重型车用发动机排放的欧Ⅲ/Ⅳ法规及检测设备

雪域水域

中国分类号：U464.07     文献标识码：C   文章编号：1004-0226（2007）04-0000-02
重型车用发动机排放的欧Ⅲ/Ⅳ法规及检测设备
李剑平
重庆汽车研究所  重庆    400039

摘  要  介绍了总质量大于3.5吨的重型汽车用发动机排放法规主要内容，还介绍了相应的测试设备如测功系统、气态污染物及颗粒物测试系统、排放分析仪标定系统、标准进气系统等设备。
关键词  发动机  排放法规  检测设备

重型车用发动机废气排放的法规，欧洲已于2000年执行了欧Ⅲ标准，到2008年全面执行欧Ⅳ标准。按照国家标准GB 17691-2001《车用压燃式发动机排气污染物排放限值及测量方法》，我国已经于2000年9月1日实施了欧Ⅰ标准，并将于2003年9月1日起实行欧Ⅱ标准。相当于欧Ⅲ、欧Ⅳ的中国标准GB 17691-2005也已颁布实施，很可能在2010年和欧洲同步。
笔者所处的重庆汽车检测中心担负着国家车辆强制性认证试验任务，是国家级汽车质量检测机构之一，目前已开展欧Ⅲ/Ⅳ和国欧Ⅲ/Ⅳ/Ⅴ发动机排放法规的检测。由于欧洲欧Ⅲ/Ⅳ法规的试验限值和实验方法和欧Ⅰ、欧Ⅱ法规有很大的不同，笔者在此将在采购及目前安装、调试试验设备中所积累的一些经验与读者分享。
1  检测的排气污染物项目
ECE法规中的88/77/EEC（2001/27/EC）和GB 17691-2001、GB17691-2005、GB3847-2005标准中，检测的排气污染物有：气态排放，颗粒排放和可见污染物（烟度）。
1.1  气态排放
发动机废气中的气态有害物质包括氮氧化物（NOx），总碳氢（THC），一氧化碳（CO），二氧化碳（CO2），硫化物（SO2）。排放法规中只对NOx，THC，CO，CO2的排放限值作了规定。CNG/LPG燃料发动机排气中有大量的甲烷（CH4），虽然其属于总碳氢，却对人体无害，故把甲烷从总碳氢中剔除，称之为非甲烷碳氢（NMHC），法规只对该值有规定。
1.2  颗粒物排放
发动机排气中的颗粒，不是一般意义上的大气尘埃或烟尘。主要有类似石墨状的含碳物质，其上吸附了一定量的高分子碳氢有机物等；直径约在1m以下；存在稀释排气之中。
实际使用中，发动机废气直接排入大气并立即被冲淡稀释。排气的温度大幅度下降，但不会从废气中凝结出液态水。
法规中的颗粒物获取方法为：将稀释至52℃以下且无冷凝水出现的稀释废气流经带有聚四氟乙烯树脂涂层的滤纸，在滤纸表面上的物质即为所定义的颗粒排放。
碳烟，按不同工况可出现白烟、蓝烟和黑烟。它和颗粒物成正相关性，但属于不同的概念。它的主要特点是为完全燃烧，质量小，但能见度高。
2  排放试验条件
发动机排放试验时，除了要满足发动机正常工作所需的排气背压等，还需满足如下条件：
2.1  实验室大气因子fa
大气因子是指发动机进气口处的大气压力P，相对湿度Ra和温度T。当大气因子fa为基准值1时，为标准环境条件，大气压力P=100 kPa，T=298 k，Ra=31.7%。如环境条件为非标准环境时，需要对fa进行计算，计算公式参见欧洲ECE法规中的88/77/EEC（2001/27/EC）或GB 17691-2001《车用压燃式发动机排气污染物排放限值及测量方法》。当满足0.96≤fa≤1.06时，排放试验结果有效。
2.2  油品
发动机排放试验结果与所用燃油品质有密切的关系。其中柴油发动机所使用的通常为优质0号柴油，其油品指标中有三项最为重要：十六烷值，至少要49以上；抗结焦性，影响喷射雾化质量；含硫量，由于硫酸盐是柴油机颗粒排放的重要组成部分，特别是当柴油机颗粒排放水平比较低时（例如欧Ⅲ），硫化物占颗粒的比例达到20-30%，因此尽量要降低柴油中的含硫量。中国0号轻柴油的含硫量为0.2%质量比。美国EPA规定（1993年10月1日）含硫量为0.05%质量比。欧Ⅲ标准为0.03%质量比。
2.3  油温
排放试验时要保证喷油泵进口处柴油温度为33℃~43℃。
2.4  大气湿度和温度对NOx浓度的修正
氮氧化物有一定的亲水性，特别是NO2亲水性更为明显。因此大气中的含水量和环境温度会影响NOx的测量结果。法规规定的标准环境，即修正系数Kh=1时，大气压100 kPa，相对湿度53.4%， 温度25℃。修正系数Kh的表达式见相关标准。
3  排放试验工况
3.1  欧Ⅰ/Ⅱ：
稳态13工况。将发动机置于测功试验台架上，按规定的13种工况测试发动机排放。每工况运行5～6 min，按序试验，中途终端时间不得超过15 min，否则试验无效。
3.2  欧Ⅲ/Ⅳ：
3.2.1  稳态13工况试验ESC
定义和欧Ⅰ欧Ⅱ相似，但具体的工况设定点不同，除第1个工况为4分钟，其余为2分钟。在完成13工况试验后，还要进行3点NOx的附加抽查试验。因此欧3欧4的稳态工况和欧Ⅰ欧Ⅱ的稳态工况没有直接的相关性。
3.2.2  动态烟度试验ELR
ELR试验是考核柴油机在转速保持不变的状态下承受突加载荷时的响应能力，以烟度为其衡量指标。
稳态13工况试验ESC和动态烟度试验ELR的适用范围：包括使用电喷，废气再循环（EGR），氧化型催化器等技术的发动机。
3.2.3  瞬态试验ETC
ETC试验时间共1 800 s，是每秒变换工况的瞬态排放试验程序。它模拟了重载车的三种运行状态：第一个600 s为城市工况，包括车辆停车，启动，怠速，最大时速不超过50 km/h，包括车辆不脱离离合器的滑行（倒拖）。这种工况发动机的转速变化是相当大的；第2个600 s为乡村道路，平均车速为72 km/h；第三个600 s为高速公路，车速变化不大，均在88 km/h以上。
由于瞬态试验循环具有较高的动态响应要求，发动机扭矩和转速指令设置点的发出频率为5 Hz（建议10 Hz），而发动机的转速和扭矩反馈信号纪录频率至少为1 Hz。由于对碳氢HC和氮氧化物NOx连续采样积分，其频率应至少为2 Hz，且整个气态污染物分析系统的响应时间应不大于20 s。
瞬态试验ETC的适用范围：包括装有先进的排气后处理装置如NOx催化器和颗粒捕捉器的发动机，ETC为附加试验。此外CNG、LPG发动机的气态排放污染物测量的工况是ETC。
4  排放试验设备
欧Ⅰ、欧Ⅱ和欧Ⅲ、欧Ⅳ的排放试验设备包括：测功机系统、气态污染物及颗粒物测试设备、量距气（标定气）及管道，发动机标准进气设备。
4.1  测功机系统
测功机系统的主要功能是在台架上模拟发动机在实车上的各种工况。由于台架室通常为30～50 m2的封闭房间，与发动机在实车上的室外环境有很大的不同，因此除了主要驱动发动机的测功机外，为了保证发动机在实车上的运转条件，还需要配备一些专用的外围设备。这些外围设备包括油门执行器、油耗仪、发动机冷却水温控制单元、发动机机油温度控制单元、发动机增压中冷温度控制单元等。
4.1.1  测功机
通常性价比较合适的为电涡流测功机，可以运行欧Ⅰ和欧Ⅱ工况。其中如采用知名品牌的测功机，还可运行响应要求较快的欧Ⅲ和欧Ⅴ稳态工况ESC和动态烟度工况ELR。但是如要运行欧Ⅲ、欧Ⅳ中的瞬态工况，则必须采用电力测功机，因为其中有倒拖工况，即此时为测功机电机带动发动机。
双向IGBT技术的广泛使用，解决了交流电力测功机的反馈电网高次谐波电流问题，使交流电力测功机成为主流。而10年前较流行的直流电力测功机，由于设备整体的体积庞大，能耗高，已经较少采用。
4.1.2  油门执行器
传统的油门执行器为机械拉索式，其响应速度受到结构的限制。现在发动机电子控制已经成为较成熟的技术，油门执行机构也普遍采用电子油门。随着电子油门的广泛使用和相应电子模块协议的统一，给台架配套的油门执行器可能演化为单一的电子控制模块，如CAN-gas系统，彻底解决油门执行器可能成为台架高动态响应速度瓶颈的问题。
选择方案包括传统的拉索式油门和可输入电子油门角度信号的电子模块，可适应不同的发动机油门方案。如果是整车厂的实验室，可以直接采用本厂匹配的ECU总线模块的电子油门，如E-gas，和CAN－gas。世界上的几大ECU生产商如SIMENZ、BOSCH、DENSO、DELPHI、Magret Mareli没有统一的总线结构和编码方式，目前检测设备生产商不能提供可接入不同发动机ECU系统的电子油门模块。
4.1.3  油耗仪
选择的方案是采用可进行所有欧Ⅲ/Ⅳ法规所提及的液体燃料计量仪。它具有温度和压力控制调节的功能，且管路采取了特殊的防腐处理，可进行如M20、100％乙醇酒精燃料发动机的试验。
4.1.4  发动机冷却水和机油温度控制单元
要保持发动机的正常运转状态，须保持发动机冷却水和机油的正常温度。目前的水温、油温控制单元可达到2℃的控制精度，且体积小可布置在房间内或者布置在地坑内。
4.1.5  增压中冷冷却单元
实车发动机的废气涡轮增压系统通常是采用风冷的。中冷单元内的废气温度是发动机工作状态的重要指标。目前汽油机和柴油机都已采用了这一技术。在进行发动机排放台架试验时，应配备水冷系统对发动机的中冷气进行冷却。
4.2  气态污染物及颗粒物测试设备
4.2.1  气态污染物
按照欧洲及中国的法规，所需测量的发动机气态污染物为氮氧化物NOx，总碳氢THC，非甲烷碳氢NMHC、一氧化碳CO、二氧化碳CO2。
Nox的测量采用加热型化学发光分析仪HCLD，工作温度55℃～200℃
THC的测量采用加热型氢火焰离子化分析仪HFID，工作温度180℃～200℃
CO、CO2的测量采用不分光红外线吸收型分析仪NDIR，工作温度4℃～6℃。不能采用化学方法冷却，通常采用冰浴的物理方法。这两种污染物的分析是通过气袋收集整个循环内的样气，求得其平均的质量比排放值。当然也可以通过连续采样积分计算，得到质量比排放值。
NMHC的测量采用非甲烷截止器与氢离子化分析仪NMC+HFID，工作温度180℃～200℃，称之为NMC法；或者采用气相色谱法GC法，工作温度150℃。美国EPA规定只能用NMC法。非甲烷总碳氢可以采用连续采样积分法，也可以用气袋收集整个循环内的样气后进行测定。
4.2.2  颗粒污染物
稀释系统为全流稀释系统，包括一根24 in的稀释风道。通常风道的内表面需要进行电化学抛光处理。全流稀释系统收集发动机排出的全部废气，稀释空气和废气之比应大于4。该系统采用临界文丘利喷嘴测量气体质量流量的工作原理，始终保持稀释风道内的流量恒定，称为CVS定容采样系统。
空滤为三层，过滤进入稀释通道的稀释空气。当空滤两端的压差大于设定值时，必须更换。此外进入空滤的稀释空气，允许除湿，温度应为20℃～30℃。由于全流稀释系统的流量较大，通常需要较大风量的空调设备保证稀释空气的温度要求。
颗粒物取样系统，应有旁通。在实验前或后应测定通过过滤器的稀释空气中的颗粒物背景值。
称重室对温度和湿度进行有效控制并纪录。
4.3  标定气管道及标定气
测定气态污染物的分析仪在实验之前需要标定气进行标定，因此标定气的精度及稳定性将影响到分析仪的最终测量结果。通常标定气的管道应该由专业工业气体公司进行设计、施工和检验，标定气也应该由专业公司按重量法配置提供。标定气管道及标定气在实验室比对实验中，对最终结果有较大的影响。
4.4  发动机标准进气系统
如前所述，发动机排放试验时，对进气的温度、湿度、压力（大气因子fa和NOx浓度修正Kh）要进行修正。通常可采用对整个发动机实验室的环境进行控制或者进对发动机进气进行控制。控制整个实验室的环境成本较高，因此采用发动机标准进气系统对发动机进气进行控制较为普遍。
试验时，将发动机标准进气系统的送风管和发动机空滤之间密封连接，对发动机的进气温度、湿度、压力进行实时反馈控制，保证其始终处于标准状态。由于发动机的进气量是随着工况动态变化的，所以对该系统提出了较高的动态响应要求。
按照法规，欧Ⅰ欧Ⅱ每个稳态试验循环工况ESC时间为5～6 min；而欧Ⅲ欧Ⅳ每个稳态试验循环工况ESC时间为2 min。在每个工况内对颗粒物的采样应在进气稳定到标准值后进行，但有最少采样时间的要求。经计算，欧Ⅲ欧Ⅳ工况中，要求标准进气的稳定时间为80 s以内。因此该标准进气系统的响应时间应在1 min之内。
4.5  其它设备
4.5.1  CNG、LPG燃料流量计
气体燃料也属于广泛应用的清洁燃料，在世界各国的排放法规上都明确了这些燃料排放的试验方法及限值。台架试验时，对这些燃料进行计量需配备气体质量流量计。燃料供应系统也需要另行考虑，这些燃料的高压和易泄漏的特点对实验室的安全问题提出了更高的要求。
4.5.2  不透光烟度计：欧Ⅲ/Ⅳ、国Ⅲ/Ⅳ/Ⅴ中动态烟度工况ELR和GB3847、ECE R24的专用检测设备为AVL 439。

参考文献

[1]  李勤.现代内燃机排气污染物的测量与控制[M].北京：机械工业出版社，1998.
[2]  国家标准  GB17691-2001 车用压燃式发动机排气污染物排放限值及测量方法
[3]  国家标准  GB 17691－2005 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Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）
[4]  国家标准  GB 3847-2005车用压燃式发动机和压燃式发动机汽车排气烟度排放限值及测量方法