小型农业机械柴油机排放测试循环研究

戴旭东，吴锋*，姚栋伟，郑高安，吕成磊

（1.浙江大学能源工程学院动力机械及车辆工程研究所，杭州 310027；2.浙江省水利水电学院，杭州 310018）

柴油机由于具有动力性强、油耗率低等优势，因此在农业机械上得到了广泛应用。截至2017年底，全国农业机械总动力达到9.88亿kW，其中，柴油机动力占比达到78.62%[1]，而使用农业机械柴油机带来的污染问题[2]必须引起重视。

与发达国家农场化、大型农机联合作业的模式不同，我国农业机械化生产水平相对落后，单缸柴油机和小功率多缸柴油机的保有量大，接近农用机械总功率的60%，且小型农业机械经常在高负荷、高强度、恶劣的工作环境下运行[3-4]，其实际作业工况与在非道路移动机械柴油机排放标准中制定的测试循环工况[5]存在较大差异。而中国的非道路移动机械用柴油机排放标准[6]参考了欧盟的排放标准，采用相同的测试循环，因此，在此测试循环工况下制定的排放限值，在我国小型农业机械柴油机上的适用性有待商榷。

目前，我国在非道路移动机械污染控制方面的工作相对较为薄弱，存在基础数据不清、管理体制混乱、环境执法与监管不严等方面的问题[7]，因此，需要制定针对小型农业机械柴油机专用的排放标准。利用工况记录仪记录并提炼实际作业工况[8]，制定小型农业机械柴油机排放测试循环成为标准制定的重要一环。为此，本文设计了一种柴油机实时工况记录仪，用以采集并记录小型农业机械柴油机的实时运行工况信息，在进行数据分析与提炼后，提出了适用于小型农业机械柴油机的排放测试循环，并进行了台架试验验证，可为后续相关研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 工况记录仪功能需求分析

为了获取小型农业机械柴油机的实际工况信息，本文设计了一种柴油机实时工况记录仪，其核心是基于单片机的数据采样系统[9]，配备模拟量、数字量等信号输入通道，用于采集柴油机转速、油门位置信号（负荷信息）、排气温度、机油温度、冷却水温等反映柴油机实际工作状态的信息。采用上述实时工况记录仪跟踪采集整个作业季或作业周期内小型农业机械柴油机的实际工况参数信息并存储到内存卡中，用于后期数据处理与分析。

1.2 工况记录仪硬件设计

为实现上述功能，工况记录仪以单片机控制器模块为系统核心，增加了时钟模块、电源模块、液晶显示屏（liquid crystal display,LCD）显示模块、内存卡存储模块、控制器局域网络（controller area network,CAN）通信模块、异步传输标准232接口（recommended standard 232,RS-232）模块等外部设备，并设计了相关工作电路。时钟模块为记录仪系统提供准确的时间数据；电源模块及其配套电路为单片机、各外部设备模块及传感器提供稳定电源；LCD模块可实时显示时间和工况参数；内存卡存储模块可将实时采集的工况参数记录到文本文档（txt）里；上位机通过RS-232模块可与单片机进行通信、初始参数设置等；利用CAN通信模块可以通过通讯协议直接读取部分柴油发动机控制单元（engine control unit,ECU）中的工况参数[10]；利用数字模拟信号采集模块可以连接对应的传感器，将采集的工况参数输入到单片机中。图1为柴油机实时工况记录仪硬件设计原理图。

1.3 工况记录仪软件设计

工况记录仪所使用的单片机为美国Microchip公司研发生产的dsPIC33FJ128MC708A单片机。利用Microchip官方MPLAB X IDE作为开发平台。MPLAB[11]适用于对可编程中断控制器（programmable interrupt controller,PIC）系列单片机进行嵌入式设计的应用开发，其内置编辑器具有创建和编辑源代码功能，可以汇编、编译和链接源代码，并可以使用内置模拟器的观察程序流程调试可执行逻辑；或者使用在线调试器实时调试可执行逻辑。图2是柴油机实时工况记录仪软件设计框架图。

上位机软件使用C#语言作为界面的开发工具。上位机系统[12]为工况记录仪提供初始化数据，包括时间校核、测试人员编号、农业机械机型代号、传感器引脚选择等。图3是柴油机实时工况记录仪上位机软件界面图。

图1 工况记录仪硬件设计原理示意Fig.1 Hardware design diagram for working condition recorder

图3 工况记录仪上位机软件界面Fig.3 Upper computer software interface for working condition recorder

1.4 工况记录仪安装调试与工况采集

为了获取小型农业机械柴油机实际作业的工况数据，与浙江省湖州市、金华市等地多家专业农机机构合作，选取与小型柴油机配套的拖拉机、插秧机、收割机等农业机械，安装传感器并连接工况记录仪进行调试，确保工况记录仪能够长时间、不间断采集并记录数据。在整个作业季跟踪采集柴油机的工况参数，单片机以1 Hz的频率将时间信息与工况参数数据组成一个数据包发送给安全数字存储卡（secure digital memory card,SD）模块，记录到txt文件中。

2 结果与分析

对工况记录仪采集的整个作业周期内柴油机运行工况数据进行数理统计分析，总结小型农业机械柴油机在实际工作过程中的转速、油门开度变化范围及相应的分布比例，即可提炼出小型农业机械柴油机的典型运行工况。

2.1 改进后的K均值（K--means）聚类算法

K均值聚类算法是一种典型的基于形心的划分数据聚类算法[13]，属于无监督机器学习方法的一种。由于样本分布的不确定性，在传统K均值算法中初始聚类中心依靠人工或算法随机选取，有可能是孤立点或噪声点，因此，这将导致聚类结果与真实分布有较大偏离。本文参考谷广宇等[14]基于加权欧氏距离最小方差优化初始聚类中心的K均值改进算法，对提取的柴油机转速和油门开度等工况信息进行聚类处理。该方法的基本思想是：以样本方差作为启发信息，选取方差最小的样本作为初始聚类中心，并以样本平均距离划分初始聚类，从而选择出周围样本分布比较密集的初始聚类中心，避免孤点和噪声点的干扰，提高聚类结果的准确性。

为进一步提高聚类的准确性，本文对转速数据进行归一化处理，以额定转速的百分比来表征所有转速数据，可与柴油机油门开度（即柴油机负荷）统一单位，从而降低因转速和油门开度之间由于单位不同造成的数量级差距过大带来的误差。在聚类开始前，对原始数据中可用经验判断出的噪声点进行剔除。

2.2 典型工况循环提炼

在MATLAB软件中编写改进后的K均值聚类算法，使得该算法可以处理柴油机实时工况记录仪采集的大数据。本研究参考《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段）》中的六工况与八工况稳态测试循环，暂取K为5、6、7、8、9、10，分别进行聚类分析。结果显示，在聚类分析时选取的类簇数K值越大，聚类稳定性越强，所提炼出的排放测试循环越能精确代表农业机械柴油机的实际运行工况。但兼顾到制定农业机械排放标准限值时台架试验的简便性，根据高排放、高使用率的原则，最终选定K=6为小型农业机械柴油机的聚类簇数。

表1为柴油机排放测试循环工况点及加权系数，其中：ISO 8178 C1八工况循环为目前全球通用的在非恒定转速下非道路柴油机稳态排放测试循环，又称NRSC测试循环[15]；拟定六工况循环为本文利用改进后的K均值聚类算法，对小型农业机械柴油机实际运行工况数据进行聚类分析而提出的测试循环。可见，小型农业机械柴油机实际运行工况在额定转速工况下总加权系数达到0.65，这与ISO 8178 C1八工况循环在额定转速下总加权系数0.55相比，差异明显。

表1 柴油机排放测试循环工况点及加权系数Table 1 Working condition point and weighting coefficient at diesel engine emission test cycle

3 验证与讨论

3.1 试验样机信息

本研究对S1100型与SH17型单缸柴油机进行排放万有特性试验，其中：S1100型柴油机是我国主力单缸机型，SH17型柴油机是在SH1100原机基础上的电控化改进机型，二者设计参数基本一致，额定功率为12.13 kW，额定转速为2 200 r/min，压缩比为20。S1100型与SH17型单缸柴油机保有量超过200万台，具有一定的代表性。

3.2 排放万有特性试验结果

以颗粒物（particulate matter,PM）为例，在发动机台架上对S1100、SH17型单缸柴油机进行外特性与排放万有特性标准试验。结果（图4）表明：对于PM，当柴油机处于中高转速、大负荷时，喷油量较大，过量空气系数较小，导致混合气局部过浓，高温缺氧环境促进了PM的生成；当柴油机处于中高转速、低负荷时，喷油压力减小，燃油雾化不足，混合气不均匀，造成局部缺氧燃烧，引起PM排放增加[16-17]。S1100型单缸柴油机采用机械喷油泵，喷油量控制精度相对SH17型单缸柴油机采用的电控喷油泵较低，因此，其PM排放量普遍大于SH17型单缸柴油机；在高转速、低负荷工况时，S1100与SH17型单缸柴油机的PM排放数值差异明显，这是由于在高转速、低负荷工况下，S1100型单缸柴油机机械喷油泵的低精度被放大，喷油量相对较大，且雾化效果严重不及SH17型单缸柴油机，造成了倍数级别的差异。

将表1中的2种排放测试循环映射到排放万有特性图中，利用整机加权比排放量来评价柴油机排放水平[18]。加权比排放量的公式为：

图4 S1100（A）和SH17（B）型单缸柴油机的颗粒物排放万有特性Fig.4 Particulate matter emission characteristics of S1100(A)and SH17(B)single cylinder diesels

式中：E为排放测试循环下某排放物的比排放量，g/h；Ei为某工况下该排放物的排放量，g/(kW·h)；WFi为该工况在整个测试循环中的加权系数；Pei为该工况下的有效功率。表2为S1100型与SH17型柴油机在ISO8178 C1八工况测试循环及本文所拟定的六工况测试循环下的整机加权比排放量与非道路柴油机排放标准第三阶段功率P≤37 kW时的限值对比。从中可以看出：S1100型单缸柴油机在拟定的六工况测试循环下PM、NOX、碳氢化合物（hydrocarbon,HC）和CO整机加权比排放量达到0.639、8.812、3.761 和 7.740 g/(kW·h)，是 ISO 8178 C1八工况测试循环下对应污染物加权比排放量的1.039、1.250、0.950和1.058倍；SH17型单缸柴油机在拟定的六工况测试循环下PM、NOX、HC和CO整机加权比排放量达到0.509、8.280、4.040和7.264 g/(kW·h)，是ISO 8178 C1八工况测试循环下对应污染物加权比排放量的1.232、1.435、1.176和1.302倍。这间接表明了农业机械柴油机在实际作业工况下污染物的综合排放水平，即与非道路柴油机在标准测试循环工况下污染物的综合排放水平差异明显，且在绝大部分情况下，六工况比八工况下排放水平更加恶劣，也初步印证了ISO 8178 C1八工况测试循环在农业机械柴油机上的适用性有待商榷的推论，值得进一步研究。

表2 在不同测试循环下排气污染物加权比排放量与限值对比Table 2 Comparison of weighted brake specific emission under different test cycles and limits for exhaust pollutants

4 结论

本研究设计了一种柴油机实时工况记录仪，并利用改进后的K均值聚类算法对采集的运行工况数据进行了归纳和提炼，提出了适用于小型农业机械柴油机的六工况排放测试循环，并结合发动机台架试验进行了验证。得出以下结论：

1）小型农业机械柴油机实际运行在额定转速工况下所占比例较大，总加权系数达到0.65，而在ISO 8178 C1八工况循环中，额定转速工况加权系数为0.55；在ISO 8178 C1八工况循环中，中高负荷的加权系数达到0.75，在拟定的六工况循环中，中高负荷的加权系数为0.65，存在明显差异。

2）S1100型单缸柴油机在拟定的六工况测试循环下PM、NOX、HC和CO整机加权比排放量是ISO 8178 C1八工况测试循环下对应污染物加权比排放量的1.039、1.250、0.950和1.058倍；SH17型单缸柴油机在拟定的六工况测试循环下PM、NOX、HC和CO整机加权比排放量是ISO 8178 C1八工况测试循环下对应污染物加权比排放量的1.232、1.435、1.176和1.302倍，间接表明了农业机械柴油机在实际作业工况下污染物的综合排放水平，即与非道路柴油机在标准测试循环工况下污染物的综合排放水平差异明显，且在绝大部分情况下，六工况比八工况下排放水平更加恶劣，值得进一步研究。

3）在2种测试循环下比排放量均超过非道路移动机械用柴油机排放标准中规定的第三阶段限值，说明现有单缸机技术难以跟上日益严苛的排放标准，这也是国内小型农业柴油机由于受成本限制、安装位置狭小、生产一致性差等因素造成的。因此，研究专门针对小型农业机械柴油机的排放测试循环，并在此基础上研究小型农业机械柴油机排放污染控制的可行技术必须提上日程。本文可为后续相关排放标准的制（修）订及小型农业机械柴油机排放污染控制技术研究提供一定的参考。