论柴油车自由加速烟度排放

论柴油车自由加速烟度排放

王仲芝邓碧伟

（东风康明斯发动机有限公司）

【摘要】本文简述了世界上一些柴油车自由加速烟度排放法规，我国自由加速烟度排放限值最为苛刻。作者通过大量的试验研究，明确了柴油车自由加速烟度排放机理，指出自由加速烟度排放法规对改善柴油车实际行驶烟度排放的作用是非常有限的。希望政府部门要摆正柴油车自由加速烟度排放法规的位置。

关键词：柴油车自由加速烟度

Abstract：In this paper, the emission regulation of free acceleration smoke is discussed for diesel Vehicles in the world, and it is the strictest among engine emission regulation in china. The authors acquire the principle of free acceleration smoke emission through many engine tests, and point out the critical regulation for free acceleration smoke is very limited to benefit to diesel Vehicles emission improvement in practice. Therefore, the authors hope that our government should put this emission rule on an appropriate position.

Key words：Diesel Vehicle, Free Acceleration Smoke, Regulation

(一)前言

在环保日益严格要求的今天，柴油车烟度排放受到人们的格外重视，烟度排放限值越来越小。在我国及我国有些城市对柴油车自由加速烟度排放限值更为严格，以至于有些达欧洲Ⅱ#、Ⅲ#排放标准的进口柴油机，乃不能满足我国某些城市的自由加速烟度排放法规。作者在制定GB3847-1999《压燃式发动机和装压燃式发动机的车辆排气可见污染物限值及测量方法》标准过程中，曾对柴油车自由加速烟度排放作过较深入的试验研究，发现人们对柴油车自由加速烟度排放机理不甚了解，所以在制定柴油车自由加速烟度排放标准时过于夸大其作用。这将使中国汽车环保引入误区，抑制了中国汽车工业的发展，还极大地浪费了资源。作者撰写本文的目的是要人们正确理解柴油车自由加速烟度排放机理，摆正自由加速烟度排放法规在控制柴油车烟度排放的位置，仅此而已。

（二）柴油车自由加速烟度排放法规的由来与现状

据资料（1）介绍，柴油车自由加速烟度法原是欧洲最早使用的。一些汽车修理厂修好柴油车后用自由加速烟度法来大致检验修车质量。其方法是：将柴油机怠速运转，突然加大油门到底，使发动机到达最高空转转速，期间冒一股黑烟，若黑烟过浓说明柴油机没有修好。后来这一方法逐步被欧共体（EEC）和其他一些国家作为评定柴油车烟度排放法规。

2.1 ECE/EEC柴油车（或柴油机）自由加速烟度排放法规

2.1.1试验规程：

测量柴油机从怠速状态突然加速到最高空转转速时的烟度排放，测量次数为6次，以后4次测量值的算术平均值作为其测量结果。

2.1.2测量仪器：

94

使用不透光烟度计，测量单位：m-1

2.1.3 烟度排放限值：

型式认证：

非增压机：无限值，记录实测值。

废气涡轮增压机（含中冷机）：实测全负荷烟度最大值所对应的名义排量所对应的限值再加0.5 m-1

生产一致性限值：

非增压机和废气涡轮增压机（含中冷机）的型式认证值再加0.5 m-1。如果自由加速烟度测值超标时，则进行全负荷烟度排放测量，若合格则该柴油机烟度排放乃算合格。

2.2 日本柴油车自由加速烟度排放法规

2.2.1 试验规程：

同ECE/EEC

2.2.2测量仪器：

滤纸烟度计。测量单位：污染度%

2.2.3烟度排放限值：

40%污染度

2.3 中国柴油车自由加速烟度排放法规

2.3.1试验规程：

同ECE/EEC

2.3.2测量仪器：

滤纸烟度计。测量单位：Rb或FSN

2.3.3烟度排放限值：

2.3.3.1国家标准

型式认证值： 3.5 FSN

生产一致性值： 4.0 FSN

在用车值： 4.5 FSN

2.3.3.2北京市标准：

2000.7.15生产的轻型柴油车：2.0 Rb

2000.7.15生产的重型柴油车

客车：2.2 Rb

货车：2.5 Rb

2.4美国柴油车烟度排放标准：

2.3.4试验规程：

95

96 带载进行加速、减速及满负荷工况运行。见图（1）

图（1）美国柴油车烟度试验规范

2.3.5 测量仪器：

不透光烟度计，测量单位：%

2.3.6 烟度排放限值：

加速：25%；减速：15%；峰值：50%。

柴油车在实际行驶中不存在自由加速烟度排放工况，因此用自由加速烟度排放工况来评定或衡量柴油车行驶烟度排放是否合理曾引起国际上争议，美国不采用此法，而是采用带载的加减和全负荷峰值烟度排放法。欧洲虽然采用此法，但自由加速烟度排放限值相当宽松，并且没有最终否决权。日本也采用此法，但烟度排放限值也相对宽松。然而中国有关部门对自由加速烟度排放法规格外看重，因此其限值也是世界上最为苛刻，且尚有更严格的趋势。

3. 自由加速烟度与负荷烟度排放的关系：

影响柴油车实际行驶烟度排放的因素是全负荷烟度和带负载的瞬态烟度。但有人认为 （2），“自由加速烟度不仅包括了全负荷烟度标准规定的由最大功率到45%额定或1000r/mim 范围内的烟度，还包括了45%额定 或 1000r/mim 以下全负荷烟度。”还说，“自由加速烟度总会大于同机的按全负荷标准的烟度。换句话说，如果能够使自由加速烟度降低，全负荷烟度也就不成问题。”因为前些年他们为了降低北京市柴油公交车烟度排放问题，采取了降低喷油泵油量，减少了一些功率，降低了自由加速烟度，也改善了一些柴油车行驶烟度排放。正是由于这些观点，他们把自由加速烟度排放法规提高到极不恰当的地位。

自由加速烟度与全负荷烟度排放有什么关系？自由加速烟度是否包括全负荷烟度排放？自由加速烟度小了，全负荷烟度排放是否也一定减少？作者带着这些问题在一台非增压柴油机上进行了不同最大扭矩下自由加速烟度排放对比试验。本试验为了严格控制喷油泵其他工况的油量不变，仅仅下降最大扭矩，我们没有采用北京使用调整油泵手柄的办法，

而是通过调整油泵扭矩校

正器来达到改变最大扭矩。对比试验结果见表（1）。

试验结果表明，降低最大扭矩对降低全负荷烟度有效，而对降低自由加速烟度无效，。这就证明了柴油机全负荷烟度排放与自由加速烟度排放无关。作者常年从事发动机实际试验经常发现同一台柴油机自由加速烟度很小，而全负荷烟度排放且很大；而有的柴油机自由加速烟度排放很大，而全负荷烟度排放且很小。这些足以说明“自由加速烟度包括全负荷烟度”，“自由加速烟度小了全负荷烟度也必然减小”的观念与实际极不相符。

（四）柴油机自由加速烟度排放机理

影响柴油机自由加速烟度排放的主要因素是什么？作者曾作过很多种改进方案，如不同燃烧室形状，活塞导流槽等方案，这些措施对降低全负荷烟度都有一定的效果，但对降低自由加速烟度排放均无效果。最后作者在进行柴油机不同起动油量对自由加速烟度排放影响的对比试验，却得到了非常明确的结果。试验是在EQD6102柴油机上进行的。该机为直列、水冷、非增压、直喷式柴油机，A型泵和 RFD两极式调速器，设计起动油量大于80ml/1000次/100r/mim。本试验为避免油泵其他参数在调整中可能要发生变化，采用调整油泵弹性调节止档（俗称起动冒烟限止器，见图（2））的办法来达到调整油泵不同起动油量的目的。试验时，柴油机全负荷动力经济性能和烟度排放均不能受影响。试验结果见表（2）

图（2）弹性调节齿杆止挡

97

作者还在同一台EQD6102柴油机上，进行了不同起动油量的油泵的自由加速烟度排放对比试验，得出了该机型装A型泵的起动油量与自由加速烟度关系曲线。见图（3）

图（3）EQD6102柴油机A型泵自由加

从以上图表分析可知，喷油泵的起动油量大小对柴油机的自由加速烟度排放确有很大影响。在柴油机冷起动性能保证下，尽量降低喷油泵起动油量，则可大幅度改善柴油机自由加速烟度排放。作者还深入试验研究发现，喷油泵低速段供油特性影响着柴油机自由加速烟度排放。东风康明斯6BT柴油机就是通过调整喷油泵增压补偿器，严格控制n=1000rmim发动机转速时的供油量，来控制柴油机的自由加速烟度排放。

现在我们从两极式喷油泵供油特性来分析油泵起动油量影响柴油机的自由加速烟度排放的机理。图（4）是装RFD两极调速器A型泵的供油特性曲线。

图中I曲线为全负荷曲线。其中AB为油泵起动段，油泵转速在发动机起动转速下运行，齿杆行程为最大，齿杆处于加浓位置。BC为油泵过渡段，当油门全开，发动机转速在此怠速调节范围nb和nc之间变化时，齿杆行程在Rb和Rc 之间变化，循环供油量变化较大。CD为油泵非

98

调节段，调速器不起作用，由司机来控制。DE为高速调节段，D点为调速器高速起作用点。E点为无负荷最高空转转速点。G点为油泵停止供油点。

图中II曲线为怠速特性曲线。K点为怠速调整点。

当进行柴油机自由加速烟度排放试验时，发动机怠速运转，迅速采油门到底，齿杆行程由Rk突升至Rx‘，供油瞬时加大很多，空气瞬间供给量不足，造成燃烧恶化，冒一股浓烟。当起动油量下降至A‘B‘时，其过渡

段为B‘C，进行自由加速烟度试

验时，其齿杆行程由Rk突升至Rx

‘瞬间供油量要比Rx少很多，因

此自由加速烟度排放也要小很多。

所以柴油机自由加速烟度排放主

要与油泵BC过渡段有关。而本泵

BC段油量的大小与起动AB段油量

大小有非常密切关系。若起动油量

大，则BC段陡斜，自由加速工况

时供油量大，则自由加速烟度排放

也就大。反之则自由加速烟度就

小。

从以上大量的试验研究，我们

发现一条很重要的规律：喷油泵低

速段供油特性控制着柴油机自由

加速烟度排放，而喷油泵中高速段供油特性控制着柴油机全负荷烟度排放。这就是柴油机自由加速烟度排放的真实机理，这也是柴油机自由加速烟度不能代表全负荷烟度排放的根本原因。

（五）测量仪器，试验方法和大气因素对自由加速烟度排放的影响

柴油车自由加速烟度试验方法所以能被广泛采用，主要原因是这种方法简便、易操作。但作者通过二十多年的实际操作发现，用自由加速法测量烟度其测量值散差很大，即使使用不透光烟度计，结果也是如此。若使用滤纸烟度计，测值更不正确。

5.1滤纸烟度计对自由加速烟度排放测量的影响图（4）RFD两极调速器A型泵的供油特性曲线。

图（5）自由加速烟度排放规律

99

100 自由加速是瞬态工况，其排烟规律如图（5）所示。所以ECE/EEC

法规规定必须要用不透光烟度计测量烟度排放，以峰值为测量结果。而中国柴油车自由加速烟度排放标准规定，测量自由加速烟度要使用滤纸烟度计。滤纸烟度计测不出自由加速烟度峰值，只能测出自由加速烟度积分值。因瞬态烟度排放有强烈的时间性，滤纸烟度计因开关的灵敏性、抽气筒活塞运动快慢、取样管长短、滤纸白度等等都影响着自由加速烟度测值的大小。所以用滤纸烟度计来测量柴油车自由加速烟度是很不科学和很不合理的。

5.2美国Celesco-107不透光烟度计测量自由加速烟度排放存在的问题

东风汽车公司引进美国康明斯B 系列柴油机同时也购进了数台Celesco-107全流式不透光烟度计，我们在制定GB3847-1999《压燃式发动机和装用压燃式发动机车辆可见污染物排放限值及测量方法》标准进行论证试验时，原以为celesco-107不透光烟度计也能使用。但试验时发现，

在同一台柴油机上同时用celesco-107和哈特里奇不透光烟度计进行对比试验，稳态烟度测量两者基本一致，而自由加速烟度两者差距甚大，celesco-107不透光烟度计所测值高出哈特里奇烟度计所测值50％以上。后咨询AVL 公司仪表专家，这是前者灵敏度高于后者的缘故。如celesco-107不透光烟度计测量电路响应时间在0.1秒左右，而ECE/EEC 法规要求的不透光烟度计响应时间在0.9~1.1秒之间。celesco-107不透光烟度适合美国排放法规体系而不适合欧洲和中国排放法规体系。从中给我的一个重要启示：购买排放设备和仪器一定要符合排放法规体系的技术要求。

5.3大气状况对自由加速烟度排放的影响

大气状况不仅对柴油机动力经济性有很大影响，而且对柴油机烟度排放也有很大影响。作者曾在一台废气涡轮增压柴油机上进行不同进气温度和不同进气压力对自由加速烟度排放影响的对比试验。试验结果见图（6）和图（7）。

从图（6）和图（7

）明显看出，废气涡轮柴油机自由加速烟度随大气温度和海拔高度增加而图（6）进气温度对自由加速烟度排放的影响 图（7）不同进气压力对自由加速烟度排放的影响

增加。然而我国柴油车自由加速烟度排放法规对大气因素只字不提，显然不够完善的。

（六）对柴油车自由加速烟度排放法规的评价

柴油车自由加速烟度排放法规是我国汽车行业中的一部排放宪法，在中国生产、销售和行驶的国内外柴油车和柴油机都要严格遵守。因此该法规必须要科学、严格并与国际接轨。我们通过以上柴油车自由加速烟度排放的试验研究与分析，可以对几种柴油车烟度排放法规进行初步评价。

美国柴油车实施带载加、减和全负荷烟度法，符合柴油车实际行驶工况：它既有全负荷烟度排放工况，也有带载加速减速瞬态烟度排放工况。本方法最真实反映柴油车实际行驶烟度排放状况，而且用灵敏度很高的不透光烟度计测量，测值准确，值得采纳。但其测试设备较复杂，昂贵，一时难以在我国普遍推广。

从欧洲兴起的柴油车自由加速烟度法，该工况在柴油车实际行驶中并不存在。通过本文的大量试验研究发现，自由加速烟度排放的大小，它并不能真实反映柴油车实际行驶烟度排放状况，即不能真实反映柴油车瞬态带载排放烟度，也不能真实反映柴油车全负荷烟度排放。所以自由加速烟度法并不是很科学的，也就是说严格的自由加速烟度排放限值，起不到或着很少起到改善柴油车实际行驶烟度排放作用。欧洲法规考虑自由加速烟度法操作方便，快速和设备简单，测试结果间接反映柴油机技术状态变化如何。欧洲法规明智之处是：自由加速烟度排放限值比较宽松，而且没有否决权，最终决定柴油车自由加速烟度排放是否合格由柴油机全负荷烟度排放结果来决定。因此该方法虽不十分科学和符合实际，但尚有一定的实用性。

然而，我国的柴油车自由加速烟度排放法规，采用落后的烟度计，却要执行世界上最严格的烟度排放限值，而且这样的测量结果却是否决性的。作者始终认为，这样的烟度排放法规是极不科学的，不合理的，也是不严肃的，与世界汽车烟度排放法规不接轨的。因为非常严格自由加速烟度限值降低不了柴油车实际行驶烟度排放。为了自由加速烟度排放达标，我国各汽车厂、各柴油机厂等单位每年要花多少精力和财力在做此无用功！作者真诚希望我国有关部门不要在加严柴油车自由加速烟度排放方面上多下功夫了，而应在柴油机全负荷烟度排放和带载瞬态烟度及微粒排放方面多下功夫，与国际接轨，真正改善我国大气质量。

参考文献：

1、《ISO/T22/SC5/WG5 关于在柴油车辆烟度的快速试验（技术报告草案）》长春汽车研究所许拨民编译1982.8

2、《柴油车自由加速烟度排放标准》等四项标准的修订说明北京汽车研究所、交通部公路科学院研究所/中国环科院大气研究所一九九一年十一月

3、ECE.R.24.20 APRIL 1986

4、北京汽车《汽车排放标准及法规专辑》 1996.2

5、GB3847-1999《压燃式发动机和装压燃式发动机车辆可见污染物排放限值及测试方法》王仲芝许拨民等1999.3

6、汽车柴油机燃油系朱国玺等编 1984.4

101