農(nóng)用車發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性分析及循環(huán)工況建立

秦 云,王麗佳

(河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北 唐山 063000)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)程的深入,農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備得到了大規(guī)模普及,有效地提高了生產(chǎn)效率,降低了勞動(dòng)量[1]。農(nóng)用機(jī)械設(shè)備往往以柴油作為燃料,柴油燃燒后產(chǎn)生尾氣排放嚴(yán)重于汽油[2],而農(nóng)用發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒后產(chǎn)生的尾氣尤為嚴(yán)重[3]。資料顯示,保有量占比很小的農(nóng)用發(fā)動(dòng)機(jī),排放量占所有排放的21%[4]。為此,分析了農(nóng)用車排放特點(diǎn),改善駕駛模式,進(jìn)而降低尾氣排放量[5]。目前,對(duì)于農(nóng)用車輛排放測(cè)試主要采用試驗(yàn)臺(tái)的方式[6],在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上模擬農(nóng)用車輛遇到的各種路況[7]。該方法會(huì)帶來兩個(gè)問題:①實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試不能完全模擬農(nóng)用車遇到的各種路況[8],因農(nóng)用車主要在農(nóng)村使用,路況復(fù)雜,有時(shí)會(huì)在農(nóng)田中行駛[9];②目前沒有針對(duì)農(nóng)用車惡劣工況制定檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),而農(nóng)用車使用情況和美標(biāo)FTP75[10]、歐標(biāo)ECE+EUDC具有加大差距[11]。為此,將檢測(cè)儀器置于農(nóng)用車上,在農(nóng)村及田間路況實(shí)地進(jìn)行測(cè)試,討論運(yùn)行狀態(tài)、速度、加速度和功率比對(duì)于油耗和排放的影響,建立農(nóng)用車循環(huán)工況,為農(nóng)用車實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試提供數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)支撐。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要分為尾氣排放檢測(cè)系統(tǒng)、尾氣排放分析系統(tǒng)和循環(huán)工況建立系統(tǒng),如圖1所示。尾氣排放檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于常見的柴油機(jī)尾氣排放(如CO2、CO、HC、NOx及PM2.5)進(jìn)行檢測(cè),根據(jù)碳守恒原則計(jì)算油耗;尾氣排放分析系統(tǒng)分為工作模型分析、速度分析、加速度分析及功率比VSP分析等4部分,討論選定的5種排放指標(biāo)在不同分析模式下的變化規(guī)律。

圖1 系統(tǒng)組成

2 工況對(duì)于農(nóng)用車排放影響

農(nóng)用車通常是在低速惡劣路況下工作,普遍采用柴油作為燃料,尾氣排放通常要比載客汽油車嚴(yán)重[12]。因此,分析工況對(duì)于農(nóng)用發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放的影響,主要分為4個(gè)階段:①怠速、加速、減速和勻速狀態(tài)對(duì)農(nóng)用車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放的影響;②定量分析速度對(duì)于農(nóng)用車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放及油耗的影響;③定量分析加速度對(duì)于農(nóng)用車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放及油耗的影響;④綜合分析速度、加速度、功率比對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放及油耗的影響。在分析工況對(duì)于農(nóng)用車排放影響時(shí)涉及油耗和輸出功率比,兩者測(cè)定采用如下方法:

1)油耗測(cè)定。由于柴油在燃燒后形成CO2、CO和HC,根據(jù)C元素守恒,通過檢查尾氣中3種尾氣因子含量,即可計(jì)算出油耗,公式為

(1)

其中,Voil為油耗速率,VCO2、VCO和VHC分別為尾氣中CO2、CO和HC排放速率。

2)輸出功率比為機(jī)動(dòng)車輸出功率和整車質(zhì)量之比,綜合考慮了加速度,風(fēng)阻和坡道等路況[13],計(jì)算公式為

VPS=v(1.1a+9.81as+0.132)+0.000302v3

(2)

其中,v為車輛速度(m/s),a為加速度(m/s2),s為坡度。

2.1 行駛模式對(duì)農(nóng)用車排放的影響

農(nóng)用車的行駛路況主要分為加速、勻速、減速和怠速等4種情況[14]。針對(duì)于上述運(yùn)行工況,在農(nóng)用柴油車不同駕駛模式下,各種排放污染物的速率如圖2所示。由圖2可知:CO2、NOx和CO的排放速率變化趨勢(shì)相近,在加速階段,各排放指標(biāo)均處于最高點(diǎn),均速狀態(tài)排放指標(biāo)回落,處于怠速狀態(tài)時(shí)最低;而HC和PM2.5同樣在怠速排放量最低,但4種駕駛模式下變化不明顯。

圖2 駕駛模式對(duì)于農(nóng)用車排放的影響

2.2 速度對(duì)排放影響

速度是發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載的重要因素,由于發(fā)動(dòng)機(jī)具有特征工作曲線,造成速度和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載成非線性關(guān)系。速度對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)排放及油耗的影響主要是綜合風(fēng)阻、發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線等多方面因素。當(dāng)農(nóng)用車處于一定的速度范圍內(nèi)時(shí),其排放和油耗均處于最優(yōu)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)農(nóng)用車速度對(duì)于排放及油耗的影響如圖3所示。

由圖3可知:在0～15km/h范圍內(nèi),CO2排放量和油耗處于高速下降階段。這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作曲線在開始階段曲線較低造成的;隨著速度的提高,工作曲線上升。在20～45km/h范圍內(nèi),排放油耗趨于穩(wěn)定,此范圍為該型農(nóng)業(yè)車的經(jīng)濟(jì)速度區(qū)間;當(dāng)速度大于45km/h時(shí),風(fēng)阻等因素影響加大,造成油耗和排放量相應(yīng)提高。

圖3 速度對(duì)污染物排放及油耗的影響

2.3 加速度對(duì)排放影響

對(duì)比加速、勻速、減速和怠速駕駛模式可知:發(fā)動(dòng)機(jī)加速階段是排放量最為嚴(yán)重的階段,此階段發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力顯著上升;農(nóng)用車在不同速度區(qū)間中,最為嚴(yán)重的是5～10km/h階段,排放及油耗最為平穩(wěn)的是35～40km/h階段。對(duì)比兩種速度區(qū)間車輛加速度大小對(duì)于排放的影響,結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知:各排放指標(biāo)在5～10km/h速度區(qū)間明顯高于35～40km/h速度區(qū)間,且5～10km/h速度區(qū)間變化速率明顯高于35～40km/h。其中,CO和HC在0.6m/s2出現(xiàn)最大值,這是由于在該加速度區(qū)間噴油量過大而進(jìn)氣量不足造成的;隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高,進(jìn)氣量增加,燃燒更充分,因此CO和HC排放量會(huì)相對(duì)下降。

圖4 加速度對(duì)于排放的影響

2.4 功率比對(duì)排放及油耗的影響

功率比對(duì)各排放因子及油耗影響的變化趨勢(shì)如圖5所示。由圖5可知:CO2和油耗隨著VSP增加而顯著提高,當(dāng)VSP達(dá)到6kW/t時(shí),油耗為280mg/s,CO2排放為800mg/s,表明CO2為柴油燃燒后的主要產(chǎn)物;HC排放量始終處于較低水平,發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)良好,沒有柴油附著在缸筒上;CO排放量在VSP達(dá)到2kW/t以后保持相對(duì)穩(wěn)定,小幅度上升;當(dāng)VSP超過2kW/t以后,CO排放顯著增長;當(dāng)VSP=6時(shí),CO排放達(dá)到18mg/s,表明當(dāng)功率比處于較高時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),但柴油燃燒不充分,形成CO;NOx呈顯著上升趨勢(shì),當(dāng)VPS=6時(shí),達(dá)到18.5mg/s,表明隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高,氣缸中的氧氣能滿足燃燒反應(yīng),在高溫高壓條件下形成NOx。

圖5 功率比對(duì)于排放及油耗的影響

3 農(nóng)用運(yùn)輸車實(shí)際道路工況的合成

3.1 農(nóng)用車行駛工況與標(biāo)準(zhǔn)工況對(duì)比

目前,成熟機(jī)動(dòng)車行駛工況有美標(biāo)FTP75、歐洲ECE+EUDC標(biāo)準(zhǔn)及統(tǒng)計(jì)的北京市轎車循環(huán)工況標(biāo)準(zhǔn)。將農(nóng)用車行駛工況和3種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖6所示。在平均速度方面,歐洲標(biāo)準(zhǔn)最高,達(dá)到36km/h。由圖6可知,農(nóng)用車輛與現(xiàn)行機(jī)動(dòng)車循環(huán)工況相差很大。其主要原因是:①農(nóng)用車設(shè)計(jì)初衷為低速高扭矩,加速性能和制動(dòng)性能與乘用車有差距;②對(duì)比乘用車量,農(nóng)用車行駛工況惡劣。

圖6 農(nóng)用車行駛工況與常見標(biāo)準(zhǔn)

3.2 農(nóng)用車輛行駛工況建立

建立農(nóng)用車輛工況循環(huán)標(biāo)準(zhǔn),主要步驟如下:①選定建立9個(gè)工況參數(shù),測(cè)得數(shù)據(jù)如表1所示;②選擇若干短程1 200s,計(jì)算該短程區(qū)間的9個(gè)工況參數(shù)特征值;③計(jì)算短程1 200s與總體樣本9個(gè)工況特征參數(shù)值相對(duì)誤差,當(dāng)相對(duì)誤差小于預(yù)先設(shè)定值時(shí),將選定的短程1 200s作為工況合成的樣本;④選取10個(gè)1 200s工況合成樣本,對(duì)其進(jìn)行合成。

表1 總體樣本循環(huán)工況特征參數(shù)

FTP75加速減速區(qū)間頻繁,1 200s內(nèi)加速減速共15次,其中速度峰值處于50～60km/h區(qū)間。在200-360s內(nèi),峰值速度達(dá)到90km/h。農(nóng)用車加速減速峰值分布于兩個(gè)區(qū)間,低速區(qū)間速度為10km/h,高速區(qū)間速度峰值為30～40km/h,且加速減速峰寬明顯高于FTP75,表明農(nóng)用車加速減速時(shí)加速度絕對(duì)值均較小。速度峰數(shù)量明顯少于FTP75,表明農(nóng)用車輛運(yùn)行工況加減速劇烈駕駛少;加速過程長,表明農(nóng)用車運(yùn)轉(zhuǎn)工況惡劣。

圖7 FTP75與農(nóng)用車行駛工況合成對(duì)比Fig.7 The different between cyclic condition for agricultural vehicle and FTP75

4 結(jié)論

以四輪農(nóng)用車為樣本,研究實(shí)際工況對(duì)于農(nóng)用車油耗及排放的影響,探討現(xiàn)行機(jī)動(dòng)車行駛工況與農(nóng)用車工況的區(qū)別,并通過多組測(cè)試建立符合實(shí)際的農(nóng)用車循環(huán)工況標(biāo)準(zhǔn)。分析結(jié)果表明:①怠速、加速、減速和勻速狀態(tài)時(shí),油耗及排放物均在加速情況下最大,怠速情況下最小;②速度對(duì)于農(nóng)用車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放及油耗的影響,表現(xiàn)為隨著速度的增加先降低后升高,20～45km/h為該型農(nóng)業(yè)車的經(jīng)濟(jì)速度區(qū)間;③加速度對(duì)于農(nóng)用車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放及油耗的影響,表現(xiàn)為5～10km/h速度區(qū)間加速度排放量明顯高于35～40km/h,排放量呈現(xiàn)出先增加后降低趨勢(shì),且CO和HC在加速度0.6m/s2時(shí)出現(xiàn)最大值;④綜合分析速度、加速度、功率比對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放及油耗的影響,總體表現(xiàn)為隨著VSP的升高排放量升高,且升高速率變大。