非道路移动机械加速烟度控制方法研究

2018-04-25王长园秦建芸徐军辉

小型内燃机与车辆技术 2018年1期

王长园秦建芸李勇徐军辉

（中国汽车技术研究中心天津 300300）

引言

非道路移动机械作为工程建设的重要设备在城市建筑和路桥建设中应用十分广泛。但由于其工作地点远离居住区且工作环境差，人们对于非道路机械排放认识相对较少。非道路移动机械由于保有量大，排放水平相对较低，加之非道路移动机械工况复杂，尾气排放较道路车辆恶劣许多。非道路移动机械的排气已成为污染大气环境，危害人类健康的主要来源之一。随着近年来国内城市建设速度的加快，非道路移动机械总量激增，非道路移动机械排出的颗粒物成为各大城市大气污染的主要来源之一。非道路移动机械以柴油机为动力，柴油机排放的颗粒物粒径通常在10～1 000 nm之间，且含有多种有毒物质，严重危害人体健康。近些年来，世界各国高度重视柴油机颗粒物排放污染及其对人体健康的影响，制订了日益严格的颗粒物排放标准。但限于非道路移动机械的多样性与复杂性，各国的标准均以发动机作为考察对象，难以对在用非道路机械进行快速有效的评价。因此，为了对在用机械的颗粒物排放水平进行快速有效的评价，国内各主要城市纷纷采用测量机械自由加速烟度的方法来衡量在用机械的颗粒物排放水平。自由加速烟度测试法具有测试快速，操作简便，适应性好，结果直观等优点，十分适合在用机械颗粒物排放的检测与执法，现已经成为在用非道路机械颗粒物排放水平快速评估的主要方法[1]。

1 非道路移动机械碳烟形成机理

非道路移动机械的主要动力是柴油机。柴油机工作时，喷油器将高压的液态柴油通过小孔快速喷入燃烧室内，高速通过小孔的液滴与进气系统吸入的空气剧烈摩擦，受热气化，与空气进行充分混合。当活塞运动到接近上止点附近达到燃烧温度时，部分达到合适混合浓度的区域已经满足点火的条件，即发火做功。喷油器喷出的燃油小液滴在与缸内空气混合时很难做到十分均匀，容易造成局部的空燃比小于理论空燃比。这些未能混合充分的燃油在燃烧时由于缺乏足够的空气不能充分燃烧，在高温下迅速裂解为碳氢链，碳氢链进一步脱氢碳化形成直径为纳米级小碳颗粒。这些小颗粒积聚在一起，形成碳烟随排气一同排出。

在柴油机加速或增加负荷时，为了达到目标的转速和负荷需要多喷柴油，但此时进排气系统响应时间较长不能同步增加进气，造成瞬时空燃比较低，更容易形成碳烟。而且柴油机往往装有增压器，响应时间进一步变长。这是由于增压器工作的能量来自于缸内排出废气的能量。废气能量来自于燃烧后从缸内排出的废气的动能与余热，必须是在有更多的燃油燃烧之后，才能提供更多的能量，这就造成了整个进排气系统的响应更加缓慢[2-3]。因此非道路移动机械在工作中出现转速或负荷变化较大的情况时，容易出现冒烟现象。此外，配气相位角的选择以及进排气阻力也会对柴油机的颗粒生成产生较大影响，这主要是与单缸排气干扰与废气是否顺利排出有关，选择合适的配气相位并保证合理排气背压是柴油机设计的基础，故而在此不赘述。

自由加速烟度试验中要求的工况为在短时间内操纵柴油机喷油量到最大（踏板1 s到底）。在这种工况下，油量变化最为剧烈且给进排气系统的响应时间最少，因此可以认为是最恶劣的工况。所以自由加速烟度试验中的烟度值可认为是非道路机械在实际使用过程中排出的最大烟度。因此使用自由加速烟度的方法可以有效评价非道路移动机械的碳烟甚至是颗粒物的排放[4-6]。

2 降低自由加速烟度的措施和方法

通过上面的分析可知在进排气系统结构设计合理的情况下，非道路移动机械排气烟度形成的主要原因为燃油的过量供给，新鲜空气的供给不足以及燃油空气的混合不充分。因此与之相对应的解决方法为：

1）减少燃油瞬间供给量。

2）降低增压器响应时间（或给予足够的反应时间）。

3）提供合适的涡流比与燃油喷射压力。

其中第3点，进气道的涡流比与燃油系统喷射压力在柴油机设计选型阶段便已经确定，调整验证十分困难，因此不作为降低非道路移动机械自由加速烟度的主要手段。而减少燃油瞬间供给量，降低增压器响应时间（或增加供油过渡时间）可以通过调整燃油系统的标定数据或优化增压器配置来实现是较容易完成的[7-8]。目前国内非道路移动机械三阶段的技术路线普遍采用电控高压共轨，因此优化燃油喷射参数成为降低非道路移动机械自由加速烟度的主要手段[9-11]。

本次选取的研究对象为两台戴纳派克CC5200型与CC6200型压路机（如图1所示），机械的相关参数如表1所示。

图1 试验用压路机

表1 试验用非道路机械的主要参数

烟度测量设备使用日本HORIBA公司生产的MEXA-600S型便携式不透光烟度计，如图2所示。

压路机在实际工作中使用前后两个重碾将沥青摊铺机摊铺在路面上的沥青压实。压路机的实际工况接近匀速变负荷，工作时整机运行速度基本不变。因此压路机在操作方式上的设计使用一个多挡位的电子开关设定怠速、工作转速和额定转速3个挡位。压路机操作员通过设定不同的挡位，可以使压路机在设定挡位的转速下以恒转速进行工作。

本次试验的测量标准依据北京市地标DB11/184-2013《在用非道路柴油机械烟度排放限值及测量方法》执行。试验样机之前存在自由加速烟度大的问题，不满足DB11/184标准的要求。试验计划通过调整怠速至额定转速的时间来降低柴油机单缸单次供油量的最大值，从而实现降低自由加速烟度的目的。

第一次测量时，机械未调整，相关标定使用原始数据，切换挡位的标定时间，即怠速切换至标定转速的时间为1 s。测量结果如表2所示。

图2 日本HORIBA公司MEXA-600S型不透光烟度计

表2 标定时间为1 s烟度测量结果

通过标定数据，将压路机挡位切换时间更改为2 s后，再次进行测试，测试结果如表3所示。

表3 标定时间为2 s烟度测量结果

从数据中可以看出，增加挡位切换时间后压路机的自由加速烟度值出现了明显的下降，但仍高于DB11/184-2013标准要求的第Ⅲ类限值要求。因此需要进一步优化挡位切换时间以满足法规限值要求。挡位切换时间标定为3 s时的测试结果如表4所示。

表4 标定时间为3 s烟度测量结果

该标定时间下的自由加速烟度已经满足法规要求，降低效果明显。为进一步研究其降低烟度的作用，因此继续增加挡位切换时间并进行测试，结果如表5所示。

表5 标定时间为4 s烟度测量结果

从表5可以看出，继续增加标定时间并未进一步降低机械的自由加速烟度值。

表6为不同标定时间下的自由加速烟度均值。

表6 不同标定时间下的自由加速烟度（均值）

通过标定增加挡位切换时间，可以使非道路移动机械的自由加速烟度值得到有效的控制，降幅75.2%。但达到某一边界时间后继续增加挡位切换时间不能进一步降低机械的自由加速烟度。

3 试验结果分析与结论

1）试验通过增加挡位切换时间来达到降低机械自由加速烟度值的目的。将挡位切换的标定时间从1 s增加到3 s，烟度值（均值）从0.921降低至0.233，继续增加标定时间，烟度值并未进一步降低。

根据之前分析可知：柴油机油量突然增加时，增压器由于响应不及时会造成空燃比低于稳态工作空燃比的情况，造成烟度变大。自由加速试验要求柴油机的转速由怠速迅速增加至标定转速的情况，需要柴油机迅速向缸内加喷燃油来提升转速。而增加挡位切换时间，实际上是减少了单次最大供油量和加速过程中的总供油量，同时比较长的转速变化时间给予了增压器足够的反应时间，增压压力跟随性比较好，可以给缸内提供足够的新鲜空气来满足燃烧的要求，使缸内处于富氧燃烧，降低了自由加速烟度。同时由于降低了最大供油量，喷油持续角减小，油束喷到活塞燃烧室壁面和缸壁的可能减少，降低了颗粒形成的几率。此外，由于转速变化时间变长，增压压力与转速增长跟随较好，缸内在吸气过程中产生的真空度较小，活塞环密封更加紧密，减少了润滑油进入缸内燃烧的可能性，进一步减少了颗粒的形成。

试验中增加挡位切换时间可降低自由加速烟度，但达到了一定时间之后即使再增加挡位切换时间也无法进一步降低自由加速烟度。

这是由于通过增加挡位切换时间，进气压力的跟随性已经满足要求，有足够的新鲜空气来支持燃烧，无法进一步增大空燃比。

此时燃烧室内在有充足的新鲜空气的情况下，烟度的形成仅与涡流比和配气相位、燃油喷射参数等有关。进一步增加挡位切换时间对降低机械烟度没有益处，反而会影响用户对于动力性的体验。

2）此外试验还考虑了电气元件以及标定软件控制逻辑造成的燃油供给规律对自由加速烟度的影响。

柴油机在高低怠速切换时，速度需求是由转速PID来控制的。需求转速与实际转速的差值会转化为转矩的需求即喷油量。需求的油量与通过烟度限制map计算后得出的最大油量进行比较后，将小值作为实际的喷油量进行输出。烟度限制可以有效限制柴油机在转速负荷突变时的冒烟现象，但对自由加速烟度的限制能力有限。这是由于柴油机在自由加速烟度工况下负荷为0，此时的喷油量即使小于烟度限制的油量对于空载加速的柴油机来说还是过大。由于柴油机的转速控制是由PID完成，因此调节PID使柴油机在相同的响应时间下转速变化更加平稳是减小自由加速烟度的有效方法。

默认的转速变化规律接近线性，但实际上由于不同的电气元件特性以及ECU或ECM的PID控制逻辑的计算特性会使油量随时间增长的曲线呈二次或更高次方曲线的特性。这种工作特性由于初始供油量较大，且发动机转速较低时增压压力响应较慢，难以提供足够的新鲜空气以供燃烧。

如果速度随时间增长曲线呈指数曲线特性即初始时速度较低但加速度增长较快的话，则利于增压器响应，使进气量与供油量保持一个比较好的协同关系。但由于试验时间所限，该方案并未进一步验证。

3）由于压路机工作转速基本恒定，用户对于挡位切换时间并没有较高的需求。经操作员亲测，更改挡位切换时间至3 s后对操作与动力性并无影响。因此调整柴油机转速切换时间的方法对于多转速挡位工作的恒速非道路移动机械来说是一种降低烟度的快速、高效的方法。

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6 于恩中，刘进军.柴油机颗粒排放机理及控制措施的研究[J].内燃机，2009（4）：41-43

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