使用固体颗粒数测试系统调查颗粒排放量特性

作者：浅野一郎    来源：汽车制造业

欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... HORIBA工作小组针对日益引起社会关注的颗粒物排放危害健康的问题，研究开发了PMP推荐规格基础上的测量固体颗粒数的测量设备MEXA-1000SPCS。通过装载DPF和未装载DPF的柴油车以及装载了催化装置的汽油车的测试，该测量设备符合PMP的推荐流量，性能也充分满足了要求，具有很高的潜在性能。 汽车尾气污染会引起支气管和呼吸器官疾病，危害人体健康，因此引起了社会各界对汽车尾气中的粒径和颗粒排放量的关注。在这种背景下，联合国欧洲经济委员会车辆结构工作组（UN/ECE/WP29）和污染与能源工作组（GRPE）联合制定了颗粒物测量计划（Particulate Measurement Program，PMP），对于颗粒及颗粒物质的测试方法提出了建议方案。 针对这一建议方案，HORIBA开发小组研究开发了PMP推荐规格基础上测量固体颗粒数的测量设备MEXA-1 000SPCS，并使用该测量设备对于整车（搭载排放后处理装置）排放出的颗粒特性进行了试验研究。试验整车分别为装载柴油颗粒过滤器（DPF）和未装载柴油颗粒过滤器的直喷式（DI）柴油车，以及装载氧化催化装置、NOx还原催化装置的直喷式汽油车。试验结果表明，该测量设备在测试DPF柴油车和汽油车的低排放颗粒数时具有很高的潜在性能。 固体颗粒数测量设备的概述 PMP在ECE规定R83的改定方案中指出了“排除尾气中的挥发性颗粒，测量固体颗粒数浓度”的测量方法。颗粒数测量系统由分级器（PCF）、加热稀释器（PND1）、蒸发管 （ET）、稀释冷却器 （PND2）及颗粒数计数器（PNC）组成（见图1）。以整车尾气作为采样气，采样气通过稀释通道进行稀释，并在分级器里排除掉粗大颗粒。为防止形成新的挥发性颗粒，加热稀释器用150℃以上的加热空气来稀释排气，然后用加热到300～400℃的蒸发管蒸发处理现有的挥发性颗粒。随后用稀释冷却器降低挥发性气体浓度，防止颗粒冷凝现象。此稀释过程最大程度地减少了由于热泳而引起的颗粒损失。最后用浓缩颗粒数计数器测量固体颗粒的浓度。 试验整车及试验方法 下表所示为试验整车的基本配置。试验对象为未装载DPF的DI柴油车（Non-DPF）、装载DPF的DI柴油车 （DDPF-1、DDPF-2及DDPF-3）以及DI汽油车 （DIG）。试验周期设定为新欧洲测试循环（New European Driving Cycle，NEDC），以热启动或者冷启动进行试验。此次试验分别在几个不同的试验设施里进行，为了尽量弥补不同的试验条件，试验之前对整车进行了充分地调整。在冷启动试验中，进行整车预前调整后，在固定条件下放置近5h以上。排气通过全流稀释通道后经过稀释处理，然后使用固体颗粒数测量设备测量颗粒排放量。 各种整车的试验结果 1.装载DPF的整车和未装载DPF的整车比较 试验整车的发动机规格几乎相同，并使用同样的设备进行了NEDC （热启动）运转，排气采样时的稀释条件相同。 图2上图为Non-DPF排放出的在线固体颗粒数浓度值（稀释后）。可以看出其排放出的颗粒数非常多，而且排放特性受到整车行驶模式的影响，即加速时颗粒物增加数达到高峰，特别是在高速EUDC阶段（后800s以后）中排放出极多的颗粒数。在EUDC阶段中，稀释排气中的颗粒数浓度瞬间数值达到3.0 × 108 个/cm3。 图2中图表示DDPF-2 排气稀释后的颗粒数浓度。可以看出从此整车中排放出的颗粒数非常少，明显的排放高峰期为最初的200s之间和高速行驶后1 100s左右，颗粒数浓度全过程均为1.0 × 104个/cm3以下。 图2下图以累积颗粒排放比率显示了排放特性。可以看出，DDPF-2累积颗粒排放比率以直线增加，排放颗粒数在试验周期内均为稳定。此种排放倾向显示：极少量的颗粒在排气管内受断续压力变动的影响，可以穿透DPF。另外，Non-DPF的累积颗粒排放比率在试验周期的ECE模式中（开始800s内），其排放量为DDPF-2的一半，在EUDC后期高速加速行驶中急剧增加。由此得出结论：Non-DPF发动机的运转条件直接影响累积颗粒排放比率，在高载荷、高速条件下排放更多颗粒数。 2.DPF类型比较 在试验全过程运行NEDC（冷启动），但是分析图中显示的数值，试验效果显著的过程为试验开始前600s期间。 图3的前3条曲线表示各试验整车的瞬间固体颗粒排放量。其中，DDPF-1的固体颗粒排放量集中在最初200s期间；DDPF-2及DDPF-3的固体颗粒排放量在最初200s期间比DDPF-1少，但是经过200s后持续排出，虽然此时数据不显示，但是在试验全周期中各试验整车颗粒排放数均为相同。 图3最后的曲线表示从各试验整车的瞬间排放颗粒数中计算出的累积颗粒排放比率。可以看出DDPF-1在试验最初的200s期间排放了80%的全排放颗粒数，而DDPF-2和DDPF-3在200s内只排放了30%～50%的全排放颗粒数，明显有相差。 3.影响DPF再生的调查报告 图4显示了在试验中运行DPF的再生机构，DPF的再生中和再生后颗粒排放特性的连续评价结果。试验整车为DDPF-2，热启动运行NEDC。首先在DPF再生之前先试验一次，然后第二次试验中在EUDC模式中强制开始再生，然后连续4次进行热启动试验（最后两次的试验数据省略）。 图4上图为EUDC模式中开始了DPF再生时的颗粒排放特性，可以看出DPF再生中排放非常多的颗粒数。图4中图为DPF再生之后的结果，由此观察到再生后的第一次试验中排放多数的颗粒，此颗粒数浓度比通常搭载DPF的浓度高2位数。再生后第二次试验中（图4下图）颗粒数减少很多，并恢复不到再生前的颗粒数。此后进行了第三次和第四次试验，排出颗粒数减少到再生前同样程度。 图5为同一试验的全试验周期中的平均颗粒数浓度和DPF的估计捕捉率。DPF的捕集率为假设Non-DPF的排放颗粒数（实际测量值）和DDPF-2的DPF入口的颗粒数相同而计算出的数值。由此可以看出，经过DPF再生，一度增加的平均颗粒浓度，随着试验次数的增多又急速减少。通过第四次试验颗粒平均浓度、捕集率都恢复到原来程度，其后过程都很稳定。 在DPF中，颗粒一般先在壁面细孔上堆积，然后经过移动，PM堆积成阶段状态，在细孔上形成颗粒结块。PM层的有无会极大影响DPF中PM的捕集能力，可推测出通过DPF再生其PM层被净化，会引起捕捉效率恶化。这个试验过程中的DPF再生平均颗粒排量数约为Non-DPF的20%，比DPF再生前增加了200倍，这种现象说明颗粒结块直接影响PM的捕集。 4.评价直喷式汽车 图6为装载DPF的DI柴油车 （DDPF-1）和DI汽油车 （DIG） 的颗粒排放工况的比较图。试验使用同样设备，用NEDC （冷启动） 运转。图6上图和中图显示DDPF-1和DIG的瞬时颗粒排放浓度。试验周期的最初阶段排放浓度非常高，但是此后急速下降；相反DIG的颗粒数浓度在整个试验周期中一直较高。结果显示，DDPF-1的颗粒总排放量比DIG整车的排放量低。图6下图为累积颗粒排放量的排放特性。 DDPF-1在整个试验周期的前200s内排放约80%的排放量，相比DIG曲线，试验开始阶段曲线接近直线，到一定时间变为曲线，排放量等量增加。由此可知，如果要改善颗粒排放量，最好在DDPF-1的最初200s内进行相应调整措施，但是对DIG而言则必须要考虑整个试验过程。 5.试验整车整体比较 图7为整车行驶1km时的颗粒排放数。DDPF-1、DDPF-2 和DDPF-3的排放量均约为1 011个/km，DIG的颗粒排放量比柴油车高2位数，而且Non-DPF的颗粒排放量极其多。 结论 1.NEDC （热启动） 试验中，不搭载DPF的直喷柴油车排放大量颗粒颗粒，相反，搭载DPF的直喷柴油车的颗粒排放量极少。 2.同样搭载DPF的直喷柴油车，后处理装置的有无对颗粒的排量特性有很大的区别。 3.DPF进行再生时，搭载DPF的整车也排放不搭载DPF整车的近20%颗粒数。DPF进行再生后，随着重复试验，颗粒排放量也急速减少，到进行第4试验时几乎稳定下来。 4.NEDC （冷启动）试验中，搭载DPF的直喷柴油车在试验最初200s内排放大部分的颗粒，但是直喷式汽车在整个试验周期中持续排放颗粒物质。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/5/2008)