【德】 S．BUSCH H．ZELLBECK

1 型式認(rèn)證的新方法

近10年來，廢氣排放法規(guī)的限值對發(fā)動機(jī)的開發(fā)起到了決定性的影響，而轎車的產(chǎn)品型式認(rèn)證必須滿足排放要求，這也促使了目前法定的排放認(rèn)證發(fā)生重大變化。主要變化包括試驗(yàn)規(guī)程由全球統(tǒng)一的輕型車試驗(yàn)程序（WLTP）替代了新歐洲行駛循環(huán)（NEDC），同時(shí)還需查明實(shí)際行駛排放（RDE）的情況。這對當(dāng)前的發(fā)動機(jī)開發(fā)提出了更大的挑戰(zhàn)，而隨著法規(guī)的實(shí)施，促使眾多車型被淘汰。除此之外，歐洲從2007年9月1日起開始實(shí)施轎車最終的顆粒數(shù)（PN）排放限值為6×1011／km。在現(xiàn)代汽油機(jī)上，將燃油直接噴入燃燒室中是制造商目前采用的主要技術(shù)。與進(jìn)氣道噴射相比，缸內(nèi)直接噴射提供的可變性大幅增加，但缸內(nèi)混合氣形成也導(dǎo)致了大的顆粒物（PM）排放，因此近幾年德累斯頓理工大學(xué)內(nèi)燃機(jī)專業(yè)在基準(zhǔn)車輛上對各種影響排放因素進(jìn)行了全面的試驗(yàn)研究［1］。

2 方法和測量程序

試驗(yàn)研究的目的是定性和定量地判斷不同的RDE運(yùn)行條件對PN排放的影響，其中除了PN之外特別將PM尺寸分布作為描述PM特性的方法具有重要的意義［2－3］。由發(fā)動機(jī)燃燒產(chǎn)生的PM形成了尺寸、結(jié)構(gòu)和成分有很大差異的聚合彌散系統(tǒng)［4］?？梢钥隙ǖ氖牵瑴p小PM尺寸可以降低對人體的傷害［5］。為了檢測發(fā)動機(jī)廢氣中的PN數(shù)值，曾使用過各種測量儀器和技術(shù)，除了傳統(tǒng)的廢氣測量技術(shù)之外，還使用了顆粒尺寸光譜儀TSI 3090EEPS、凝聚核心計(jì)數(shù)器TSI 3022A、汽車尾氣檢測系統(tǒng)AVL M．O．V．E和 AVL M．O．V．E PN、汽車尾氣檢測系統(tǒng) Horiba OBS－One GS和 Horibo OBS－One－PN、透射電子顯微鏡Zeiss Libra 200MC。

在1臺具有代表性的試驗(yàn)車上進(jìn)行轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺測試，由于其所搭載的發(fā)動機(jī)及其技術(shù)功能模塊廣泛應(yīng)用于A～C級車型，因而是極具代表性的汽油機(jī)類型。表1列出了這種試驗(yàn)車的主要技術(shù)數(shù)據(jù)。為了能獲得全面的結(jié)論，在試驗(yàn)程序中，在關(guān)注RDE運(yùn)行條件的同時(shí)，還要進(jìn)行用于評估PN排放的認(rèn)證循環(huán)。圖1表示排放認(rèn)證時(shí)與溫度范圍相關(guān)的各種因素，以及所進(jìn)行的相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)的目標(biāo)是研究即使在低氣溫下影響PN排放的主要因素。

表1 試驗(yàn)車主要技術(shù)數(shù)據(jù)

圖1 廢氣轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺上的試驗(yàn)程序與型式認(rèn)證時(shí)法定范圍的比較

3 WLTP替代NEDC

圖2示出了從NEDC轉(zhuǎn)換到WLTP行駛循環(huán)法規(guī)規(guī)定的WLTC中對排放的影響因素。為了能評估行駛循環(huán)變化的影響，在試驗(yàn)臺上選擇了相同的溫度（23℃）和負(fù)荷調(diào)節(jié)等邊界條件，而且并不要求完整地開展認(rèn)證程序，查明的廢氣排放值用于與行駛循環(huán)進(jìn)行比較。PN濃度曲線（CN）表明，在非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀況下會引起較高的PN排放，其中在寬廣的運(yùn)行范圍內(nèi)WLTC行駛循環(huán)的峰值明顯高于NEDC行駛循環(huán)的峰值，其原因是較高的行駛動力學(xué)可以使所需的功率在發(fā)動機(jī)特性曲線場內(nèi)運(yùn)行工況點(diǎn)有較大變化。總體而言，比較圖2（a）的PN曲線的積分值（Nintegral）可以看出，WLTC行駛循環(huán)中的PN排放量幾乎是NEDC行駛循環(huán)的3倍。正如圖2（b）中的單位計(jì)值所表明的那樣，CO2排放幾乎沒有太大的差異，按照曲線走向WLTC的CO2排放低1．3%，其中行駛里程較長所帶來的好處超過了WLTC行駛循環(huán)中較高動力學(xué)所引起的不利影響，而PN曲線則明顯顯示出WLTC行駛循環(huán)的單位里程PN排放要比NEDC行駛循環(huán)的高約80%。

圖2 NEDC和 WLTC行駛循環(huán)關(guān)于PN排放和每公里PN與CO2總排放量的評估

4 RDE替代行駛循環(huán)中的溫度影響

在研究向RDE試驗(yàn)程序的轉(zhuǎn)換時(shí)，對試驗(yàn)的影響因素進(jìn)行詳細(xì)的研究。主要的研究內(nèi)容是在法規(guī)規(guī)定的行駛循環(huán)以及直至極端行駛條件和駕駛策略的自由行駛循環(huán)中廣泛的動力學(xué)變化和溫度變化，直至在－25℃的極端條件下進(jìn)行試驗(yàn)。除了認(rèn)證試驗(yàn)循環(huán)之外，還為試驗(yàn)選擇了2種非標(biāo)準(zhǔn)化但是常用的被稱為RDE＿30的高動力學(xué)行駛循環(huán)，這種行駛譜示于圖3（a）。為了進(jìn)行極限考察，行駛循環(huán)被選擇得略微超過RDE行駛法定的極限動力學(xué)［6］。發(fā)動機(jī)冷起動后300 s的情況示于圖3（b），顯然PN濃度CN溫度強(qiáng)烈依賴于環(huán)境溫度，在動態(tài)行駛過程期間隨著環(huán)境溫度的降低，PM濃度大大增加，而認(rèn)證溫度（23℃）下的PM濃度明顯低于其他所有的試驗(yàn)情況，最明顯的是后者的冷起動效果變差。TSI 3090EEPS PM尺寸光譜儀能按時(shí)間和尺寸的分布狀況采集PM，這樣就能判斷PM特性。圖3（b）中示出的PM 直徑（Dp－mittel）能夠按時(shí)間描述PM尺寸的分布狀況，圖3（c）中示出的局部放大曲線圖可以看出，隨著試驗(yàn)溫度的降低，PM尺寸分布的平均直徑增大。值得注意的是，2張曲線圖中的曲線分布具有非常相似的走向。這些曲線表明了在低環(huán)境溫度運(yùn)行期間將采取的發(fā)動機(jī)運(yùn)行策略的轉(zhuǎn)換。如參考文獻(xiàn)［1］中所述，顯示了延遲點(diǎn)火時(shí)間等加熱措施與PN排放增加之間的關(guān)系。

圖3 在開發(fā)循環(huán)RDE＿30冷起動范圍及其整個(gè)行駛譜中溫度對PN排放的影響

冷起動之后總是存在著燃燒穩(wěn)定性（或舒適性）、廢氣后處理系統(tǒng)的主動加熱和低PN排放之間的目標(biāo)沖突。從圖4（a）可以看出，在冷起動溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生了較多的PN排放，溫度更低冷起動的PN排放會顯著增加，主要是由于濕度較低的燃燒室為了主動加熱催化轉(zhuǎn)化器而改變運(yùn)行工況點(diǎn)，使本來較高的原始排放的氧化反應(yīng)惡化，因此減少了冷起動期間的PN排放。根據(jù)圖4（b）可知，PN依賴于試驗(yàn)溫度，隨著冷起動溫度的降低PN近似線性增加。

圖4 開發(fā)行駛循環(huán)RDE＿30相對值和與溫度關(guān)系的最終結(jié)果

5 動力學(xué)和溫度的總評價(jià)

圖5綜合比較了各種行駛循環(huán)下的PN試驗(yàn)結(jié)果，并從低到高對行駛循環(huán)動力學(xué)進(jìn)行分級，評價(jià)的基礎(chǔ)和基準(zhǔn)是23℃時(shí)NEDC行駛循環(huán)的PN系數(shù)為1。根據(jù)所注明的百分比數(shù)據(jù)，就能看出單純提高行駛動力學(xué)使PN增加，從中查明了因行駛動力學(xué)提高而使PN增加了350%，而垂直線則表示溫度會對排放產(chǎn)生影響。引人注目的是在RDE＿30行駛譜中溫度具有非常大的影響，PN系數(shù)的最大值將達(dá)到25。

圖5 PN排放對行駛循環(huán)動力學(xué)和試驗(yàn)溫度依賴關(guān)系的總評價(jià)

6 結(jié)論

在RDE行駛循環(huán)中，本文對PN最重要的影響因素行駛動力學(xué)和起動溫度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過定性和定量作出了評價(jià)。在試驗(yàn)中以NEDC行駛循環(huán)為基準(zhǔn)，當(dāng)行駛動力學(xué)增強(qiáng)時(shí)PN排放最多可增加350%，溫度的影響在于隨著起動溫度的降低PN排放顯著增加，而在RDE＿30中在極端情況下PN排放會增加440%，同時(shí)已確定PN排放對起動溫度呈近線性的關(guān)系，而且隨著溫度降低PM平均直徑顯著增大。不依賴于汽油機(jī)顆粒捕集器而優(yōu)化發(fā)動機(jī)，力爭在PN方面獲得更多的優(yōu)勢，因此依靠冷起動可以降低PN排放，這與快速暖機(jī)以及較低溫度下的燃燒穩(wěn)定性之間的協(xié)調(diào)性對于未來具有重大的意義。