發動機氣態排放檢測系統的研究與開發

(上汽集團商用車技術中心，上海 200438)

1 研究開發發動機氣態排放檢測系統的必要性

研究開發發動機氣態排放檢測系統的必要性綜合起來主要有兩點：一是由于發動機排放法規日益嚴格，發動機開發過程中對發動機排放量的測量需要大大增加；二是目前我國排放設備嚴重依賴歐洲、日本等地的產品，成本過高。

近幾年來我國的汽車保有量增長迅速 ,其中私家車的比例逐年上升 ,尤其在北京、上海等特大城市中這種現象更為明顯。隨著汽車保有量的增加 ,一系列問題也隨之而來。其中比較嚴重的就是機動車排放物造成的大氣污染,并引起了很多全球性的環境問題[1]， 治理汽車尾氣排放污染的問題刻不容緩。

2017年汽車最新的國六排放標準已經發布，非道路第三及第四階段標準也已發布。在排放標準中規定了排放測試規程及測試方法。

用于排放測量的系統開發在國內相對薄弱，目前在用的排放測量儀主要是奧地利AVL公司和日本HORIBA公司的產品。無論是國家檢測機構、還是研究機構、汽車制造公司、發動機制造公司都是如此。本文所開發的檢測系統完全可以替代國外產品，用于發動機排放量的檢測。

2 排放檢測系統的組成及原理

對于發動機氣態排放物來說，主要檢測氮氧化物(NOx)、碳氫化合物(HC)、CO、CO2、O2共5種氣體。測方式方法在標準中已有規定。本文采用德國ABB公司生產的排放成套檢測系統。其中NOx采用紫外線方法測量，HC采用氫火焰離子法測量，CO和CO2采用紅外線方法測量，O2采用順磁法測量。檢測系統見圖1。

圖1 氣體排放測量系統圖

圖1中說明，發動機氣體排放檢測系統分為3個部分，第一部分是機旁采樣部分，放置在發動機排氣管附近，用于在發動機上采集測量的樣氣，并對樣氣進行加熱過濾。采樣探頭后部分采用高溫伴熱管與采樣箱相連。第二部分是樣氣處理部分，放在設備機箱中，接收機旁采樣部分送來的樣氣。樣氣在這里被分成3份，一份采用氣泵通過190 ℃伴熱管輸出用于測量NOx(輸送線L31-L31)，一份采用氣泵通過190伴熱管輸出用于測量總碳氫化合物(THC)(輸送線L32-L32)，還有一部分用氣泵通過制冷除水后用于測量CO及CO2(輸送線L33-L33)。第三部分包括NOx、CO、HC等氣體排放測量部分。采用化學發光法測量NOx(可以分別測量NO2及NO，也可測量NOx)，選用法國Environnement S.A公司TOPAZE 32M產品；采用氫火焰離子法測量THC(選用德國ABB公司AA02020FIDAS24系列產品)；采用紅外線法測量CO/CO2(選用德國ABBAA02020 Uras 26系列產品);采用順磁法測量O2(選用德國ABBAA02020 Magnos206系列產品)。

2.1 機旁采樣部分

機旁采樣部分主要包括按標準制作的采樣探頭、高溫過濾器、過濾器中帶加熱。保證采樣氣溫度一直保持在190 ℃。同時，由于過濾器直接接觸發動機排氣，需要經常清洗，所以系統中設計了壓縮空氣吹掃管線。機旁采樣系統的原理圖見圖2。

圖2 機旁采樣系統的原理圖

2.2 樣氣處理部分

樣氣處理部分主要包括3個空氣壓縮機，恒溫控制箱(190 ℃)和樣氣制冷系統，分別為3個排放分析儀提供樣氣。整個樣氣處理室采用加熱保溫箱，溫度控制在190 ℃。圖3為樣氣處理系統。

圖3 樣氣處理系統

圖中壓縮機1提供NOx測量用樣氣，全程帶伴熱管，控制在190 ℃；壓縮機2提供THC測量用樣氣，全程帶伴熱管，控制在190 ℃；壓縮機3提供CO/CO2測量用樣氣，需要先進行制冷除濕，帶保溫輸出。

2.3 氣體排放測量部分

氣體排放測量采用了國際上先進的排放測量儀表，主要是德國ABB公司和法國Environnement S.A公司的產品。測量方法完全滿足國五及國六排放標準(圖4)。

圖4 氣體排放測量系統

氣體排放測量系統中除了檢測樣氣的濃度的管路外，還有各測量儀表的標定氣體管路。在本系統中各種儀表量程選擇見表1。

表1 各分析儀的原理及測量范圍

3 測量結果的比較

本文選用了目前在國內大量采用的AVL排放儀，并與與本文所研制的排放檢測系統進行了對比分析。選用于國內主流柴油機生產企業生產的發動機，并在企業技術中心試驗室進行了對比研究。測量采用直采系統。測量結果見表2，表3和表4。

表2 量距氣標定結果

表3 穩壓測量結果比較(工況1)

表4 穩壓測量結果比較(工況2)

4 結論

通過以上設計及測量結果比對，得出以下結論：

(1) 本文所設計制作的發動機氣體排放分析儀包括了主要的5組份氣體測量，符合最新的法規要求。

(2) 本文所設計制作的發動機氣體排放分析儀所采用的分析原理滿足排放法規要求。

(3) 測量數據與市場普遍認可的AVL排放比對，偏差較小，滿足使用要求。

參 考 文 獻

[1]車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法_中國Ⅲ、Ⅳ、V階段[S]. GB 17691—2005.

[2]梁桂森,顧宏中.直噴式柴油機有害排放量智能化控制技術[J]. 車用發動機, 1997(2)：49-53.

[3]梁和平,梁桂森.車用發動機尾氣排放遙測分析儀研究[J]. 柴油機, 2001(6)：27-29.

[4]丁家松,梁桂森,顧雪群等. 便攜式發動機排氣分析儀的研制[J]. 內燃機工程, 2001 ,22(2)：27-30.