新聞主題	柴油發(fā)電機(jī)組的高原海拔功率修正測(cè)試實(shí)驗(yàn)

 

摘 要：通過某機(jī)型平原及高原的性能測(cè)試的對(duì)比排放測(cè)試采集相關(guān)柴油發(fā)電機(jī)管理系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)，將采集數(shù)據(jù)劃分出五個(gè)典型工況，在不同工況區(qū)間對(duì)比不同海拔下的柴油發(fā)電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)的排放物的相關(guān)系數(shù)，分析柴油發(fā)電機(jī)控制參數(shù)在不同海拔間的表現(xiàn)差異。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明顯示不同海拔下催化器工作窗口偏移特性有差異，在熱機(jī)工況下，進(jìn)氣VVT在平原高原的各排放相關(guān)系數(shù)趨勢(shì)不同，需要考慮在控制系統(tǒng)中針對(duì)這兩項(xiàng)控制引入海拔修正并進(jìn)行相關(guān)標(biāo)定工作。

 

中國(guó)地域遼闊發(fā)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境差異大，如海拔1000米，2000米和3000米以上的地區(qū)分別占全國(guó)陸地總面積的58%，33%和26%，所以高海拔環(huán)境也是我國(guó)發(fā)電機(jī)組常見的使用區(qū)域。隨著海拔高度的升高，環(huán)境參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，主要包括大氣壓力下降空氣密度減小，空氣含氧量減少。這導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)在高海拔條件下工作會(huì)與平原出現(xiàn)不一樣的特征，有研究表明，在高海拔地區(qū)，柴油發(fā)電機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、和排放性能等指標(biāo)都會(huì)有顯著差異。隨著發(fā)電機(jī)組排放要求的日益嚴(yán)格，深入研究發(fā)電機(jī)組高原排放特性，優(yōu)化高原排放控制，對(duì)于我國(guó)污染源的節(jié)能減排有重大的意義。

 

目前對(duì)于高原排放的研究主要在柴油發(fā)電機(jī)的排放特性。如隨著海拔增加Soot、CO排放量逐漸增加，而海拔對(duì)NOx影響在不同工況下表現(xiàn)不一致，且空燃比和點(diǎn)火角對(duì)NOx排放有直接影響[4][5]，在性能測(cè)試工況中，同一發(fā)電機(jī)組在不同平均轉(zhuǎn)速的排放因子呈現(xiàn)差異性分布，以及實(shí)際非道路排放中的使用行為參數(shù)的影響。值得注意的是目前的發(fā)電機(jī)組排放控制除了傳統(tǒng)的后處理技術(shù)，可靠智能的柴油發(fā)電機(jī)管理控制系統(tǒng)也扮演著重要的角色，而高原環(huán)境下的柴油發(fā)電機(jī)控制相關(guān)的研究?jī)?nèi)容相對(duì)缺失。

 

故本文基于高原柴油發(fā)電機(jī)組的機(jī)型及平原性機(jī)型的性能測(cè)試循環(huán)排放測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)比高原、平原柴油發(fā)電機(jī)管理系統(tǒng)的重要參數(shù)對(duì)排放物產(chǎn)生的影響進(jìn)行相關(guān)性分析，尋找不同階段下的各項(xiàng)尾氣排放物的關(guān)鍵控制參數(shù)，為高原排放控制提供有效的分析思路和優(yōu)化方向。

 

一、實(shí)驗(yàn)方案

 

按照GB 18352.6—2016發(fā)電機(jī)組污染物排放限值及測(cè)量中規(guī)定的方法和標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件，分別在海拔高度為0m及2000m的兩個(gè)符合法規(guī)要求的整機(jī)轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)室中完成試驗(yàn)（常溫下冷起動(dòng)后排氣污染物排放試驗(yàn)）。

 

圖1 高原柴油發(fā)電機(jī)性能測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖2 高海拔柴油發(fā)電機(jī)組安裝調(diào)試

 

二、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

 

1、時(shí)序校準(zhǔn)

由于整機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的排氣污染物采樣與分析子系統(tǒng)輸出和柴油發(fā)電機(jī)管理系統(tǒng)的控制參數(shù)，為兩個(gè)系統(tǒng)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)，通過轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)將兩組秒采數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)序校準(zhǔn)，同時(shí)排放物從尾管排出到被分析儀感知，存在一個(gè)遲滯時(shí)間，將遲滯時(shí)間校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)能夠?qū)⒖刂茀?shù)與瞬時(shí)排放進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

2、重采樣

由于排放分析儀的采樣頻率與由OBD獲取測(cè)量參數(shù)的采樣頻率不盡相同，需要對(duì)上述數(shù)據(jù)序列進(jìn)行重采樣，本研究將數(shù)據(jù)的時(shí)間序列通過一定規(guī)則統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為1500Hz的頻率，方便后續(xù)處理及分析。

3、目標(biāo)控制參數(shù)按照偏差量重新定義

對(duì)于受目標(biāo)控制的變量，如空燃比、空燃比閉環(huán)控制因子、點(diǎn)火角、過渡工況控制因子、進(jìn)排氣VVT等變量，按照相對(duì)目標(biāo)的偏差量進(jìn)行重新定義計(jì)算。公式如下：

 

 

4、性能測(cè)試工況劃分

在不同工況和柴油發(fā)電機(jī)狀態(tài)下，排放特性的規(guī)律不盡相同。為了更好將控制參數(shù)以外的因素剔除，故人為將性能測(cè)試工況數(shù)據(jù)分為冷起動(dòng)、暖機(jī)過程、熱機(jī)穩(wěn)態(tài)、熱機(jī)瞬態(tài)、清氧等幾個(gè)區(qū)間，分別研究這幾個(gè)區(qū)間內(nèi)控制參數(shù)對(duì)于各排放物水平的相關(guān)性。

 

圖3 性能測(cè)試工況

 

5、相關(guān)系數(shù)計(jì)算

在各個(gè)分區(qū)下，分別對(duì)各關(guān)鍵參數(shù)和排放CO、HC、NOx、PN計(jì)算相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)r的計(jì)算公式為：

 

 

式中x為各關(guān)鍵參數(shù)，y代表CO、NMHC、NOx、PN排放，由于柴油發(fā)電機(jī)排放的相關(guān)因素較多，多為多參數(shù)綜合影響，所以在相關(guān)系數(shù)在0.4左右往上，即可人為該參數(shù)與排放有關(guān)。

 

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

 

不同工況區(qū)間的相關(guān)性分析結(jié)果如下：

1、冷起動(dòng)及暖機(jī)工況

無論平原還是高原條件下，整機(jī)性能測(cè)試循環(huán)中的將近50%排放集中在起動(dòng)和暖機(jī)過程，由于此時(shí)刻的排放物絕對(duì)量值較大，排放峰值時(shí)刻的控制參數(shù)大小直接影響相關(guān)系數(shù)的計(jì)算和正負(fù)關(guān)系，如圖4高原冷起動(dòng)相關(guān)性所示，許多控制變量呈現(xiàn)相反的相關(guān)系數(shù)，故不適合做相關(guān)系數(shù)的對(duì)照分析。但可以用來識(shí)別該工況區(qū)域的重點(diǎn)控制參數(shù)，提供控制優(yōu)化思路。

從整體的參數(shù)相關(guān)系數(shù)大小來看，柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)氣量、進(jìn)氣壓力、噴油量、扭矩、電瓶電壓、點(diǎn)火角催化器溫度和儲(chǔ)氧量是冷起動(dòng)排放較為關(guān)鍵的參數(shù)。而暖機(jī)工況。進(jìn)氣壓力、電瓶、空燃比、柴油發(fā)電機(jī)扭矩幾個(gè)變量相關(guān)系數(shù)明顯下降而催中溫度和儲(chǔ)氧量明顯上升。從相關(guān)系數(shù)的大小和趨勢(shì)變化可以看出，對(duì)于起動(dòng)工況合理的配置進(jìn)氣噴油量參數(shù)，限制柴油發(fā)電機(jī)扭矩和點(diǎn)火角是控制起動(dòng)排放的關(guān)鍵，同時(shí)電瓶電壓這一外部條件會(huì)造成影響，試驗(yàn)前需要保證電瓶電壓在正常水平。暖機(jī)過程更關(guān)注的是催化器起燃的快慢，優(yōu)先級(jí)遠(yuǎn)高于其他參數(shù)，故暖機(jī)過程的控制要點(diǎn)是保證催化器的快速起燃。

 

圖4 高原柴油發(fā)電機(jī)冷啟動(dòng)性能分析圖

 

2、熱機(jī)穩(wěn)態(tài)及熱機(jī)瞬態(tài)工況

如圖5所示，在穩(wěn)態(tài)工況區(qū)間，后氧電壓在高原平原熱機(jī)工況區(qū)間下的相關(guān)性表現(xiàn)出了一定差異。與暖機(jī)工況相似認(rèn)為是催化器工作窗口偏移。進(jìn)氣VVT對(duì)CO、NMHC、PN排放有影響，且呈負(fù)相關(guān)，通過提前開啟進(jìn)氣VVT可以優(yōu)化其排放，排氣VVT則無明顯的相關(guān)性。高原差異主要體現(xiàn)在PN上，高原進(jìn)氣VVT與PN的關(guān)聯(lián)性下降。

在熱機(jī)瞬態(tài)工況區(qū)間，進(jìn)氣VVT對(duì)于CO、NHMC、PN的排放物的相關(guān)系數(shù)在平原條件下是高于高原條件且呈負(fù)相關(guān)，說明通過進(jìn)氣提前打開的策略在平原有利于降低CO、NHMC、PN的排放物。而在高原則效果下降尤其是對(duì)于CO。但是對(duì)于NOx在高原下呈現(xiàn)相反趨勢(shì)的相關(guān)系數(shù)，且差異明顯。故進(jìn)氣VVT早開在高原會(huì)增加NOx的可能。

 

圖5 高原柴油發(fā)電機(jī)排放物測(cè)試對(duì)比圖

 

綜合熱機(jī)兩個(gè)區(qū)間的VVT控制參數(shù)的表現(xiàn)，VVT控制參數(shù)設(shè)置要綜合考慮各排放物表現(xiàn)，且由于高原平原的差異，有必要開展高原臺(tái)架的試驗(yàn)，引入海拔參數(shù)對(duì)VVT控制角度進(jìn)行修正以達(dá)到更好的排放效果。

 

四、小結(jié)

 

經(jīng)過對(duì)某柴油發(fā)電機(jī)組的機(jī)型進(jìn)行平原和高原實(shí)驗(yàn)采集的柴油發(fā)電機(jī)控制參數(shù)、在不同工況區(qū)間進(jìn)行相關(guān)性分析可以發(fā)現(xiàn)：

（1）對(duì)于起動(dòng)工況而言，由于排放峰值時(shí)刻顯著影響到相關(guān)系數(shù)的計(jì)算，故海拔對(duì)照分析建議采用臺(tái)架或轉(zhuǎn)轂排放直采的方式分析，以減小轉(zhuǎn)轂實(shí)驗(yàn)室定容分析設(shè)備的延遲時(shí)間的影響。同時(shí)起動(dòng)的關(guān)鍵是控制好進(jìn)氣噴油的控制參數(shù)，同時(shí)合理限限制柴油發(fā)電機(jī)輸出扭矩和點(diǎn)火角進(jìn)行優(yōu)化。

（2）在熱機(jī)穩(wěn)態(tài)工況，后氧電壓相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)變化，說明海拔對(duì)于催化器的窗口控制有偏移的情況，在高海拔區(qū)域，需要引入催化器窗口的海拔修正控制。

在熱機(jī)工況下，提早開啟進(jìn)氣VVT在平原和高原都有利于減少CO、NMHC、PN三種排放物，但在高原條件熱機(jī)瞬態(tài)工況下的CO相關(guān)性和平原條件熱機(jī)穩(wěn)態(tài)PN相關(guān)性有所下降。而且在高原條件熱機(jī)瞬態(tài)工況下可能導(dǎo)致NOx上升。由于VVT控制的高原平原差異，有必要開展高原臺(tái)架的試驗(yàn)，引入海拔參數(shù)對(duì)VVT控制角度進(jìn)行修正以達(dá)到更好的排放效果。

 

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