基于法规的柴油发动机颗粒物数量排放测试研究

葛 旸，王凤滨，尹 超，李晨贞

(1．天津职业技术师范大学，天津 300222；2．中国汽车技术研究中心，天津 300162)



2015232

基于法规的柴油发动机颗粒物数量排放测试研究

葛 旸1，王凤滨2，尹 超2，李晨贞2

(1．天津职业技术师范大学，天津 300222；2．中国汽车技术研究中心，天津 300162)

采用满足欧Ⅵ颗粒数量(PN)测试要求的AVL489颗粒计数器，对3台不同机型的柴油机进行了ESC，ETC和WHTC循环试验，并测量了PN排放情况。结果表明：在不同机型和不同试验循环下，PM(颗粒物质量)和PN排放的相关性较高；DOC+POC后处理可有效降低PN排放；热起动WHTC循环的PN排放比冷起动高，但差异很小；PN排放随转速的升高和负荷的加大而增高。

柴油机；颗粒计数器；颗粒数量排放；测试

前言

随着柴油机排放法规发展到欧Ⅵ阶段，排放测试循环由ESC(欧洲稳态循环)和ETC(欧洲瞬态循环)变更为WHSC(世界统一稳态循环)和WHTC(世界统一瞬态循环)，循环过程中的颗粒物排放测试也在先前颗粒物质量测量基础上增加了颗粒物数量测量的要求[1]。

国外在颗粒物数量排放方面的研究有：文献[2]中研制了一种针对固态颗粒的计数装置，既能满足欧Ⅵ法规要求而且测量范围扩展到粒径在23nm以下固态颗粒物；文献[3]中采用电迁移率粒子分析仪(scanning mobility particle sizer，SMPS)研究了发动机负荷、EGR率和后喷策略等条件对颗粒物数量和尺寸分布的影响。

而国内目前关于PN排放的试验研究主要是基于电子低压冲击器(electrical low pressure impactor，ELPI)对颗粒物数量和粒径分布进行分析[4-8],但根据欧Ⅵ法规要求对颗粒物总体数量排放进行的研究还比较少，而这种试验研究，既是国内排放法规升级的要求，也是提高柴油机颗粒物排放测试技术的要求。

本文中采用满足欧Ⅵ法规要求的AVL489颗粒计数器，对3台不同型号的发动机进行了ESC，ETC和WHTC循环试验，并测量了PN排放情况，研究了PM排放与PN排放的相关性，对比了DOC+POC后处理对PN排放的影响，对比了冷起动与热起动循环PN排放的差异，分析了发动机运行工况对PN排放的影响。

1 试验系统

1.1 AVL489颗粒计数器

欧洲经济委员会法规ECE NO.83规定了柴油机PN排放测试程序，测量装置应首先通过挥发性颗粒去除器(volatile particle remover,VPR)除去可挥发性颗粒，然后通过颗粒计数单元(particle number counter，PNC)对固体颗粒进行计数[9]。本试验采用满足欧Ⅵ法规要求的AVL489颗粒计数器，其结构简图如图1所示。

AVL489颗粒计数单元(PNC)利用包裹了正丁醇的单个颗粒对设定的光路产生干涉的原理来检测颗粒数量。经过稀释后的样气以恒定的流量进入检测器，在热饱和器(heated saturator)内，正丁醇汽化形成的蒸汽与样气混合，混合气流经冷凝器(cooled condenser)时，正丁醇蒸汽在每一个颗粒物上凝结，包裹了正丁醇的颗粒样气流经一个特制的喷嘴(该喷嘴只能容许单个颗粒通过)，在喷嘴出口上方设定了特殊的激光发射和接受装置，当包裹了丁醇的单个颗粒通过光路时，激光接受装置会检测到信号波动，从而连续测量出单位时间内通过喷嘴的颗粒数量。

AVL489采用特殊采样探头,可以起到预分离器的效果，可以对柴油机23nm～2.5μm粒径范围内的颗粒数量实现较高精度的检测。

1.2 试验发动机

本文中基于以下3个不同厂家的3台不同型号发动机进行了试验，发动机主要参数见表1。

表1 试验发动机参数

2 试验方案

本文中对样机1和样机2进行了ESC和ETC试验，对样机3进行了原机、带1套DOC+POC后处理和两套DOC+POC串联3种情况下的热起动WHTC试验和完整WHTC试验。所有试验均对颗粒物质量(PM)排放和数量(PN)排放进行测量。

3 结果分析

3.1 PM与PN排放相关性

图2为样机1的ESC和ETC试验、样机2的ESC和ETC试验和样机3的两次原机热态WHTC试验结果，共计6组PM和PN排放数据的分布情况。

由图可知，发动机PM与PN相关系数为0.984 4。由于样机2配备后处理为SCR，其对发动机颗粒物排放影响较小，因此，PM和PN排放也可近似认为是原机排放。可见，对于发动机原机排放而言，PM与PN排放相关性较高。

3.2 DOC+POC后处理对PN排放的影响

对样机3进行了原机、安装1套DOC+POC后处理和2套DOC+POC串联安装3种情况下的热起动WHTC试验，结果如图3～图5所示。

图3为3种情况下，循环过程中PN排放浓度对比情况。图4为3种情况下，PM和PN的循环排放对比。由图可知，DOC+POC后处理对PN和PM排放都有明显的减排效果。图5为3种情况下，PM和PN排放的相关性，可见在带后处理的情况下，PM和PN排放相关性也较好。

3.3 冷起动和热起动PN排放差异

对样机3进行了原机、安装1套DOC+POC后处理和两套DOC+POC串联安装3种情况下的完整WHTC试验，包括冷起动WHTC循环和热起动WHTC循环两部分。

图6～图8分别为3种情况下冷起动和热起动循环过程中PN排放对比情况。

由图6～图8可知，3种情况下，循环前200s热起动循环PN排放均高于冷起动循环，原机情况下这种差异最为明显。尽管循环工况变化很大，但两次试验大部分工况下的PN浓度依然较为接近，可见PN浓度测量的一致性很好。

图9和图10分别为PN和PM冷起动和热起动循环加权比排放对比。

由图9和图10可知，3种情况下，冷起动循环PN排放略低于热起动循环，冷起动和热起动循环PM排放差异较小，分析原因，对于冷起动循环和热起动循环，发动机的运行条件差异主要体现在循环前半部分。由图6可知，由于这种运行条件的差异导致的PN排放差异也主要体现在循环前200s。冷起动循环前200s，缸内温度较低，柴油燃烧不如热起动循环充分，这可能导致颗粒物总质量(PM)增大，但由此增加的颗粒物，其粒径可能较大，可挥发性成分也会较多，在经过AVL489的探头分离和蒸发后，PN数量可能会比热起动循环时低。

3.4 发动机运行工况对PN排放的影响

对样机1进行ESC试验13工况的PN排放试验，图11为不同转速和不同负荷下PN排放浓度对比情况。依据法规GB 17691—2005的规定[10]，计算出该发动机的A，B和C转速。由图可知，随着转速的升高，相同负荷下PN排放浓度逐渐增大。随着负荷的增大，A和B转速下PN排放浓度在75%负荷之前变化不大，75%负荷以后明显增大，C转速下PN排放浓度在75%负荷之前缓慢增大，75%负荷以后迅速升高。

4 结论

(1)总结3台样机不同试验循环下的PM和PN排放结果，发现PM和PN排放有着较高的相关性。

(2)样机3的结果表明，DOC+POC后处理可以有效降低发动机PM和PN排放，原机、1套后处理和2套后处理串联,3种情况下的PM和PN排放也有较好的相关性。

(3)样机3在原机、1套DOC+POC后处理和2套DOC+POC后处理串联3种情况下，冷起动循环PN排放均略低于热起动循环，冷起动和热起动循环PM排放差异较小。两次试验PN浓度曲线吻合度较高，可见AVL489对于PN测量的一致性较高。

(4)样机1的ESC试验13工况结果表明，PN排放浓度随着转速的升高和负荷的加大而增高。

[1] Uniform Provisions Concerning the Measures to be Taken Against the Emission of Gaseous and Particulate Pollutants from Compression-ignition Engines and Positive Ignition Engines for Use in Vehicles[S]. UN-ECE R49.06 Series.

[2] Yoshinori Otsuki, Kenji Takeda,et al. A Solid Particle Number Measurement System Including Nanoparticles Smaller than 23 Nanometers[C]. SAE Paper 2014-01-1604.

[3] Federico Millo, Davide Vezza,et al. Impact of Engine Operating Conditions on Particle Number and Size from a Small Displacement Automotive Diesel Engine[C]. SAE Paper 2012-01-0429.

[4] 高继东，张远军，李孟良，等. 重型柴油车实际道路排放颗粒物的粒度分布[J].吉林大学学报(工学版)，2008,38(1):38-41.

[5] 潘锁柱，裴毅强，宋崇林，等. 汽油机颗粒物数量排放及粒径的分布特性[J].燃烧科学与技术，2012,18(2)：161.

[6] 李孟良，张远军，高继东，等. 安装SCR系统的国Ⅳ发动机排放特性研究[J].内燃机工程，2010,31(1)：44-46.

[7] 黄定华，李孟良. DPF对城市在用重型柴油机排放影响的研究[J].中国高新技术企业，2007(14)：95-96.

[8] 王军方，丁焰，尹航，等. 液化石油气汽车颗粒物数量排放特征的研究[J]. 汽车工程，2013,35(7):646-648.

[9] Conclusions on Improving Particulate Mass Measurement Procedures and New Particle Number Measurement Procedures Relative to the Requirements of the 05 Series of Amendments to Regulation No. 83[S]. GRPE-48-11-Rev.1, 2004.

[10] GB 17691—2005车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国III、IV、V阶段)[S].北京：中国标准出版社，2005: 38-40.

A Study on the Regulation-based Measurement of Particulate Number Emission of Diesel Engines

Ge Yang1,Wang Fengbin2, Yin Chao2& Li Chenzhen2

1.TianjinUniversityofTechnologyandEducation，Tianjin300222; 2.ChinaAutomobileTechnologyandResearchCenter,Tianjin300162

ESC, ETC and WHTC tests are conducted on three different makes of diesel engines with their particle number (PN) emission measured by using AVL489 particle counter, which meets the requirements of EURO-IV regulations for PN measurement. The results show that for different engines under different test cycles, the particle mass(PM)and PN emissions have rather high correlation. DOC+POC after-treatment can effectively reduce PN emissions. The PN emissions in hot start WHTC cycle are slightly higher than that in cold start cycle. The PN emissions go up with the increase of engine speed and load.

diesel engine；particle counter；particle number emission；tests

原稿收到日期为2015年4月27日，修改稿收到日期为2015年7月9日。