重型车下阶段排放法规基本思路与发展趋势

在机动车污染治理不断加强和车辆动力持续电动化的趋势和背景下,近年来,世界多国正在讨论“禁燃令”,同时更严苛的排放法规陆续出台,这甚至已经关系到传统内燃机(ICE)动力的存亡问题。然而,由于运力和行驶距离需求,内燃机将仍然是重型商用车的主要动力形式。目前,欧盟、美国加利福尼亚州空气资源委员会(CARB)和美国环境保护署(EPA)均发布了新的重型车排放法规,中国也已经启动国七排放标准的研究工作。该文从尾气排放、实际道路测试、温室气体排放、车载诊断(OBD)和远程监控、非尾气排放以及耐久要求等6个方面对比分析了目前欧美重型车和发动机下阶段排放法规的最新进展和发展趋势,阐明了各标准的具体要求,并指出了可能的技术路线,旨在为重型车和发动机行业及时应对排放标准升级和相关前瞻性研究提供借鉴。研究表明,重型车未来排放标准具有5大发展趋势:尾气排放测试向多种污染物超低排放发展,在有可能成为最终一代排放法规的情况下,下阶段排放法规需要考虑长期减排方案;更加注重车辆实际道路、低负荷、怠速和冷启动排放;加强温室气体和常规气体排放协同控制;通过远程大数据的方式实现在用车排放的高效监控;增加制动和轮胎磨损等非尾气排放的考核。总之,重型车下阶段排放标准将在排放物种类、排放测试方法及排放监控手段等方面融入新方法新理念,以不断推动重型车向清洁环保高效的目标发展。

重型车远程监控与实际道路试验对比研究及统计分析

为了研究重型车远程监控与实际道路试验数据的差异,该文通过对2辆样车拟合结果以及对100辆样车的统计结果分析,研究了远程监控平台接收数据与便携式排放测试系统(PEMS)测量数据的一致性。结果表明:PEMS设备的实测或计算结果可以应用于对重型车远程监控数据的数据一致性核查,二者车速数据一致性结果较好,燃料流量和进气量数据一致性结果次之;对于NOx排放应适当放宽数据一致性要求;远程监控数据可以较好地反映车辆实际道路中的运行工况;远程监控和PEMS试验数据的功基窗口基本一致,但NOx传感器精度误差有可能导致远程监控功基窗口法的计算结果与PEMS实测数据产生较大偏差。

基于远程监控三区移动平均窗口法的重型车排放特征

为了研究实际道路上重型车的排放特征,提出了一种基于远程监控数据的三区移动平均窗口(3B-MAW)模型,并与功基窗口法分析结果进行了对比。模型中远程监控无效数据主要包含NOx传感器未正常传输的数据和发动机停机后仍然上传的数据。每个数据点有可能落在1种、2种或3种区内,三区划分的比例与车辆的实际行驶工况有关。为了同时兼顾排放结果计算的准确性和所需数据量不过大,最小窗口数、窗口宽度、第1划分线和第2划分线这4个模型主要参数应分别设置在2400、300s,6%和20%附近。由于不受窗口功率阈值限制,相对于功基窗口法,3B-MAW模型能够实现对低负荷排放更为有效的核查,适合对实际道路随机工况进行分析。

重型柴油车远程OBD系统数据分析研究进展综述

重型柴油车是大气中氮氧化物和颗粒物的重要来源。远程OBD系统将OBD技术与无线通讯技术相结合,将车辆的运行数据、排放状况和故障信息发送给监管部门,可实现对重型柴油车全生命周期的排放监控。目前围绕重型柴油车远程OBD系统数据分析的主要研究方向包括:超排车识别和故障诊断、车辆后处理系统作弊识别和实际道路环境下车辆性能特征分析,本文对以上3个方向的研究进展进行了综述。超排车识别的关键问题是如何基于现有远程OBD系统采集的NO x浓度数据和有限的车辆状态数据识别车辆排放是否符合法规要求,车辆后处理系统作弊识别的关键问题是如何平衡作弊识别算法的准确性和复杂性。实际道路环境下车辆性能特征分析为法规制定和动力技术升级提供重要参考。

基于稳态工况的重型车排放远程监控数据偏差研究

为了验证重型车排放远程监控的数据准确性,选取了3辆不同整备质量和发动机排量的国六重型柴油车,利用重型底盘测功机和便携式排放测试系统(PEMS)获取了稳态工况下的车速、发动机转矩、燃料流量、进气量等参数的实测数据,通过车载终端和远程排放监控平台对车辆主要运行参数进行了远程监控,并将远程排放监控平台接收的数据与实测数据进行了一致性对比。结果表明,远程排放监控平台接收的数据与实测数据偏差较小,一致性良好。因此,远程排放监控平台接收的数据可以比较准确地反映实车运行状况。

掺混比例对双燃料燃烧影响的可视化研究

汽柴油双燃料燃烧模式可以降低柴油机中小负荷的氮氧化物和碳烟排放并提高有效效率。文章在一台光学发动机上,采用高速摄影的方法对汽柴油均质混合气引燃(HCII)燃烧进行了解析,针对汽油比例对HCII燃烧的影响开展了可视化研究。研究结果表明,HCII燃烧的过程是火焰首先随着柴油喷束从汽缸中央向四周延展,同时点燃周围的汽油混合气产生蓝色火焰,蓝色火焰逐渐发展至整个燃烧室范围。汽油火焰在多点被同时点燃,火焰面积在极短时间内迅速增加,覆盖几乎所有缸内范围,相对于传统汽油机,HCII燃烧速度明显增加。随着汽油比例的增加,缸内蓝色火焰比例明显增加,火焰亮度降低,从而实现低温燃烧。

掺混PODE_(n)对双燃料发动机燃烧特性的影响

聚甲氧基二甲醚(PODEn)是一种潜力巨大的新型无毒替代燃料.本文在一台重型多缸发动机上开展了柴油掺混PODEn对汽柴油双燃料燃烧与排放特性影响的试验研究,并采用计算流体力学(CFD)三维仿真模拟对燃烧过程及影响机理进行了分析.PODEn占直喷燃油的体积分数选为0、10%和20%.试验结果表明,随着PODEn掺混比例的升高,直喷燃料的十六烷值上升,导致燃烧相位前移,滞燃期缩短,燃烧效率有所升高,NOx排放稍有增加,而碳烟、THC和CO排放则明显下降.模拟结果表明,随着PODEn比例的升高,NOx排放随着缸内高温燃烧区域以及燃料含氧量的增加而稍有增加,而对碳烟、THC和CO排放的氧化速率升高.

压缩比对双燃料发动机中高负荷影响的试验和模拟

为了解决多缸内燃机双燃料燃烧在中高负荷粗暴燃烧的问题,该文先后采用试验和模拟的方法研究了降低压缩比(CR)对双燃料燃烧中高负荷特性的影响。结果表明:试验中随着压缩比从17.4降低至14.5,均质混合引燃(HCII)燃烧能够达到的最高汽油比例从33%左右上升至54%左右。NOx、碳烟(Soot)和CO排放均能够进一步降低,而碳氢化合物总量(THC)排放则有所增加。模拟中,压缩比降低后汽油组分局部温度降低可达到750 K左右;双燃料燃烧的NOx和Soot主要产生于柴油扩散燃烧区域,随着汽油比例的升高NOx和Soot排放可得到降低;汽油自燃可以有效消除燃烧室狭缝中残留的THC以及汽油不完全燃烧产生的CO排放。总之,通过适当降低压缩比能够在一定程度上改善双燃料燃烧在中高负荷的粗暴燃烧问题,并改善其燃烧排放特性。

降低压缩比改善HCII燃烧中高负荷特性的试验研究

均质混合气引燃(HCII)燃烧方法具有高效率低排放的特点,但是在中高负荷工况条件下,汽油比例受到粗暴燃烧的限制。本文采用降低压缩比方法以改善HCII中高负荷燃烧粗暴的问题,并在重型多缸柴油机上进行了试验验证。结果表明,将压缩比由18降为16能够有效控制发动机的最高燃烧压力,拓展汽油比例的范围,由此明显改善了HCII在中高负荷的燃烧和排放特性,尤其是碳烟排放的降幅在特定工况能够接近50%。本文研究结果对其他双燃料发动机也有一定参考价值。

重型车实际道路排放监控测试方法对比研究

对6辆重型车辆的实际道路运行过程同时进行了便携式排放测试系统(PEMS)测试、NO_(x)快速测试和排放远程监控,并利用最小二乘法对三种测试方法的数据进行了对比分析。研究结果表明,PEMS测试、NO_(x)快速测试和排放远程监控三种测试方法之间的瞬态结果数据一致性较好,均可以作为重型车实际道路排放的有效监控测试方法。NO_(x)快速测试过程中应该更加关注车辆加速过程的NO_(x)排放。所采用的NO_(x)快速检测仪的数据丢失比例大约为3%。因此,NO_(x)快速测试应开展多次重复试验,以降低数据丢失导致的误判可能性。

喷油时刻对汽柴油双燃料燃烧影响的模拟研究

采用三维计算流体力学(CFD)模拟方法,研究了重型柴油机汽柴油双燃料模式下的燃烧和排放特性。结果表明:在重型柴油机上,汽柴油双燃料燃烧呈现先预混后扩散的两阶段放热特性;柴油喷油时刻直接影响双燃料燃烧模式的燃烧相位,喷油时刻过早或过晚都会导致预混燃烧比例的增加;在研究工况下,随着柴油喷油时刻推迟,氮氧化物(NO_(x))质量浓度先升高后降低,炭烟质量浓度的变化趋势与NO_(x)相反;在进行汽柴油双燃料燃烧模式的柴油喷油时刻优化时,应根据具体的排放和燃油耗优化目标进行参数选择。

重型柴油车NOx排放远程监测准确性研究

文章通过采用不同浓度的反应剂来模拟重型国六柴油车正常状态、临界超标及SCR性能失效状态下的实际道路NOx排放,从而研究远程排放管理平台对超标车型识别的效果。试验结果表明,NOx临界超标与SCR完全失效状态下,远程排放管理平台采集的国六整车实际道路NOx排放与PEMS设备结果基本一致,而正常状态下,尿素过量喷射导致的NH3泄露会对车载NOx传感器精度造成影响,进而导致远程排放管理平台采集的国六整车NOx排放与PEMS设备存在偏差。

LLC循环下重型车N_(2)O,PN_(10)排放研究

面向未来法规需求,基于低负荷循环(low-load cycle,LLC),对重型车不同负载条件下的氧化亚氮(N_(2)O)、10 nm以上颗粒物数量(PN_(10))以及23 nm以上颗粒物数量(PN_(23))的排放特征进行了试验研究,并使用v-VSP分块聚类模型进行了区域排放分析。结果表明:LLC工况下,N_(2)O排放量随载荷的增大而增加,与排温直接相关;低速区或负VSP区内,N_(2)O排放与载荷呈正相关关系,但在正VSP&中高速区域,过高的载荷反而降低了N_(2)O的排放;PN_(10)和PN_(23)排放均随载荷的增大而增加,且载荷越大,10~23 nm粒径粒子占比越高;中高速&VSP绝对值大的区域内,PN_(10)和PN_(23)有较高的浓度,但PN_(10)和PN_(23)的绝对排放量主要存在于VSP为正的区域;随着载荷的增大,低速&高VSP区域有更多比例10~23 nm粒径粒子。

压缩比对双燃料燃烧全工况特性影响试验研究

在产品级重型多缸机上对三种不同压缩比条件下的汽柴油双燃料燃烧在全工况平面内进行了优化,重点分析了压缩比对双燃料燃烧全工况范围内燃烧和排放特性的影响,提出了双燃料燃烧在全工况范围内应用的高效清洁燃烧控制策略,并研究了柴油氧化催化器(DOC)对THC和CO排放的净化效果。结果表明:小负荷采用活性控制压燃(RCCI)燃烧模式,中高负荷采用均质混合气引燃(HCII)燃烧模式能够实现汽柴油双燃料全工况范围内的高效清洁燃烧。降低压缩比能够有效拓展中高负荷的最高汽油比例,获得更低的NO_(x)和Soot排放。使用DOC能够有效净化双燃料燃烧各个工况的THC和CO排放。通过使用上述高效清洁燃烧控制策略以及简单后处理装置DOC,汽柴油双燃料燃烧的NO_(x)、Soot、THC和CO四项排放物在欧洲稳态循环(ESC)测试中的综合比排放均能满足国5法规,而且综合比油耗与原机纯柴油模式处于同一水平。

多元燃料顺序燃烧多阶段放热的试验和模拟研究

在高十六烷值燃料中加入高辛烷值燃料是控制均质混合气压缩着火(HCCI)燃烧的一种有效策略。本文利用快速压缩机模拟发动机HCCI燃烧过程,在正庚烷中分别添加异辛烷和乙醇,发现在部分稀燃条件下出现低温放热和高温两阶段放热的三阶段放热现象。进一步采用详细化学动力学模拟计算,结果表明乙醇对正庚烷燃烧起到抑制作用。高温第一阶段放热主要由CH_2O生成大量CO放热引起,高温第二阶段放热主要由生成燃烧最终产物CO_2和H_2O的反应引起。