王長園 李 勇 郭 勇

（中國汽車技術(shù)研究中心 天津 300300）

引言

非道路移動機械是工程建設(shè)的重要設(shè)備，在城市建筑和路橋建設(shè)中應(yīng)用十分廣泛。但由于非道路移動機械的工作地點遠離居住區(qū)且工作環(huán)境惡劣，人們對于非道路移動機械的排放認(rèn)識相對較少。非道路移動機械由于保有量大，排放控制技術(shù)水平較低，加之工況復(fù)雜，尾氣排放較道路車輛高許多。非道路移動機械的排氣污染已成為污染大氣環(huán)境、危害人類健康的主要來源之一。近年來，隨著國內(nèi)城市建設(shè)速度加快，非道路移動機械總量激增，非道路移動機械排出的顆粒物成為各大城市大氣污染的主要來源。非道路移動機械以柴油機為動力，柴油機排放的顆粒物粒徑通常在10～1 000 nm之間，且含有多種有毒物質(zhì)，嚴(yán)重危害人體健康。世界各國高度重視柴油機顆粒物排放對人體健康的影響，制訂了日益嚴(yán)格的顆粒排放標(biāo)準(zhǔn)。但限于非道路移動機械的多樣性與復(fù)雜性，各國的標(biāo)準(zhǔn)均以發(fā)動機作為考察對象，難以對在用非道路移動機械進行快速有效的評價。鑒于此，國內(nèi)各主要城市紛紛采用測量非道路移動機械自由加速煙度的方法來衡量在用非道路移動機械的顆粒排放水平。自由加速煙度測試法具有測試速度快、操作簡便、適應(yīng)性好、結(jié)果直觀等優(yōu)點，適合在用非道路移動機械顆粒排放的檢測[1]，現(xiàn)已成為在用非道路移動機械顆粒排放水平快速評估的主要方法。

1 非道路移動機械碳煙形成機理

非道路移動機械的主要動力是柴油機。柴油機工作時，噴油器將高壓的液態(tài)柴油快速噴入燃燒室內(nèi)。柴油液滴與進氣系統(tǒng)吸入的空氣劇烈摩擦，受熱氣化，與空氣進行充分混合。當(dāng)活塞運動到接近上止點附近時，燃燒室內(nèi)的溫度已達到燃燒溫度，部分濃度合適的混合氣開始燃燒。噴油器噴出的燃油小液滴與缸內(nèi)空氣混合時很難做到十分均勻，容易造成局部的空燃比小于理論空燃比。未能充分混合的燃油由于缺乏足夠的空氣不能充分燃燒，在高溫下迅速裂解為碳氫鏈，碳氫鏈進一步脫氫碳化形成直徑為納米級的小碳顆粒。這些小顆粒積聚一起，形成碳煙隨排氣一同排出[2]。

在柴油機加速或增加負荷時，需要多噴油，但此時進排氣系統(tǒng)響應(yīng)時間較長，不能同步增加進氣，造成瞬時空燃比較低，更容易形成碳煙[3]。而且柴油機往往裝有增壓器，響應(yīng)時間進一步變長。由于增壓器工作的能量來自于缸內(nèi)排出的廢氣能量，廢氣能量來自于燃燒后從缸內(nèi)排出的廢氣的動能與余熱，必須有更多的燃油燃燒之后，才能提供更多的能量，這就造成了整個進排氣系統(tǒng)的響應(yīng)更加緩慢。因此非道路移動機械在轉(zhuǎn)速或負荷變化較大的情況下，容易出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象。此外，配氣相位以及進排氣阻力也會對柴油機的顆粒生成產(chǎn)生較大影響。這主要是與單缸排氣干擾以及廢氣是否順利排出有關(guān)，選擇合適的配氣相位并保證合理的排氣背壓是柴油機設(shè)計的基礎(chǔ)。

自由加速煙度試驗中所要求的工況為在短時間內(nèi)使柴油機的噴油量達到最大（踏板1 s踩到底）。在這種工況下，油量變化最為劇烈，進排氣系統(tǒng)的響應(yīng)時間最少，可以認(rèn)為是最惡劣的工況。所以，自由加速煙度試驗中的煙度值可認(rèn)為是非道路移動機械在實際使用過程中排出的最大煙度。使用自由加速煙度的方法可有效評價非道路移動機械的碳煙甚至顆粒排放。

2 試驗方法與結(jié)果

通過上面的分析可知，在進排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理的情況下，非道路移動機械排氣煙度形成的主要原因是燃油的過量供給、新鮮空氣的供給不足以及燃油空氣的混合不充分等。因此，與之相對應(yīng)的解決方法為：

1）減少燃油瞬時供給量；

2）減少增壓器響應(yīng)時間（或給予足夠的反應(yīng)時間）。

3）提供合適的渦流比與燃油噴射壓力。

由于進氣渦流比與燃油噴射壓力在柴油機設(shè)計選型階段已確定，調(diào)整十分困難，因此不作為降低非道路移動機械自由加速煙度的主要手段。減少燃油瞬時供給量和降低增壓器響應(yīng)時間（或增加供油過渡時間）可通過調(diào)整燃油系統(tǒng)的標(biāo)定數(shù)據(jù)或優(yōu)化增壓器配置來實現(xiàn)，較容易完成。目前，國內(nèi)非道路移動機械第三階段的技術(shù)路線普遍采用電控高壓共軌。因此，優(yōu)化燃油噴射參數(shù)成為降低非道路移動機械自由加速煙度的主要手段[4-6]。

2.1 試驗對象

研究對象為一臺戴納派克CC5200型與一臺CC6200型壓路機，相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗用非道路移動機械的主要參數(shù)

2.2 試驗設(shè)備

試驗所用壓路機如圖1所示。

圖1 試驗用壓路機

煙度測量設(shè)備使用日本HORIBA公司生產(chǎn)的MEXA-600S型便攜式不透光煙度計，如圖2所示。

在實際工作中，壓路機的前后2個重碾將瀝青攤鋪機攤鋪在路面上的瀝青壓實。壓路機的實際工況接近勻速變負荷工況，工作時整機運行速度基本不變。因此壓路機在操作方式的設(shè)計上，使用1個多擋位的電子開關(guān)設(shè)定怠速、工作轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速等3個擋位。操作員通過設(shè)定不同的擋位，可使壓路機在設(shè)定擋位的轉(zhuǎn)速下以恒轉(zhuǎn)速進行工作。

本試驗的測量標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB11/184-2013《在用非道路柴油機械煙度排放限值及測量方法》執(zhí)行。試驗樣機存在自由加速煙度大的問題，不能滿足DB11/184-2013標(biāo)準(zhǔn)的要求。試驗時，通過調(diào)整怠速至額定轉(zhuǎn)速的時間t來降低柴油機單缸單次供油量的最大值，從而實現(xiàn)降低自由加速煙度的目的。

第一次測量時，非道路移動機械未調(diào)整相關(guān)標(biāo)定，僅使用原始數(shù)據(jù)。切換擋位的標(biāo)定時間即怠速切換至標(biāo)定轉(zhuǎn)速的時間為1 s。測量結(jié)果見表2。

圖2 MEXA-600S型不透光煙度計

表2 標(biāo)定時間為1 s的煙度測量結(jié)果m-1

通過標(biāo)定數(shù)據(jù)，將壓路機擋位切換時間更改為2 s以后，再次進行測試。測試結(jié)果見表3。

從表3可以看出，增加擋位切換時間后，壓路機的自由加速煙度值出現(xiàn)明顯的下降，但仍高于DB11/184-2013標(biāo)準(zhǔn)的第Ⅲ類限值要求，需要進一步優(yōu)化擋位切換時間以滿足法規(guī)限值要求。擋位切換時間標(biāo)定為3 s時的測試結(jié)果見表4。

表3 標(biāo)定時間為2 s的煙度測量結(jié)果m-1

表4 標(biāo)定時間為3 s的煙度測量結(jié)果m-1

從表4可以看出，標(biāo)定時間為3 s的自由加速煙度已滿足法規(guī)要求，煙度降低效果明顯。為進一步研究其降低煙度的作用，繼續(xù)增加擋位切換時間并進行測試，結(jié)果見表5。

表5 標(biāo)定時間為4 s的煙度測量結(jié)果（均值）m-1

從表5可以看出，繼續(xù)增加標(biāo)定時間并未進一步降低非道路移動機械的自由加速煙度。

不同標(biāo)定時間下的自由加速煙度對比見表6。

表6 不同標(biāo)定時間下的自由加速煙度m-1

從表6可以看出，通過標(biāo)定增加擋位切換時間，可使非道路移動機械的自由加速煙度值得到有效的控制，下降幅度達75.2%。但達到某一邊界時間后，繼續(xù)增加擋位切換時間，不能進一步降低非道路移動機械的自由加速煙度。

3 試驗結(jié)果分析

1）根據(jù)之前的分析可知，柴油機油量突然增加時，增壓器由于響應(yīng)不及時會造成空燃比低于穩(wěn)態(tài)工作空燃比的情況，導(dǎo)致煙度變大。自由加速煙度試驗要求柴油機的轉(zhuǎn)速由怠速迅速增加至標(biāo)定轉(zhuǎn)速，需要迅速增加噴油量來提高轉(zhuǎn)速。增加擋位切換時間，實際上是減少了單次最大供油量和加速過程中的總供油量[7]。較長的轉(zhuǎn)速變化時間給予了增壓器足夠的反應(yīng)時間，增壓壓力跟隨性比較好，可以給缸內(nèi)提供足夠的新鮮空氣以滿足燃燒要求，使缸內(nèi)處于富氧燃燒，降低了自由加速煙度。同時，由于降低了最大供油量，噴油持續(xù)角減小，油束噴到燃燒室的可能減少，降低了顆粒形成的幾率。此外，缸內(nèi)在吸氣過程中產(chǎn)生的真空度較小，活塞環(huán)密封更加緊密，減少了潤滑油進入缸內(nèi)燃燒的可能性，進一步減少了顆粒的形成。

試驗中，增加擋位切換時間可減少自由加速煙度，但達到一定時間后，即使再增加擋位切換時間，也無法進一步降低自由加速煙度。這是由于通過增加擋位切換時間，進氣壓力的跟隨性已滿足要求，有足夠的新鮮空氣來支持燃燒，無法進一步增大空燃比。此時，燃燒室在有充足新鮮空氣的情況下，煙度的形成僅與渦流比、配氣相位以及燃油噴射參數(shù)等有關(guān)，進一步增加擋位切換時間，對降低非道路移動機械的煙度沒有益處，反而會影響動力性能。

2）試驗考慮了電氣元件以及標(biāo)定軟件控制邏輯造成的供油規(guī)律對自由加速煙度的影響。

柴油機在高低怠速切換時，速度需求是由轉(zhuǎn)速PID來控制的。需求轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的差值會轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩的需求，即噴油量的需求。而需求的油量與通過煙度限制MAP計算所得出的最大油量進行比較后，將較小值作為實際的噴油量進行輸出。煙度限制可有效降低柴油機在轉(zhuǎn)速負荷突變時的冒煙現(xiàn)象，但對自由加速煙度的降低能力有限。這是由于柴油機在自由加速煙度工況下的負荷為0，此時的噴油量即使小于煙度限制的油量，對于空載加速的柴油機來說還是過大。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速PID，使柴油機在相同的響應(yīng)時間下轉(zhuǎn)速變化更加平穩(wěn)是減小自由加速煙度的有效方法。

通常認(rèn)為，轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律是接近線性變化。但實際上，由于不同的電氣元件特性以及ECU或ECM的PID控制邏輯的計算特性，會使轉(zhuǎn)速隨時間變化的曲線呈二次或更高次方曲線的特性。由于初始供油量較大，且發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低時增壓壓力響應(yīng)較慢，難以提供足夠的新鮮空氣以供燃燒。

如果轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線呈指數(shù)曲線特性即初始時轉(zhuǎn)速較低但加速度增長較快的話，則利于增壓器響應(yīng)，使進氣量與供油量保持一個比較好的協(xié)同關(guān)系。但該方案的效果有待進一步驗證。

4 結(jié)論

1）本試驗的目的是通過增加擋位切換時間來降低非道路移動機械的自由加速煙度值。將擋位切換的標(biāo)定時間從1s增加到3s，煙度值（均值）從0.921降低至0.233，繼續(xù)增加標(biāo)定時間，煙度值并未進一步降低。

2）煙度限制可有效降低柴油機在轉(zhuǎn)速負荷突變時的冒煙現(xiàn)象，但對自由加速煙度的降低能力有限。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速PID，使柴油機在相同的響應(yīng)時間下轉(zhuǎn)速變化更加平穩(wěn)是減小自由加速煙度的有效方法。

3）由于壓路機工作轉(zhuǎn)速基本恒定，用戶對于擋位切換時間并沒有較高的需求。更改擋位切換時間至3s后，對操作與動力性并無影響。因此，調(diào)整柴油機轉(zhuǎn)速切換時間的方法對于多轉(zhuǎn)速擋位工作的恒速非道路移動機械來說是一種快速而高效降低煙度的方法。

1 曹躍芳.柴油機煙度測量問題的探討[J].內(nèi)燃機與動力裝置，2006（5）：32-35

2 于恩中，劉進軍.柴油機顆粒排放機理及控制措施的研究[J].內(nèi)燃機，2009（4）：41-43

3 田徑，劉忠長，許允，等.柴油機瞬變過程煙度排放裂變分析[J].內(nèi)燃機學(xué)報，2016，34（2）：125-134

4 曹立峰，白思春，褚全紅，等.柴油機電控系統(tǒng)冒煙控制策略研究[J].車用發(fā)動機，2009（5）：61-64，68

5 吳建財，錢超，鄒建.軌壓與噴油提前角對柴油機NOx排放和煙度的影響[J].內(nèi)燃機，2017（3）：34-37

6 王海寧，牛彥雷，范青海.柴油車自由加速煙度控制方法研究[J].內(nèi)燃機與動力裝置，2015，32（5）：5-7

7 王忠恕，劉忠長，戈非.柴油機瞬態(tài)工況煙度排放特性及分析[J].內(nèi)燃機學(xué)報，2005，23（5）：404-409