非道路移动机械加速烟度控制方法研究*

2018-05-08王长园

小型内燃机与车辆技术 2018年2期

王长园李勇郭勇

（中国汽车技术研究中心天津 300300）

引言

非道路移动机械是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。但由于非道路移动机械的工作地点远离居住区且工作环境恶劣，人们对于非道路移动机械的排放认识相对较少。非道路移动机械由于保有量大，排放控制技术水平较低，加之工况复杂，尾气排放较道路车辆高许多。非道路移动机械的排气污染已成为污染大气环境、危害人类健康的主要来源之一。近年来，随着国内城市建设速度加快，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。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。世界各国高度重视柴油机颗粒物排放对人体健康的影响，制订了日益严格的颗粒排放标准。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，难以对在用非道路移动机械进行快速有效的评价。鉴于此，国内各主要城市纷纷采用测量非道路移动机械自由加速烟度的方法来衡量在用非道路移动机械的颗粒排放水平。自由加速烟度测试法具有测试速度快、操作简便、适应性好、结果直观等优点，适合在用非道路移动机械颗粒排放的检测[1]，现已成为在用非道路移动机械颗粒排放水平快速评估的主要方法。

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快速喷入燃烧室内。柴油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时，燃烧室内的温度已达到燃烧温度，部分浓度合适的混合气开始燃烧。喷油器喷出的燃油小液滴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。未能充分混合的燃油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的小碳颗粒。这些小颗粒积聚一起，形成碳烟随排气一同排出[2]。

在柴油机加速或增加负荷时，需要多喷油，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[3]。而且柴油机往往装有增压器，响应时间进一步变长。由于增压器工作的能量来自于缸内排出的废气能量，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。因此非道路移动机械在转速或负荷变化较大的情况下，容易出现冒烟现象。此外，配气相位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以及废气是否顺利排出有关，选择合适的配气相位并保证合理的排气背压是柴油机设计的基础。

自由加速烟度试验中所要求的工况为在短时间内使柴油机的喷油量达到最大（踏板1 s踩到底）。在这种工况下，油量变化最为剧烈，进排气系统的响应时间最少，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移动机械在实际使用过程中排出的最大烟度。使用自由加速烟度的方法可有效评价非道路移动机械的碳烟甚至颗粒排放。

2 试验方法与结果

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是燃油的过量供给、新鲜空气的供给不足以及燃油空气的混合不充分等。因此，与之相对应的解决方法为：

1）减少燃油瞬时供给量；

2）减少增压器响应时间（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。

由于进气涡流比与燃油喷射压力在柴油机设计选型阶段已确定，调整十分困难，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。减少燃油瞬时供给量和降低增压器响应时间（或增加供油过渡时间）可通过调整燃油系统的标定数据或优化增压器配置来实现，较容易完成。目前，国内非道路移动机械第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[4-6]。

2.1 试验对象

研究对象为一台戴纳派克CC5200型与一台CC6200型压路机，相关技术参数见表1。

表1 试验用非道路移动机械的主要参数

2.2 试验设备

试验所用压路机如图1所示。

图1 试验用压路机

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。

在实际工作中，压路机的前后2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况，工作时整机运行速度基本不变。因此压路机在操作方式的设计上，使用1个多挡位的电子开关设定怠速、工作转速和额定转速等3个挡位。操作员通过设定不同的挡位，可使压路机在设定挡位的转速下以恒转速进行工作。

本试验的测量标准依据北京市地方标准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。试验样机存在自由加速烟度大的问题，不能满足DB11/184-2013标准的要求。试验时，通过调整怠速至额定转速的时间t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，非道路移动机械未调整相关标定，仅使用原始数据。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。测量结果见表2。

图2 MEXA-600S型不透光烟度计

表2 标定时间为1 s的烟度测量结果m-1

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

从表3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明显的下降，但仍高于DB11/184-2013标准的第Ⅲ类限值要求，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时的测试结果见表4。

表3 标定时间为2 s的烟度测量结果m-1

表4 标定时间为3 s的烟度测量结果m-1

从表4可以看出，标定时间为3 s的自由加速烟度已满足法规要求，烟度降低效果明显。为进一步研究其降低烟度的作用，继续增加挡位切换时间并进行测试，结果见表5。

表5 标定时间为4 s的烟度测量结果（均值）m-1

从表5可以看出，继续增加标定时间并未进一步降低非道路移动机械的自由加速烟度。

不同标定时间下的自由加速烟度对比见表6。

表6 不同标定时间下的自由加速烟度m-1

从表6可以看出，通过标定增加挡位切换时间，可使非道路移动机械的自由加速烟度值得到有效的控制，下降幅度达75.2%。但达到某一边界时间后，继续增加挡位切换时间，不能进一步降低非道路移动机械的自由加速烟度。

3 试验结果分析

1）根据之前的分析可知，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，导致烟度变大。自由加速烟度试验要求柴油机的转速由怠速迅速增加至标定转速，需要迅速增加喷油量来提高转速。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[7]。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以满足燃烧要求，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，油束喷到燃烧室的可能减少，降低了颗粒形成的几率。此外，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减少自由加速烟度，但达到一定时间后，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，燃烧室在有充足新鲜空气的情况下，烟度的形成仅与涡流比、配气相位以及燃油喷射参数等有关，进一步增加挡位切换时间，对降低非道路移动机械的烟度没有益处，反而会影响动力性能。

2）试验考虑了电气元件以及标定软件控制逻辑造成的供油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，即喷油量的需求。而需求的油量与通过烟度限制MAP计算所得出的最大油量进行比较后，将较小值作为实际的喷油量进行输出。烟度限制可有效降低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降低能力有限。这是由于柴油机在自由加速烟度工况下的负荷为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。调节转速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。

通常认为，转速的变化规律是接近线性变化。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，会使转速随时间变化的曲线呈二次或更高次方曲线的特性。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。

如果转速随时间变化曲线呈指数曲线特性即初始时转速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。但该方案的效果有待进一步验证。