車用柴油機瞬變工況的排放特性 譚丕強

1、中國工程熱物理學會 燃燒學學術(shù)會議論文 編號：114190車用柴油機瞬變工況的排放特性譚丕強，馮謙，胡志遠，樓狄明（同濟大學 汽車學院，上海 201804）（TelEmail: tpq2000163 ）摘 要：以一臺車用電控高壓共軌柴油機為樣機，研究了柴油機恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩、恒轉(zhuǎn)矩增轉(zhuǎn)速兩類典型瞬變工況煙度、顆粒數(shù)量、NOx等排放特性。結(jié)果表明，柴油機增轉(zhuǎn)矩瞬變工況下，低轉(zhuǎn)速瞬變工況煙度值變化較小，顆粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度瞬時峰值較低；高轉(zhuǎn)速瞬時NOx升高較快。增轉(zhuǎn)速瞬變工況下，高轉(zhuǎn)矩瞬變工況煙度值相對較高；低轉(zhuǎn)矩瞬時顆粒數(shù)濃度增加，而質(zhì)量濃度無明顯變化；中、高轉(zhuǎn)矩瞬變工況

2、NOx排放較高。關(guān)鍵詞：柴油機；瞬變工況；煙度；顆粒；NOx0前 言柴油機瞬變工況排放特性是指柴油機在瞬變工況（變轉(zhuǎn)速或變轉(zhuǎn)矩）下的排放性能。對現(xiàn)代車用柴油機而言，其主要有害排放有顆粒和氮氧化物NOx。目前已對柴油機穩(wěn)態(tài)工況排放特性進行了大量的試驗研究。但車用柴油機在實際運行中，其加速、減速、冷起動等時轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩急劇變化的瞬變工況占有很高比例，需要對該類瞬變工況進行研究，尤其是其排放特性。但現(xiàn)階段對柴油機瞬變工況的控制及排放的測量比較困難，而且詳細的研究報道較少1-2。排氣顆粒數(shù)量是車用柴油機的研究熱點3-6，歐洲最新的汽車排放法規(guī)對柴油機排氣顆粒數(shù)量進行了限制，其中包含了瞬變工況測試循環(huán)下的

3、顆粒數(shù)量排放7。因此，研究車用柴油機在瞬變工況下的顆粒數(shù)量、煙度、NOx等排放特性，尋找降低瞬變工況排放的途徑具有非常重要的意義?；谝陨蠋c，本文對車用柴油機在恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩、恒轉(zhuǎn)矩增轉(zhuǎn)速這兩類典型瞬變工況下的煙度、顆粒數(shù)量、NOx等排放特性開展了相關(guān)研究。1試驗設(shè)備及方案1.1試驗樣機試驗樣機為一臺車用電控高壓共軌增壓柴油機，主要技術(shù)參數(shù)如表1。1.2試驗設(shè)備及試驗方案試驗臺架為AVL公司的PUMA發(fā)動機全自動瞬變工況測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用電力測功機，可以根據(jù)需要設(shè)定發(fā)動機不同的轉(zhuǎn)矩變化率和轉(zhuǎn)速變化率，以實現(xiàn)不同的柴油機瞬變工況，并可連續(xù)實時記錄相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)。試驗采用AVL439測量排氣中的瞬

4、態(tài)煙度值，AMA i60分析儀測量排氣中NOx、HC等氣體排放物的濃度，該分析儀的測試頻基金項目：國家自然科學基金（50906062），國家863計劃（2008AA11A169）作者簡介：譚丕強（1974 ），男，博士，副教授，主要研究方向為內(nèi)燃機排放控制和清潔燃料.表1 試驗柴油機的主要技術(shù)參數(shù)項目參數(shù)缸徑×行程(mm/mm)114/130總排量（L）5.308額定功率/轉(zhuǎn)速(kW/r/min)132/2300最大轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速(N·m/r/min)660/14001600壓縮比18:1率為10Hz，完全滿足瞬變工況的測試要求。顆粒數(shù)量測試采用TSI公司的EEPS發(fā)動機顆粒數(shù)

5、量和粒徑分析儀，該儀器可快速測取柴油機瞬變工況的排氣顆粒數(shù)量及粒徑分布特性，具有很好的瞬間檢測速度，在0.1秒內(nèi)可測取一個完整的顆粒數(shù)量和粒徑分布圖譜，同步輸出32個數(shù)據(jù)通道的顆粒數(shù)量和粒徑分布數(shù)據(jù)，完全滿足柴油機瞬變工況下顆粒數(shù)量的測試要求。柴油機排氣顆粒進入測試設(shè)備之前要進行稀釋，本研究采用了兩級稀釋，總稀釋比為500:1。第一級稀釋系統(tǒng)采用TSI公司的專用旋轉(zhuǎn)盤稀釋器，對部分柴油機排氣進行稀釋，稀釋空氣進入稀釋器之前進行過濾以消除環(huán)境背景空氣的影響，控制初級稀釋系統(tǒng)的加熱溫度為120°C，稀釋比為200:1；第二級稀釋采用一個流量計對進氣流量進行補償，并同時進行稀釋，稀釋比為2

6、.5:1，同樣對該空氣也進行了過濾處理。然后，氣體通過一個分離器去除1m粒徑以上的顆粒，再進入測試設(shè)備。本文研究了兩種瞬變工況：恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩（以下簡稱“增轉(zhuǎn)矩”）；恒轉(zhuǎn)矩增轉(zhuǎn)速（以下簡稱“增轉(zhuǎn)速”）。本文定義了本試驗自行設(shè)計了低轉(zhuǎn)速（900r/min）、中轉(zhuǎn)速（1500r/min）、高轉(zhuǎn)速（2100r/min）三個增轉(zhuǎn)矩瞬變工況，分別如圖1中的A-A、B-B、C-C。同樣定義低轉(zhuǎn)矩（68N·m）、中轉(zhuǎn)速（340N·m）、高轉(zhuǎn)矩（470N·m）三個增轉(zhuǎn)速瞬變工況，分別如圖1中的A-B、A-B、A-B。圖1 試驗柴油機的瞬變工況一個完整瞬變工況的測試方法定義如下：用2

7、0秒完成一個完整的瞬變工況測試，按時間先后順序共分為2個階段，分別為前期瞬變工況、后期穩(wěn)態(tài)工況，設(shè)定前期瞬變工況過渡時間均為4秒。下面以A-A工況來說明一個完整瞬變工況的測試過程，詳細如下：(1) 前期瞬變工況：根據(jù)設(shè)定參數(shù)，從第1秒開始，通過發(fā)動機瞬變測控系統(tǒng)使柴油機的轉(zhuǎn)矩發(fā)生68 Nm-340 Nm變化以實現(xiàn)瞬變工況過程，設(shè)定瞬變工況過渡時間為4秒。(2) 后期穩(wěn)態(tài)工況：瞬變過渡工況結(jié)束后，柴油機逐漸趨于后期穩(wěn)態(tài)工況（轉(zhuǎn)速900r/min下的轉(zhuǎn)矩340Nm），并一直運行到第20秒結(jié)束。在這20秒期間，瞬變測控系統(tǒng)實時記錄所有相關(guān)的柴油機性能數(shù)據(jù)，EEPS排氣顆粒粒徑儀連續(xù)記錄發(fā)動機的排氣顆

8、粒數(shù)量。2試驗結(jié)果與分析2.1增轉(zhuǎn)矩瞬變工況2.1.1增轉(zhuǎn)矩工況的空燃比和功率發(fā)動機全自動試驗臺架測控系統(tǒng)通過控制柴油機的油門開度實現(xiàn)瞬變工況變化，增轉(zhuǎn)矩瞬變工況的空燃比，由圖2可見，三種瞬變工況空燃比均急劇下降后趨于穩(wěn)定值。低轉(zhuǎn)速（900r/min）工況A-A空燃比下降率較大，因為低轉(zhuǎn)速時單個循環(huán)工作時間較長，瞬時排氣能量增加緩慢，瞬時增轉(zhuǎn)矩增壓器響應(yīng)滯后較為嚴重5-7。圖2 增轉(zhuǎn)矩工況的空燃比圖3 增轉(zhuǎn)矩工況的功率柴油機增轉(zhuǎn)矩瞬變工況功率變化如圖3，中、高轉(zhuǎn)速（1500r/min、2100r/min）瞬變工況B-B、C-C的功率變化率較大，說明在中、高轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)較快，原因是中、高轉(zhuǎn)速時增

9、壓器效率較高，較高的轉(zhuǎn)速使瞬時排氣能量增加較快，增壓器瞬態(tài)響應(yīng)滯后程度較小，使柴油機瞬態(tài)動力性能較好。2.1.2增轉(zhuǎn)矩工況的煙度及顆粒排放柴油機增轉(zhuǎn)矩瞬變工況尾氣中煙度變化由圖4可見，三種瞬變工況初始煙度值均升高，低轉(zhuǎn)速瞬變工況出現(xiàn)較小的駝峰，達到穩(wěn)態(tài)工況逐漸下降趨于穩(wěn)定；中轉(zhuǎn)速1500r/min工況B-B瞬時煙度值增加較快出現(xiàn)一個峰值；高轉(zhuǎn)速2100r/min工況C-C瞬時煙度值緩慢增加逐漸趨于穩(wěn)定。增轉(zhuǎn)矩瞬變工況空燃比急劇下降，是導(dǎo)致瞬時排氣煙度值上升的主要原因。低轉(zhuǎn)速900r/min工況A-A瞬變時煙度值變化幅度較小，穩(wěn)態(tài)工況煙度值也較小，原因是低轉(zhuǎn)速瞬變工況，單個循環(huán)工作時間較長，柴油

10、和空氣在缸內(nèi)混合時間相對較長，混合程度相對均勻，燃燒情況較好，因此，低轉(zhuǎn)速瞬變工況產(chǎn)生較高的排氣溫度，如圖5所示。增轉(zhuǎn)矩排氣溫度變化，較高的排氣溫度加強了排氣中碳煙顆粒的氧化，排氣煙度值降低，因此，低轉(zhuǎn)速增扭矩瞬變工況混合氣的形成質(zhì)量是影響排氣中煙度值大小的主要因素。中轉(zhuǎn)速瞬變工況煙度值變化較大，該工況瞬時空燃比變化率較大，單個循環(huán)工作時間較短，造成缸內(nèi)瞬時燃燒情況惡劣，瞬時煙度值瞬時變化較大。因此，空燃比的瞬時變化率是影響煙度值的主要因素8。圖4 增轉(zhuǎn)矩工況的煙度圖5 增轉(zhuǎn)矩工況的排氣溫度本試驗使用EEPS排氣顆粒粒徑儀連續(xù)記錄柴油機的排氣顆粒數(shù)量和粒徑分布，得出柴油機增轉(zhuǎn)矩瞬變工況顆粒數(shù)濃

11、度并對質(zhì)量濃度進行計算，如圖6和圖7所示。圖6 增轉(zhuǎn)矩工況的顆粒數(shù)濃度圖7 增轉(zhuǎn)矩工況的顆粒質(zhì)量濃度增轉(zhuǎn)矩工況時，同一瞬變工況的顆粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度變化趨勢具有一定相似性，低、中、高三個轉(zhuǎn)速瞬變工況顆粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度先增大后減小，后期穩(wěn)態(tài)工況顆粒排放趨于穩(wěn)定。低轉(zhuǎn)速900r/min瞬變工況A-A，顆粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度變化峰值較低，后期穩(wěn)態(tài)工況排放水平也較低，原因是該工況雖空燃比較低，但單個循環(huán)工作時間較長，柴油和空氣混合相對均勻，缸內(nèi)燃燒情況較好，生成較少碳煙顆粒，同時較高的排氣溫度加強了碳煙顆粒在排氣過程中的氧化；中轉(zhuǎn)速1500r/min 的B-B瞬變過程，顆粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度變化較大，原

12、因是瞬變時噴油量增加，增壓器瞬態(tài)響應(yīng)滯后，空氣增加較慢，瞬時空燃比下降得快，燃燒惡劣，因此，中轉(zhuǎn)速瞬變工況顆粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度排放較高；高轉(zhuǎn)速2100r/min的C-C瞬變工況，顆粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度瞬時出現(xiàn)峰值，但后期穩(wěn)態(tài)排放水平相對中轉(zhuǎn)速較低，原因是高轉(zhuǎn)速瞬變工況增壓器響應(yīng)滯后使得瞬時混合氣較濃，燃燒生成較多的碳煙顆粒，隨轉(zhuǎn)矩進一步增加，排氣能量持續(xù)上升，渦輪增壓系統(tǒng)供氣滯后現(xiàn)象有所改善，燃燒質(zhì)量逐步改善，碳煙排放逐漸下降，顆粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度逐漸下降；后期穩(wěn)態(tài)工況高轉(zhuǎn)速工況空燃比較高，因此，顆粒排放水平較低。柴油機增轉(zhuǎn)矩瞬變工況HC濃度變化如圖8所示。排氣中的顆粒主要成分是未燃HC和聚集態(tài)

13、的碳煙，結(jié)合瞬變工況煙度值（圖4）和顆粒的變化，中轉(zhuǎn)速B-B瞬變過程煙度值變化較大，而顆粒變化相對高轉(zhuǎn)速較小，原因是中轉(zhuǎn)速瞬變過程，排氣溫度較高，未燃HC多以氣態(tài)排出，增加顆粒較少，而高轉(zhuǎn)速C-C瞬變工況未燃HC多以液態(tài)排除，造成顆粒排放瞬時變化較大。圖8 增轉(zhuǎn)矩工況的HC排放2.1.3增轉(zhuǎn)矩工況的NOx排放增轉(zhuǎn)矩瞬變工況的NOx排放如圖9所示。低、中、高轉(zhuǎn)速三種瞬變工況NOx排放瞬時升高，后期穩(wěn)態(tài)工況趨于穩(wěn)定，原因是增轉(zhuǎn)矩瞬時混合氣變濃，缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的溫度升高，因此NOx排放逐漸升高，逐漸趨于穩(wěn)定。高轉(zhuǎn)速C-C瞬變工況NOx升高較快，出現(xiàn)較小駝峰然后下降趨于穩(wěn)定，原因是該工況轉(zhuǎn)速較高，增壓器

14、瞬時響應(yīng)較快，空燃比瞬時下降率較低，氧含量相對較高，因此，瞬時生成較多的NOx，后期穩(wěn)態(tài)工況NOx排放趨于穩(wěn)定9。圖9 增轉(zhuǎn)矩工況的NOx排放2.2增轉(zhuǎn)速瞬變工況2.2.1增轉(zhuǎn)速工況的空燃比和功率柴油機增轉(zhuǎn)速瞬變工況空燃比變化如圖10所示，瞬變工況初始空燃比升高后趨于穩(wěn)定。增轉(zhuǎn)速瞬變時，噴油量增加，排氣能量逐漸增加，同時轉(zhuǎn)速瞬時增加，渦輪單位時間獲得的能量增大，增壓器的增壓能力提高，進入缸內(nèi)的空氣增加。圖11所示是增轉(zhuǎn)速瞬變工況功率變化，低轉(zhuǎn)矩68N·m的A-B瞬變工況功率變化相對較小，低轉(zhuǎn)矩瞬變工況，空燃比較高，缸內(nèi)燃燒情況較好，瞬時加速性能相對較好。圖10 增轉(zhuǎn)速工況的空燃比圖1

15、1 增轉(zhuǎn)速工況的功率2.2.2增轉(zhuǎn)速工況的煙度及顆粒排放柴油機增轉(zhuǎn)速瞬變工況尾氣煙度變化如圖12所示。圖12 增轉(zhuǎn)速工況的煙度中、高轉(zhuǎn)矩（340N·m、470N·m）增轉(zhuǎn)速A-B、A-B瞬變工況下，排氣煙度在瞬變初始急劇上升，形成一個波峰，后回落到一穩(wěn)定值，隨著轉(zhuǎn)矩的降低，這種波峰現(xiàn)象逐漸消失。高轉(zhuǎn)矩A-B瞬時煙度值增加較快出現(xiàn)較大的峰值；中轉(zhuǎn)矩A-B瞬時煙度值緩慢增加出現(xiàn)峰值較小。定轉(zhuǎn)矩瞬變工況，隨著轉(zhuǎn)速增加，單個循環(huán)工作時間變短，燃油霧化質(zhì)量較差，形成混合氣的質(zhì)量較差，導(dǎo)致瞬時排氣煙度值上升，高轉(zhuǎn)矩工況，空燃比相對較低，瞬時出現(xiàn)的煙度值較高。增轉(zhuǎn)速工況煙度值的變化主要取

16、決于混合氣形成的質(zhì)量和空燃比的值。柴油機增轉(zhuǎn)速瞬變工況顆粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度變化如圖13和圖14所示，中、高轉(zhuǎn)矩（340N·m、470 N·m）A-B、A-B瞬變工況的顆粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度變化具有一定的相似性，中轉(zhuǎn)矩A-B瞬變顆粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度升高后趨于穩(wěn)定；高轉(zhuǎn)矩A-B瞬變工況顆粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度急劇出現(xiàn)一個尖峰后下降逐漸趨于穩(wěn)定，原因是高轉(zhuǎn)矩增轉(zhuǎn)速瞬變工況，噴入較多的柴油，瞬時混合氣濃度較大，單個循環(huán)工作時間瞬時變短，形成混合氣的質(zhì)量較差，導(dǎo)致瞬時顆粒排放增多。對比煙度值瞬時變化，中、高轉(zhuǎn)矩瞬時增速過程顆粒排放與煙度變化有很大的相關(guān)性，因此推測，中、高轉(zhuǎn)矩瞬變工況，顆粒

17、排放以較大的碳煙顆粒為主。圖13 增轉(zhuǎn)速工況的顆粒數(shù)濃度圖14 增轉(zhuǎn)速工況的顆粒質(zhì)量濃度低轉(zhuǎn)矩68N·m的A-B瞬變工況，顆粒數(shù)濃度不斷增加，而顆粒質(zhì)量濃度無明顯變化，原因是低轉(zhuǎn)矩瞬變工況顆粒排放以未燃HC的核態(tài)顆粒（粒徑DP50nm）為主，如圖15所示，低轉(zhuǎn)矩HC排放值較高，而顆粒質(zhì)量濃度無明顯變化，原因是低轉(zhuǎn)矩變工況趨于排放小粒徑顆粒，因此顆粒數(shù)濃度升高。2.2.2增轉(zhuǎn)速工況的NOx排放柴油機增轉(zhuǎn)速工況NOx排放如圖16所示，中、高轉(zhuǎn)矩（340N·m、470N·m）A-B、A-B瞬變工況的NOx排放出現(xiàn)一個尖峰，然后急劇下降趨于穩(wěn)定，原因是中、高轉(zhuǎn)矩瞬變工況，

18、混合氣不均勻，局部富氧，同時缸內(nèi)溫度較高，瞬時變化初始轉(zhuǎn)速增加較慢，單個循環(huán)工作時間相對較長，有利于NOx形成。隨著循環(huán)進行，轉(zhuǎn)速快速增高，單個循環(huán)工作時間變短，混合氣逐漸趨于均勻，因此NOx排放逐漸降低并趨于穩(wěn)定。圖15增轉(zhuǎn)速工況的HC排放圖16增轉(zhuǎn)速工況的NOx排放3結(jié) 論本文以一臺車用柴油機為樣機，研究了其恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩、恒轉(zhuǎn)矩增轉(zhuǎn)速這兩類典型瞬變工況下的煙度、顆粒數(shù)量、NOx等排放特性。所得結(jié)論如下：（1）柴油機增轉(zhuǎn)矩瞬變工況，空燃比下降后趨于穩(wěn)定，低轉(zhuǎn)速空燃比下降率較??；中、高轉(zhuǎn)速瞬時功率上升較快；煙度值先升高后降低趨于穩(wěn)定，低轉(zhuǎn)速煙度值變化幅度較小；顆粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度瞬時升高后逐漸

19、降低趨于穩(wěn)定，低轉(zhuǎn)速瞬時顆粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度變化?。凰矔rNOx排放會升高，高轉(zhuǎn)速瞬時過程NOx升高較快。（2）柴油機增轉(zhuǎn)速瞬變工況，空燃比瞬時上升逐漸趨于穩(wěn)定，高轉(zhuǎn)矩空燃比較低；低轉(zhuǎn)矩瞬時加速性能相對較好；排氣煙度在初始階段急劇上升，形成一個波峰，然后回落到一穩(wěn)定值，轉(zhuǎn)矩降低，這種波峰現(xiàn)象逐漸消失；高轉(zhuǎn)矩顆粒質(zhì)量濃度急劇出現(xiàn)一個峰值，然后下降逐漸趨于穩(wěn)定，隨著轉(zhuǎn)矩的降低，這種峰值現(xiàn)象消失；低轉(zhuǎn)矩瞬時顆粒數(shù)濃度逐漸上升，該工況排放顆粒以未燃HC的核態(tài)顆粒為主；中、高轉(zhuǎn)矩瞬變工況NOx排放出現(xiàn)一個峰值后逐漸降低并趨于穩(wěn)定，轉(zhuǎn)矩降低，這種峰值消失。參考文獻：1 Hagena J R，F(xiàn)ilipi Z

20、 S，Assanis D N. Transient Diesel Emissions: Analysis of Engine Operation during a Tip-In. SAE Technical Paper 2006-01-1151，2006.2 Rakopoulos C D，Giakoumis E G. Review of Thermodynamic Diesel Engine Simulations under Transient Operating Conditions J. SAE Technical Paper 2006-01-0884，2006.3 Ivanisin M

21、，Hausberger S. Experimental Study on Particle Number Emissions of Modern Vehicle Engines. SAE Technical Paper 2005-01-0191，2005.4 May J，Bosteels D，Such C，et al. Heavy-duty Engine Particulate Emissions: Application of PMP Methodology to measure Particle Number and Particulate Mass. SAE Technical Pape

22、r 2008-01-1176，2008.5 Tan Piqiang，Hu Zhiyuan，Lou Diming，et al. Particle Number and Size Distribution from a Diesel Engine with Jatropha Biodiesel Fuel J. SAE Technical Paper，2009-01-2726，2009.6 Bernemyr H，Ångström H E. Number measurements and size dependant volatility study of diesel exhaust particles. SAE Technical Paper 2007-24-0107，2007