基于瞬态性能曲线的柴油机排放试验

（一）排放试验

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。气态污染物指一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（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三个来源：

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）、氮氧化合物（NOx）、颗粒物（PM）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。

1.影响因素分析

柴油机排放量主要取决于柴油机内燃烧的质量。燃烧效果越好，柴油的主要成分尽可能多地转化为CO2和水，转换成污染物的比例越小。柴油机排放影响因素有过量空气系数、混合气质量、柴油机喷油规律等。

（1）过量空气系数对排放的影响。

如图3-31所示，当燃烧室及供油系统结构参数一定时，对于某一α值，α降低使CO浓度增加，这是因为循环喷油量增加，而氧浓度未增加，缺氧现象随α减小而急增。α增加使CO浓度增加的原因是α增加使混合气变稀、燃烧室内温度下降，局部地区温度过低或混合气超过稀燃界限，猝熄现象增加，使CO浓度增加。

图3-31　直喷式柴油机α对HC、CO及NOx浓度的影响

①　1 ppm=10-6。

对于某一α值，HC浓度最低，偏离此值，HC浓度均要增加。随着α的增加，NOx浓度明显下降。而且在α较小的区段，NOx浓度下降的速度快；在α较大的区段，NOx浓度下降的速度变平缓。这是因为α的增加即意味着每循环喷油量减少，这使得气缸内放热率和平均燃烧温度下降，因此NOx浓度降低。

（2）混合气质量对排放的影响。

提高喷油压力或增强燃烧室内空气涡流，改善混合气形成质量，有助于改善燃烧，可降低HC及CO浓度，但NOx浓度将会增加。柴油机燃烧可分为预混燃烧和扩散燃烧两个阶段，扩散燃烧又可分为着火后继续喷入的燃油燃烧及喷射结束后剩余的燃油燃烧两个部分，在预混燃烧阶段有一个放热高峰，在扩散燃烧阶段存在一个低放热率的持续期。燃烧阶段最高燃烧温度越高，NOx的排放量越高；提高喷油速率，缩短喷油持续期，加强油气混合，可以促进扩散燃烧，以缩短燃烧持续期，减少后燃，还可减少燃烧烟度和微粒排放量。

（3）喷油规律对排放的影响。

控制喷油规律供油对柴油机排放的影响至关重要，为改善喷雾质量，促进油气的良好混合，除高压喷射外，还有预喷射技术、控制喷油规律等。一般初期供油率会影响NOx浓度和噪声的大小，中期喷油率会控制碳烟生成，后期喷射则直接关系后燃及碳烟、微粒的生成，如图3-32、图3-33、图3-34所示。

通常，减少内燃机预混燃烧量可使缸内压力升高率减少，气缸峰值压力和温度降低。这不仅可使噪声降低，还有利于获得低的NOx排放量。因为NOx的形成在很大程度上取决于缸内的峰值压力和温度。

图3-32　主喷提前角变化对排气温度、PM、NOx浓度的影响

图3-33　后喷油量变化对排气温度、PM、NOx的影响

图3-34　后喷角度变化对排气温度、PM、NOx的影响

2.试验原理设计

（1）排放物测量原理。

按GB 17691—2018规定的瞬态试验循环（WHTC）和稳态试验循环（WHSC）的要求运行测试循环，按连续采样和气袋采样方法进行污染物的测量，通过测得的各种排放污染物质量和相应的发动机循环功计算比排放量。连续采样是在原始或稀释排放中连续测试污染物浓度、排气质量流量（原始或稀释），计算污染物质量流量和循环排放量。

气袋采样是按比例地将稀释排放的样气连续抽取和存储下来。利用气袋对气态污染物进行收集，利用滤纸对颗粒物进行收集。计算气态污染物比排放量和颗粒物比排放量。测量系统可采用以下两种功能同等的测量系统：

①气体组分采用从原始排气中直接采样测量，颗粒物用部分流稀释系统（图3-35）测量。

图3-35　部分流系统采样系统组成图

②气体组分及颗粒物采用全流稀释系统（CVS系统，见图3-36）和全流定容稀释采样系统进行测量。

这两种测量系统都可用在排放测量循环中，并允许两种系统任意组合（如直采气体测量和全流颗粒物测量等），如图3-37所示。

（2）瞬态试验循环（WHTC）。

WHTC包括一组逐秒变化的转速和扭矩的规范百分值，WHTC试验循环如图3-38所示。为了在发动机试验台上进行试验，根据每台发动机的瞬态性能曲线将百分值转化成实际值，以形成基准循环。这样按照发动机基准循环展开试验循环并进行试验，按照这些基准转速、扭矩值，试验循环在试验台架运行，并记录实际转速、扭矩和功率。为保证试验有效性，试验完成后应对照基准循环进行实际转速、扭矩和功率的回归分析。

图3-36　全流系统采样系统组成图

图3-37　原始排放CO、CO2、NOx和HC的分析流程图

为计算比排放量，应对整个循环的发动机实际功率进行积分，计算出实际循环功。若实际循环功和基准循环功的偏差在规定范围内，则判定试验有效。

气态污染物应连续采样或采样到采样袋中。颗粒物取样经稀释空气连续稀释并收集到合适的单张滤纸上。

图3-38　WHTC试验循环

（3）稳态试验循环（WHSC）。

稳态试验循环（WHSC）包含了若干转速规范值和扭矩规范值工况（表3-6），在进行试验时，根据每台发动机的瞬态性能曲线将百分值转化成实际值。发动机按每工况规定的时间运行，在201 s内以线性速度完成发动机转速和扭矩转换。为确定试验有效性，试验完成后应对照基准循环进行实际转速、扭矩和功率的回归分析。

在整个试验循环过程中测定气态污染物的浓度、排气流量和输出功率，测量值是整个循环的平均值。气态污染物可以连续采样或采样到采样袋。颗粒物取样经稀释空气连续稀释并收集到合适的单张滤纸上。

为计算比排放量，应对整个循环的发动机实际功率进行积分，计算出实际循环功。为试验有效，实际循环功和基准循环功的偏差须在规定范围内。

表3-6　WHSC试验循环

续表

3.试验装置设计

柴油机试验台的布置如图3-39、图3-40所示，包括测功机、排放测试分析仪、固体SCR系统、尿素SCR系统和SCR催化转换器。

图3-39　柴油发动机台架布置图（a）

图3-40　柴油发动机台架布置图（b）

通过以太网与标定软件进行通信，标定软件与发动机ECU通信，能够实时调整发动机在设定工况下的不同控制参数组合，并记录发动机ECU的传感器数据。通过串口、CAN总线等连接方式与测功机、油耗仪、排气分析仪等其他测试设备通信，控制外部设备动作，同时记录各个传感器的数据。系统根据这些传感器数据判断发动机和外部设备的工作状态，进行对比分析，实时改变控制参数。

4.试验数据分析

GB 17691—2018附录中包含了具体的排放计算方法，如WHSC和冷热WHTC比排放的计算，其余计算详见GB 17691—2018。

WHSC比排放的计算：

式中　m——排放物的质量（g）；

Wact——实际循环功（kW·h）；

WHTC的结果为冷态和热态加权的结果：

式中　mcold——冷起动循环质量排放量（g）；

mhot——热起动循环质量排放量（g）；

Wact，cold——冷起动循环的实际循环功（kW·h）；

Wact，hot——热起动循环的实际循环功（kW·h）。

比如CO2排放的计算。

WHTC循环的CO2比排放的计算：

CO2比排放eco2：

式中　mco2，cold——冷起动循环CO2质量排放量（g）；

mco2，hot——热起动循环CO2质量排放量（g）；

Wact，cold——冷起动循环的实际循环功（kW·h）；

Wact，hot——热起动循环的实际循环功（kW·h）。

WHSC循环的CO2比排放eco2：

式中　mco2——CO2质量排放（g）；

Wact——实际循环功（kW·h）。

试验循环中排出的粒子数量计算公式：

式中　N——试验循环排出的粒子数量；

medf——循环当量稀释排气质量（kg/test）；

k——标定系数；

cs——矫正标准条件（273.2 K、101.33 kPa）下稀释排气中的粒子平均浓度，每立方厘米的粒子数；

fr——试验时稀释设定的挥发性粒子去除器的平均粒子浓度衰减系数。

（二）振动试验(www.xing528.com)

柴油机是装甲车等的主要动力源，其工作过程的周期性使得主要零部件承受周期性交变载荷作用，成为诱发内燃机振动的主要激励。柴油机振动一方面造成自身零部件间的剧烈冲击，损坏柴油机构件，恶化柴油机整机性能；另一方面，振动直接向外发出噪声或者将激振力、力矩传递给机体，从而导致其振动并产生出很大的噪声。

1.影响因素分析

从振动测量的角度将振动按信号时域性质进行分类较为适宜。按时域性质分类，机械振动可分为确定性的和随机性的两大类。确定性振动是指振动的时间历程具有确定形态，其瞬时值随时间变化的过程可以用确定的数学关系式来描述和预计，它们的频域由离散频率的正弦分量或连续频谱所组成。柴油机零部件有规律的旋转、往复和冲击等运动所引起的振动都是或者近似是确定性振动。随机性振动是指瞬时值无规则的、无法以精确的数学关系式表示，而只能用概率和统计方法求其平均性来评价的振动。

确定性振动和随机性振动又可分成若干类别，如图3-41所示。

图3-41　机械振动按时间历程分类

在柴油机做功冲程中，活塞将爆发压力传至曲轴，其运动与转动力无关。在其他过程，曲柄连杆往复惯性力和气体压缩作用力对曲轴的转动产生阻力，这就造成曲轴出现扭矩波动。振动来源主要是燃烧造成的扭矩波动。在往复柴油机中，作用在活塞上的燃烧压力转换成旋转动力。由于曲轴转动每隔一圈，燃烧才在气缸发生一次，这就会产生扭矩波动。这一波动经离合器传送至变速器和驱动轴。活塞和连杆的上、下往复运动以及曲轴和飞轮等元件的转动，如果失去平衡也会成为振动力的来源。

2.试验装置设计

用于测量机械振动的仪器可分为基本仪器和辅助仪器两类。

基本仪器是指直接测量机械振动各表征参数的专用仪器，通常称为测振仪。按照测振仪所采用的测量坐标系可分为相对式和惯性式两大类：相对式测定的是被测对象相对某参考坐标系的振动；惯性式则是用来测定被测对象相对大地或惯性空间坐标系的振动，因此也称为绝对式。相对式测振仪与被测对象之间可采用接触式安装或非接触式安装；而惯性式测振仪与被测振动之间必须采用接触式安装。按测振仪的工作原理可以分为机械式、光学式和电气式，柴油机振动测量所使用的测振仪主要是电气式。按被测振动参数可将测振仪分为测振幅、速度、加速度、频率等类型。按被测参数量值性质可将测振仪分为测峰值的和测有效值的等。通常基本仪器是读数式的，但也有的测振仪配有小型记录器，可直接显示振动的时间历程波形。

辅助仪器通常是指应用于振动测量中的通用仪器，可协助基本仪器完成振动测量的记录与分析等功能。如频谱分析仪、随机振动数据处理装置、激振器等。测振仪器的分类如图3-42所示。

图3-42　测振仪器的分类

目前在柴油机振动测量中应用最广泛的是电气式测振仪，其基本环节如下：

①拾振环节。拾振环节是用来完成将被测机械振动的参数（位移、速度或加速度）转换成为电信号的功能，供计量、记录或分析使用。通常称为测振传感器或拾振器。

②放大环节。放大环节是用来将测振传感器产生的电信号加以放大，以便进行计量与记录。当采用加速度传感器作拾振环节时，通常使用前置放大器将加速度传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗，以便和后接电路输入阻抗相匹配。

③测量分析环节。测量分析环节是测振仪的主要组成部分，按照测振目的不同，测量分析环节也不同。当测振的目的是测定位移、速度、加速度幅值时，可选用线性放大器，测量结果可以是峰值或有效值；当需要进行频率分析时，可采用由一组滤波器构成的频率分析仪。

④显示记录环节。测量结果的显示与记录可由指示表头，数字显示、示波器X-Y记录仪、电平记录仪、磁带记录仪、数字记录器等进行。

⑤数据处理环节。将被测振动信号进行分析、处理及变换，采用的设备如统计分布分析仪、模拟电压读出器、数字编码机、纸带穿孔机、纸带读数机、电传打字机以及专用信号处理微型电子计算机等。

3.试验方法设计

（1）振动测量参数选择。

振动测量参数须根据测振目的确定：若测振的目的在于研究结构强度或分析振型时，通常测定振动位移，因为柴油机被测部位的变形量与该部位振动位移有关；当研究阻尼系数或确定人体对振动的敏感程度时，通常测量振动速度；当确定振动对被测部位的动载荷与力的关系、机械疲劳、冲击以及力的传递时，通常测量振动加速度；为寻找振源还须对被测振动进行频谱分析。

（2）振动测量点的选择。

振动测量点的数量与分布是根据振动测量的目的确定的。通常取直角坐标系的原点通过柴油机曲轴或重心。对所选定的每一个测量点均须在X、Y、Z三个坐标方向上都可实现测量。

当测振的目的在于测定柴油机的振级时，通常是在柴油机前后两端顶部、增压器托架、输出端传动箱上部以及底座等处取测量点，测量点应取在局部刚度较大的部位，以便使测量结果能够反映整机的振动量级，应避免将测量点选在局部刚度较差的部位；当测振的目的在于研究振型时，须在直角坐标系X、Y、Z三个方向上各取3～5个测量点；当测振的目的在于研究振动传递情况时，须在弹性支撑、柔性连接管路的前后各取一测量点，并测定出三个方向上的振动。

测定柴油机振动时，通常是在柴油机标定工况下进行测量，当在柴油机运行转速范围内包含有共振转速时，还须在其共振转速下进行振动测量。

当进行柴油机振动测量时，须采取措施将被测柴油机与外界其他干扰振源实行隔离，以便消除外界振源对测量结果的干抗。在无法实现完全隔离的情况下，整理测量结果时，可根据测振目的适当处理。

当测量点取在柴油机燃烧室及排烟管附近时，必须考虑这些部位的高温对拾振器的影响并采取相应措施。

4.试验数据分析

结合GB/T 10397—2003《中小功率柴油机 振动评级》对柴油机进行振动分析评级。图3-43、图3-44是某柴油机振动烈度和带宽均方根随转速的变化关系。

（1）振动烈度。

振动烈度（单位为mm/s）为

式中　Ak——振动信号幅值；

fk——振动信号频率。

（2）带宽均方根。

带宽均方根（单位为m/s2）

图3-43　振动烈度随转速变化曲线

图3-44　带宽均方根随转速变化曲线

（三）噪声试验

柴油机运行时能够产生巨大的噪声。按产生噪声的原因可以分为：燃烧噪声、机械振动噪声、进排气的气流噪声等，噪声从柴油机的振动表面和进、排气系统的开口部位向外界辐射传播，巨大的持续噪声对人体是有害的。目前世界上工业发达国家已先后颁布了目的在于控制噪声，减少公害的噪声标准。我国1978年颁布的“噪声卫生标准”规定工业声的容许值为86 dB（A）。世界主要工业国家业已规定了机舱控制噪声标准，由于柴油机噪声是形成工业和交通噪声的主要成分，因此柴油机噪声测量已成为检测社会上声污染的主要项目。

1.影响因素分析

柴油机噪声主要包括燃烧噪声、机械噪声、进排气噪声及其他部件发出的噪声。

燃烧噪声是在可燃混合气体燃烧时，因气缸内气体压力急剧上升冲击柴油机各部件，使之振动而产生的噪声。柴油中的十六烷值不合适或喷油时间过于提前，会引起柴油机工作粗暴使噪声急剧增大。

机械噪声是柴油机工作时各运动件之间及运动件与固定件之间作用的周期性变化的力所引起的，它与激发力的大小和柴油机结构动态特性等因素有关。机械噪声包括活塞敲击声、气门机构冲击声、正时齿轮运转声等。一般来说，低转速时，燃烧噪声占主导地位，高转速时，机械噪声占主导地位。

进排气噪声来自气流振动，一般和柴油机转速功率和进排气管道有关，目前广泛采用的空气滤清器和消声器就能有效降低进排气噪声。

2.试验装置设计

噪声测量仪器包括传声器、声级计、频率分析仪、校准器，与其他附件配合使用实现噪声测量与分析。在柴油机噪声测量中应用最广的是便携式精密声级计。根据国际电工委员会（IEC）规定精密声级计测量的频率范围为20 Hz～12.5 kHz，声级测量范围为0～130 dB（2209型），在主要频率范围内偏差小于±1 dB。

便携式精密声级计由传声器、前置放大器、测量放大器、国际标准频率计权网络、衰减器、检波电路、平均电路、指示表头等组成，其原理方块图如图3-45所示。

图3-45　便携式精密声级计原理方块图

3.试验方法设计

（1）测量点的选择。

测定柴油机噪声的测量点必须选取在规定表面上，对于小型柴油机通常可在规定表面上选取四个测量点，即在柴油机规定表面的前、后、左、右各面的中央位置各取一个测量点，测量点的高度通常取柴油机本体高度的1/2。把上述四个测量点称作基准点。有时亦可取五个测量点，即除上述四个基准点之外，还规定将表面顶部表面中央位置也取作测量点。

柴油机被测噪声的测量值应为规定表面上各测量点所测得的测量值的平均值。当各测量点的测量值中的最大值与最小值之差不大于10 dB时，可取算术平均值；若差值超过10 dB时，可取对数平均值。

（2）噪声测量的典型环境。

①全消声试验室。

全消声试验室的四壁和天花板、地板等六个面均由吸音材料、尖壁等构成。在全消声试验室中，柴油机所辐射的噪声全部被试验室六面的吸音材料吸收，因此室内无反射声。在各测量点上，所测得的声压级仅是直接来自柴油机的辐射噪声，完全没有反射声。声学上把没有任何反射声的声场称为自由声场。

②半消声试验室。

半消声试验室的地板为反射式的，另外的五个面均由吸音材料构成。因此在半消声试验室中，测得的声压级除直接来自柴油机的辐射噪声外，还包含有来自全反射地面的反射声，因此半消声试验室也称半混响声场。在半消声试验室测得的声压级将比全消声试验室高3 dB左右。

③全反射试验室。

全反射试验室的四壁、天花板和地板均用声学硬质材料（如水泥）构成，有时也称混响室。为了取得更好的声反射效果，常常将室内做成不规则的形状。在全反射试验室中，各点声场均系由来自各个方向上的大量的反射声波复合而成。因此声场中各点的平均声能密度相同，声学上把这种声场称为漫射声场。在漫射声场中不存在噪声的指向性。全反射试验室的容积和混响时间会对漫射声场产生影响。实践证明，当全反射试验室的容积越大时，其低频特性越好。

全反射试验室由于无法测定噪声的方向性，无法判别噪声是由柴油机哪个部位发出的，因此难以确定产生噪声的噪声源。普通的柴油机试验室的声场情况大体上近似于全反射试验室。

4.试验数据分析

噪声试验主要对声压与声压级、声强与声强级、声功率与声功率级等进行计算分析，以及相关频谱分析。

（1）声压与声压级。

声压是指有声波时介质的压强对其静压力的变化量。通常以其均方根值（有效值）来衡量其量值的大小。声压记作符号p，单位为Pa。

正常人耳刚刚能听到频率为1 000 Hz的纯音的声压为2×10-5 Pa，声学上称此声压为听阈声压，也称作参考声压，记作p0。

人耳能够听到的没有危险的声压为20 Pa（痛阈声压），人耳能够听到的声压的动态范围为2×10-20 Pa，可见直接用Pa作为声压的计量单位是不方便的，而且就人耳生理上听感特性而言，当声压增大10倍时，人耳所感觉到的响度仅比原响度大1倍左右，因此声学上常采用一个相对值——声压级来度量，定义声压级为

式中　p——声压（Pa）；

p0——参考声压，p0=2×10-5 Pa。

声压级为一相对量，无量纲，但在声学中用“级”来表示相对量，并以分贝（dB）作单位。若用声压级来表征人耳能够听到的声压动态范围，则为0～120 dB。其中0 dB表示参考级，120 dB表示最大级，而当声压增大10倍时，声压级仅增大1倍，与人耳听感特性基本一致。

（2）声强与声强级。

声音具有一定的能量，可用它的能量来表示声音的强弱。声场中某点在指定方向的声强，就是在单位时间内通过该点与指定方向垂直的单位面积上的声能，以符号I表示，单位为W/m2。定义声强级为

式中　I——声强（W/m2）；

I0——参考声强，取I0=101 W/m2。

（3）声功率与声功率级。

声功率是声源在单位时间内发射出的总能量，以符号W表示，其单位为W。定义声功率级为

式中　W——声功率（W）；

W0——参考功率，取W0=10～12 W。

对柴油机进行频谱分析，分析柴油机噪声声压级变化。如图3-46为某柴油机不同负荷时测量点噪声声压级的变化。

图3-46　某柴油机不同负荷时测量点噪声声压级的变化