有关国Ⅳ重型车用柴油机排放测试的讨论

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摘 要：中国大陆的国Ⅳ柴油机已处于起步阶段。未雨绸缪，予先对国Ⅳ柴油机排放测试中可能出现的问题，梳理思考，提出对策，无疑会对行将面临和必须解决的课题带来裨益。现仅就可以予见的与国Ⅳ排放测试有关问题讨论如下。

关键词：Ⅳ柴油机；排放测试；控制装置

1.排放控制装置的耐久试验

从国Ⅳ开始，另行增加了针对柴油机排放控制装置（SCR、EGR+DPF）的耐久考核。试验可在试验台架上完成，也可用汽车道路试验或实际使用里程数替代。

若在台架上耐久，需经历600-800小时循环工况考核，每循环由27个工况，历时5小时组成。

2.车载诊断系统OBD的模拟试验

欧盟于2005年10月1日开始在重型汽车上安装OBD-Ⅰ诊断系统，该系统储存了大量柴油机排放控制元件的故障代码。一旦某些元件出现故障，导致排放控制能力下降时，传感器和诊断程序将该元件的故障码读出，进而提示驾驶员，需按指示的故障部位和性质予以处理。

欧盟已于2008年10月1日在欧Ⅴ车上安装了具有排放监测功能的OBD-Ⅱ。我国国Ⅳ重型车上，也会随势而上。

由于OBD与柴油机排放控制系统（包括电控燃油系统）有不可分割的联系，它们之间的匹配试验将由主机厂完成。OBD匹配试验即模拟试验，是有意识将故障元件（另件）装在柴油机上，按缩短时间的ESC循环（每工况1分钟），完成3-9循环，检查故障码的读出状态。

3.燃料柴油品质的升级

车用柴油机要达到国Ⅳ标准，除采取机内外措施外，还有一个重要的前提，即燃料柴油品质必须升级，满足国Ⅳ柴油机对油品的特殊要求，否则国Ⅳ柴油机就会成为无本之木，无源之水。

国Ⅳ柴油要有十六烷值，低芳香烃含量，低密度和极低的含硫量。欧盟2005年开始，要求柴油中含硫量小于50ppm（质量比，下同），美国2006年六月一日前，含硫量小于160ppm，之后含硫量小于15ppm。我国国Ⅲ柴油含硫限值小于350ppm。

按我国国情，日后国Ⅲ、国Ⅳ柴油机将会共存若干年，因此，两种品级的柴油，从生产到使用的各个环节，都要严格分开，否则会给国Ⅳ柴油机带来灾难性后果。

相比较而言，采用SCR的柴油机对油品含硫量的要求要比EGR低得多，有专家予言，满足EⅢ排放的柴油可用在国Ⅳ柴油机上（SCR）。

4.提电力测功系统瞬态控制精度，确保ETC循环功接近或超过设定值

在试验台架控制系统中，柴油机供油量的改变（油门位置改变），电力测功激磁电流的变化（测功机负载变化），都能分别改变柴油机的转速和输出扭矩，形成相互关联，互为因果的双闭环控制体系。另外，又因柴油机运行时，其油量、转速和扭矩三者之问呈非线性变化关系，变化斜率及正负因不同的运行区间而不同。因此柴油机在试验台架上按ETC工况运行，是一个程序步骤繁多，逻辑关系复杂，各种条件相互关联的动态响应过程。尽管采取了各种先进的控制理论和方法， ETC试验的试验结果仍有些不尽人意。

某国外著名公司的电力测功试验台运行ETC的实验数据，在1800个工况点中，有80%以上的转速，50%以上的扭矩和60%以上功率点，实测值小于设定值，完全符合设定值的几乎没有。有许多工况点的实际扭矩偏离设定值几倍甚至十几倍，其结果是整个循环的循环功（KWh）低于理论计算值（设定值）。GB17691-2005标准允许低于计算值的15%，这种宽松的限值，实质上是对电力测功台位动态控制品质不良的默认。但对于主机制造商而言，是极为不利的。有可能会出现这种情况，排放原本合格的柴油机，仅因为试验台架控制品质较差，实际循环功降低，导致比排放超限而被判为不合格；或因电测功试验台型号不同，得出不同的循环功和比排放。因此，在试验中，我们要努力使实际循环功接近甚超过（允许超5%）理论计算值。

5.提高分析仪系统测试精度

目前国内使用的排放分析仪系统绝大多数为日本HORIBA公司和奥地利AVL公司产品。从一般意义上看，它们都可以满足国Ⅳ柴油机排放测量要求。但细究起来，还有许多工作要做。

5.1.整定分析仪测量精度和分辨率

以NOX污染物为例，国Ⅳ柴油机NOX排放限值比国Ⅲ收紧1/3，由5g/kwh减至3.5g/kwh，各工况点原始排气NOX浓度会大幅度降低。显然，我们只能选用分析仪的小量程测量。

按标准，分析仪的最佳工作量程应保证被测浓度在量程的15%-100%区间内。低于100ppm浓度者，其误差≤4ppm。在低于15%量程的范围内，若要用来计量，则至少标定包括零点在内的5个点浓度，用最小二乘法回归拟合，其拟合计算值与标定值之差应在标定值的±4%以内，零点在±1%FS以内。建议用4、20、40、80Pppm的NO标准气标定分析仪100ppm量程，目前国内可提供3-5ppm级的标准气。

5.2.添置新分析仪

5.2.1.对装备EGR的国Ⅳ柴油机，为测定EGR率（进气中CO2所占比例），可用小量程（0-5%）不分光红外分析仪，其采样管、过滤器、采样泵、样气冷却器等自成系统。

5.2.2.对装备SCR的国Ⅳ柴油机，在台架上试验时，目前国内大多采用量子激光红外光谱原理，精确测量SCR下游废气中残存的NH3浓度。

5.3.调整颗粒测量运行参数

国Ⅳ柴油机颗粒排放限值为0.02g/kwh，仅为国Ⅲ柴油机的1/5，因废气中颗粒大幅减少，完全有可能一次试验循环后，滤纸荷重小于1.3mg。此时，应按原试验条件和原工况，再进行一次试验循环，取其荷重平均值。若要避免重复试验，事前要根据成熟的经验，调整CVS系统运行参数，诸如减小一级稀释风道的定容流量，稀释空气温度降至20℃，甚至更低（美国EPA-2007重型柴油机排放法规定15℃）。除尽可能降低一级稀释风道的定容流量外（保证二级稀释进口处温度小于191℃）。也可加大二级风道流量（滤纸迎风风速要小于80cm/s，保证滤纸处温度小于52℃）等等。

顺便指出，若引用美国EPA-2007重型柴油机排放法规，在滤纸上游增设一个离心式颗粒予分器Cyclone，将稀释样气中大于2.5μm的颗粒除掉50%以上，1μm以下的被滤纸吸附99%。届时滤纸的荷重就会更少了。

6.ETC试验工况参数的回归处理

为判定ETC试验工况的有效性，要对实测转速、扭矩、功率数值与其设定值之间，用最小二乘法按线性方程进行回归分析。其方程Y=b+mX即是对应设定值X的计算方程，计算值Y是实测值的平均值。

为控制ETC试验工况的精确性，标准规定了斜率m，截距b和相关系数r2的限值。同时对回归方程本身的精度予以评估，计算实测值偏离方程计算值（平均值）的标准偏差S（标准条文中为SE）。该标准偏差即是实测值的波动范围。根据误差理论，实测值在y±2s范围内的概率是95%以上，在y±s范围内的概率是54%。

转速，扭矩，功率回归处理时，可将不参与回归的工况点了删除，删除的条件如下：

⑴ 转速：在怠速工况点，若实测转速大于设定值，则该点删除。

⑵ 扭矩、功率：

① 倒拖工况点全部删除，有正扭矩也不例外。

② 被删除的怠速工况，即使带负载也予以删除。

③全负荷点，若实测值小于设定值，则该点删除。

④ 空车工况，若实测扭矩不为零（无论正负），则该点删除。

⑤ 其他工况，若实测扭矩为负值，则该点删除。

交流电测功试验台最终给出回归结果并判定合格与否。