顆粒計數器一級稀釋比對顆粒數濃度測量結果 一致性影響的研究

盧占領，范振陽，江堯，丁旭

（中汽研汽車檢驗中心（寧波）有限公司，浙江 寧波 315336）

前言

國六排放法規增加了對顆粒物PN 的測試要求，為滿足法規要求，重型柴油機一般需要配備DPF，這顯著降低了尾氣中的顆粒物濃度水平，對測量儀器的分辨率和精度提出了更高的要求，同時也對檢測機構的測量結果的準確性和一致性提出了更高的要求。

重型柴油機國六排放法規GB 17691-2018 對粒子數量排放測量設備作了相關規定，即“初級粒子數稀釋裝置（PND1）稀釋系數能從10 倍到200 倍之間調節，次級粒子數稀釋裝置（PND2）的稀釋系數應在10 倍到15 倍之間選擇，使其下游的粒子數濃度低于粒子計數器中單個顆粒計數模塊的上限，并使進入粒子計數器之前的氣體溫度低于35°C。”[1]因此在試驗時需要根據發動機PN 的排放水平選取足夠精度的測試設備和不同的稀釋比（PDN1、PND2）。

由于法規定的稀釋比倍數的選擇比較寬泛，因此在測試過程中PND1、PND2 的選擇存在一定的主觀性。由于PN 的測量結果受稀釋比的影響[2-5]，為保證法規認證的準確性和一致性，本文對顆粒計數器稀釋倍數對測量結果的影響開展試驗研究。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

本文以某型國五發動機為研究對象，后處理型式為SCR，具體參數見表1。為模擬國六發動機的PN 排放特性，在SCR之后加裝DPF。試驗采用HORIBA HD460 交流電力測功機、MEXA7200D 排氣分析儀、SPCS2000 顆粒計數器和7400TCVS定容取樣系統，顆粒計數器從稀釋通道取樣。SPCS2000 顆粒計數器的檢測范圍0-50000#/cm3，分辨率為0.01#/cm3。

表1 發動機基本參數

試驗過程中，邊界條件的設定如下表2 所示。

表2 發動機試驗參數

1.2 試驗方法

SPCS2000 顆粒計數器的二級稀釋比PND2 為固定值15，控制發動機邊界條件相同，顆粒計數器的一級稀釋比PND1從10、20、50、100、200 的變化，探究不同的PDN1 對PN測試結果的影響，測試結果以修正后的數值進行比較。

表3 不同稀釋比下PCRF 數值

本文所用的顆粒計數器的PCRF 修正系數如上表3 所示。

2 試驗結果與分析

2.1 原排PN 一致性研究

將顆粒計數器的一級稀釋比PND1 設置為100，去掉DPF換成等粗直管，對原排的PN 進行3 次熱態WHTC 試驗，測量結果如表4 所示，三次測量結果的最大偏差在1%以內，因此，可以認為該機型的原排的PN 排放是穩定的。

表4 熱態WHTC 循環下發動機原排中PN 排放的一致性

2.2 系統排PN 一致性的研究

在SCR 后加裝DPF，將顆粒計數器的一級稀釋比PND1設置為10，對系統排PN 進行3 次熱態WHTC 循環，測量結果如表5 所示，三次測量結果的最大偏差在1%以內，因此，可以認為該機型系統排PN 數目是穩定的。

表5 熱態WHTC 循環發動機系統排中PN 排放的一致性

2.3 PDN1 對原排PN 測量結果的影響

控制發動機邊界條件相同，不加裝DPF，一級稀釋比PND1 從10、20、50、100、200 依次變化，研究不同的PND1對原排穩態點、瞬態循環下PN 測量結果一致性的影響。

2.3.1 PDN1 對穩態點原排PN 測量結果的影響

選取1200rpm、600Nm 為研究工況點，發動機充分運轉，機油溫度、中冷后進氣溫度、發動機出水溫度變化小于1℃。每個稀釋比下穩定5min，測量1min，測量3 次取平均值，不同PND1 下穩態點的原排PN 測量結果如表6 所示。

表6 穩態點下不同PND1 的原排PN 測量結果

分析表6，5 種不同的PND1 下，該穩態點修正后的PN數濃度的最大偏差為6.8%，考慮到法規對粒子數量計數器（PNC）的測量精度要求，即在全流條件下工作，從 1cm-3 到單個顆粒計數模塊上限的范圍內，計數精度為±10%。因此可以認為PND1 對穩態點的原排PN 測量結果無明顯影響。

2.3.2 PND1 對熱態WHTC 循環原排PN 測量結果的影響

發動機測試邊界條件相同，顆粒計數器PDN1 依次設置為10、50、100、200，進行4 次熱態WHTC 試驗，測試結果如表7 所示，4 次熱態WHTC 的PN 循環比排放量最大偏差為3.7%。因此可以認為PND1 的變化對熱態WHTC 循環原排PN 測量結果無明顯影響。

表7 不同PND1 下熱態WHTC 循環原排PN 的測量結果

2.4 PDN1 對系統排PN 測量結果的影響

控制發動機邊界條件相同，在SCR 后加裝DPF，一級稀釋比PND1 從10、20、50、100、200 依次變化，研究不同的PND1 對發動機穩態點、瞬態循環下系統排PN 測量結果的影響。

2.4.1 PDN1 對穩態點系統排PN 測量結果的影響

選取1200rpm、600Nm 作為研究工況點，發動機充分運轉，機油溫度、中冷后進氣溫度、發動機出水溫度變化小于1℃。每個稀釋比下穩定5min，測量1min，測量3 次取平均值，不同PND1 下穩態點的系統排PN 測量結果如表8、圖1 所示。

表8 不同PND1 下穩態點系統排PN 的測量結果

圖1 系統排穩態點PN 數濃度隨PND1 變化圖

結合表8 和圖1 分析可知，DPF 的加裝顯著降低了尾氣中的PN 的數量，對于同一穩態工況點，隨著稀釋比的增大，修正后的PN 數濃度逐漸增大；在PND1 為10、20、50 時，偏差較小，約為3.7%，偏差在儀器設備的測量精度范圍內；但在PND1 超過50 之后偏差顯著增大，PND1 為200 時測得的修正后PN 數濃度最大，其結果是最小值的2.2 倍，測量結果出現嚴重偏差。分析其原因，隨著稀釋比的增大，PN的循環平均數濃度由1.91#/cm3，降到0.21#/cm3，接近該顆粒計數器的檢測下限0.01#/cm3，導致測量結果的不確定度增加，測量結果出現嚴重偏差。

2.4.2 PDN1 對熱態WHTC 循環系統排PN 測量結果的影響

分別設置為顆粒計數器的PDN1 為10、20、50、100、200，發動機在不同條件下進行5 次熱態WHTC 循環試驗，系統排PN 測量結果如表9 和圖2 所示。

表9 PND1 對熱態WHTC 循環原排PN 測量結果的影響

圖2 系統排熱態WHTC 循環下PN 隨PND1 變化圖

結合表9 和圖2 分析可知，隨著稀釋比的增加，熱態WHTC 循環的PN 循環比排放量逐漸增加，PND1 為10、20時測量結果偏差較小，約為1%，偏差在儀器設備的測量精度范圍內；但在PND1 超過20 之后測量結果著增大，最大值是最小值的3.3 倍，測量結果發生嚴重偏差。雖然該樣氣的最低PN 濃度為0.23#/cm3，高于試驗用的顆粒計數器的分辨率0.01#/cm3，但在顆粒物數濃度較低的情況下，顆粒計數器采用較大的稀釋比會引起測量不確定增加，導致測量結果嚴重失真。

3 結論

本文以某重型柴油發動機為研究對象，探究了顆粒計數器不同一級比對顆粒數濃度測量結果一致性的影響。具體結論如下：

（1）對于未加裝DPF 的柴油發動機，由于尾氣中的顆粒數濃度較高，因此顆粒計數器的稀釋比對最終排放結果的一致性影響較小。

（2）對于加裝DPF 的柴油發動機，由于尾氣中的顆粒數濃度顯著降低， 當顆粒計數器的稀釋比增大到顆粒數濃度接近設備檢測下限時，測量結果會出現嚴重偏差。

因此在實際試驗過程中，PND1 的選擇既要滿足法規低于測量上限和入口溫度低于35℃的要求，也要盡量高于檢測下限。此外，目前顆粒物數濃度的測量與PM、氣態污染物耦合，均從CVS 通道取樣，但隨著法規的加嚴，尤其是加裝DPF 后，發動機尾氣中的顆粒數大大降低，因此需要提高設備的檢測精度，或者探究從排氣管直接取樣以提高檢測的一致性。