柴油機排氣污染物預測模型及顆粒測量系統(tǒng)的研究.pdf

1、顆粒和NOx排放是柴油機最重要的排氣污染物，柴油機顆粒主要是由碳煙、有機物HC和硫酸鹽等組成。隨著柴油機顆粒排放減小，測試設備測量的顆粒重復性和再現(xiàn)性都變差。在燃燒、膨脹、排氣及從排氣口到稀釋通道的傳輸管及稀釋過程中，柴油機顆粒中的有機物成分一直在進行一系列的成核、積聚、凝結(jié)等物理和化學反應，并使顆粒的尺寸、形狀及質(zhì)量一直變化，導致顆粒測量的穩(wěn)定性極差。因此研究分析顆粒測量過程中所涉及的不確定性因素對于顆粒測試設備設計、顆粒測量和柴油機

2、排放改進十分必要。
　　 本文主要圍繞柴油機顆粒測量及排放預測做了如下工作:
　　 1.柴油機排放預測模型的研究
　　 偏最小二乘回歸集多元線性回歸分析、典型相關分析和主成分分析的基本功能為一體，在經(jīng)濟統(tǒng)計、化工和化學分析、生命科學等領域得到較好的應用。偏最小二乘回歸也需對模型進行優(yōu)化，去除對因變量不顯著的因素以提高回歸模型的可靠性和預測精度。采用交叉舍一方法，計算出每個自變量參數(shù)的回歸系數(shù)和變動方差，可以判斷自

3、變量因素是否顯著。首先優(yōu)化自變量主因素，以逐步回歸方法逐步選擇對模型影響最大的自變量因素。然后再逐步增加交叉項和二次項因素，可以得到預測性能最佳的偏最小二乘回歸模型。
　　 應用PLS方法建立了一臺高壓共軌TCI柴油機NOx排放和最高爆發(fā)壓力pz的回歸模型，模型物理意義明確、預測精度良好，可以大幅降低發(fā)動機NOx和pz標定工作量。
　　 對一臺TCI柴油機ESC循環(huán)排放實驗中的NOx和Rb排放的重復性進行了詳細研究，建立

4、了基于PLS回歸的NOx和Rb的預測模型。NOx的主要影響因素是發(fā)動機負荷、空氣流量，每工況測量變動的主要影響因素為中冷前空氣溫度、中冷后空氣溫度和排氣背壓等參數(shù);Rb的主要影響因素是油耗率和排氣溫度，工況變動的主要影響因素是油耗量。
　　 顆粒測量的影響因素眾多，影響最大的參數(shù)分別為稀釋比、濾紙荷重和排氣流量。分流稀釋系統(tǒng)稀釋比對顆粒測量影響很大，利用CO2示蹤氣體計算的稀釋比精度一般好于用質(zhì)量流量計等測量的質(zhì)量流量計算的稀釋

5、比精度，而CO2的測量精度又取決于CO2分析儀線性化后的線性度。利用偏最小二乘方法(PLS)對CO2分析儀的線性化進行研究，結(jié)果表明采用PLS方法的發(fā)動機排氣分析儀線性化模型預測效果良好，比最小二乘法(LS)模型和Chebyshev(切氏)模型的預測精度分別提高35.1％和39.3％，可以有效提高稀釋比的計算精度。
　　 2.柴油機顆粒測量不確定性的研究
　　 柴油機排氣顆粒的直徑范圍大約為3～300nm，偶然有從排氣管

6、路內(nèi)壁上脫落的極大顆粒再進入到排氣氣流中，其直徑一般為1～10μm。在從排氣管到采樣濾紙整個過程中，顆粒質(zhì)量的主要損失是熱泳沉積損失，其他損失諸如布朗擴散損失、紊流慣性損失、慣性沉積和靜電損失影響不大。排氣中的有機成分也經(jīng)歷冷凝、凝結(jié)、揮發(fā)等變化，對顆粒測量的不確定性產(chǎn)生極大影響。
　　 通過一簡單的飽和比模型，分析了稀釋比、廢氣入口溫度、廢氣有機物濃度、稀釋空氣溫度、混合氣溫度等參數(shù)對C25飽和比的影響，提出了臨界稀釋比概念。

7、當實際稀釋比小于臨界稀釋比時，飽和比、SOF顆粒及總顆粒測量值隨稀釋比增加而增加;而當實際稀釋比高于臨界稀釋比時，飽和比、SOF顆粒及總顆粒測量值隨稀釋比增加而減小;而當實際稀釋比在臨界稀釋比附近變化時，稀釋比對飽和比和顆粒測量值的影響并不顯著。廢氣溫度較高時的臨界稀釋比較大，而廢氣溫度較低時的臨界稀釋比較小。稀釋比對顆粒測量值的影響與發(fā)動機負荷及排氣溫度有關，不能一概而論。
　　 在排氣管和排氣傳輸管管壁上沉積的碳煙顆粒和SO

8、F顆粒是影響顆粒測量重復性的重要原因。管壁上沉積顆粒的成分和數(shù)量與史前柴油機運行工況和排放水平有關。柴油機顆粒測量工況不同，管壁沉積顆粒對顆粒測量結(jié)果的影響也不同，關鍵因素就是傳輸管內(nèi)氣體和管壁溫度。如果管內(nèi)氣體和管壁溫度較高，沉積在傳輸管壁面上的SOF顆粒會揮發(fā)重新進入排氣氣流中，隨后冷卻、稀釋后又重新冷凝成為SOF顆粒，因而顆粒測量值增加;如果管內(nèi)氣體和壁溫溫度較低，氣體中有機物會繼續(xù)沉積到傳輸管管壁上，則顆粒測量值會降低。

9、　　 在顆粒測量開始前進行充分的預熱是減小顆粒測量變動的重要措施，預熱溫度必須足夠高，傳輸管出口溫度需超過425℃，并持續(xù)足夠長時間，保證沉積在傳輸管管壁上的SOF顆粒揮發(fā)完畢。
　　 對于低排放柴油機，稀釋空氣背景顆粒在濾紙荷重中的比例大幅提高，國Ⅳ柴油機ESC循環(huán)時，其背景顆粒的比例高達27～60％。而背景顆粒受稀釋空氣、稀釋通道內(nèi)壁沉積等影響而有一定的變動，相應影響顆粒測量值的變動。CVS系統(tǒng)二級稀釋空氣的背景顆粒遠高于

10、一級稀釋空氣背景顆粒，降低二級顆?？諝獾谋尘邦w粒并保持穩(wěn)定是改善顆粒測量穩(wěn)定性的重要措施。一些分流稀釋系統(tǒng)利用實驗室壓縮空氣作為稀釋空氣，降低稀釋空氣的顆粒水平更加重要。自主開發(fā)的SDPM分流稀釋顆粒測量系統(tǒng)，利用實驗室通風系統(tǒng)的新風作為稀釋空氣，其背景顆粒基本穩(wěn)定。
　　 影響顆粒測量穩(wěn)定性的另一重要因素是氣相可溶性成分在吸附到濾紙表面后仍繼續(xù)吸附/揮發(fā)，濾紙表面溫度對這一效應影響顯著。對于低排放柴油機，第二濾紙本身只能起到收

11、集氣相HC的作用，因此利用第二片濾紙對第一片濾紙進行荷重修正，去除第1片紙吸附的氣相有機物，這樣顆粒測量的穩(wěn)定性會有一定提高。
　　 通過實驗研究了眾多因素對顆粒測量的影響。濾紙采樣時間增加，迎面速度提高，SOF和PM顆粒測量值減小;濾紙調(diào)制濕度增加，濾紙更容易吸附混合氣中的水分，ISOF顆粒測量值增加;CVS總流量對顆粒的影響與實際稀釋比相對于臨界稀釋比的位置有關;濾紙前溫度提高，吸附到濾紙上的有機物會減少。
　　 實

12、驗研究了發(fā)動機控制參數(shù)對氣體和顆粒排放測量值的影響。進氣溫度升高，進氣量和空燃比減小，NOx排放降低而CO、煙度和顆粒排放升高;中冷后溫度提高，燃燒最高溫度提高，NOx排放提高。而由于燃燒速度加快，燃燒比較完全，HC、CO和煙度都有所降低;中冷器阻力增加，空燃比減小，由于缺氧導致NOx排放降低，煙度和顆粒增加;排氣背壓增加，增壓器轉(zhuǎn)速降低，空燃比減小，缸內(nèi)廢氣系數(shù)增加并導致燃燒速度降低、燃燒不完全，NOx排放減小而CO、煙度和顆粒增加。

13、國Ⅲ和國Ⅳ燃油對比表明，NOx排放變化不大，而國Ⅳ燃油的顆粒排放下降較多。在顆?？偱欧泡^低時，燃油中硫產(chǎn)生的硫酸鹽比例增加，燃油含硫量對顆粒測量的影響提高。
　　 3.分流稀釋顆粒測量系統(tǒng)的開發(fā)研究
　　 在深入研究國內(nèi)外文獻資料的基礎上，研制了一臺穩(wěn)態(tài)工況顆粒測量的SDPM部分流稀釋顆粒測量系統(tǒng)，具有尺寸小、造價低、使用方便、顆粒測量精度等優(yōu)點，與CVS全流稀釋系統(tǒng)的相關性很高;采用高、低量程的兩臺不分光式CO2分析儀

14、，分別測量柴油機原始排氣和稀釋空氣、稀釋混合氣的CO2濃度，稀釋比和顆粒比排放的測量精度高;采用兩路采樣系統(tǒng)，減小由于偶然顆粒再入造成的顆粒測量誤差;靈活的人機界面，使用方便靈活。
　　 SDPM與CVS全流稀釋系統(tǒng)、AVL SPC472進行了大量的比對實驗。SDPM系統(tǒng)對國0～國Ⅲ樣機顆粒測量值的波動系數(shù)(Coefficient of Variance，COV)約1.2～5.8％，國Ⅳ樣機的COV平均為10％，與CVS相當，優(yōu)

15、于472。改進優(yōu)化后的SDPM系統(tǒng)測量的顆粒排放與CVS全流稀釋系統(tǒng)線性相關良好，其回歸方程的有效確定系數(shù)(R-Square)高達0.9988。
　　 4.可變抽氣容積煙度計的開發(fā)
　　 自主研制了一套可變抽氣容積的煙度計取樣系統(tǒng)，用該系統(tǒng)測量柴油機煙度的精度較高，可以適用于低排放柴油機煙度測量。測量波動隨著抽氣容積增大而減小，表明測量精度隨著抽氣容積增大而提高。設計了一套大容量抽氣體積的標定方法，該方法簡單、實用、可靠