1 引言
随着柴油车和柴油机产量的迅速增加,柴油机可见污染物排放成为大气污染的公害之一,为此,世界各国都制定了严格的法规来加以限制。由于各国的排放法规不同,因而采用的排放试验规范、测量仪器和烟度单位也不相同。长期以来,我国的柴油机烟度排放标准一直规定采用滤纸式烟度计测量全负荷稳定转速和自由加速时的烟度。为使排放法规与国际接轨,我国于2000年开始实施的国家标准,规定在全负荷稳定转速试验和自由加速试验时,对压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气可见污染物采用取样式或全流式消光烟度计进行测量[1]。
为了更好地贯彻新的国家烟度排放标准和为限制排放提供必要的数据,积累一定的经验,在烟度测量仪器体系刚开始转换时,有必要对国标规定的标准烟度计进行测量参数的研究。为此,作者利用自行研制的取样式消光烟度计,在发动机试验台架上对影响烟度计测量结果的几个重要参数进行了试验研究。
2 取样式消光烟度计简介
取样式消光烟度计主要由取样系统、单片机测量系统和移动式电源系统组成,其结构示意图如图1所示。由取样探头导入的部分排气经小型稳压箱消除压力波的脉动和聚水器去除其中的部分水分后,进入测量管。其中,烟样温度和压力分别通过烟管内的温度计和聚水器上的压力计指示,设置在排气延长总管上的背压调节阀用来控制取样压力。箱体中烟气出口附近的压力由压力计来监测,压力大小可通过排气背压阀和仪器前端清扫空气入口处的空气阀来调节。光电传感器(硒光电池)输出的光电流信号,经I/V变换、信号放大、滤波和透光度—消光度(不透光度)信号转换后,通过V/F电路变换成标准脉冲信号,再由单片机内嵌的计数器进行计数。来自转速传感器的信号经放大、限幅、整形、光电隔离后由单片机程序实现的软计数器进行计数。单片机定时采集两路脉冲信号并处理后,将测量参数送LED显示器上显示,并经与模拟量输出接口相连的绘图仪输出,还可由RS-232或RS-485串行口将数据传送给PC机。
3 静态校验
由于外电阻和温度等会引起光电池的光谱灵敏度变化,内阻的存在使短路电流与照度之间不能保证严格的线性关系,以及相同型号光源或光电池性能上的差异,都将会影响测量的准确性。为了验证烟度值仅仅受光源或传感器影响的程度,在烟度计其它条件不变的情况下,用代表不同消光度的标准滤光片,在静态下进行了光源和传感器的一致性检验,检验结果如表1所示。
即使相同型号的光源或光电池,实验数据也明显存在着差异。为了在测量时能够进行非线性修正和静态误差补偿,在本烟度计中,根据静态校准得到的误差值,采用最小二乘法拟合修正曲线并按等间隔(0·1%)做成表格,存放在EPROM中。测量时,由单片机自动对实测值通过查表进行修正。实验表明,校准点上的消光度误差值不超过0·1%。
4 台架试验结果及分析
由于取样式消光烟度计结构复杂,测量结果除了与排烟性质和浓度有关外,还与光源和光电池的性能、排气烟样的流量、烟管内温度、烟度计结构参数、二次仪表的精度及环境状况等有直接关系。当烟度计定型后,光源、光电池的性能和仪器结构参数等带来的系统误差可通过各种技术手段加以解决(如静态标定加动态修正等)。而烟样的流量和烟管内烟气温度的控制范围,因涉及到测量的操作规范和要求,就成为本试验研究的主要问题。
试验柴油机为485 Q,直列、水冷、涡流燃烧室,总排量2·27 L,压缩比20,标定转速3000 r/min,测功设备为D350型水力测功器。其中全负荷稳定转速试验中,为使发动机产生较大的排烟,以便于对烟度测量值在大范围内进行比较,改变了原机喷油泵最大限油位置。
4·1 稳定工况试验
4·1·1 气样温度对烟度测量的影响
本烟度计中利用在测试管外壁缠裹的电热丝对被测烟气进行加热,以保证烟样具有恒定的温度。通过减小或加大电热丝的电流,稳定转速试验测量数据显示,气样温度在70℃~140℃之间时,消光度的变化约为1·4;同样试验工况下,电热丝通电和不通电时的烟度值相差6个消光度;而气样温度在100℃~115℃时,烟度值没有变化。说明若将气样温度控制在70℃~140℃,基本上可消除其对测量的影响,最好能控制在100℃~115℃范围内。如果不能保证气样温度在此温度范围内,为了使烟度测量具有可比性和测量值能够反映颗粒质量变化率,消光度必须按照理想气体定律来调整,即将消光度测量值乘以烟管内温度与参考温度(例如为100℃)的比值[2]。
分析表明,烟样温度对烟度测量的影响主要体现在:(1)当烟样温度改变后,气体密度和单位容积内的颗粒数也将发生变化。(2)当温度较低时,将使各种气态排气产物发生冷凝和颗粒凝聚现象(使微小的悬浮物凝聚成长链聚合物)。当发生冷凝或颗粒凝聚时,排气气流中颗粒尺寸分布将改变,颗粒平均投影面积也将变化。烟气中水蒸汽受冷凝结还会产生光的散射和漫射,影响测量精度。
4·1·2 烟室内压力对烟度测量的影响
在柴油机稳定工况试验时,当气样压力为50 mm水柱时,先将仪器箱体内新鲜空气鼓风压力调到18mm水柱,然后在鼓风机转速不变的情况下,调节背压阀开度。试验中发现,当取样压力为41 mm~66 mm水柱时,箱体内压力为13 mm~25 mm水柱,此时空气阀由1/4开度变化到全开位置,烟度测量值基本上没有变化。而在取样压力较低时,空气阀开度的同样变化,则引起烟度值较大幅度的变化。这说明当取样压力比烟室内压力高到一定程度时,空气阀的开度对烟度测量的影响已经很小。
由于测量管中样气的导入量由取样压力与烟室内压力之差决定,而烟室内压力随取样压力的增加而增加。当发动机工况不变时,烟室内压力由鼓风机转速、空气阀和背压调节阀开度决定,必须保证三者之间合适的匹配关系,以取得一致性的测量条件。另外,在保证光源与光电传感器附近烟气清扫干净和不影响零点校准的前提下,仪器箱体内的初始压力不宜太大。对于本仪器,应保证在测量时烟室内压力控制在18 mm~25 mm水柱范围内。
4·1·3 排气压力和转速波动对烟度测量的影响
在发动机稳定工况和排气背压调节阀开度固定的情况下,记录的烟度变化曲线如图2所示。此时取样压力为46 mm水柱,平均消光度为56·7,最大值为57·5,最小值为55·8,波动率为3·0%。图中可见,尽管已在取样管路中接入约为7L容积的小型稳压腔,稳态工况下的烟度值仍在一定范围内上下波动,这种现象在单缸机将更为明显。
烟度值的波动除了与燃料供给系统有关外,主要是由于发动机各缸周期性工作的特性以及工作稳定性、燃烧过程的一致性等引起排气压力和转速的波动,使得烟室内的烟气导入量和烟气密度发生变化。为此,可采取加大稳压腔容积及对烟度信号进行模拟或数字滤波的方法,来消除或削弱排气压力脉动和转速波动对测量的影响。
4·1·4 稳定转速试验所要求的取样压力
取样压力是指进入烟度计测量管前的烟样压力,必须将其稳定程度和最高限值限制在一定范围之内,否则,则会引起测量管中排放气体导入量变化,这时即使实际的排烟浓度没有改变,传感器输出也将变化。
因此,控制取样压力的实质,就是保证烟度测量值不受被测对象排放气体总流量或流速的影响。试验首先在柴油机工况稳定和烟室中初始压力一定的情况下,通过调整背压阀开度将取样压力从13mm水柱均匀地调到100 mm水柱,记录烟度—时间曲线如图3所示。从图中可见,当取样压力调整到某一个值时,烟度发生突变。不同负荷下的试验曲线的形状大体相同,说明烟度测量要求有一个合适的取样压力。
其次,分别在柴油机三种稳定工况时,由小到大间断地调节背压,得到的烟度—取样压力关系曲线如图4所示。曲线1是全负荷稳定转速下的试验结果,此时稳定区段的平均消光度为84。曲线2、曲线3是部分负荷稳定转速下的试验结果,稳定区段的平均消光度分别为20和16。从图中可以看出,无论是全负荷稳定转速还是部分负荷稳定转速,曲线变化规律几乎一致。
研究分析表明,测量时必须解决好以下几个问题:
(1)取样压力不能太低,否则不能反映发动机的烟度排放特性,同时会造成烟度测量值不稳定。(2)取样压力不能过高,否则排放气体的导入量过大,违背了测量的理论基础和先决条件,严重时还会导致发动机性能下降(如排温增加、燃油消耗率上升等)。因为当吸收光的分子浓度很大,每个分子的吸收本领受到周围临近分子的影响以至于它们之间的相互作用影响到对光的作用时,Beer定律不再成立。(3)为了把取样压力对烟度测量的影响减小到最低程度,稳定转速试验时应使仪器工作在烟度—取样压力关系曲线的平坦处。
由于各种取样式消光烟度计结构、特性上的差异,因而给出的取样压力范围不同。考虑到取样管道中的压力降特性,通常认为气样压力应为40 mm~60 mm水柱[3]或不小于500 Pa[4]。根据烟度—取样压力关系的特点,对于本烟度计显然将取样压力控制在50 mm~65 mm水柱(490 Pa~637 Pa)范围内比较合适。
4·2 自由加速试验
4·2·1 自由加速试验所要求的取样压力
为了研究在自由加速试验时取样压力对烟度测量的影响,分别在自由加速工况的最大转速和怠速时,把取样压力调节到50 mm水柱左右,试验过程中背压调节阀的开度不变,记录的自由加速过程的烟度—时间曲线如图5和图6所示。
图5表示在限制最高转速时背压的情况下,两次自由加速试验的烟度排放特性。最大无负荷转速时的消光度分别为69·0和70·2,按ECE R24/03法规中的计算公式,计算出对应的光吸收系数分别为2·724 m-1和2·895 m-1,相差0·171 m-1。图6表示在限制怠速时背压的情况下,3次自由加速试验的烟度排放特性。最大无负荷转速时的消光度分别为92·8、87·1和90·9,按ECE R24/03法规中的计算公式,计算出对应的光吸收系数分别为6·119 m-1、4·763 m-1和5·574m-1,最大相差1·356 m-1。
可以看出,图6中的烟度峰值比图5中的烟度峰值要明显大20左右,而在后一种情况下,最高转速时取样压力已超过200 mm水柱,表明此时取样压力过高,将会导致发动机工作性能变化。因此,实际测量时应按照最大无负荷转速来确定取样压力。国标中规定,自由加速试验时的取样压力仍按稳定转速试验时的方法来确定,通过记录发动机怠速和最大无负荷转速下的样气压力来检查,保证在发动机所有转速下,排气管中探头开口处的背压不大于735 Pa(约为75 mm水柱)。根据试验结果,对于本试验所用的烟度计,取样压力仍然控制在50 mm~65 mm水柱(490 Pa~637Pa)范围内为宜。
4·2·2 烟度动态测量的响应性
自由加速试验烟度、转速与时间曲线如图7所示。在两次自由加速过程中,第一次转速和烟度的开始上升点分别在第8秒和第10秒,转速和烟度的峰值点分别在第11秒和第13秒;第二次转速和烟度的开始上升点分别在第34秒和第36秒,转速和烟度的峰值分别在第37秒和第39秒。
图中可见,动态测量时烟度明显滞后于转速,并且随着转速的增加滞后时间减小。该时滞包括烟样经取样管路的传输时间、烟气进入烟室开始到完全充满烟室所经历的时间和测量电路的响应时间,其中取样管路的传输时间对测量的影响最大。大量自由加速试验的结果表明,烟度滞后于转速时间约为1~2秒。因此,为减小时滞以提高整个系统的响应性,应尽量缩短取样管路的长度。
5 结论
由于影响取样式消光烟度计测量结果的因素较多,考虑到不同烟度计结构、特性上的差异,各种因素对测量有不同程度的影响,作者针对自行研制的取样式消光烟度计,在485Q柴油机上只对几个比较重要的典型影响量进行了试验研究。主要结论如下:(1)光源或传感器性能上的差异,可以通过非线性修正和静态误差补偿来消除。(2)全负荷稳定转速试验时,气样温度应控制在规定范围内,否则应对测量数据进行修正。
(3)由于烟度计中的烟气浓度同取样压力与仪器箱体内的压力之差有关,因此除了规定取样点处的背压外,还应规定仪器箱体内的压力数值。(4)为了保证一致性的测量条件,使测量数据具有可比性,对全负荷稳定转速试验,当仪器箱体内的压力为18 mm~25 mm水柱时,所需的取样压力应控制在50 mm~65 mm水柱之间。自由加速试验测量时,应按照最大无负荷转速来确定取样压力,并控制在上述范围内。
参考文献
1 中华人民共和国国家标准.压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气可见污染物限值及测试方法.GB 3847-1999
2 DaNIel H.Gerke.Real-time Measurement of Diesel ParticulateEmissions with a Light Extinction OPACity Meter. SAE Paper830183
3 杨光生,魏荣年主编.柴油机测试技术[M].北京:国防工业出版社,1984
4 严兆大主编.内燃机测试技术[M].杭州:浙江大学出版社,1993
