不同烟度测试方法在发动机排放测量中的应用

李昂 于津涛 解瀚光

（中国汽车技术研究中心）

颗粒物是影响大气环境的重要因素。一方面，颗粒物中的碳黑物质对可见光及红外光的吸收是造成全球气候变暖的重要影响因素之一；另一方面，颗粒物对人类健康有着很大的影响[1]。我国机动车排放已成为大气环境中颗粒物的主要来源，而其中，柴油机颗粒物排放占机动车总排放的99%以上，因此国家在制定法规的过程中不断降低颗粒物的排放限值，降低颗粒物排放一直是发动机生产厂试验的重中之重。研发试验中一般采用烟度的测量来指示颗粒物的排放量，基于过滤黑度法的烟度仪已被广泛应用于发动机排气碳烟的测量；不透光烟度计也广泛应用于法规试验和瞬态标定过程，而关于声光法测量烟度的应用在国内还很少，文章分别采用3种烟度计测量了同一台发动机的碳烟排放情况，并与全流定容稀释颗粒采样结果进行了比较。

1 测试方法

文献[2]中的颗粒物是指在温度不超过52℃的稀释排气中，由规定的过滤介质上收集到的所有物质，主要由碳烟颗粒、可溶性有机物（SOF）、硫酸盐和灰烬4个部分构成。SOF主要由未燃燃油和润滑油等成分组成，颗粒物中SOF的体积质量与油品成分和发动机工况等有密切的相关性。灰烬主要来源于机油窜入燃烧室后形成的燃烧产物以及发动机摩擦副磨损后形成的磨屑，主要由金属 Fe，Cr，Cu，Zn，Ca 等和少量非金属元素组成[3]。图1示出典型柴油机排气微粒各组分质量分数示意图。

图1 典型柴油机排气微粒各组分质量分数示意图

碳烟是内燃机未完全燃烧的产物之一，是颗粒物的重要组成部分，利用碳烟对可见光的吸收和反射特性来进行定义，常用的测量方法有光学方法（主要包括过滤黑度法和测量消光度2种类型）和声光法。过滤黑度法主要利用了碳烟对光的吸收特性，是一种间接的碳烟测量方法，结果以滤纸式烟度值（FSN）和波许烟度值（Rb）来表征[4]；声光法是一种直接测量碳烟的方法，通过利用激光对碳烟进行加热，并检测碳烟受热膨胀产生的声波来获得碳烟的质量浓度。现阶段的烟度计主要有3种。

1.1 滤纸式烟度计（AVL415S）

滤纸式烟度计测量原理：将一定容量的废气通过滤纸，使碳烟积存在滤纸上，在100 kPa，25℃，有效烟柱长度为405 mm时，FSN=滤纸黑度（PB），通过光电检测仪器测出被染黑滤纸的碳粒吸光率，以此代表排气烟度。

1.2 不透光烟度计（AVL439）

不透光烟度计测量原理：测量光穿过被测的具有一定长度的废气后到达接收器的那部分光与入射光的比例，从而确定废气的不透光特性。不透光烟度计基本原理是根据比尔-兰勃特（Beer-Lambert）定律。通常用测定光吸收系数（单位为m-1）或不透光度（单位为%）表示排气烟度。

1.3 声光法烟度计（AVL483 MSS）

声光法烟度计测量原理：声光法是一种直接测量烟度的方法，将光源发出的光进行强度调制，变成具有恒定频率的方波，特定波长的光会被光谱吸收峰相同的分子吸收并转化为热能，使气体温度升高，气压升高，而光强是周期性调制的，因此会产生一个同步的压力波，这种光声信号由微音器接收并转化为电信号，分析该电信号来获得碳烟的质量浓度[5]。

1.4 全流定容稀释采样

颗粒物测量需要稀释系统，稀释系统的流量能力应满足完全消除水在稀释和取样系统中的凝结，并使紧靠滤纸保持架上游处的稀释排气温度≤52℃。要求采用带碳氟化合物涂层的玻璃纤维滤纸或以碳氟化合物为基体的薄膜滤纸。所有滤纸类型都应满足当通过滤纸的气体迎面速度为35～80 cm/s时，对颗粒直径为0.3 μm的DOP（邻二甲酸二辛脂）的采集效率应至少为99%。由该种滤纸收集到的所有物质，采用称重法测量滤纸的结果。

2 试验部分

试验采用一台直列4缸增压中冷高压共轨柴油机，使用国V柴油。发动机样品参数，如表1所示。试验设备及相关参数，如表2所示。试验设备布置，如图2所示。

表1 发动机样品参数表

表2 不同烟度测量设备参数表

图2 不同烟度测试设备布置示意图

试验分为稳态试验和瞬态试验，稳态试验为发动机万有特性试验，瞬态试验为热态WHTC试验，与全流的比对试验分别采用了ETC及WHTC的瞬态循环工况。

3 结果分析

3.1 AVL 415S与AVL 483 MSS（稳态）

为了比较AVL 415S与AVL 483 MSS的测量结果能否反映出发动机碳烟的排放特性，对所选发动机使用AVL 415S与AVL 483 MSS分别测量了排气烟度。AVL 415S测量的碳烟结果可以通过式（1）[6]转换成碳烟的质量浓度。

式中：C——碳烟质量浓度，mg/m3。

图3示出使用AVL415S与AVL483MSS分别测量的发动机在低转速（1 000 r/min）、中转速（2 200 r/min）和高转速（3400r/min）不同负荷下的碳烟质量浓度对比。

图3 2种烟度计在不同转速下测量的碳烟质量浓度对比

从图3中可以看出，发动机在3种转速下AVL 415S与AVL 483 MSS的测量结果表现出相同的变化趋势，但是在高碳烟排放工况下，2种测量方法误差较大，AVL 415S测量结果较AVL 483 MSS明显偏大，中低转速高碳烟排放区的偏差可达30%，高转速的碳烟排放一致性较好。这主要是因为发动机排气颗粒物主要由碳烟和SOF两部分组成，其中SOF对光有一定吸收作用，而SOF也会被滤纸收集，因此在SOF体积质量较高时将对AVL 415S烟度计测得的烟度值产生一定影响，而AVL483 MSS由于测量手段的原因，只会测量颗粒中的碳烟成分，不会受到其他成分的影响，因此造成二者测量结果的不同。

图4示出通过AVL 415S与AVL 483 MSS测量的碳烟质量浓度结果的相关性。2种碳烟质量浓度的线性相关系数的平方R2=0.992 4>0.95，表明这2种结果具有很好的线性相关性，测量的碳烟质量浓度能够很好地表现出发动机稳态工况的碳烟排放特性。

图4 滤纸式与声光法烟度计的碳烟质量浓度结果相关性拟合曲线

3.2 AVL 483 MSS与AVL 439（瞬态）

大的颗粒物排放一般发生在瞬态工况，由于AVL 415S的测量原理为累计测量，无法实时给出碳烟排放结果，因此常使用AVL439进行发动机瞬态排放烟度的测量及法规试验。由于AVL439的“零点”通常由100%的透射光强度指示，碳烟是由光强的衰减计算的，当有效光路长度为430 mm时，质量浓度为0.3 mg/m3的碳烟只能产生0.1%的光吸收率[6]。在日益严格的排放法规下，为了标定发动机瞬态碳烟排放，使用的光源必须稳定在光吸收率为0.01%的级别上，所以AVL 439无法在低碳烟质量浓度区间给出较准确的测量结果。因此，文章对比AVL 483 MSS和AVL 439测量了发动机进行热态WHTC试验循环的瞬态数据，如图5所示。

图5 热态WHTC循环中2种烟度计测量值

从图5可以看出，2种测量方法的结果具有相同的变化趋势，说明2种测量方法均能反映出发动机的瞬态烟度排放特性。在发动机工况的变化过程中，AVL 439测量的结果受设备检测原理的限制，无法进行定量分析。在实际试验过程中，二者均可用于瞬态碳烟排放标定试验，而AVL439广泛用于进行烟度相关的法规试验，如GB 17691中规定的负荷烟度（ELR）试验、GB 3847中规定的全负荷烟度试验和自由加速烟度试验。

3.3 AVL 483 MSS与定容颗粒采样

定容取样系统（CVS）按流量测量方法的不同，常分为用临界文丘里管（CFV）进行流量控制的CFV-CVS及用容积泵（PDP）进行流量控制的PDP-CVS，当前应用较多的瞬态排放取样系统是CFV-CVS，但CVS由于自身体积较大，且价格高昂，使用限制很大。

为验证烟度计积分测量得到的碳烟排放与颗粒物排放量的相关性，分别使用AVL483 MSS与全流稀释颗粒采样系统进行了多次ETC试验及冷态和热态WHTC试验，结果如图6所示。由图6可知，碳烟排放与颗粒物排放具有良好的相关性，其相关系数R2=0.985 9，且由于排除了试验过程中人为因素的不确定度，使得测量结果一致性更好，适用于标定试验过程中的法规循环验证及受空间限制等因素无法使用滤纸称重法进行颗粒物测量的情况，如PEMS试验等。

图6 全流稀释与声光法颗粒物比排放量相关性拟合曲线

4 结论

1）碳烟作为颗粒物的重要组成部分，降低其排放是柴油机标定试验中重要的组成部分，通过不同的测试方法可以提高测试精度及测试条件。

2）在稳态工况下，AVL 415S与AVL 483 MSS具有很好的相关性，两者皆可用于发动机稳态工况的碳烟排放测量，而AVL439由于无法定量给出颗粒质量浓度，且长时间测量需要定期吹扫，故不常用于稳态工况测量试验。

3）在瞬态工况下，AVL 483 MSS与AVL 439具有相同的变化趋势，均可用于瞬态工况碳烟排放的测量，AVL 439具有更快的响应时间，但却无法找到与颗粒物质量的简单对应关系，因此AVL483 MSS更适用于发动机瞬态工况的碳烟排放测量，AVL 439更多应用于法规试验，AVL415S无法应用于瞬态工况测量。

4）AVL 483 MSS测得的碳烟排放量与称重法测得的颗粒物排放量有较好的相关性，因此可应用于瞬态工况的颗粒物测量，可在一定程度上替代滤纸称重法来测定法规循环的颗粒物排放。