基于預(yù)判控制的部分流顆粒稀釋采樣系統(tǒng)研究

鄧力 朱紅國 王侃

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401120）

基于預(yù)判控制的部分流顆粒稀釋采樣系統(tǒng)研究

鄧力 朱紅國 王侃

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401120）

為了滿足重型柴油機(jī)國Ⅵ排放法規(guī)的新要求，對(duì)部分流顆粒稀釋系統(tǒng)采用預(yù)判控制，并進(jìn)行WHTC瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)，同時(shí)與在線控制模式及全流稀釋取樣系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明，基于預(yù)判控制的部分流系統(tǒng)能夠進(jìn)行精確的比例取樣，與在線控制模式相比，采樣誤差減小了64.2%，且將采樣流量和排氣流量之間的相關(guān)系數(shù)提高到0.95以上。以全流稀釋取樣系統(tǒng)結(jié)果為基準(zhǔn)，顆粒PM的測(cè)試精度提高了42.4%。

1 前言

柴油機(jī)顆粒排放是汽油機(jī)的30～60倍[1]。國內(nèi)對(duì)于柴油機(jī)的顆粒檢測(cè)采用全流稀釋采樣和部分流稀釋采樣兩種方法[2]。全流稀釋采樣系統(tǒng)因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、價(jià)格高等原因而難以采用，部分流稀釋采樣系統(tǒng)因占地面積小、成本較低、操作方便等優(yōu)點(diǎn)而得到充分發(fā)展[3]。部分流稀釋采樣系統(tǒng)在測(cè)量穩(wěn)態(tài)工況時(shí)能與全流稀釋系統(tǒng)之間保持較好的相關(guān)性[4]。國內(nèi)外的法規(guī)都已認(rèn)可全流稀釋系統(tǒng)和部分流稀釋系統(tǒng)測(cè)量穩(wěn)態(tài)工況時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒測(cè)量值[5～6]。

文獻(xiàn)[7]對(duì)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)試驗(yàn)下顆粒物取樣方法規(guī)定全流稀釋采樣和部分流稀釋采樣均可采用。傳統(tǒng)的部分流顆粒稀釋采樣方法采用在線控制模式，但其受系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的限制，特別是在瞬態(tài)試驗(yàn)時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)工況的快速變化，系統(tǒng)無法快速精確的控制取樣流量，測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，且與全流稀釋系統(tǒng)的結(jié)果存在較大偏差。文獻(xiàn)[7]中還規(guī)定系統(tǒng)切換時(shí)間超過0.3 s的部分流稀釋系統(tǒng)需進(jìn)行預(yù)判控制。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)部分流稀釋采樣方法進(jìn)行了大量研究[8～9]，但對(duì)部分流稀釋系統(tǒng)的預(yù)判控制方面還研究較少。本文針對(duì)部分流顆粒稀釋系統(tǒng)，采用預(yù)判控制進(jìn)行法規(guī)規(guī)定的瞬態(tài)循環(huán)試驗(yàn)，并與在線控制模式的結(jié)果以及全流稀釋系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行比較。

2 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法

2.1 部分流稀釋采樣系統(tǒng)

部分流稀釋采樣系統(tǒng)是指將發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分廢氣取到稀釋通道中，經(jīng)潔凈的空氣稀釋后，再將該稀釋混合氣部分或全部通過濾紙，進(jìn)而計(jì)算微粒排放量的測(cè)量系統(tǒng)。

試驗(yàn)采用的部分流顆粒采樣設(shè)備為MDLT-1302TM，其原理如圖1所示，其中CFV為臨界流量文丘里管，VFM為文丘里流量計(jì)。系統(tǒng)通過控制稀釋混合排氣流量和稀釋空氣流量來達(dá)到控制采樣流量的目的。

圖1 MDLT-1302TM原理示意

試驗(yàn)中采用定分割比的模式，原理為：

式中，Gexh為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流量；Gtot為稀釋混合排氣流量；Gdil為稀釋空氣流量；r為分割比；Gsam為采樣流量。

顆粒物質(zhì)量流量：

式中，mf為濾紙采樣的顆粒荷重；msep為通過濾紙的采樣混合氣質(zhì)量；medf為等效稀釋混合氣的質(zhì)量流量。

2.2 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)采用某直列4缸高壓共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

2.3 測(cè)試條件控制

為真實(shí)反映發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物排放水平，在試驗(yàn)過程中對(duì)測(cè)試邊界條件進(jìn)行嚴(yán)格控制，信息見表2。

表2 測(cè)試邊界條件

2.4 試驗(yàn)方法

部分流顆粒采樣系統(tǒng)通過控制安裝在采樣通道和PM濾架后的泵來控制稀釋混合排氣流量。由于移動(dòng)大量空氣會(huì)產(chǎn)生較大慣量，所以使用大容量泵控制流量會(huì)不可避免帶來系統(tǒng)響應(yīng)延遲。由于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流量的快速變化，尤其是在瞬態(tài)試驗(yàn)時(shí)，部分流顆粒采樣系統(tǒng)更需要精確控制采樣流量。

試驗(yàn)時(shí)先進(jìn)行預(yù)記錄試驗(yàn)，獲得基于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流信號(hào)的時(shí)間軌跡。根據(jù)試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，以采樣流量為基準(zhǔn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流量進(jìn)行時(shí)間對(duì)齊，獲得部分流稀釋系統(tǒng)的預(yù)判控制值。預(yù)判控制原理如圖2所示。

圖2 預(yù)判控制原理

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，在實(shí)際PM采樣時(shí)，系統(tǒng)采用延遲時(shí)間校正來達(dá)到精確控制采樣流量的目的。試驗(yàn)流程圖如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)流程圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 在線控制模式分析

最新國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿中規(guī)定瞬態(tài)工況為全球統(tǒng)一瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)（World Harmonized Transient Cycle，WHTC）。部分流稀釋采樣系統(tǒng)的分割比設(shè)為500，用在線控制的模式進(jìn)行該瞬態(tài)試驗(yàn)。冷起動(dòng)和熱起動(dòng)測(cè)試循環(huán)的排氣流量和采樣流量變化圖如圖4所示。

根據(jù)排氣流量和采樣流量數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行相關(guān)性分析，如圖5所示。采樣誤差曲線如圖6所示。

由圖4～圖6可知，在線控制模式下，采樣流量的準(zhǔn)確度較差，冷起動(dòng)測(cè)試循環(huán)最大采樣誤差達(dá)到8.65%，熱起動(dòng)測(cè)試循環(huán)最大采樣誤差達(dá)到7.84%，均不滿足準(zhǔn)確度在±5%以內(nèi)的要求。且冷起動(dòng)時(shí)采樣流量對(duì)排氣流量的相關(guān)系數(shù)為0.942 3，熱起動(dòng)時(shí)采樣流量對(duì)排氣流量的相關(guān)系數(shù)為0.943 6，均達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)中不小于0.95的要求。

圖4 在線控制WHTC流量變化

為了減小偶然誤差，重復(fù)進(jìn)行3次WHTC循環(huán)，PM值分別為0.030 5 g/（kW·h）、0.029 7 g/（kW·h）、0.031 1 g/（kW·h）。

3.2 預(yù)判控制分析

3.2.1 預(yù)判控制

根據(jù)前述試驗(yàn)方法，首先進(jìn)行預(yù)記錄試驗(yàn)，獲得排氣流量時(shí)間序列數(shù)據(jù)。排氣流量變化圖如圖7所示。

圖5 在線控制WHTC排氣流量與采樣流量相關(guān)性

圖6 在線控制WHTC采樣誤差

圖7 預(yù)記錄試驗(yàn)排氣流量變化

根據(jù)預(yù)記錄的排氣流量數(shù)據(jù)，預(yù)判控制試驗(yàn)時(shí)，邊界條件控制與在線控制時(shí)相同。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分別分析冷起動(dòng)測(cè)試循環(huán)和熱起動(dòng)測(cè)試循環(huán)的排氣流量和采樣流量的相關(guān)性，如圖8所示。

圖8 預(yù)判控制WHTC排氣流量與采樣流量相關(guān)性

重復(fù)進(jìn)行3次WHTC循環(huán)，試驗(yàn)的PM值分別為0.021 9 g/（kW·h）、0.022 1 g/（kW·h）、0.021 4 g/（kW·h）。

3.2.2 與在線控制結(jié)果比較

根據(jù)在線控制和預(yù)判控制的測(cè)試結(jié)果，對(duì)冷起動(dòng)測(cè)試循環(huán)和熱起動(dòng)測(cè)試循環(huán)分別作采樣流量的誤差控制曲線，如圖9和圖10所示。

由上述分析可知，通過采用預(yù)判控制，冷起動(dòng)測(cè)試循環(huán)最大采樣誤差減小到3.01%，減小了65.2%。熱起動(dòng)測(cè)試循環(huán)最大采樣誤差減小到2.88%，減小了63.3%，采樣精度得到很大提高，且滿足法規(guī)±5%以內(nèi)的要求。冷起動(dòng)時(shí)采樣流量對(duì)排氣流量的相關(guān)系數(shù)為0.977 3，熱起動(dòng)時(shí)采樣流量對(duì)排氣流量的相關(guān)系數(shù)為0.972 2，均達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)中不小于0.95的要求。

3.3 與全流系統(tǒng)結(jié)果比較

當(dāng)量質(zhì)量流量是影響顆粒物測(cè)量結(jié)果的主要因素之一，由于全流稀釋系統(tǒng)是將發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣全部引入稀釋通道中，其當(dāng)量質(zhì)量流量理論上為一恒定常數(shù)，所以全流稀釋系統(tǒng)能夠得到較高的測(cè)量精度以及很高的重復(fù)性。為了更全面的分析預(yù)判控制對(duì)采樣精度的影響，將此發(fā)動(dòng)機(jī)置于全流實(shí)驗(yàn)室中重復(fù)進(jìn)行3次WHTC測(cè)試，試驗(yàn)的PM值分別為0.020 3 g/（kW·h）、0.020 8 g/（kW·h）、0.019 7 g/（kW·h）。顆粒測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖如圖11所示。

圖9 冷起動(dòng)循環(huán)采樣誤差對(duì)比

圖10 熱起動(dòng)循環(huán)采樣誤差對(duì)比

圖11 PM測(cè)試結(jié)果對(duì)比

由圖11可知，部分流顆粒采樣系統(tǒng)采用預(yù)判控制后，顆粒物PM測(cè)試結(jié)果更接近全流稀釋采樣系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果，結(jié)果僅相差7.3%。以全流稀釋采樣系統(tǒng)為基準(zhǔn)，顆粒采樣精度提高了42.4%。

4 結(jié)束語

通過對(duì)部分流稀釋采樣系統(tǒng)采用基于預(yù)記錄試驗(yàn)的預(yù)判控制，分析了在線控制結(jié)果、預(yù)判控制結(jié)果并與全流稀釋采樣系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行了比較。對(duì)部分流顆粒采樣系統(tǒng)采用預(yù)判控制后，顆粒采樣誤差減小約64.2%。若以全流稀釋采樣系統(tǒng)為基準(zhǔn)，顆粒PM測(cè)試精度提高42.4%，其測(cè)試結(jié)果與全流稀釋系統(tǒng)結(jié)果相差7.3%，提高了部分流采樣系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果的可靠性。

1 王鳳濱，高俊華.全流CVS稀釋比對(duì)PM采樣影響的試驗(yàn)研究.汽車技術(shù)，2011（4）：46～49

2 王巖.柴油機(jī)微粒測(cè)量系統(tǒng)分析：[學(xué)位論文].長春：吉林大學(xué)，2012.

3 劉坤.部分流等動(dòng)態(tài)微粒采樣系統(tǒng)適用性評(píng)測(cè)及關(guān)鍵參數(shù)選?。篬學(xué)位論文].長春：吉林大學(xué)，2015.

4 Stotler R，Human D.An ISO 8178 Correlation Study Between Raw and Dilute Exhaust Emission Sampling Systems.SAE Paper 952060,1995.

5 國家環(huán)境保護(hù)總局國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 17691—2005車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2005.

6 國家環(huán)境保護(hù)部國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 20891—2014非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2014.

7 國家環(huán)境保護(hù)部國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國第六階段征求意見稿）.北京：國家環(huán)境保護(hù)部，2016.

8 Goto Y，Tsukamoto Y.PM Measurement with Partial Dilution Tunnel-Influence of Sampling Line on PM Measurement.Sae International Fall Fuelsamp;Lubricants Meetingamp;Exhibition，2001.

9 宮寶利，王志偉，蔣習(xí)軍，等.采樣方式對(duì)柴油機(jī)微粒排放測(cè)量的影響分析.汽車技術(shù)，2008（2）：43～45.

（責(zé)任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2017年6月1日。

Research on Partial Flow Dilution Sampling System Based on Predictive Control

Deng Li,Zhu Hongguo,Wang Kan
（China Automotive Engineering Research Institute Corporation Limited,Chongqing 401120）

In order to comply with the new requirements of heavy duty diesel engine China VI emission regulations on particle sampling system,predictive control was applied on partial-flow dilution system,and WHTC transient test cycles were conducted,that was compared with the results of the online control mode and the results of the full-flow dilution sampling system.The results show that the partial flow system based on the predictive control can make accurate sampling,and the sampling error is reduced by 64.2%compared with the online control mode,and the correlation coefficient between sampling flow and exhaust mass flow is increased to 0.95 or more.Based on the results of the full-flow dilution sampling system,the test accuracy of the particle PM is improved by 42.4%.

Diesel engine,Partial flow,PM,Predictivecontrol

柴油機(jī) 部分流 顆粒物 預(yù)判控制

U467.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-3703（2017）09-0058-05