二級稀釋比參數對顆粒物采樣的影響研究

楊文鑫

摘要：通過全流稀釋采樣系統（CVS）對某柴油機的顆粒物PM排放進行采樣分析。CVS系統的二級稀釋比由顆粒物采樣流量和二級稀釋空氣流量來確定。在國六排放法規標準的要求下，通過改變顆粒物采樣流量和二級稀釋空氣流量，分別對該發動機進行了WHSC穩態循環試驗，分析二級稀釋比參數的變化對顆粒物PM采樣結果的影響。結果表明，隨著顆粒物采樣流量和二級稀釋空氣流量，顆粒物PM排放結果都呈降低的趨勢。

Abstract： PM emission of a diesel engine was sampled and analyzed by full flow dilution sampling system（CVS）. The secondary dilution ratio of the CVS system was determined by the particulate sampling flow rate and the secondary dilution air flow rate. According to the requirements of the national six emission regulations and standards， the WHSC steady-state cycle test was carried out on the engine by changing the particulate sampling flow and the secondary dilution air flow. The influence of the change of the secondary dilution ratio parameters on the particulate PM sampling results was analyzed. The results showed that PM emission decreased with the particulate sampling flow and secondary dilution air flow.

關鍵詞：CVS;國六標準;二級稀釋比;PM

Key words： CVS;national standard VI;secondary dilution ratio;PM

0 ?引言

機動車尾氣排放已經成為空氣環境污染的重要組成部分，其中，柴油車是移動源污染的主要貢獻者。在生態環境部發布的《中國移動源環境管理年報（2019）》指出：2018年全國范圍內，機動車排放顆粒物（PM）達到44.2萬噸，其中柴油車的顆粒物（PM）排放量超過機動車排放總量的90%，是機動車污染防治的重中之重[1]。隨著國六法規標準的實施，對顆粒物（PM）的測試和評價技術提出了新的要求。

本文通過CVS全流稀釋系統對某柴油機排放的顆粒物PM進行采樣測試，通過改變二級稀釋比的相關參數（顆粒物采樣流量和二級稀釋空氣的流量），分別對該發動機進行WHSC穩態試驗循環，研究二級稀釋比參數的變化對顆粒物PM采樣的影響。

1 ?試驗對象和試驗方法

1.1 試驗對象及測試設備

試驗發動機為某壓燃式增壓中冷柴油機，后處理型式為DOC+DPF+SCR+ASC。試驗用來采樣的排放測試設備為某CVS全流稀釋采樣系統，測量精度≤2%。使用超微克天平對顆粒物的質量進行稱量，測量范圍為0-2.1g，可讀性為0.0001mg。系統使用兩級稀釋系統，發動機排氣在稀釋通道內通過初級稀釋混合后，還可以通過二級稀釋空氣對其再次稀釋，稀釋空氣為經過處理后的溫度恒定的潔凈空氣。

總稀釋比q由初級稀釋比q1和二級稀釋比q2相乘。其中，初級稀釋比q1為CVS系統的質量流量與發動機排氣質量流量的比值，二級稀釋比q2為顆粒物采樣流量與二級稀釋空氣流量的比值。稀釋比的計算如下：

式中：Gcvs為CVS當量的質量流量，kg/h;Gexh為發動機排氣當量的質量流量，kg/h;Gfilt為顆粒物采樣的流量，L/min;Gair為二級稀釋空氣的流量，L/min。

可以看出，由于發動機的最大排氣質量流量是確定的，當CVS流量確定后，發動機的初級稀釋比也將確定。因此，通過改變顆粒物采樣流量和二級稀釋空氣流量可以改變二級稀釋比的大小，從而改變總稀釋比的大小。

1.2 試驗方法

1.2.1 發動機測試工況的選擇

試驗采用的測試工況為國六法規中要求的全球統一的穩態試驗循環（WHSC），WHSC包含共13個轉速規范值和扭矩規范值的工況，在試驗時，根據發動機的瞬態性能曲線將百分值轉化成實際值。發動機按各個工況規定的時間運行，在20±1s內以線性速度完成發動機轉速和扭矩的轉換。在整個試驗循環過程中測定排氣污染物濃度、排氣流量等，測量值是整個循環的平均值。顆粒物取樣經稀釋空氣連續稀釋并收集到合適的單張濾紙上[2]。

1.2.2 CVS流量和二級稀釋比的選擇

CVS流量應該根據發動機在額定點的最大排氣質量流量來進行選擇，額定點的最大排氣質量流量可由額定點的比油耗和發動機進氣質量流量來確定。

發動機在額定點時，初級稀釋比的計算公式為：

該系統的CVS流量共有15個可選擇檔（15、25、30、40、45、50、55、65、70、75、80、90、95、105、120m3/min），CVS流量的選擇應該根據國六排放法規標準的要求，保證初級稀釋比不小于2：1。但由于初級稀釋比較小的話，可能會導致發動機經過稀釋后的排氣溫度較高，以及對發動機排放尾氣的稀釋混合不均勻，從而影響最終的排放測量結果。因此，本試驗最終選擇的CVS流量為45m3/min，此時的初級稀釋比為4.4138。

二級稀釋比由顆粒物采樣流量（后文簡稱初級流量）和二級稀釋空氣流量（后文簡稱二級稀釋流量）決定。其中，顆粒物采樣流量為經過濾紙的流量和二級稀釋空氣流量之和。二級稀釋比的確定應該根據國六排放法規標準的要求，保證總稀釋比在5：1-7：1范圍內。

2 ?試驗結果分析

初級流量對顆粒物PM采樣的影響：

在其他試驗條件不變的前提下，將二級稀釋流量設置為10L/min，初級流量分別設為50，55，60L/min進行WHSC穩態循環試驗，這3次試驗的總稀釋比分別為5.5172，5.3946，5.2965。

在顆粒物采樣的過程中，經過濾紙前的樣氣溫度和經過濾紙的迎面速度是重要參數，應結合起來分析，其中國六排放法規標準對采樣濾紙前溫度的要求為47±5℃，對經過采樣濾紙的迎面速度的要求是0.90-1.00m/s。

通過這3次試驗可以看出在不同初級流量的情況下采樣濾紙前溫度和經過濾紙迎面速度的變化趨勢，如圖1示。

從圖中可以看出，隨著初級流量的增大，采樣濾紙前的樣氣溫度逐漸減小，經過采樣濾紙的迎面速度逐漸增大。這是因為在二級稀釋空氣流量不變的前提下，隨著初級流量的增大，經過濾紙的樣氣流量也增大，從而經過濾紙的迎面速度增大;另外，CVS系統的顆粒物采樣系統采用了恒溫裝置，設定溫度為47℃，精度±0.1℃，以保證達到國六排放法規標準對采樣濾紙前溫度為47±5℃的要求。由于CVS稀釋通道內的排氣混合氣溫度較低，當初級流量增大后，經過濾紙的樣氣流量也增大，顆粒物采樣系統的恒溫裝置對樣氣的保溫能力減弱，所以濾紙前的溫度略微減小。不同初級流量下的顆粒物稱重結果和比排放結果如表1示。

從表中可以得知，顆粒物PM的比排放結果和稱重結果均隨初級流量的增大而減小。這是因為濾紙迎面速度的提高，排氣混合氣在CVS稀釋通道內的滯留時間減少，碳煙顆粒吸附HC及液相顆粒積累時間減少，因而濾紙采集到的顆粒物結果減小。

在其他試驗條件不變的前提下，將顆粒物采樣流量設置為60L/min，二級稀釋空氣流量分別設為10，15，20L/min，然后進行WHSC穩態循環試驗。這3次試驗的總稀釋比分別為5.2965，5.8850，6.6207。

通過這3次試驗可以看出在不同二級稀釋流量下的顆粒物采樣濾紙前的溫度和顆粒物采樣濾紙的迎面速度的變化趨勢，如圖2所示。

從圖中可以看出，隨著二級稀釋流量的增大，顆粒物采樣濾紙前的樣氣溫度逐漸降低，經過顆粒物采樣濾紙的迎面速度逐漸增大。這是因為在初級流量保持不變的前提下，隨著二級稀釋空氣流量的增加，對經過采樣濾紙的樣氣的降溫效果增強，因此采樣濾紙前的樣氣溫度略微降低。同時，由于初級流量為經過采樣濾紙的流量和二級稀釋空氣流量之和，隨著二級稀釋空氣流量的增加，通過采樣濾紙的流量減少，因此，采樣濾紙的迎面速度略微降低。

不同二級稀釋空氣流量下的顆粒物稱重結果和比排放結果如表2所示。

從表中可以得知，PM的比排放結果和稱重質量均隨二級稀釋流量的增大而減小。這可能是因為在初級流量保持不變的前提下，由于初級流量為經過采樣濾紙的流量和二級稀釋空氣流量之和，隨著二級稀釋空氣流量的增加，經過采樣濾紙的樣氣流量減小，導致濾紙采集到的顆粒物減少。

3 ?總結

通過改變CVS系統的二級稀釋比參數，結合國六排放法規標準的要求，分析了顆粒物采樣流量和二級稀釋空氣流量對顆粒物PM采樣結果的影響，得到以下結論：

①隨著顆粒物采樣流量的增大，顆粒物PM采樣結果呈降低趨勢;②隨著二級稀釋空氣流量的增大，顆粒物PM采樣結果呈降低趨勢。

參考文獻：

[1]生態環境部.中國移動源環境管理年報（2019）[R].北京：生態環境部，2019.

[2]環境保護部.GB 17691—2018，重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[S].北京：中國環境出版社，2018.

[3]常英杰.柴油機排氣污染物預測模型及顆粒測量系統的研究[D].山東：山東大學，2013.

[4]劉俊女，董黎明，陳詩夢.柴油機顆粒物及重金屬比排放特征研究[J].環境污染與防治，2013，35（4）：43-46.

[5]石則強，師穎，葉松，等.全流定容取樣系統的原理和標定方法研究[J].交通節能與環保，2014（3）：48-53.