農用車發動機排放特性分析及循環工況建立

秦 云,王麗佳

(河北能源職業技術學院,河北 唐山 063000)

0 引言

隨著農業機械化進程的深入,農業機械設備得到了大規模普及,有效地提高了生產效率,降低了勞動量[1]。農用機械設備往往以柴油作為燃料,柴油燃燒后產生尾氣排放嚴重于汽油[2],而農用發動機燃燒后產生的尾氣尤為嚴重[3]。資料顯示,保有量占比很小的農用發動機,排放量占所有排放的21%[4]。為此,分析了農用車排放特點,改善駕駛模式,進而降低尾氣排放量[5]。目前,對于農用車輛排放測試主要采用試驗臺的方式[6],在實驗臺上模擬農用車輛遇到的各種路況[7]。該方法會帶來兩個問題:①實驗臺測試不能完全模擬農用車遇到的各種路況[8],因農用車主要在農村使用,路況復雜,有時會在農田中行駛[9];②目前沒有針對農用車惡劣工況制定檢測標準,而農用車使用情況和美標FTP75[10]、歐標ECE+EUDC具有加大差距[11]。為此,將檢測儀器置于農用車上,在農村及田間路況實地進行測試,討論運行狀態、速度、加速度和功率比對于油耗和排放的影響,建立農用車循環工況,為農用車實驗臺測試提供數據及標準支撐。

1 系統組成

本系統主要分為尾氣排放檢測系統、尾氣排放分析系統和循環工況建立系統,如圖1所示。尾氣排放檢測系統對于常見的柴油機尾氣排放(如CO2、CO、HC、NOx及PM2.5)進行檢測,根據碳守恒原則計算油耗;尾氣排放分析系統分為工作模型分析、速度分析、加速度分析及功率比VSP分析等4部分,討論選定的5種排放指標在不同分析模式下的變化規律。

圖1 系統組成

2 工況對于農用車排放影響

農用車通常是在低速惡劣路況下工作,普遍采用柴油作為燃料,尾氣排放通常要比載客汽油車嚴重[12]。因此,分析工況對于農用發動機尾氣排放的影響,主要分為4個階段:①怠速、加速、減速和勻速狀態對農用車發動機尾氣排放的影響;②定量分析速度對于農用車發動機尾氣排放及油耗的影響;③定量分析加速度對于農用車發動機尾氣排放及油耗的影響;④綜合分析速度、加速度、功率比對于發動機尾氣排放及油耗的影響。在分析工況對于農用車排放影響時涉及油耗和輸出功率比,兩者測定采用如下方法:

1)油耗測定。由于柴油在燃燒后形成CO2、CO和HC,根據C元素守恒,通過檢查尾氣中3種尾氣因子含量,即可計算出油耗,公式為

(1)

其中,Voil為油耗速率,VCO2、VCO和VHC分別為尾氣中CO2、CO和HC排放速率。

2)輸出功率比為機動車輸出功率和整車質量之比,綜合考慮了加速度,風阻和坡道等路況[13],計算公式為

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

(2)

其中,v為車輛速度(m/s),a為加速度(m/s2),s為坡度。

2.1 行駛模式對農用車排放的影響

農用車的行駛路況主要分為加速、勻速、減速和怠速等4種情況[14]。針對于上述運行工況,在農用柴油車不同駕駛模式下,各種排放污染物的速率如圖2所示。由圖2可知:CO2、NOx和CO的排放速率變化趨勢相近,在加速階段,各排放指標均處于最高點,均速狀態排放指標回落,處于怠速狀態時最低;而HC和PM2.5同樣在怠速排放量最低,但4種駕駛模式下變化不明顯。

圖2 駕駛模式對于農用車排放的影響

2.2 速度對排放影響

速度是發動機負載的重要因素,由于發動機具有特征工作曲線,造成速度和發動機負載成非線性關系。速度對于發動機排放及油耗的影響主要是綜合風阻、發動機特性曲線等多方面因素。當農用車處于一定的速度范圍內時,其排放和油耗均處于最優狀態。實驗農用車速度對于排放及油耗的影響如圖3所示。

由圖3可知:在0～15km/h范圍內,CO2排放量和油耗處于高速下降階段。這是由于發動機工作曲線在開始階段曲線較低造成的;隨著速度的提高,工作曲線上升。在20～45km/h范圍內,排放油耗趨于穩定,此范圍為該型農業車的經濟速度區間;當速度大于45km/h時,風阻等因素影響加大,造成油耗和排放量相應提高。

圖3 速度對污染物排放及油耗的影響

2.3 加速度對排放影響

對比加速、勻速、減速和怠速駕駛模式可知:發動機加速階段是排放量最為嚴重的階段,此階段發動機牽引力顯著上升;農用車在不同速度區間中,最為嚴重的是5～10km/h階段,排放及油耗最為平穩的是35～40km/h階段。對比兩種速度區間車輛加速度大小對于排放的影響,結果如圖4所示。

由圖4可知:各排放指標在5～10km/h速度區間明顯高于35～40km/h速度區間,且5～10km/h速度區間變化速率明顯高于35～40km/h。其中,CO和HC在0.6m/s2出現最大值,這是由于在該加速度區間噴油量過大而進氣量不足造成的;隨著發動機轉速的提高,進氣量增加,燃燒更充分,因此CO和HC排放量會相對下降。

圖4 加速度對于排放的影響

2.4 功率比對排放及油耗的影響

功率比對各排放因子及油耗影響的變化趨勢如圖5所示。由圖5可知:CO2和油耗隨著VSP增加而顯著提高,當VSP達到6kW/t時,油耗為280mg/s,CO2排放為800mg/s,表明CO2為柴油燃燒后的主要產物;HC排放量始終處于較低水平,發動機狀態良好,沒有柴油附著在缸筒上;CO排放量在VSP達到2kW/t以后保持相對穩定,小幅度上升;當VSP超過2kW/t以后,CO排放顯著增長;當VSP=6時,CO排放達到18mg/s,表明當功率比處于較高時,發動機處于高速運轉狀態,但柴油燃燒不充分,形成CO;NOx呈顯著上升趨勢,當VPS=6時,達到18.5mg/s,表明隨著發動機轉速提高,氣缸中的氧氣能滿足燃燒反應,在高溫高壓條件下形成NOx。

圖5 功率比對于排放及油耗的影響

3 農用運輸車實際道路工況的合成

3.1 農用車行駛工況與標準工況對比

目前,成熟機動車行駛工況有美標FTP75、歐洲ECE+EUDC標準及統計的北京市轎車循環工況標準。將農用車行駛工況和3種標準進行對比,結果如圖6所示。在平均速度方面,歐洲標準最高,達到36km/h。由圖6可知,農用車輛與現行機動車循環工況相差很大。其主要原因是:①農用車設計初衷為低速高扭矩,加速性能和制動性能與乘用車有差距;②對比乘用車量,農用車行駛工況惡劣。

圖6 農用車行駛工況與常見標準

3.2 農用車輛行駛工況建立

建立農用車輛工況循環標準,主要步驟如下:①選定建立9個工況參數,測得數據如表1所示;②選擇若干短程1 200s,計算該短程區間的9個工況參數特征值;③計算短程1 200s與總體樣本9個工況特征參數值相對誤差,當相對誤差小于預先設定值時,將選定的短程1 200s作為工況合成的樣本;④選取10個1 200s工況合成樣本,對其進行合成。

表1 總體樣本循環工況特征參數

FTP75加速減速區間頻繁,1 200s內加速減速共15次,其中速度峰值處于50～60km/h區間。在200-360s內,峰值速度達到90km/h。農用車加速減速峰值分布于兩個區間,低速區間速度為10km/h,高速區間速度峰值為30～40km/h,且加速減速峰寬明顯高于FTP75,表明農用車加速減速時加速度絕對值均較小。速度峰數量明顯少于FTP75,表明農用車輛運行工況加減速劇烈駕駛少;加速過程長,表明農用車運轉工況惡劣。

圖7 FTP75與農用車行駛工況合成對比Fig.7 The different between cyclic condition for agricultural vehicle and FTP75

4 結論

以四輪農用車為樣本,研究實際工況對于農用車油耗及排放的影響,探討現行機動車行駛工況與農用車工況的區別,并通過多組測試建立符合實際的農用車循環工況標準。分析結果表明:①怠速、加速、減速和勻速狀態時,油耗及排放物均在加速情況下最大,怠速情況下最小;②速度對于農用車發動機尾氣排放及油耗的影響,表現為隨著速度的增加先降低后升高,20～45km/h為該型農業車的經濟速度區間;③加速度對于農用車發動機尾氣排放及油耗的影響,表現為5～10km/h速度區間加速度排放量明顯高于35～40km/h,排放量呈現出先增加后降低趨勢,且CO和HC在加速度0.6m/s2時出現最大值;④綜合分析速度、加速度、功率比對于發動機尾氣排放及油耗的影響,總體表現為隨著VSP的升高排放量升高,且升高速率變大。