汽车发动机试验学第六章发动机排放试验课件

6.1 6.1 概述概述美国是最早制定汽车排放法规的国家，这是因为20世纪40年代美国加州发生了光化学烟雾事件，其罪魁祸首正是汽车尾气，于是加州政府在20世纪60年代首先制定了汽车排放法规，开创了汽车排放控制的先河，随后各国政府也先后制定了相应的汽车排放法规，并且越来越严格。排放标准的加强，也促进了汽车排放控制技术的进步和汽车排放测试技术的提高。在我国，随着汽车保有量的迅速增加，汽车排气污染也越来越严重，我国政府借鉴国外治理汽车尾气的成功经验，并结合我国汽车工业现状，制定了一系列汽车废气排放法规来控制汽车排气污染，如GB18352.3-2005轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国、阶段）和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、V阶段）等。1同济大学汽车学院同济大学汽车学院6.1 6.1 概述概述对于车用燃油发动机，排气污染物主要包括气态污染物和颗粒物。气态污染物是指一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC)、氮氧化物（NOx）、二氧化碳（CO2）。颗粒物（PM）则由干炭烟（DS）、硫酸盐和可溶性有机物(SOF)组成。这些污染物主要存在以下3个来源：1.发动机排气管排出的有害气体，如一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物(NOx）、颗粒物（PM）（主要来自柴油机）等；2.发动机曲轴箱内泄漏到大气中的废气物，如CO、HC、NOx；3.来自燃料供给系统的燃油蒸发排放物，主要是HC。2同济大学汽车学院同济大学汽车学院6.1 6.1 概述概述汽车排放法规可分为轻型车排放法规和重型车排放法规，从表中可看出轻型车与重型车的划分方法。汽车排放法规又可分为道路车辆排放法规和非道路车辆排放法规。非道路车辆排放法规按ISO1878和ISO16183的规定，它包括了拖拉机、工程车、园艺发动机、发电机组、船舶发动机等。3同济大学汽车学院同济大学汽车学院6.26.2各国排放法规各国排放法规道路车辆排放法规目前在全世界主要分为三大体系，即美国排放法规（EPA）、欧共体排放法规(ECE)和日本排放法规(JES)，其他各国基木上是按照或参考这三大体系来制定本国的排放法规。排放污染物的评定指标对于污染物的排放量有多种评定指标，如表所示，即浓度排放量、质量排放量和比排放量，分别用于不同场合。4同济大学汽车学院同济大学汽车学院6.26.2各国排放法规各国排放法规o美国法规o美国是世界上最早执行排放法规的国家，也是排放控制指标种类最多，排放法规最严格的国家。美国的汽车排放法规分为联邦排放法规即环境保护局(EPA)排放法规和加利福尼亚州大气资源局（CARB)排放法规。o美国加州1960年立法控制汽车排气污染物；1963年美国政府颁布大气净化法。当年加州就已开始控制曲轴箱燃油蒸发物排放；1966年加州颁布实施“7工况法”汽车排放法规；1968年美国政府采用“7工况法”控制汽车排放；1970年加州开始控制轿车燃油蒸发物排放。美国政府从1970年开始制定一系列车辆排放控制法规。5同济大学汽车学院同济大学汽车学院6.26.2各国排放法规各国排放法规o美国法规o1972年采用LA-4C(FPT-72)测试循环，并增加对NOX的控制，1975年改用LA-4CH(FPT-75）测试循环；1975年起到20世纪80年代，美国排放法规大幅度加严，特别强化了对NOX的限值，同时提高对非甲烷气体（NMOG）和CO的控制。1990年美国国会对大气净化法做了重大修订，对汽车排放提出了更高的要求。1994年加利福尼亚州制定的低污染汽车排放法规，将轻型车分为过渡低排放车(TLEV),低排放车(LEV)，超低排放车(ULEV)和零排放车(ZEV)，并且规定从1998年起销售到加州的轻型车应有2为无污染排放（零排放）车，2001年为5，2003年达到10。同时计划在2004年进一步强化汽车排放法规(SULEV)，限值为ULEV的1/4。6同济大学汽车学院同济大学汽车学院6.26.2各国排放法规各国排放法规o美国法规7同济大学汽车学院同济大学汽车学院6.26.2各国排放法规各国排放法规o美国法规8同济大学汽车学院同济大学汽车学院6.26.2各国排放法规各国排放法规o日本法规o日本是世界上的汽车生产大国，从1966年起开始控制汽车排放污染，对新车进行4工况检测，规定控制CO体积分数小于3，1969年加严到2.5；1971年规定小型车CO体积分数小于1.5，轻型车CO体积分数小于3；1973年采用10下况法，增加THC和NOX作为排放控制指标；1986年对柴油轿车排放进行控制，对在用车实施定期车检法规；1991年起新车采用10-15工况测试循环；1993年开始对所有柴油车排放进行控制。日木汽车排放法规限值有最高值和平均值两种：每一辆车的排放量不得超过最高值；平均值指每一季度测得的各辆车的平均值不得超过排放法规规定的平均值限值。9同济大学汽车学院同济大学汽车学院6.26.2各国排放法规各国排放法规o日本法规10同济大学汽车学院同济大学汽车学院6.26.2各国排放法规各国排放法规o日本法规o10-15工况测试循环要求测试车辆在底盘测功机上进行预热，以恒速（602)km/h运行15min，停机测量冷却液和润滑油温度后，再运行5min及15工况循环1次和怠速24s，然后测试时连续运行10工况循环3次和15工况循环1次后结束测试。11同济大学汽车学院同济大学汽车学院6.26.2各国排放法规各国排放法规o欧洲法规o欧洲经济委员会从1970年开始以ECER15法规的形式对轻型汽油车排放污染物和曲轴箱污染物排放进行控制，以后每隔3一4年修订加严一次，形成了ECER15-01(1975)、ECER15-02(1977)、ECER15-03(1979)系列排放法规。在1975年前执行的ECER15和ECER15-01法规只限制CO和THC的排放量，从1977年的ECER15-02法规开始增加了对NOx的限值要求。o12同济大学汽车学院同济大学汽车学院6.26.2各国排放法规各国排放法规o欧洲法规oECE在1991年对ECER83-00法规进行了修改，制定了欧排放法规，从1992年开始实施，欧I测试规范由发动机起动后40s加反复4次的ECE-15工况构成。欧测试规范在欧I测试规范基础上加反映城郊高速公路的城郊工况EUDC构成。1996年起执行欧排放法规，排放法规限值已接近美国过渡低污染车(TLEV)的限值水平。欧法规中不仅在型式认证时对汽车排放限值加严，而且在生产一致性检查时的排放限值与型式认证的限值相同。13同济大学汽车学院同济大学汽车学院6.26.2各国排放法规各国排放法规o欧洲法规o2000年开始执行欧排放法规，对THC和NOX分别给出限值，在欧基础上将其限值再降低1/2，排气测量方法分为型和型测试循环工况。型为常温(255）测试循环，如图6-3所示。要求发动机起动与采样同时进行，加严对THC，CO的限值。以前的方法都是在发动机起动后40s才开始采样。因此型测试循环工况为图6-3中1部所示情况，要求低温（72）冷起动测试，主要限制THC和CO。欧排放法规还新增加车载诊断系统(on-boarddiagnosticsystem,OBD)功能检查、LPG/NG汽车排放试验、8万km内的在用车工况法排放一致性检查、替代用催化器的认证试验等项目，确保在用车排放量的持续达标要求。2005年开始执行欧排放法规。该法规在欧法规的基础上，无论汽油机还是柴油机，各项限值大都降低了一半，测试循环工况和方法同欧法规。14同济大学汽车学院同济大学汽车学院6.26.2各国排放法规各国排放法规o欧洲法规15同济大学汽车学院同济大学汽车学院6.26.2各国排放法规各国排放法规o欧洲法规16同济大学汽车学院同济大学汽车学院6.26.2各国排放法规各国排放法规o中国法规o1998年我国实施的GB147611-1993达到了ECE15-04法规规定的限值。1999年1月1日北京率先实施了相当于欧法规限值的DB11/105-1998轻型汽车排气污染物排放标准。2000年1月1日在全国实施了相当于欧限值的GB14761-1999标准。从2000年1月1日起还实施了GB17930-1999车用无铅汽油，为实施相当于欧洲号的国家标准创造了条件。GB18352.2-2001轻型汽车污染物排放限值及测量方法()等效于欧的排放法规，于2004年7月1日起在全国实施。北京在2005年提前实施等效于欧的国家标准。o我国于2005年4月又发布了多项新的排放标准，如GB18352.32005轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国、阶段）。、阶段指中国相当于实施欧、欧标准的阶段。该标准从2007年7月1日起实施。17同济大学汽车学院同济大学汽车学院6.3 6.3 我国排放测试方法我国排放测试方法o轻型汽车排气污染物测试方法o关于我国轻型车排气污染物测试方法，国家标准GB18352，3-2005轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国、阶段）中有详细的规定，如标准中规定燃用汽油的装用点燃式发动机的汽车（包括两用燃料车）必须进行下述测试：o1.型测试常温下冷起动后排气污染物排放测试；o2.型测试曲轴箱污染物排放测试；o3.型测试蒸发污染物排放测试（两用燃料车仅用汽油进行）；o4.型测试污染控制装置耐久性测试；o5.型测试低温下冷起动后排气中CO和THC排放测试；o6.双怠速测试测定低怠速的CO和HC（正己烷当量）和高怠速的（过量空气系数）；o7.车载诊断(OBD)系统测试。18同济大学汽车学院同济大学汽车学院6.26.2各国排放法规各国排放法规o中国法规19同济大学汽车学院同济大学汽车学院6.26.2各国排放法规各国排放法规o中国法规20同济大学汽车学院同济大学汽车学院6.3 6.3 我国排放测试方法我国排放测试方法o测试装置o测量轻型汽车排气污染物所采用的测试装置主要由底盘测功机、定容采样（constantvolumesampling,CVS)系统、分析设备和控制系统等组成。21同济大学汽车学院同济大学汽车学院轻型汽车排气污染物测试方法轻型汽车排气污染物测试方法o测试装置o1.定容采样系统o定容采样系统主要是将车辆在底盘测功机上运行时的排气用标准的空气连续稀释，然后通过定流量装置把稀释排气按一定的流量排出，同时按一定比例连续收集该稀释排气到取样气袋中等待分析。o定容采样系统主要由临界流量文氏管(CFV)、排放气体稀释混合箱、样气储存袋、鼓风机、计算机测量控制系统等组成，如图所示。22同济大学汽车学院同济大学汽车学院轻型汽车排气污染物测试方法轻型汽车排气污染物测试方法23同济大学汽车学院同济大学汽车学院24同济大学汽车学院同济大学汽车学院25同济大学汽车学院同济大学汽车学院国五排放国五排放26同济大学汽车学院同济大学汽车学院国五排放国五排放27同济大学汽车学院同济大学汽车学院国五排放国五排放28同济大学汽车学院同济大学汽车学院国五排放国五排放29同济大学汽车学院同济大学汽车学院30同济大学汽车学院同济大学汽车学院轻型汽车排气污染物测试方法轻型汽车排气污染物测试方法o测试装置o2.分析设备o分析设备是用来对定容采样器的取样气袋中稀释气体进行成分分析。因此，要求分析设备具有较高的灵敏度和良好的选择性，测量范围适中，精度高，反应快，读数稳定以及受干扰小等特性。目前国内外均采用下述分析设备：o（1）一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）采用不分光红外线吸收型(NDIR)分析仪；o（2）总碳氢化合物（THC）采用氢火焰离子化型分析仪（FID），对压燃式发动机采用加热式氢火焰离子化型分析仪（HFID）；o（3）氮氧化物(NOX）采用化学发光型分析仪(CLD)；o（4）压燃式发动机排气中微粒物（PM）采取在稀释风道尾部取样的方式，用滤纸收集，用精密天平称重。31同济大学汽车学院同济大学汽车学院轻型汽车排气污染物测试方法轻型汽车排气污染物测试方法o检测方法o汽车排放污染物检测，从测试内容划分，主要有怠速法和工况法两种。o怠速法是测量汽车在怠速工况下排气污染物的一种测量方法，一般仅测CO和HC（正己烷当量），测量仪器o采用便携式排放分析仪。o工况法检测结果可以比较全面地反映汽车在使用状态下的排放水平，目前我国一般用于新车的认证许可检测和出厂抽查检测，但其设备昂贵，价格往往是怠速法的100200倍。因此未用于对在用车的检测。o我国轻型车排放法规的测试循环与欧洲法规循环相同。32同济大学汽车学院同济大学汽车学院燃油蒸发排放物燃油蒸发排放物o燃油蒸发排放物o燃油蒸发排放物是指除汽车排气管排放以外，从车辆的燃料（汽油）系统损失的碳氢化合物，主要包括：o(1)燃油箱呼吸损失（昼间换气损失），由于燃油箱内温度变化导致碳氢化合物的排出；o(2)热浸损失，在汽车行驶一段时间后，静置汽车的燃料系统排放的碳氢化合物33同济大学汽车学院同济大学汽车学院曲轴箱污染物曲轴箱污染物o曲轴箱污染物o曲轴箱污染物是指从发动机曲轴箱排放到大气中的气体污染物，主要包括：o(1)从活塞和气缸之间的间隙窜人曲轴箱的油气和已燃气体；o(2)曲轴箱内的润滑油蒸汽34同济大学汽车学院同济大学汽车学院怠速排放怠速排放o怠速排放o怠速工况时的污染物是指CO,HC的正己烷当量值，其测量方法详见国家标准GB18285-2005点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）35同济大学汽车学院同济大学汽车学院重型车用发动机排气污染物检测方法重型车用发动机排气污染物检测方法o重型车用汽油机排气污染物检测方法o对于重型汽车的排放测试，根据标准只需进行对应整车的同型号发动机的台架排放测试即可。其测试系统一般是在发动机台架测试系统基础上增加排放分析系统。oGB/T14762-1993对最大总质量大于3500kg的汽车装用汽油机，制定了测试循环工况，其工况如表所示。从表中可看出，该测试循环由一个怠速和8个等转速工况组成，称9工况测试循环。o测试中发动机在规定的转速(n=2000r/min)下运转，每一工况点持续时间为60s。对车辆加减速的模拟是通过改变发动机负荷来实现的，整个测试循环重复两次。测量结果按加权系数处理后，分别得到CO,THC和NOX的比排放量指标，单位是（g/(kWh)36同济大学汽车学院同济大学汽车学院37同济大学汽车学院同济大学汽车学院重型车用发动机排气污染物检测方法重型车用发动机排气污染物检测方法 o重型车用柴油机排气污染物检测方法o重型车用柴油机（总质量大于3500kg的机动车）排放测试包括气态排放污染物和微粒物的测试。气态排放污染物指一氧化碳CO）、总碳氢化合物（THC）和氮氧化物（NOX)；颗粒物（PM）指在温度不超过325K(52）的稀释排气中，由规定的过滤介质收集到的所有物质。对于重型车的排放检测只要求发动机在发动机试验台上进行，因为能进行重型车测试的底盘测功机价格太昂贵。oGB17691-2005规定测试由以下3个测试规程构成：o（1）ESC(稳态循环）；o（2）ELR(负荷烟度测试）；o（3）ETC(瞬态循环）38同济大学汽车学院同济大学汽车学院39同济大学汽车学院同济大学汽车学院重型车用发动机排气污染物检测方法重型车用发动机排气污染物检测方法o重型车用柴油机排气污染物检测方法o当对传统柴油机按表6-11和表6-12中第阶段排放限值进行型式核准测试时，包括那些安装了燃油电喷系统、排气再循环(EGR）和氧化型催化器，或后二者只安装其一的柴油机，均应采用ESC和ELR测试规程测定其排气污染物。o对于安装了先进的排气后处理装置包括NOX催化器和颗粒物捕集器，或二者只安装其一的柴油机，应加ETC瞬态循环测试规程测定排气污染物，以检测排气后处理性能o对于表6-11和表6-12中、V阶段或EEV（环境友好车辆）的型式核准测试，应采用ESC,ELR和ETC测试规程测定其排放污染物。40同济大学汽车学院同济大学汽车学院重型车用发动机排气污染物检测方法重型车用发动机排气污染物检测方法o重型车用柴油机排气污染物检测方法o1.ESC测试试循环（稳态循环）o发动机在进行ESC测试时，是按图6-6列出的发动机稳态的13工况循环进行称发动机稳态13工况测试。测试过程中必须按照每个工况所规定的时间（怠速工况为4min，其他工况2min)运转，最初20s用于完成转速和负荷的转换。每个工况中规定的转速应保持在50r/min之内，规定的扭矩应保持在测试转速下最大扭矩的2以内。41同济大学汽车学院同济大学汽车学院重型车用发动机排气污染物检测方法重型车用发动机排气污染物检测方法o重型车用柴油机排气污染物检测方法o1.排气污染物质量流量的计算o每工况排气污染物的质量流量(g/h)按下列公式计算（假设排气在273K和101.3kPa下的密度为1.293kg/m3）o(1)如果直接从原始排气中采样，应使用下列公式：42同济大学汽车学院同济大学汽车学院重型车用发动机排气污染物检测方法重型车用发动机排气污染物检测方法o重型车用柴油机排气污染物检测方法o1.排气污染物质量流量的计算o(2)如果使用全流稀释系统测量气态污染物，从稀释排气中采样，使用下列公式：43同济大学汽车学院同济大学汽车学院重型车用发动机排气污染物检测方法重型车用发动机排气污染物检测方法o重型车用柴油机排气污染物检测方法o2.比排放量计算公式o各个组分的排放量(g/(kWh)），按照下列公式进行计算：44同济大学汽车学院同济大学汽车学院重型车用发动机排气污染物检测方法重型车用发动机排气污染物检测方法o重型车用柴油机排气污染物检测方法o2.ELR测试（负荷烟度测试）oELR指发动机负荷响应测试，也就是动态烟度检测测试。该动态烟度测试循环是指在转速A，B，C及随机抽检转速D（由检测单位随机选定，有时转速D同A或B或C）下负荷从10突加到100过程中的动态烟度计算值。其测试循环如图6-7所示oA，B，C表示发动机转速，该转速的确定是由发动机制造厂按标准GB17691-2005中的规定进行确定的，计算公式如6-3所示。图中的循环4中的选择点D指的是随机抽检转速D，由检验机构选择。最终的动态烟度测试结果的计算采用贝塞尔算法，计算公式为：45同济大学汽车学院同济大学汽车学院重型车用发动机排气污染物检测方法重型车用发动机排气污染物检测方法o重型车用柴油机排气污染物检测方法 ELR测试循环测试循环中烟度的测量仪器为中烟度的测量仪器为不透光烟度计不透光烟度计46同济大学汽车学院同济大学汽车学院重型车用发动机排气污染物检测方法重型车用发动机排气污染物检测方法o重型车用柴油机排气污染物检测方法o3.ETC测试oETC测试循环是指发动机瞬态循环侧试，它是模拟发动机在实际道路中的运行情况，其测试循环如图6-8所示。从图中可看出，发动机转速和扭矩变化均较快。因此，对汽车发动机在瞬态工况下的排放控制提出了较高要求。其测试过程主要包括：确定发动机瞬态性能转速范围，测定发动机瞬态性能功率，形成发动机瞬态性能曲线，形成基准测试循环等内容。ETC测试需要测量的排气污染物参见表6-12。47同济大学汽车学院同济大学汽车学院重型车用发动机排气污染物检测方法重型车用发动机排气污染物检测方法 ETC 试验循环48同济大学汽车学院同济大学汽车学院The AVL HD certification test bedThe AVL HD certification test bedPumaOpenGEM 301HPre-Post After TreatmentAVL 735fuel consumptionAVL 670IndimasterAVL FEMclimaticdatavariousSubject to Subject to changes for US07changes for US077/5/202450同济大学汽车学院同济大学汽车学院7/5/202451同济大学汽车学院同济大学汽车学院7/5/202452同济大学汽车学院同济大学汽车学院重型车用发动机排气污染物检测方法重型车用发动机排气污染物检测方法o采用 SCR 技术的发动机，由于型式核准试验工况的缺陷，企业在开发时，基本没有考虑低温、低负荷的工况，以至于在实际的低温低负荷的城区工况中运行时，会产生很高的NOx 排放o欧洲在实施欧 IV 和欧V 的过程也发现了类似的问题，许多装备有SCR 系统的新的欧IV 和欧V 车辆尽管能够在型式核准时满足排放法规的要求，但是在实际运行中，特别是在城区行驶的情况下，实际排放的氮氧化物（NOx）却远高于型式核准的限值。o 在型式核准测试之前，厂家可以完全预热发动机，使发动机排气温度高于300。在这种高温的测试条件下进行试验，装配SCR 的发动机完全能够满足国IV 和国V 的NOx 排放限值7/5/202453同济大学汽车学院同济大学汽车学院重型车辆欧VI 排放标准 在欧VI 法规中，将采用世界统一的稳态测试循环（World Harmonized Steady-state Cycle,WHSC）和世界统一的瞬态测试循环（World Harmonized Transient Cycle,WHTC），该工况对各种路况，包括城区路况具有较好的代表性，并规定了相应限值，见表 27/5/202454同济大学汽车学院同济大学汽车学院重型车辆欧VI 排放标准 世界车辆法规协调论坛（WP29）在制订第4 号全球技术法规全球统一的重型车测试规程（WHDC）时，充分考虑了世界各地的道路情况，各种车辆的行驶特征，其中城市工况占49.6%，郊区工况占26%，高速工况占24.3%，见图7 中图（a）。7/5/202455同济大学汽车学院同济大学汽车学院重型车辆欧VI 排放标准全球稳态试验循环 WHTC 和WHSC 工况充分考虑了世界各地的道路情况、各种类型车辆的行驶特征，具有较好的代表性特别是对城区低低负荷工况。7/5/202456同济大学汽车学院同济大学汽车学院重型车辆欧VI 排放标准美国柴油车FTP 瞬态循环7/5/202457同济大学汽车学院同济大学汽车学院重型车辆欧VI 排放标准 和WHTC 测试循环的对比，ETC 的主要工作区域是中速的低、中、高负荷，WHTC 显著提高了低速低负荷的比例，美国FTP 工况低速低负荷所占比例也很大。7/5/202458同济大学汽车学院同济大学汽车学院重型车辆欧VI 排放标准ETC 循环与WHTC 循环冷启动的排气温度比较在ETC 循环中，排气温度很高，测试一开始就可以进行尿素喷射，但是在WHTC 冷启动测试中，75%以上工况点的排温都低于300，在试验开始后大约800S（13 分钟）的时间内尿素喷射不能启动，在试验开始后570S大约（9 分钟）的时间内EGR 阀都不工作。增加冷启动试验循环会促进发动机生产企业想办法改善SCR 的低温性能。7/5/202459同济大学汽车学院同济大学汽车学院重型车辆欧VI 排放标准7/5/202460同济大学汽车学院同济大学汽车学院7/5/202461同济大学汽车学院同济大学汽车学院7/5/202462同济大学汽车学院同济大学汽车学院7/5/202463同济大学汽车学院同济大学汽车学院排放在欧洲不属于欧范畴，而是由单独的欧盟法做出的规定。新车最大排放量目标为，该目标逐步达到。年的新车总量将达到该目标，直到年的新车总量将达到该目标。尽管允许重型车辆有更高的排放量，平均排放量必须低于，长期目标是到年达到7/5/202464同济大学汽车学院同济大学汽车学院谢谢 谢谢结束结束65同济大学汽车学院同济大学汽车学院