柴油機排氣顆粒物傳感器研究綜述*

資新運， 李峻翔， 張衛鋒， 龐海龍， 柳貴東

(1.軍事交通學院 軍用車輛系，天津 300161； 2.軍事交通學院 基礎部，天津 300161)

0 引 言

柴油機排氣顆粒物(particulate matter,PM)是指經過空氣稀釋后的排氣，在低于51.7 ℃的溫度下，在涂有聚四氟乙烯的玻璃纖維濾紙上沉積的除水以外的物質，它是柴油機有害排放物之一。正確測試柴油機顆粒物的濃度、尺寸、形狀等參數是研究汽車尾氣污染物中顆粒物的形成及其控制技術的前提。

柴油機排氣顆粒物包含以碳元素為主的碳煙、未氧化或未完全氧化的HC、硫酸鹽以及與硫酸鹽結合的水和其它雜質。一般認為，碳煙是燃料在高溫缺氧條件下經過裂解脫氫的產物[1]。當溫度低于500 ℃時，碳煙會吸附和凝聚多種有機物，稱為可溶有機成分(soluble organic fraction,SOF)，這些有機物在一定溫度下可以揮發，而且絕大部分能溶解于有機溶劑中。

柴油機排氣顆粒物對環境和人體的危害較大，各國制定的排放法規中，對其測量標準日益嚴格。以歐盟為例[2]，輕型車于2014年實行歐6標準，其中標準規定了柴油機顆粒物排放限值較歐5標準嚴格10 %。重型車發動機于2013年實行歐6標準，首次將顆粒物數量納入到法規中，重型柴油機的顆粒物排放限值較歐5標準嚴格了67 %。2013年9月17日，中國國家環境保部會同國家質檢總局發布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第五階段)》國家標準(GB 18352.5—2013)[3]，規定2018年全面實施。國五標準進一步提高了排放控制要求，其中顆粒物排放限值較國四嚴格了82 %，并增加了污染控制新指標—顆粒物粒子數量。隨著排放法規要求排放限值的減少，顆粒物的測試技術要求更加精確，以應對新的情況。

目前，顆粒物測試技術分為臺架測試和車載測試兩種方法：臺架測試是排氣顆粒物測試的傳統測試方法，其具有測量準確的優點，但該方法的測試結果與汽車復雜工況下的顆粒物排放值無法避免差距。車載測試具有較好的實時性，其包括車載儀器測試與顆粒物傳感器測試。

1 車載顆粒物測試技術

車載測試的研究是近年來顆粒物檢測和控制技術中出現的新的研究方向。我國車載測試技術相對研究較晚，中國汽車研究中心秦孔建等人對氣體污染物測量設備和顆粒物測量裝備進行了集成，形成了一套綜合性車載排放測試系統(integrity portable emission measurement system,IPEMS)來進行顆粒物排放的實時測量[4,5],其測試方案如圖1所示。

圖1 綜合性車載排放測試系統圖

天津大學高繼東等人利用車載顆粒物測試系統對在實際道路上運行的重型柴油車的顆粒物排放用市內公交車測試循環進行了試驗研究[6]。粒度范圍為0.007～10 μm的顆粒物排放的粒度分布用Dekati公司生產的電子低壓沖擊器(ELPI)進行測量,其試驗設備安裝圖如圖2所示。

圖2 試驗設備安裝圖

但是，由于ELPI自身測試原理等條件的限制，ELPI的測試精度受稀釋比和排氣溫度等因素的影響，因此,在車載測試中使用ELPI時不易控制好稀釋比和采樣環境條件，并且ELPI的研制成本較高[7]。目前車載測試的研究新方向主要是通過顆粒物傳感器來實現。顆粒物傳感器的研究背景包括2個方面:一方面是在日益嚴格的排放法規下，便攜式排放測試系統(portable emission measurement system,PEMS)要求顆粒物檢測具有較好的實時性和易操作性，而之前采用的光學煙度計的測量方法因實時性和重復性較差、安置困難等缺陷，不能滿足車載測試的需求，ELPI也受到稀釋比和采樣環境的影響，顆粒物傳感器的研究應運而生；另一方面，柴油機顆粒物過濾器(diesel particulate filter,DPF)是減少柴油機顆粒物的有效措施，其故障檢測具有重要意義，特別是隨著歐6法規對車載故障診斷(on-board diagnostics,OBD)的要求更高，傳統的模型預估判別OBD的方法，精度上難以滿足要求，顆粒物傳感器是解決該問題的一個可行方案。現階段學者機構對顆粒物傳感器的研究集中在2個方面：傳感器原理與設計、傳感器應用。

1)顆粒物傳感器的原理與設計研究

顆粒物傳感器的原理重點研究為兩種：第一種是基于顆粒物電特性的測量方法；第二種是基于無線能的測量方法。目前國內對該方面的研究還處于基礎理論研究，主要集中在柴油機排氣顆粒物荷電特性和顆粒物熱泳特性為主的研究，浙江大學、北京交通大學等單位研究了感應電荷的靜電場分布情況，并分析了不同粒徑顆粒物的靜電遷移行為及其理化特性[8，9]；清華大學、華北電力大學、武漢科技大學等單位研究了顆粒物凝聚規律和機理[10～12]；清華大學、華北電力大學、北京交通大學研究了溫度梯度場內可吸入顆粒物的運動特性和采用熱泳技術脫除可吸入顆粒物的可行性[13，14]；江蘇大學對柴油機顆粒物傳感器氣固兩相流進行了數值模擬[15]。國外的研究主要分為以下幾個方向：

(1)基于顆粒物電特性的測量方法。

該技術路線以1998年德國漢堡應用科學大學Victor等人研制的顆粒物傳感器為原型，一路發展過來的單電極火花放電碳煙傳感器(spark discharge soot sensor，SDSS)[16]。該研究經過15年的發展，先后研制了V.07.2型傳感器、V.07.5型傳感器、V.13型傳感器[17]，加拿大皇家軍事學院Gloud D等人也對此研究進行了進一步的改進[18，19]。另外，美國Minnesota大學對顆粒物荷電特性進行了基礎性研究[20]，為傳感器設計提供了理論依據。此種方案原理是產生電火花高壓電離通過傳感器的排氣，通過測量電火花的電壓值來反映顆粒物濃度。氣體最低火花放電電壓主要取決于電極間距和氣體的狀態，包括溫度、壓力、速度、濕度和煙塵粒子濃度。

V.07.2型傳感器是一種傳統的結合火花和電熱塞的傳感器，由火花塞、平接地電極和集成在陶瓷外殼里的鉑絲加熱元件組成。該傳感器存在的問題是，傳感器由于平接地電極面積較大，容易積附顆粒物，積累的顆粒物完全燃燒需要幾分鐘的時間，而這段時間將沒有測量信號，并且在發動機暖機階段，傳感器信號不精確。V.07.5型傳感器對V.07.2型進行了結構改進，傳感器沒有火花塞突起，只有尖的接地電極，另外，鉑絲加熱和熱電元件的溫度調節的陶瓷外殼因為電熱絲的布置而改變了形狀。 V.13型傳感器將中央加熱電極縮小到了5mm，以減少所需的熱能，但目前該傳感器的研究仍在進行試驗階段中。

加拿大皇家軍事學院Gloud D等人[18]針對SDSS傳感器受到溫度變化引起的信號漂移的影響，對傳感器進行了改進，提出將火花塞極端改成鉑針火花塞，采用電極梢部直徑較小的火花塞改進了信號的穩定性。同時提出仍然存在的問題：傳感器受環境溫度影響較大;短時不穩定性;顆粒物特性的差別也會造成影響。

(2)第二種方案是在美國能源部牽頭下，Texas大學和Emisense公司合作研制的雙電級型靜電顆粒物傳感器[21～23]。雙電極傳感器一個電極施加高電壓，另一電極連接到電荷放大器，為接地電極。顆粒物在排氣攜帶自然電荷，被傳感器電極的電場加速，會按廢氣中含碳物質的濃度，呈比例地改變第二個電極的電荷分布。電荷沉積在電極上的比率與顆粒物濃度呈正比。該研究得出傳感器電壓值與碳煙濃度具有相關性，但具體的模型還需要進一步研究。另外，該傳感器的時間精確度受到電荷放大器電子時間分辨率為20 ms的影響，需要進一步提高精度。

(3)第三種方案是芬蘭Dekati公司研制的電暈放電型顆粒物傳感器(electrical tailpipe PM sensor,ETaPS)[24]。該傳感器是將一個電暈放電針放在電荷籠內，電荷籠連接到一個靜電計,籠子里有多孔墻和允許排氣自由流過去的充電部分。當廢氣流過內部充電壁時，顆粒物帶上電荷，帶上電荷的顆粒物到達外壁時將被靜電器測量其電荷值。該傳感器提高了測量的最高溫度，但這種方案本質上與雙電級傳感器是一樣的。

(4)基于無線能的技術路線是使用無線射頻(radio frequency,RF)技術測量DPF中的顆粒物質量。該技術路線的原理是：無線能被顆粒物吸收后信號隨之衰減。該技術能測量顆粒物質量濃度，并已經應用于發動機控制單元(ECU)確定DPF何時進行再生，但目前該技術路線只能測量DPF中沉積的顆粒物質量而不能測試過濾器下游的顆粒物質量。

2)顆粒物傳感器的應用研究

該研究主要以國外為主，其中包括原機顆粒物排放測試、顆粒物車載測試、DPF的在線故障診斷等，主要相關研究有：

(1)美國Minnesota大學和Honeywell公司在ICAT項目中設計了一種傳感器并將其應用在了DPF的故障診斷當中[24]。為了減小噪聲干擾，該傳感器的探針在暴露部分外面接了一層接地電絕緣外殼，因為最初探針和放大器之間較長的電線連接容易造成信號誤差，因此,確定了兩級放大電路。實驗對發動機、后處理系統、選定的標定儀器和實驗設備進行了標定，仿真了失效的DPF模型，重點進行了顆粒物傳感器在DPF上下游進行檢測的試驗與分析。其在DPF上下游的信號變化，設置上下游信號比門限值，一旦超過門限值則報警。文章得到的結論為傳感器能夠滿足較低水平的OBD限制檢測，傳感器能夠較準確地檢測出DPF有600個孔的情況。因為傳感器響應影響因素較多，要得到統一而可靠的顆粒物質量和顆粒物傳感器響應之間標定方程和相關性具有難度。

(2)GE Sensing & Inspection Technologies公司將ACCUSOLVE 高級DPF顆粒物傳感器的無線發射端和無線接收端分別布置在DPF的上、下游。采用2.1～2.2 GHz的無線頻段，信號值能通過串口和CAN通信傳輸，能夠準確實時地測量DPF中的顆粒物質量[25]。

(3)瑞典Linkopings大學的Hansson John采用了ACCUSOLVE 高級DPF顆粒物傳感器對DPF的顆粒物濃度進行了測量，該傳感器用于顆粒物質量測量主要采取兩種方法：第一種方法的原理是通過測量無線電波被顆粒物衰減的程度來判斷顆粒物的濃度，然后通過線性最小二乘法來擬合其相關性，為了測量衰減程度，對不同頻率的波測量不同的正向增益；第二種方法的原理是基于共振頻率，這種方法把DPF看做是較好的導電金屬諧振腔。隨著顆粒物的積累，DPF的介電性能被改變。諧振腔的共振頻率根據顆粒物的介電性能而發生改變。研究表明：這種改變與顆粒物濃度有關。文章還研究了試驗參數，如，傳感器安裝位置、DPF溫度、DPF內流速以及DPF中顆粒物的分布對傳感器輸出的測量結果的影響。文章通過研究并分析測量結果，最后得出了DPF中顆粒物質量的估計模型：平均增益模型和黑箱模型。其中，最小二乘法平均增益模型能夠比原有的VOLVO模型在顆粒物質量大于25g的情況下更符合碳煙濃度，但與實際質量還是有差別。黑箱模型中ARX模型(多輸入/單輸出自回歸模型)可以較好地估計出碳煙質量值。

2 結 論

目前，顆粒物傳感器的研制與應用是柴油機排氣顆粒物測試技術的重要發展方向。顆粒物傳感器的研究存在的問題主要包括：

1)模型建立復雜：顆粒物荷電特性與顆粒物粒徑、質量有關，在尾氣中，顆粒物的實際荷電往往不能準確反映質量濃度的真實值，顆粒物荷電與質量濃度間的物理模型建立較為復雜。

2)信號分析與處理復雜：發動機振動易產生較大的信號噪聲，使顆粒物傳感器信號處理較難；傳感器在連續工作較長時間里，容易發生信號漂移等問題。

3)傳感器應用在DPF的OBD算法、標定及測試復雜：傳感器在不同發動機的適應性具有局限性，要生產出實用而穩定的產品，標定的工作量較大，而且試驗參數，如，傳感器安裝位置、DPF溫度、DPF內流速以及DPF中顆粒物的分布對傳感器輸出的測量結果的影響較復雜。

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