顆粒計(jì)數(shù)器一級(jí)稀釋比對(duì)顆粒數(shù)濃度測(cè)量結(jié)果 一致性影響的研究

盧占領(lǐng)，范振陽(yáng)，江堯，丁旭

（中汽研汽車檢驗(yàn)中心（寧波）有限公司，浙江 寧波 315336）

前言

國(guó)六排放法規(guī)增加了對(duì)顆粒物PN 的測(cè)試要求，為滿足法規(guī)要求，重型柴油機(jī)一般需要配備DPF，這顯著降低了尾氣中的顆粒物濃度水平，對(duì)測(cè)量?jī)x器的分辨率和精度提出了更高的要求，同時(shí)也對(duì)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性提出了更高的要求。

重型柴油機(jī)國(guó)六排放法規(guī)GB 17691-2018 對(duì)粒子數(shù)量排放測(cè)量設(shè)備作了相關(guān)規(guī)定，即“初級(jí)粒子數(shù)稀釋裝置（PND1）稀釋系數(shù)能從10 倍到200 倍之間調(diào)節(jié)，次級(jí)粒子數(shù)稀釋裝置（PND2）的稀釋系數(shù)應(yīng)在10 倍到15 倍之間選擇，使其下游的粒子數(shù)濃度低于粒子計(jì)數(shù)器中單個(gè)顆粒計(jì)數(shù)模塊的上限，并使進(jìn)入粒子計(jì)數(shù)器之前的氣體溫度低于35°C。”[1]因此在試驗(yàn)時(shí)需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)PN 的排放水平選取足夠精度的測(cè)試設(shè)備和不同的稀釋比（PDN1、PND2）。

由于法規(guī)定的稀釋比倍數(shù)的選擇比較寬泛，因此在測(cè)試過(guò)程中PND1、PND2 的選擇存在一定的主觀性。由于PN 的測(cè)量結(jié)果受稀釋比的影響[2-5]，為保證法規(guī)認(rèn)證的準(zhǔn)確性和一致性，本文對(duì)顆粒計(jì)數(shù)器稀釋倍數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響開展試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本文以某型國(guó)五發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，后處理型式為SCR，具體參數(shù)見(jiàn)表1。為模擬國(guó)六發(fā)動(dòng)機(jī)的PN 排放特性，在SCR之后加裝DPF。試驗(yàn)采用HORIBA HD460 交流電力測(cè)功機(jī)、MEXA7200D 排氣分析儀、SPCS2000 顆粒計(jì)數(shù)器和7400TCVS定容取樣系統(tǒng)，顆粒計(jì)數(shù)器從稀釋通道取樣。SPCS2000 顆粒計(jì)數(shù)器的檢測(cè)范圍0-50000#/cm3，分辨率為0.01#/cm3。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

試驗(yàn)過(guò)程中，邊界條件的設(shè)定如下表2 所示。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

SPCS2000 顆粒計(jì)數(shù)器的二級(jí)稀釋比PND2 為固定值15，控制發(fā)動(dòng)機(jī)邊界條件相同，顆粒計(jì)數(shù)器的一級(jí)稀釋比PND1從10、20、50、100、200 的變化，探究不同的PDN1 對(duì)PN測(cè)試結(jié)果的影響，測(cè)試結(jié)果以修正后的數(shù)值進(jìn)行比較。

表3 不同稀釋比下PCRF 數(shù)值

本文所用的顆粒計(jì)數(shù)器的PCRF 修正系數(shù)如上表3 所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 原排PN 一致性研究

將顆粒計(jì)數(shù)器的一級(jí)稀釋比PND1 設(shè)置為100，去掉DPF換成等粗直管，對(duì)原排的PN 進(jìn)行3 次熱態(tài)WHTC 試驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果如表4 所示，三次測(cè)量結(jié)果的最大偏差在1%以內(nèi)，因此，可以認(rèn)為該機(jī)型的原排的PN 排放是穩(wěn)定的。

表4 熱態(tài)WHTC 循環(huán)下發(fā)動(dòng)機(jī)原排中PN 排放的一致性

2.2 系統(tǒng)排PN 一致性的研究

在SCR 后加裝DPF，將顆粒計(jì)數(shù)器的一級(jí)稀釋比PND1設(shè)置為10，對(duì)系統(tǒng)排PN 進(jìn)行3 次熱態(tài)WHTC 循環(huán)，測(cè)量結(jié)果如表5 所示，三次測(cè)量結(jié)果的最大偏差在1%以內(nèi)，因此，可以認(rèn)為該機(jī)型系統(tǒng)排PN 數(shù)目是穩(wěn)定的。

表5 熱態(tài)WHTC 循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)排中PN 排放的一致性

2.3 PDN1 對(duì)原排PN 測(cè)量結(jié)果的影響

控制發(fā)動(dòng)機(jī)邊界條件相同，不加裝DPF，一級(jí)稀釋比PND1 從10、20、50、100、200 依次變化，研究不同的PND1對(duì)原排穩(wěn)態(tài)點(diǎn)、瞬態(tài)循環(huán)下PN 測(cè)量結(jié)果一致性的影響。

2.3.1 PDN1 對(duì)穩(wěn)態(tài)點(diǎn)原排PN 測(cè)量結(jié)果的影響

選取1200rpm、600Nm 為研究工況點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)充分運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)油溫度、中冷后進(jìn)氣溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度變化小于1℃。每個(gè)稀釋比下穩(wěn)定5min，測(cè)量1min，測(cè)量3 次取平均值，不同PND1 下穩(wěn)態(tài)點(diǎn)的原排PN 測(cè)量結(jié)果如表6 所示。

表6 穩(wěn)態(tài)點(diǎn)下不同PND1 的原排PN 測(cè)量結(jié)果

分析表6，5 種不同的PND1 下，該穩(wěn)態(tài)點(diǎn)修正后的PN數(shù)濃度的最大偏差為6.8%，考慮到法規(guī)對(duì)粒子數(shù)量計(jì)數(shù)器（PNC）的測(cè)量精度要求，即在全流條件下工作，從 1cm-3 到單個(gè)顆粒計(jì)數(shù)模塊上限的范圍內(nèi)，計(jì)數(shù)精度為±10%。因此可以認(rèn)為PND1 對(duì)穩(wěn)態(tài)點(diǎn)的原排PN 測(cè)量結(jié)果無(wú)明顯影響。

2.3.2 PND1 對(duì)熱態(tài)WHTC 循環(huán)原排PN 測(cè)量結(jié)果的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試邊界條件相同，顆粒計(jì)數(shù)器PDN1 依次設(shè)置為10、50、100、200，進(jìn)行4 次熱態(tài)WHTC 試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表7 所示，4 次熱態(tài)WHTC 的PN 循環(huán)比排放量最大偏差為3.7%。因此可以認(rèn)為PND1 的變化對(duì)熱態(tài)WHTC 循環(huán)原排PN 測(cè)量結(jié)果無(wú)明顯影響。

表7 不同PND1 下熱態(tài)WHTC 循環(huán)原排PN 的測(cè)量結(jié)果

2.4 PDN1 對(duì)系統(tǒng)排PN 測(cè)量結(jié)果的影響

控制發(fā)動(dòng)機(jī)邊界條件相同，在SCR 后加裝DPF，一級(jí)稀釋比PND1 從10、20、50、100、200 依次變化，研究不同的PND1 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)點(diǎn)、瞬態(tài)循環(huán)下系統(tǒng)排PN 測(cè)量結(jié)果的影響。

2.4.1 PDN1 對(duì)穩(wěn)態(tài)點(diǎn)系統(tǒng)排PN 測(cè)量結(jié)果的影響

選取1200rpm、600Nm 作為研究工況點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)充分運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)油溫度、中冷后進(jìn)氣溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度變化小于1℃。每個(gè)稀釋比下穩(wěn)定5min，測(cè)量1min，測(cè)量3 次取平均值，不同PND1 下穩(wěn)態(tài)點(diǎn)的系統(tǒng)排PN 測(cè)量結(jié)果如表8、圖1 所示。

表8 不同PND1 下穩(wěn)態(tài)點(diǎn)系統(tǒng)排PN 的測(cè)量結(jié)果

圖1 系統(tǒng)排穩(wěn)態(tài)點(diǎn)PN 數(shù)濃度隨PND1 變化圖

結(jié)合表8 和圖1 分析可知，DPF 的加裝顯著降低了尾氣中的PN 的數(shù)量，對(duì)于同一穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)，隨著稀釋比的增大，修正后的PN 數(shù)濃度逐漸增大；在PND1 為10、20、50 時(shí)，偏差較小，約為3.7%，偏差在儀器設(shè)備的測(cè)量精度范圍內(nèi)；但在PND1 超過(guò)50 之后偏差顯著增大，PND1 為200 時(shí)測(cè)得的修正后PN 數(shù)濃度最大，其結(jié)果是最小值的2.2 倍，測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)嚴(yán)重偏差。分析其原因，隨著稀釋比的增大，PN的循環(huán)平均數(shù)濃度由1.91#/cm3，降到0.21#/cm3，接近該顆粒計(jì)數(shù)器的檢測(cè)下限0.01#/cm3，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的不確定度增加，測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)嚴(yán)重偏差。

2.4.2 PDN1 對(duì)熱態(tài)WHTC 循環(huán)系統(tǒng)排PN 測(cè)量結(jié)果的影響

分別設(shè)置為顆粒計(jì)數(shù)器的PDN1 為10、20、50、100、200，發(fā)動(dòng)機(jī)在不同條件下進(jìn)行5 次熱態(tài)WHTC 循環(huán)試驗(yàn)，系統(tǒng)排PN 測(cè)量結(jié)果如表9 和圖2 所示。

表9 PND1 對(duì)熱態(tài)WHTC 循環(huán)原排PN 測(cè)量結(jié)果的影響

圖2 系統(tǒng)排熱態(tài)WHTC 循環(huán)下PN 隨PND1 變化圖

結(jié)合表9 和圖2 分析可知，隨著稀釋比的增加，熱態(tài)WHTC 循環(huán)的PN 循環(huán)比排放量逐漸增加，PND1 為10、20時(shí)測(cè)量結(jié)果偏差較小，約為1%，偏差在儀器設(shè)備的測(cè)量精度范圍內(nèi)；但在PND1 超過(guò)20 之后測(cè)量結(jié)果著增大，最大值是最小值的3.3 倍，測(cè)量結(jié)果發(fā)生嚴(yán)重偏差。雖然該樣氣的最低PN 濃度為0.23#/cm3，高于試驗(yàn)用的顆粒計(jì)數(shù)器的分辨率0.01#/cm3，但在顆粒物數(shù)濃度較低的情況下，顆粒計(jì)數(shù)器采用較大的稀釋比會(huì)引起測(cè)量不確定增加，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果嚴(yán)重失真。

3 結(jié)論

本文以某重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，探究了顆粒計(jì)數(shù)器不同一級(jí)比對(duì)顆粒數(shù)濃度測(cè)量結(jié)果一致性的影響。具體結(jié)論如下：

（1）對(duì)于未加裝DPF 的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，由于尾氣中的顆粒數(shù)濃度較高，因此顆粒計(jì)數(shù)器的稀釋比對(duì)最終排放結(jié)果的一致性影響較小。

（2）對(duì)于加裝DPF 的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，由于尾氣中的顆粒數(shù)濃度顯著降低， 當(dāng)顆粒計(jì)數(shù)器的稀釋比增大到顆粒數(shù)濃度接近設(shè)備檢測(cè)下限時(shí)，測(cè)量結(jié)果會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重偏差。

因此在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，PND1 的選擇既要滿足法規(guī)低于測(cè)量上限和入口溫度低于35℃的要求，也要盡量高于檢測(cè)下限。此外，目前顆粒物數(shù)濃度的測(cè)量與PM、氣態(tài)污染物耦合，均從CVS 通道取樣，但隨著法規(guī)的加嚴(yán)，尤其是加裝DPF 后，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的顆粒數(shù)大大降低，因此需要提高設(shè)備的檢測(cè)精度，或者探究從排氣管直接取樣以提高檢測(cè)的一致性。