基于预判控制的部分流颗粒稀释采样系统研究

邓力 朱红国 王侃

（中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401120）

基于预判控制的部分流颗粒稀释采样系统研究

邓力 朱红国 王侃

（中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401120）

为了满足重型柴油机国Ⅵ排放法规的新要求，对部分流颗粒稀释系统采用预判控制，并进行WHTC瞬态试验循环，同时与在线控制模式及全流稀释取样系统的结果进行比较。结果表明，基于预判控制的部分流系统能够进行精确的比例取样，与在线控制模式相比，采样误差减小了64.2%，且将采样流量和排气流量之间的相关系数提高到0.95以上。以全流稀释取样系统结果为基准，颗粒PM的测试精度提高了42.4%。

1 前言

柴油机颗粒排放是汽油机的30～60倍[1]。国内对于柴油机的颗粒检测采用全流稀释采样和部分流稀释采样两种方法[2]。全流稀释采样系统因结构复杂、体积大、价格高等原因而难以采用，部分流稀释采样系统因占地面积小、成本较低、操作方便等优点而得到充分发展[3]。部分流稀释采样系统在测量稳态工况时能与全流稀释系统之间保持较好的相关性[4]。国内外的法规都已认可全流稀释系统和部分流稀释系统测量稳态工况时的发动机颗粒测量值[5～6]。

文献[7]对稳态和瞬态试验下颗粒物取样方法规定全流稀释采样和部分流稀释采样均可采用。传统的部分流颗粒稀释采样方法采用在线控制模式，但其受系统响应时间的限制，特别是在瞬态试验时，由于发动机工况的快速变化，系统无法快速精确的控制取样流量，测量结果不准确，且与全流稀释系统的结果存在较大偏差。文献[7]中还规定系统切换时间超过0.3 s的部分流稀释系统需进行预判控制。近年来，国内外学者对部分流稀释采样方法进行了大量研究[8～9]，但对部分流稀释系统的预判控制方面还研究较少。本文针对部分流颗粒稀释系统，采用预判控制进行法规规定的瞬态循环试验，并与在线控制模式的结果以及全流稀释系统的结果进行比较。

2 试验设备和试验方法

2.1 部分流稀释采样系统

部分流稀释采样系统是指将发动机的一部分废气取到稀释通道中，经洁净的空气稀释后，再将该稀释混合气部分或全部通过滤纸，进而计算微粒排放量的测量系统。

试验采用的部分流颗粒采样设备为MDLT-1302TM，其原理如图1所示，其中CFV为临界流量文丘里管，VFM为文丘里流量计。系统通过控制稀释混合排气流量和稀释空气流量来达到控制采样流量的目的。

图1 MDLT-1302TM原理示意

试验中采用定分割比的模式，原理为：

式中，Gexh为发动机排气流量；Gtot为稀释混合排气流量；Gdil为稀释空气流量；r为分割比；Gsam为采样流量。

颗粒物质量流量：

式中，mf为滤纸采样的颗粒荷重；msep为通过滤纸的采样混合气质量；medf为等效稀释混合气的质量流量。

2.2 试验发动机

试验采用某直列4缸高压共轨柴油发动机，其主要技术参数见表1。

表1 试验发动机基本参数

2.3 测试条件控制

为真实反映发动机的颗粒物排放水平，在试验过程中对测试边界条件进行严格控制，信息见表2。

表2 测试边界条件

2.4 试验方法

部分流颗粒采样系统通过控制安装在采样通道和PM滤架后的泵来控制稀释混合排气流量。由于移动大量空气会产生较大惯量，所以使用大容量泵控制流量会不可避免带来系统响应延迟。由于发动机排气流量的快速变化，尤其是在瞬态试验时，部分流颗粒采样系统更需要精确控制采样流量。

试验时先进行预记录试验，获得基于发动机排气流信号的时间轨迹。根据试验获得的数据，以采样流量为基准，对发动机排气流量进行时间对齐，获得部分流稀释系统的预判控制值。预判控制原理如图2所示。

图2 预判控制原理

根据以上数据，在实际PM采样时，系统采用延迟时间校正来达到精确控制采样流量的目的。试验流程图如图3所示。

图3 试验流程图

3 试验结果分析

3.1 在线控制模式分析

最新国Ⅵ标准征求意见稿中规定瞬态工况为全球统一瞬态试验循环（World Harmonized Transient Cycle，WHTC）。部分流稀释采样系统的分割比设为500，用在线控制的模式进行该瞬态试验。冷起动和热起动测试循环的排气流量和采样流量变化图如图4所示。

根据排气流量和采样流量数据，对其进行相关性分析，如图5所示。采样误差曲线如图6所示。

由图4～图6可知，在线控制模式下，采样流量的准确度较差，冷起动测试循环最大采样误差达到8.65%，热起动测试循环最大采样误差达到7.84%，均不满足准确度在±5%以内的要求。且冷起动时采样流量对排气流量的相关系数为0.942 3，热起动时采样流量对排气流量的相关系数为0.943 6，均达不到标准中不小于0.95的要求。

图4 在线控制WHTC流量变化

为了减小偶然误差，重复进行3次WHTC循环，PM值分别为0.030 5 g/（kW·h）、0.029 7 g/（kW·h）、0.031 1 g/（kW·h）。

3.2 预判控制分析

3.2.1 预判控制

根据前述试验方法，首先进行预记录试验，获得排气流量时间序列数据。排气流量变化图如图7所示。

图5 在线控制WHTC排气流量与采样流量相关性

图6 在线控制WHTC采样误差

图7 预记录试验排气流量变化

根据预记录的排气流量数据，预判控制试验时，边界条件控制与在线控制时相同。根据试验结果，分别分析冷起动测试循环和热起动测试循环的排气流量和采样流量的相关性，如图8所示。

图8 预判控制WHTC排气流量与采样流量相关性

重复进行3次WHTC循环，试验的PM值分别为0.021 9 g/（kW·h）、0.022 1 g/（kW·h）、0.021 4 g/（kW·h）。

3.2.2 与在线控制结果比较

根据在线控制和预判控制的测试结果，对冷起动测试循环和热起动测试循环分别作采样流量的误差控制曲线，如图9和图10所示。

由上述分析可知，通过采用预判控制，冷起动测试循环最大采样误差减小到3.01%，减小了65.2%。热起动测试循环最大采样误差减小到2.88%，减小了63.3%，采样精度得到很大提高，且满足法规±5%以内的要求。冷起动时采样流量对排气流量的相关系数为0.977 3，热起动时采样流量对排气流量的相关系数为0.972 2，均达到了标准中不小于0.95的要求。

3.3 与全流系统结果比较

当量质量流量是影响颗粒物测量结果的主要因素之一，由于全流稀释系统是将发动机的尾气全部引入稀释通道中，其当量质量流量理论上为一恒定常数，所以全流稀释系统能够得到较高的测量精度以及很高的重复性。为了更全面的分析预判控制对采样精度的影响，将此发动机置于全流实验室中重复进行3次WHTC测试，试验的PM值分别为0.020 3 g/（kW·h）、0.020 8 g/（kW·h）、0.019 7 g/（kW·h）。颗粒测试结果对比图如图11所示。

图9 冷起动循环采样误差对比

图10 热起动循环采样误差对比

图11 PM测试结果对比

由图11可知，部分流颗粒采样系统采用预判控制后，颗粒物PM测试结果更接近全流稀释采样系统的测试结果，结果仅相差7.3%。以全流稀释采样系统为基准，颗粒采样精度提高了42.4%。

4 结束语

通过对部分流稀释采样系统采用基于预记录试验的预判控制，分析了在线控制结果、预判控制结果并与全流稀释采样系统的结果进行了比较。对部分流颗粒采样系统采用预判控制后，颗粒采样误差减小约64.2%。若以全流稀释采样系统为基准，颗粒PM测试精度提高42.4%，其测试结果与全流稀释系统结果相差7.3%，提高了部分流采样系统测试结果的可靠性。

1 王凤滨，高俊华.全流CVS稀释比对PM采样影响的试验研究.汽车技术，2011（4）：46～49

2 王岩.柴油机微粒测量系统分析：[学位论文].长春：吉林大学，2012.

3 刘坤.部分流等动态微粒采样系统适用性评测及关键参数选取：[学位论文].长春：吉林大学，2015.

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

5 国家环境保护总局国家质量监督检验检疫总局.GB/T 17691—2005车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）.北京：中国环境科学出版社，2005.

6 国家环境保护部国家质量监督检验检疫总局.GB/T 20891—2014非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）.北京：中国环境科学出版社，2014.

7 国家环境保护部国家质量监督检验检疫总局.车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段征求意见稿）.北京：国家环境保护部，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 宫宝利，王志伟，蒋习军，等.采样方式对柴油机微粒排放测量的影响分析.汽车技术，2008（2）：43～45.

（责任编辑 晨 曦）

修改稿收到日期为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

柴油机 部分流 颗粒物 预判控制

U467.2 文献标识码：A 文章编号：1000-3703（2017）09-0058-05