基于預判控制的部分流顆粒稀釋采樣系統研究

鄧力 朱紅國 王侃

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401120）

基于預判控制的部分流顆粒稀釋采樣系統研究

鄧力 朱紅國 王侃

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401120）

為了滿足重型柴油機國Ⅵ排放法規的新要求，對部分流顆粒稀釋系統采用預判控制，并進行WHTC瞬態試驗循環，同時與在線控制模式及全流稀釋取樣系統的結果進行比較。結果表明，基于預判控制的部分流系統能夠進行精確的比例取樣，與在線控制模式相比，采樣誤差減小了64.2%，且將采樣流量和排氣流量之間的相關系數提高到0.95以上。以全流稀釋取樣系統結果為基準，顆粒PM的測試精度提高了42.4%。

1 前言

柴油機顆粒排放是汽油機的30～60倍[1]。國內對于柴油機的顆粒檢測采用全流稀釋采樣和部分流稀釋采樣兩種方法[2]。全流稀釋采樣系統因結構復雜、體積大、價格高等原因而難以采用，部分流稀釋采樣系統因占地面積小、成本較低、操作方便等優點而得到充分發展[3]。部分流稀釋采樣系統在測量穩態工況時能與全流稀釋系統之間保持較好的相關性[4]。國內外的法規都已認可全流稀釋系統和部分流稀釋系統測量穩態工況時的發動機顆粒測量值[5～6]。

文獻[7]對穩態和瞬態試驗下顆粒物取樣方法規定全流稀釋采樣和部分流稀釋采樣均可采用。傳統的部分流顆粒稀釋采樣方法采用在線控制模式，但其受系統響應時間的限制，特別是在瞬態試驗時，由于發動機工況的快速變化，系統無法快速精確的控制取樣流量，測量結果不準確，且與全流稀釋系統的結果存在較大偏差。文獻[7]中還規定系統切換時間超過0.3 s的部分流稀釋系統需進行預判控制。近年來，國內外學者對部分流稀釋采樣方法進行了大量研究[8～9]，但對部分流稀釋系統的預判控制方面還研究較少。本文針對部分流顆粒稀釋系統，采用預判控制進行法規規定的瞬態循環試驗，并與在線控制模式的結果以及全流稀釋系統的結果進行比較。

2 試驗設備和試驗方法

2.1 部分流稀釋采樣系統

部分流稀釋采樣系統是指將發動機的一部分廢氣取到稀釋通道中，經潔凈的空氣稀釋后，再將該稀釋混合氣部分或全部通過濾紙，進而計算微粒排放量的測量系統。

試驗采用的部分流顆粒采樣設備為MDLT-1302TM，其原理如圖1所示，其中CFV為臨界流量文丘里管，VFM為文丘里流量計。系統通過控制稀釋混合排氣流量和稀釋空氣流量來達到控制采樣流量的目的。

圖1 MDLT-1302TM原理示意

試驗中采用定分割比的模式，原理為：

式中，Gexh為發動機排氣流量；Gtot為稀釋混合排氣流量；Gdil為稀釋空氣流量；r為分割比；Gsam為采樣流量。

顆粒物質量流量：

式中，mf為濾紙采樣的顆粒荷重；msep為通過濾紙的采樣混合氣質量；medf為等效稀釋混合氣的質量流量。

2.2 試驗發動機

試驗采用某直列4缸高壓共軌柴油發動機，其主要技術參數見表1。

表1 試驗發動機基本參數

2.3 測試條件控制

為真實反映發動機的顆粒物排放水平，在試驗過程中對測試邊界條件進行嚴格控制，信息見表2。

表2 測試邊界條件

2.4 試驗方法

部分流顆粒采樣系統通過控制安裝在采樣通道和PM濾架后的泵來控制稀釋混合排氣流量。由于移動大量空氣會產生較大慣量，所以使用大容量泵控制流量會不可避免帶來系統響應延遲。由于發動機排氣流量的快速變化，尤其是在瞬態試驗時，部分流顆粒采樣系統更需要精確控制采樣流量。

試驗時先進行預記錄試驗，獲得基于發動機排氣流信號的時間軌跡。根據試驗獲得的數據，以采樣流量為基準，對發動機排氣流量進行時間對齊，獲得部分流稀釋系統的預判控制值。預判控制原理如圖2所示。

圖2 預判控制原理

根據以上數據，在實際PM采樣時，系統采用延遲時間校正來達到精確控制采樣流量的目的。試驗流程圖如圖3所示。

圖3 試驗流程圖

3 試驗結果分析

3.1 在線控制模式分析

最新國Ⅵ標準征求意見稿中規定瞬態工況為全球統一瞬態試驗循環（World Harmonized Transient Cycle，WHTC）。部分流稀釋采樣系統的分割比設為500，用在線控制的模式進行該瞬態試驗。冷起動和熱起動測試循環的排氣流量和采樣流量變化圖如圖4所示。

根據排氣流量和采樣流量數據，對其進行相關性分析，如圖5所示。采樣誤差曲線如圖6所示。

由圖4～圖6可知，在線控制模式下，采樣流量的準確度較差，冷起動測試循環最大采樣誤差達到8.65%，熱起動測試循環最大采樣誤差達到7.84%，均不滿足準確度在±5%以內的要求。且冷起動時采樣流量對排氣流量的相關系數為0.942 3，熱起動時采樣流量對排氣流量的相關系數為0.943 6，均達不到標準中不小于0.95的要求。

圖4 在線控制WHTC流量變化

為了減小偶然誤差，重復進行3次WHTC循環，PM值分別為0.030 5 g/（kW·h）、0.029 7 g/（kW·h）、0.031 1 g/（kW·h）。

3.2 預判控制分析

3.2.1 預判控制

根據前述試驗方法，首先進行預記錄試驗，獲得排氣流量時間序列數據。排氣流量變化圖如圖7所示。

圖5 在線控制WHTC排氣流量與采樣流量相關性

圖6 在線控制WHTC采樣誤差

圖7 預記錄試驗排氣流量變化

根據預記錄的排氣流量數據，預判控制試驗時，邊界條件控制與在線控制時相同。根據試驗結果，分別分析冷起動測試循環和熱起動測試循環的排氣流量和采樣流量的相關性，如圖8所示。

圖8 預判控制WHTC排氣流量與采樣流量相關性

重復進行3次WHTC循環，試驗的PM值分別為0.021 9 g/（kW·h）、0.022 1 g/（kW·h）、0.021 4 g/（kW·h）。

3.2.2 與在線控制結果比較

根據在線控制和預判控制的測試結果，對冷起動測試循環和熱起動測試循環分別作采樣流量的誤差控制曲線，如圖9和圖10所示。

由上述分析可知，通過采用預判控制，冷起動測試循環最大采樣誤差減小到3.01%，減小了65.2%。熱起動測試循環最大采樣誤差減小到2.88%，減小了63.3%，采樣精度得到很大提高，且滿足法規±5%以內的要求。冷起動時采樣流量對排氣流量的相關系數為0.977 3，熱起動時采樣流量對排氣流量的相關系數為0.972 2，均達到了標準中不小于0.95的要求。

3.3 與全流系統結果比較

當量質量流量是影響顆粒物測量結果的主要因素之一，由于全流稀釋系統是將發動機的尾氣全部引入稀釋通道中，其當量質量流量理論上為一恒定常數，所以全流稀釋系統能夠得到較高的測量精度以及很高的重復性。為了更全面的分析預判控制對采樣精度的影響，將此發動機置于全流實驗室中重復進行3次WHTC測試，試驗的PM值分別為0.020 3 g/（kW·h）、0.020 8 g/（kW·h）、0.019 7 g/（kW·h）。顆粒測試結果對比圖如圖11所示。

圖9 冷起動循環采樣誤差對比

圖10 熱起動循環采樣誤差對比

圖11 PM測試結果對比

由圖11可知，部分流顆粒采樣系統采用預判控制后，顆粒物PM測試結果更接近全流稀釋采樣系統的測試結果，結果僅相差7.3%。以全流稀釋采樣系統為基準，顆粒采樣精度提高了42.4%。

4 結束語

通過對部分流稀釋采樣系統采用基于預記錄試驗的預判控制，分析了在線控制結果、預判控制結果并與全流稀釋采樣系統的結果進行了比較。對部分流顆粒采樣系統采用預判控制后，顆粒采樣誤差減小約64.2%。若以全流稀釋采樣系統為基準，顆粒PM測試精度提高42.4%，其測試結果與全流稀釋系統結果相差7.3%，提高了部分流采樣系統測試結果的可靠性。

1 王鳳濱，高俊華.全流CVS稀釋比對PM采樣影響的試驗研究.汽車技術，2011（4）：46～49

2 王巖.柴油機微粒測量系統分析：[學位論文].長春：吉林大學，2012.

3 劉坤.部分流等動態微粒采樣系統適用性評測及關鍵參數選取：[學位論文].長春：吉林大學，2015.

4 Stotler R，Human D.An ISO 8178 Correlation Study Between Raw and Dilute Exhaust Emission Sampling Systems.SAE Paper 952060,1995.

5 國家環境保護總局國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 17691—2005車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）.北京：中國環境科學出版社，2005.

6 國家環境保護部國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 20891—2014非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）.北京：中國環境科學出版社，2014.

7 國家環境保護部國家質量監督檢驗檢疫總局.車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國第六階段征求意見稿）.北京：國家環境保護部，2016.

8 Goto Y，Tsukamoto Y.PM Measurement with Partial Dilution Tunnel-Influence of Sampling Line on PM Measurement.Sae International Fall Fuelsamp;Lubricants Meetingamp;Exhibition，2001.

9 宮寶利，王志偉，蔣習軍，等.采樣方式對柴油機微粒排放測量的影響分析.汽車技術，2008（2）：43～45.

（責任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2017年6月1日。

Research on Partial Flow Dilution Sampling System Based on Predictive Control

Deng Li,Zhu Hongguo,Wang Kan
（China Automotive Engineering Research Institute Corporation Limited,Chongqing 401120）

In order to comply with the new requirements of heavy duty diesel engine China VI emission regulations on particle sampling system,predictive control was applied on partial-flow dilution system,and WHTC transient test cycles were conducted,that was compared with the results of the online control mode and the results of the full-flow dilution sampling system.The results show that the partial flow system based on the predictive control can make accurate sampling,and the sampling error is reduced by 64.2%compared with the online control mode,and the correlation coefficient between sampling flow and exhaust mass flow is increased to 0.95 or more.Based on the results of the full-flow dilution sampling system,the test accuracy of the particle PM is improved by 42.4%.

Diesel engine,Partial flow,PM,Predictivecontrol

柴油機 部分流 顆粒物 預判控制

U467.2 文獻標識碼：A 文章編號：1000-3703（2017）09-0058-05