农用车发动机排放特性分析及循环工况建立

秦 云,王丽佳

(河北能源职业技术学院,河北 唐山 063000)

0 引言

随着农业机械化进程的深入,农业机械设备得到了大规模普及,有效地提高了生产效率,降低了劳动量[1]。农用机械设备往往以柴油作为燃料,柴油燃烧后产生尾气排放严重于汽油[2],而农用发动机燃烧后产生的尾气尤为严重[3]。资料显示,保有量占比很小的农用发动机,排放量占所有排放的21%[4]。为此,分析了农用车排放特点,改善驾驶模式,进而降低尾气排放量[5]。目前,对于农用车辆排放测试主要采用试验台的方式[6],在实验台上模拟农用车辆遇到的各种路况[7]。该方法会带来两个问题:①实验台测试不能完全模拟农用车遇到的各种路况[8],因农用车主要在农村使用,路况复杂,有时会在农田中行驶[9];②目前没有针对农用车恶劣工况制定检测标准,而农用车使用情况和美标FTP75[10]、欧标ECE+EUDC具有加大差距[11]。为此,将检测仪器置于农用车上,在农村及田间路况实地进行测试,讨论运行状态、速度、加速度和功率比对于油耗和排放的影响,建立农用车循环工况,为农用车实验台测试提供数据及标准支撑。

1 系统组成

本系统主要分为尾气排放检测系统、尾气排放分析系统和循环工况建立系统,如图1所示。尾气排放检测系统对于常见的柴油机尾气排放(如CO2、CO、HC、NOx及PM2.5)进行检测,根据碳守恒原则计算油耗;尾气排放分析系统分为工作模型分析、速度分析、加速度分析及功率比VSP分析等4部分,讨论选定的5种排放指标在不同分析模式下的变化规律。

图1 系统组成

2 工况对于农用车排放影响

农用车通常是在低速恶劣路况下工作,普遍采用柴油作为燃料,尾气排放通常要比载客汽油车严重[12]。因此,分析工况对于农用发动机尾气排放的影响,主要分为4个阶段:①怠速、加速、减速和匀速状态对农用车发动机尾气排放的影响;②定量分析速度对于农用车发动机尾气排放及油耗的影响;③定量分析加速度对于农用车发动机尾气排放及油耗的影响;④综合分析速度、加速度、功率比对于发动机尾气排放及油耗的影响。在分析工况对于农用车排放影响时涉及油耗和输出功率比,两者测定采用如下方法:

1)油耗测定。由于柴油在燃烧后形成CO2、CO和HC,根据C元素守恒,通过检查尾气中3种尾气因子含量,即可计算出油耗,公式为

(1)

其中,Voil为油耗速率,VCO2、VCO和VHC分别为尾气中CO2、CO和HC排放速率。

2)输出功率比为机动车输出功率和整车质量之比,综合考虑了加速度,风阻和坡道等路况[13],计算公式为

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

(2)

其中,v为车辆速度(m/s),a为加速度(m/s2),s为坡度。

2.1 行驶模式对农用车排放的影响

农用车的行驶路况主要分为加速、匀速、减速和怠速等4种情况[14]。针对于上述运行工况,在农用柴油车不同驾驶模式下,各种排放污染物的速率如图2所示。由图2可知:CO2、NOx和CO的排放速率变化趋势相近,在加速阶段,各排放指标均处于最高点,均速状态排放指标回落,处于怠速状态时最低;而HC和PM2.5同样在怠速排放量最低,但4种驾驶模式下变化不明显。

图2 驾驶模式对于农用车排放的影响

2.2 速度对排放影响

速度是发动机负载的重要因素,由于发动机具有特征工作曲线,造成速度和发动机负载成非线性关系。速度对于发动机排放及油耗的影响主要是综合风阻、发动机特性曲线等多方面因素。当农用车处于一定的速度范围内时,其排放和油耗均处于最优状态。实验农用车速度对于排放及油耗的影响如图3所示。

由图3可知:在0～15km/h范围内,CO2排放量和油耗处于高速下降阶段。这是由于发动机工作曲线在开始阶段曲线较低造成的;随着速度的提高,工作曲线上升。在20～45km/h范围内,排放油耗趋于稳定,此范围为该型农业车的经济速度区间;当速度大于45km/h时,风阻等因素影响加大,造成油耗和排放量相应提高。

图3 速度对污染物排放及油耗的影响

2.3 加速度对排放影响

对比加速、匀速、减速和怠速驾驶模式可知:发动机加速阶段是排放量最为严重的阶段,此阶段发动机牵引力显著上升;农用车在不同速度区间中,最为严重的是5～10km/h阶段,排放及油耗最为平稳的是35～40km/h阶段。对比两种速度区间车辆加速度大小对于排放的影响,结果如图4所示。

由图4可知:各排放指标在5～10km/h速度区间明显高于35～40km/h速度区间,且5～10km/h速度区间变化速率明显高于35～40km/h。其中,CO和HC在0.6m/s2出现最大值,这是由于在该加速度区间喷油量过大而进气量不足造成的;随着发动机转速的提高,进气量增加,燃烧更充分,因此CO和HC排放量会相对下降。

图4 加速度对于排放的影响

2.4 功率比对排放及油耗的影响

功率比对各排放因子及油耗影响的变化趋势如图5所示。由图5可知:CO2和油耗随着VSP增加而显著提高,当VSP达到6kW/t时,油耗为280mg/s,CO2排放为800mg/s,表明CO2为柴油燃烧后的主要产物;HC排放量始终处于较低水平,发动机状态良好,没有柴油附着在缸筒上;CO排放量在VSP达到2kW/t以后保持相对稳定,小幅度上升;当VSP超过2kW/t以后,CO排放显著增长;当VSP=6时,CO排放达到18mg/s,表明当功率比处于较高时,发动机处于高速运转状态,但柴油燃烧不充分,形成CO;NOx呈显著上升趋势,当VPS=6时,达到18.5mg/s,表明随着发动机转速提高,气缸中的氧气能满足燃烧反应,在高温高压条件下形成NOx。

图5 功率比对于排放及油耗的影响

3 农用运输车实际道路工况的合成

3.1 农用车行驶工况与标准工况对比

目前,成熟机动车行驶工况有美标FTP75、欧洲ECE+EUDC标准及统计的北京市轿车循环工况标准。将农用车行驶工况和3种标准进行对比,结果如图6所示。在平均速度方面,欧洲标准最高,达到36km/h。由图6可知,农用车辆与现行机动车循环工况相差很大。其主要原因是:①农用车设计初衷为低速高扭矩,加速性能和制动性能与乘用车有差距;②对比乘用车量,农用车行驶工况恶劣。

图6 农用车行驶工况与常见标准

3.2 农用车辆行驶工况建立

建立农用车辆工况循环标准,主要步骤如下:①选定建立9个工况参数,测得数据如表1所示;②选择若干短程1 200s,计算该短程区间的9个工况参数特征值;③计算短程1 200s与总体样本9个工况特征参数值相对误差,当相对误差小于预先设定值时,将选定的短程1 200s作为工况合成的样本;④选取10个1 200s工况合成样本,对其进行合成。

表1 总体样本循环工况特征参数

FTP75加速减速区间频繁,1 200s内加速减速共15次,其中速度峰值处于50～60km/h区间。在200-360s内,峰值速度达到90km/h。农用车加速减速峰值分布于两个区间,低速区间速度为10km/h,高速区间速度峰值为30～40km/h,且加速减速峰宽明显高于FTP75,表明农用车加速减速时加速度绝对值均较小。速度峰数量明显少于FTP75,表明农用车辆运行工况加减速剧烈驾驶少;加速过程长,表明农用车运转工况恶劣。

图7 FTP75与农用车行驶工况合成对比Fig.7 The different between cyclic condition for agricultural vehicle and FTP75

4 结论

以四轮农用车为样本,研究实际工况对于农用车油耗及排放的影响,探讨现行机动车行驶工况与农用车工况的区别,并通过多组测试建立符合实际的农用车循环工况标准。分析结果表明:①怠速、加速、减速和匀速状态时,油耗及排放物均在加速情况下最大,怠速情况下最小;②速度对于农用车发动机尾气排放及油耗的影响,表现为随着速度的增加先降低后升高,20～45km/h为该型农业车的经济速度区间;③加速度对于农用车发动机尾气排放及油耗的影响,表现为5～10km/h速度区间加速度排放量明显高于35～40km/h,排放量呈现出先增加后降低趋势,且CO和HC在加速度0.6m/s2时出现最大值;④综合分析速度、加速度、功率比对于发动机尾气排放及油耗的影响,总体表现为随着VSP的升高排放量升高,且升高速率变大。