關于發動機測試系統排放物成分分析延遲的討論

隨著發動機排放測試技術的發展，高動態測試系統已經成為發動機排放檢測過程中必不可少的設備。如何才能充分利用現有設備的高動態性能，達到排放結果實時監控，是目前排放測試技術中亟需解決的問題。

目前標準法規規定的定容稀釋取樣系統(CVS)及廢氣分析儀器，可以連續對發動機排氣進行分析。但由于取樣系統非常復雜，排放氣體流經的管路較長，所以動態測試過程會有較大的響應延遲。

為了進一步完善檢測認證能力，本文通過一定的試驗研究，具體分析了建立排放物測試系統延遲的原因及組成，便于制定正確的試驗方案，從而滿足動態排放測試需求。

發動機排放污染物測試系統

發動機排放污染物測試系統一般包含三部分：發動機運行臺架、發動機排氣取樣系統及排放成分分析系統。而排放物測試系統延遲主要是由取樣系統決定的。為了使發動機的排放測試工況更接近實際使用工況，除了直接取樣系統之外，稀釋取樣系統也越來越多的被使用。稀釋系統可分為全流稀釋系統和部分流稀釋系統兩種。氣體污染物的取樣必須采用全流稀釋系統，而顆粒物的取樣既可以采用全流稀釋系統也可以采用部分流稀釋系統。

測試方案及測試系統

為了能直觀的得出取樣系統對于延遲的影響，這里采用稀釋取樣和直接取樣兩套試驗方案。

因為在試驗中對直接取樣系統結構進行了改造，因此這里著重描述直接取樣系統（見圖1）。該試驗系統布置了兩個直接取樣點，即在原來直接取樣點2的基礎上，在靠近發動機處又增加了一個取樣點1。本文通過對比試驗，研究取樣位置對測試系統動態響應特性的影響。

圖1 直接取樣系統結構圖

試驗設計

根據具體情況，可將發動機動態工況簡化為兩種情況：一是轉速或負荷線性變化工況，即保持發動機負荷不變，發動機轉速發生線性增減；或保持發動機轉速不變，負荷發生線性增減。二是階躍工況，即保持發動機轉速不變，發動機負荷產生一個明顯的階躍；或保持發動機負荷不變，發動機轉速產生一個明顯的階躍。

1.轉速或負荷線性變化工況

發動機轉速不變，負荷線性變化（見表1）。

2.階躍工況

階躍工況指保持其他參數不變情況下，某一參數如發動機轉速或扭矩在極短的時間內發生一個跳躍。

轉速保持不變，負荷階躍（見表3）。

測試系統響應試驗結果及分析

1.測試系統響應時間組成分析

系統響應時間是動態測試系統一個非常重要的參數。系統的響應時間與取樣方式（CVS、直采）、取樣點、分析儀器的響應有關，大致可分為三部分：

一是排氣從發動機排氣管到稀釋系統主稀釋風道所用時間。

二是排氣從主稀釋管道到分析儀所用時間。由于臨界文丘里管的穩流作用，稀釋樣氣在這段管道內的流速通常比較穩定。但值得注意的是，本系統待測樣氣先流經OVN(NOx、HC分析儀組件)，再通過Mexa AIA－72(CO、CO2分析儀)，兩者之間以細軟管連接，樣氣流速比較小，所以CO測試的響應時間比NOx、THC大得多。

三是分析儀的響應時間，即樣氣從分析儀入口到分析儀檢測到90%樣氣濃度所耗時間，通常用t90表示。

2.系統響應測試結果及分析

系統動態響應的分析方法是根據響應點的對應關系來確定的。圖2為發動機負荷從100-600Nm階躍，轉速保持1000r/min不變的測試結果。將發動機工況參數如轉速、扭矩、稀釋排氣中NOx、CO及THC(總碳氫)的濃度表示為時間t的函數。由此可以很清楚地看出上述參數之間的定性、定量關系。

從圖中可以清楚的看出，扭矩在第12s處產生一個快速階躍，NOx濃度的響應時間為第16s，THC也是第16s，而CO則慢為26s。因此通過數點法，可以算出NOx、THC、CO的總響應時間分別為4s、4s、14s。

圖2負荷100-600Nm階躍，轉速保持1000 r/min測試結果

根據以上設計的試驗方案，對各個工況進行試驗結果如下：

階躍工況測試結果：轉速保持不變，負荷階躍（見表5）。在不同的發動機轉速下，CVS排放測試系統響應時間有所不同。高速工況下，發動機排氣流速較快，排氣從排氣管到主稀釋道所耗時間略小，因此系統的響應時間略短。

負荷保持不變，轉速階躍（見表6）。從表6可以發現，NOx、THC的響應時間隨著負荷增大而減小。發動機負荷大，汽缸內爆發壓力高，排氣沖力大，因而排氣總管的流速相應提高，NOx、THC的響應快；但是由于CO分析儀距離遠，負荷變化對CO響應時間并不敏感。

線性工況測試結果：與階躍工況類似，保持發動機轉速不變，負荷從100-600Nm發生線性變化，共9組試驗，試驗結果見表7。隨著負荷線性變化率的提高，排放測試系統的響應時間明顯減小。此外，發動機的負荷變化起始點的轉速對響應時間也有一定影響，轉速越大響應時間越小。

保持發動機負荷不變，轉速從1000-2200r/min線性遞增，試驗結果見表8。由此可見，轉速變化率對測試系統的響應有一定的影響。轉速變化率越大，響應時間越小；而轉速變化起始點的負荷大小對NOx、THC系統的響應并不明顯，且帶有一定隨機性。NOx與THC的響應時間均在4-6s之間。

3.直接取樣系統響應測試結果及分析

除了CVS取樣外，同時采用直接取樣方案，研究直接取樣測試系統的動態特性，取樣位置為取樣點2。發動機運行工況與CVS方案一致，轉速線性變化，測試結果見表9。

與CVS測試結果（見表8）相比，直接取樣系統的響應明顯變慢。這是由如下因素決定的：

一是取樣管道不同。直接取樣樣氣流過的管道為細膠管，氣體流動阻力比CVS所用的粗管要大。而且膠管的長度比CVS中所用的固定管路長，所以影響了系統的響應時間。

二是取樣泵的功率不同。CVS與直采取樣為兩套相互獨立的系統，取樣泵的參數有所不同。

4.CVS取樣與直接取樣測試系統響應比較

由上述試驗可以看出，轉速、轉速變化率對測試系統的響應有明顯的影響，轉速越高，響應時間越短。另外，取樣方式不同，系統的響應也有所不同。CVS取樣系統的響應時間最短，以下依次為直采點1、直采點2。

結論

在檢測認證試驗中，可以根據上述結果正確選用合適的試驗方法，使排放物測試系統能更為精確的做到實時響應，從而對整個試驗過程有全面的把握，得出最優的試驗結果。