隐秘的“杀手” - 汽车尾气纳米颗粒排放瞬态模拟

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汽车给人们的出行带来极大便利，但其排放的尾气对环境的污染、对健康的危害也逐渐凸显。

汽车尾气排出的颗粒物表面较粗糙且呈多空隙状态，具有较强的吸附能力，汽油燃烧过程中产生的大量有机物、未燃油和挥发性有机物等都会吸附在颗粒物表面。

汽车排放的颗粒物不仅是城市PM2.5的主要来源，而且粒径相对较小的细颗粒物严重危害身体健康，甚至致癌，成为行走的人类健康 “杀手”。

为了遵守越来越严格的二氧化碳排放规定，汽车发动机技术不断改进，但新的技术也带来新的问题，即汽车尾气排放出更小的纳米颗粒，并且现有的认证程序无法检测到这些纳米颗粒。汽车尾气中这些无法检测到的纳米颗粒也就成为了隐秘的健康“杀手”。

针对这种情况，欧盟地平线2020 (EU Horizon 2020）启动的PEMs4Nano 项目，旨在开发可靠的测量程序，既可用于低排放发动机技术的开发，也可作为新法规的检测基础。该项目将支持对低于23纳米(阈值为10纳米)的颗粒物测量及调控。

（说明：PN10纳米指测量仪器系统的损失函数在10纳米的测量效率为50%）

在PEMs4Nano项目中， CMCL Innovations 与堀场（Horiba）、博世(Bosch)等7方合作研发了稳健可靠、可用于测量低至10纳米颗粒物的便携式排放测量系统（PEMS）。在该项目中，采用CMCL数字工程工作流程增加排放量测量数据，以用于车辆水平瞬态模拟中评估发动机燃烧特性及尾气排放。

欧盟地平线2020 - PEMs4Nano项目

用户需求

构建发动机详细物理化学模型和高维度快速响应代理模型，用于评估发动机排放和整车瞬态排放。

解决方案

· kinetics & SRM Engine Suite 构建物理化学模型用于发动机进行仿真，模拟气态和颗粒物排放；

· MoDS生成代理模型耦合 GT Suite 对整车排放瞬态模拟

软件优势

· 发动机详细物理化学模型建模达到高准确率排放预测

· 简易生成高维度，快速响应代理模型

本案例将展示 kinetics & SRM Engine Suite 在详细的物理化学建模中预测发动机气相及颗粒物排放的能力，以及MoDS生成用于瞬态仿真的高维与快速响应替代模型的能力。

在PEMs4Nano中，研究人员从单缸和多缸发动机收集涵盖各种工况，发动机转速和负载的测量数据。

采用 kinetics & SRM Engine Suite 构建详细的理化单杠和多缸的发动机模型，对该模型进行校准以评估NOx，CO，CO2，uHC和碳烟排放。校准后的模型也可用于评估粒度分布，可溶性有机浓度（SOF），PN 和 PM。然后，MoDS 在校准后的模型上生成高维与快速响应替代模型，并与GT Suite结合使用，以在瞬态模拟中评估尾气排放（含亚23纳米的 PN）。

下图为不同工况点排放颗粒PN模型预测与实验对比，浅蓝柱状图代表模拟结果，深蓝柱状图代表实验结果。