第10章发动机排放测试

第10章发动机排放测试本章主要内容：介绍了CO、HC、NOX和微粒等排放污染物的测试仪器的工作原理和测试方法，叙述了曲轴箱排放物和蒸发排放物的测试要点。汽车排放污染物的测试，是废气净化研究的重要方面。正确测试汽车有害排放物的含量是研究汽车有害排放物的形成及其控制技术和装置的重要前提。随着各国汽车排放标准的日趋严格，其排放测试技术也不断地完善。汽车排放污染物的浓度一般都低，在排气过程中排气成分因相互影响而不稳定，采样测量时样气在进入测试仪器前的管路中，有凝聚和吸附现象等。因此，为得到正确的测量结果，就必须要有合理的采集排气样气的取样系统，以及具有良好的抗干扰性能和高灵敏度的测试仪器。10.1汽车排放污染物取样系统取样是汽车排放测试的第一环，在不同条件下，需要不同的取样技术。取样方法不同，取样系统也有所不同。取样系统的功能在于使样气经过预处理，以便按一定要求送入分析系统。取样的正确与否对测量结果的正确性关系极大。一般说来，汽车在不变工况工作时污染物的排放量可通过排气成分分析仪器测量该成分在排气中的浓度，然后根据汽车的排气总流量来计算求得。当汽车在变工况工作时，虽说在理论上可先测出成分浓度和排气流量随时间的变化曲线然后再对时间积分计算总量，但实际上由于排气管压力随工况变化而变化，取样系统和测量仪器动态响应滞后不同，以及在输送过程中各工况的样气部分混合，使得浓度曲线不能再现汽车排放的时间特性，造成很大的误差。于是采用通过测量排放平均值的方法来确定总排放量，如把一个标准测试循环中的所有排气收集到气袋里，然后测量浓度和气量，从而算出该循环的总排放量。这种方法需要用很大的气袋来收集排气，很不方便。同时样气在收集过程中可能发生物理和化学变化，导致测量结果的失真。按取样方法分，目前常采用的取样系统有直接取样系统、稀释取样系统和定容取样系统。下面针对每种取样方法并结合取样系统分析它们的特点。10.1.1直接取样系统直接取样法，是将取样探头插入发动机的排气管中，用取样泵连续抽取一定量气体不经稀释直接送入分析系统进行分析。由于直接取样法设备简单，操作方便，被广泛用于许多国家和地区的各种用途发动机的排放测量中。为简化排放测量程序，提高测量精度，总质量大于3500kg的重型车辆排放气态污染物一般均在稳定工况下测量。图10-1为适用于重型车辆气态排放物的直接取样分析系统流程图。图10-1直接取样分析系统流程图发动机在测功机台架上稳定运行，分析用样气直接从发动机的排气管抽取。因为未经稀释的排气污染物浓度较高，保证了较高的测量精度。采样泵P把排气经加热取样管HSL1（保温453～473K）输送到氢火焰离子型检测器HFID分析HC，经加热取样管HSL2（保温368～473K）输送到加热型化学发光分析仪HCLA分析，另外排气经取样管SL输送到不分光红外线吸收型分析仪NDIR分析CO和CO2。为了排除水蒸气对NDIR工作的干扰，用温度保持273～277K的槽型冷却器B来冷却和凝结排气样气中的水分。取样探头一般为一端封闭、多孔、平直的不锈钢探头，垂直插入排气管内，插入长度不少于排气管内径的80%。探头处的排气温度不应低于343K，进行NG（NaturalGas）发动机测试时，取样探头应安装在距排气歧管或增压器法兰盘出口1.5～2.5米的位置。10.1.2稀释取样系统测量重型车柴油机的微粒排放测试时，用稀释取样系统取样，既可用全流稀释取样系统FFDSS（FullFlowDilutionSamplingSystem），也可用分流稀释取样系统PFDSS(PartialFlowDilutionSamplingSystem)。1.全流稀释取样系统图10-2为稀释柴油机全部排气的全流稀释微粒取样系统，它可由初级稀释风道PDT和微粒取样系统PSS等构成的单级稀释取样SDS（SingleDilutionSampling）系统；也可是由初级稀释风道PDT和次级稀释取样系统SDT组成的双级稀释取样DDS(DoubleDilutionSampling)系统。图10-2全流稀释系统EP-排气管；PDP-容积式泵；CFV-临界流量文杜里管；HE-热交换器；PDT-初级稀释通道；SDS-单级稀释系统；DDS-双级稀释系统；PSP-颗粒物取样探头；PTT-颗粒物传输管；SDT-次级稀释通道；DAF-稀释用空气过滤器；FH-滤纸保持架；SP-颗粒物取样泵；DP-稀释用空气泵；GF-气体计量仪或流量测定仪一般说来，排气管EP从发动机排气歧管或涡轮增压器出口，到稀释通道的排气管长度不得超过10m。如果排气管长超过4m，那么管子超过4m的部分都应隔热。隔热材料的径向厚度至少为25mm，其导热率在温度为673K时，不得大于0.1W/(m·K)。初级稀释风道PDT中应有足够的湍流强度和足够的混合长度，保证取样前柴油机排气管EP排出的排气民经稀释空气滤清器DAF净化的稀释空气混合均匀。单级稀释系统的直径至少为460mm，双级稀释系统的直径至少为200mm。发动机的排气应顺气流引入初级稀释通道，并充分混合。对仅用于SDS的颗粒物取样探头PSP和仅用于DDS的颗粒物传输管PTT，两者必须逆气流安装在稀释用空气和排气混合均匀的地方（即在稀释通道的中心线上、在排气进入稀释通道点的下游约10倍管径的地方），内径均至少为12mm，不得加热。从PSP探头前端到滤纸保持架的距离不得超过1020mm；从PTT传输管入口平面到出口平面不得超过910mm，颗粒物样气的出口必须位于次级稀释通道的中心线上，并朝向下游。2.分流稀释系统由于全流稀释取样系统设备笨重，占地面积大，测试功耗也大，所以对重型车用柴油机进行稳态测量微粒排放时，可把一部分柴油机排气输入稀释风道的分流稀释取样系统。图10-3为测量重型车用柴油机稳态微粒排放用的分流稀释取样系统。图10-3分流稀释取样系统EP-排气管；PR-取样探头；ISP-等动态取样探头；EGA-排气分析仪；TT-颗粒物取样传输管；SC-压力控制装置；DPT-差压传感器；FC1-流量控制器；GF1-气体计量仪或流量测定仪；SB-抽风机；PB-压力机；DAF-稀释用空气过滤器；DT-稀释通道；PSS-颗粒物取样系统；PSP-颗粒物取样探头；PTT-颗粒物传输管；FH-滤纸保持架；SP-颗粒物取样泵；FC2-流量控制器；GF2-气体计量仪或流量测定仪；BV-球阀柴油机排气管EP中的排气通过颗粒物取样探头ISP或PR和颗粒物取样传输管TT输送到稀释通道DT。通过DT的稀释排气流量用颗粒物取样系统PSS中的流量控制器FC2和颗粒物取样泵SP控制，稀释空气流量用流量控制器FC1控制。10.1.3定容取样系统现在，世界各国的排放法规大多规定对汽车的排气先用干净空气进行稀释，然后用定容取样CVS（ConstantVolumeSampling）系统取样。除取样袋收集的气体外，大部分排气被排出取样器，由测量器测量排出气体的总流量。测量总流量的常用方法有：一是用容积泵PDP（PositiveDisplacementPump）；二是用临界流量文杜里管CFV（CriticalFlowVenturi）。1.带容积泵的定容取样系统带容积泵的定容取样系统如图10-4所示。容积泵PDP每转的抽气体积是一定的，只要转数不变，总流量就不变。PDP系统可使流量无级变化，但结构庞大，且流量受温度影响大。图10-4带容积泵的定容取样（PDP-CVS）系统D-稀释空气滤清器；M-混合室；H-热交换器；TC-温度控制系统；PDP-容积泵；T1-温度传感器；G1、G2-压力表；S1-收集稀释空气定量样气的取样口；S2-收集稀释排气定量样气的取样口；F-滤清器；P-取样泵；N-流量控制器；FL-流量计；V-快速动作阀；Q-快速接头；BA-稀释空气取样袋；BE-稀释排气取样袋；C-容积泵转数计数器；虚线部分-压燃式发动机车辆分析HC时的附加设备；Fh-加热滤清器；S3-取样口；Vh-加热式多通阀；HFID-加热式氢火焰离子型分析仪；R及I-记录积分瞬时HC浓度设备；Lh-加热取样管2.采用临界流量文杜里管的定容取样系统采用临界流量文杜里管的定容取样系统如图10-5所示。其总流量由一临界文杜里管CFV来确定，只要文杜里管一定，总流量就不变。该系统受温度影响较小，结构相对简单，但只可通过切换文杜里管来改变流量，且只能有级地改变。图10-5采用临界流量文杜里管的定容取样（CFV-CVS）系统AB-稀释空气取样袋；CF-积累流量计；CFV-临界流量文杜里管；CS-旋风分离器；DAF-稀释空气滤清器；DEP-稀释排气抽气泵；DT-稀释风道；F-过滤器；FC-流量控制器；FL-流量计；HE-换热；HF-加热过滤器；PG-压力表；QF-快接管接头；QV-快作用阀；S1～S4-取样探头；SB-衡释排气取样袋；SF-测量微粒排放质量的取样过滤器；SP-取样泵；TC-温度控制器TS-温度传感器从图10-4或图10-5分析可知，发动机的排气经排气管排入混合室M或稀释风道DT，用经过稀释空气滤清器D或DAF过滤的环境空气稀释，形成恒定体积流量的稀释排气。排气污染物与稀释空气充分混合后，经取样口S2或取样探头S2送到稀释取样袋BE或SB。在测试循环结束后，通过测量取样袋中各污染物的浓度，然后结合CVS系统中流过的稀释排气总量，就可获得发动机在测试循环中各污染物的总排放量。为了保证CVS系统的取样精度，流经系统的稀释排气质量流量必须保持恒定。流量控制器N，用于保证在试验过程中，从取样探头处采集的样气流量稳定（约10L/min），气体样气流量应保证在试验结束时，样气足以够供分析用。流量计FL，用于在试验期间调节和监控气体样气的流量稳定。测试柴油机时，因较重的HC可能在样气袋中冷凝，需对HC进行连续分析，因此，稀释排气用加热到463K的管路输送到分析器，并用积分器测试循环时间内的累计排放量。柴油机包括微粒排放量的测量，还需一个由流量控制器、微粒过滤取样器、取样泵和积累流量计组成的微粒取样系统。为保证排气与稀释空气均匀混合，CVS系统中稀释排气流动必须满足雷诺数Re4000。10.2排气成分分析仪目前，汽车排气中的CO和CO2用不分光红外线气体分析仪测量，NOX用化学发光分析仪测量，HC用氢火焰离子型分析仪测量。当需从总碳氢化合物中分离出非甲烷碳氢化合物时，一般用气相色谱仪测量甲烷。发动机排气中的氧多用顺磁分析仪测量。10.2.1不分光红外线气体分析仪（NDIR）不分光红外线气体分析仪NDIR（Non-DispersiveInfra-RedAnalyser）是根据不同气体对红外线的选择性吸收原理提出的。红外线是波长为0.8～600μm的电磁波，多数气体具有吸收特定波长的红外线的能力。如CO能吸收4.5～5μm的红外线，CO2能吸收4～4.5μm的红外线，CH4能吸收2.3μm、3.4μm、7.6μm的红外线，NO能吸收5.3μm的红外线，不分光红外线气体分析仪根据其特定的吸收来鉴别气体分子的种类。不分光红外线气体分析仪工作原理如图10-6所示。红外线光源1射出的红外线经过旋转的截光盘2交替地投向气样室7和装有不吸收红外线的气体（如氮）的参比室4，透过两室的气体后进入检测器5。检测器有两个接收气室，当样气室中的被测样气浓度变化时，两个接受气室接受的红外线辐射能的差别也发生变化，导致分隔两气室的薄膜6两侧压变化。由截光盘调制的周期性变化引起电容器电容量周期变化，该信号经放大成为分析仪的输出信号。为防止其它气体成分对被测成分测量的干扰，在光路上设置了滤波室3和8，滤掉干扰气体能吸收的波段。如分析CO，在滤波室中充以CO2和CH4等，分析时就不会受排气中的CO2和CH4成分的干扰；分析CO2时，则应充入CO、CH4等。不分光红外线气体分析仪采用直接取样系统时，水蒸气对CO和NO的测定有干扰，在取样流程中应串联有冷却器或除湿器，以尽量除去水分。不分光红外线气体分析仪测量NO时，由于输出信号非线性且易受干扰，其测量精度低；测量HC时，只能检测某一波长段的HC，如检测器接收室内充