微碳烟颗粒物分析仪测量柴油机颗粒物的应用

解瀚光++于津涛++李梁

摘 要：伴随排放法规的日渐严苛，试验标定过程需要实时获得颗粒物排放结果。本文通过分析微碳烟颗粒物分析仪原理，提出使用此分析仪测量颗粒物排放浓度并进行换算，实时获得排放法规要求的比功率排放值的计算方法，辅助称重法实现实时测量发动机颗粒物排放性能的需求，并通过非道路稳态循环（NRSC）和非道路瞬态循环（NRTC）对计算方法进行验证，试验证明此计算方法与称重法测量结果偏差可保持在较小范围内，可以进行试验应用。

关键词：光声法；颗粒物；试验分析；计算方法

中图分类号：U473.9 文献标识码：A 文章编号：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

吉林大學汽车工程学院，硕士研究生学历，现任中国汽车汽车技术研究中心助理工程师，主要研究方向为发动机排放台架试验。

绪 论：

2015年11月26日北京市环保局发布了《重型车用压燃式、气体燃料点燃式发动机排放污染物排放限值及测量方法（北京第VI阶段）（征求意见稿）》[1]，简称“京Ⅵ”法规，该法规预计于2017年12月正式实施，其中稳态循环颗粒物的排放限值由国五阶段20mg/kwh下降为10mg/kwh，限值降幅高达50%。伴随颗粒物排放限值的再次加严，不仅对各汽车企业研发过程中发动机颗粒物控制技术提出更高要求，也对发动机标定及测试过程中颗粒物检测方法的精确性和实时性提出更高要求。同时，在DB11-965[2]中提出车载法测量发动机排放方法，并在重型车用发动机于汽车车载测量方法及排放限值的国标征求意见稿中提出结合光声法测量仪器和滤纸法结合计算各工况颗粒物排放的方法。

本文通过使用AVL公司生产的483微碳烟分析仪测量结果研究光声法测量发动机排放颗粒物比排放量的计算方法，与通过AVL 478部分流颗粒物分析仪（下文简称AVL 478）得到的称重法结果进行比较，验证该计算分析方法结果的有效性、精确度和一致性。

1 分析仪原理及分析

1.1 分析仪原理

AVL 483采用光声法测量颗粒物浓度，光声法原理为物质受到电磁辐射后，在无辐射驰豫过程中， 将吸收的光能几乎全部转化成热能，从而产生一系列光热效应。光声光谱分析是基于物质的光热效应建立起来的一种光谱分析方法，具有较高的灵敏度和广泛的应用性。能用于气体、液体和固体等不同形态样品的光谱分析和弱吸收测定[3]。

气体的光声效应可以分为三步：1、气体吸收特定波长的调制光光子，处于激发态；2、样品气体通过分子间碰撞以热的方式释放吸收的能量，使得气体受热；3、受热气体膨胀产生热声波。光声法测量颗粒物是利用光声效应来实现对颗粒物的检测[4] 。

光声法在气体分析中运用已较为成熟。原理如图1所示：

1.2 光声法与稀释采样称重法对比分析

法规试验中常用排放颗粒物采样方式为滤纸称重法，该方法首先通过全流稀释系统或部分流稀释系统按一定稀释比稀释发动机排气，并在规定温度下将稀释后的气体通过规定大小的滤纸从而达到颗粒物收集的目的，此方法具有99%以上的采集效率，采集结果稳定；缺点在于不可实时测量，仪器设备昂贵，更适用于循环总排放量的计算，但对于标定研发具有一定的局限性。

通过光声法通过微碳烟分析仪可以实时测量发动机排气中的炭烟体积浓度，具有更强的时效性，更有利于分析各工况实时炭烟排放水平。但由于发动机排放物需流经测量室，这一过程会导致颗粒物测量存在一定的不确定因素，例如沉积等，同时由于测量方式的不同，需要将测量数据通过修正计算以获得与颗粒称重法相同结果。

因此，如何将二者进行准确的换算至关重要，本文提出一种将微碳烟分析仪测量体积浓度换算为法规要求比功率排放量的计算方法，并通过试验结果对该换算方法进行验证。

2 比排放量计算方法

2.1 计算方法原理

根据设备原理，试验仪器可以测量排气中炭烟的体积浓度（mg/m3），该浓度测量温度为仪器试验舱内温度，首先需转换为排气状态下体积浓度，与排气体积相乘可得到炭烟总排放质量，除以测量过程发动机所做功即可得到炭烟在该公况下的总排放量。

2.2 计算方法

正如上文所述，由于排气需经过测量室，而测量气体温度的变化会导致热泳沉积，此现象对于颗粒物的浓度具有较大影响。根据ISO8178-1-2006，需将颗粒物浓度根据进出口温度进行修正，修正公式见式1：

Ci=（ ）0.38×Ce （式1）

式中：Ce：出口颗粒浓度（mg/m3）

Ci：进口颗粒浓度（mg/m3 ）

Te：气体出口温度（k）

Ti：气体进口温度（k）

出口温度为设备经仪器的保温管后到达仪器测量室的温度，进口温度为发动机排气在测量点的温度。此公式可以将测量点的体积浓度修正为排气中的炭烟体积浓度。

之后通过式2，将体积浓度转化为炭烟的质量流量。

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

式中：Vflow_SOOT为炭烟的质量流量（mg/h）；

Vflow_airin为进气的质量流量（kg/h）；

Vflow_fuel为燃料的质量流量（kg/h）；

ρCe为气体标准密度（kg/m3）。

以上公式中进气流量和燃料流量均可通过试验实际测量，气体密度为20℃时的标准密度。

最后通过式3，将质量流量除以该点的功率则可获得该测量点的比排放。

esoot =Vflow_SOOT / P （式3）

式中：esoot 为炭烟的比排放（mg/kwh）；

P为测量时刻发动机的功率（kW）。

4 试验验证

4.1 试验用仪器设备及发动机

试验用发动机选用某非道路三缸柴油机，前期试验验证排放水平可达到GB20891非道路四阶段限值要求，发动机参数见表1。试验测试系统选择AVL部分流稀释排放测试系统（AVL 478）和光声法微碳烟测量仪（AVL 483），测试系统基本参数见表2：

4.2 试验方案

试验选择GB20891—2014中规定的非道路稳态循环（NRSC）（见表3）和非道路瞬态循环（MRTC）[6]，试验过程中颗粒物的滤纸采样和微碳烟分析仪测量同时进行。首先分工况进行NRSC，各工况时间为30分钟，最后10分钟进行颗粒物采样，同时进行600s光声法测量，测量频率1Hz，取测量结果平均值，并通过上文换算方法进行排放结果换算，对比分析各工况二者测量结果差别，最后对总排放量结果进行分析；同时通过NRTC结果验证，分析上文换算方法对于瞬态工况的有效性。

4.3 试验结果分析

根據法规试验通过多滤纸法收集发动机NRSC循环除怠速外七工况颗粒物排放数据及光声法各工况试验数据根据上文方法进行计算，对比分析二者差值百分比，试验结果见图1。由图1可见，二者结果趋势相同，同时，在第三工况和第五工况微碳烟分析仪测量计算值略高于部分流稀释采样所得数据，其他点低于称重法所得数据，但二者在各工况偏差均小于10%，差值最大为第三工况相差8%。

进一步对二者进行相关性分析，如图2所示，两种测量方式所得结果相关系数为0.9989，可以观察到，通过上文换算方法，二者结果几乎无差异，划算方法具有较高的实用价值。

通过加权各工况结果，计算得循环比排放值见表4，部分流采样结果与微碳烟分析仪采样结果相差仅为1.2%，以上结果说明上文换算方法对于稳态工况具有可行性，可作为计算发动机颗粒物排放的参考。

之后进行NRTC试验，首先观察微碳烟分析仪测量结果（见图3），根据逐秒记录结果，可以清晰的观察到各工况的炭烟排放水平，以此结果为依据可以更准确的掌握发动机的颗粒物排放情况。

通过五组NRTC瞬态工况结果对比，验证瞬态工况时以上计算方法的有效性，结果见图4。从图中可以观察到，五组循环试验微碳烟分析仪换算结果均略大于部分流采样结果，且测量结果均可保持在18～20mg/kWh范围内，与称重法采样结果差值均可保持在5%范围以内，五组数据未出现超过排放限值现象。以上现象说明上文换算方法可作为瞬态工况颗粒物结果参考。

5 总结

本文通过分析微碳烟分析仪测量炭烟排放的原理，提出关于该分析仪测量结果换算方法。

使用该计算方法与NRSC分滤纸法称重测量颗粒物排放结果进行对比，各工况均可保持偏差在10%以内，且趋势相同。

同时通过NRTC瞬态循环验证上文计算方法对于瞬态工况的准确度，通过验证，偏差可保持在5%以内，证明该计算方法对于瞬态时颗粒物测量结果的换算具有实用价值。

本文还验证了光声法与称重法结果具有较强一致性，可通过光声法和称重法的配合得到更准确的各工况颗粒物排放结果。

参考文献：

[1]重型车用压燃式、气体燃料点燃式发动机排放污染物排放限值及测量方法（北京第 VI 阶段）.北京市环保局， 2015.

[2]DB11/965-2013重型汽车排气污染物排放限值及测量方法（车载法）. 北京：中国环境科学出版社， 2013.

[3]魏墨盦， 钱梦騄. 光声效应及其应用[J]. 应用声学， 1984， 04：5-11.

[4]张望. 光声光谱微量气体检测技术及其应用研究[D].大连理工大学， 2010.

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

[6]GB20891-2014 非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段）.环境保护部. 2014

逯海：

传统的柴油机排放颗粒物测量方法采用滤纸法，以滤纸颗粒物质量为试验结果，瞬态过程的累计质量常规设备难以完成。文章以AVL 478和AVL 483测量系统，在试验过程中颗粒物的滤纸采样和微碳烟分析仪同时进行测量，并通过换算方法进行排放颗粒物结果换算，对比分析二者测量结果差别，最后对总排放量结果进行分析，分析结果表明换算方法对于瞬态工况的有效性。两种测量方式所得结果相关系数为0.9989，计算方法具有较高的实用价值，可作为柴油机发动机颗粒排放物瞬时值和累积值，为产品研发过程试验数据参考。建议推荐发表。