熊興旺，高俊華，周 濤，于津濤

(1.中國汽車技術(shù)研究中心，北京 100176； 2.濰柴動力股份有限公司，濰坊 261001)

基于WHTC循環(huán)的柴油機顆粒物數(shù)量峰值的研究

熊興旺1，高俊華1，周 濤2，于津濤1

(1.中國汽車技術(shù)研究中心，北京 100176； 2.濰柴動力股份有限公司，濰坊 261001)

在一臺京五柴油機上，燃用國五柴油，進行了原機的瞬態(tài)加速、減速試驗和WHTC冷熱態(tài)試驗。為便于分析，引入“流量積”概念(進氣量和燃油流量之積)作為一個變量。在瞬態(tài)加速和減速試驗中，顆粒物數(shù)量與流量積變化趨勢一致，顆粒物數(shù)量的變化時刻滯后于流量積的變化時刻。WHTC循環(huán)試驗中顆粒物數(shù)量峰值和相應的流量積峰值呈正相關(guān)關(guān)系，顆粒物數(shù)量峰值出現(xiàn)的時刻與相應的流量積峰值出現(xiàn)的時刻間存在滯后時間，該滯后時間與流量積峰值大小呈負相關(guān)關(guān)系。

柴油機；顆粒物數(shù)量排放；瞬態(tài)工況；進氣量；燃油流量

前言

柴油機排氣中的顆粒物，尤其是細小顆粒物，對人體危害極大，國內(nèi)外排放法規(guī)逐漸對顆粒物數(shù)量排放進行限制。汽車實際行駛中，柴油機瞬態(tài)工況發(fā)生變化時，柴油機進氣量和噴油量也隨之變化，導致缸內(nèi)燃燒劣化，進而引起瞬時顆粒物排放升高[1]。有研究表明[2－3]:恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)工況下，瞬時顆粒物數(shù)量排放先升高，后逐漸降低并趨于穩(wěn)定；高轉(zhuǎn)矩增轉(zhuǎn)速瞬態(tài)工況時，瞬時顆粒物數(shù)量排放先出現(xiàn)一個尖峰后迅速下降，而低轉(zhuǎn)矩增轉(zhuǎn)速瞬態(tài)工況時顆粒物數(shù)量瞬時排放持續(xù)增加且較高。柴油機恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩瞬變過程中，過渡時間越短，轉(zhuǎn)矩增加率越大，缸內(nèi)燃燒越惡劣[4]。瞬態(tài)工況變化劇烈程度對顆粒物排放量有較大影響[5－6]:隨轉(zhuǎn)矩增加率的增大，顆粒物排放量增加，其中可溶性有機物增加是導致恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)工況下顆粒物排放量增加的主要原因；隨轉(zhuǎn)矩減小率的增大，顆粒物排放量逐漸降低。

法規(guī)瞬態(tài)循環(huán)試驗中，各種排放污染物易出現(xiàn)瞬態(tài)排放峰值，導致循環(huán)整體比排放大大升高。文獻[7]中利用決策樹方法對瞬態(tài)過程中煙度的排放峰值進行了預測。文獻[8]中對氮氧化物和煙度的排放峰值成因進行了研究分析。目前，少有針對瞬態(tài)工況顆粒物數(shù)量排放峰值的研究，如果能對瞬態(tài)循環(huán)中顆粒物數(shù)量排放峰值出現(xiàn)的時刻進行預判，則可定位出現(xiàn)峰值的瞬態(tài)工況區(qū)域，方便進行相應的標定，以削減整體循環(huán)顆粒物數(shù)量排放。本文中基于WHTC瞬態(tài)循環(huán)試驗，研究了進氣量和燃油流量之積的峰值與瞬態(tài)顆粒物數(shù)量排放峰值的關(guān)系。

1 試驗系統(tǒng)與方案

1.1 試驗發(fā)動機

試驗發(fā)動機為采用EGR＋DOC＋DPF技術(shù)路線滿足京五排放法規(guī)的四沖程高壓共軌增壓中冷柴油機，表1給出了試驗用發(fā)動機的性能參數(shù)。

表1 試驗柴油機性能參數(shù)

1.2 試驗設(shè)備

試驗采用交流電力測功機，并使用全流稀釋系統(tǒng)對發(fā)動機排氣進行稀釋，顆粒物數(shù)量由AVL 489顆粒計數(shù)器測量，表2給出了試驗中所用的關(guān)鍵設(shè)備。

表2 主要測試儀器與設(shè)備

1.3 試驗方案

發(fā)動機拆除后處理裝置，原機燃用國五柴油，首先進行了瞬態(tài)加速和減速試驗。瞬態(tài)加速試驗從750r/min怠速工況，在15s內(nèi)加速、加載至2 030r/min滿負荷工況，之后運行在該穩(wěn)態(tài)工況；瞬態(tài)減速試驗從3 200r/min滿負荷穩(wěn)態(tài)工況，在20s內(nèi)降速、卸載至怠速750r/min，之后運行在怠速工況。在此基礎(chǔ)上又按照標準DB 11/964—2013[9]進行了原機冷熱態(tài)WHTC循環(huán)試驗。圖1給出了WHTC循環(huán)試驗中各工況轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

圖1 WHTC循環(huán)試驗各工況轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩

2 試驗結(jié)果分析

圖2 WHTC熱態(tài)循環(huán)瞬時顆粒物數(shù)量排放曲線

2.1 流量積的定義

WHTC瞬態(tài)循環(huán)中，各工況點變化劇烈，瞬時顆粒物數(shù)量排放值也隨之劇烈變化，顆粒物數(shù)量曲線上存在較多的瞬時排放峰值。圖2所示為WHTC熱態(tài)循環(huán)中瞬時顆粒物數(shù)量排放曲線。根據(jù)圖2計算可以得到:對超過整個循環(huán)顆粒物數(shù)量排放平均值的部分進行積分，其積分值約占全部循環(huán)顆粒物數(shù)量積分值的50%?？梢?，超過循環(huán)平均值的瞬時顆粒物數(shù)量值，尤其是瞬時排放峰值，對于循環(huán)的總體排放影響巨大。

柴油機燃燒形式主要為擴散燃燒，缸內(nèi)的混合氣并不均勻，且各處的局部空燃比有較大差異，用平均空燃比并不能全面反映瞬時燃燒的狀況。從宏觀上考慮，空氣和燃油是顆粒物的最終來源。瞬態(tài)工況下進氣流量和燃油流量隨工況點變化，綜合考慮二者對顆粒物的影響，本文中把進氣量和燃油流量的乘積，即流量積，作為一個表征瞬態(tài)工況的構(gòu)造變量，研究瞬態(tài)過程中顆粒物數(shù)量排放與流量積隨時間的變化情況，即

式中:L為流量積，(kg/h)2；m·air為進氣量，kg/h；m·fuel為燃油流量，kg/h。

2.2 瞬態(tài)加速、減速試驗結(jié)果分析

圖3給出了瞬態(tài)加速試驗中流量積、顆粒物數(shù)量排放(PN)及轉(zhuǎn)速的變化曲線。

圖3 瞬態(tài)加速試驗各參數(shù)變化曲線

由圖3可見，瞬態(tài)加速試驗初始，顆粒物數(shù)量開始增加時刻滯后于流量積開始增加的時刻大約10s，且顆粒物數(shù)量和流量積開始增加的時刻均滯后于轉(zhuǎn)速開始增加的時刻。瞬態(tài)過程后期，流量積在第29s基本達到穩(wěn)定，顆粒物數(shù)量在第27s達到峰值后開始下降，第29s還在繼續(xù)變化。

圖4給出了瞬態(tài)減速試驗中流量積、顆粒物數(shù)量排放及轉(zhuǎn)速的變化曲線。

圖4 瞬態(tài)減速試驗各參數(shù)變化曲線

由圖4可見，瞬態(tài)減速試驗初始，顆粒物數(shù)量開始減小時刻滯后于流量積開始減小的時刻大約7s，且顆粒物數(shù)量和流量積開始減小的時刻均滯后于轉(zhuǎn)速開始變化的時刻。瞬態(tài)過程后期，流量積在第15s基本結(jié)束下降而達到穩(wěn)定，顆粒物數(shù)量在第24s結(jié)束下降達到穩(wěn)定。

上述試驗結(jié)果表明:在瞬態(tài)加速和減速過程中，顆粒物數(shù)量與流量積的變化趨勢一致，且顆粒物數(shù)量的變化一直滯后于流量積的變化。瞬態(tài)加速和減速試驗中顆粒物數(shù)量開始變化時刻滯后于流量積開始變化時刻，且瞬態(tài)過程后期，顆粒物數(shù)量排放達到穩(wěn)定的時刻均滯后于流量積達到穩(wěn)定的時刻。

首先，滯后時間包含管路傳輸時間和分析儀響應時間。研究指出，氣態(tài)污染物的測量延遲時間[10－13]由排氣從排氣總管至分析儀傳感器的傳輸時間和分析儀的響應時間組成。文獻[3]中采用EEPS顆粒測試儀測試顆粒物數(shù)量時也存在顆粒數(shù)量變化起始點滯后于瞬態(tài)工況變化起始點的現(xiàn)象，這是由于測試系統(tǒng)響應存在滯后時間所導致。文獻[14]中以平均指示壓力的變化起始時刻為基準，證明測試系統(tǒng)的排氣傳輸過程及傳感器響應過程會導致測量顆粒物數(shù)量排放存在滯后時間。

其次，進氣量信號和燃油流量信號采集過程均在空氣和燃油進入發(fā)動機之前進行，而后發(fā)動機缸內(nèi)燃燒生成顆粒物并排出尾氣至排氣總管這一系列過程才發(fā)生，過程的先后也會導致顆粒物數(shù)量實時排放與流量積之間存在一定的滯后時間。研究表明，進氣量的響應落后于燃油流量的響應[15]，所以這部分滯后時間主要與空氣從流經(jīng)空氣流量計到進入進氣歧管之前的管路距離和流速有關(guān)，同時也與發(fā)動機每循環(huán)的時間有關(guān)。在臺架試驗中，空氣流量計到進入進氣歧管之前的管路距離是確定的，但進氣流速和每循環(huán)時間會隨工況而有所變化，所以這部分滯后時間也隨工況而變。

除此之外，在瞬態(tài)過程中，帶有EGR系統(tǒng)的柴油機，EGR率會存在響應滯后與超調(diào)[16－17]。EGR率達到穩(wěn)定前，缸內(nèi)燃燒狀態(tài)會持續(xù)變化，顆粒物數(shù)量排放也在持續(xù)變化。這也會導致顆粒物數(shù)量排放達到穩(wěn)定的時刻滯后于流量積達到穩(wěn)定的時刻。

2.3 流量積峰值與顆粒物數(shù)量峰值大小關(guān)系

圖5和圖6分別給出了WHTC冷態(tài)和熱態(tài)循環(huán)試驗全程流量積變化曲線和顆粒物數(shù)量排放變化曲線。由圖5和圖6可見:流量積增減趨勢和顆粒物數(shù)量排放的增減趨勢一致。由圖5中編號為1～5的冷態(tài)循環(huán)典型峰值和圖6中編號為1～5的熱態(tài)循環(huán)典型峰值可見，流量積峰值和顆粒物數(shù)量排放峰值是相對應的，即流量積曲線出現(xiàn)峰值，則顆粒物數(shù)量排放曲線也會相應出現(xiàn)峰值。

圖5 WHTC冷態(tài)循環(huán)流量積和顆粒物數(shù)量排放曲線

圖6 WHTC熱態(tài)循環(huán)流量積和顆粒物數(shù)量排放曲線

柴油機實際運行中，加速工況會引起噴油量增大，同時進氣流量也會增大，從而導致流量積的急速增加。但是渦輪增壓器在工況變化時存在渦輪遲滯現(xiàn)象，進氣量的增加和噴油量增加存在時間差[18]，引起瞬態(tài)過程中空燃比不斷變化[19]。渦輪增壓器響應滯后引起燃燒劣化[20]，EGR率響應延遲與超調(diào)，進一步導致缸內(nèi)燃燒劣化。文獻[3]中指出，燃燒劣化會引起顆粒物數(shù)量排放升高。所以，流量積的急速增加會導致顆粒物數(shù)量排放的升高，其直觀表現(xiàn)就是流量積峰值的出現(xiàn)伴隨著顆粒物數(shù)量排放峰值的出現(xiàn)。

對圖5和圖6中典型的流量積峰值大小與其對應的顆粒物數(shù)量峰值的大小進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖7所示。由圖7可見，無論是冷態(tài)WHTC循環(huán)還是熱態(tài)WHTC循環(huán)，顆粒物數(shù)量排放峰值大小和流量積峰值大小都近似呈正相關(guān)關(guān)系。

2.4 顆粒物數(shù)量峰值相對于流量積峰值的滯后時間

在圖5和圖6中分別對峰值4放大可見，流量積峰值出現(xiàn)的時刻總是在顆粒物數(shù)量排放峰值出現(xiàn)的時刻之前，即顆粒物數(shù)量排放峰值滯后于流量積峰值。

表3統(tǒng)計了圖5中1～5號顆粒物數(shù)量峰值與相應的流量積峰值間的滯后時間及流量積取值范圍。

圖7 流量積峰值與顆粒物數(shù)量排放峰值關(guān)系

表3 冷態(tài)WHTC循環(huán)峰值滯后時間統(tǒng)計

表4統(tǒng)計了WHTC熱態(tài)循環(huán)中1～5號顆粒物數(shù)量峰值與相應的流量積峰值間的滯后時間及流量積取值范圍。

表4 熱態(tài)WHTC循環(huán)峰值滯后時間統(tǒng)計

由表3和表4可見，冷態(tài)和熱態(tài)循環(huán)的峰值滯后時間基本一致，對應的流量積取值范圍也相同。整體來看，在流量積峰值取值較大時(7 000～11 000 (kg/h)2)，該滯后時間較小(4～5s)；流量積峰值取值較小時(0～7 000(kg/h)2)，該滯后時間較大(7～8s)。

在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計圖7中的顆粒物數(shù)量排放峰值及與之相對應的流量積峰值之間的滯后時間，統(tǒng)計結(jié)果如圖8所示。由圖可見，滯后時間大小與流量積峰值的大小近似呈負相關(guān)關(guān)系。

圖8 峰值滯后時間與流量積峰值關(guān)系

WHTC循環(huán)可以看作是一系列連續(xù)瞬態(tài)加速、減速過程的疊加，因此顆粒物數(shù)量排放峰值與相應的流量積的峰值之間會存在滯后時間。瞬態(tài)循環(huán)中某工況對應的流量積峰值越大，則進氣流速也越高，進氣量信號和燃油流量信號采集過程與缸內(nèi)燃燒、排氣過程的時間間隔變小，縮短了顆粒物數(shù)量排放峰值與流量積峰值之間的滯后時間。同時，在WHTC循環(huán)中，流量積峰值越大，表明瞬變率越大，引起的渦輪滯后效應與EGR率變化越大，缸內(nèi)的燃燒劣化越嚴重，則顆粒物數(shù)量排放升高越快，達到峰值所用的時間越短，這進一步縮短了顆粒物數(shù)量排放峰值與流量積峰值之間的滯后時間。

以上試驗及統(tǒng)計分析結(jié)果表明，在原機瞬態(tài)循環(huán)工況中，顆粒物數(shù)量排放的峰值與流量積的峰值有較強的關(guān)聯(lián)性，因此可以利用流量積的峰值對顆粒物數(shù)量排放峰值的大小及出現(xiàn)的時刻進行預判。

3 結(jié)論

(1)瞬態(tài)加速和瞬態(tài)減速試驗中，流量積與顆粒物數(shù)量的變化趨勢一致，且二者的變化時刻存在一定的滯后時間。

(2)WHTC循環(huán)試驗中，流量積峰值與顆粒物數(shù)量排放峰值伴隨出現(xiàn)。顆粒物數(shù)量排放峰值大小和流量積峰值大小呈正相關(guān)關(guān)系；顆粒物數(shù)量排放峰值與相應的流量積峰值出現(xiàn)時刻間存在滯后時間，該滯后時間大小與流量積峰值大小呈負相關(guān)關(guān)系。

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A Study on Particulate Number Peaks in a Diesel Engine Based on WHTC Cycle

Xiong Xingwang1，Gao Junhua1，Zhou Tao2＆Yu Jintao1
1.China Automotive Technology＆Research Center，Beijing 100176； 2.Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261001

Transient acceleration and deceleration tests together with cold-and hot-started WHTC tests are conducted on a Beijing-Ⅴdiesel engine fueled with State-Ⅴdiesel fuel.For facilitating analysis，a concept of'flow product'is introduced(defined as the product of air mass flow and fuel mass flow)as a variable.In transient acceleration and deceleration tests，particulate number shows the same variation trend as flow product does，but the changes of particulate number lag behind that of flow product.In WHTC tests there exists a positive correlation between particulate number peaks and corresponding flow product peaks，but there show time lags between the moments particulate number peaks and corresponding flow product peaks appear，while time legs exhibit a negative correlation with the amplitude of flow product peaks.

diesel engines；particulate number emission；transient conditions；air mass flow；fuel mass flow

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.04.003

原稿收到日期為2016年6月27日，修改稿收到日期為2016年8月11日。

熊興旺，碩士，E-mail:xiongxingwang＠126.com。