葛 旸，王鳳濱，尹 超，李晨貞

(1．天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222；2．中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300162)

?

2015232

基于法規(guī)的柴油發(fā)動機(jī)顆粒物數(shù)量排放測試研究

葛 旸1，王鳳濱2，尹 超2，李晨貞2

(1．天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222；2．中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300162)

采用滿足歐Ⅵ顆粒數(shù)量(PN)測試要求的AVL489顆粒計(jì)數(shù)器，對3臺不同機(jī)型的柴油機(jī)進(jìn)行了ESC，ETC和WHTC循環(huán)試驗(yàn)，并測量了PN排放情況。結(jié)果表明：在不同機(jī)型和不同試驗(yàn)循環(huán)下，PM(顆粒物質(zhì)量)和PN排放的相關(guān)性較高；DOC+POC后處理可有效降低PN排放；熱起動WHTC循環(huán)的PN排放比冷起動高，但差異很??；PN排放隨轉(zhuǎn)速的升高和負(fù)荷的加大而增高。

柴油機(jī)；顆粒計(jì)數(shù)器；顆粒數(shù)量排放；測試

前言

隨著柴油機(jī)排放法規(guī)發(fā)展到歐Ⅵ階段，排放測試循環(huán)由ESC(歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán))和ETC(歐洲瞬態(tài)循環(huán))變更為WHSC(世界統(tǒng)一穩(wěn)態(tài)循環(huán))和WHTC(世界統(tǒng)一瞬態(tài)循環(huán))，循環(huán)過程中的顆粒物排放測試也在先前顆粒物質(zhì)量測量基礎(chǔ)上增加了顆粒物數(shù)量測量的要求[1]。

國外在顆粒物數(shù)量排放方面的研究有：文獻(xiàn)[2]中研制了一種針對固態(tài)顆粒的計(jì)數(shù)裝置，既能滿足歐Ⅵ法規(guī)要求而且測量范圍擴(kuò)展到粒徑在23nm以下固態(tài)顆粒物；文獻(xiàn)[3]中采用電遷移率粒子分析儀(scanning mobility particle sizer，SMPS)研究了發(fā)動機(jī)負(fù)荷、EGR率和后噴策略等條件對顆粒物數(shù)量和尺寸分布的影響。

而國內(nèi)目前關(guān)于PN排放的試驗(yàn)研究主要是基于電子低壓沖擊器(electrical low pressure impactor，ELPI)對顆粒物數(shù)量和粒徑分布進(jìn)行分析[4-8],但根據(jù)歐Ⅵ法規(guī)要求對顆粒物總體數(shù)量排放進(jìn)行的研究還比較少，而這種試驗(yàn)研究，既是國內(nèi)排放法規(guī)升級的要求，也是提高柴油機(jī)顆粒物排放測試技術(shù)的要求。

本文中采用滿足歐Ⅵ法規(guī)要求的AVL489顆粒計(jì)數(shù)器，對3臺不同型號的發(fā)動機(jī)進(jìn)行了ESC，ETC和WHTC循環(huán)試驗(yàn)，并測量了PN排放情況，研究了PM排放與PN排放的相關(guān)性，對比了DOC+POC后處理對PN排放的影響，對比了冷起動與熱起動循環(huán)PN排放的差異，分析了發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況對PN排放的影響。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 AVL489顆粒計(jì)數(shù)器

歐洲經(jīng)濟(jì)委員會法規(guī)ECE NO.83規(guī)定了柴油機(jī)PN排放測試程序，測量裝置應(yīng)首先通過揮發(fā)性顆粒去除器(volatile particle remover,VPR)除去可揮發(fā)性顆粒，然后通過顆粒計(jì)數(shù)單元(particle number counter，PNC)對固體顆粒進(jìn)行計(jì)數(shù)[9]。本試驗(yàn)采用滿足歐Ⅵ法規(guī)要求的AVL489顆粒計(jì)數(shù)器，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

AVL489顆粒計(jì)數(shù)單元(PNC)利用包裹了正丁醇的單個顆粒對設(shè)定的光路產(chǎn)生干涉的原理來檢測顆粒數(shù)量。經(jīng)過稀釋后的樣氣以恒定的流量進(jìn)入檢測器，在熱飽和器(heated saturator)內(nèi)，正丁醇汽化形成的蒸汽與樣氣混合，混合氣流經(jīng)冷凝器(cooled condenser)時，正丁醇蒸汽在每一個顆粒物上凝結(jié)，包裹了正丁醇的顆粒樣氣流經(jīng)一個特制的噴嘴(該噴嘴只能容許單個顆粒通過)，在噴嘴出口上方設(shè)定了特殊的激光發(fā)射和接受裝置，當(dāng)包裹了丁醇的單個顆粒通過光路時，激光接受裝置會檢測到信號波動，從而連續(xù)測量出單位時間內(nèi)通過噴嘴的顆粒數(shù)量。

AVL489采用特殊采樣探頭,可以起到預(yù)分離器的效果，可以對柴油機(jī)23nm～2.5μm粒徑范圍內(nèi)的顆粒數(shù)量實(shí)現(xiàn)較高精度的檢測。

1.2 試驗(yàn)發(fā)動機(jī)

本文中基于以下3個不同廠家的3臺不同型號發(fā)動機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)動機(jī)主要參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)發(fā)動機(jī)參數(shù)

2 試驗(yàn)方案

本文中對樣機(jī)1和樣機(jī)2進(jìn)行了ESC和ETC試驗(yàn)，對樣機(jī)3進(jìn)行了原機(jī)、帶1套DOC+POC后處理和兩套DOC+POC串聯(lián)3種情況下的熱起動WHTC試驗(yàn)和完整WHTC試驗(yàn)。所有試驗(yàn)均對顆粒物質(zhì)量(PM)排放和數(shù)量(PN)排放進(jìn)行測量。

3 結(jié)果分析

3.1 PM與PN排放相關(guān)性

圖2為樣機(jī)1的ESC和ETC試驗(yàn)、樣機(jī)2的ESC和ETC試驗(yàn)和樣機(jī)3的兩次原機(jī)熱態(tài)WHTC試驗(yàn)結(jié)果，共計(jì)6組PM和PN排放數(shù)據(jù)的分布情況。

由圖可知，發(fā)動機(jī)PM與PN相關(guān)系數(shù)為0.984 4。由于樣機(jī)2配備后處理為SCR，其對發(fā)動機(jī)顆粒物排放影響較小，因此，PM和PN排放也可近似認(rèn)為是原機(jī)排放?？梢姡瑢τ诎l(fā)動機(jī)原機(jī)排放而言，PM與PN排放相關(guān)性較高。

3.2 DOC+POC后處理對PN排放的影響

對樣機(jī)3進(jìn)行了原機(jī)、安裝1套DOC+POC后處理和2套DOC+POC串聯(lián)安裝3種情況下的熱起動WHTC試驗(yàn)，結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3為3種情況下，循環(huán)過程中PN排放濃度對比情況。圖4為3種情況下，PM和PN的循環(huán)排放對比。由圖可知，DOC+POC后處理對PN和PM排放都有明顯的減排效果。圖5為3種情況下，PM和PN排放的相關(guān)性，可見在帶后處理的情況下，PM和PN排放相關(guān)性也較好。

3.3 冷起動和熱起動PN排放差異

對樣機(jī)3進(jìn)行了原機(jī)、安裝1套DOC+POC后處理和兩套DOC+POC串聯(lián)安裝3種情況下的完整WHTC試驗(yàn)，包括冷起動WHTC循環(huán)和熱起動WHTC循環(huán)兩部分。

圖6～圖8分別為3種情況下冷起動和熱起動循環(huán)過程中PN排放對比情況。

由圖6～圖8可知，3種情況下，循環(huán)前200s熱起動循環(huán)PN排放均高于冷起動循環(huán)，原機(jī)情況下這種差異最為明顯。盡管循環(huán)工況變化很大，但兩次試驗(yàn)大部分工況下的PN濃度依然較為接近，可見PN濃度測量的一致性很好。

圖9和圖10分別為PN和PM冷起動和熱起動循環(huán)加權(quán)比排放對比。

由圖9和圖10可知，3種情況下，冷起動循環(huán)PN排放略低于熱起動循環(huán)，冷起動和熱起動循環(huán)PM排放差異較小，分析原因，對于冷起動循環(huán)和熱起動循環(huán)，發(fā)動機(jī)的運(yùn)行條件差異主要體現(xiàn)在循環(huán)前半部分。由圖6可知，由于這種運(yùn)行條件的差異導(dǎo)致的PN排放差異也主要體現(xiàn)在循環(huán)前200s。冷起動循環(huán)前200s，缸內(nèi)溫度較低，柴油燃燒不如熱起動循環(huán)充分，這可能導(dǎo)致顆粒物總質(zhì)量(PM)增大，但由此增加的顆粒物，其粒徑可能較大，可揮發(fā)性成分也會較多，在經(jīng)過AVL489的探頭分離和蒸發(fā)后，PN數(shù)量可能會比熱起動循環(huán)時低。

3.4 發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況對PN排放的影響

對樣機(jī)1進(jìn)行ESC試驗(yàn)13工況的PN排放試驗(yàn)，圖11為不同轉(zhuǎn)速和不同負(fù)荷下PN排放濃度對比情況。依據(jù)法規(guī)GB 17691—2005的規(guī)定[10]，計(jì)算出該發(fā)動機(jī)的A，B和C轉(zhuǎn)速。由圖可知，隨著轉(zhuǎn)速的升高，相同負(fù)荷下PN排放濃度逐漸增大。隨著負(fù)荷的增大，A和B轉(zhuǎn)速下PN排放濃度在75%負(fù)荷之前變化不大，75%負(fù)荷以后明顯增大，C轉(zhuǎn)速下PN排放濃度在75%負(fù)荷之前緩慢增大，75%負(fù)荷以后迅速升高。

4 結(jié)論

(1)總結(jié)3臺樣機(jī)不同試驗(yàn)循環(huán)下的PM和PN排放結(jié)果，發(fā)現(xiàn)PM和PN排放有著較高的相關(guān)性。

(2)樣機(jī)3的結(jié)果表明，DOC+POC后處理可以有效降低發(fā)動機(jī)PM和PN排放，原機(jī)、1套后處理和2套后處理串聯(lián),3種情況下的PM和PN排放也有較好的相關(guān)性。

(3)樣機(jī)3在原機(jī)、1套DOC+POC后處理和2套DOC+POC后處理串聯(lián)3種情況下，冷起動循環(huán)PN排放均略低于熱起動循環(huán)，冷起動和熱起動循環(huán)PM排放差異較小。兩次試驗(yàn)PN濃度曲線吻合度較高，可見AVL489對于PN測量的一致性較高。

(4)樣機(jī)1的ESC試驗(yàn)13工況結(jié)果表明，PN排放濃度隨著轉(zhuǎn)速的升高和負(fù)荷的加大而增高。

[1] Uniform Provisions Concerning the Measures to be Taken Against the Emission of Gaseous and Particulate Pollutants from Compression-ignition Engines and Positive Ignition Engines for Use in Vehicles[S]. UN-ECE R49.06 Series.

[2] Yoshinori Otsuki, Kenji Takeda,et al. A Solid Particle Number Measurement System Including Nanoparticles Smaller than 23 Nanometers[C]. SAE Paper 2014-01-1604.

[3] Federico Millo, Davide Vezza,et al. Impact of Engine Operating Conditions on Particle Number and Size from a Small Displacement Automotive Diesel Engine[C]. SAE Paper 2012-01-0429.

[4] 高繼東，張遠(yuǎn)軍，李孟良，等. 重型柴油車實(shí)際道路排放顆粒物的粒度分布[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2008,38(1):38-41.

[5] 潘鎖柱，裴毅強(qiáng)，宋崇林，等. 汽油機(jī)顆粒物數(shù)量排放及粒徑的分布特性[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2012,18(2)：161.

[6] 李孟良，張遠(yuǎn)軍，高繼東，等. 安裝SCR系統(tǒng)的國Ⅳ發(fā)動機(jī)排放特性研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2010,31(1)：44-46.

[7] 黃定華，李孟良. DPF對城市在用重型柴油機(jī)排放影響的研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2007(14)：95-96.

[8] 王軍方，丁焰，尹航，等. 液化石油氣汽車顆粒物數(shù)量排放特征的研究[J]. 汽車工程，2013,35(7):646-648.

[9] Conclusions on Improving Particulate Mass Measurement Procedures and New Particle Number Measurement Procedures Relative to the Requirements of the 05 Series of Amendments to Regulation No. 83[S]. GRPE-48-11-Rev.1, 2004.

[10] GB 17691—2005車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國III、IV、V階段)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005: 38-40.

A Study on the Regulation-based Measurement of Particulate Number Emission of Diesel Engines

Ge Yang1,Wang Fengbin2, Yin Chao2& Li Chenzhen2

1.TianjinUniversityofTechnologyandEducation，Tianjin300222; 2.ChinaAutomobileTechnologyandResearchCenter,Tianjin300162

ESC, ETC and WHTC tests are conducted on three different makes of diesel engines with their particle number (PN) emission measured by using AVL489 particle counter, which meets the requirements of EURO-IV regulations for PN measurement. The results show that for different engines under different test cycles, the particle mass(PM)and PN emissions have rather high correlation. DOC+POC after-treatment can effectively reduce PN emissions. The PN emissions in hot start WHTC cycle are slightly higher than that in cold start cycle. The PN emissions go up with the increase of engine speed and load.

diesel engine；particle counter；particle number emission；tests

原稿收到日期為2015年4月27日，修改稿收到日期為2015年7月9日。