关于发动机测试系统排放物成分分析延迟的讨论

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随着发动机排放测试技术的发展，高动态测试系统已经成为发动机排放检测过程中必不可少的设备。如何才能充分利用现有设备的高动态性能，达到排放结果实时监控，是目前排放测试技术中亟需解决的问题。

目前标准法规规定的定容稀释取样系统(CVS)及废气分析仪器，可以连续对发动机排气进行分析。但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。

为了进一步完善检测认证能力，本文通过一定的试验研究，具体分析了建立排放物测试系统延迟的原因及组成，便于制定正确的试验方案，从而满足动态排放测试需求。

发动机排放污染物测试系统

发动机排放污染物测试系统一般包含三部分：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。而排放物测试系统延迟主要是由取样系统决定的。为了使发动机的排放测试工况更接近实际使用工况，除了直接取样系统之外，稀释取样系统也越来越多的被使用。稀释系统可分为全流稀释系统和部分流稀释系统两种。气体污染物的取样必须采用全流稀释系统，而颗粒物的取样既可以采用全流稀释系统也可以采用部分流稀释系统。

测试方案及测试系统

为了能直观的得出取样系统对于延迟的影响，这里采用稀释取样和直接取样两套试验方案。

因为在试验中对直接取样系统结构进行了改造，因此这里着重描述直接取样系统（见图1）。该试验系统布置了两个直接取样点，即在原来直接取样点2的基础上，在靠近发动机处又增加了一个取样点1。本文通过对比试验，研究取样位置对测试系统动态响应特性的影响。

图1 直接取样系统结构图

试验设计

根据具体情况，可将发动机动态工况简化为两种情况：一是转速或负荷线性变化工况，即保持发动机负荷不变，发动机转速发生线性增减；或保持发动机转速不变，负荷发生线性增减。二是阶跃工况，即保持发动机转速不变，发动机负荷产生一个明显的阶跃；或保持发动机负荷不变，发动机转速产生一个明显的阶跃。

1.转速或负荷线性变化工况

发动机转速不变，负荷线性变化（见表1）。

2.阶跃工况

阶跃工况指保持其他参数不变情况下，某一参数如发动机转速或扭矩在极短的时间内发生一个跳跃。

转速保持不变，负荷阶跃（见表3）。

测试系统响应试验结果及分析

1.测试系统响应时间组成分析

系统响应时间是动态测试系统一个非常重要的参数。系统的响应时间与取样方式（CVS、直采）、取样点、分析仪器的响应有关，大致可分为三部分：

一是排气从发动机排气管到稀释系统主稀释风道所用时间。

二是排气从主稀释管道到分析仪所用时间。由于临界文丘里管的稳流作用，稀释样气在这段管道内的流速通常比较稳定。但值得注意的是，本系统待测样气先流经OVN(NOx、HC分析仪组件)，再通过Mexa AIA－72(CO、CO2分析仪)，两者之间以细软管连接，样气流速比较小，所以CO测试的响应时间比NOx、THC大得多。

三是分析仪的响应时间，即样气从分析仪入口到分析仪检测到90%样气浓度所耗时间，通常用t90表示。

2.系统响应测试结果及分析

系统动态响应的分析方法是根据响应点的对应关系来确定的。图2为发动机负荷从100-600Nm阶跃，转速保持1000r/min不变的测试结果。将发动机工况参数如转速、扭矩、稀释排气中NOx、CO及THC(总碳氢)的浓度表示为时间t的函数。由此可以很清楚地看出上述参数之间的定性、定量关系。

从图中可以清楚的看出，扭矩在第12s处产生一个快速阶跃，NOx浓度的响应时间为第16s，THC也是第16s，而CO则慢为26s。因此通过数点法，可以算出NOx、THC、CO的总响应时间分别为4s、4s、14s。

图2负荷100-600Nm阶跃，转速保持1000 r/min测试结果

根据以上设计的试验方案，对各个工况进行试验结果如下：

阶跃工况测试结果：转速保持不变，负荷阶跃（见表5）。在不同的发动机转速下，CVS排放测试系统响应时间有所不同。高速工况下，发动机排气流速较快，排气从排气管到主稀释道所耗时间略小，因此系统的响应时间略短。

负荷保持不变，转速阶跃（见表6）。从表6可以发现，NOx、THC的响应时间随着负荷增大而减小。发动机负荷大，汽缸内爆发压力高，排气冲力大，因而排气总管的流速相应提高，NOx、THC的响应快；但是由于CO分析仪距离远，负荷变化对CO响应时间并不敏感。

线性工况测试结果：与阶跃工况类似，保持发动机转速不变，负荷从100-600Nm发生线性变化，共9组试验，试验结果见表7。随着负荷线性变化率的提高，排放测试系统的响应时间明显减小。此外，发动机的负荷变化起始点的转速对响应时间也有一定影响，转速越大响应时间越小。

保持发动机负荷不变，转速从1000-2200r/min线性递增，试验结果见表8。由此可见，转速变化率对测试系统的响应有一定的影响。转速变化率越大，响应时间越小；而转速变化起始点的负荷大小对NOx、THC系统的响应并不明显，且带有一定随机性。NOx与THC的响应时间均在4-6s之间。

3.直接取样系统响应测试结果及分析

除了CVS取样外，同时采用直接取样方案，研究直接取样测试系统的动态特性，取样位置为取样点2。发动机运行工况与CVS方案一致，转速线性变化，测试结果见表9。

与CVS测试结果（见表8）相比，直接取样系统的响应明显变慢。这是由如下因素决定的：

一是取样管道不同。直接取样样气流过的管道为细胶管，气体流动阻力比CVS所用的粗管要大。而且胶管的长度比CVS中所用的固定管路长，所以影响了系统的响应时间。

二是取样泵的功率不同。CVS与直采取样为两套相互独立的系统，取样泵的参数有所不同。

4.CVS取样与直接取样测试系统响应比较

由上述试验可以看出，转速、转速变化率对测试系统的响应有明显的影响，转速越高，响应时间越短。另外，取样方式不同，系统的响应也有所不同。CVS取样系统的响应时间最短，以下依次为直采点1、直采点2。

结论

在检测认证试验中，可以根据上述结果正确选用合适的试验方法，使排放物测试系统能更为精确的做到实时响应，从而对整个试验过程有全面的把握，得出最优的试验结果。