国Ⅲ柴油机ESC试验循环排放特性分析
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Keywords:dieselengine;emission;ESC;contributionrate
前言
国家标准 GB17691— 2005车用压燃式 、气体燃 料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量 方法 (中国 Ⅲ 、Ⅳ 、Ⅴ阶段 )对重型柴油机的测试方 法进行了调整 , 采用 ESC稳态循环 , 取代 了第 Ⅱ阶 段规定的 13工况测试循环[ 1] 。 与 13工况测试循环 相比 , ESC测试循环测试点数也是 13个 , 但是它们 在发动机工况区的分布上发生了变化 , 避开了发动 机的最大功率转速和最大转矩转速 , 选择了 3个中 间转速 。 同时各工况点的加权系数分布比较均匀 , 以保证整车在大部分的运行工况的排放均得到法规 的控制[ 2] 。
关键词 :柴油机 ;排放 ;欧洲稳态测试循环 ;分担率
AnAnalysisontheEmissionCharacteristicsofDieselEnginesMeeting State-Ⅲ EmissionStandardwithESCTestCycles
XingJuzhen1 , GaoJunhua2 ＆ ZhongShaohua1
(5)
式中 :[ RX] i为 气 体 污 染 物 第 i工 况 的 分 担 率 ;
[ BX] i为气体污染物第 i工况的加权比排放量 。
2.4 气体排放物分担率分析
图 2为 3种 燃油系统 柴油机在 不同工况 下的
CO比排放量分担率 , 可以看出 :机械泵 +EGR燃油
系统发动机分担率超过 10%的工况点分别为 C100、
B25、 B10 0;电控 单体 泵 燃油 系 统 柴 油 机 分担 率 超 过 10%的工况点分别为 B50、B25、B75;高压共轨燃油
系统柴油机分担率超 过 10%的工况点分别 为 B25
和 B75。 低负荷产生较多 CO的主要原因是缸体内
· 940·
汽 车 工 程
2009年 (第 31卷 )第 10期
机械泵 + 电控单 EGR 体泵 0.567 0.912 0.467 0.142 4.694 4.416 0.097 0.068 232.1 259.4
高压 共轨 1.936 0.298 4.445 0.162 7 263.8
2.2 加权比排放量和比油耗量计算
(1)加权比排放量 每一工况的加权比排放量 由以下各式计算 [ 1] 。
2009年 (第 31卷 )第 10期
汽 车 工 程 AutomotiveEngineering
2 009(Vol.31)No.10
2009189
国 Ⅲ柴油机 ESC试验循环排放特性分析
邢居真 1 , 高俊华 2 , 钟绍华 1
(1.武汉理工大学汽车工程学院 , 武汉 430070;2.中国汽车技术研究中心 , 天津 300162)
13
∑ [ BCO] i =[ QCO] iWi (PiWi) i=1
(wenku.baidu.com)
13
∑ [ BHC] i =[ QHC] iWi (PiWi) i=1
(2)
13
∑ [ BNOx] i =[ QNOx] iWi
(PiWi)
i=1
(3)
式中 :[ BCO] i、 [ BHC] i、 [ BNOx] i为第 i工况各气体污 染物的加权比排放量 ;[ QCO] i、 [ QHC] i、 [ QNOx] i为
各气体污染物的质量流量 , g/h;Pi为第 i工况有效
功率 , kW;Wi为第 i工况的加权系数 。
(2)加权比油耗量 ESC试验循环的加权比油
耗量是将 13工况的油耗量加权相加 , 然后除以整个
循环的循环功 , 即 :
13
13
∑ ∑ [ BFUEL] i = [ QFUEL] iWi
PiWi
i=1
1.SchoolofAutomobile, WuhanUniversityofTechnology, Wuhan 430070;
2.ChinaAutomotiveTechnologyandResearchCenter, Tianjin 300162
[ Abstract] AEuropeansteady-statecycle(ESC)testisconductedon3 dieselenginesadoptingdifferent technicalschemes(mechanicalfuelpumpwithEGR, electronicunitpumpandhighpressurecommonrailfuelsystem)respectivelyforcomparativelyanalyzingthecontributionratesofgaseouspollutantsandspecificfuelconsumptionofthesedieselengines.Theresultsofanalysisshowthatthepollutantsdistributionofelectronicfuelsystem, in particular, high-pressurecommonrailfuelsystemtendstobemoreuniform;whilethedieselengineusingmechanicalfuelpumpwithEGRhaslowerspecificfuelconsumption.
[ 摘要 ] 对采用机械泵 +EGR、电控单体泵和高 压共轨 3种技术 方案的国 Ⅲ 柴油机 进行欧 洲稳态 循环 (ESC) 试验 , 对 3种技术方案柴油机 ESC试验的气态污染物 分担率和油耗量进行了对比分析 。 分析结果表明 , 电控燃油系 统尤其是高压共轨系统的污染物分布更趋均匀 , 而采用机械泵 +EGR的柴油机的油耗量较低 。
试验按照 GB17691— 2005中的方法对 3种燃 油系统的试 验柴油机 进行 ESC循环 试验 , 图 1 为 ESC试验循环的试验顺序 。试验过程中记录每一工 况点的气体排放物的质量流量 、油耗量和功率 , 通过 计算得到每一工况气体污染物的工况分担率和油耗 量 , 并对它们进行分析对比 。
图 3 HC比排放量分担率
机分担 率超 过 10%的工 况点 分 别为 C100、B100、 A100、B75。 3种燃油系统发动机 NOx分担率重点工 况都是高负荷工况 , 这是由于高负荷时燃烧室内温 度较高 , NOx生成的重要条件之一就是高温[ 7] 。 由 图 4还可以看出 , 在 A、B转速时的大部分 工况 , 机 械泵 +EGR, 电控单体泵和高压共轨 3种燃油系统 发动机 NOx比排 放量分 担率依 次减少 ;在 C转速 时 , 趋势相反 , NOx比排放量分担率依次升高 。这说 明高压共轨发动机相对于其它两种燃油系统发动机 NOx比排放量随转速提高而增加的趋势更明显 。
图 4为 3种燃油系统柴油机 NOx比排放量分担 率 。 机械 泵 +EGR燃 油 系统 发 动机 分 担 率超 过 10%的工 况点为 B100、A100、B75、C100;电 控单体 泵燃油系统发动机分担率超过 10%的工况点分别 为 B100、C100、B75、A100;高压共轨燃油 系统发动
1 试验系统与方案
1.1 试验用发动机 试验用柴油机分别采用机械泵 +EGR、电控单
体泵和电控高压共轨燃油供给方式技术路线 , 柴油 机的基本参数如表 1所示 。
原稿收到日期为 2009年 8月 6日 , 修改稿收到日期为 2009年 8月 26日 。
200 9(Vol.3 1)No.1 0
邢居真 , 等 :国 Ⅲ 柴油机 ESC试验循环排放特性分析
图 1 ESC试验循环的试验顺序
2 试验结果与分析
2.1 试验结果
表 2为机械泵 +EGR、电控单体泵和高压共轨 3
种燃油系统柴油机 ESC试验循环的排放结果 。
表 2 不同燃油系统柴油机排放结果
燃油系统
测试项目 CO比排放量 /g· (kW· h)-1 HC比排放量 /g· (kW· h)-1 NOx比排放量 /g· (kW· h)-1 颗粒比排放量 /g· (kW· h)-1 油耗量 /g· (kW· h)-1
为了满足苛刻的排放法规 , 从国 Ⅲ阶段开始 , 采
用电控燃油喷射技术是非常有效的措施 [ 3] 。 目前国 内柴油机市场主要的技术路线为机械泵 +EGR、电 控单体泵和高压共轨 , 其中机械泵 +EGR为非常规 路线 , 电控单体泵和高压共轨为常规技术路线 [ 4] 。
文中选择机械泵 +EGR、电 控单体泵和高压共 轨 3种技术路线的柴油机进行 ESC循环试验 , 分别 对 3种技术路线 ESC试验 循环工况 点的 CO、HC、 NOx的比排放量和比油耗量进行对比研究 。
· 939·
燃油系统技术路线
型式
缸径 ×行程 /mm 额定功率 /kW(转速 /r· min-1 ) 最大转矩 /N· m(转速 /r· min-1)
A、B、C转速 /r· min-1 排量 /L
表 1 发动机参数
机械直列泵 +EGR
电控单体泵
4冲程 、直列 6缸 、 直喷 、增压中冷
4 冲程 、直列 6缸 、 直喷 、增压中冷
2.8
1.2 试验所用仪器设备 使用 APA404型交流电力测功机 , CVS4000全
流稀释系统 。 排放测试使用的是 CEBⅡ汽车排气分 析仪 , 其采用 不分光红 外线法 (NDIR)检 测 CO和 CO2 排放 , 采用氢火焰离子法 (FID)检测尾气中的总 碳氢 (THC)排放 , 采用化学发光法 (CLD)检测 NOx 的排放 。 1.3 试验方案
气体温度不高 , 使得燃烧不完全 , 导致稀熄火区边缘 生成较多的 CO。 高负荷产生 CO的主要原因是局 部缺氧加剧 , 使 CO不能充分燃烧生 成 CO2 [ 6] 。 对 比 3种燃油系统 , 机械泵 +EGR燃油系统发动机在 高负荷和低负荷都产生较多 CO, 而其它两种电控系 统发动机主要在中低负荷产生较多 CO, 高负荷产生 的 CO比排放量较少 , 分担率较低 , 可能是由于电控 系统可以更好地控制喷油时刻和喷油量 , 使燃油与 空气混合充分 , 减少了高负荷时局部缺氧状况 。 同 时可以看出 B转速时 CO比排放分担率都比较大 , 3 种燃 油系 统 B转 速时 CO比排 放 分 担 率分 别 为 40.7%、54.2%和 49.4%, 主要是因为 B转速加权 系数比较大 , 所以无论采取何种降低 CO排放的控 制策略都需要重点减低 B转速时 CO比排放量 。
i=1
(4)
式中 :[ BFUEL] i为加权比油耗量 ;[ QFUEL] i为第 i工
况油耗量 , g/h;Wi为第 i工况的加权系数 。
2.3 分担率计算
用分担率对比 3种技术路线柴油机 ESC试验循
环各个工况气体排放物的加权比排放量和加权比油 耗量 , 计算公式为[ 5]
13
∑ [ RX] i = [ BX] i [ BX] i ×100% i=1
图 2 CO比排放量分担率
图 3为 3种燃油系统柴油机 HC比排放量分担 率 , 可以看出 :机械泵 +EGR燃油系统发 动机分担 率超过 10%的工况点分别为 B50、B75、B25;电控单 体泵燃油系统发动机分担率超过 10%的工况点分 别为 B25、B75、B50、C25;高压共轨燃油系统发动机 分担率超过 10%的工况点为 B25。 对比 3种燃油系 统 , 高 HC分担率工况都是低负荷工况 , 是因为随着 负荷减少 , 循环供油量减少 , 空燃比增大 , 局部区域 温度过低和混合气过稀的情况严重 。 对于高压共轨 燃油系统发动机只有一个低负荷工况点 HC比排放 量超过 10%, 因为高压共轨发动机有质量良好的混 合气 、较好地避免了局部混合气过稀的现象 , 所以高 压共轨系统各工况点 HC比排放量更加平均 。
114 ×135 180(2 200) 990(1 450) 1 269、 1 682、 1 995
4
100 ×127 102(2 500) 450(1 400) 1 640、1 985、2 330
3.99
高压共轨
4冲程 、直列 6 缸 、 直喷 、增压中冷
93 ×102 83(3 600) 280(1 800) 2 124、2 689、 3 253
前言
国家标准 GB17691— 2005车用压燃式 、气体燃 料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量 方法 (中国 Ⅲ 、Ⅳ 、Ⅴ阶段 )对重型柴油机的测试方 法进行了调整 , 采用 ESC稳态循环 , 取代 了第 Ⅱ阶 段规定的 13工况测试循环[ 1] 。 与 13工况测试循环 相比 , ESC测试循环测试点数也是 13个 , 但是它们 在发动机工况区的分布上发生了变化 , 避开了发动 机的最大功率转速和最大转矩转速 , 选择了 3个中 间转速 。 同时各工况点的加权系数分布比较均匀 , 以保证整车在大部分的运行工况的排放均得到法规 的控制[ 2] 。
关键词 :柴油机 ;排放 ;欧洲稳态测试循环 ;分担率
AnAnalysisontheEmissionCharacteristicsofDieselEnginesMeeting State-Ⅲ EmissionStandardwithESCTestCycles
XingJuzhen1 , GaoJunhua2 ＆ ZhongShaohua1
(5)
式中 :[ RX] i为 气 体 污 染 物 第 i工 况 的 分 担 率 ;
[ BX] i为气体污染物第 i工况的加权比排放量 。
2.4 气体排放物分担率分析
图 2为 3种 燃油系统 柴油机在 不同工况 下的
CO比排放量分担率 , 可以看出 :机械泵 +EGR燃油
系统发动机分担率超过 10%的工况点分别为 C100、
B25、 B10 0;电控 单体 泵 燃油 系 统 柴 油 机 分担 率 超 过 10%的工况点分别为 B50、B25、B75;高压共轨燃油
系统柴油机分担率超 过 10%的工况点分别 为 B25
和 B75。 低负荷产生较多 CO的主要原因是缸体内
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汽 车 工 程
2009年 (第 31卷 )第 10期
机械泵 + 电控单 EGR 体泵 0.567 0.912 0.467 0.142 4.694 4.416 0.097 0.068 232.1 259.4
高压 共轨 1.936 0.298 4.445 0.162 7 263.8
2.2 加权比排放量和比油耗量计算
(1)加权比排放量 每一工况的加权比排放量 由以下各式计算 [ 1] 。
2009年 (第 31卷 )第 10期
汽 车 工 程 AutomotiveEngineering
2 009(Vol.31)No.10
2009189
国 Ⅲ柴油机 ESC试验循环排放特性分析
邢居真 1 , 高俊华 2 , 钟绍华 1
(1.武汉理工大学汽车工程学院 , 武汉 430070;2.中国汽车技术研究中心 , 天津 300162)
13
∑ [ BCO] i =[ QCO] iWi (PiWi) i=1
(wenku.baidu.com)
13
∑ [ BHC] i =[ QHC] iWi (PiWi) i=1
(2)
13
∑ [ BNOx] i =[ QNOx] iWi
(PiWi)
i=1
(3)
式中 :[ BCO] i、 [ BHC] i、 [ BNOx] i为第 i工况各气体污 染物的加权比排放量 ;[ QCO] i、 [ QHC] i、 [ QNOx] i为
各气体污染物的质量流量 , g/h;Pi为第 i工况有效
功率 , kW;Wi为第 i工况的加权系数 。
(2)加权比油耗量 ESC试验循环的加权比油
耗量是将 13工况的油耗量加权相加 , 然后除以整个
循环的循环功 , 即 :
13
13
∑ ∑ [ BFUEL] i = [ QFUEL] iWi
PiWi
i=1
1.SchoolofAutomobile, WuhanUniversityofTechnology, Wuhan 430070;
2.ChinaAutomotiveTechnologyandResearchCenter, Tianjin 300162
[ Abstract] AEuropeansteady-statecycle(ESC)testisconductedon3 dieselenginesadoptingdifferent technicalschemes(mechanicalfuelpumpwithEGR, electronicunitpumpandhighpressurecommonrailfuelsystem)respectivelyforcomparativelyanalyzingthecontributionratesofgaseouspollutantsandspecificfuelconsumptionofthesedieselengines.Theresultsofanalysisshowthatthepollutantsdistributionofelectronicfuelsystem, in particular, high-pressurecommonrailfuelsystemtendstobemoreuniform;whilethedieselengineusingmechanicalfuelpumpwithEGRhaslowerspecificfuelconsumption.
[ 摘要 ] 对采用机械泵 +EGR、电控单体泵和高 压共轨 3种技术 方案的国 Ⅲ 柴油机 进行欧 洲稳态 循环 (ESC) 试验 , 对 3种技术方案柴油机 ESC试验的气态污染物 分担率和油耗量进行了对比分析 。 分析结果表明 , 电控燃油系 统尤其是高压共轨系统的污染物分布更趋均匀 , 而采用机械泵 +EGR的柴油机的油耗量较低 。
试验按照 GB17691— 2005中的方法对 3种燃 油系统的试 验柴油机 进行 ESC循环 试验 , 图 1 为 ESC试验循环的试验顺序 。试验过程中记录每一工 况点的气体排放物的质量流量 、油耗量和功率 , 通过 计算得到每一工况气体污染物的工况分担率和油耗 量 , 并对它们进行分析对比 。
图 3 HC比排放量分担率
机分担 率超 过 10%的工 况点 分 别为 C100、B100、 A100、B75。 3种燃油系统发动机 NOx分担率重点工 况都是高负荷工况 , 这是由于高负荷时燃烧室内温 度较高 , NOx生成的重要条件之一就是高温[ 7] 。 由 图 4还可以看出 , 在 A、B转速时的大部分 工况 , 机 械泵 +EGR, 电控单体泵和高压共轨 3种燃油系统 发动机 NOx比排 放量分 担率依 次减少 ;在 C转速 时 , 趋势相反 , NOx比排放量分担率依次升高 。这说 明高压共轨发动机相对于其它两种燃油系统发动机 NOx比排放量随转速提高而增加的趋势更明显 。
图 4为 3种燃油系统柴油机 NOx比排放量分担 率 。 机械 泵 +EGR燃 油 系统 发 动机 分 担 率超 过 10%的工 况点为 B100、A100、B75、C100;电 控单体 泵燃油系统发动机分担率超过 10%的工况点分别 为 B100、C100、B75、A100;高压共轨燃油 系统发动
1 试验系统与方案
1.1 试验用发动机 试验用柴油机分别采用机械泵 +EGR、电控单
体泵和电控高压共轨燃油供给方式技术路线 , 柴油 机的基本参数如表 1所示 。
原稿收到日期为 2009年 8月 6日 , 修改稿收到日期为 2009年 8月 26日 。
200 9(Vol.3 1)No.1 0
邢居真 , 等 :国 Ⅲ 柴油机 ESC试验循环排放特性分析
图 1 ESC试验循环的试验顺序
2 试验结果与分析
2.1 试验结果
表 2为机械泵 +EGR、电控单体泵和高压共轨 3
种燃油系统柴油机 ESC试验循环的排放结果 。
表 2 不同燃油系统柴油机排放结果
燃油系统
测试项目 CO比排放量 /g· (kW· h)-1 HC比排放量 /g· (kW· h)-1 NOx比排放量 /g· (kW· h)-1 颗粒比排放量 /g· (kW· h)-1 油耗量 /g· (kW· h)-1
为了满足苛刻的排放法规 , 从国 Ⅲ阶段开始 , 采
用电控燃油喷射技术是非常有效的措施 [ 3] 。 目前国 内柴油机市场主要的技术路线为机械泵 +EGR、电 控单体泵和高压共轨 , 其中机械泵 +EGR为非常规 路线 , 电控单体泵和高压共轨为常规技术路线 [ 4] 。
文中选择机械泵 +EGR、电 控单体泵和高压共 轨 3种技术路线的柴油机进行 ESC循环试验 , 分别 对 3种技术路线 ESC试验 循环工况 点的 CO、HC、 NOx的比排放量和比油耗量进行对比研究 。
· 939·
燃油系统技术路线
型式
缸径 ×行程 /mm 额定功率 /kW(转速 /r· min-1 ) 最大转矩 /N· m(转速 /r· min-1)
A、B、C转速 /r· min-1 排量 /L
表 1 发动机参数
机械直列泵 +EGR
电控单体泵
4冲程 、直列 6缸 、 直喷 、增压中冷
4 冲程 、直列 6缸 、 直喷 、增压中冷
2.8
1.2 试验所用仪器设备 使用 APA404型交流电力测功机 , CVS4000全
流稀释系统 。 排放测试使用的是 CEBⅡ汽车排气分 析仪 , 其采用 不分光红 外线法 (NDIR)检 测 CO和 CO2 排放 , 采用氢火焰离子法 (FID)检测尾气中的总 碳氢 (THC)排放 , 采用化学发光法 (CLD)检测 NOx 的排放 。 1.3 试验方案
气体温度不高 , 使得燃烧不完全 , 导致稀熄火区边缘 生成较多的 CO。 高负荷产生 CO的主要原因是局 部缺氧加剧 , 使 CO不能充分燃烧生 成 CO2 [ 6] 。 对 比 3种燃油系统 , 机械泵 +EGR燃油系统发动机在 高负荷和低负荷都产生较多 CO, 而其它两种电控系 统发动机主要在中低负荷产生较多 CO, 高负荷产生 的 CO比排放量较少 , 分担率较低 , 可能是由于电控 系统可以更好地控制喷油时刻和喷油量 , 使燃油与 空气混合充分 , 减少了高负荷时局部缺氧状况 。 同 时可以看出 B转速时 CO比排放分担率都比较大 , 3 种燃 油系 统 B转 速时 CO比排 放 分 担 率分 别 为 40.7%、54.2%和 49.4%, 主要是因为 B转速加权 系数比较大 , 所以无论采取何种降低 CO排放的控 制策略都需要重点减低 B转速时 CO比排放量 。
i=1
(4)
式中 :[ BFUEL] i为加权比油耗量 ;[ QFUEL] i为第 i工
况油耗量 , g/h;Wi为第 i工况的加权系数 。
2.3 分担率计算
用分担率对比 3种技术路线柴油机 ESC试验循
环各个工况气体排放物的加权比排放量和加权比油 耗量 , 计算公式为[ 5]
13
∑ [ RX] i = [ BX] i [ BX] i ×100% i=1
图 2 CO比排放量分担率
图 3为 3种燃油系统柴油机 HC比排放量分担 率 , 可以看出 :机械泵 +EGR燃油系统发 动机分担 率超过 10%的工况点分别为 B50、B75、B25;电控单 体泵燃油系统发动机分担率超过 10%的工况点分 别为 B25、B75、B50、C25;高压共轨燃油系统发动机 分担率超过 10%的工况点为 B25。 对比 3种燃油系 统 , 高 HC分担率工况都是低负荷工况 , 是因为随着 负荷减少 , 循环供油量减少 , 空燃比增大 , 局部区域 温度过低和混合气过稀的情况严重 。 对于高压共轨 燃油系统发动机只有一个低负荷工况点 HC比排放 量超过 10%, 因为高压共轨发动机有质量良好的混 合气 、较好地避免了局部混合气过稀的现象 , 所以高 压共轨系统各工况点 HC比排放量更加平均 。
114 ×135 180(2 200) 990(1 450) 1 269、 1 682、 1 995
4
100 ×127 102(2 500) 450(1 400) 1 640、1 985、2 330
3.99
高压共轨
4冲程 、直列 6 缸 、 直喷 、增压中冷
93 ×102 83(3 600) 280(1 800) 2 124、2 689、 3 253