柴油機(jī)排放檢測中碳流量偏差影響因素的研究

毛賽龍 鄭 建 王 磊 王明達(dá)

（1-上海機(jī)動(dòng)車檢測認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司上海 201805 2-中國環(huán)境科學(xué)研究院）

引言

基于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒前后碳原子守恒的機(jī)理，碳平衡法在整車油耗測量[1-2]領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。楊甜[3]、劉軍等[4]通過對尾氣成分分析，建立的油耗測量模型計(jì)算的整車油耗，與直接測量值相比，誤差在5%以內(nèi)。隨著法規(guī)的不斷完善，碳平衡法也逐漸被用于柴油機(jī)排放檢測領(lǐng)域，用于計(jì)算排氣流量和排放試驗(yàn)前的碳流量檢查。在非道路移動(dòng)機(jī)械國三、國四階段[5]和船舶發(fā)動(dòng)機(jī)國一、國二階段[6]排放檢測中，如能夠進(jìn)行燃油流量但無法進(jìn)行排氣流量或進(jìn)氣流量測量，可用碳平衡法計(jì)算排氣流量。對可直接測量進(jìn)氣流量和油耗量、排氣流量及采用部分流稀釋（Partial Flow Dilution Method）的柴油機(jī)排放類檢測，在排放試驗(yàn)前有對碳流量偏差的具體要求。國內(nèi)外現(xiàn)行柴油機(jī)排放法規(guī)要求發(fā)動(dòng)機(jī)完成臺架安裝或有重大改變時(shí)，在高負(fù)荷穩(wěn)態(tài)工況下（發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生5%以上CO2），進(jìn)行碳流量檢查，用于驗(yàn)證測量系統(tǒng)密閉性和流量測量的準(zhǔn)確性。非道路柴油機(jī)歐四、歐五階段強(qiáng)烈推薦碳流量偏差在5%以內(nèi)，車用重型車國六和歐六排放法規(guī)[7-8]要求碳流量偏差在3%以內(nèi)。

ECE R96[9]法規(guī)中假設(shè)所有的碳原子均以CO2形式存在于尾氣，建立碳流量偏差的數(shù)學(xué)模型，不考慮CO 和HC 的影響。冀樹德等人[10]引用了國五重型車排放標(biāo)準(zhǔn)的排氣污染物比排放計(jì)算模型來計(jì)算ESC 各工況下的碳流量偏差，解決同一發(fā)動(dòng)機(jī)在兩地不同采樣方法測量結(jié)果差異較大的問題，模型重復(fù)計(jì)算，過于復(fù)雜。在ECE R96 數(shù)學(xué)模型內(nèi)加上CO和HC 的影響，建立直采的碳流量偏差數(shù)學(xué)模型，計(jì)算整個(gè)循環(huán)的碳流量偏差。研究大氣壓力、燃油流量、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣濕度、進(jìn)氣流量、CO2、CO、THC 濃度對模型影響的顯著程度。

1 試驗(yàn)方案

以某款符合中國第三階段排放標(biāo)準(zhǔn)的非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)為研究對象，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺架完成國三階段標(biāo)準(zhǔn)要求的八工況穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)（NRSC）[5]，記錄各工況最后3 min 各種氣態(tài)污染物、和大氣壓力、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣濕度、進(jìn)氣流量、燃油流量等數(shù)據(jù)。柴油機(jī)的主要參數(shù)如表1 所示，試驗(yàn)臺架主要設(shè)備及型號如表2 所示。

表1 柴油機(jī)主要參數(shù)

表2 臺架主要設(shè)備及型號

2 計(jì)算模型

2.1 碳平衡法的基本原理

依據(jù)碳原子質(zhì)量守恒，理論上排氣中的碳流量與進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗量的碳流量之差應(yīng)接近于零。進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的碳原子絕大部分來自含碳燃料，排出的碳主要以CO2、CO、HC 形態(tài)存在，尾氣中極小部分的含碳顆粒物由于數(shù)量非常小，也難于統(tǒng)計(jì)，本文不考慮。氣態(tài)污染物采樣方式如圖1 所示。

圖1 直接采樣示意圖

2.2 碳流量計(jì)算模型

1）進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的柴油中碳流量（CHαOε）：

式中：qmcf為發(fā)動(dòng)機(jī)入口碳流量，kg/h；qmf為油耗儀燃油流量，kg/h；α 為燃油中氫原子當(dāng)量比；ε 為燃油中氧原子當(dāng)量比；CHαOε為簡化的燃油模型。

2）從發(fā)動(dòng)機(jī)中排出的碳流量的計(jì)算模型：

式中：qmcr為發(fā)動(dòng)機(jī)出口碳流量，kg/h；CCO2r為排氣中CO2濕基濃度，%；CCOr為排氣中CO 濕基濃度，%；CHCr為排氣中HC 濕基濃度，%；CCO2a為環(huán)境空氣中CO2濕基濃度，取0.037 5%；qmf為油耗儀燃油流量，kg/h；qma為進(jìn)氣流量，kg/h。

3）試驗(yàn)用不分光紅外線（NDIR）吸收型分析儀測量干基CO2和CO 干濕基修正系數(shù)：

式中：Cr為濕基濃度，%；Cd為干基濃度，%；Ha為進(jìn)氣濕度，g/kg；qmf為油耗儀燃油流量，kg/h；qma為進(jìn)氣流量，kg/h；wH為燃油中氫質(zhì)量百分比，%；wN為燃油中氮質(zhì)量百分比，%；wO為燃油中氧質(zhì)量百分比，%。

4）循環(huán)內(nèi)各工況油耗、氣態(tài)污染物、進(jìn)氣流量等取樣時(shí)間相同，以最后3min 的采樣數(shù)據(jù)平均值計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)入口和出口碳流量。循環(huán)總碳流量偏差：

式中：qmcf為發(fā)動(dòng)機(jī)入口碳流量，kg/h；qmcr為發(fā)動(dòng)機(jī)出口碳流量，kg/h。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 循環(huán)總碳流量偏差與排放結(jié)果

研究對象的數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)對象的3 次排放檢測結(jié)果（NRSC 排放試驗(yàn)）。使用相同的測試方法，在相同臺架對某發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行的3 次NRSC 排放試驗(yàn)。排放結(jié)果如表3 所示，第三次排放試驗(yàn)（3 rd A）的氣態(tài)排放污染物明顯低于前2 次的排放值。

表3 排放試驗(yàn)結(jié)果 g（/kW·h）

利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過上文的碳流量偏差數(shù)學(xué)模型，計(jì)算各工況下的碳流量偏差和循環(huán)總偏差。3 次排放檢測試驗(yàn)的單工況碳流量偏差和總偏差如表4和圖2 所示，前2 次試驗(yàn)高負(fù)荷工況下，碳流量偏差較低，均在±3%以內(nèi)；低負(fù)荷工況可能會(huì)出現(xiàn)大偏差，在第8 個(gè)點(diǎn)（怠速點(diǎn)）出現(xiàn)最高10.7%，由于NRSC 循環(huán)第8 個(gè)點(diǎn)為發(fā)動(dòng)機(jī)怠速點(diǎn)，功率和轉(zhuǎn)矩非常小，權(quán)重為0.15，對于總偏差影響可以忽略。怠速點(diǎn)碳平衡高的主要原因是該工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)相對振動(dòng)較大，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗波動(dòng)相對大，排氣脈沖明顯，實(shí)踐證明這是一個(gè)普遍現(xiàn)象。第3 次排放測試碳流量偏差除低負(fù)荷點(diǎn)外，其余工況和總偏差均在-10%以下，說明出現(xiàn)了泄露或設(shè)備測量偏差太大。

表4 工況碳流量

圖2 碳流量偏差曲線

為方便快速排查因設(shè)備測量偏差或排氣泄露等原因引起的碳流量偏差超出范圍導(dǎo)致試驗(yàn)無效的原因，進(jìn)行單一變量法分析各影響因子對碳流量偏差的影響程度。本文考慮的影響因素包括：大氣壓力、進(jìn)氣溫度、濕度、CO 以及HC 濃度，進(jìn)氣流量、燃油流量和CO2濃度。

3.2 循環(huán)總碳流量偏差單因素分析

在額定工況下每次改變一個(gè)因子的數(shù)值，逐一對每個(gè)因子進(jìn)行單一變量法分析各影響因子對碳流量偏差的影響程度，記錄模型碳流量偏差的變化范圍。

不對因子進(jìn)行改變時(shí)，碳流量偏差為0.6%。在變化范圍內(nèi)，大氣壓力、進(jìn)氣溫度、濕度、CO 以及HC濃度影響很小，如圖3 所示，碳流量偏差均在原偏差±0.2%以內(nèi)；進(jìn)氣流量、燃油流量和CO2濃度對碳流量偏差影響明顯，碳流量偏差在-10.4%至12.7%，基本呈線性關(guān)系。因此可以得出結(jié)論，進(jìn)氣流量計(jì)、燃油流量計(jì)及CO2分析單元的準(zhǔn)確性，相關(guān)管路的密封性是碳流量偏差的關(guān)鍵因素。在實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)碳流量偏差大時(shí)，值得更大關(guān)注。

圖3 主要因素對碳流量的影響

3.3 碳流量偏差大問題原因查找

縮小檢查范圍，對進(jìn)氣流量計(jì)、燃油流量計(jì)及CO2分析單元的準(zhǔn)確性，相關(guān)管路的密封性3 個(gè)方面檢查臺架設(shè)備。發(fā)現(xiàn)前置加熱濾芯與加熱采樣管連接松動(dòng)，如圖4 所示，緊固連接處后完成的第3 次（3rdB）排放試驗(yàn)，CO、NOx、THC 比排放為1.192 g/（kW·h）、3.469 g/（kW·h）和0.189 g/（kW·h）。排放結(jié)果與前2次期間排放較為吻合，循環(huán)總碳流量偏差為-2.28%。

圖4 排氣采樣泄漏點(diǎn)

4 結(jié)論

1）基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺架排放檢測試驗(yàn)數(shù)據(jù)和ECE R96 法規(guī)碳流量偏差檢查方法，優(yōu)化碳平衡數(shù)學(xué)模型并計(jì)算各工況和整個(gè)試驗(yàn)的總碳流量偏差。采用單因子變量法分析了試驗(yàn)過程對碳流量偏差影響大的因素，快速找到排氣采樣泄漏點(diǎn)，完成排放試驗(yàn)。

2）與法規(guī)要求碳流量檢查相比，在排放循環(huán)內(nèi)增加總碳流量偏差，可方便、快速對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行有效性判斷。可參照排放法規(guī)要求進(jìn)行符合性設(shè)定，以±3%為整個(gè)總碳流量偏差限值，±5%為重大偏差臨界點(diǎn)。