韓冰源 貝紹軼 趙景波

(江蘇理工學(xué)院，常州，213001)

李洪亮 儲江偉

(東北林業(yè)大學(xué))

林業(yè)機(jī)械中通用小型汽油機(jī)排放控制及效果分析1)

韓冰源 貝紹軼 趙景波

(江蘇理工學(xué)院，常州，213001)

李洪亮 儲江偉

(東北林業(yè)大學(xué))

以單缸風(fēng)冷四沖程的通用小型汽油機(jī)為研究對象，采用開環(huán)控制方式，預(yù)先通過萬有特性試驗測定各個特定工況點的最佳進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)控制量，生成進(jìn)氣控制初始脈譜表；通用小型汽油機(jī)實際運(yùn)行時，根據(jù)測得的工況參數(shù)值確定運(yùn)行工況，通過查進(jìn)氣控制脈譜表確定進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)控制量，實現(xiàn)通用小型汽油機(jī)的富氧進(jìn)氣排放控制。選擇2 000、3 000 r/min兩個常用轉(zhuǎn)速，分別采用常態(tài)進(jìn)氣和富氧進(jìn)氣兩種方式，進(jìn)行HC、CO、NOx排放的負(fù)荷特性驗證性試驗。驗證結(jié)果表明：與常態(tài)進(jìn)氣相比，采用富氧進(jìn)氣控制方式，試驗用通用小型汽油機(jī)的HC和CO排放明顯降低，但NOx排放存在上升趨勢；2 000、3 000 r/min條件下，HC排放的最低值下降率分別為18.26%和14.02%，CO排放的最低值下降率分別為16.87%和17.78%，NOx排放的最低值增長率分別為10.61%和8.70%。

林業(yè)機(jī)械；通用小型汽油機(jī)；富氧進(jìn)氣；排放控制

風(fēng)力滅火機(jī)、噴淋機(jī)、噴霧機(jī)、綠籬機(jī)、噴粉機(jī)、油鋸、修枝機(jī)、割灌機(jī)、挖坑機(jī)、割草機(jī)、噴灌機(jī)等，都屬于通用小型汽油機(jī)。通用小型汽油機(jī)，是指小功率的非道路用的火花點燃式發(fā)動機(jī)，分為二沖程和四沖程兩種類型[1]。通用小型汽油機(jī)常被用于小型農(nóng)林機(jī)具、農(nóng)林植保機(jī)械和園林機(jī)械等林業(yè)機(jī)械的配套動力裝置，歐盟和美國定義其功率范圍不超過19 kW，而我國定義其功率范圍不超過30 kW[2]。目前，通用小型汽油機(jī)已廣泛應(yīng)用于林業(yè)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等生產(chǎn)領(lǐng)域，能夠為各種林業(yè)機(jī)械提供主要動力，并且具有維修方便、價格低廉、操作簡便、質(zhì)量輕、體積小等優(yōu)點[3-4]。

林業(yè)機(jī)械中的通用小型汽油機(jī)排量一般小于1 L，多為單缸汽油機(jī)[5]。在實際作業(yè)過程中，通用小型汽油機(jī)常在中小負(fù)荷工況條件下運(yùn)行，氣缸內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷鹧舆t期長，可燃混合氣霧化不良，燃燒過程不充分，導(dǎo)致其各項排放性能指標(biāo)明顯劣化[6-7]。與常態(tài)進(jìn)氣相比，富氧進(jìn)氣能夠縮短著火延遲期，提高缸內(nèi)火焰溫度,促進(jìn)燃料的完全燃燒，改善汽油機(jī)的排放狀況[8-10]。本文以林業(yè)機(jī)械中常見的通用小型汽油機(jī)為研究對象，采用開環(huán)控制方式，探討通過精確控制進(jìn)氣中的氧體積分?jǐn)?shù)，實現(xiàn)通用小型汽油機(jī)的富氧進(jìn)氣控制，以達(dá)到平衡各項排放指標(biāo)，并獲得最低綜合排放的目的，從而實現(xiàn)合理減少排放的控制目標(biāo)。

1 排放控制

1.1 控制目標(biāo)

將空氣和純氧按一定比例配成富氧混合進(jìn)氣提供給通用小型汽油機(jī)，能夠促進(jìn)可燃混合氣的充分燃燒，使發(fā)動機(jī)的綜合排放性達(dá)到最優(yōu)。進(jìn)氣中氧體積分?jǐn)?shù)發(fā)生改變時，HC、CO和NOx各項排放指標(biāo)對進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)影響的敏感程度各不相同，控制關(guān)鍵在于各項排放指標(biāo)之間的合理平衡；因此，將“平衡各項排放指標(biāo)并獲得最低綜合排放”作為改善通用小型汽油機(jī)排放性的控制目標(biāo)。

1.2 控制方法

采用開環(huán)控制方式，根據(jù)控制目標(biāo)，預(yù)先通過萬有特性試驗測定試驗用通用小型汽油機(jī)各個特定工況點的最佳進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)控制量，生成進(jìn)氣控制初始脈譜表；在初始脈譜表中查找特定工況點的控制量作為基本控制量，通過插值計算獲得非特定工況點的基本控制量；再根據(jù)進(jìn)氣溫度、轉(zhuǎn)速變化量和節(jié)氣門開度變化量等參數(shù)值對基本控制量進(jìn)行修正，生成修正后的進(jìn)氣控制脈譜表并存入EPROM中；通用小型汽油機(jī)實際運(yùn)行時，根據(jù)測得的工況參數(shù)值確定運(yùn)行工況，直接查進(jìn)氣控制脈譜表，確定進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)控制量，實現(xiàn)通用小型汽油機(jī)的富氧進(jìn)氣排放控制。

2 試驗系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 試驗用通用小型汽油機(jī)

試驗用通用小型汽油機(jī)為QJ125-27a1-1型單點、電噴、四沖程、單缸汽油機(jī)，冷卻方式為風(fēng)冷，起動方式為電起動。主要參數(shù)及指標(biāo)：燃油種類為93#汽油，排量為124 mL，壓縮比為9∶1，缸徑×行程為56.5 mm×49.5 mm，最大功率(轉(zhuǎn)速為7 500 r/min時)為7.5 kW，額定功率(轉(zhuǎn)速為6 500 r/min時)為6.5 kW，最大轉(zhuǎn)矩(轉(zhuǎn)速為5 500 r/min時)為8.5 N·m，最高轉(zhuǎn)速為8 500 r/min。

2.2 配氣系統(tǒng)和臺架試驗系統(tǒng)

配氣系統(tǒng)為試驗用通用小型汽油機(jī)配備目標(biāo)氧體積分?jǐn)?shù)的富氧進(jìn)氣，采用氣瓶供氧的方式，通過氧氣流量控制閥和氧氣流量計，實現(xiàn)工業(yè)純氧流量和進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)的精確控制；預(yù)混合室的一個入口與大氣相通，另一個入口與氧氣瓶相連；利用氧氣瓶減壓器，將充裝壓力為(13±0.5)MPa的、純度高于99.2%的工業(yè)純氧降至標(biāo)準(zhǔn)大氣壓后通入預(yù)混合室；在預(yù)混合室中，利用多個混合風(fēng)扇將空氣和工業(yè)純氧進(jìn)行預(yù)混合后，通入到配氣室中進(jìn)行充分混合，形成具有目標(biāo)富氧比例的混合進(jìn)氣；再以自然吸氣的方式，提供給試驗用通用小型汽油機(jī)。配氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示；富氧進(jìn)氣臺架試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.氧氣瓶；2.氧氣瓶減壓器；3.氧氣流量控制閥；4.氧氣流量計；5.預(yù)混合室；6.配氣室；7.混合風(fēng)扇；8.溫度濕度計；9.氣體流量計；10.氧分析儀；11.試驗用通用小型汽油機(jī)；12.富氧進(jìn)氣監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 配氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.油箱；2.智能油耗儀；3.氣缸壓力傳感器；4.氣缸溫度傳感器；5.燃燒分析儀；6.電控柜；7.氧氣瓶；8.氧氣瓶減壓器；9.氧氣流量控制閥；10.氧氣流量計；11.預(yù)混合室；12.配氣室；13.混合風(fēng)扇；14.溫度濕度計；15.氣體流量計；16.節(jié)氣門位置傳感器；17.進(jìn)氣溫度傳感器；18.氧分析儀；19.排氣溫度傳感器；20.廢氣分析儀；21.油門執(zhí)行器；22.試驗用通用小型汽油機(jī)；23.增量式編碼器；24.轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器；25.直流電力測功機(jī)；26.冷卻風(fēng)扇；27.富氧進(jìn)氣監(jiān)控系統(tǒng)；28.發(fā)動機(jī)自動測控系統(tǒng)。

圖2 臺架試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 控制效果對比分析

根據(jù)控制目標(biāo)，將“平衡各項排放指標(biāo)并獲得最低綜合排放”作為最佳氧體積分?jǐn)?shù)的控制標(biāo)準(zhǔn)，并將怠速工況和小負(fù)荷工況作為重點控制工況。在動力性指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)未出現(xiàn)明顯劣化的前提下，通過排放萬有特性試驗，得出48個工況節(jié)點的最優(yōu)進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)控制量，制成進(jìn)氣控制脈譜表(見表2)。

表2 進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)控制量

注：表頭中的“0、20、40、60、80、100”，為節(jié)氣門開度(%)。

選擇2 000、3 000 r/min兩個常用轉(zhuǎn)速，制定排放驗證性試驗方案。即：分別保持轉(zhuǎn)速為2 000、3 000 r/min不變，選擇0、25%、50%、75%、100%共5個負(fù)荷點；分別采用常態(tài)進(jìn)氣和富氧進(jìn)氣兩種方式，常態(tài)進(jìn)氣的氧體積分?jǐn)?shù)為21%，富氧進(jìn)氣的氧體積分?jǐn)?shù)控制量由進(jìn)氣控制脈譜表查得；進(jìn)行HC、CO、NOx排放的負(fù)荷特性試驗，待試驗用通用小型汽油機(jī)工作穩(wěn)定后，測量其HC、CO、NOx排放量并進(jìn)行對比分析，評價富氧進(jìn)氣條件下試驗用通用小型汽油機(jī)的排放性能改善效果(見表3)。

表3 試驗用通用小型汽油機(jī)的排放控制驗證結(jié)果

注：表中NOx為增長率數(shù)值，設(shè)為正值；HC和CO均為下降率數(shù)值，設(shè)為負(fù)值。

4 結(jié)論

以林業(yè)機(jī)械中常見的通用小型汽油機(jī)為研究對象，與常態(tài)進(jìn)氣相比，采用富氧進(jìn)氣控制方式，試驗用通用小型汽油機(jī)的HC排放明顯降低，2 000、3 000 r/min條件下的最低值下降率分別為18.26%和14.02%。

CO排放大幅降低，2 000、3 000 r/min條件下的最低值下降率分別為16.87%和17.78%。

NOx排放存在上升趨勢，2 000、3 000 r/min條件下的最低值增長率分別為10.61%和8.70%，但增幅明顯小于HC和CO排放的降幅。

綜合比較HC、CO和NOx三項排放指標(biāo)的變化情況，采用富氧進(jìn)氣控制方式，能夠改善通用小型汽油機(jī)的綜合排放性能，實現(xiàn)有效降低林業(yè)機(jī)械中通用小型汽油機(jī)排放的控制目標(biāo)。

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Emission Control and Effect Analysis of General Small Gasoline Engine for Forestry Equipment/

Han Bingyuan, Bei Shaoyi, Zhao Jingbo

(Jiangsu University of Technology, Changzhou 213001, P. R. China);

Li Hongliang, Chu Jiangwei

(Northeast Forestry University)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(8).-145～147

We focused on generating the initial intake control map of the general single-cylinder air-cooled four stroke small gasoline engine by testing the best intake oxygen concentration for each specific operating point with open-loop control mode by universal characteristic experiment. The general gasoline engine determines the actual operating condition according to the measured condition parameters. Furthermore, the oxygen-enriched intake emission of gasoline engine will be controlled by determining the intake oxygen volume fraction acquired in map. The load characteristic confirmatory experiments of HC, CO and NOxwith two different intake ways of normal intake and oxygen-enriched intake are implemented under 2 000 r/min and 3 000 r/min, respectively. Validation results show that the HC and CO emissions decrease obviously under the oxygen-enriched intake compared with the normal intake, nevertheless, the NOxemission increases. The minimum value decrease rates of HC emission are 18.26% and 14.02%, and the minimum value decrease rates of CO emission are 17.78% and 16.87%, moreover, the minimum growth rates of NOxemissions are 10.61% and 8.70% under the speed condition of 2 000 r/min and 3 000 r/min, respectively.

Forestry equipment; General small gasoline engine; Oxygen-enriched intake; Emission control

韓冰源，女，1982年2月生，江蘇理工學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，講師。E-mail：hanbing19820223@163.com。

儲江偉，東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，教授。E-mail：cjw_62@163.com。

2013年12月30日。

U467.4+8

1) 常州市高技術(shù)研究重點實驗室項目(CM20113001)。

責(zé)任編輯：張 玉。