基于法規的柴油發動機顆粒物數量排放測試研究

葛 旸，王鳳濱，尹 超，李晨貞

(1．天津職業技術師范大學，天津 300222；2．中國汽車技術研究中心，天津 300162)

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2015232

基于法規的柴油發動機顆粒物數量排放測試研究

葛 旸1，王鳳濱2，尹 超2，李晨貞2

(1．天津職業技術師范大學，天津 300222；2．中國汽車技術研究中心，天津 300162)

采用滿足歐Ⅵ顆粒數量(PN)測試要求的AVL489顆粒計數器，對3臺不同機型的柴油機進行了ESC，ETC和WHTC循環試驗，并測量了PN排放情況。結果表明：在不同機型和不同試驗循環下，PM(顆粒物質量)和PN排放的相關性較高；DOC+POC后處理可有效降低PN排放；熱起動WHTC循環的PN排放比冷起動高，但差異很小；PN排放隨轉速的升高和負荷的加大而增高。

柴油機；顆粒計數器；顆粒數量排放；測試

前言

隨著柴油機排放法規發展到歐Ⅵ階段，排放測試循環由ESC(歐洲穩態循環)和ETC(歐洲瞬態循環)變更為WHSC(世界統一穩態循環)和WHTC(世界統一瞬態循環)，循環過程中的顆粒物排放測試也在先前顆粒物質量測量基礎上增加了顆粒物數量測量的要求[1]。

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

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

本文中采用滿足歐Ⅵ法規要求的AVL489顆粒計數器，對3臺不同型號的發動機進行了ESC，ETC和WHTC循環試驗，并測量了PN排放情況，研究了PM排放與PN排放的相關性，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PN排放的差異，分析了發動機運行工況對PN排放的影響。

1 試驗系統

1.1 AVL489顆粒計數器

歐洲經濟委員會法規ECE NO.83規定了柴油機PN排放測試程序，測量裝置應首先通過揮發性顆粒去除器(volatile particle remover,VPR)除去可揮發性顆粒，然后通過顆粒計數單元(particle number counter，PNC)對固體顆粒進行計數[9]。本試驗采用滿足歐Ⅵ法規要求的AVL489顆粒計數器，其結構簡圖如圖1所示。

AVL489顆粒計數單元(PNC)利用包裹了正丁醇的單個顆粒對設定的光路產生干涉的原理來檢測顆粒數量。經過稀釋后的樣氣以恒定的流量進入檢測器，在熱飽和器(heated saturator)內，正丁醇汽化形成的蒸汽與樣氣混合，混合氣流經冷凝器(cooled condenser)時，正丁醇蒸汽在每一個顆粒物上凝結，包裹了正丁醇的顆粒樣氣流經一個特制的噴嘴(該噴嘴只能容許單個顆粒通過)，在噴嘴出口上方設定了特殊的激光發射和接受裝置，當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，從而連續測量出單位時間內通過噴嘴的顆粒數量。

AVL489采用特殊采樣探頭,可以起到預分離器的效果，可以對柴油機23nm～2.5μm粒徑范圍內的顆粒數量實現較高精度的檢測。

1.2 試驗發動機

本文中基于以下3個不同廠家的3臺不同型號發動機進行了試驗，發動機主要參數見表1。

表1 試驗發動機參數

2 試驗方案

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

3 結果分析

3.1 PM與PN排放相關性

圖2為樣機1的ESC和ETC試驗、樣機2的ESC和ETC試驗和樣機3的兩次原機熱態WHTC試驗結果，共計6組PM和PN排放數據的分布情況。

由圖可知，發動機PM與PN相關系數為0.984 4。由于樣機2配備后處理為SCR，其對發動機顆粒物排放影響較小，因此，PM和PN排放也可近似認為是原機排放。可見，對于發動機原機排放而言，PM與PN排放相關性較高。

3.2 DOC+POC后處理對PN排放的影響

對樣機3進行了原機、安裝1套DOC+POC后處理和2套DOC+POC串聯安裝3種情況下的熱起動WHTC試驗，結果如圖3～圖5所示。

圖3為3種情況下，循環過程中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排放的相關性，可見在帶后處理的情況下，PM和PN排放相關性也較好。

3.3 冷起動和熱起動PN排放差異

對樣機3進行了原機、安裝1套DOC+POC后處理和兩套DOC+POC串聯安裝3種情況下的完整WHTC試驗，包括冷起動WHTC循環和熱起動WHTC循環兩部分。

圖6～圖8分別為3種情況下冷起動和熱起動循環過程中PN排放對比情況。

由圖6～圖8可知，3種情況下，循環前200s熱起動循環PN排放均高于冷起動循環，原機情況下這種差異最為明顯。盡管循環工況變化很大，但兩次試驗大部分工況下的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加權比排放對比。

由圖9和圖10可知，3種情況下，冷起動循環PN排放略低于熱起動循環，冷起動和熱起動循環PM排放差異較小，分析原因，對于冷起動循環和熱起動循環，發動機的運行條件差異主要體現在循環前半部分。由圖6可知，由于這種運行條件的差異導致的PN排放差異也主要體現在循環前200s。冷起動循環前200s，缸內溫度較低，柴油燃燒不如熱起動循環充分，這可能導致顆粒物總質量(PM)增大，但由此增加的顆粒物，其粒徑可能較大，可揮發性成分也會較多，在經過AVL489的探頭分離和蒸發后，PN數量可能會比熱起動循環時低。

3.4 發動機運行工況對PN排放的影響

對樣機1進行ESC試驗13工況的PN排放試驗，圖11為不同轉速和不同負荷下PN排放濃度對比情況。依據法規GB 17691—2005的規定[10]，計算出該發動機的A，B和C轉速。由圖可知，隨著轉速的升高，相同負荷下PN排放濃度逐漸增大。隨著負荷的增大，A和B轉速下PN排放濃度在75%負荷之前變化不大，75%負荷以后明顯增大，C轉速下PN排放濃度在75%負荷之前緩慢增大，75%負荷以后迅速升高。

4 結論

(1)總結3臺樣機不同試驗循環下的PM和PN排放結果，發現PM和PN排放有著較高的相關性。

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

(3)樣機3在原機、1套DOC+POC后處理和2套DOC+POC后處理串聯3種情況下，冷起動循環PN排放均略低于熱起動循環，冷起動和熱起動循環PM排放差異較小。兩次試驗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1的ESC試驗13工況結果表明，PN排放濃度隨著轉速的升高和負荷的加大而增高。

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[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、氣體燃料點燃式發動機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：中國標準出版社，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。