小型農(nóng)業(yè)機械柴油機排放測試循環(huán)研究

戴旭東，吳鋒*，姚棟偉，鄭高安，呂成磊

（1.浙江大學能源工程學院動力機械及車輛工程研究所，杭州 310027；2.浙江省水利水電學院，杭州 310018）

柴油機由于具有動力性強、油耗率低等優(yōu)勢，因此在農(nóng)業(yè)機械上得到了廣泛應(yīng)用。截至2017年底，全國農(nóng)業(yè)機械總動力達到9.88億kW，其中，柴油機動力占比達到78.62%[1]，而使用農(nóng)業(yè)機械柴油機帶來的污染問題[2]必須引起重視。

與發(fā)達國家農(nóng)場化、大型農(nóng)機聯(lián)合作業(yè)的模式不同，我國農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)水平相對落后，單缸柴油機和小功率多缸柴油機的保有量大，接近農(nóng)用機械總功率的60%，且小型農(nóng)業(yè)機械經(jīng)常在高負荷、高強度、惡劣的工作環(huán)境下運行[3-4]，其實際作業(yè)工況與在非道路移動機械柴油機排放標準中制定的測試循環(huán)工況[5]存在較大差異。而中國的非道路移動機械用柴油機排放標準[6]參考了歐盟的排放標準，采用相同的測試循環(huán)，因此，在此測試循環(huán)工況下制定的排放限值，在我國小型農(nóng)業(yè)機械柴油機上的適用性有待商榷。

目前，我國在非道路移動機械污染控制方面的工作相對較為薄弱，存在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不清、管理體制混亂、環(huán)境執(zhí)法與監(jiān)管不嚴等方面的問題[7]，因此，需要制定針對小型農(nóng)業(yè)機械柴油機專用的排放標準。利用工況記錄儀記錄并提煉實際作業(yè)工況[8]，制定小型農(nóng)業(yè)機械柴油機排放測試循環(huán)成為標準制定的重要一環(huán)。為此，本文設(shè)計了一種柴油機實時工況記錄儀，用以采集并記錄小型農(nóng)業(yè)機械柴油機的實時運行工況信息，在進行數(shù)據(jù)分析與提煉后，提出了適用于小型農(nóng)業(yè)機械柴油機的排放測試循環(huán)，并進行了臺架試驗驗證，可為后續(xù)相關(guān)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 工況記錄儀功能需求分析

為了獲取小型農(nóng)業(yè)機械柴油機的實際工況信息，本文設(shè)計了一種柴油機實時工況記錄儀，其核心是基于單片機的數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)[9]，配備模擬量、數(shù)字量等信號輸入通道，用于采集柴油機轉(zhuǎn)速、油門位置信號（負荷信息）、排氣溫度、機油溫度、冷卻水溫等反映柴油機實際工作狀態(tài)的信息。采用上述實時工況記錄儀跟蹤采集整個作業(yè)季或作業(yè)周期內(nèi)小型農(nóng)業(yè)機械柴油機的實際工況參數(shù)信息并存儲到內(nèi)存卡中，用于后期數(shù)據(jù)處理與分析。

1.2 工況記錄儀硬件設(shè)計

為實現(xiàn)上述功能，工況記錄儀以單片機控制器模塊為系統(tǒng)核心，增加了時鐘模塊、電源模塊、液晶顯示屏（liquid crystal display,LCD）顯示模塊、內(nèi)存卡存儲模塊、控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controller area network,CAN）通信模塊、異步傳輸標準232接口（recommended standard 232,RS-232）模塊等外部設(shè)備，并設(shè)計了相關(guān)工作電路。時鐘模塊為記錄儀系統(tǒng)提供準確的時間數(shù)據(jù)；電源模塊及其配套電路為單片機、各外部設(shè)備模塊及傳感器提供穩(wěn)定電源；LCD模塊可實時顯示時間和工況參數(shù)；內(nèi)存卡存儲模塊可將實時采集的工況參數(shù)記錄到文本文檔（txt）里；上位機通過RS-232模塊可與單片機進行通信、初始參數(shù)設(shè)置等；利用CAN通信模塊可以通過通訊協(xié)議直接讀取部分柴油發(fā)動機控制單元（engine control unit,ECU）中的工況參數(shù)[10]；利用數(shù)字模擬信號采集模塊可以連接對應(yīng)的傳感器，將采集的工況參數(shù)輸入到單片機中。圖1為柴油機實時工況記錄儀硬件設(shè)計原理圖。

1.3 工況記錄儀軟件設(shè)計

工況記錄儀所使用的單片機為美國Microchip公司研發(fā)生產(chǎn)的dsPIC33FJ128MC708A單片機。利用Microchip官方MPLAB X IDE作為開發(fā)平臺。MPLAB[11]適用于對可編程中斷控制器（programmable interrupt controller,PIC）系列單片機進行嵌入式設(shè)計的應(yīng)用開發(fā)，其內(nèi)置編輯器具有創(chuàng)建和編輯源代碼功能，可以匯編、編譯和鏈接源代碼，并可以使用內(nèi)置模擬器的觀察程序流程調(diào)試可執(zhí)行邏輯；或者使用在線調(diào)試器實時調(diào)試可執(zhí)行邏輯。圖2是柴油機實時工況記錄儀軟件設(shè)計框架圖。

上位機軟件使用C#語言作為界面的開發(fā)工具。上位機系統(tǒng)[12]為工況記錄儀提供初始化數(shù)據(jù)，包括時間校核、測試人員編號、農(nóng)業(yè)機械機型代號、傳感器引腳選擇等。圖3是柴油機實時工況記錄儀上位機軟件界面圖。

圖1 工況記錄儀硬件設(shè)計原理示意Fig.1 Hardware design diagram for working condition recorder

圖3 工況記錄儀上位機軟件界面Fig.3 Upper computer software interface for working condition recorder

1.4 工況記錄儀安裝調(diào)試與工況采集

為了獲取小型農(nóng)業(yè)機械柴油機實際作業(yè)的工況數(shù)據(jù)，與浙江省湖州市、金華市等地多家專業(yè)農(nóng)機機構(gòu)合作，選取與小型柴油機配套的拖拉機、插秧機、收割機等農(nóng)業(yè)機械，安裝傳感器并連接工況記錄儀進行調(diào)試，確保工況記錄儀能夠長時間、不間斷采集并記錄數(shù)據(jù)。在整個作業(yè)季跟蹤采集柴油機的工況參數(shù)，單片機以1 Hz的頻率將時間信息與工況參數(shù)數(shù)據(jù)組成一個數(shù)據(jù)包發(fā)送給安全數(shù)字存儲卡（secure digital memory card,SD）模塊，記錄到txt文件中。

2 結(jié)果與分析

對工況記錄儀采集的整個作業(yè)周期內(nèi)柴油機運行工況數(shù)據(jù)進行數(shù)理統(tǒng)計分析，總結(jié)小型農(nóng)業(yè)機械柴油機在實際工作過程中的轉(zhuǎn)速、油門開度變化范圍及相應(yīng)的分布比例，即可提煉出小型農(nóng)業(yè)機械柴油機的典型運行工況。

2.1 改進后的K均值（K--means）聚類算法

K均值聚類算法是一種典型的基于形心的劃分數(shù)據(jù)聚類算法[13]，屬于無監(jiān)督機器學習方法的一種。由于樣本分布的不確定性，在傳統(tǒng)K均值算法中初始聚類中心依靠人工或算法隨機選取，有可能是孤立點或噪聲點，因此，這將導(dǎo)致聚類結(jié)果與真實分布有較大偏離。本文參考谷廣宇等[14]基于加權(quán)歐氏距離最小方差優(yōu)化初始聚類中心的K均值改進算法，對提取的柴油機轉(zhuǎn)速和油門開度等工況信息進行聚類處理。該方法的基本思想是：以樣本方差作為啟發(fā)信息，選取方差最小的樣本作為初始聚類中心，并以樣本平均距離劃分初始聚類，從而選擇出周圍樣本分布比較密集的初始聚類中心，避免孤點和噪聲點的干擾，提高聚類結(jié)果的準確性。

為進一步提高聚類的準確性，本文對轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進行歸一化處理，以額定轉(zhuǎn)速的百分比來表征所有轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，可與柴油機油門開度（即柴油機負荷）統(tǒng)一單位，從而降低因轉(zhuǎn)速和油門開度之間由于單位不同造成的數(shù)量級差距過大帶來的誤差。在聚類開始前，對原始數(shù)據(jù)中可用經(jīng)驗判斷出的噪聲點進行剔除。

2.2 典型工況循環(huán)提煉

在MATLAB軟件中編寫改進后的K均值聚類算法，使得該算法可以處理柴油機實時工況記錄儀采集的大數(shù)據(jù)。本研究參考《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第三、四階段）》中的六工況與八工況穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)，暫取K為5、6、7、8、9、10，分別進行聚類分析。結(jié)果顯示，在聚類分析時選取的類簇數(shù)K值越大，聚類穩(wěn)定性越強，所提煉出的排放測試循環(huán)越能精確代表農(nóng)業(yè)機械柴油機的實際運行工況。但兼顧到制定農(nóng)業(yè)機械排放標準限值時臺架試驗的簡便性，根據(jù)高排放、高使用率的原則，最終選定K=6為小型農(nóng)業(yè)機械柴油機的聚類簇數(shù)。

表1為柴油機排放測試循環(huán)工況點及加權(quán)系數(shù)，其中：ISO 8178 C1八工況循環(huán)為目前全球通用的在非恒定轉(zhuǎn)速下非道路柴油機穩(wěn)態(tài)排放測試循環(huán)，又稱NRSC測試循環(huán)[15]；擬定六工況循環(huán)為本文利用改進后的K均值聚類算法，對小型農(nóng)業(yè)機械柴油機實際運行工況數(shù)據(jù)進行聚類分析而提出的測試循環(huán)。可見，小型農(nóng)業(yè)機械柴油機實際運行工況在額定轉(zhuǎn)速工況下總加權(quán)系數(shù)達到0.65，這與ISO 8178 C1八工況循環(huán)在額定轉(zhuǎn)速下總加權(quán)系數(shù)0.55相比，差異明顯。

表1 柴油機排放測試循環(huán)工況點及加權(quán)系數(shù)Table 1 Working condition point and weighting coefficient at diesel engine emission test cycle

3 驗證與討論

3.1 試驗樣機信息

本研究對S1100型與SH17型單缸柴油機進行排放萬有特性試驗，其中：S1100型柴油機是我國主力單缸機型，SH17型柴油機是在SH1100原機基礎(chǔ)上的電控化改進機型，二者設(shè)計參數(shù)基本一致，額定功率為12.13 kW，額定轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，壓縮比為20。S1100型與SH17型單缸柴油機保有量超過200萬臺，具有一定的代表性。

3.2 排放萬有特性試驗結(jié)果

以顆粒物（particulate matter,PM）為例，在發(fā)動機臺架上對S1100、SH17型單缸柴油機進行外特性與排放萬有特性標準試驗。結(jié)果（圖4）表明：對于PM，當柴油機處于中高轉(zhuǎn)速、大負荷時，噴油量較大，過量空氣系數(shù)較小，導(dǎo)致混合氣局部過濃，高溫缺氧環(huán)境促進了PM的生成；當柴油機處于中高轉(zhuǎn)速、低負荷時，噴油壓力減小，燃油霧化不足，混合氣不均勻，造成局部缺氧燃燒，引起PM排放增加[16-17]。S1100型單缸柴油機采用機械噴油泵，噴油量控制精度相對SH17型單缸柴油機采用的電控噴油泵較低，因此，其PM排放量普遍大于SH17型單缸柴油機；在高轉(zhuǎn)速、低負荷工況時，S1100與SH17型單缸柴油機的PM排放數(shù)值差異明顯，這是由于在高轉(zhuǎn)速、低負荷工況下，S1100型單缸柴油機機械噴油泵的低精度被放大，噴油量相對較大，且霧化效果嚴重不及SH17型單缸柴油機，造成了倍數(shù)級別的差異。

將表1中的2種排放測試循環(huán)映射到排放萬有特性圖中，利用整機加權(quán)比排放量來評價柴油機排放水平[18]。加權(quán)比排放量的公式為：

圖4 S1100（A）和SH17（B）型單缸柴油機的顆粒物排放萬有特性Fig.4 Particulate matter emission characteristics of S1100(A)and SH17(B)single cylinder diesels

式中：E為排放測試循環(huán)下某排放物的比排放量，g/h；Ei為某工況下該排放物的排放量，g/(kW·h)；WFi為該工況在整個測試循環(huán)中的加權(quán)系數(shù)；Pei為該工況下的有效功率。表2為S1100型與SH17型柴油機在ISO8178 C1八工況測試循環(huán)及本文所擬定的六工況測試循環(huán)下的整機加權(quán)比排放量與非道路柴油機排放標準第三階段功率P≤37 kW時的限值對比。從中可以看出：S1100型單缸柴油機在擬定的六工況測試循環(huán)下PM、NOX、碳氫化合物（hydrocarbon,HC）和CO整機加權(quán)比排放量達到0.639、8.812、3.761 和 7.740 g/(kW·h)，是 ISO 8178 C1八工況測試循環(huán)下對應(yīng)污染物加權(quán)比排放量的1.039、1.250、0.950和1.058倍；SH17型單缸柴油機在擬定的六工況測試循環(huán)下PM、NOX、HC和CO整機加權(quán)比排放量達到0.509、8.280、4.040和7.264 g/(kW·h)，是ISO 8178 C1八工況測試循環(huán)下對應(yīng)污染物加權(quán)比排放量的1.232、1.435、1.176和1.302倍。這間接表明了農(nóng)業(yè)機械柴油機在實際作業(yè)工況下污染物的綜合排放水平，即與非道路柴油機在標準測試循環(huán)工況下污染物的綜合排放水平差異明顯，且在絕大部分情況下，六工況比八工況下排放水平更加惡劣，也初步印證了ISO 8178 C1八工況測試循環(huán)在農(nóng)業(yè)機械柴油機上的適用性有待商榷的推論，值得進一步研究。

表2 在不同測試循環(huán)下排氣污染物加權(quán)比排放量與限值對比Table 2 Comparison of weighted brake specific emission under different test cycles and limits for exhaust pollutants

4 結(jié)論

本研究設(shè)計了一種柴油機實時工況記錄儀，并利用改進后的K均值聚類算法對采集的運行工況數(shù)據(jù)進行了歸納和提煉，提出了適用于小型農(nóng)業(yè)機械柴油機的六工況排放測試循環(huán)，并結(jié)合發(fā)動機臺架試驗進行了驗證。得出以下結(jié)論：

1）小型農(nóng)業(yè)機械柴油機實際運行在額定轉(zhuǎn)速工況下所占比例較大，總加權(quán)系數(shù)達到0.65，而在ISO 8178 C1八工況循環(huán)中，額定轉(zhuǎn)速工況加權(quán)系數(shù)為0.55；在ISO 8178 C1八工況循環(huán)中，中高負荷的加權(quán)系數(shù)達到0.75，在擬定的六工況循環(huán)中，中高負荷的加權(quán)系數(shù)為0.65，存在明顯差異。

2）S1100型單缸柴油機在擬定的六工況測試循環(huán)下PM、NOX、HC和CO整機加權(quán)比排放量是ISO 8178 C1八工況測試循環(huán)下對應(yīng)污染物加權(quán)比排放量的1.039、1.250、0.950和1.058倍；SH17型單缸柴油機在擬定的六工況測試循環(huán)下PM、NOX、HC和CO整機加權(quán)比排放量是ISO 8178 C1八工況測試循環(huán)下對應(yīng)污染物加權(quán)比排放量的1.232、1.435、1.176和1.302倍，間接表明了農(nóng)業(yè)機械柴油機在實際作業(yè)工況下污染物的綜合排放水平，即與非道路柴油機在標準測試循環(huán)工況下污染物的綜合排放水平差異明顯，且在絕大部分情況下，六工況比八工況下排放水平更加惡劣，值得進一步研究。

3）在2種測試循環(huán)下比排放量均超過非道路移動機械用柴油機排放標準中規(guī)定的第三階段限值，說明現(xiàn)有單缸機技術(shù)難以跟上日益嚴苛的排放標準，這也是國內(nèi)小型農(nóng)業(yè)柴油機由于受成本限制、安裝位置狹小、生產(chǎn)一致性差等因素造成的。因此，研究專門針對小型農(nóng)業(yè)機械柴油機的排放測試循環(huán)，并在此基礎(chǔ)上研究小型農(nóng)業(yè)機械柴油機排放污染控制的可行技術(shù)必須提上日程。本文可為后續(xù)相關(guān)排放標準的制（修）訂及小型農(nóng)業(yè)機械柴油機排放污染控制技術(shù)研究提供一定的參考。