颗粒计数器一级稀释比对颗粒数浓度测量结果 一致性影响的研究

卢占领，范振阳，江尧，丁旭

（中汽研汽车检验中心（宁波）有限公司，浙江 宁波 315336）

前言

国六排放法规增加了对颗粒物PN 的测试要求，为满足法规要求，重型柴油机一般需要配备DPF，这显著降低了尾气中的颗粒物浓度水平，对测量仪器的分辨率和精度提出了更高的要求，同时也对检测机构的测量结果的准确性和一致性提出了更高的要求。

重型柴油机国六排放法规GB 17691-2018 对粒子数量排放测量设备作了相关规定，即“初级粒子数稀释装置（PND1）稀释系数能从10 倍到200 倍之间调节，次级粒子数稀释装置（PND2）的稀释系数应在10 倍到15 倍之间选择，使其下游的粒子数浓度低于粒子计数器中单个颗粒计数模块的上限，并使进入粒子计数器之前的气体温度低于35°C。”[1]因此在试验时需要根据发动机PN 的排放水平选取足够精度的测试设备和不同的稀释比（PDN1、PND2）。

由于法规定的稀释比倍数的选择比较宽泛，因此在测试过程中PND1、PND2 的选择存在一定的主观性。由于PN 的测量结果受稀释比的影响[2-5]，为保证法规认证的准确性和一致性，本文对颗粒计数器稀释倍数对测量结果的影响开展试验研究。

1 试验装置与方法

1.1 试验装置

本文以某型国五发动机为研究对象，后处理型式为SCR，具体参数见表1。为模拟国六发动机的PN 排放特性，在SCR之后加装DPF。试验采用HORIBA HD460 交流电力测功机、MEXA7200D 排气分析仪、SPCS2000 颗粒计数器和7400TCVS定容取样系统，颗粒计数器从稀释通道取样。SPCS2000 颗粒计数器的检测范围0-50000#/cm3，分辨率为0.01#/cm3。

表1 发动机基本参数

试验过程中，边界条件的设定如下表2 所示。

表2 发动机试验参数

1.2 试验方法

SPCS2000 颗粒计数器的二级稀释比PND2 为固定值15，控制发动机边界条件相同，颗粒计数器的一级稀释比PND1从10、20、50、100、200 的变化，探究不同的PDN1 对PN测试结果的影响，测试结果以修正后的数值进行比较。

表3 不同稀释比下PCRF 数值

本文所用的颗粒计数器的PCRF 修正系数如上表3 所示。

2 试验结果与分析

2.1 原排PN 一致性研究

将颗粒计数器的一级稀释比PND1 设置为100，去掉DPF换成等粗直管，对原排的PN 进行3 次热态WHTC 试验，测量结果如表4 所示，三次测量结果的最大偏差在1%以内，因此，可以认为该机型的原排的PN 排放是稳定的。

表4 热态WHTC 循环下发动机原排中PN 排放的一致性

2.2 系统排PN 一致性的研究

在SCR 后加装DPF，将颗粒计数器的一级稀释比PND1设置为10，对系统排PN 进行3 次热态WHTC 循环，测量结果如表5 所示，三次测量结果的最大偏差在1%以内，因此，可以认为该机型系统排PN 数目是稳定的。

表5 热态WHTC 循环发动机系统排中PN 排放的一致性

2.3 PDN1 对原排PN 测量结果的影响

控制发动机边界条件相同，不加装DPF，一级稀释比PND1 从10、20、50、100、200 依次变化，研究不同的PND1对原排稳态点、瞬态循环下PN 测量结果一致性的影响。

2.3.1 PDN1 对稳态点原排PN 测量结果的影响

选取1200rpm、600Nm 为研究工况点，发动机充分运转，机油温度、中冷后进气温度、发动机出水温度变化小于1℃。每个稀释比下稳定5min，测量1min，测量3 次取平均值，不同PND1 下稳态点的原排PN 测量结果如表6 所示。

表6 稳态点下不同PND1 的原排PN 测量结果

分析表6，5 种不同的PND1 下，该稳态点修正后的PN数浓度的最大偏差为6.8%，考虑到法规对粒子数量计数器（PNC）的测量精度要求，即在全流条件下工作，从 1cm-3 到单个颗粒计数模块上限的范围内，计数精度为±10%。因此可以认为PND1 对稳态点的原排PN 测量结果无明显影响。

2.3.2 PND1 对热态WHTC 循环原排PN 测量结果的影响

发动机测试边界条件相同，颗粒计数器PDN1 依次设置为10、50、100、200，进行4 次热态WHTC 试验，测试结果如表7 所示，4 次热态WHTC 的PN 循环比排放量最大偏差为3.7%。因此可以认为PND1 的变化对热态WHTC 循环原排PN 测量结果无明显影响。

表7 不同PND1 下热态WHTC 循环原排PN 的测量结果

2.4 PDN1 对系统排PN 测量结果的影响

控制发动机边界条件相同，在SCR 后加装DPF，一级稀释比PND1 从10、20、50、100、200 依次变化，研究不同的PND1 对发动机稳态点、瞬态循环下系统排PN 测量结果的影响。

2.4.1 PDN1 对稳态点系统排PN 测量结果的影响

选取1200rpm、600Nm 作为研究工况点，发动机充分运转，机油温度、中冷后进气温度、发动机出水温度变化小于1℃。每个稀释比下稳定5min，测量1min，测量3 次取平均值，不同PND1 下稳态点的系统排PN 测量结果如表8、图1 所示。

表8 不同PND1 下稳态点系统排PN 的测量结果

图1 系统排稳态点PN 数浓度随PND1 变化图

结合表8 和图1 分析可知，DPF 的加装显著降低了尾气中的PN 的数量，对于同一稳态工况点，随着稀释比的增大，修正后的PN 数浓度逐渐增大；在PND1 为10、20、50 时，偏差较小，约为3.7%，偏差在仪器设备的测量精度范围内；但在PND1 超过50 之后偏差显著增大，PND1 为200 时测得的修正后PN 数浓度最大，其结果是最小值的2.2 倍，测量结果出现严重偏差。分析其原因，随着稀释比的增大，PN的循环平均数浓度由1.91#/cm3，降到0.21#/cm3，接近该颗粒计数器的检测下限0.01#/cm3，导致测量结果的不确定度增加，测量结果出现严重偏差。

2.4.2 PDN1 对热态WHTC 循环系统排PN 测量结果的影响

分别设置为颗粒计数器的PDN1 为10、20、50、100、200，发动机在不同条件下进行5 次热态WHTC 循环试验，系统排PN 测量结果如表9 和图2 所示。

表9 PND1 对热态WHTC 循环原排PN 测量结果的影响

图2 系统排热态WHTC 循环下PN 随PND1 变化图

结合表9 和图2 分析可知，随着稀释比的增加，热态WHTC 循环的PN 循环比排放量逐渐增加，PND1 为10、20时测量结果偏差较小，约为1%，偏差在仪器设备的测量精度范围内；但在PND1 超过20 之后测量结果著增大，最大值是最小值的3.3 倍，测量结果发生严重偏差。虽然该样气的最低PN 浓度为0.23#/cm3，高于试验用的颗粒计数器的分辨率0.01#/cm3，但在颗粒物数浓度较低的情况下，颗粒计数器采用较大的稀释比会引起测量不确定增加，导致测量结果严重失真。

3 结论

本文以某重型柴油发动机为研究对象，探究了颗粒计数器不同一级比对颗粒数浓度测量结果一致性的影响。具体结论如下：

（1）对于未加装DPF 的柴油发动机，由于尾气中的颗粒数浓度较高，因此颗粒计数器的稀释比对最终排放结果的一致性影响较小。

（2）对于加装DPF 的柴油发动机，由于尾气中的颗粒数浓度显著降低， 当颗粒计数器的稀释比增大到颗粒数浓度接近设备检测下限时，测量结果会出现严重偏差。

因此在实际试验过程中，PND1 的选择既要满足法规低于测量上限和入口温度低于35℃的要求，也要尽量高于检测下限。此外，目前颗粒物数浓度的测量与PM、气态污染物耦合，均从CVS 通道取样，但随着法规的加严，尤其是加装DPF 后，发动机尾气中的颗粒数大大降低，因此需要提高设备的检测精度，或者探究从排气管直接取样以提高检测的一致性。