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摘要：本文依托海拔2200米电涡流测功机试验台架，以便携式排放测试系统（PEMS）为测试手段，基于全球统一的重型车稳态循环（WHSC循环），在高原环境条件下对一台国Ⅵ发动机的原机和尾排（带后处理）的气态污染物排放量进行了试验测试，分析研究了发动机后处理系统对气态污染物排放量的影响趋势和电涡流测功机在排放试验中的局限性。结果表明发动机后处理系统能显著降低汽车尾气中的氮氧化物（NOX），氮氧转化效率高达96.5%;电涡流测功机因其加载特性限制，不能满足国Ⅵ法规瞬态排放测试要求。
Abstract： Based on the 2200m Eddy current dynamometer test-bed， the portable emission test system （PEMS） is used as the test method， the emission of gaseous pollutants from the primary engine and the tail section （with post-treatment） of a domestic VI engine was tested under the plateau environment， the influence tendency of the engine aftertreatment system on the emission of gaseous pollutants and the limitation of the eddy current dynamometer in the emission test are analyzed. The results show that the engine aftertreatment system can significantly reduce the nitrogen oxide in automobile exhaust， and the conversion efficiency of nitrogen and oxygen is as high as 96.5%.The Eddy current dynamometer can not meet the requirements of VI regulation for transient emission test because of its loading characteristics.
关键词：电涡流测功机;高原环境;柴油发动机;稳态循环（WHSC）;气态污染物
Key words： eddy current dynamometer;plateau environment;diesel engine;world harmonized steady-state cycle（WHSC）;gaseous pollutants
中图分类号：V235.12 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）20-0003-03
0 引言
测功机是测试发动机性能检验时的关键设备，主要功能为测试发动机的输出功率。现有的测功机分为两类，一類是功率吸收型测功机，如：水力测功机、电涡流测功机等;另一类是功率传递型测功机，如直流电力测功机、交流异步电力测功机等。发动机试验台架建设时，测功机的选型首先取决于实验室功能和需求，结合各种类型测功机 （如水力测功机、电涡流测功机、电力测功机等）的特点确定所选测功机类型[1]。根据林斌的研究，交流电力测功机具有控制响应快、转动惯量小、控制稳定性高，可以满足瞬态试验、倒拖和冷磨试验要求，运行成本低等优点，是目前唯一能满足排放法规测试要求的最先进、功能最完善的测功机[1-2]。我公司发动机试验台架建设时考虑到交流电力测功机造价较高，且因其传递功率发出的电能需要电阻消耗或并入电网，台架建设费用高昂，在海拔2200米建设了以电涡流测功机为基础的发动机固定台架和移动台架各一个。
2016年和2018年相继发布了轻型车和重型车的国Ⅵ阶段标准，堪称最严排放法规。与排放法规相对应的是发动机测试循环，国Ⅵ法规采用全球统一的瞬态循环（World Harmonized Transient Cycle，WHTC）和稳态循环（World Harmonized Steady-state Cycle，WHSC）作为发动机出厂时的型式核准工况，取代了国Ⅴ标准中的欧洲瞬态循环（European Transient Cycle，ETC）和欧洲稳态循环（European Steady-state Cycle，ESC）[3]。
本文以电涡流测功机为基础，对一台国六发动机进行不带过渡工况的稳态循环排放污染物检测。研究电涡流测功机在排放试验中的应用及发动机原排和尾排之间的差异。
1 试验条件及试验内容
1.1 试验设备
本试验在海拔2200米发动机试验台架上进行，台架设备如表1所示。
1.2 试验样机技术参数
本试验用柴油机为某型国六柴油机，试验中没有对柴油机进行任何改动，柴油机具体技术参数见表2。 1.3 试验工况
本次试验采取不带过渡工况的稳态循环工况，包括两个怠速工况，转速为最大净功率对应转速的25%、35%、45%、55%、75%共5个不同转速，每个转速对应的扭矩各不相同。其中：55%转速对应的扭矩有四个，该转速最大扭矩值的25%、50%、70%、100%;35%转速对应该转速下最大扭矩值25%、50%、100%三个扭矩;45%转速对应25%、75%两个工况;25%转速和75%转速分别对应相应转速最大扭矩值的25%、100%一个工况。总共13个工况点。试验工况如图1所示。
2 试验结果
2.1 速度特性
因海拔高度变化，试验人员重新标定了发动机在海拔2200米下的速度特性曲线，并根据发动机瞬态特性，计算出发动机在该海拔下的稳态循环工况。稳态工况如表3、图2所示。
2.2 稳态循环原机和尾排排放差异
在进行不带过渡工况的稳态循环试验时，首个工况稳定一分钟后记录污染物排放数值，记录时间比循环工况规定时间长30秒，记录完毕后变换到下一工况，下一工况仍然稳定1分钟后排放分析仪开始记录。这样可以避免时间对齐问题带来的计算不便。
依据中华人民共和国国家标准GB 17691-2018《重型柴油车污染物排放限制及测量方法（中国第六阶段）》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Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）》中的相关条款计算得到最终排放结果。
稳态循环原机排放试验计算结果如表4所示，作为内燃机完全燃烧产物的CO2排放量最大，达到了607g/kWh，有害污染物排放中占比最高的是NOX，其次是CO。CO比排放量为0.568g/kWh，不到NOX排放量的十分之一。排气污染物中NOX值为NO和NO2之和，PEMS设备测量浓度结果为干基，计算时均换算成湿基浓度参与计算。
原机排放稳态循环特征点优化后，进行尿素喷射测试（既尾排试验），由于控制单元数据是根据前NOX传感器的读数来计算尿素喷射量的，所以在优化完原排之后，不修正控制单元数据，直接进行自动喷射测试，不考虑氨泄漏（测试条件不支持），原机与尾排测试对比结果如表5。
该国Ⅵ发动机采用的排放控制策略为废气再循环（EGR）+氧化催化器（DOC）+颗粒捕集器（DPF）+还原催化器（SCR）+氨逃逸催化器（ASC）。柴油机排放的尾气首先经过DOC，尾气中的CO、HC等被部分净化成CO2和H2O，再分别经过DPF和SCR進行颗粒捕集、氮氧化物催化还原以降低颗粒物排放和氮氧化物排放，最后经过ASC催化还原尾气中多余的NH3。尾排测试中CO2比排放值相对原排增加了约1.7个百分点，CO比排放值相应减少10.6个百分点，这是由于CO被DOC氧化为CO2导致的。CO2排放量基数较大是百分比有差异的原因。变化最明显的是氮氧化物（NOX），柴油机尾气经过SCR催化还原以后，NOX排放量下降了96.6个百分点。
2.3 电涡流测功机在稳态循环试验中的表现
试验过程中，手动调节测功机转速及扭矩，电涡流测功机可在5秒内完成工况变化，并可以将转速和扭矩稳定在设定值。稳态循环的工况变化要求测功机能在20±1秒内以线性速度完成发动机转速和扭矩的转换。显然，电涡流测功机可以做到这一点。但是若要在电涡流测功机试验台架上完成瞬态循环（WHTC）试验将是不可能完成的任务。瞬态循环工况是逐秒变化的，对测功机的瞬态响应速度要求非常严苛。瞬态循环工况如图3所示。
电涡流测功机的恒转速控制是闭环控制，当转速正向偏离平衡点A，由于转速偏差的存在，恒转速控制器自动增加测功机励磁电流，由于励磁电流的加载和发动机转速调节的滞后，系统将先经过C点，然后再通过减小励磁电流而稳定在平衡点B，转速回复到设定值[4]。在此种控制方式下，电涡流测功机不能满足工况逐秒变化的瞬态排放测试。电力测功机因其调速过渡稳定，可靠性高等特点，被应用于瞬态排放测试中。（图4）
3 结论
①经过柴油机后处理设备处理后的尾气有害污染物成分下降明显，CO排放量下降了10.56%，NOX排放量下降了96.56%，CO2排放量有所上升。本次试验由于测试条件有限，没有对柴油机排气中颗粒物和碳氢化合物加以分析。②电涡流测功机具有高精度、高稳定性等特点，测试功率范围较广，响应速度较快，能应用于发动机稳态性能及排放测试，但因其加载特性限制，不能用于发动机瞬态排放测试。
参考文献：
[1]林斌.发动机交流电力测功机选型探讨[J].装备制造技术，2018（04）：148-151.
[2]范爽.电涡流测功机加载控制系统的研制[D].北京理工大学，2016.
[3]赵国斌，盖永田，耿帅，金灵，伍恒.WHSC/WHTC与ESC/ETC测试循环的试验比较与研究[J].汽车工程学报，2015，5（01）：29-34.
[4]曾贤波，金振华，周斌，田颖，卢青春.电涡流测功机一发动机系统低转速不稳定点的分析研究[J].内燃机工程，2006（02）：75-77，80.
Abstract： Based on the 2200m Eddy current dynamometer test-bed， the portable emission test system （PEMS） is used as the test method， the emission of gaseous pollutants from the primary engine and the tail section （with post-treatment） of a domestic VI engine was tested under the plateau environment， the influence tendency of the engine aftertreatment system on the emission of gaseous pollutants and the limitation of the eddy current dynamometer in the emission test are analyzed. The results show that the engine aftertreatment system can significantly reduce the nitrogen oxide in automobile exhaust， and the conversion efficiency of nitrogen and oxygen is as high as 96.5%.The Eddy current dynamometer can not meet the requirements of VI regulation for transient emission test because of its loading characteristics.
关键词：电涡流测功机;高原环境;柴油发动机;稳态循环（WHSC）;气态污染物
Key words： eddy current dynamometer;plateau environment;diesel engine;world harmonized steady-state cycle（WHSC）;gaseous pollutants
中图分类号：V235.12 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）20-0003-03
0 引言
测功机是测试发动机性能检验时的关键设备，主要功能为测试发动机的输出功率。现有的测功机分为两类，一類是功率吸收型测功机，如：水力测功机、电涡流测功机等;另一类是功率传递型测功机，如直流电力测功机、交流异步电力测功机等。发动机试验台架建设时，测功机的选型首先取决于实验室功能和需求，结合各种类型测功机 （如水力测功机、电涡流测功机、电力测功机等）的特点确定所选测功机类型[1]。根据林斌的研究，交流电力测功机具有控制响应快、转动惯量小、控制稳定性高，可以满足瞬态试验、倒拖和冷磨试验要求，运行成本低等优点，是目前唯一能满足排放法规测试要求的最先进、功能最完善的测功机[1-2]。我公司发动机试验台架建设时考虑到交流电力测功机造价较高，且因其传递功率发出的电能需要电阻消耗或并入电网，台架建设费用高昂，在海拔2200米建设了以电涡流测功机为基础的发动机固定台架和移动台架各一个。
2016年和2018年相继发布了轻型车和重型车的国Ⅵ阶段标准，堪称最严排放法规。与排放法规相对应的是发动机测试循环，国Ⅵ法规采用全球统一的瞬态循环（World Harmonized Transient Cycle，WHTC）和稳态循环（World Harmonized Steady-state Cycle，WHSC）作为发动机出厂时的型式核准工况，取代了国Ⅴ标准中的欧洲瞬态循环（European Transient Cycle，ETC）和欧洲稳态循环（European Steady-state Cycle，ESC）[3]。
本文以电涡流测功机为基础，对一台国六发动机进行不带过渡工况的稳态循环排放污染物检测。研究电涡流测功机在排放试验中的应用及发动机原排和尾排之间的差异。
1 试验条件及试验内容
1.1 试验设备
本试验在海拔2200米发动机试验台架上进行，台架设备如表1所示。
1.2 试验样机技术参数
本试验用柴油机为某型国六柴油机，试验中没有对柴油机进行任何改动，柴油机具体技术参数见表2。 1.3 试验工况
本次试验采取不带过渡工况的稳态循环工况，包括两个怠速工况，转速为最大净功率对应转速的25%、35%、45%、55%、75%共5个不同转速，每个转速对应的扭矩各不相同。其中：55%转速对应的扭矩有四个，该转速最大扭矩值的25%、50%、70%、100%;35%转速对应该转速下最大扭矩值25%、50%、100%三个扭矩;45%转速对应25%、75%两个工况;25%转速和75%转速分别对应相应转速最大扭矩值的25%、100%一个工况。总共13个工况点。试验工况如图1所示。
2 试验结果
2.1 速度特性
因海拔高度变化，试验人员重新标定了发动机在海拔2200米下的速度特性曲线，并根据发动机瞬态特性，计算出发动机在该海拔下的稳态循环工况。稳态工况如表3、图2所示。
2.2 稳态循环原机和尾排排放差异
在进行不带过渡工况的稳态循环试验时，首个工况稳定一分钟后记录污染物排放数值，记录时间比循环工况规定时间长30秒，记录完毕后变换到下一工况，下一工况仍然稳定1分钟后排放分析仪开始记录。这样可以避免时间对齐问题带来的计算不便。
依据中华人民共和国国家标准GB 17691-2018《重型柴油车污染物排放限制及测量方法（中国第六阶段）》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Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）》中的相关条款计算得到最终排放结果。
稳态循环原机排放试验计算结果如表4所示，作为内燃机完全燃烧产物的CO2排放量最大，达到了607g/kWh，有害污染物排放中占比最高的是NOX，其次是CO。CO比排放量为0.568g/kWh，不到NOX排放量的十分之一。排气污染物中NOX值为NO和NO2之和，PEMS设备测量浓度结果为干基，计算时均换算成湿基浓度参与计算。
原机排放稳态循环特征点优化后，进行尿素喷射测试（既尾排试验），由于控制单元数据是根据前NOX传感器的读数来计算尿素喷射量的，所以在优化完原排之后，不修正控制单元数据，直接进行自动喷射测试，不考虑氨泄漏（测试条件不支持），原机与尾排测试对比结果如表5。
该国Ⅵ发动机采用的排放控制策略为废气再循环（EGR）+氧化催化器（DOC）+颗粒捕集器（DPF）+还原催化器（SCR）+氨逃逸催化器（ASC）。柴油机排放的尾气首先经过DOC，尾气中的CO、HC等被部分净化成CO2和H2O，再分别经过DPF和SCR進行颗粒捕集、氮氧化物催化还原以降低颗粒物排放和氮氧化物排放，最后经过ASC催化还原尾气中多余的NH3。尾排测试中CO2比排放值相对原排增加了约1.7个百分点，CO比排放值相应减少10.6个百分点，这是由于CO被DOC氧化为CO2导致的。CO2排放量基数较大是百分比有差异的原因。变化最明显的是氮氧化物（NOX），柴油机尾气经过SCR催化还原以后，NOX排放量下降了96.6个百分点。
2.3 电涡流测功机在稳态循环试验中的表现
试验过程中，手动调节测功机转速及扭矩，电涡流测功机可在5秒内完成工况变化，并可以将转速和扭矩稳定在设定值。稳态循环的工况变化要求测功机能在20±1秒内以线性速度完成发动机转速和扭矩的转换。显然，电涡流测功机可以做到这一点。但是若要在电涡流测功机试验台架上完成瞬态循环（WHTC）试验将是不可能完成的任务。瞬态循环工况是逐秒变化的，对测功机的瞬态响应速度要求非常严苛。瞬态循环工况如图3所示。
电涡流测功机的恒转速控制是闭环控制，当转速正向偏离平衡点A，由于转速偏差的存在，恒转速控制器自动增加测功机励磁电流，由于励磁电流的加载和发动机转速调节的滞后，系统将先经过C点，然后再通过减小励磁电流而稳定在平衡点B，转速回复到设定值[4]。在此种控制方式下，电涡流测功机不能满足工况逐秒变化的瞬态排放测试。电力测功机因其调速过渡稳定，可靠性高等特点，被应用于瞬态排放测试中。（图4）
3 结论
①经过柴油机后处理设备处理后的尾气有害污染物成分下降明显，CO排放量下降了10.56%，NOX排放量下降了96.56%，CO2排放量有所上升。本次试验由于测试条件有限，没有对柴油机排气中颗粒物和碳氢化合物加以分析。②电涡流测功机具有高精度、高稳定性等特点，测试功率范围较广，响应速度较快，能应用于发动机稳态性能及排放测试，但因其加载特性限制，不能用于发动机瞬态排放测试。
参考文献：
[1]林斌.发动机交流电力测功机选型探讨[J].装备制造技术，2018（04）：148-151.
[2]范爽.电涡流测功机加载控制系统的研制[D].北京理工大学，2016.
[3]赵国斌，盖永田，耿帅，金灵，伍恒.WHSC/WHTC与ESC/ETC测试循环的试验比较与研究[J].汽车工程学报，2015，5（01）：29-34.
[4]曾贤波，金振华，周斌，田颖，卢青春.电涡流测功机一发动机系统低转速不稳定点的分析研究[J].内燃机工程，2006（02）：75-77，80.