（车辆工程专业论文）车用发动机动态排放模拟计算及试验技术研究.pdf

摘要 摘要 目前，排放法规不仅要求进一步降低发动机污染物排放限值，而且要求发动 机采用更加严格的动态排放测试循环，因此发动机动态排放测试研究受到了越来 越广泛的关注。 本课题结合某国家机动车产品质量检测中心项目，在该中心先进的排放认证 测试系统( h o r i b a 公司的c v s 7 4 0 0 t 取样系统及m e x a7 2 0 0 d e g r 废气分析系统) 的基 础上，开发该系统在排放研究领域的应用，使其具备研发、认证双重功能。 本课题首先根据国家标准对发动机动态运行要求以及发动机的实际运行特 点，制定了一系列能够反映发动机动态排放特性及排放测试系统响应特性的试验 工况。该试验设计采用正交试验设计方法，合理减少了试验次数，同时又不影响 试验结果的可靠性。 本课题同时设计多个试验方案：一是定容稀释取样，二是直接取样。其中， 直接取样还包含了两套方案，即分别在排气管路不同的位置上布置2 个取样口进 行试验，研究取样位置对测试系统响应的影响。 本课题最重要的研究内容之一，就是对上述试验方案的试验结果进行数据处 理、分析。第一，研究测试系统在发动机动态工况下的响应特性，分析发动机工 况( 转速、负荷及其变化率) 对系统的响应的影响，同时建立各套试验方案系统响 应时间物理模型对动态排放测试结果加以修正。第二，研究发动机动态排放特性， 定性、定量上分析动态运行工况对发动机不同排气污染物排放浓度的影响，并将 定容取样稀释后排气浓度转化为稀释前浓度，然后与直采结果进行对比，分析不 同取样方式测试结果的一致性。研究结果表明，n o l 、t h c 的响应时问约为6 s ，c o 的响应时间约为1 6 s 。通过系统响应物理修正，本测试系统能够实时测量发动机 动态工况的排放值。 最后，本课题还利用c r u i s e 软件进行车辆( 发动机) 动态排放模拟计算。包括： 第一，建立c r u i s e 模拟计算模型；第二，根据发动机运行工况，设定整车运行工 况；第三，进行模拟计算，并将模拟计算结果与测试结果作对比。 关键词：发动机动态排放测试定容取样( c v s ) 直接取样模拟计算 a b s t r a c t d u et os t r i c t e rv e h i c l ee m i s s i o nr e g u l a t i o n sa p p l i e di nm a n yo fc o u n t r i e si nt l a e w o r l dw l f i e hr e q u i r en o to n l yl o w e rl i m i tv a l u eo fp o l l u t a n tm a t e r i a l sb u ta l s ol n o l c s t l i n g c n td y n a m i c a ie m i s s i o nt e s tc y c l e sf o rv e h i c l eo ri o n g j n c , m o r ca n d i n o l e a t t e n t i o l la i ep a i dt ot l a cd y n a m i c a le m i s s i o nr e s e a r e l af o re l x g i n c t h i sp a p e r , c o m b i n e dw i t ht h er e s e a r c hp r o j e e to fs h a n g h a im o t o rv e h i c l e i n s p e c t i o nc e n t e r ( s m v l c ) ，h a dd o n eal o to fr e s e a r e l aw o r ko nt h ef i e l do fd y m l i e e m i s s i o nt e s t0 1 1e n g i n e t h i sr e s e a r c hw o r ki sb a s e do n t h ea d v a n c e dd y n a m i ct e s t b e n c ha n dc x l m u s t e dg a ss a m p l i n ga n da n a l y z i n gs y s t e m ( s c h e n k sd y n a s 2 - 4 0 0 d y n a m o m e t e r , h o r i b a sc v s 7 2 0 0 ts a m p l i n gs y s t e ma n dm e x a7 2 0 0 d e g r a n a l y z i n gs y s t e m ) t h i sp a p e rf i r s tm a d co u ts e r i e so ft e s tc y c l e sw h i c hc a nr e f l e xe n g i n ed y n a m i c e m i s s i o nc h a r a c t e ra n dt e s ts y s t e mr e s p o n s ec h a r a c t e ra c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so ft h e t e s t e de n g i n ea n dt e s ts y s t e m t h e s et e s tc y c l e si n c l u d ee n g i n es p e e d 0 1 t o r q u ej u m p c y c l e s , e n g i l l es p e e do ft o r q u ec h a n g ew i t ht e s tt i m ea td i f f c r e n te o n s t a n d 糟t c s w h i l c k e e p i n go t h e rt e s tc o n d i t i o n sn o tc h a n g e d a l lt h e s et e s tc y c l e sa l r ed e s i g n e db y o r t h o g o n a le x p e r i m e n td e s i g nt h e o r yw h i c h c a l lr e d u c ee x p e r i m e n tn u m b e r c o n s i d e r a b l yw i t h o u ta p p a r e n ti n f l u e n c e o l lt h et e s tr e s u l t s t h e s er c s c a r e l aa l s oc h o o s e3d i 珏e r c n te x p e r i m e n ts e h c m c $ f o re x h a u s t e dg a s s a m p l i n gh i c a n s , c o l a s t a n tv o l u m es a m p l i n g ( c v s ) , d i r e c ts a m p l i n g w i t h2d e f t e r e n t s a m p l i n g l o c a t i o n so ne x h a u s tp i p et om a k ec l e a rw h a td i f f e r e n ti n f l u e n c e st h e s e s a m p l i n g a l r l sh a v eo l lt h et e s ts y s t e mr c s l d o s et i m e a n o t h e ri m p o r t a n tp a r to ft h i sp a p e ri st od i s p o s et h et e s td a t aa n dm a k ea n a l y s i st o i t f i r s tt e s ts y s t e mr e s p o n t i m et od i f f e r e n te x l a a u s t e dg a sc o m p o s i t i o n si sa n a l y z e d a n ds u m m a r i z e du n d e rt h e s e3d i f f e r e n te x p e r i m e n ts c h e m e s s e c o n d l y ，t l a ee m i s s i o n c o n c e n t r a t i o nc h a n g e so fp o l l u t a n tm a t e r i a l sa i ca l s od i s s e u s e di nt h i sp a p e rn o to n l y i nq u a l i t a t i v eb u ta l s oi nq u a n t i t a t i v et r a d e rd i f f c t c n ta y o a m i et e s tc y c l e s a tl a s t , t h i sp a p e ru s ec r u i s es o f t w a r ef o rs i m u l a t i o nc a l c u l a t i o nt od y n a m i c e m i s s i o nr , e r f o r m a e co ft h i st e s te n g i n et m d c rg i v e nt e s te y e l c s k e yw o r d s ：e n g i n e ，1 ) y n a m i e a le m i s s i o nt e s t , c o n s t a n tv o l u m es a m p l i n g , d i r e c t s a m p l i n g , s i m u l a t i o n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：孑0 1 吖月 日 第1 章绪论 1 1 选题背景 第1 章绪论 随着机动车辆保有量的急剧增加，由汽车尾气排放引发的环境问题日益严 重，为了缓解这些问题，促进经济、社会与自然环境协调发展，世界各国正在制 定和实施越来越严格的排放法规，以控制汽车尾气污染。在这一背景下，汽车尾 气污染物排放的研究，引起国际社会和学术界的普遍关注，降低尾气污染物的排 放，已成为汽车和内燃机工业亟待解决的课题之一。与此同时，电子、计算机及 控制技术的飞速发展为发动机工作过程模拟技术与发动机测试技术的发展提供 了契机和新方法。发动机排放技术的研究与测试方法已经全面进入计算机控制与 计算机模拟时代l u 。 我国在汽车发动机动态排放测试及模拟计算方面的研究起步较晚。2 0 世纪 8 0 年代以来，国内高校及研究所陆续开展了一些研究工作，并取得一定成果， 但还有许多问题没有得到全面解决，尤其汽车动态行驶过程中排放性能的研究， 在相当大程度上还只能依靠经验进行处理1 2 1 。 1 2 国内外研究现状及发展动态 内燃机由于其优良的动力性和经济性，而广泛应用于国民经济的各个领域， 是目前世界上最主要的动力源。同时，发动机尾气排放也是当今社会的环境公害 之一，尾气的主要有害成分，n o , 、h c 和c o 及固体颗粒物，直接危害人体健康【4 j 。 因此，欧洲、美国和日本，自1 9 7 1 年起先后颁布了众多有关废气排放的环保法规， 各研究机构和制造商在废气的组成成分、测试技术( 设备与方法) 、废气的生成机 理与废气的净化处理( 预处理和后处理) 等方面进行了大量的研究，并取得了成 效。 随着世界各国排放法规的强化，国内外研究机构都在探寻对各种发动机废气 进行实时检测的方法，并取得了飞速发展，这对了解废气的成因以及如何降低废 气排放的研究有巨大的推动作用。以下就对近来世界各国在这方面研究现状及发 展动态进行介绍。 1 2 1 国外研究现状及发展动态 第1 章绪论 目前欧洲所实施的欧排放法规，除了加强对主要排放物n o i 、颗粒物限值 的控制外，还在动态测试循环上提出了更加苛刻的要求，因此各大发动机生产制 造商、研究机构不得不加强对发动机动态工况排放模拟计算及测试技术的研究。 在发动机模拟计算方面，国外汽车界做了大量研究，已建立比较完善的排放 计算模型，并相继开发出许多实用的模拟仿真软件。使用这些程序在样车制造前 就能较准确地对汽车排放性、动力性及燃油经济性进行预测，并可以根据测试工 况的变化，有效地模拟发动机动态排放特性。其中，a 、，l 公司开发的c r u i s e 软件 就是一个杰出代表，该软件在国内外都得到广泛应用，反应效果良好1 6 1 1 。 在发动机测试技术方面，国外研究机构也取得了突出的成就。各种新型的废 气分析设备、仪器及先进的测试方法相继被开发出来，并得到广泛认可【2 】。 1 ) n o , 的实时测量 英国剑桥大学( c a m b r i d g eu n i v e r s i t y ) 和c a m b u s t i o n 公司( e a m b u s t i o n l t d ) 联合开发出一种新型快速响应n 0 。探测器f n o a 0 0 ，并已用于n 0 。的缸内实时连续检 测。它是基于化学发光原理而开发出来的，利用这种方法可以直接对发动机的缸 内或废气中n 0 。的空间和瞬态分布进行测量。f n o a 0 0 快速化学发光仪器是由快速 响应f i d 发展而来的，两者的主要区别在于，该装置中化学发光仪器采用光纤将 信号传输给光电倍增管，而f i d i o 是用离子收集器，因而该装置的信号传输时间 缩短，减少了时间损耗，具有极好的动态响应特性。如该仪器排气成分9 0 响应 时间为3 5 m s 【2 l 。 2 ) h c 的实时测量 p e t e rk r e m p l 和w 0 1 f g a n gs c h i n d l e r 提出一种在0 1 s 时间内测出废气中黑烟 和h c 质量的方法。这种方法的物理基础是光学衰减，测量通常在远红外区进行。 此方法除了普通光学方法的优点之外，还有以下几个优点： 长波出现在红外区，质量系数的衰减与柴油机颗粒是相对独立的； 废气颗粒的远红外射线的分散对远红外衰减的影响可以忽略，可溶有机微粒 的变化会影响可见辐射的衰减信号，但并不在红外区； 频带集中在红外区，且为常数，不受可溶成分的影响。远红外衰减仪采用连 续或稳定样品流从未稀释排气口进入。由这一方法测量得到的质量与传统的 重力仪测量的方法比较，重力探测仪通常用来测量不可溶有机成分和可溶有 机成分( s o f ) 的质量。它通常通过过滤器的前后称重来得知质量，并用c h 2 c 1 2 除去有机可溶物质。当数据率为i o h z 时，该仪器能够测量的灵敏度l m g m 3 的不可溶有机成分和5 m g ，m 3 的总碳氢。该测量装置可以达到5 0 h z 的数据率， 但通常l o h z 的数据率对于观察瞬态燃烧过程已经足够了1 2 】。 3 ) 多种废气成份的实时测量 2 第1 章绪论 飞行时间质谱系统( t o f m s ) 是一种有希望广泛用于发动机瞬态测量的仪器， 该方法的研究已得到了国内外研究者的重视。t o f m s 是种动态分析系统，它有无 限的质量分析范围，分析速度极快，可达1 0 0 k h z ，完全可以满足废气实时分析的 需要。废气通过进样装置将油滴、微粒等x t t o f m s 性能有影响的物质除掉，然后 进入飞行时间质谱系统，由t o f m s 中的离子源将废气中各组份轰击成碎片离子， 离子的初始动能基本相同，而质核比( m q ) 不同，导致飞行速度不同，m q 大的粒 子速度小，m q d 的离子速度大，因此离子飞行一固定距离所需要的时问随离子q 不同而异，这样离子按m q 顺序分开。离子检测器测量出离子信号，获取离子谱 图，并送入到前置放大器中。t o m f s 的采集速度极快，可以达到纳秒级，所以为 了适应t o f m s 的快速性能，必须配备高速采集系统。 采用质谱分析法，检测内燃机排气成分，在理论上具有简便、灵敏度高和可 以同时检测多种危害性分子或离子基的优点，弥补了现行内燃机检测方法的不 足，适应了进一步严格控制内燃机危害性排气成分的需要。飞行时间质谱仪可实 现达到纳秒级的瞬态跟踪测量，同时它的每个工作周期可获得全质谱谱图，是一 种颇具潜力的排放成分动态分析检测手段【切。 日本h o r i b a 公司研制了一种利用软电离进行工作的质谱系统，用于快速测量 发动机排气成分中的有害性气体成分，如：s 2 0 ，h 2 s ，n o x 等。据报道这种测量 仪器的响应时间可以达到1 0 6 5 0 0 m s ，并且具有较高的灵敏度。 4 ) 微粒的瞬时浓度的测量和估算 j a p a r 和s z k a r l a t 提出了一种可以实时检测微粒的方法。这种方法是从微粒 总量与布置在稀释过的废气中的c e l e s c o 消光式烟度计的测量值之间的相互关系 得到的，即微粒的基本碳质量部分的光吸收控制着废气中的光衰减值。在这个基 础上得出碳质量与烟度值之间的关系式。c h a 等人建议用消光式烟度计和两个布 置在稀释过的废气中的氢火焰离子检测器来连续检测微粒中的碳和有机碳。据研 究，这种方法与采用稀释通道测量方法有很好的吻合性。 皇家科学院的a r c o u m a i n s 等人在涡轮增压直喷式柴油机的研究中，将在稳态 工况下得到的微粒、烟度、未燃h c 关系式运用于瞬态的微粒排放物的估算。他们 的试验设备包括一台消光式烟度计和一台快速响应f i d 。在原始废气中利用b o s c h 烟度计和c e l e s c o 消光式烟度计测量烟度，用稀释微粒通道测量微粒，稀释比由 从原始废气中测量的n o 。和从稀释废气中测量的n o , 决定。在微粒通道中布置了两 台微粒抽样过滤器和一台背景过滤器。每次测量前后都用微重天平称重过滤器。 试验温度为2 5 0 ，1 个标准大气压。原始废气中未燃h c 用h f r 4 0 0 快速响应f i d 测 量，它的采样管很短因此有利于高频响应。n o 。浓度用s i g n a l4 0 0 0 化学发光分析 仪测量，稀释率由稳态情况确定，同时矫正n o , 信号的变形。根据实验他们得出 3 第1 章绪论 了六缸增压柴油机上的微粒质量浓度p 。和烟度以、h c 浓度p u c 排放之间的关系 如式1 1 。 p 。1 0 4 4 p , + 0 7 8 4 p ( 1 1 ) 式中：p 。、以、p s c 一微粒质量浓度、烟度、h c 浓度，m g m s 在自然吸气发动机和涡轮增压发动机上做的实验，所得到的消光度和相应的 b o s c h 烟度，都与g r e e n 和w a l l a c e 提出的关系式很吻合，因此利用消光度和相应 的b o s c h 烟度中的任意一个都能计算出微粒中碳的数量。利用c e l e s c o 消光式烟度 计和快速响应f i d 分别测量烟度和h c ，再依据上式估算出涡轮增压发动机中实时 微粒排放。c e l e s c o 消光式烟度计可以连续输出，能够满足瞬态测试灵敏度的要 求和响应速度的要求，快速响应f i d 也能连续给出测量值，非常适合于测量发动 机废气中的瞬态h c 排放。由于瞬态响应的持续时间远比稳态响应的时间小，过滤 器上收集到的瞬态微粒较小，因此便产生一个问题即如何精确的称重滤纸。为解 决这个问题，收集微粒应在瞬态响应开始之前的几分钟进行，并在完成几分钟结 束。额外时间收集到的微粒可以从静态测量中得到，并从总重中减去即可，这样 瞬态环境下微粒的测量具有较高的精度。 从上面的介绍可以看出，微粒的动态测试已取得了不小的进展，提出了各种 切实可行的方案，但是在n o l 、h c 、c o 的分别检测和各组分的同时检测方面还需 进一步加强研究。此外，以上介绍的装置均为大型试验型设备，不便广泛推广， 所以在实现装置的实用化、小型化方面还要做很多工作【3 l 。 1 2 2 国内研究现状及发展动态 我国在2 0 世纪8 0 年代末才开始进行发动机动态排放方面的研究，且动态排放 测试分析设备全部依赖进口。由于价格极其昂贵，因此只有少数研究机构有能力 购买，而且设备使用状况不佳，排放检测分析设备的动态测试功能还未能完全开 发，设备用途单一，利用率不高。其他国内汽车、发动机制造商则受测试手段及 计算模拟手段的限制，基本上还依靠稳态测试台架，并依靠积累的经验数据和反 复测试的结果进行设计、匹配。该过程效率低、费用高，同时具有一定的盲目性 和局限性。由此可见，目前国内汽车、内燃机行业与国际先进水平存在一定差距， 降低汽车废气排放及排放测试技术方面的研究还未全面展开，存在一定滞后l l 】 可喜的是，随着更加严格的动态排放测试循环的实行，汽车行业对测试单元 提出了更高的要求。我国进一步开放汽车整车及零部件市场，许多国际知名的汽 车制造企业、发动机制造商、技术咨询公司以及发动机系统零部件供应商纷纷在 中国建立独资或合资公司，很大程度上带动了国内汽车、内燃机行业技术水平的 发展，计算机模拟技术已初步得到应用，并显示出优越性。 4 第1 章绪论 从发展趋势看，随着我国政府及公众环保意识的增强和环保法规力度的加 大，建立以排放性能为约束条件、综合考虑动力性和燃油经济性的整车评价体系 将成为重要的研究方向。发动机动态工况排放测试技术、有效降低动态工况的捧 放值也开始提上排放控制研究的议程。但由于国内在排放动态测试方面的研究才 刚刚起步，因此，如何吸取和应用国外的先进经验，成为国内排放测试研究者面 临的首要问题。 1 3 本课题研究的必要性、目的及意义 1 3 1 国家排放法规对发动机( 汽车) 动态排放测试的要求 研究发现，发动机( 汽车) 在动态工况下的排放性能与稳态下的性能有很大不 同。动态工况下，由于发动机各系统的响应影响，发动机的排放性能明显恶化。 因此，各国政府制定出的排放法规逐步加紧对发动机( 汽车) 动态工况排放的限 制。例如，针对轻型车辆，有欧洲经济委员会颁布的e c e l 5 + e u d c 循环工况、美 国的f t p 7 5 和h i g h w a y 循环工况；对重型车用发动机，欧洲排放法规制定了欧洲 瞬态循环e t c ，美国排放法规制定了美国瞬态循环u s a t c ，日本排放法规则规定 日本瞬态循环j t c 等。 下面将以我国的排放法规为例，介绍排放法规对发动机( 汽车) 动态工况排放 性能的要求。 1 3 1 1 国家掉放法规对轻型车动态测试循环及测试方法的要求 1 ) 测试循环 对于3 5 吨以下车辆，国标g b1 8 3 5 2 3 - - 2 0 0 5 轻型汽车污染物排放限值 及测量方法( 、) 中规定需要在转鼓试验台上进行动态工况试验来测量污染 物的排放值，其测量标准工况采用n e d c ( 参考欧洲的e c e l 5 + e u d c ) 循环工况【6 9 l ， 如图1 1 所示。 | | 卜一- c - 一广_ 、厂j n凸n ，、，u 、 f气门u ，。 l t 厂 7 几怵 n n 图1 in e d c 循环工况图 5 帅 钟 帅 o 2 j 一- * 第1 章绪论 2 ) 测试方法及测试系统 排气取样系统应能抽取被测汽车排气污染物的真实排放量。应该采用定容取 样系统( c v s ) 。这种系统要求将汽车的排气在控制的条件下用环境空气连续稀 释。定容取样系统的测量中，应满足两个条件：应测定排气与稀释空气的混合气 的总容积，并按容积比例进行袋采，连续收集样气。 排气污染物的质量由样气浓度确定，而样气浓度则根据环境空气中的污染物 含量和试验期间的总流量加以修正。 颗粒物的排放水平是使用合适的滤纸，在整个试验过程中，从按比例的部分 流量中收集到的排气成分加以确列6 9 j 。 1 3 l2 国家捧放法规对重型车用发动机动态排放测试循环及测试方法的要求 1 ) 测试循环 对于3 5 吨以上车辆，国标g b1 7 6 9 i - - 2 0 0 5 轻型车用压燃式、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、v 阶段) 规定 只要进行发动机台架测试，测量发动机捧气污染物的排放量即可。其测试循环按 照法规实施的不同阶段有所不同。 第阶段进行型式核准的传统柴油机，对于安装了先进的排气后处理装置包 括n o i 催化器和( 或) 颗粒物捕集器的柴油机，应附加e t c 试验规程测定排气污染物 ( 图1 2 ) 。第、v 阶段的型式核准试验，均应采用e t c 试验规程测定其排气污染 物 6 a l 。可见，瞬态测试循环( e t c ) 在将来重型车用发动机排放测试循环中将占据 越来越重要的位置。 图1 2e t c 测试循环 6 第1 章绪论 2 ) 测试方法及测试系统 排气取样应采用定容取样系统( c v s ) ，在规定的瞬态试验循环期间，发动 机的全部排气用经过调节的环境空气稀释，并从经过稀释的排气中取样，测量排 气污染物。使用测功机的发动机扭矩和转速的反馈信号，积分计算循环时间内的 发动机的输出功率。通过分析仪的积分方法测量整个循环中的n 0 。和h c 浓度；c 0 、 c 也和n 姗c 浓度，可以通过分析仪的积分方法或袋取样的方法测量；颗粒物通过 用适当滤纸按比例收集样品。应测量整个循环过程的稀释排气的流量，用于计算 污染物的质量排放值1 6 s l 。 1 3 2 发动机动态排放性能研究对测试系统的要求 根据排放法规要求，一般是按比例对整个动态测试循环的总稀释排气进行袋 采取样，然后再测量样气中污染物的平均浓度。可见，这样的测试结果是对整个 测试循环动态性能的综合评价，并不能反应特定工况下，发动机( 汽车) 的排放性 能。 为了有效降低排放，测试结果必须明确指出发动机的高排放区，从而有效降 低该工况区域的排放值。因此，降低排放研究要求测试系统能够连续地对发动机 排气成分进行分析；其次，该系统还应有良好的动态响应特性。 1 3 。3 本课题的研究目的 1 ) 开发现有发动机高动态试验台架、排放测试分析设备应用功能，拓展其应用 领域，使其具备认证、研发双重功能。 目前，高性能的光学仪器是测试发动机动态排放性能的最佳设备。光学测试 仪器具有响应速度快、灵敏度高等优势，但与现有的设备可能存在重置问题。 某机动车检测中心拥有标准法规规定的定容稀释系统( c v s ) 及废气分析仪 器，可以连续对发动机排气进行分析。由于取样系统非常复杂，排放气体流经的 管路较长，所以动态测试过程会有较大的响应延迟，必须对其进行物理修正。 因此，本文根据该中心具体的测试条件，通过广泛的试验研究，建立排放物 测试系统延迟物理模型，对其进行必要的物理修正，使其具备一定的动态排放测 试性能，初步满足动态排放研究测试需求。这样就避免了设备的重复购置。 2 ) 研究汽车、发动机的动态排放性能。通过大量的台架试验，研究发动机转速、 负荷及其变化等因素对其排放性能的影响。 1 3 4 本课题的主要研究内容 7 第1 章绪论 1 ) 理论研究：动态排放影响因素分析( 主要指发动机运行工况，如转速、负荷及 其变化率) ；动态排放测试台架的动态性分析，如采样方式( 直采或稀释采样) 、 采样口位置对测试结果的影响。建立合理的物理模型对测试系统的响应进行物理 修正，使其满足基本的开发需求。 2 ) 应用研究：本课题在某国家检测中心先进的排放认证测试系统的基础上，开 发该系统在排放研究领域的应用，使其具备研发、认证双重功能。同时，应用商 用软件进行排放模拟计算，将计算结果与试验实测结果对比，研究模拟计算结果 与试验结果的一致性。 3 ) 试验研究：动态排放试验设计( d o e ) 、实施试验及试验数据处理；对测试方法、 测试结果及测试精度进行评价并加以改进。 1 3 5 本课题研究的意义 1 ) 理论意义 研究发动机动态运行过程中的动态变化率对主要排放污染物排放量的影响及 其与稳态计算的差异，找出两者之间的规律。 对发动机动态排放测试技术( 尤其系统性、动态性) 进行系统地研究，为该测 试方法的动态响应特性、测量准确性、可行性提供理论依据。 从理论上分析c r u i s e 软件所采用的物理、数学模型在理论上的合理性及可行 性，这将有助于强化工程技术人员在模拟软件使用过程中对深层次物理、数 学模型的认识。 2 ) 实用价值 本课题为开发环保型发动机提供必要的开发、测试手段。通过对发动机动态 排放性能的测试，找出排放比较高的工况并对其进行优化，有效地降低发动 机有害污染物的排放量。 本课题拓展c r u i s e 的应用领域，利用软件模拟结果，比较准确地对汽车排放 性、动力性及燃油经济性进行预测，并可以根据测试工况的变化有效地模拟 发动机动态排放特性，然后指导发动机系统的参数优化，改善发动机的性能 指标，减少开发试验的重复性，从而有效降低开发成本。 8 第2 章发动机主要捧放污染物及测试系统 第2 章发动机主要排放污染物及测试系统 2 1 发动机主要排放污染物的生成机理及影响其生成的主要因素 汽油机排气中最主要的污染物有c o 、h c 、n 0 l ；对柴油机而言，还有固体颗 粒( p m ) 。 2 1 。1 发动机主要排放污染物的生成机理 1 ) 一氧化碳( c o ) 一氧化碳c o 是一种有毒气体，是碳氢化合物燃料在燃烧过程中生成的主要 中间产物。碳氢化合物经氧化过程最后生成二氧化碳c 0 2 ，而c o 的生成是此过 程的一个重要的中间步骤。c o 的生成量主要取决于燃料的氧化程度，即取决于 氧浓度、反应气的温度以及化学反应所占的时间嗍。 2 ) 碳氢化合物( h c ) 汽油和柴油不完全燃烧除产生c o 外，还可能有未燃尽的h c ；发动机换气亦 要排出一部分烃类化合物；燃料油箱、化油器以及加油站，均可能漏损一些挥发 性烃类化合物( v d c ) 。这些h c 进入大气中与n 仉混合，在阳光照射下，生成基 态的臭氧，是光化学烟雾的主要成分嗍。 3 ) 氮氧化物( n o i ) 氮氧化物n o i 是一氧化氮与二氧化氮的总称，n o i 是空气中的氮气在燃烧室 高温条件下氧化生成的。可见，高温、高压、富氧是n o x 生成的必要条件。发动 机的n o 。排放值随进气温度的升高而增加、随最高燃烧压力的升高而增加、随排 气背压的升高而增加。因此，降低n 仉的排放一般从发动机的最高燃烧压力、进 气温度、排气背压这三个方面着手，进行分析研究1 7 3 j 。 4 ) 颗粒物( p m ) 颗粒物( p m ) 是柴油发动机的主要排放物之一。颗粒物以炭颗粒为核心，其上 吸附和凝聚了多种有害化合物，其中许多是致癌性物质。因此，对p m 的成分进行 定性和定量分析，追溯其生成原因，是降低和消除有害排放的需要，同时也是排 放法规的要求。 由于柴油机采用扩散燃烧方式，这就决定了柴油机产生微粒是不可避免的。 但是已生成的碳烟和微粒，只要能遇上足够的氧化氛围和高温，也会发生氧化反 应，其浓度减小甚至完全被氧化掉。因此降低柴油机微粒、碳烟的指导思想就是， 9 第2 章发动机主要捧放污染物及测试系统 燃烧前期应避免高温缺氧状态，以减少微粒生成；而燃烧后期应保证高温富氧和 加强混合气绕流强度，以加速碳烟的氧化f 1 4 1 。 2 1 2 影响排气污染物生成的主要因素 1 ) 过量空气系数 对汽油机而言，过大或过小的过量空气系数都会导致c 0 、h c 上升。当中= 1 附近时，h c 浓度达到最低。而n 0 。的浓度与h c 、c o f l u 好相反，中= 1 1 附件时，n o , 生成量最高，过稀、过浓都会降低。对于柴油机，在稀薄的混合气或残余气体较 多时，火焰传播速度慢，到排气门开启时燃烧尚未完成，使排出气体中h c 、c o 增多例。 2 ) 喷油或点火提前角 大量的研究表明，大部分n o , 都是在预混合燃烧期形成的。滞燃期越长，则 在滞燃期内喷入燃烧室的燃料就越多，在着火前形成的预混合气就越多。通常， 供油提前角对n o , 的排放性能有明显的影响，在转速、负荷不变工况下，n 0 l 排放 随着供油提前角增大而大幅提高1 6 j 。 3 ) 燃烧室结构 燃烧室紧凑，其面积容积之间的比值小，散热小，壁温高，则h c 浓度小。压 缩比大，燃气温度高，因此n o i 排放高。 4 ) 发动机运行工况 运行工况不同，发动机过量空气系数中和燃烧温度不同，因而造成有害排放 物的生成量不同。有经验表明，其他条件不变工况下，发动机转速越高，c 0 生 成量越大。这是因为c o 的生成量主要取决于燃料的氧化程度，即取决于氧浓度、 反应气的温度以及化学反应所占的时间；而化学反应所占的时间又由发动机的转 速决定。其次，汽车在加速和高速行驶时，由于燃烧温度高，所以n o , 的排放浓 度较高。另外，c o 在怠速时排放浓度较高，这是因为此时的空燃比偏浓，同时 怠速时的温度较低以及残余废气系数也较蒯矧。 发动机低负荷工作时，混合气体被较多的残余气体稀释直至熄火，h c 的含 量也会增加。 5 ) 大气环境状况 进气温度高，n 0 。排放提高，增压发动机常用中冷以抑制n o 。的排放；进气压 力下降，n o 。减p j x ；空气湿度大时，由于水蒸气的热容大，火焰温度低，n o , 排放 减小，稀薄混合时减小更为明显1 6 】。 2 2 发动机排气污染物测试系统 第2 章发动机主要排放污染物及测试系统 发动机排放污染物的测试系统一般包含3 个部分，发动机运行台架、发动机 排气取样系统及排放成分分析系统。第一，由于发动机( 特别是车用发动机) 的使 用条件随具体工况变化很大，要在实验室内尽可能真实地模拟发动机的实际使用 条件，需要复杂的工况模拟设备( 主要指测功机) 。第二，发动机的排气流动随工 况变化而变化，特别是动态工况下，其流动特性非常复杂，所以需要精确的取样 系统。第三，发动机有害污染物的排放浓度一般都很低，因此要求测量设备有很 高的测试灵敏度及精确度。 由于发动机台架是发动机实验室测试的通用设备，这里不再赘述。本节将介 绍各国排放法规限定的汽车主要排气污染物c 0 、h c 、n o , 、颗粒物p m 等的取样系 统与排气成分分析系统的组成及工作原理。 2 2 1 取样方法与取样系统 在柴油发动机排放物检测中，除了气体排放检测外，还要进行微粒排放检测。 正确测定柴油机排放中污染物的含量必须要有正确采集这些样气的方法和取样 系统。目前，各国在发动机排气检测中，主要采用直接取样法和定容取样法两种 取样方法。 2 2 1 1 直接取样法 所谓直接取样就是将测头插入内燃机的排气管内直接采集一部分排气的方 法，作为标准取样方法之一，现在已在各国排气法规中使用。但是直接取样法存 在下列问题： 取样管路的吸附现象会造成比较大的测量误差。 为除去样气中的水蒸气，在取样系统中装有冷凝器等装置，但冷凝的结果又 容易使排气中高沸点的物质凝聚。 由于管路的吸附作用以及排气中的一些成分溶解于凝结了的水中等原因，也 容易产生测量误差。 用直接取样法取样时所测的排气各成分浓度，若要换算成汽车单位行车距离 排出的有害气体重量，其计算比较复杂。 尽管存在上述各种问题，直接取样法却是最为简单的一种取样方法，也是一 种应用最为广泛的取样方法。特别是对发动机动态排放性能的研究方面，由于系 统结构组成简单，因而有很好的动态性【3 2 1 。 2 2 1 2 稀释取样系统 为了使发动机的排放测试工况更接近实际使用工况，美国、日本、欧洲逐步 采用瞬态测试循环代替稳态测试循环。这时，不采用直接取样系统，而是用稀释 1 1 第2 章发动机主要捧放污染物及测试系统 取样系统，以保证测试值的精度。h c 、n o , 和c o 的体积分数可以在稀释风道中连 续测量。稀释系统可分为全流稀释系统和部分流稀释系统两种类型。气体污染物 的取样必须采用全流式稀释系统，而颗粒物的取样既可以采用全流( 盱c 必用) 也 可以采用部分流( 仅限e s c ) 稀释系统【6 】。 1 ) 全流稀释取样系统 全流式稀释风道测量系统中，全部排气被引进稀释风道里。用于稀释排气的 空气先经过滤清器，再经过气流节流口与排气混合。在稀释风道上距离排气入口 1 0 倍于稀释风道直径的地方，布置上气体污染物或颗粒物取样接头。 2 ) 分流稀释取样系统 与全流式稀释取样系统不同，分流稀释取样系统只把部分发动机排气引入稀 释风道，再用经滤清后的空气稀释。由于全流稀释取样系统设备笨重，占地面积 大，测试功耗也大，所以稳态测量重型车用柴油机的颗粒物时，允许采用分流稀 释系统。但是，分流稀释系统能否再现柴油机微粒的排放特性是一个很难的技术 问题。而且分流稀释系统虽然具有体积小、移动方便的优点，但控制系统复杂， 操作比较麻烦。分流稀释取样系统又可分为分流稀释全部取样系统和分流稀释部 分取样系统。 在美国轻型车和重型车排放标准以及欧洲轻型车的排放标准中，都必须是用 全流式稀释风道测量内燃机的微粒排放。在欧洲重型车排放标准( 仅e s c ) 中，允 许使用分流式稀释风道测量系统。在非标准对比试验中，也经常使用分流式稀释 风道测量系统。因此，全流稀释系统仍是测量柴油机排气颗粒物的标准设备，下 面将重点介绍对该系统的设计要求。 3 ) 全流稀释系统设计要求 a ) 一级稀释风道的稀释空气温度应为2 5 5 。 b ) 进入稀释风道的发动机排气温度定为5 5 0 ( 2 左右。重型柴油发动机，涡前捧 气温度为7 0 0 左右，涡后排气温度为6 0 0 6 2 0 左右。为了避免过多的 热损失和颗粒沉积，按照标准，从发动机排气管尾端到稀释风道的连接管最 长可达l o m ，其中4 m 可暴露于空气中，不做绝热处理，但其余6 m 必须进行绝 热。为了将这段管路的颗粒沉积控制在一定的范围内，而不对下游的颗粒取 样分析产生较大的影响，这段管路的温降需控制在1 3 以下，因此进入稀释 风道的发动机排气温度大致为5 5 0 。 c ) 按照标准规定，一级稀释风道的稀释混合气的温度应保持在1 9 1 以下，而 该系统实际能达到1 5 0 。而且，如果这一温度过高，对散热器的散热能力 要求也会提高，从而会使散热器的尺寸增大。 d ) 临界文丘里喷管进口温度，即散热器出气温度不能太高，应控制在4 5 5 第2 章发动机主要捧放污染物及测试系统 以内。原因在于，首先，气体污染物的袋采取样点在文丘里管之前，不允许 太高的温度；其次，若文丘里管的进口温度升高，风机的进口温度必然随之 升高，则进入风机的气体体积流量大大增加，势必需要增大风机的体积，导 致成本提高；第三，文丘里管喉口尺寸受温度影响较大，即温度对流量系数 有较大影响。若设计温度与标定温度差别过大，则实际工作时与标定时的流 量系数误差也会较大，标定的系数则不能代表实际工作系数，会造成较大误 差。因此为了方便标定，文丘里管进口的设计温度应尽量接近标定时的大气 温度【埘。 2 2 1 3 定容取样系统( c 幅) 定容取样系统是一典型的全流稀释取样系统，由于其重要性，这里给予特别 介绍。 一般排气成分分析系统都是测量该成分在排气中的浓度或者体积分数，然后 根据发动机的排气总流量算出该成分的总排量。这在发动机稳态工况运行时比较 容易实现。当发动机变工况运行时，理论上可先测出成分浓度和排气流量随时间 变化曲线，然后把他们对时间积分，计算总量。但实际上由于排气管压力随工况 变化复杂，取样系统和测量分析仪器动态响应滞后不同，以及样气在输送过程中 和工况样气部分混合，使得浓度曲线不能体现发动机排放的时间历程，造成很大 的误差。 于是，各国排放标准开始采用测量排放平均值的方法来确定总排放量。例如， 把一个标准澳4 试循环中所有排气都收集到气袋中，再测量气袋中各组分浓度和总 气量，就可以算出该循环的总排放量。但这种方法也有其弊端，需要很大的气袋 来收集气体，很不方便。同时不能保证在取样过程中气体不发生物理和化学变化， 而这些变化可能导致测量结果失真。 因此，现在世界各国的排放法规大多规定先用干净的空气对排气进行稀释， 然后采用定容取样系统c v s ( c o n s t a n tv o l u m es a m p u n g ) 进行取样。如美国将定容 取样法制定为1 9 7 2 年以后的标准取样法，1 9 7 3 年后，日本采用了这种取样方法， 欧洲在2 0 世纪8 0 年代也采用了这种方一法【加】。 1 ) c v s 系统的主要特点 c v s 系统将发动机的全部排气用外部导入的清洁空气予以稀释，稀释比按照 排气流量不同而变化。由于定容取样法对排气做了稀释处理，所取样气近似于排 气在大气中扩散的状态。而且取样系统中没有冷凝器，所以排气中的高沸点物质 凝聚、吸附现象的发生所引起的测量误差也小。但是定容取样系统中，流量的精