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。
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。
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。
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柴油要有髙十六烷值,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)。
提髙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。
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。
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。