非道路移動(dòng)機(jī)械加速煙度控制方法研究

王長(zhǎng)園 秦建蕓 李 勇 徐軍輝

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心 天津 300300）

引言

非道路移動(dòng)機(jī)械作為工程建設(shè)的重要設(shè)備在城市建筑和路橋建設(shè)中應(yīng)用十分廣泛。但由于其工作地點(diǎn)遠(yuǎn)離居住區(qū)且工作環(huán)境差，人們對(duì)于非道路機(jī)械排放認(rèn)識(shí)相對(duì)較少。非道路移動(dòng)機(jī)械由于保有量大，排放水平相對(duì)較低，加之非道路移動(dòng)機(jī)械工況復(fù)雜，尾氣排放較道路車輛惡劣許多。非道路移動(dòng)機(jī)械的排氣已成為污染大氣環(huán)境，危害人類健康的主要來(lái)源之一。隨著近年來(lái)國(guó)內(nèi)城市建設(shè)速度的加快，非道路移動(dòng)機(jī)械總量激增，非道路移動(dòng)機(jī)械排出的顆粒物成為各大城市大氣污染的主要來(lái)源之一。非道路移動(dòng)機(jī)械以柴油機(jī)為動(dòng)力，柴油機(jī)排放的顆粒物粒徑通常在10～1 000 nm之間，且含有多種有毒物質(zhì)，嚴(yán)重危害人體健康。近些年來(lái)，世界各國(guó)高度重視柴油機(jī)顆粒物排放污染及其對(duì)人體健康的影響，制訂了日益嚴(yán)格的顆粒物排放標(biāo)準(zhǔn)。但限于非道路移動(dòng)機(jī)械的多樣性與復(fù)雜性，各國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)均以發(fā)動(dòng)機(jī)作為考察對(duì)象，難以對(duì)在用非道路機(jī)械進(jìn)行快速有效的評(píng)價(jià)。因此，為了對(duì)在用機(jī)械的顆粒物排放水平進(jìn)行快速有效的評(píng)價(jià)，國(guó)內(nèi)各主要城市紛紛采用測(cè)量機(jī)械自由加速煙度的方法來(lái)衡量在用機(jī)械的顆粒物排放水平。自由加速煙度測(cè)試法具有測(cè)試快速，操作簡(jiǎn)便，適應(yīng)性好，結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)，十分適合在用機(jī)械顆粒物排放的檢測(cè)與執(zhí)法，現(xiàn)已經(jīng)成為在用非道路機(jī)械顆粒物排放水平快速評(píng)估的主要方法[1]。

1 非道路移動(dòng)機(jī)械碳煙形成機(jī)理

非道路移動(dòng)機(jī)械的主要?jiǎng)恿κ遣裼蜋C(jī)。柴油機(jī)工作時(shí)，噴油器將高壓的液態(tài)柴油通過(guò)小孔快速噴入燃燒室內(nèi)，高速通過(guò)小孔的液滴與進(jìn)氣系統(tǒng)吸入的空氣劇烈摩擦，受熱氣化，與空氣進(jìn)行充分混合。當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到接近上止點(diǎn)附近達(dá)到燃燒溫度時(shí)，部分達(dá)到合適混合濃度的區(qū)域已經(jīng)滿足點(diǎn)火的條件，即發(fā)火做功。噴油器噴出的燃油小液滴在與缸內(nèi)空氣混合時(shí)很難做到十分均勻，容易造成局部的空燃比小于理論空燃比。這些未能混合充分的燃油在燃燒時(shí)由于缺乏足夠的空氣不能充分燃燒，在高溫下迅速裂解為碳?xì)滏?，碳?xì)滏溸M(jìn)一步脫氫碳化形成直徑為納米級(jí)小碳顆粒。這些小顆粒積聚在一起，形成碳煙隨排氣一同排出。

在柴油機(jī)加速或增加負(fù)荷時(shí)，為了達(dá)到目標(biāo)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷需要多噴柴油，但此時(shí)進(jìn)排氣系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)不能同步增加進(jìn)氣，造成瞬時(shí)空燃比較低，更容易形成碳煙。而且柴油機(jī)往往裝有增壓器，響應(yīng)時(shí)間進(jìn)一步變長(zhǎng)。這是由于增壓器工作的能量來(lái)自于缸內(nèi)排出廢氣的能量。廢氣能量來(lái)自于燃燒后從缸內(nèi)排出的廢氣的動(dòng)能與余熱，必須是在有更多的燃油燃燒之后，才能提供更多的能量，這就造成了整個(gè)進(jìn)排氣系統(tǒng)的響應(yīng)更加緩慢[2-3]。因此非道路移動(dòng)機(jī)械在工作中出現(xiàn)轉(zhuǎn)速或負(fù)荷變化較大的情況時(shí)，容易出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象。此外，配氣相位角的選擇以及進(jìn)排氣阻力也會(huì)對(duì)柴油機(jī)的顆粒生成產(chǎn)生較大影響，這主要是與單缸排氣干擾與廢氣是否順利排出有關(guān)，選擇合適的配氣相位并保證合理排氣背壓是柴油機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，故而在此不贅述。

自由加速煙度試驗(yàn)中要求的工況為在短時(shí)間內(nèi)操縱柴油機(jī)噴油量到最大（踏板1 s到底）。在這種工況下，油量變化最為劇烈且給進(jìn)排氣系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間最少，因此可以認(rèn)為是最惡劣的工況。所以自由加速煙度試驗(yàn)中的煙度值可認(rèn)為是非道路機(jī)械在實(shí)際使用過(guò)程中排出的最大煙度。因此使用自由加速煙度的方法可以有效評(píng)價(jià)非道路移動(dòng)機(jī)械的碳煙甚至是顆粒物的排放[4-6]。

2 降低自由加速煙度的措施和方法

通過(guò)上面的分析可知在進(jìn)排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的情況下，非道路移動(dòng)機(jī)械排氣煙度形成的主要原因?yàn)槿加偷倪^(guò)量供給，新鮮空氣的供給不足以及燃油空氣的混合不充分。因此與之相對(duì)應(yīng)的解決方法為：

1）減少燃油瞬間供給量。

2）降低增壓器響應(yīng)時(shí)間（或給予足夠的反應(yīng)時(shí)間）。

3）提供合適的渦流比與燃油噴射壓力。

其中第3點(diǎn)，進(jìn)氣道的渦流比與燃油系統(tǒng)噴射壓力在柴油機(jī)設(shè)計(jì)選型階段便已經(jīng)確定，調(diào)整驗(yàn)證十分困難，因此不作為降低非道路移動(dòng)機(jī)械自由加速煙度的主要手段。而減少燃油瞬間供給量，降低增壓器響應(yīng)時(shí)間（或增加供油過(guò)渡時(shí)間）可以通過(guò)調(diào)整燃油系統(tǒng)的標(biāo)定數(shù)據(jù)或優(yōu)化增壓器配置來(lái)實(shí)現(xiàn)是較容易完成的[7-8]。目前國(guó)內(nèi)非道路移動(dòng)機(jī)械三階段的技術(shù)路線普遍采用電控高壓共軌，因此優(yōu)化燃油噴射參數(shù)成為降低非道路移動(dòng)機(jī)械自由加速煙度的主要手段[9-11]。

本次選取的研究對(duì)象為兩臺(tái)戴納派克CC5200型與CC6200型壓路機(jī)（如圖1所示），機(jī)械的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖1 試驗(yàn)用壓路機(jī)

表1 試驗(yàn)用非道路機(jī)械的主要參數(shù)

煙度測(cè)量設(shè)備使用日本HORIBA公司生產(chǎn)的MEXA-600S型便攜式不透光煙度計(jì)，如圖2所示。

壓路機(jī)在實(shí)際工作中使用前后兩個(gè)重碾將瀝青攤鋪機(jī)攤鋪在路面上的瀝青壓實(shí)。壓路機(jī)的實(shí)際工況接近勻速變負(fù)荷，工作時(shí)整機(jī)運(yùn)行速度基本不變。因此壓路機(jī)在操作方式上的設(shè)計(jì)使用一個(gè)多擋位的電子開關(guān)設(shè)定怠速、工作轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速3個(gè)擋位。壓路機(jī)操作員通過(guò)設(shè)定不同的擋位，可以使壓路機(jī)在設(shè)定擋位的轉(zhuǎn)速下以恒轉(zhuǎn)速進(jìn)行工作。

本次試驗(yàn)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)北京市地標(biāo)DB11/184-2013《在用非道路柴油機(jī)械煙度排放限值及測(cè)量方法》執(zhí)行。試驗(yàn)樣機(jī)之前存在自由加速煙度大的問(wèn)題，不滿足DB11/184標(biāo)準(zhǔn)的要求。試驗(yàn)計(jì)劃通過(guò)調(diào)整怠速至額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間來(lái)降低柴油機(jī)單缸單次供油量的最大值，從而實(shí)現(xiàn)降低自由加速煙度的目的。

第一次測(cè)量時(shí)，機(jī)械未調(diào)整，相關(guān)標(biāo)定使用原始數(shù)據(jù)，切換擋位的標(biāo)定時(shí)間，即怠速切換至標(biāo)定轉(zhuǎn)速的時(shí)間為1 s。測(cè)量結(jié)果如表2所示。

圖2 日本HORIBA公司MEXA-600S型不透光煙度計(jì)

表2 標(biāo)定時(shí)間為1 s煙度測(cè)量結(jié)果

通過(guò)標(biāo)定數(shù)據(jù)，將壓路機(jī)擋位切換時(shí)間更改為2 s后，再次進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 標(biāo)定時(shí)間為2 s煙度測(cè)量結(jié)果

從數(shù)據(jù)中可以看出，增加擋位切換時(shí)間后壓路機(jī)的自由加速煙度值出現(xiàn)了明顯的下降，但仍高于DB11/184-2013標(biāo)準(zhǔn)要求的第Ⅲ類限值要求。因此需要進(jìn)一步優(yōu)化擋位切換時(shí)間以滿足法規(guī)限值要求。擋位切換時(shí)間標(biāo)定為3 s時(shí)的測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 標(biāo)定時(shí)間為3 s煙度測(cè)量結(jié)果

該標(biāo)定時(shí)間下的自由加速煙度已經(jīng)滿足法規(guī)要求，降低效果明顯。為進(jìn)一步研究其降低煙度的作用，因此繼續(xù)增加擋位切換時(shí)間并進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表5所示。

表5 標(biāo)定時(shí)間為4 s煙度測(cè)量結(jié)果

從表5可以看出，繼續(xù)增加標(biāo)定時(shí)間并未進(jìn)一步降低機(jī)械的自由加速煙度值。

表6為不同標(biāo)定時(shí)間下的自由加速煙度均值。

表6 不同標(biāo)定時(shí)間下的自由加速煙度（均值）

通過(guò)標(biāo)定增加擋位切換時(shí)間，可以使非道路移動(dòng)機(jī)械的自由加速煙度值得到有效的控制，降幅75.2%。但達(dá)到某一邊界時(shí)間后繼續(xù)增加擋位切換時(shí)間不能進(jìn)一步降低機(jī)械的自由加速煙度。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論

1）試驗(yàn)通過(guò)增加擋位切換時(shí)間來(lái)達(dá)到降低機(jī)械自由加速煙度值的目的。將擋位切換的標(biāo)定時(shí)間從1 s增加到3 s，煙度值（均值）從0.921降低至0.233，繼續(xù)增加標(biāo)定時(shí)間，煙度值并未進(jìn)一步降低。

根據(jù)之前分析可知：柴油機(jī)油量突然增加時(shí)，增壓器由于響應(yīng)不及時(shí)會(huì)造成空燃比低于穩(wěn)態(tài)工作空燃比的情況，造成煙度變大。自由加速試驗(yàn)要求柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速由怠速迅速增加至標(biāo)定轉(zhuǎn)速的情況，需要柴油機(jī)迅速向缸內(nèi)加噴燃油來(lái)提升轉(zhuǎn)速。而增加擋位切換時(shí)間，實(shí)際上是減少了單次最大供油量和加速過(guò)程中的總供油量，同時(shí)比較長(zhǎng)的轉(zhuǎn)速變化時(shí)間給予了增壓器足夠的反應(yīng)時(shí)間，增壓壓力跟隨性比較好，可以給缸內(nèi)提供足夠的新鮮空氣來(lái)滿足燃燒的要求，使缸內(nèi)處于富氧燃燒，降低了自由加速煙度。同時(shí)由于降低了最大供油量，噴油持續(xù)角減小，油束噴到活塞燃燒室壁面和缸壁的可能減少，降低了顆粒形成的幾率。此外，由于轉(zhuǎn)速變化時(shí)間變長(zhǎng)，增壓壓力與轉(zhuǎn)速增長(zhǎng)跟隨較好，缸內(nèi)在吸氣過(guò)程中產(chǎn)生的真空度較小，活塞環(huán)密封更加緊密，減少了潤(rùn)滑油進(jìn)入缸內(nèi)燃燒的可能性，進(jìn)一步減少了顆粒的形成。

試驗(yàn)中增加擋位切換時(shí)間可降低自由加速煙度，但達(dá)到了一定時(shí)間之后即使再增加擋位切換時(shí)間也無(wú)法進(jìn)一步降低自由加速煙度。

這是由于通過(guò)增加擋位切換時(shí)間，進(jìn)氣壓力的跟隨性已經(jīng)滿足要求，有足夠的新鮮空氣來(lái)支持燃燒，無(wú)法進(jìn)一步增大空燃比。

此時(shí)燃燒室內(nèi)在有充足的新鮮空氣的情況下，煙度的形成僅與渦流比和配氣相位、燃油噴射參數(shù)等有關(guān)。進(jìn)一步增加擋位切換時(shí)間對(duì)降低機(jī)械煙度沒(méi)有益處，反而會(huì)影響用戶對(duì)于動(dòng)力性的體驗(yàn)。

2）此外試驗(yàn)還考慮了電氣元件以及標(biāo)定軟件控制邏輯造成的燃油供給規(guī)律對(duì)自由加速煙度的影響。

柴油機(jī)在高低怠速切換時(shí)，速度需求是由轉(zhuǎn)速PID來(lái)控制的。需求轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值會(huì)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩的需求即噴油量。需求的油量與通過(guò)煙度限制map計(jì)算后得出的最大油量進(jìn)行比較后，將小值作為實(shí)際的噴油量進(jìn)行輸出。煙度限制可以有效限制柴油機(jī)在轉(zhuǎn)速負(fù)荷突變時(shí)的冒煙現(xiàn)象，但對(duì)自由加速煙度的限制能力有限。這是由于柴油機(jī)在自由加速煙度工況下負(fù)荷為0，此時(shí)的噴油量即使小于煙度限制的油量對(duì)于空載加速的柴油機(jī)來(lái)說(shuō)還是過(guò)大。由于柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速控制是由PID完成，因此調(diào)節(jié)PID使柴油機(jī)在相同的響應(yīng)時(shí)間下轉(zhuǎn)速變化更加平穩(wěn)是減小自由加速煙度的有效方法。

默認(rèn)的轉(zhuǎn)速變化規(guī)律接近線性，但實(shí)際上由于不同的電氣元件特性以及ECU或ECM的PID控制邏輯的計(jì)算特性會(huì)使油量隨時(shí)間增長(zhǎng)的曲線呈二次或更高次方曲線的特性。這種工作特性由于初始供油量較大，且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)增壓壓力響應(yīng)較慢，難以提供足夠的新鮮空氣以供燃燒。

如果速度隨時(shí)間增長(zhǎng)曲線呈指數(shù)曲線特性即初始時(shí)速度較低但加速度增長(zhǎng)較快的話，則利于增壓器響應(yīng)，使進(jìn)氣量與供油量保持一個(gè)比較好的協(xié)同關(guān)系。但由于試驗(yàn)時(shí)間所限，該方案并未進(jìn)一步驗(yàn)證。

3）由于壓路機(jī)工作轉(zhuǎn)速基本恒定，用戶對(duì)于擋位切換時(shí)間并沒(méi)有較高的需求。經(jīng)操作員親測(cè)，更改擋位切換時(shí)間至3 s后對(duì)操作與動(dòng)力性并無(wú)影響。因此調(diào)整柴油機(jī)轉(zhuǎn)速切換時(shí)間的方法對(duì)于多轉(zhuǎn)速擋位工作的恒速非道路移動(dòng)機(jī)械來(lái)說(shuō)是一種降低煙度的快速、高效的方法。

1 H.Ogawa，M.Hayash，M.Yashiro.重型貨車可調(diào)噴嘴渦輪增壓系統(tǒng)連續(xù)反饋控制的發(fā)展[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，1998（1）：9-15

2 曹立峰，白思春，褚全紅，等.柴油機(jī)電控系統(tǒng)冒煙控制策略研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2009（5）：61-64，68

3 曹躍芳.柴油機(jī)煙度測(cè)量問(wèn)題的探討[J].測(cè)試技術(shù)，2006（5）：33-34

4 田徑，劉忠長(zhǎng)，許允，等.柴油機(jī)瞬變過(guò)程煙度排放裂變分析[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2016，34（2）：125-134

5 王海寧，牛彥雷，范青海.柴油車自由加速煙度控制方法研究[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2015（5）：5-7

6 于恩中，劉進(jìn)軍.柴油機(jī)顆粒排放機(jī)理及控制措施的研究[J].內(nèi)燃機(jī)，2009（4）：41-43

7 吳建財(cái)，錢超，鄒建.軌壓與噴油提前角對(duì)柴油機(jī)NOx排放和煙度的影響[J].內(nèi)燃機(jī)，2017（3）：34-37

8 程志國(guó)，閔永軍，趙延科，等.柴油公交車起步提前補(bǔ)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].控制工程，2017，24（4）：805-809

9 王忠恕，劉忠長(zhǎng)，戈非.柴油機(jī)瞬態(tài)工況煙度排放特性及分析[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2005，23（5）：404-409

10 Bazari Z.Diesel exhaust emissions prediction under transient operating conditions[C].SAE Paper 940666

11 Wijetunge R S,Brace C J,Hawley J G,et al.Dynamic behavior of a high speed direct injection diesel engine[C].SAE Paper 1999-01-0829