柴油机排气污染物预测模型及颗粒测量系统的研究

摘要

颗粒和NOx排放是柴油机最重要的排气污染物，柴油机颗粒主要是由碳烟、有机物HC和硫酸盐等组成。随着柴油机颗粒排放减小，测试设备测量的颗粒重复性和再现性都变差。在燃烧、膨胀、排气及从排气口到稀释通道的传输管及稀释过程中，柴油机颗粒中的有机物成分一直在进行一系列的成核、积聚、凝结等物理和化学反应，并使颗粒的尺寸、形状及质量一直变化，导致颗粒测量的稳定性极差。因此研究分析颗粒测量过程中所涉及的不确定性因素对于颗粒测试设备设计、颗粒测量和柴油机排放改进十分必要。
　　 本文主要围绕柴油机颗粒测量及排放预测做了如下工作:
　　 1.柴油机排放预测模型的研究
　　 偏最小二乘回归集多元线性回归分析、典型相关分析和主成分分析的基本功能为一体，在经济统计、化工和化学分析、生命科学等领域得到较好的应用。偏最小二乘回归也需对模型进行优化，去除对因变量不显著的因素以提高回归模型的可靠性和预测精度。采用交叉舍一方法，计算出每个自变量参数的回归系数和变动方差，可以判断自变量因素是否显著。首先优化自变量主因素，以逐步回归方法逐步选择对模型影响最大的自变量因素。然后再逐步增加交叉项和二次项因素，可以得到预测性能最佳的偏最小二乘回归模型。
　　 应用PLS方法建立了一台高压共轨TCI柴油机NOx排放和最高爆发压力pz的回归模型，模型物理意义明确、预测精度良好，可以大幅降低发动机NOx和pz标定工作量。
　　 对一台TCI柴油机ESC循环排放实验中的NOx和Rb排放的重复性进行了详细研究，建立了基于PLS回归的NOx和Rb的预测模型。NOx的主要影响因素是发动机负荷、空气流量，每工况测量变动的主要影响因素为中冷前空气温度、中冷后空气温度和排气背压等参数;Rb的主要影响因素是油耗率和排气温度，工况变动的主要影响因素是油耗量。
　　 颗粒测量的影响因素众多，影响最大的参数分别为稀释比、滤纸荷重和排气流量。分流稀释系统稀释比对颗粒测量影响很大，利用CO2示踪气体计算的稀释比精度一般好于用质量流量计等测量的质量流量计算的稀释比精度，而CO2的测量精度又取决于CO2分析仪线性化后的线性度。利用偏最小二乘方法(PLS)对CO2分析仪的线性化进行研究，结果表明采用PLS方法的发动机排气分析仪线性化模型预测效果良好，比最小二乘法(LS)模型和Chebyshev(切氏)模型的预测精度分别提高35.1％和39.3％，可以有效提高稀释比的计算精度。
　　 2.柴油机颗粒测量不确定性的研究
　　 柴油机排气颗粒的直径范围大约为3～300nm，偶然有从排气管路内壁上脱落的极大颗粒再进入到排气气流中，其直径一般为1～10μm。在从排气管到采样滤纸整个过程中，颗粒质量的主要损失是热泳沉积损失，其他损失诸如布朗扩散损失、紊流惯性损失、惯性沉积和静电损失影响不大。排气中的有机成分也经历冷凝、凝结、挥发等变化，对颗粒测量的不确定性产生极大影响。
　　 通过一简单的饱和比模型，分析了稀释比、废气入口温度、废气有机物浓度、稀释空气温度、混合气温度等参数对C25饱和比的影响，提出了临界稀释比概念。当实际稀释比小于临界稀释比时，饱和比、SOF颗粒及总颗粒测量值随稀释比增加而增加;而当实际稀释比高于临界稀释比时，饱和比、SOF颗粒及总颗粒测量值随稀释比增加而减小;而当实际稀释比在临界稀释比附近变化时，稀释比对饱和比和颗粒测量值的影响并不显著。废气温度较高时的临界稀释比较大，而废气温度较低时的临界稀释比较小。稀释比对颗粒测量值的影响与发动机负荷及排气温度有关，不能一概而论。
　　 在排气管和排气传输管管壁上沉积的碳烟颗粒和SOF颗粒是影响颗粒测量重复性的重要原因。管壁上沉积颗粒的成分和数量与史前柴油机运行工况和排放水平有关。柴油机颗粒测量工况不同，管壁沉积颗粒对颗粒测量结果的影响也不同，关键因素就是传输管内气体和管壁温度。如果管内气体和管壁温度较高，沉积在传输管壁面上的SOF颗粒会挥发重新进入排气气流中，随后冷却、稀释后又重新冷凝成为SOF颗粒，因而颗粒测量值增加;如果管内气体和壁温温度较低，气体中有机物会继续沉积到传输管管壁上，则颗粒测量值会降低。
　　 在颗粒测量开始前进行充分的预热是减小颗粒测量变动的重要措施，预热温度必须足够高，传输管出口温度需超过425℃，并持续足够长时间，保证沉积在传输管管壁上的SOF颗粒挥发完毕。
　　 对于低排放柴油机，稀释空气背景颗粒在滤纸荷重中的比例大幅提高，国Ⅳ柴油机ESC循环时，其背景颗粒的比例高达27～60％。而背景颗粒受稀释空气、稀释通道内壁沉积等影响而有一定的变动，相应影响颗粒测量值的变动。CVS系统二级稀释空气的背景颗粒远高于一级稀释空气背景颗粒，降低二级颗粒空气的背景颗粒并保持稳定是改善颗粒测量稳定性的重要措施。一些分流稀释系统利用实验室压缩空气作为稀释空气，降低稀释空气的颗粒水平更加重要。自主开发的SDPM分流稀释颗粒测量系统，利用实验室通风系统的新风作为稀释空气，其背景颗粒基本稳定。
　　 影响颗粒测量稳定性的另一重要因素是气相可溶性成分在吸附到滤纸表面后仍继续吸附/挥发，滤纸表面温度对这一效应影响显著。对于低排放柴油机，第二滤纸本身只能起到收集气相HC的作用，因此利用第二片滤纸对第一片滤纸进行荷重修正，去除第1片纸吸附的气相有机物，这样颗粒测量的稳定性会有一定提高。
　　 通过实验研究了众多因素对颗粒测量的影响。滤纸采样时间增加，迎面速度提高，SOF和PM颗粒测量值减小;滤纸调制湿度增加，滤纸更容易吸附混合气中的水分，ISOF颗粒测量值增加;CVS总流量对颗粒的影响与实际稀释比相对于临界稀释比的位置有关;滤纸前温度提高，吸附到滤纸上的有机物会减少。
　　 实验研究了发动机控制参数对气体和颗粒排放测量值的影响。进气温度升高，进气量和空燃比减小，NOx排放降低而CO、烟度和颗粒排放升高;中冷后温度提高，燃烧最高温度提高，NOx排放提高。而由于燃烧速度加快，燃烧比较完全，HC、CO和烟度都有所降低;中冷器阻力增加，空燃比减小，由于缺氧导致NOx排放降低，烟度和颗粒增加;排气背压增加，增压器转速降低，空燃比减小，缸内废气系数增加并导致燃烧速度降低、燃烧不完全，NOx排放减小而CO、烟度和颗粒增加。国Ⅲ和国Ⅳ燃油对比表明，NOx排放变化不大，而国Ⅳ燃油的颗粒排放下降较多。在颗粒总排放较低时，燃油中硫产生的硫酸盐比例增加，燃油含硫量对颗粒测量的影响提高。
　　 3.分流稀释颗粒测量系统的开发研究
　　 在深入研究国内外文献资料的基础上，研制了一台稳态工况颗粒测量的SDPM部分流稀释颗粒测量系统，具有尺寸小、造价低、使用方便、颗粒测量精度等优点，与CVS全流稀释系统的相关性很高;采用高、低量程的两台不分光式CO2分析仪，分别测量柴油机原始排气和稀释空气、稀释混合气的CO2浓度，稀释比和颗粒比排放的测量精度高;采用两路采样系统，减小由于偶然颗粒再入造成的颗粒测量误差;灵活的人机界面，使用方便灵活。
　　 SDPM与CVS全流稀释系统、AVL SPC472进行了大量的比对实验。SDPM系统对国0～国Ⅲ样机颗粒测量值的波动系数(Coefficient of Variance，COV)约1.2～5.8％，国Ⅳ样机的COV平均为10％，与CVS相当，优于472。改进优化后的SDPM系统测量的颗粒排放与CVS全流稀释系统线性相关良好，其回归方程的有效确定系数(R-Square)高达0.9988。
　　 4.可变抽气容积烟度计的开发
　　 自主研制了一套可变抽气容积的烟度计取样系统，用该系统测量柴油机烟度的精度较高，可以适用于低排放柴油机烟度测量。测量波动随着抽气容积增大而减小，表明测量精度随着抽气容积增大而提高。设计了一套大容量抽气体积的标定方法，该方法简单、实用、可靠，可适用于任意容积的气缸标定。

目录

声明

CONTENTS

摘要

符号说明表

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 柴油机NOx、烟度等预测模型的研究现状

1．3 柴油机颗粒排放物测量的研究现状

1．3．1 柴油机颗粒测量的研究现状

1．3．2 柴油机烟度测量的研究现状

1．4 本课题的研究内容

第2章 柴油机排放预测模型的研究

2．1 偏最小二乘回归分析及模型优化

2．1．1 偏最小二乘回归的基本理论

2．1．2 偏最小二乘回归的辅助分析

2．1．3 PLS模型自变量的优化

2．1．4 特异样本点的处理

2．2 基于PLS回归的柴油机排放预测模型的研究

2．2．1 ESC循环B转速实验的对比分析

2．2．2 ESC循环B转速柴油机排放变动的PLS分析

2．2．3 ESC循环B100工况时柴油机排放的分析

2．3 柴油机NOx排放和爆发压力预测模型的研究

2．3．1 自变量的选取

2．3．2 NOx和Pz的回归优化模型

2．3．3 回归模型精度分析及讨论

2．3．4 优化模型的应用

2．4 本章小结

第3章 柴油机颗粒测量不确定性的研究

3．1 影响颗粒测量不确定性的基本机理

3．1．1 柴油机排气气溶胶动力学对颗粒测量的影响

3．1．2 颗粒在测量过程中的损失和再入

3．2 排气传输管及颗粒测量系统内气体温度的计算

3．2．1 柴油机排气传输管内气体温度的计算

3．2．2 废气与稀释空气混合温度的计算

3．2．3 分流及全流稀释颗粒测量系统的简化模型

3．3 柴油机及颗粒测试系统调制对颗粒测量的影响

3．3．1 柴油机及颗粒测试系统调制对颗粒测量的影响

3．3．2 排气传输管颗粒沉积对颗粒测量的影响及改进措施

3．4 滤纸采样对颗粒测量的影响

3．4．1 滤纸上可溶性和半可溶性有机物的吸附和挥发

3．4．2 滤纸对HC有机物的气相吸附及修正

3．4．3 颗粒成分对滤纸采样效率的影响

3．4．4 颗粒采样时间对颗粒测量的影响

3．4．5 滤纸迎面速度对颗粒测量的影响

3．5 滤纸调制对颗粒测量的影响

3．6 稀释系统参数对颗粒测量的影响

3．6．1 稀释通道排气入口温度和稀释比对饱和比的影响

3．6．2 HC有机物浓度和稀释比对饱和比的影响

3．6．3 稀释空气温度和稀释比对饱和比的影响

3．6．4 废气入口温度和稀释空气温度对临界稀释比的影响

3．6．5 CVS全流稀释系统与发动机的匹配

3．6．6 分流稀释颗粒测试系统与发动机的匹配

3．6．7 通过传输管的排气流量对颗粒测量的影响

3．7 CVS稀释系统总流量对发动机排放测量的影响

3．8 采样流量对颗粒测量的影响

3．9 滤纸前温度对颖粒测量的影响

3．10 排气传输管对颗粒测量的影响

3．10．1 传输管温度对颗粒测量的影响

3．10．2 传输管滞留时间对颗粒测量的影响

3．10．3 传输管直径对颗粒测量的影响

3．11 CVS全流稀释系统背景颗粒的研究

3．12 发动机进气温度对柴油机排放的影响

3．13 中冷器阻力对柴油机排放的影响

3．14 排气背压对柴油机排放的影响

3．15 燃油品质对柴油机排放的影响

3．15．1 燃油对柴油机ESC循环排放的影响

3．15．2 基于PLS的柴油含硫量对柴油机颗粒排放的研究

3．16 发动机ESC循环排放测量的不确定性研究

3．16．1 当日ESC循环发动机排放的重复性

3．16．2 隔日ESC循环发动机排放的重复性

3．17 改善分流稀释系统稀释比测量不确定性的研究

3．17．1 CO2分析仪线性化PLS模型高次方阶次的选取

3．17．2 CO2分析仪线性化的PLS回归模型

3．17．3 回归模型精度分析及比较

3．18 本章小结

第4章 分流稀释颗粒测量系统的开发研究

4．1 SDPM分流稀释颗粒测量系统的设计

4．1．1 分流稀释颗粒测试装置SDPM_DP

4．1．2 颗粒测量控制系统SDPM_CONT

4．1．3 采集控制和数据后处理SDPM_CAL

4．2 SDPM分流稀释颗粒测量系统的实验研究

4．2．1 稀释通道的稀释混合能力

4．2．2 稳态工况颗粒测量重复性的实验研究

4．3 SDPM颗粒测试系统与AVL 472颗粒测试系统的比对

4．4 SDPM、AVL 472与CVS颗粒测试装置的比对

4．4．1 不同测试系统颗粒测量重复性的比较

4．4．2 AVL 472、SDPM及CVS系统测量的发动机颗粒排放对比

4．4．3 SDPM、AVL 472与CVS系统颗粒测量值的偏差

4．4．4 SDPM与CVS全流稀释系统颗粒测量值的相关分析

4．5 SDPM与CVS系统测量的颗粒值比对实验

4．5．1 实验样机和实验工况

4．5．2 SDPM颗粒测试系统稀释空气CO2浓度的分析

4．5．3 SDPM与CVS系统颗粒测量值的比对

4．6 SDPM改进后与CVS全流稀释系统颗粒测量值的比对

4．6．1 SDPM系统A、B两通道的比较

4．6．2 SDPM与CVS系统颗粒比排放测量值的比较

4．7 本章小结

第5章 碳烟颗粒测量系统的研究

5．1 变量程取样装置的基本原理

5．2 变量程烟度计采样容积标定

5．2．1 变量程烟度计采样容积的标定

5．2．2 气缸容积标定数据的处理

5．3 滤纸烟度与不透光度的关系

5．4 本章小结

第6章 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 本文主要创新点

6．3 本文的不足及展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文及科研成果

English dissertation

Paper Ⅰ

Paper Ⅱ