非道路移動(dòng)機(jī)械加速煙度控制方法研究*

王長(zhǎng)園 李 勇 郭 勇

（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)械是工程建設(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。但由于非道路移動(dòng)機(jī)械的工作地點(diǎn)遠(yuǎn)離居住區(qū)且工作環(huán)境惡劣，人們對(duì)于非道路移動(dòng)機(jī)械的排放認(rèn)識(shí)相對(duì)較少。非道路移動(dòng)機(jī)械由于保有量大，排放控制技術(shù)水平較低，加之工況復(fù)雜，尾氣排放較道路車輛高許多。非道路移動(dòng)機(jī)械的排氣污染已成為污染大氣環(huán)境、危害人類健康的主要來(lái)源之一。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)城市建設(shè)速度加快，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。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。世界各國(guó)高度重視柴油機(jī)顆粒物排放對(duì)人體健康的影響，制訂了日益嚴(yán)格的顆粒排放標(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)在用非道路移動(dòng)機(jī)械進(jìn)行快速有效的評(píng)價(jià)。鑒于此，國(guó)內(nèi)各主要城市紛紛采用測(cè)量非道路移動(dòng)機(jī)械自由加速煙度的方法來(lái)衡量在用非道路移動(dòng)機(jī)械的顆粒排放水平。自由加速煙度測(cè)試法具有測(cè)試速度快、操作簡(jiǎn)便、適應(yīng)性好、結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)，適合在用非道路移動(dòng)機(jī)械顆粒排放的檢測(cè)[1]，現(xiàn)已成為在用非道路移動(dòng)機(jī)械顆粒排放水平快速評(píng)估的主要方法。

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)柴油快速噴入燃燒室內(nèi)。柴油液滴與進(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)附近時(shí)，燃燒室內(nèi)的溫度已達(dá)到燃燒溫度，部分濃度合適的混合氣開(kāi)始燃燒。噴油器噴出的燃油小液滴與缸內(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。未能充分混合的燃油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)滏湥細(xì)滏溸M(jìn)一步脫氫碳化形成直徑為納米級(jí)的小碳顆粒。這些小顆粒積聚一起，形成碳煙隨排氣一同排出[2]。

在柴油機(jī)加速或增加負(fù)荷時(shí)，需要多噴油，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[3]。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)。由于增壓器工作的能量來(lái)自于缸內(nèi)排出的廢氣能量，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。因此非道路移動(dòng)機(jī)械在轉(zhuǎn)速或負(fù)荷變化較大的情況下，容易出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象。此外，配氣相位以及進(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以及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的排氣背壓是柴油機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

自由加速煙度試驗(yàn)中所要求的工況為在短時(shí)間內(nèi)使柴油機(jī)的噴油量達(dá)到最大（踏板1 s踩到底）。在這種工況下，油量變化最為劇烈，進(jìn)排氣系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間最少，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)為是非道路移動(dòng)機(jī)械在實(shí)際使用過(guò)程中排出的最大煙度。使用自由加速煙度的方法可有效評(píng)價(jià)非道路移動(dòng)機(jī)械的碳煙甚至顆粒排放。

2 試驗(yàn)方法與結(jié)果

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是燃油的過(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等。因此，與之相對(duì)應(yīng)的解決方法為：

1）減少燃油瞬時(shí)供給量；

2）減少增壓器響應(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。

由于進(jìn)氣渦流比與燃油噴射壓力在柴油機(jī)設(shè)計(jì)選型階段已確定，調(diào)整十分困難，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。減少燃油瞬時(shí)供給量和降低增壓器響應(yīng)時(shí)間（或增加供油過(guò)渡時(shí)間）可通過(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)，較容易完成。目前，國(guó)內(nèi)非道路移動(dòng)機(jī)械第三階段的技術(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[4-6]。

2.1 試驗(yàn)對(duì)象

研究對(duì)象為一臺(tái)戴納派克CC5200型與一臺(tái)CC6200型壓路機(jī)，相關(guān)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用非道路移動(dòng)機(jī)械的主要參數(shù)

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用壓路機(jī)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)用壓路機(jī)

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。

在實(shí)際工作中，壓路機(jī)的前后2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)荷工況，工作時(shí)整機(jī)運(yùn)行速度基本不變。因此壓路機(jī)在操作方式的設(shè)計(jì)上，使用1個(gè)多擋位的電子開(kāi)關(guān)設(shè)定怠速、工作轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速等3個(gè)擋位。操作員通過(guò)設(shè)定不同的擋位，可使壓路機(jī)在設(shè)定擋位的轉(zhuǎn)速下以恒轉(zhuǎn)速進(jìn)行工作。

本試驗(yàn)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)北京市地方標(biāo)準(zhǔn)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)存在自由加速煙度大的問(wèn)題，不能滿足DB11/184-2013標(biāo)準(zhǔn)的要求。試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)調(diào)整怠速至額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間t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)，非道路移動(dòng)機(jī)械未調(diào)整相關(guān)標(biāo)定，僅使用原始數(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)果見(jiàn)表2。

圖2 MEXA-600S型不透光煙度計(jì)

表2 標(biāo)定時(shí)間為1 s的煙度測(cè)量結(jié)果m-1

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以后，再次進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3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)明顯的下降，但仍高于DB11/184-2013標(biāo)準(zhǔn)的第Ⅲ類限值要求，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)果見(jiàn)表4。

表3 標(biāo)定時(shí)間為2 s的煙度測(cè)量結(jié)果m-1

表4 標(biāo)定時(shí)間為3 s的煙度測(cè)量結(jié)果m-1

從表4可以看出，標(biāo)定時(shí)間為3 s的自由加速煙度已滿足法規(guī)要求，煙度降低效果明顯。為進(jìn)一步研究其降低煙度的作用，繼續(xù)增加擋位切換時(shí)間并進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 標(biāo)定時(shí)間為4 s的煙度測(cè)量結(jié)果（均值）m-1

從表5可以看出，繼續(xù)增加標(biāo)定時(shí)間并未進(jìn)一步降低非道路移動(dòng)機(jī)械的自由加速煙度。

不同標(biāo)定時(shí)間下的自由加速煙度對(duì)比見(jiàn)表6。

表6 不同標(biāo)定時(shí)間下的自由加速煙度m-1

從表6可以看出，通過(guò)標(biāo)定增加擋位切換時(shí)間，可使非道路移動(dòng)機(jī)械的自由加速煙度值得到有效的控制，下降幅度達(dá)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)一步降低非道路移動(dòng)機(jī)械的自由加速煙度。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1）根據(jù)之前的分析可知，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，導(dǎo)致煙度變大。自由加速煙度試驗(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，需要迅速增加噴油量來(lái)提高轉(zhuǎn)速。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[7]。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以滿足燃燒要求，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，油束噴到燃燒室的可能減少，降低了顆粒形成的幾率。此外，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)間可減少自由加速煙度，但達(dá)到一定時(shí)間后，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)，燃燒室在有充足新鮮空氣的情況下，煙度的形成僅與渦流比、配氣相位以及燃油噴射參數(shù)等有關(guān)，進(jìn)一步增加擋位切換時(shí)間，對(duì)降低非道路移動(dòng)機(jī)械的煙度沒(méi)有益處，反而會(huì)影響動(dòng)力性能。

2）試驗(yàn)考慮了電氣元件以及標(biāo)定軟件控制邏輯造成的供油規(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，即噴油量的需求。而需求的油量與通過(guò)煙度限制MAP計(jì)算所得出的最大油量進(jìn)行比較后，將較小值作為實(shí)際的噴油量進(jìn)行輸出。煙度限制可有效降低柴油機(jī)在轉(zhuǎn)速負(fù)荷突變時(shí)的冒煙現(xiàn)象，但對(duì)自由加速煙度的降低能力有限。這是由于柴油機(jī)在自由加速煙度工況下的負(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。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速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。

通常認(rèn)為，轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律是接近線性變化。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)使轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的曲線呈二次或更高次方曲線的特性。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。

如果轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線呈指數(shù)曲線特性即初始時(shí)轉(zhuǎn)速較低但加速度增長(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。但該方案的效果有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)論

1）本試驗(yàn)的目的是通過(guò)增加擋位切換時(shí)間來(lái)降低非道路移動(dòng)機(jī)械的自由加速煙度值。將擋位切換的標(biāo)定時(shí)間從1s增加到3s，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。

2）煙度限制可有效降低柴油機(jī)在轉(zhuǎn)速負(fù)荷突變時(shí)的冒煙現(xiàn)象，但對(duì)自由加速煙度的降低能力有限。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速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。

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。更改擋位切換時(shí)間至3s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)是一種快速而高效降低煙度的方法。

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