车用柴油机微粒排放测量的稀释取样系统

该系统最重要的误差源是对分流比 r 的控制精 度 。从理论上讲只有等速探头和排气管之间的压差 为 0 时 ,才能保证分流比为常数 ;这要求有高精度压 力传感器及稳定的排气管压力 (排气管压力波动小
图 2 等速探头等比例取样系统
· 3 2 · 车 用 发 动 机 2002 年第 5 期
第 5 期 (总第 141 期) 2002 年 10 月
车 用 发 动 机 VEHICLE ENGINE
No
.
5 (Serial Oct
No. 141) . 2002
·测试技术与设备
车用柴油机微粒排放测量的稀释取样系统
方俊华1 , 刘忠长2 , 黄 震1 , 乔信起1
于 500 Pa) ,这都是很难实现的 。作为往复活塞式动 力机械的柴油机 ,其排气管压力波动是不可避免的 , 加装阻尼抑制排气波动往往又会造成 PM 额外的沉 积和影响柴油机的工作状态 。较成功的方法是日本 应用较多的多管式排气分割装置 。该系统另一主要 误差源是排气传输管中的热泳沉积 。与其他分流稀 释系统一样 ,热泳沉积效应造成的误差比全流稀释 系统的大 ,这是因为传输管中的断面周长比远小于 全流稀释系统中的断面周长比 。 该系统测量原理与全流稀释系统近似 ,可以进
性以及所测的 PM 排放评价指标的可比性 。20 世纪 80 年代 ,EPA 正式提出针对柴油机 PM 排放限值的 法规 ,并且在法规中要求对 PM 的测量采用全流稀 释取样系统 ; 随后其他各国也相继颁布了包括 PM 限值在内的排放法规 ,也采用稀释取样的方法 。由 于各自应用对象有所不同 ,国外柴油机生产 、研究单 位多是自己设计制造 PM 取样系统 ,这样就形成了 种类繁多的 PM 稀释取样系统[3 ,4 ,6～12 ] 。本文介绍 和讨论了世界上几种典型的且符合 ECE R49 法规 要求的 PM 稀释取样系统的设计方案及工作原理 。
(1. 上海交通大学内燃机研究所 , 上海 200030 ; 2. 吉林大学 , 吉林 长春 130025) 摘要 : 介绍了目前国内外用于柴油机排气微粒 (PM) 测试的稀释取样系统的工作原理 ,并对其优缺点进行了比 较 。全流稀释取样系统费用高 ,但能满足世界各国排放法规的要求 ,能对 PM 排放进行精确测量 ;部分流稀释取样 系统投资小 、应用广泛 。 关键词 : 柴油机 ; PM 排放 ; 测量 中图分类号 : TK421. 5 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 2222 (2002) 05 - 0030 - 04
[2 ] 刘忠长. 车用柴油机排气微粒的测试方法及排放规律 [D ] . 吉林工业大学 ,1997.
[3 ] David B Kittelson. Variability in Particle Emission Measure2 ments in the Heavy Duty Transient Test [ C ] . SAE Paper 910738 ,1991.
2 结束语
全流稀释取样系统体积大 ,制造成本高 ,使用费 用高 ,但测量精度高 ,可重复性好 ,能测量瞬态 PM 排放 。部分流稀释取样系统投资小 ,在对测量精度 要求不高的情况下 ,分流稀释取样系统能够满足 PM 测量的需要 ,在世界各国得到了广泛应用 。
参考文献 :
[1 ] Koji Yamane. Measurement of Particulate and Unburnt Hydro2 carbon Emissions from Diesel Engines [ C ] . SAE Paper 880343 ,1988.
[4 ] Nobuyoshi Hirakouchi. Measurement of Diesel Exhaust Emis2 sions with Mini2Dilution Tunnel[ C] . SAE Paper 890181 ,1989.
[ 5 ] De Petris C. Some Problems in the Improvement of Measurement of Transient Emissions[ C] . SAE Paper 941949 ,1994.
全流稀释取样系统既可测量柴油机稳态工况又 可测量瞬态工况下的 PM 浓度 ,能够满足各种排放 法规的要求 ;测量精度高 ,尤其当柴油机 PM 排放减 少到一定程度后 ,各种误差源对测量结果准确性的 影响将会更加显著 ,此时全流稀释系统精度高的优 点便得到更充分的体现 。但其设备庞大 ,制造和使 用成本高 ;一套设备不能满足各种排量柴油机的测
柴油机排气 PM 包含以 C 元素为主的碳烟 、未 氧化或未完全氧化的 HC、硫酸盐以及与硫酸盐结合 的水和其它杂质[1] 。许多国家和地区都制定了控制 柴油机 PM 排放的法规 。由美国环境保护局 ( EPA) 提出并被各国公认的柴油机 PM 的定义为 “: 稀释到 51. 7 ℃以下的柴油机排气流过带有碳氟化合物涂 层的玻璃纤维滤纸或以碳氟化合物为基的薄膜滤纸 时 ,被滤纸过滤下来的所有物质”。因此 ,测量 PM 需要对排气进行稀释 ,然后再用滤纸取样 。稀释的 目的是通过低温的稀释空气将排气中可能进行的化 学反应终止 ,也是对汽车排气排出后被大气稀释的 一种模拟[2] 。排气被稀释后 ,部分气态未燃烃会凝 结 ,成为 PM 的一部分 。因此 ,可以说稀释是柴油机 排气 PM 测量的核心 ,直接影响测量的准确性 、重复
DR
=
M D IL MDIL - MAIR
,
(2)
式中 : MDIL ———稀释排气质量流量 ,kg/ h ; MAIR ———稀释空气质量流量 ,kg/ h 。
该系统尺寸小 ,易于移动 ,投资少 ,适用于各种 排量的发动机 ,取样量大 ,测量迅速 ;但因稀释比的 测量精度与仪表精度有关 ,需要高精度流量计 。稀 释排气要混合均匀 ,稀释通道内需要较高流速以产 生紊流 ,而滤纸表面速度又不能太高 ,这两者之间存 在矛盾 。因此只能采用小直径的稀释通道 ,采用较 大直径的滤纸 。前者会导致 PM 壁面沉积相对增 大 ,后者给测定滤纸捕集的 PM 质量带来困难 。 1. 4 测量 CO2 或 NOx 浓度的分流稀释部分取样系 统
和传输管传送至稀释通道 ,稀释排气全部流经取样 滤纸 ,其中的 PM 被取样滤纸收集 , 所以称为全取 样 。发动机排气从排气管经取样探头和排气引入管 传送至稀释通道 ,通过稀释通道的总流量由流量控 制器和 PM 取样系统的取样风机进行调节 ,用排气 流量作为控制信号 ;稀释空气流量由流量控制器和 压气机调节 ,由流量测量装置测量稀释空气流量 。 总流量用 PM 取样系统的流量测量装置测量 。稀释 比 DR 由这两种流量决定 ,即
[ CO2 ]AIR [ CO2 ]AIR
,
(3)
式中 : [ CO2 ] EXH ———柴油机排气中 CO2 湿基体积浓 度;
[ CO2 ]DIL ———稀释排气中 CO2 湿基体积浓度 ; [ CO2 ]AIR ———稀释空气中 CO2 湿基体积浓度 。 测量 CO2 或 NO x 浓度的分流稀释部分取样系 统适用于不同排量的发动机 ,精度高 ;但因配有 CO2 分析仪 ,设备成本略高 。
2002 年 10 月 方俊华 , 等 : 车用柴油机微粒排放测量的稀释取样系统 · 3 1 ·
合 ,采用定容泵或临界流文氏管测量稀释排气流量 , 采用热交换器对稀释排气进行温度控制以确保密度 恒定 (见图 1) 。因为要稀释全部排气 ,若直接稀释 到 52 ℃以下 ,则通道尺寸过大 ,稀释空气需求量大 , 难以实现 。通常采用二级稀释的方法 ,从全流稀释 系统的稀释通道中取出一部分稀释排气 ,经由 PM 取样探头和稀释排气取样管至二次稀释通道 ,再进 行一次稀释后全部被滤纸过滤器过滤 ;一般要求一 级稀释排气稀释到低于 191 ℃,二级稀释再将其稀 释到低于 52 ℃。在 PM 测量过程中 ,全流稀释取样 系统的主要误差源有两种 。一种是测量系统对发动 机的工作状态的干扰 ,稀释空气在稀释通道流动会 造成排气出口的压力下降 ,影响发动机工作状态 ,从 而影响了 PM 的排放量 ;这需要在选择稀释通道尺 寸和流量时予以考虑 ,这种压降控制在允许范围内 。 第二种误差源自 PM 在各种管路中的热泳沉积 ,这 种热泳沉积现象将随介质与管壁温差增大而增加 , 随 PM 浓度增加而加强 ,故对有些管路应采取绝热 措施[5 ] 。
1 PM 稀释取样系统
1. 1 全流稀释系统 发动机排气全部引入稀释通道与稀 释 空气混
图 1 全流稀释系统
收稿日期 : 2002 - 02 - 27 ; 修回日期 : 2002 - 07 - 05 作者简介 : 方俊华 (1974 - ) ,男 ,湖北省仙桃市人 ,博士研究生 ,研究方向为内燃机燃烧与排放控制.
如图 4 所示 ,发动机排气从排气管通过取样探 头和排气引入管传送到稀释通道 ,排气分析仪用来 测量发动机排气和稀释排气以及稀释空气中的 CO2 或 NOx 浓度 ,浓度信号传给流量控制器以控制压气 机或风机 ,来保证所要求的排气分流和稀释通道内 的稀释比 。稀释比计算见式 (3) 。
DR
=
[ CO2 ] EXH [ CO2 ]DIL -
量由流量测量装置测定 ,稀释比由稀释空气流量和
分流比计算 。该系统的稀释比为 :
DR
=
r ·M EXH + MAIR r ·M EXH
,
(1)
式中 : M EXH ——— 发动机排气的质量流量 ,kg/ h ; MAIR ——— 稀释空气的质量流量 ,kg/ h ; r ——— 分流比 ,即探头与排气管截面积 比。
[6 ] Engeljehringer K, Schindler W. Experiences with a Mini2Dilu2 tion System for Engine Homologation and Development [ C ] . SAE Paper 942428 ,1994.
发动机排气由等速探头从排气管经排气引入管源自文库
引至稀释通道 ,排气管和进入探头内的排气压差用
压力传感器测量 ,信号传递至流量控制器控制风机
以保持探头顶端与排气管内的压差为 0 (见图 2) 。
此时 ,排气管和等速探头内的排气流速相等 ,则流经
等速探头的排气与柴油机排气成一定比例 ;分流比
由排气管和等速探头的横断面积决定 ,稀释空气流
图 3 分流稀释全部取样系统
图 4 测量 CO2 或 NOx 浓度的分流稀释部分取样系统
2002 年 10 月 方俊华 , 等 : 车用柴油机微粒排放测量的稀释取样系统 · 3 3 ·
1. 3 分流稀释全取样系统 如图 3 所示 ,发动机排气从排气管经取样探头
试要求 ,因为该系统的总流量受控于定容泵或临界
流文氏管 ,稀释能力是一定的 ,对于过大排量的柴油
机没有能力将其排气稀释到规定的温度 ,对过小排
量的柴油机则会造成排气背压下降过大 。为此 ,对
不同排量范围的柴油机应采用不同尺寸的全流稀释
取样系统 ,这就进一步增加了设备投资量 。
1. 2 等速探头等比例取样系统
行柴油机瞬态工况 PM 测量 ,尺寸小 ,成本低 ; 但实 现等速取样即分流比 r 不变的技术难度大 ,易出现 大的测量误差 。多管或排气分割装置不能覆盖各种 排量柴油机的 PM 测量 。最小尺寸受排气背压要求 的限制 ,最大尺寸受最小流速大于 10 m/ s (除怠速 工况) 要求的限制 。对不同排量的柴油机 ,要设计不 同尺寸的排气分割装置 ,加上该系统需要排气稳压 箱 ,导致设备投资较其他分流式稀释取样系统大 。 大的技术难度和较大的测量误差是等速探头分流稀 释系统的主要问题 。