴油化率 约为2 3 。从1 9 9 9 年到2 0 0 8 年，我国车用柴油机的平均年增长率约为1 9 。 2 0 0 9 年预计商用车的增幅为8 ，全年柴油机产量约为2 6 0 万台【5 1 。根据2 0 0 9 ( 第六届) 中国汽车发动机高层研讨会的统计报告数据显示，2 0 0 9 年第一季度 我国柴油汽车产量同比增长4 7 4 9 ，销量同比增长2 9 7 9 【6 1 。 1 2 柴油发动机排气污染物的生成机理与控制 柴油发动机排放污染物主要包括一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物( t h c ) 、氮 氧化合物( n o x ) 和颗粒物( p m ) 。由于柴油车大部分是在大于理论空燃比的富 氧条件下工作，c o 和t h c 的排放量很少【7 】。n o x 和p m 是柴油车主要控制的排 放污染物，而由于n o x 和p m 之间存在著名的“t r a d e o f f ”关系【8 】，所以柴油车 的排放控制目标主要是如何实现n o x 和p m 的优化问题。 1 2 1 一氧化碳( c o ) 生成机理 c o 是发动机碳氢化合物燃料在燃烧过程中的中间产物，影响c o 排放量的 主要因素是可燃混合气的过量空气系数。碳氢化合物经氧化过程最后生成c 0 2 ， 而c o 的生成时此过程重要的中间步骤【9 1 ，即： r h _ r 0 2 一r c h o r c o _ c o 式中，r 代表烃基，所生成的c o 再反应氧化成c 0 2 ，这种氧化速率取决于 可用氧浓度、反应气的温度以及化学反应所占用的时间，后则决定于发动机的转 速。 压燃式内燃机的特征是燃料与空气混合不均匀，燃料空问中有局部缺氧和温 度低的区域，以及反应物在燃烧区域停留时间不足以彻底完成燃烧过程产生最终 产物c 0 2 ，造成c o 的排放。而由于柴油机主要为扩散燃烧，总体上柴油机c o 的排放量相当低，只有汽油车的十分之一【1 0 】。 1 2 2 碳氢化合物( t h c ) 生成机理 发动机排放的t h c 化合物是有完全未燃烧的燃料，但更多的是燃料的不完 全燃烧的产物。柴油机中产生t h c 的主要原因是柴油机燃烧室中由喷油器喷入 的柴油与空气混合形成的混合气可能太稀或太浓，使混合气不能自燃或火焰不能 传播。此外，火焰在壁面上淬熄也是柴油机t h c 排放的一个来源。由于柴油机 的燃烧是喷油压燃，燃油在燃烧室内的停留时间要比汽油机短得多，因而受淬熄 2 武汉理。i ：人学硕十学位论文 效应、狭隙效应、油膜吸附、沉积物吸附作用很小【l l 】，这是柴油机t h c 排放量 比汽油机低的主要原因。 1 2 3 氮氧化合物( n 0 。) 生成机理 柴油机氮氧化物包括n o 和n 0 2 等，其中n o 占总量的9 0 9 5 。燃烧过 程中n o x 有3 种生成方式，根据产生的机理的不同称为高温n o 、燃料n o 以及 瞬发n o 1 2 】。瞬发n o 是在低温、富燃料条件和燃料停留时间较短的火焰中 由n 2 形成的n o ，瞬发n o 形成的最大值与燃料空气当量比有关。“燃油n o ” 是重柴油和重油可能含有千分之几的氮，燃烧后可能会从排气中排出。而高温 n o 是发动机等大多数燃烧设备氮氧化物的主要来源，其主要是由于在火焰温度 下空气中氮被氧化而成。当燃烧的温度下降时，高温n o 的生成量就下降。其氧 化反应过程可用目前公认的泽耳多维奇( z e l d o v i c h ) 机理【1 3 】加以说明： 0 2 _ 2 0 式( 1 2 ) n 2 + o n o + n 式( 1 3 ) 0 2 + n _ n o + o式( 1 4 ) n + o h h + n o 式( 1 5 ) 上述反应中的氧原子是氧气( 0 2 ) 在高温分解时所产生的，氧原子的存在诱发 了n o 生成的连锁反应。由于整个反应过程中，式( 1 3 ) 起决定作用，所以氧原子 浓度以及反应温度对n o 生成最为重要。柴油车的n o x 在大负荷时接近汽油车 的水平，而中小负荷要远低于汽油车的排放水平f 1 4 】。 1 2 4 颗粒物( p m ) 的组成及生成机理 内燃机排放微粒的形成是一个复杂的动态的过程，美国环保局( e p a ) 定义柴 油车排气颗粒为：柴油车颗粒是稀释到5 1 7 以下的柴油车排气流过带有聚四 氟乙烯树脂的滤纸时，所收集到的除水以外的所有物质【1 5 】。 p m 主要包括碳烟颗粒( c ) 、可溶性有机物( s o f ) 、硫酸盐( s 0 4 2 - ) 和灰分 ( a s h ) 1 6 1 碳烟是颗粒物的核心部分，碳烟是烃类燃料在气缸内燃烧时，由 于高温缺氧而裂解生成的；可溶性有机物组成十分复杂，主要是未燃的h c ，有 近百种烃类成分【1 7 1 8 1 ；硫酸盐物质即硫酸盐水合物，由于燃料中含硫而产生； 灰分是燃油和润滑油燃烧后的产物，主要包含c a 、p 、s 、z n 、m g 、p m 等金属 物质【l 圳。柴油机的负荷和转速决定了p m 的具体混合成分和比例，随着发动机工 况不同p m 成分也不同【2 0 】。 柴油机排放的烟粒主要由燃油中含有的碳产生，并受燃油种类、燃油分子中 3 武汉理f 人学硕十学位论文 的碳原子数及其碳原子比的影响。由于柴油机燃烧过程中烟粒的生成机理涉及到 很复杂的燃油问题，在三维空间的强湍流混合气中高温高压下的发生过程再现比 较困难，但是目前对柴油机烟粒的生成和长大一般可分为烟粒生成阶段和烟粒长 大阶段。高温缺氧而裂解生成的碳烟核心，通过和周围表面物质的凝聚以及碳核 本身的凝聚形成p m 。 1 3 重型柴油发动机的排放法规 随着人们对汽车排放的要求日趋严格，世界上许多国家都颁布了汽车及发动 机的排放法规，对排气污染物限值及测量方法均有严格的规定。对于车辆排放的 法规，目前世界上有代表性的车辆排放法规有3 个，分别为美国的排放法规、欧 洲的排放法规和日本的排放法规【2 1 1 。 1 3 1 美国体系 美国是世界上排放控制指标种类最多，排放法规最严格的国家。美国的汽车 排放法规分为联邦排放法规即环境保护局( e p a ) 排放法规和加利福尼亚大气资 源局( c 灿也) 排放法规，并且其他州有权选择加州法规来替代联邦法规。 当前，对于总质量大于8 5 0 0 磅( 约3 8 5 5 k g ) 车辆，联邦法规不要求重型车 进行底盘测试认证，而是要求认证所装配的发动机【2 2 1 。因此，基础的排放标准 限制表述为g b h p h r ，需要按照瞬态f t p ( t r a n s i e n tf t p ) 发动机测功机循环。 归一化的转速和扭矩随时间变化如图1 2 所示。 除了f t p 重型车瞬态循环，1 9 9 8 年之后添加了附加排放测试循环，包括： s e t 和n t e 图1 - 2 美国重型车瞬念测试循环 4 武汉理丁大学硕士学位论文 1 9 8 8 2 0 0 3 u se p a 和1 9 8 7 2 0 0 3 a r b ( 加州空气资源局) 的重型卡车和城市 客车排放限值如表1 1 和1 2 中列出。 表1 1e p a 排放标准限值( 1 9 8 8 2 0 0 3 ) 重型柴油机e p a 排放标准，g b h p h r 年份 h c c o n o x p m 重型卡车发动机 1 9 8 81 3 1 5 5 1 0 7 0 6 0 1 9 9 01 3 1 5 56 00 6 0 1 9 9 11 3 1 5 55 00 2 5 1 9 9 41 31 5 55 0o 1 0 1 9 9 81 31 5 5 4 0o 1 0 城市公交发动机 1 9 9 1 1 31 5 55 oo 2 5 1 9 9 31 31 5 55 o o 1 0 1 9 9 41 31 5 5 5 o0 0 7 1 9 9 61 3 1 5 55 o0 0 5 * 1 9 9 81 31 5 54 00 0 5 * 宰m o s ep ms t a n d a r d0 0 7 表1 - 2 加州排放限值( 1 9 8 7 2 0 0 3 ) 加州重犁柴油机排放标准。g b h p h r 年份n m h ct h cc o n o x p m 重型卡车发动机 1 9 8 71 31 5 5 6 o0 6 0 1 9 9 1 1 21 3 1 5 5 5 00 2 5 1 9 9 41 21 31 5 55 00 1 0 城市公交发动机 1 9 9 l1 21 31 5 55 0 o 1 0 1 9 9 41 21 31 5 55 o0 0 7 1 9 9 61 21 31 5 54 o0 0 5 1 9 9 7 年1 0 月，e p a 签发了2 0 0 4 年型及以后新卡车和城市客车的重型发动 机排放限值，这些排放限值反映了e p a 、a r b 和重型发动机制造商在1 9 9 5 年签 署的法则声明( s o p ) 的规定，其目标是到2 0 0 4 年道路用重型发动机的n o x 排 放水平达到2 0 9 b h p h r ，制造商可以在认证时灵活采用如表1 3 的两种方式。 武汉理t 大学硕+ 学位论文 表1 - 32 0 0 4 年后排放限值 2 0 0 4 年后重型柴油发动机的e p a 排放标准排放限值， ( g a ，h p h r ) o p t i o ni n m h c + n o x l n m h c l l2 4i n a 2 l2 5l0 5 除n m h c 和n o x 之外的所有排放限值采用1 9 9 8 年及以后的排放限值。e p a 修改了发动机寿命规定，并显著延长了重型发动机维护水平要求：2 0 0 0 年1 2 月 2 1 日，e p a 签发了2 0 0 7 年及以后重型发动机排放限值标准( 加州在2 0 0 1 年接 受采用同样的2 0 0 7 排放标准) 。 第一部分法规引入了新的十分严格的排放标准限值，如下： p m 旬0 1g b h p h r n o x 一0 2 0g b h p h r n m h c - - 0 14 e c b h p h r p m 排放限值在2 0 0 7 年完全执行，n o x 和n m h c 限值将会采用逐步加严的 方式从2 0 0 7 年到2 0 1 0 年完全执行。逐步加严的方式是采用销售百分比为基础： 2 0 0 7 年到2 0 0 9 年为5 0 ，2 0 1 0 年为1 0 0 。在2 0 1 0 年以前，很少发动机能够 达到0 2 0g b h p h r 的限值要求。 1 3 2 欧洲体系 目前欧洲的重型车排放标准体系也主要是针对发动机进行排放测试，主要测 试循环有e s c ( e u r o p e a ns t a t i o n a r yc y c l e ，欧洲稳态循环) 测试、e t c ( e u r o p e a n t r a n s i e n tc y c l e ，欧洲瞬态循环) 测试和e l r ( e u r o p e a nl o a dr e s p o n s e 欧洲加载 烟度循环) 测训2 ”6 1 。 2 0 0 5 年开始执行欧排放法规，该法规在欧i i i 法规的基础上，无论汽油机 还是柴油机，各项限值都降低了5 0 左右，测试循环工况和方法同欧i i i 法规。 e s c 为稳态测试循环，共有1 3 个工况。在每个工况中，从经过预热的发动 机排气中直接采样，并连续测量。测量过程中必须按照每个工况所规定的时间运 转，最初的2 0 s 用于完成转速和负荷的转换。每个工况规定的转速保持在+ 5 0 r p m 之内，规定的扭矩应保持在测试转速下最大扭矩的2 以内。将测量每种气体 污染物的浓度、发动机的排气流量和输出功率，并将测量值加权。具体的1 3 工 况如表1 4 所示，其中a 、b 、c 转速是根据g b l 7 6 9 1 - - 2 0 0 5 的有关说明计算得 到的： 彳= n ，o + 2 5 ( n h i n l o ) 式( 1 4 ) b = n f d + 5 0 ( n h i n l o ) 式( 1 5 ) 6 武汉理工大学硕士学位论文 c 2 n t o + 7 5 ( h m 一) 式( 1 6 ) 其中，发动机最大净功率5 0 下的最低转速； n n j 一发动机最大净功率7 0 * , y 。 表1 - 4e s c 试验循环 工况号 发动机转速负荷百分比加权系敷运行时间( m m ) 1 怠速 35 0 0 1 0 47 5n 1 0 5 5 0 m 0 5 7 50 0 5 2 50 0 5 1 0 00 0 9 2 50 1 0 1 0 00 0 8 c2 500 5 c7 500 5 c5 000 5 e t c 是瞬态测试循环，它是模拟发动机在实际道路中的运行情况，颖4 试工 况如图1 - 3 所示，发动机的转速和扭矩是逐秒变化的。为此对发动机在瞬态工况 下的排放控制提出了要求。其测试过程主要包括确定发动机的瞬志性能转速范 围，测定发动机瞬态性能功率，形成基准测试循环。 咋 椭4 n甜糟 黼鞲砻羹 图1 - 3 e t c 试验循环工况 武汉理j = 大学硕十学位论文 表1 5 和1 - 6 给出了不同阶段e s c 和e t c 的排放限值及实施进度。欧洲已 经从2 0 0 8 年开始执行欧v 排放标准。为了达到欧v 和欧的排放限值，柴油机 必须采用先进的后处理装置以及先进的缸内净化技术。对于重型发动机，欧v 标 准的制定已经完成，但是对于欧标准，还有几个方面有待商榷：讨论是否引 进全球统一循环，包括全球统一稳态循环( w h s c ) 和全球统一瞬态循环 ( w h t c ) ；对于颗粒物数量的限值还没有确定； n o x 中n 0 2 的比例是否约 束到某一限值；考虑目前没有被限制的气体是否正式被纳入其中，例如使用 s c r 后处理以及替代燃料的发动机产生的n h 3 等新的污染气体等；考虑c 0 2 和油耗的问题是否得到更多的关注；考虑是否增加车载排放测试系统 ( p e m s ) ，以更好的对实际道路排放进行检测；车辆耐久性要求；点燃式 发动机限值问题1 27 。 表1 5e s c 循环各个阶段的排放限值 欧i欧i i欧h i欧 欧v欧 排放物 1 9 9 21 9 9 62 0 0 02 0 0 5 2 0 0 82 0 1 3 c o g l ( m 4 54 0 0 2 1 01 5 01 5 01 5 0 t h c g l ( 、h 1 1 01 1 00 6 6o 1 30 4 60 4 6 n m h c g l ( 、h 待定 c h a g k w - h 待定 n o x眺、糯 8 0 07 o o5 0 0 3 5 02 0 00 4 0 e s c p m g l ( m 3 6 00 1 5o 1 00 0 2o 0 20 0 1 n h 3 g k w h 2 51 0 p n 个k m待定 c o ，f c g l ( m待定 n 0 2g & w h待定 表1 6e t c 循环各个阶段的排放限值 欧i欧i i欧i i i欧欧v欧 排放物 1 9 9 21 9 9 62 0 0 02 0 0 52 0 0 82 0 1 3 c o g l ( w h 5 4 04 0 04 0 04 0 0 t h c g k w h o 1 6 n m h c g k w h o 7 80 5 5 0 5 5 c h 4 g l ( 、h 1 6 0 1 1 01 1 0 n o xg 瓜m 5 0 03 5 02 0 00 4 0 e t c p m g 瓜w h 0 1 60 0 l 0 0 3o 0 3 n h 3g 瓜m2 51 0 p n 个k m 待定 c 0 2 ，f c g 爪w h 待定 n 0 2 g k w h 待定 8 武汉理- 1 二人学硕士学位论文 1 3 3 日本体系 日本在2 0 世纪8 0 年代末推出新的发动机排放标准。日本的排放标准在整个 9 0 年代限值比较宽松。m o e 在2 0 0 3 年定稿的2 0 0 5 年开始实施的轻型和重型车 辆排放标准，限值明显加严。2 0 0 5 年重型排放标准( n o x = 2e k w h ，p m = 0 0 2 7 g k w h ) 是当时世界上最严格的柴油车排放法规。在2 0 0 9 年，执行的限值更加 严格( n o x = 0 7g k w h ，p m = 0 0 1g k w h ) ，这已经达到美国2 0 1 0 年和欧v 阶段 限值的要求。 日本的排放限值规定了两个数值，即平均值和最高值，任何单车或发动机的 排放量不能超过最高值，在规定期间( 如3 月) 工厂按一定百分比抽检某一批车 或发动机，所测得排放量的平均值不能超过限值规定的平均值。新生产的重型商 用柴油车排放标准见表1 7 ( 发动机排放测试在测功机上进行) 。 表1 7 重型商用柴油车排放法规 c oh c n o x p m 日期测试循环 单位 平均( 最大)平均( 最大)平均( 最大)平均( 最大) d i ：4 0 0 ( 5 2 0 ) 1 9 8 8 8 96 工况 p p m7 9 0 ( 9 8 0 )5 1 0 ( 6 7 0 ) i d i ：2 6 0 ( 3 5 0 ) d i ：6 0 0 ( 7 8 0 ) 1 9 9 4 7 4 0 ( 9 2 0 )2 9 0 ( 3 8 0 ) 0 7 0f o 9 6 ) i d i ：5 o o ( 6 8 0 ) 1 9 9 7 3 1 3 工况 7 4 0 ( 9 2 0 ) 2 9 0 ( 3 8 0 ) 4 5 0f 5 8 0 )0 2 5f o 4 9 ) 2 0 0 3 b g k w h 2 2 2o 8 73 3 8 o 1 8 2 0 0 5 。2 2 2 0 1 7 d 2 00 0 2 7 j e 0 5 循环 2 0 0 92 2 2o 1 7 d0 70 0 1 a 一1 9 9 7 ：g v ws3 5 0 0k g ；1 9 9 8 ：3 5 0 0 1 2 0 0 0 起；b 一2 0 0 3 ：g v w s1 2 0 0 0k g ；2 0 0 4 ：g v w 1 2 0 0 0k g ；c 一2 0 0 5 年末全面实施：d 一非甲烷碳氢 现在日本重型发动机采用1 3 工况循环，以代替原来的6 工况试验循环。该 工况包括1 3 个稳态工况，排放结果用g k w h 表示。测试强调在低速行驶工况， 工况控制在低的发动机负荷和低的排气温度下。发动机燃料不同，各工况加权系 数也不同。柴油机试验循环见表1 8 所示。 表1 8 柴油机1 3 工况循环 - f 况号 转速规范值( ) 扭矩规范值( )加权系数 l 怠速o 4 1 0 2 2 4 0 2 0 0 0 3 7 34 0 4 0 0 0 2 7 4 i d l e0 4 1 0 2 9 武汉理工大学硕士学位论文 56 02 00 0 2 9 66 04 00 0 6 4 78 04 00 0 4 1 88 06 00 0 3 2 96 0 6 0 0 0 7 7 1 06 08 00 0 5 5 1 16 09 50 0 4 9 1 28 08 00 0 3 7 1 36 05 0 1 4 2 日本2 0 0 5 年的排放标准采用新的j e 0 5 排放测试循环f 2 引，此排放测试循环 适用于汽车总重大于3 5 0 0 k g 重型车辆。图1 4 为j e 0 5 试验循环，该循环是基于 东京的实际路况，适合重型柴油机和重型汽油机试验循环。试验循环大约1 8 0 0 s ， 平均时速为2 6 9 4 k m h ，最大时速为8 8 k m h 。 1 3 4 我国的排放法规 图1 4j e 0 5 试验循环 由于世界3 大排放标准体系中，欧洲立法在限制的松严程度等方面更适用于 我国的实际情况，而且道路交通状况和车辆状况也与我国较一致，我国在充分吸 取欧美的经验后，全面等效采用了欧盟( e u ) 指令、e c e 技术内容和部分前欧 共体( e e c ) 法规，形成了中国排放法规体系。与欧盟的主要区别是在各限值在 实施时间上有所不同，表1 - 9 为中国和欧洲在各排放阶段的执行时削2 们。 表1 - 9 中国重型柴油机排放标准与欧洲标准的实施同期 法规欧i欧i i 欧i i i欧欧v 欧 欧洲1 9 9 21 9 9 62 0 0 0 2 0 0 52 0 0 8 2 0 1 3 中国2 0 0 02 0 0 32 0 0 7 2 0 1 02 0 1 2 未知 1 0 武汉理t 大学硕十学位论文 我国最早在1 9 8 3 年颁布实施了第一批机动车污染物排放标准，包括柴油车 自由加速烟度排放标准及测量方法和柴油车全负荷烟度排放标准及测