用于重型柴油机车辆PM测量的便携式排放测量系统(PEMS):欧洲PM PEMS项目
- Rubino, P. Bonnel, M. Carriero and A. Krasenbrink
欧盟委员会 - DG联合研究中心，环境和可持续性研究所 - 运输和空气质量部门
1.摘要:
便携式排放测量系统（以下简称“PEMS”）是一种准确研究在用热机排放的强大工具，正成为发动机排放控制法规的一部分，美国最新颁布的法规已将其纳入。PEMS的应用范围很广，从庞大的重型柴油机到较小的轻型车辆以及非道路移动机械。目前，PEMS的气体组分测量性能接近试验室设备，但是随着发动机技术和后处理技术的进步，其PM测量模块的开发仍然面临复杂的挑战。
本文介绍了欧洲PEMS项目中PM测量模块的状态，旨在讨论在低PM排放水平下，准确测量颗粒物质量的可行性。基于一台欧III柴油机和一台欧V柴油机，在受控的试验室条件下（即，参考测试循环，使用低硫柴油），将几款PEMS（Dekati DMM、ETaPs、Horiba OBS TRPM、Sensors SEMTECH-PPMD、AVL MSS和Control Sistem micro-PSS）与试验室设备进行了对比，并呈现了初步的研究结果。
2.引言：
便携式排放测量系统（PEMS）已成为监测广大重型车辆、建筑和农业设备发动机排放测量的重要工具。这种趋势于90年代末后期在美国被发起，同样也发生在欧洲：PEMS被设想作为一种检测工具检测重型发动机在其实际运行期间的排放[1,2]。最近，还开展了一系列计划来评估[3，4]中报告的非道路移动机械和轻型车辆PEMS的可行性。
PEMS已经被证明是一种用于执行重型发动机在实际运行中的测试且具有低成本效益的解决方案：并不是将车辆上的发动机去下，而是将其安装在发动机测功机上以运行其正式监管周期（欧洲稳态周期（ESC）或瞬态周期（ETC）），车辆配备有车载排放测量系统以便测试发动机实际运行期间的工况；对在正常的运行路线和有效载荷上运行的公交和卡车进行测试。因此，PEMS代表了向明晰方式迈出的重要一步，以展示发动机在实际使用过程中实际发出的功率。
目前，只有两种PEMS可用于测量气体的调节排放物（THC，CO，NOx CO 2），这两个系统都符合美国CFR第1065部分的官方标准[5]。为了测量机载车辆上的PM排放量，目前已经有多种技术和仪器可供使用，并且正在进行更多的努力来使这些技术更加紧凑并且适用于车辆测试。为了判断这些改进是否足以预见欧洲立法的短期引入，欧盟委员会发起了一个关于以参与EU-PEMS PM评估计划的呼吁[6]。使用的仪器必须符合下列标准，才能用于这个项目:
i.在稀释和PM总质量测量方面可以追溯至（或至少呈现出某种相关性）重型实验室标准仪器。
ii.提供关于车辆稀释或原始排气中总PM浓度的“实时”（秒）信息;。
iii.在市场上可以买到或至少是接近商业应用的高级原型。
目前的欧洲EU-PEMS PM评估项目与美国PEMS PM测量津贴计划(MA)项目并行运行，该项目在西南研究所进行而且由美国环保署资助，目前此项目仍在继续研究中。欧洲和美国的项目都应就拟议的测量技术在短期内的可行性作出结论，但从美国的研究项目中尚未得到结果。欧盟PEMS项目分为三个阶段，分别使用不同的发动机和后处理技术、燃料和工作循环来检验候选仪器的响应。本文给出了第一阶段的一些结果。它也是在PEMS评估中已经报告的第一个研究努力的后续工作[7]。最后一节的论述集中讨论了用于评估PEMS PM仪器的方法，并展示了其中一种发动机技术所获得的初步结果。
3.实验标准概述
作为便携式PM仪器的主要标准之一是其对实验室标准的可追溯性，已经考虑了标准的几个方面，例如未来低PM水平的灵敏度，采样和稀释技术以及质量测量方法。
在美国的重型发动机认证计划中，瞬态周期已经使用了多年:这种周期应该比稳态测试更好地能反映实际的发动机运行情况。从2000年的欧III规则开始，欧洲也引入了瞬态测试。该指令1999/96/EC要求气体发动机和柴油发动机用先进的排气后处理技术进行测试欧洲瞬态循环(ETC)。从2005年起，所有类型的发动机都需要有ETC。在美国，新的排放法规将在2007年至2010年期间逐步实施，NOx限制在0.27 g/kWh和0.014 g/kWh的PM;与减排一起，EPA还颁布了一项法规，将燃料含硫量从500ppm降低到15ppm并将于2006年7月1日实施[5]。由于PM水平较低，目前的实验室方法似乎对未来发动机技术和后续处理过PM排放没有任何敏感性，对官方测试程序的改进已经实现[5]或修改正在被讨论中。例如在欧洲，在联合国GRPE PMP工作组的主持下，提出了PM数计量的引入，并改进了质量测量方法[8]。然而，目前欧洲和美国的立法都要求按照PM的定义：在 52°C以下的气体温度下进行测量，根据PMP协议，测量值精确到47 plusmn; 5 °C[8]。
固定试验可采用部分或全流量稀释隧道。对于暂态测试，目前只允许使用全流系统。为了提高检测极限，我们做出了巨大的努力，尤其是现代的低排放引擎。这导致了环境保护署(EPA) 在2007年做出了规定[5]，规定新的过滤介质、更高的平衡分辨率、对温度更严格的公差以及允许降低检测极限。预分类器(旋风分离器)也用于防止粗料沉积在过滤器上。在未来的欧洲法规中也提出了类似的方法，该方法已经被广泛的测试，并且与现有的方法作比较，在PMP程序中为PM和粒子数提出了新的指导方针[8]。然而，仍然存在一个很大的疑问，那就是是否可以自由测量工件;最令人担忧的是过滤器收集的有机蒸汽[9]。
此外，新的ISO 16183标准[10]规定了在试验台的瞬态条件下HDVs气体和颗粒废气排放的测量和评价方法。它的重点是引入了局部流量采样系统(PFSS)，并且所定义的过程可以应用于任何不需要极端系统响应时间的瞬态测试周期。在PFSS中，一个小的，但与总流量成比例的，总排气的小部分被取样并用于确定PM排放率。采样流量与总排气流量的比例被称为分率，在整个测量过程中需要保持恒定。根据控制和确定分离比的方法，PFSS分为三种配置:(1)等速系统，(2)测量浓度的流量控制系统，(3)测量流率的流量控制系统，所有的稀释废气都通过PM过滤器的引导;更多细节可以在[28]中找到。测量流率的流量控制系统是PFSS中最常见的一种，在这种情况下，通过保持稀释的排气常数和相应的稀释空气流量来获得与排气流量成比例的样品。市面上有几种设计:AVL#39;s Smart Sampler SPC472, Horiba#39;s MDLT, Control Sistem PSS-20和Sierra Instruments BG-2。在[11]中许多相关研究证明CVS和PFSS技术之间有很好的一致性。
在[12]中，根据不同的PM测量原理和技术，测量了与上述许多仪器的使用有关的问题和取样工件。在文献中发现的研究相对较少，实际上比较了同一种柴油气溶胶的不同测量方法。
4.从实验室标准到车载PM测量
当前实验目的是评估候选便携式系统的测量性能与标准方法相比，以检查其对未来低PM排放标准的敏感度。作为标准PM测量原理的应用PEMS必须具有挑战性。但是，要使用在道路和非道路系统必须满足以下标准：
a.体积小，重量轻，安装方便。b.操作简单。c.工作功耗低。d.对低PM浓度有很好的敏感性，以降低成本成本。
另外，便携式候选系统还需具有以下功能:
i.能根据现有标准(ISO 16183，美国标准)对车辆废气进行采样和稀释;
ii.能通过收集介质上的PM和/或整合数据，在测试周期内提供总PM质量;-
iii.能提供与工作/CO2平均窗口方法和/或US-NTE标准兼容的测试数据
候选PEMS也还得要面对以下两个挑战:
1.在车辆上的安装:如何安装排气采样和调节设备?
2.测试后评估方法：在美国不超过（NTE）并在欧洲移动平均窗口（MAW）。
上述第一点是很微妙的，因为便携式仪器应该尽可能的紧凑。在测量气体排放时，排气从尾管被采样并通过加热的采样管线输送到气体分析仪。线路长度（3米或5米）可以灵活地将PEMS安装在客舱内或卡车的装载区域。在测量PM排放量时，使用（长）采样管路是至关重要的，因为通过在管路上沉积可能会造成损失，因此会影响仪器收集的总PM。减少损失的最佳方法是将PEMS PM尽可能靠近采样点安装，即靠近车辆的尾管。 不幸的是，欧洲卡车排气系统的布局不允许将任何尺寸接近气体PEMS的设备放置在尾管附近。为了解决这个问题，在此程序中提出：
a.接受稀释或原 排放物运输造成的损失;
b.将取样/运输线的几何形状冻结至5米;
c.根据每个仪器制造商所遵循的工程策略，允许原料运输或稀释废气。
对评估损失进行控制：
1.直接采样，仪器靠近排气管。
2.运输采样，其中仪器远离排气管，稀释的或未经处理的排气通过加热和温度控制管线输送至仪器;
图1所示为直接采样(a)和传输采样(b)的示意图;每个候选工具都必须提供这两种策略。
候选PEMS面临的第二个挑战是数据评估方法。对于美国NTE和欧洲移动平均窗口(MAW)方法，都需要关于测试中PM累积速率的一些信息。对于NTE，必须检测质量变化的持续时间短至30秒，并且对应于#39;NTE事件#39;，即当引擎在限定的控制区域中至少运行30秒时。对于MAW，原理如下:从第一个数据点开始，移动平均过程使用参考数量(发动机工作或CO2排放在其参考认证周期)，并且气体排放的时间增量为1秒。关于NTE和MAW的更多细节可以参见[1,2,3]。候选PEMS器件满足以下方式提供质量积累速率的要求：
（1） Horiba OBS-TRPM, AVL MSS, Dekati DMM和ETaPS(与控制系统 MPSS结合)提供了可以用来推断测试中PM累积的逐秒信号；
（2）传感器PPMD通过在采样间隔之前和之后以及稳定时间之后给出每个晶体测得的质量增量，连续提供质量测量; 晶体采样时间设定为2分钟。 MAW方法的含义是使用与晶体采样持续时间相对应的时间增量（本例中为2分钟）或者在2次测量之间内插数据。
该计划的另一个目标是了解提出的用于估算PM质量累积速率的测量技术是如何相互比较的。 还设想确定哪些技术最适合，以及它们是否足够敏感，特别是在低排放水平下。 一些指导方针已经在[7]中提出和报告，但是这项工作对可用的PM PEMS仪器提供了更深入的评估。
5.PM测量的原理和技术概述
在历史上，各种各样的仪器和测量技术已经被用来描述压缩点火燃烧产生的PM。这些技术包括从简单的过滤器取样到高度精度的仪器测量。在这种情况下,只提供了一个简要的概述,因为本文的范围并不是提出所有可能用于PM测量的技术,在前几节中已经介绍了这个项目的计划，其目的也不是评估所有符合要求的原则。
光学方法，包括遮光(不透明)和激光散射可以用来测量PM(即烟灰)的碳质量。到目前为止，因为间接的质量测量和不透明表是唯一的在线一起，所以不透明度被广泛使用;目前，随着后处理系统的引入，它们面临的问题是对低质量浓度和低NO2的极限检测。
碳质量可用吸收测量的方法来测定。已经开发了许多用于吸收测量的技术[16]。然而，除了数据解释的困难外，该方法还不够灵敏，难以测量低浓度的典型现代型和特拉普型的发动机。因此，当烟灰浓度突出时，光学技术非常适用；但当PM由易挥发的物质主导时，如柴油微粒过滤器(DPF)顺流时，光学技术是不敏感的。
光声光谱学是一种利用光束吸收光来加热粒子的技术，然后用扩音设备测量产生的声波。在过去实验室应用的柴油颗粒主要使用这一原理来测量[17]，最近，由于大功率激光二极管和灵敏的微型电子设备技术的进步，一种商用的微烟尘传感器(MSS)设备被引入了市场[18]。
激光诱导的白炽灯(LII)[19]和光电气溶胶传感器(PAS)[20]也可以被考虑，但数据解释是复杂的，限于一定的颗粒大小和形状，并且在高可溶性有机组分(SOF)的存在下可能会有不同的反应。
实时粒子质量测定的技术是锥形元件振荡显微镜(TEOM)[21]和石英晶体微平衡(QCM)，这两种技术都是基于一种采集装置的共振频率的变化而产生的。它们都提供了很好的分辨率和足够的灵敏度。对于车载应用来说，TEOM的主要缺点是对水和其他易挥发物质的吸收，这可能会导致工件[22]是由于振动和车辆运动引起的干扰;它对压力和温度波动的敏感性导致了柴油粒子测量应用的问题。
最近引进的半技术便携式微粒体装置(SEMTECH- PPMD)，其中包括一个微型比例采样系统(MPS)，一个排气流量计(EFM)和一个 QCM by Sensors Inc. ，似乎非常有希望在低排放水平上对排气PM测量[23]。
基于静电原理对实时粒子检测的电子排气尾管PM传感器（ETAPS）已由Dekati引入。这是一种新型的原位排气尾管PM测量装置;它看起来很有希望，因为它可以在没有稀释和直接装在排气管上的情况下使用，但需要进一步的数据和校准。
另外最新的仪器包括Horiba OBS TRPM，它结合了沉积和测量过滤器上PM的重量分析原理和通过用作PM检测器的扩散电荷传感器（DCS）实时测量颗粒长度，并假设质量累积 在滤波器上与PM长度参数成正比[25]。关于SEMTECH-PPMD、OBS TRPM和ETaPs的更多细节将在以下部分提供，因为这些是在进行PM PEMS程序
全文共23507字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
英语原文共 17 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[14561]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
