二級(jí)稀釋比參數(shù)對(duì)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(tǒng)（CVS）對(duì)某柴油機(jī)的顆粒物PM排放進(jìn)行采樣分析。CVS系統(tǒng)的二級(jí)稀釋比由顆粒物采樣流量和二級(jí)稀釋空氣流量來確定。在國六排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的要求下，通過改變顆粒物采樣流量和二級(jí)稀釋空氣流量，分別對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了WHSC穩(wěn)態(tài)循環(huán)試驗(yàn)，分析二級(jí)稀釋比參數(shù)的變化對(duì)顆粒物PM采樣結(jié)果的影響。結(jié)果表明，隨著顆粒物采樣流量和二級(jí)稀釋空氣流量，顆粒物PM排放結(jié)果都呈降低的趨勢(shì)。

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(guān)鍵詞：CVS;國六標(biāo)準(zhǔn);二級(jí)稀釋比;PM

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

0 ?引言

機(jī)動(dòng)車尾氣排放已經(jīng)成為空氣環(huán)境污染的重要組成部分，其中，柴油車是移動(dòng)源污染的主要貢獻(xiàn)者。在生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《中國移動(dòng)源環(huán)境管理年報(bào)（2019）》指出：2018年全國范圍內(nèi)，機(jī)動(dòng)車排放顆粒物（PM）達(dá)到44.2萬噸，其中柴油車的顆粒物（PM）排放量超過機(jī)動(dòng)車排放總量的90%，是機(jī)動(dòng)車污染防治的重中之重[1]。隨著國六法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，對(duì)顆粒物（PM）的測(cè)試和評(píng)價(jià)技術(shù)提出了新的要求。

本文通過CVS全流稀釋系統(tǒng)對(duì)某柴油機(jī)排放的顆粒物PM進(jìn)行采樣測(cè)試，通過改變二級(jí)稀釋比的相關(guān)參數(shù)（顆粒物采樣流量和二級(jí)稀釋空氣的流量），分別對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行WHSC穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)，研究二級(jí)稀釋比參數(shù)的變化對(duì)顆粒物PM采樣的影響。

1 ?試驗(yàn)對(duì)象和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)對(duì)象及測(cè)試設(shè)備

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為某壓燃式增壓中冷柴油機(jī)，后處理型式為DOC+DPF+SCR+ASC。試驗(yàn)用來采樣的排放測(cè)試設(shè)備為某CVS全流稀釋采樣系統(tǒng)，測(cè)量精度≤2%。使用超微克天平對(duì)顆粒物的質(zhì)量進(jìn)行稱量，測(cè)量范圍為0-2.1g，可讀性為0.0001mg。系統(tǒng)使用兩級(jí)稀釋系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣在稀釋通道內(nèi)通過初級(jí)稀釋混合后，還可以通過二級(jí)稀釋空氣對(duì)其再次稀釋，稀釋空氣為經(jīng)過處理后的溫度恒定的潔凈空氣。

總稀釋比q由初級(jí)稀釋比q1和二級(jí)稀釋比q2相乘。其中，初級(jí)稀釋比q1為CVS系統(tǒng)的質(zhì)量流量與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣質(zhì)量流量的比值，二級(jí)稀釋比q2為顆粒物采樣流量與二級(jí)稀釋空氣流量的比值。稀釋比的計(jì)算如下：

式中：Gcvs為CVS當(dāng)量的質(zhì)量流量，kg/h;Gexh為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣當(dāng)量的質(zhì)量流量，kg/h;Gfilt為顆粒物采樣的流量，L/min;Gair為二級(jí)稀釋空氣的流量，L/min。

可以看出，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的最大排氣質(zhì)量流量是確定的，當(dāng)CVS流量確定后，發(fā)動(dòng)機(jī)的初級(jí)稀釋比也將確定。因此，通過改變顆粒物采樣流量和二級(jí)稀釋空氣流量可以改變二級(jí)稀釋比的大小，從而改變總稀釋比的大小。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試工況的選擇

試驗(yàn)采用的測(cè)試工況為國六法規(guī)中要求的全球統(tǒng)一的穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)（WHSC），WHSC包含共13個(gè)轉(zhuǎn)速規(guī)范值和扭矩規(guī)范值的工況，在試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)性能曲線將百分值轉(zhuǎn)化成實(shí)際值。發(fā)動(dòng)機(jī)按各個(gè)工況規(guī)定的時(shí)間運(yùn)行，在20±1s內(nèi)以線性速度完成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩的轉(zhuǎn)換。在整個(gè)試驗(yàn)循環(huán)過程中測(cè)定排氣污染物濃度、排氣流量等，測(cè)量值是整個(gè)循環(huán)的平均值。顆粒物取樣經(jīng)稀釋空氣連續(xù)稀釋并收集到合適的單張濾紙上[2]。

1.2.2 CVS流量和二級(jí)稀釋比的選擇

CVS流量應(yīng)該根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)在額定點(diǎn)的最大排氣質(zhì)量流量來進(jìn)行選擇，額定點(diǎn)的最大排氣質(zhì)量流量可由額定點(diǎn)的比油耗和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量流量來確定。

發(fā)動(dòng)機(jī)在額定點(diǎn)時(shí)，初級(jí)稀釋比的計(jì)算公式為：

該系統(tǒng)的CVS流量共有15個(gè)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(yīng)該根據(jù)國六排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的要求，保證初級(jí)稀釋比不小于2：1。但由于初級(jí)稀釋比較小的話，可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過稀釋后的排氣溫度較高，以及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放尾氣的稀釋混合不均勻，從而影響最終的排放測(cè)量結(jié)果。因此，本試驗(yàn)最終選擇的CVS流量為45m3/min，此時(shí)的初級(jí)稀釋比為4.4138。

二級(jí)稀釋比由顆粒物采樣流量（后文簡(jiǎn)稱初級(jí)流量）和二級(jí)稀釋空氣流量（后文簡(jiǎn)稱二級(jí)稀釋流量）決定。其中，顆粒物采樣流量為經(jīng)過濾紙的流量和二級(jí)稀釋空氣流量之和。二級(jí)稀釋比的確定應(yīng)該根據(jù)國六排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的要求，保證總稀釋比在5：1-7：1范圍內(nèi)。

2 ?試驗(yàn)結(jié)果分析

初級(jí)流量對(duì)顆粒物PM采樣的影響：

在其他試驗(yàn)條件不變的前提下，將二級(jí)稀釋流量設(shè)置為10L/min，初級(jí)流量分別設(shè)為50，55，60L/min進(jìn)行WHSC穩(wěn)態(tài)循環(huán)試驗(yàn)，這3次試驗(yàn)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(jīng)過濾紙前的樣氣溫度和經(jīng)過濾紙的迎面速度是重要參數(shù)，應(yīng)結(jié)合起來分析，其中國六排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)采樣濾紙前溫度的要求為47±5℃，對(duì)經(jīng)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(yàn)可以看出在不同初級(jí)流量的情況下采樣濾紙前溫度和經(jīng)過濾紙迎面速度的變化趨勢(shì)，如圖1示。

從圖中可以看出，隨著初級(jí)流量的增大，采樣濾紙前的樣氣溫度逐漸減小，經(jīng)過采樣濾紙的迎面速度逐漸增大。這是因?yàn)樵诙?jí)稀釋空氣流量不變的前提下，隨著初級(jí)流量的增大，經(jīng)過濾紙的樣氣流量也增大，從而經(jīng)過濾紙的迎面速度增大;另外，CVS系統(tǒng)的顆粒物采樣系統(tǒng)采用了恒溫裝置，設(shè)定溫度為47℃，精度±0.1℃，以保證達(dá)到國六排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)采樣濾紙前溫度為47±5℃的要求。由于CVS稀釋通道內(nèi)的排氣混合氣溫度較低，當(dāng)初級(jí)流量增大后，經(jīng)過濾紙的樣氣流量也增大，顆粒物采樣系統(tǒng)的恒溫裝置對(duì)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(jí)流量下的顆粒物稱重結(jié)果和比排放結(jié)果如表1示。

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

在其他試驗(yàn)條件不變的前提下，將顆粒物采樣流量設(shè)置為60L/min，二級(jí)稀釋空氣流量分別設(shè)為10，15，20L/min，然后進(jìn)行WHSC穩(wěn)態(tài)循環(huán)試驗(yàn)。這3次試驗(yàn)的總稀釋比分別為5.2965，5.8850，6.6207。

通過這3次試驗(yàn)可以看出在不同二級(jí)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(shì)，如圖2所示。

從圖中可以看出，隨著二級(jí)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(jīng)過顆粒物采樣濾紙的迎面速度逐漸增大。這是因?yàn)樵诔跫?jí)流量保持不變的前提下，隨著二級(jí)稀釋空氣流量的增加，對(duì)經(jīng)過采樣濾紙的樣氣的降溫效果增強(qiáng)，因此采樣濾紙前的樣氣溫度略微降低。同時(shí)，由于初級(jí)流量為經(jīng)過采樣濾紙的流量和二級(jí)稀釋空氣流量之和，隨著二級(jí)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(jí)稀釋空氣流量下的顆粒物稱重結(jié)果和比排放結(jié)果如表2所示。

從表中可以得知，PM的比排放結(jié)果和稱重質(zhì)量均隨二級(jí)稀釋流量的增大而減小。這可能是因?yàn)樵诔跫?jí)流量保持不變的前提下，由于初級(jí)流量為經(jīng)過采樣濾紙的流量和二級(jí)稀釋空氣流量之和，隨著二級(jí)稀釋空氣流量的增加，經(jīng)過采樣濾紙的樣氣流量減小，導(dǎo)致濾紙采集到的顆粒物減少。

3 ?總結(jié)

通過改變CVS系統(tǒng)的二級(jí)稀釋比參數(shù)，結(jié)合國六排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的要求，分析了顆粒物采樣流量和二級(jí)稀釋空氣流量對(duì)顆粒物PM采樣結(jié)果的影響，得到以下結(jié)論：

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

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