有關國Ⅳ重型車用柴油機排放測試的討論

劉偉 孟昭智

摘 要：中國大陸的國Ⅳ柴油機已處于起步階段。未雨綢繆，予先對國Ⅳ柴油機排放測試中可能出現的問題，梳理思考，提出對策，無疑會對行將面臨和必須解決的課題帶來裨益。現僅就可以予見的與國Ⅳ排放測試有關問題討論如下。

關鍵詞：Ⅳ柴油機；排放測試；控制裝置

1.排放控制裝置的耐久試驗

從國Ⅳ開始，另行增加了針對柴油機排放控制裝置（SCR、EGR+DPF）的耐久考核。試驗可在試驗臺架上完成，也可用汽車道路試驗或實際使用里程數替代。

若在臺架上耐久，需經歷600-800小時循環工況考核，每循環由27個工況，歷時5小時組成。

2.車載診斷系統OBD的模擬試驗

歐盟于2005年10月1日開始在重型汽車上安裝OBD-Ⅰ診斷系統，該系統儲存了大量柴油機排放控制元件的故障代碼。一旦某些元件出現故障，導致排放控制能力下降時，傳感器和診斷程序將該元件的故障碼讀出，進而提示駕駛員，需按指示的故障部位和性質予以處理。

歐盟已于2008年10月1日在歐Ⅴ車上安裝了具有排放監測功能的OBD-Ⅱ。我國國Ⅳ重型車上，也會隨勢而上。

由于OBD與柴油機排放控制系統（包括電控燃油系統）有不可分割的聯系，它們之間的匹配試驗將由主機廠完成。OBD匹配試驗即模擬試驗，是有意識將故障元件（另件）裝在柴油機上，按縮短時間的ESC循環（每工況1分鐘），完成3-9循環，檢查故障碼的讀出狀態。

3.燃料柴油品質的升級

車用柴油機要達到國Ⅳ標準，除采取機內外措施外，還有一個重要的前提，即燃料柴油品質必須升級，滿足國Ⅳ柴油機對油品的特殊要求，否則國Ⅳ柴油機就會成為無本之木，無源之水。

國Ⅳ柴油要有髙十六烷值，低芳香烴含量，低密度和極低的含硫量。歐盟2005年開始，要求柴油中含硫量小于50ppm（質量比，下同），美國2006年六月一日前，含硫量小于160ppm，之后含硫量小于15ppm。我國國Ⅲ柴油含硫限值小于350ppm。

按我國國情，日后國Ⅲ、國Ⅳ柴油機將會共存若干年，因此，兩種品級的柴油，從生產到使用的各個環節，都要嚴格分開，否則會給國Ⅳ柴油機帶來災難性后果。

相比較而言，采用SCR的柴油機對油品含硫量的要求要比EGR低得多，有專家予言，滿足EⅢ排放的柴油可用在國Ⅳ柴油機上（SCR）。

4.提髙電力測功系統瞬態控制精度，確保ETC循環功接近或超過設定值

在試驗臺架控制系統中，柴油機供油量的改變（油門位置改變），電力測功激磁電流的變化（測功機負載變化），都能分別改變柴油機的轉速和輸出扭矩，形成相互關聯，互為因果的雙閉環控制體系。另外，又因柴油機運行時，其油量、轉速和扭矩三者之問呈非線性變化關系，變化斜率及正負因不同的運行區間而不同。因此柴油機在試驗臺架上按ETC工況運行，是一個程序步驟繁多，邏輯關系復雜，各種條件相互關聯的動態響應過程。盡管采取了各種先進的控制理論和方法， ETC試驗的試驗結果仍有些不盡人意。

某國外著名公司的電力測功試驗臺運行ETC的實驗數據，在1800個工況點中，有80%以上的轉速，50%以上的扭矩和60%以上功率點，實測值小于設定值，完全符合設定值的幾乎沒有。有許多工況點的實際扭矩偏離設定值幾倍甚至十幾倍，其結果是整個循環的循環功（KWh）低于理論計算值（設定值）。GB17691-2005標準允許低于計算值的15%，這種寬松的限值，實質上是對電力測功臺位動態控制品質不良的默認。但對于主機制造商而言，是極為不利的。有可能會出現這種情況，排放原本合格的柴油機，僅因為試驗臺架控制品質較差，實際循環功降低，導致比排放超限而被判為不合格；或因電測功試驗臺型號不同，得出不同的循環功和比排放。因此，在試驗中，我們要努力使實際循環功接近甚超過（允許超5%）理論計算值。

5.提高分析儀系統測試精度

目前國內使用的排放分析儀系統絕大多數為日本HORIBA公司和奧地利AVL公司產品。從一般意義上看，它們都可以滿足國Ⅳ柴油機排放測量要求。但細究起來，還有許多工作要做。

5.1.整定分析儀測量精度和分辨率

以NOX污染物為例，國Ⅳ柴油機NOX排放限值比國Ⅲ收緊1/3，由5g/kwh減至3.5g/kwh，各工況點原始排氣NOX濃度會大幅度降低。顯然，我們只能選用分析儀的小量程測量。

按標準，分析儀的最佳工作量程應保證被測濃度在量程的15%-100%區間內。低于100ppm濃度者，其誤差≤4ppm。在低于15%量程的范圍內，若要用來計量，則至少標定包括零點在內的5個點濃度，用最小二乘法回歸擬合，其擬合計算值與標定值之差應在標定值的±4%以內，零點在±1%FS以內。建議用4、20、40、80Pppm的NO標準氣標定分析儀100ppm量程，目前國內可提供3-5ppm級的標準氣。

5.2.添置新分析儀

5.2.1.對裝備EGR的國Ⅳ柴油機，為測定EGR率（進氣中CO2所占比例），可用小量程（0-5%）不分光紅外分析儀，其采樣管、過濾器、采樣泵、樣氣冷卻器等自成系統。

5.2.2.對裝備SCR的國Ⅳ柴油機，在臺架上試驗時，目前國內大多采用量子激光紅外光譜原理，精確測量SCR下游廢氣中殘存的NH3濃度。

5.3.調整顆粒測量運行參數

國Ⅳ柴油機顆粒排放限值為0.02g/kwh，僅為國Ⅲ柴油機的1/5，因廢氣中顆粒大幅減少，完全有可能一次試驗循環后，濾紙荷重小于1.3mg。此時，應按原試驗條件和原工況，再進行一次試驗循環，取其荷重平均值。若要避免重復試驗，事前要根據成熟的經驗，調整CVS系統運行參數，諸如減小一級稀釋風道的定容流量，稀釋空氣溫度降至20℃，甚至更低（美國EPA-2007重型柴油機排放法規定15℃）。除盡可能降低一級稀釋風道的定容流量外（保證二級稀釋進口處溫度小于191℃）。也可加大二級風道流量（濾紙迎風風速要小于80cm/s，保證濾紙處溫度小于52℃）等等。

順便指出，若引用美國EPA-2007重型柴油機排放法規，在濾紙上游增設一個離心式顆粒予分器Cyclone，將稀釋樣氣中大于2.5μm的顆粒除掉50%以上，1μm以下的被濾紙吸附99%。屆時濾紙的荷重就會更少了。

6.ETC試驗工況參數的回歸處理

為判定ETC試驗工況的有效性，要對實測轉速、扭矩、功率數值與其設定值之間，用最小二乘法按線性方程進行回歸分析。其方程Y=b+mX即是對應設定值X的計算方程，計算值Y是實測值的平均值。

為控制ETC試驗工況的精確性，標準規定了斜率m，截距b和相關系數r2的限值。同時對回歸方程本身的精度予以評估，計算實測值偏離方程計算值（平均值）的標準偏差S（標準條文中為SE）。該標準偏差即是實測值的波動范圍。根據誤差理論，實測值在y±2s范圍內的概率是95%以上，在y±s范圍內的概率是54%。

轉速，扭矩，功率回歸處理時，可將不參與回歸的工況點了刪除，刪除的條件如下：

⑴ 轉速：在怠速工況點，若實測轉速大于設定值，則該點刪除。

⑵ 扭矩、功率：

① 倒拖工況點全部刪除，有正扭矩也不例外。

② 被刪除的怠速工況，即使帶負載也予以刪除。

③全負荷點，若實測值小于設定值，則該點刪除。

④ 空車工況，若實測扭矩不為零（無論正負），則該點刪除。

⑤ 其他工況，若實測扭矩為負值，則該點刪除。

交流電測功試驗臺最終給出回歸結果并判定合格與否。