微碳煙顆粒物分析儀測量柴油機顆粒物的應(yīng)用

解瀚光++于津濤++李梁

摘 要：伴隨排放法規(guī)的日漸嚴(yán)苛，試驗標(biāo)定過程需要實時獲得顆粒物排放結(jié)果。本文通過分析微碳煙顆粒物分析儀原理，提出使用此分析儀測量顆粒物排放濃度并進行換算，實時獲得排放法規(guī)要求的比功率排放值的計算方法，輔助稱重法實現(xiàn)實時測量發(fā)動機顆粒物排放性能的需求，并通過非道路穩(wěn)態(tài)循環(huán)（NRSC）和非道路瞬態(tài)循環(huán)（NRTC）對計算方法進行驗證，試驗證明此計算方法與稱重法測量結(jié)果偏差可保持在較小范圍內(nèi)，可以進行試驗應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：光聲法；顆粒物；試驗分析；計算方法

中圖分類號：U473.9 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）01-0074-05

The Application of the Micro Soot Sensor Measuring engine exhaust particulate

XIE Han-guang， YU Jin-tao， LI Liang

（ China Automotive Technology & Research Center， Tianjin300300， china）

Abstract： Along with the increasingly stringent emission regulations，the test and calibration process need more accurately real time measurement of particulate emissions results.According to analyze the principle of AVL Micro soot Sensor， this paper proposed the calculation conversion mathod between the measuring result and the specific emissions（g/kwh） which the emission regulation required. With this method， it can be realized the real-time measurement of engine particulate emission requirement in order to assist weighting method. And this calculation method will be verified by NRSC and NRTC. The test result shows that the calculation method and weighing method can keep smaller deviation， and the conversion method has practical value.

解瀚光

吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，碩士研究生學(xué)歷，現(xiàn)任中國汽車汽車技術(shù)研究中心助理工程師，主要研究方向為發(fā)動機排放臺架試驗。

緒 論：

2015年11月26日北京市環(huán)保局發(fā)布了《重型車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機排放污染物排放限值及測量方法（北京第VI階段）（征求意見稿）》[1]，簡稱“京Ⅵ”法規(guī)，該法規(guī)預(yù)計于2017年12月正式實施，其中穩(wěn)態(tài)循環(huán)顆粒物的排放限值由國五階段20mg/kwh下降為10mg/kwh，限值降幅高達50%。伴隨顆粒物排放限值的再次加嚴(yán)，不僅對各汽車企業(yè)研發(fā)過程中發(fā)動機顆粒物控制技術(shù)提出更高要求，也對發(fā)動機標(biāo)定及測試過程中顆粒物檢測方法的精確性和實時性提出更高要求。同時，在DB11-965[2]中提出車載法測量發(fā)動機排放方法，并在重型車用發(fā)動機于汽車車載測量方法及排放限值的國標(biāo)征求意見稿中提出結(jié)合光聲法測量儀器和濾紙法結(jié)合計算各工況顆粒物排放的方法。

本文通過使用AVL公司生產(chǎn)的483微碳煙分析儀測量結(jié)果研究光聲法測量發(fā)動機排放顆粒物比排放量的計算方法，與通過AVL 478部分流顆粒物分析儀（下文簡稱AVL 478）得到的稱重法結(jié)果進行比較，驗證該計算分析方法結(jié)果的有效性、精確度和一致性。

1 分析儀原理及分析

1.1 分析儀原理

AVL 483采用光聲法測量顆粒物濃度，光聲法原理為物質(zhì)受到電磁輻射后，在無輻射馳豫過程中， 將吸收的光能幾乎全部轉(zhuǎn)化成熱能，從而產(chǎn)生一系列光熱效應(yīng)。光聲光譜分析是基于物質(zhì)的光熱效應(yīng)建立起來的一種光譜分析方法，具有較高的靈敏度和廣泛的應(yīng)用性。能用于氣體、液體和固體等不同形態(tài)樣品的光譜分析和弱吸收測定[3]。

氣體的光聲效應(yīng)可以分為三步：1、氣體吸收特定波長的調(diào)制光光子，處于激發(fā)態(tài)；2、樣品氣體通過分子間碰撞以熱的方式釋放吸收的能量，使得氣體受熱；3、受熱氣體膨脹產(chǎn)生熱聲波。光聲法測量顆粒物是利用光聲效應(yīng)來實現(xiàn)對顆粒物的檢測[4] 。

光聲法在氣體分析中運用已較為成熟。原理如圖1所示：

1.2 光聲法與稀釋采樣稱重法對比分析

法規(guī)試驗中常用排放顆粒物采樣方式為濾紙稱重法，該方法首先通過全流稀釋系統(tǒng)或部分流稀釋系統(tǒng)按一定稀釋比稀釋發(fā)動機排氣，并在規(guī)定溫度下將稀釋后的氣體通過規(guī)定大小的濾紙從而達到顆粒物收集的目的，此方法具有99%以上的采集效率，采集結(jié)果穩(wěn)定；缺點在于不可實時測量，儀器設(shè)備昂貴，更適用于循環(huán)總排放量的計算，但對于標(biāo)定研發(fā)具有一定的局限性。

通過光聲法通過微碳煙分析儀可以實時測量發(fā)動機排氣中的炭煙體積濃度，具有更強的時效性，更有利于分析各工況實時炭煙排放水平。但由于發(fā)動機排放物需流經(jīng)測量室，這一過程會導(dǎo)致顆粒物測量存在一定的不確定因素，例如沉積等，同時由于測量方式的不同，需要將測量數(shù)據(jù)通過修正計算以獲得與顆粒稱重法相同結(jié)果。

因此，如何將二者進行準(zhǔn)確的換算至關(guān)重要，本文提出一種將微碳煙分析儀測量體積濃度換算為法規(guī)要求比功率排放量的計算方法，并通過試驗結(jié)果對該換算方法進行驗證。

2 比排放量計算方法

2.1 計算方法原理

根據(jù)設(shè)備原理，試驗儀器可以測量排氣中炭煙的體積濃度（mg/m3），該濃度測量溫度為儀器試驗艙內(nèi)溫度，首先需轉(zhuǎn)換為排氣狀態(tài)下體積濃度，與排氣體積相乘可得到炭煙總排放質(zhì)量，除以測量過程發(fā)動機所做功即可得到炭煙在該公況下的總排放量。

2.2 計算方法

正如上文所述，由于排氣需經(jīng)過測量室，而測量氣體溫度的變化會導(dǎo)致熱泳沉積，此現(xiàn)象對于顆粒物的濃度具有較大影響。根據(jù)ISO8178-1-2006，需將顆粒物濃度根據(jù)進出口溫度進行修正，修正公式見式1：

Ci=（ ）0.38×Ce （式1）

式中：Ce：出口顆粒濃度（mg/m3）

Ci：進口顆粒濃度（mg/m3 ）

Te：氣體出口溫度（k）

Ti：氣體進口溫度（k）

出口溫度為設(shè)備經(jīng)儀器的保溫管后到達儀器測量室的溫度，進口溫度為發(fā)動機排氣在測量點的溫度。此公式可以將測量點的體積濃度修正為排氣中的炭煙體積濃度。

之后通過式2，將體積濃度轉(zhuǎn)化為炭煙的質(zhì)量流量。

Vflow_SOOT =Ci×（ Vflow_airin+Vflow_fuel ） /ρCe （式2）

式中：Vflow_SOOT為炭煙的質(zhì)量流量（mg/h）；

Vflow_airin為進氣的質(zhì)量流量（kg/h）；

Vflow_fuel為燃料的質(zhì)量流量（kg/h）；

ρCe為氣體標(biāo)準(zhǔn)密度（kg/m3）。

以上公式中進氣流量和燃料流量均可通過試驗實際測量，氣體密度為20℃時的標(biāo)準(zhǔn)密度。

最后通過式3，將質(zhì)量流量除以該點的功率則可獲得該測量點的比排放。

esoot =Vflow_SOOT / P （式3）

式中：esoot 為炭煙的比排放（mg/kwh）；

P為測量時刻發(fā)動機的功率（kW）。

4 試驗驗證

4.1 試驗用儀器設(shè)備及發(fā)動機

試驗用發(fā)動機選用某非道路三缸柴油機，前期試驗驗證排放水平可達到GB20891非道路四階段限值要求，發(fā)動機參數(shù)見表1。試驗測試系統(tǒng)選擇AVL部分流稀釋排放測試系統(tǒng)（AVL 478）和光聲法微碳煙測量儀（AVL 483），測試系統(tǒng)基本參數(shù)見表2：

4.2 試驗方案

試驗選擇GB20891—2014中規(guī)定的非道路穩(wěn)態(tài)循環(huán)（NRSC）（見表3）和非道路瞬態(tài)循環(huán)（MRTC）[6]，試驗過程中顆粒物的濾紙采樣和微碳煙分析儀測量同時進行。首先分工況進行NRSC，各工況時間為30分鐘，最后10分鐘進行顆粒物采樣，同時進行600s光聲法測量，測量頻率1Hz，取測量結(jié)果平均值，并通過上文換算方法進行排放結(jié)果換算，對比分析各工況二者測量結(jié)果差別，最后對總排放量結(jié)果進行分析；同時通過NRTC結(jié)果驗證，分析上文換算方法對于瞬態(tài)工況的有效性。

4.3 試驗結(jié)果分析

根據(jù)法規(guī)試驗通過多濾紙法收集發(fā)動機NRSC循環(huán)除怠速外七工況顆粒物排放數(shù)據(jù)及光聲法各工況試驗數(shù)據(jù)根據(jù)上文方法進行計算，對比分析二者差值百分比，試驗結(jié)果見圖1。由圖1可見，二者結(jié)果趨勢相同，同時，在第三工況和第五工況微碳煙分析儀測量計算值略高于部分流稀釋采樣所得數(shù)據(jù)，其他點低于稱重法所得數(shù)據(jù)，但二者在各工況偏差均小于10%，差值最大為第三工況相差8%。

進一步對二者進行相關(guān)性分析，如圖2所示，兩種測量方式所得結(jié)果相關(guān)系數(shù)為0.9989，可以觀察到，通過上文換算方法，二者結(jié)果幾乎無差異，劃算方法具有較高的實用價值。

通過加權(quán)各工況結(jié)果，計算得循環(huán)比排放值見表4，部分流采樣結(jié)果與微碳煙分析儀采樣結(jié)果相差僅為1.2%，以上結(jié)果說明上文換算方法對于穩(wěn)態(tài)工況具有可行性，可作為計算發(fā)動機顆粒物排放的參考。

之后進行NRTC試驗，首先觀察微碳煙分析儀測量結(jié)果（見圖3），根據(jù)逐秒記錄結(jié)果，可以清晰的觀察到各工況的炭煙排放水平，以此結(jié)果為依據(jù)可以更準(zhǔn)確的掌握發(fā)動機的顆粒物排放情況。

通過五組NRTC瞬態(tài)工況結(jié)果對比，驗證瞬態(tài)工況時以上計算方法的有效性，結(jié)果見圖4。從圖中可以觀察到，五組循環(huán)試驗微碳煙分析儀換算結(jié)果均略大于部分流采樣結(jié)果，且測量結(jié)果均可保持在18～20mg/kWh范圍內(nèi)，與稱重法采樣結(jié)果差值均可保持在5%范圍以內(nèi)，五組數(shù)據(jù)未出現(xiàn)超過排放限值現(xiàn)象。以上現(xiàn)象說明上文換算方法可作為瞬態(tài)工況顆粒物結(jié)果參考。

5 總結(jié)

本文通過分析微碳煙分析儀測量炭煙排放的原理，提出關(guān)于該分析儀測量結(jié)果換算方法。

使用該計算方法與NRSC分濾紙法稱重測量顆粒物排放結(jié)果進行對比，各工況均可保持偏差在10%以內(nèi)，且趨勢相同。

同時通過NRTC瞬態(tài)循環(huán)驗證上文計算方法對于瞬態(tài)工況的準(zhǔn)確度，通過驗證，偏差可保持在5%以內(nèi)，證明該計算方法對于瞬態(tài)時顆粒物測量結(jié)果的換算具有實用價值。

本文還驗證了光聲法與稱重法結(jié)果具有較強一致性，可通過光聲法和稱重法的配合得到更準(zhǔn)確的各工況顆粒物排放結(jié)果。

參考文獻：

[1]重型車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機排放污染物排放限值及測量方法（北京第 VI 階段）.北京市環(huán)保局， 2015.

[2]DB11/965-2013重型汽車排氣污染物排放限值及測量方法（車載法）. 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社， 2013.

[3]魏墨盦， 錢夢騄. 光聲效應(yīng)及其應(yīng)用[J]. 應(yīng)用聲學(xué)， 1984， 04：5-11.

[4]張望. 光聲光譜微量氣體檢測技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].大連理工大學(xué)， 2010.

[5]AVL 483 Microsoot Sensor ZY 2011_05. www.avl.com.

[6]GB20891-2014 非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第三、四階段）.環(huán)境保護部. 2014

逯海：

傳統(tǒng)的柴油機排放顆粒物測量方法采用濾紙法，以濾紙顆粒物質(zhì)量為試驗結(jié)果，瞬態(tài)過程的累計質(zhì)量常規(guī)設(shè)備難以完成。文章以AVL 478和AVL 483測量系統(tǒng)，在試驗過程中顆粒物的濾紙采樣和微碳煙分析儀同時進行測量，并通過換算方法進行排放顆粒物結(jié)果換算，對比分析二者測量結(jié)果差別，最后對總排放量結(jié)果進行分析，分析結(jié)果表明換算方法對于瞬態(tài)工況的有效性。兩種測量方式所得結(jié)果相關(guān)系數(shù)為0.9989，計算方法具有較高的實用價值，可作為柴油機發(fā)動機顆粒排放物瞬時值和累積值，為產(chǎn)品研發(fā)過程試驗數(shù)據(jù)參考。建議推薦發(fā)表。