不同煙度測試方法在發(fā)動機(jī)排放測量中的應(yīng)用

李昂 于津濤 解瀚光

（中國汽車技術(shù)研究中心）

顆粒物是影響大氣環(huán)境的重要因素。一方面，顆粒物中的碳黑物質(zhì)對可見光及紅外光的吸收是造成全球氣候變暖的重要影響因素之一；另一方面，顆粒物對人類健康有著很大的影響[1]。我國機(jī)動車排放已成為大氣環(huán)境中顆粒物的主要來源，而其中，柴油機(jī)顆粒物排放占機(jī)動車總排放的99%以上，因此國家在制定法規(guī)的過程中不斷降低顆粒物的排放限值，降低顆粒物排放一直是發(fā)動機(jī)生產(chǎn)廠試驗的重中之重。研發(fā)試驗中一般采用煙度的測量來指示顆粒物的排放量，基于過濾黑度法的煙度儀已被廣泛應(yīng)用于發(fā)動機(jī)排氣碳煙的測量；不透光煙度計也廣泛應(yīng)用于法規(guī)試驗和瞬態(tài)標(biāo)定過程，而關(guān)于聲光法測量煙度的應(yīng)用在國內(nèi)還很少，文章分別采用3種煙度計測量了同一臺發(fā)動機(jī)的碳煙排放情況，并與全流定容稀釋顆粒采樣結(jié)果進(jìn)行了比較。

1 測試方法

文獻(xiàn)[2]中的顆粒物是指在溫度不超過52℃的稀釋排氣中，由規(guī)定的過濾介質(zhì)上收集到的所有物質(zhì)，主要由碳煙顆粒、可溶性有機(jī)物（SOF）、硫酸鹽和灰燼4個部分構(gòu)成。SOF主要由未燃燃油和潤滑油等成分組成，顆粒物中SOF的體積質(zhì)量與油品成分和發(fā)動機(jī)工況等有密切的相關(guān)性?；覡a主要來源于機(jī)油竄入燃燒室后形成的燃燒產(chǎn)物以及發(fā)動機(jī)摩擦副磨損后形成的磨屑，主要由金屬 Fe，Cr，Cu，Zn，Ca 等和少量非金屬元素組成[3]。圖1示出典型柴油機(jī)排氣微粒各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)示意圖。

圖1 典型柴油機(jī)排氣微粒各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)示意圖

碳煙是內(nèi)燃機(jī)未完全燃燒的產(chǎn)物之一，是顆粒物的重要組成部分，利用碳煙對可見光的吸收和反射特性來進(jìn)行定義，常用的測量方法有光學(xué)方法（主要包括過濾黑度法和測量消光度2種類型）和聲光法。過濾黑度法主要利用了碳煙對光的吸收特性，是一種間接的碳煙測量方法，結(jié)果以濾紙式煙度值（FSN）和波許煙度值（Rb）來表征[4]；聲光法是一種直接測量碳煙的方法，通過利用激光對碳煙進(jìn)行加熱，并檢測碳煙受熱膨脹產(chǎn)生的聲波來獲得碳煙的質(zhì)量濃度。現(xiàn)階段的煙度計主要有3種。

1.1 濾紙式煙度計（AVL415S）

濾紙式煙度計測量原理：將一定容量的廢氣通過濾紙，使碳煙積存在濾紙上，在100 kPa，25℃，有效煙柱長度為405 mm時，F(xiàn)SN=濾紙黑度（PB），通過光電檢測儀器測出被染黑濾紙的碳粒吸光率，以此代表排氣煙度。

1.2 不透光煙度計（AVL439）

不透光煙度計測量原理：測量光穿過被測的具有一定長度的廢氣后到達(dá)接收器的那部分光與入射光的比例，從而確定廢氣的不透光特性。不透光煙度計基本原理是根據(jù)比爾-蘭勃特（Beer-Lambert）定律。通常用測定光吸收系數(shù)（單位為m-1）或不透光度（單位為%）表示排氣煙度。

1.3 聲光法煙度計（AVL483 MSS）

聲光法煙度計測量原理：聲光法是一種直接測量煙度的方法，將光源發(fā)出的光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，變成具有恒定頻率的方波，特定波長的光會被光譜吸收峰相同的分子吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，使氣體溫度升高，氣壓升高，而光強(qiáng)是周期性調(diào)制的，因此會產(chǎn)生一個同步的壓力波，這種光聲信號由微音器接收并轉(zhuǎn)化為電信號，分析該電信號來獲得碳煙的質(zhì)量濃度[5]。

1.4 全流定容稀釋采樣

顆粒物測量需要稀釋系統(tǒng)，稀釋系統(tǒng)的流量能力應(yīng)滿足完全消除水在稀釋和取樣系統(tǒng)中的凝結(jié)，并使緊靠濾紙保持架上游處的稀釋排氣溫度≤52℃。要求采用帶碳氟化合物涂層的玻璃纖維濾紙或以碳氟化合物為基體的薄膜濾紙。所有濾紙類型都應(yīng)滿足當(dāng)通過濾紙的氣體迎面速度為35～80 cm/s時，對顆粒直徑為0.3 μm的DOP（鄰二甲酸二辛脂）的采集效率應(yīng)至少為99%。由該種濾紙收集到的所有物質(zhì)，采用稱重法測量濾紙的結(jié)果。

2 試驗部分

試驗采用一臺直列4缸增壓中冷高壓共軌柴油機(jī)，使用國V柴油。發(fā)動機(jī)樣品參數(shù)，如表1所示。試驗設(shè)備及相關(guān)參數(shù)，如表2所示。試驗設(shè)備布置，如圖2所示。

表1 發(fā)動機(jī)樣品參數(shù)表

表2 不同煙度測量設(shè)備參數(shù)表

圖2 不同煙度測試設(shè)備布置示意圖

試驗分為穩(wěn)態(tài)試驗和瞬態(tài)試驗，穩(wěn)態(tài)試驗為發(fā)動機(jī)萬有特性試驗，瞬態(tài)試驗為熱態(tài)WHTC試驗，與全流的比對試驗分別采用了ETC及WHTC的瞬態(tài)循環(huán)工況。

3 結(jié)果分析

3.1 AVL 415S與AVL 483 MSS（穩(wěn)態(tài)）

為了比較AVL 415S與AVL 483 MSS的測量結(jié)果能否反映出發(fā)動機(jī)碳煙的排放特性，對所選發(fā)動機(jī)使用AVL 415S與AVL 483 MSS分別測量了排氣煙度。AVL 415S測量的碳煙結(jié)果可以通過式（1）[6]轉(zhuǎn)換成碳煙的質(zhì)量濃度。

式中：C——碳煙質(zhì)量濃度，mg/m3。

圖3示出使用AVL415S與AVL483MSS分別測量的發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速（1 000 r/min）、中轉(zhuǎn)速（2 200 r/min）和高轉(zhuǎn)速（3400r/min）不同負(fù)荷下的碳煙質(zhì)量濃度對比。

圖3 2種煙度計在不同轉(zhuǎn)速下測量的碳煙質(zhì)量濃度對比

從圖3中可以看出，發(fā)動機(jī)在3種轉(zhuǎn)速下AVL 415S與AVL 483 MSS的測量結(jié)果表現(xiàn)出相同的變化趨勢，但是在高碳煙排放工況下，2種測量方法誤差較大，AVL 415S測量結(jié)果較AVL 483 MSS明顯偏大，中低轉(zhuǎn)速高碳煙排放區(qū)的偏差可達(dá)30%，高轉(zhuǎn)速的碳煙排放一致性較好。這主要是因為發(fā)動機(jī)排氣顆粒物主要由碳煙和SOF兩部分組成，其中SOF對光有一定吸收作用，而SOF也會被濾紙收集，因此在SOF體積質(zhì)量較高時將對AVL 415S煙度計測得的煙度值產(chǎn)生一定影響，而AVL483 MSS由于測量手段的原因，只會測量顆粒中的碳煙成分，不會受到其他成分的影響，因此造成二者測量結(jié)果的不同。

圖4示出通過AVL 415S與AVL 483 MSS測量的碳煙質(zhì)量濃度結(jié)果的相關(guān)性。2種碳煙質(zhì)量濃度的線性相關(guān)系數(shù)的平方R2=0.992 4>0.95，表明這2種結(jié)果具有很好的線性相關(guān)性，測量的碳煙質(zhì)量濃度能夠很好地表現(xiàn)出發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)工況的碳煙排放特性。

圖4 濾紙式與聲光法煙度計的碳煙質(zhì)量濃度結(jié)果相關(guān)性擬合曲線

3.2 AVL 483 MSS與AVL 439（瞬態(tài)）

大的顆粒物排放一般發(fā)生在瞬態(tài)工況，由于AVL 415S的測量原理為累計測量，無法實時給出碳煙排放結(jié)果，因此常使用AVL439進(jìn)行發(fā)動機(jī)瞬態(tài)排放煙度的測量及法規(guī)試驗。由于AVL439的“零點(diǎn)”通常由100%的透射光強(qiáng)度指示，碳煙是由光強(qiáng)的衰減計算的，當(dāng)有效光路長度為430 mm時，質(zhì)量濃度為0.3 mg/m3的碳煙只能產(chǎn)生0.1%的光吸收率[6]。在日益嚴(yán)格的排放法規(guī)下，為了標(biāo)定發(fā)動機(jī)瞬態(tài)碳煙排放，使用的光源必須穩(wěn)定在光吸收率為0.01%的級別上，所以AVL 439無法在低碳煙質(zhì)量濃度區(qū)間給出較準(zhǔn)確的測量結(jié)果。因此，文章對比AVL 483 MSS和AVL 439測量了發(fā)動機(jī)進(jìn)行熱態(tài)WHTC試驗循環(huán)的瞬態(tài)數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 熱態(tài)WHTC循環(huán)中2種煙度計測量值

從圖5可以看出，2種測量方法的結(jié)果具有相同的變化趨勢，說明2種測量方法均能反映出發(fā)動機(jī)的瞬態(tài)煙度排放特性。在發(fā)動機(jī)工況的變化過程中，AVL 439測量的結(jié)果受設(shè)備檢測原理的限制，無法進(jìn)行定量分析。在實際試驗過程中，二者均可用于瞬態(tài)碳煙排放標(biāo)定試驗，而AVL439廣泛用于進(jìn)行煙度相關(guān)的法規(guī)試驗，如GB 17691中規(guī)定的負(fù)荷煙度（ELR）試驗、GB 3847中規(guī)定的全負(fù)荷煙度試驗和自由加速煙度試驗。

3.3 AVL 483 MSS與定容顆粒采樣

定容取樣系統(tǒng)（CVS）按流量測量方法的不同，常分為用臨界文丘里管（CFV）進(jìn)行流量控制的CFV-CVS及用容積泵（PDP）進(jìn)行流量控制的PDP-CVS，當(dāng)前應(yīng)用較多的瞬態(tài)排放取樣系統(tǒng)是CFV-CVS，但CVS由于自身體積較大，且價格高昂，使用限制很大。

為驗證煙度計積分測量得到的碳煙排放與顆粒物排放量的相關(guān)性，分別使用AVL483 MSS與全流稀釋顆粒采樣系統(tǒng)進(jìn)行了多次ETC試驗及冷態(tài)和熱態(tài)WHTC試驗，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，碳煙排放與顆粒物排放具有良好的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)R2=0.985 9，且由于排除了試驗過程中人為因素的不確定度，使得測量結(jié)果一致性更好，適用于標(biāo)定試驗過程中的法規(guī)循環(huán)驗證及受空間限制等因素?zé)o法使用濾紙稱重法進(jìn)行顆粒物測量的情況，如PEMS試驗等。

圖6 全流稀釋與聲光法顆粒物比排放量相關(guān)性擬合曲線

4 結(jié)論

1）碳煙作為顆粒物的重要組成部分，降低其排放是柴油機(jī)標(biāo)定試驗中重要的組成部分，通過不同的測試方法可以提高測試精度及測試條件。

2）在穩(wěn)態(tài)工況下，AVL 415S與AVL 483 MSS具有很好的相關(guān)性，兩者皆可用于發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)工況的碳煙排放測量，而AVL439由于無法定量給出顆粒質(zhì)量濃度，且長時間測量需要定期吹掃，故不常用于穩(wěn)態(tài)工況測量試驗。

3）在瞬態(tài)工況下，AVL 483 MSS與AVL 439具有相同的變化趨勢，均可用于瞬態(tài)工況碳煙排放的測量，AVL 439具有更快的響應(yīng)時間，但卻無法找到與顆粒物質(zhì)量的簡單對應(yīng)關(guān)系，因此AVL483 MSS更適用于發(fā)動機(jī)瞬態(tài)工況的碳煙排放測量，AVL 439更多應(yīng)用于法規(guī)試驗，AVL415S無法應(yīng)用于瞬態(tài)工況測量。

4）AVL 483 MSS測得的碳煙排放量與稱重法測得的顆粒物排放量有較好的相關(guān)性，因此可應(yīng)用于瞬態(tài)工況的顆粒物測量，可在一定程度上替代濾紙稱重法來測定法規(guī)循環(huán)的顆粒物排放。