英语原文共 494 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

通过HC排放和烟雾不透明度估计柴油机

颗粒排放

M. Lapuerta, O. Armas, J.J. Hernandez and R. Ballesteros

摘要：用实验估测柴油机颗粒的排放需要非常贵重的工具，因为颗粒铺集是非常困难的且开销很高，同时必要仪器的校准和维护也很麻烦。因此，通过测试排放烟雾的不透明度和HC含量对的排放预估的方式被提出。它包含一些与燃料的成分、发动机的类型和几何形状相关的参数，因此可以预示一些发生在烟雾、THC测试值和颗粒的形成与排放之间的现象的信息。一组包括12种燃料在一种在典型道路工作条件下缸内直喷的汽车发动机测试。一种可以满足EN-590规定的商业燃料作为参考燃料，可用于其他各种不同的发动机上（汽车和农业发动机）。根据燃油消耗、混合过程质量和排放温度调整了不同机型所提参数的差异。

1 简介

柴油机颗粒排放的估测作为一个普遍的研究对象才刚刚几十年，主要有两个方面的原因：1、颗粒的可控稀释、颗粒的铺集、过滤的条件控制和颗粒的称重等需要复杂而昂贵的仪器。而且这样的投入在法规对颗粒物的排放作出限制以前是不值当的。2、颗粒隧道或迷你隧道是不能连续采集信号的，因为稀释或过滤装置有很强的滞后性，因此它们不能够进行瞬时测量。因此，虽然他们可以通过循环整合柴油机颗粒的排放，但是在一些特定工作条件下，稀释系统对柴油机的优化是无效的。其他的测试方法，如渐微元素振动平衡、光线反射法、光线吸收法、光线消失法（烟雾不透透明度）等已经被证明在测量柴油机排放颗粒质量方面是有效的【1】，虽然他们中的一些也需要昂贵的装置和负责的校准。

过去一些资料【2,3】也尝试通过烟雾的不透明度估计颗粒排放。他们是基于排放气体的模糊度和烟度计滤器都主要是由于固体物质的存在造成的，这种固体被认为是颗粒物质的主要构成。但是，固体物质还包含一种所谓的可溶性有机物（SOF），它包含各种不同的HC，有气体相和固体相，被吸收在固体物质的表面。这些可溶性物质有时能达到颗粒质量的大多数。因此，在估计颗粒排放时，完整HC排放测量（THC）需要被要被搜集【4,5,6,7,8】。

烟雾不透明度和THC排放都是在高温和不稀释的条件下进行的，与之相反颗粒物质是在稀释和冷却后采集。然而，一些影响最后收集颗粒成分的现象发生在稀释或冷却的过程中，如二次凝结、HC 冷凝、热泳和吸附等。 然而它包含一些与燃料组成以及发动机类型和几何条件相关的参数，可以预示上述现象的一些信息，并使对于颗粒物排放的估计有充分的可重复性。

2 实验准备

三台柴油机被测试，其中两台是乘用道路交通工具上的典型发动机，它们具有不同的燃烧室参数（非直喷和直喷），另外一台发动机是农业式柴油机，如灌溉和液压泵等。这个发动机模型被用于研究在两台汽车发动机上得出的结论能否用于与它们功率不同的发动机上。

其中一台乘用式发动机，是一台涡轮增压中冷非直喷雷诺发动机，型号是F8Q，它作为一台参考发动机，在上面测试各种不同的燃油。三个实验装置都配备足够的装置以控制和测量影响颗粒排放的参数。它们的主要技术特点详见表1.

在所有工况下，颗粒物质在一个部分稀释迷你管道里被收集在一个覆盖聚四氟乙烯的玻璃纤维滤器中【9】。从开始采集到结束，过滤器都要被放置在人工环境室内以保证在任何室内分析天平权重下，温度和湿度保持不变。参数发动机被描述时，稀释和可控参数要足够优化。此外，烟雾不透明度（AVL415)和THC（火焰电离测试AMLUK测试工作在180℃）要同时测量。烟雾不透明度数据记录，单位是FSN，要运用AVL相关关系转化为固体浓度单位（mg/m³）。最后固体和HC排放都要转化为特定的单位(g/kWh)。

在参考发动机的测试中，在收集和测量之后，要利用索氏萃取法将颗粒物质最大限度萃取出来。两部分，包括萃取出的SOF和剩余不可溶物质（ISF）,都要分别进行气体色谱分析和高速流体色谱分析。

表1：各类型发动机参数

图1 发动机尾气排放测试系统

一组是12 种燃油，它们的特性见表2，都要在一台典型道路工况（见表3）运作下的非直喷汽车发动机上测试。燃油F、G和H是葵花油和标准燃油，燃油A，燃油A体积分数分别为75%、50%、25%混合而成。燃油J是纯葵花油。燃油K是标准燃油（体积分数75%）与刺棘蓟油（25%）混合。燃油L是纯刺棘蓟油。燃油E是一种水的乳化物（10%）与燃油A的混合油。其余的是添加了不同特殊成分的化石燃油。一种能满足EN-590要求的商业燃油作为参考燃油（燃油A）。这个发动机在典型的各种不同情况（见表3）下测试。

表2 测试燃油的主要特性

表3 发动机工作条件

3 燃油特性的影响

通过直接测试THC和烟雾浓度来判断颗粒排放这种行为是基于认识到固体是在滤器上收集的不溶物质和萃取到的物质。前者是造成了烟雾不同明度，后者是在高温条件下测得的THC。这两个认识是基于每一种燃油都比较了特定的THC和特定的可溶性有机混合物，以及特定的固体排放物和特定的不可溶排放物（见图2-5）。这些结论都是从参考发动机得到的。

图2 使用常用油和乳化油的非直喷发动机在不同工况下THC排放与颗粒物中可溶物排放量的比较

图3 使用常用油和乳化油的非直喷发动机在不同工况下固体排放与颗粒物中不可溶物排放量的比较

图4 使用生物油的非直喷发动机在不同工况下THC排放与颗粒物中可溶物排放量的比较

图5 使用生物油的非直喷发动机在不同工况下固体排放与颗粒物中不可溶物排放量的比较

表4 测试中燃油A与燃油E的排放温度（℃）

在图2和4中可以看出，除了燃油C外，在各种测试和模型中THC排放量与可溶性有机物的量非常相似或略高。燃油C中THC排放量是收集到颗粒物质SOF的两倍，它的原因可能是这种燃料的低挥发性（见表2），HC的挥发和燃烧更加肯纳你，特别是在低或者中等负荷条件下，随后增加了他们的排放。可以看到颗粒物中SOF的增加并不是成比例的，大概是因为大量的HC导致颗粒表面的饱和。

相反的现象出现在乳化燃料中。图2显示出THC排放时比SOF的低。造成这个结果原因是排放温度（见表4）。它的温度是比其他的情况低，有利大的HC在到达FID前冷凝。因此，当THC样本被采集前，尾气中气态HC的浓度较低，而被吸收在颗粒中并在迷你管中收集到的HC量仍保持不变【12】。

图6 在各种测试燃油的各种测试工况下THC和排放颗粒物中可溶物的关系

图7 在各种测试燃油的各种测试工况下固体排放（用烟度不透明度测得）和排放颗粒物中不可溶物的关系

测试的烟度不透明度结果与柴油机中不可溶物质，在除在低负荷外的其他所有工况下都有很好的一致性（见图3和5）。在低负荷下存在烟度不透明度数据的错误因为没有绝对的不透明度阀。

由以上的描述可以看出烟度不透明度和颗粒物中不溶组分之间有很相关的关系。相似的，THC和可溶性有机物也很明显相关。它们之间的关系在图6和7中可以分别观察到。

4 参考机器的相关建议

图6和图7说明特定颗粒排放量可以由烟度不透明度和THC计算出。尽管如此，这些数据的比例因子因素也必须考虑。下面的表达【13】用来气态HC的权重。

（1）

这里参数K的范围是0.3-1，有燃油的构成决定。

这个权衡系数仅仅影响THC的组成，基于以下两个原因:

• 图7可以看出，烟雾不透明度和不溶排放物质的线性比例系数几乎是一个。这是因为尾管（从烟雾取样器到颗粒铺集器）中气体温度低，不足以氧化固体物质。因此可以预知，产生烟雾不透明度的物质最后被迷你管中捕集器收集。
• 相反地，在高温条件下FID测得的HC并不全部属于柴油机颗粒排放物，因为HC的冷凝和吸收取决于他们的组分和物理特性。

实际上，论述soot和包含柴油颗粒在内的THC之间关系的文献【5-8】中的每一个，都考虑了不透明成分，并且接近单位值，但是对于THC排放提出了较小的加权因子。

下面的方程用于计算K:

（2）

这里的y_s是

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[150171]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word