新聞主題	柴油發(fā)電機組的高原海拔功率修正測試實(shí)驗

 

摘 要：通過(guò)某機型平原及高原的性能測試的對比排放測試采集相關(guān)柴油發(fā)電機管理系統控制數據，將采集數據劃分出五個(gè)典型工況，在不同工況區間對比不同海拔下的柴油發(fā)電機關(guān)鍵參數的排放物的相關(guān)系數，分析柴油發(fā)電機控制參數在不同海拔間的表現差異。數據分析結果表明顯示不同海拔下催化器工作窗口偏移特性有差異，在熱機工況下，進(jìn)氣VVT在平原高原的各排放相關(guān)系數趨勢不同，需要考慮在控制系統中針對這兩項控制引入海拔修正并進(jìn)行相關(guān)標定工作。

 

中國地域遼闊發(fā)電機組運行環(huán)境差異大，如海拔1000米，2000米和3000米以上的地區分別占全國陸地總面積的58%，33%和26%，所以高海拔環(huán)境也是我國發(fā)電機組常見(jiàn)的使用區域。隨著(zhù)海拔高度的升高，環(huán)境參數會(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。這導致柴油發(fā)電機在高海拔條件下工作會(huì )與平原出現不一樣的特征，有研究表明，在高海拔地區，柴油發(fā)電機的動(dòng)力性、經(jīng)濟性、和排放性能等指標都會(huì )有顯著(zhù)差異。隨著(zhù)發(fā)電機組排放要求的日益嚴格，深入研究發(fā)電機組高原排放特性，優(yōu)化高原排放控制，對于我國污染源的節能減排有重大的意義。

 

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

 

故本文基于高原柴油發(fā)電機組的機型及平原性機型的性能測試循環(huán)排放測試數據，對比高原、平原柴油發(fā)電機管理系統的重要參數對排放物產(chǎn)生的影響進(jìn)行相關(guān)性分析，尋找不同階段下的各項尾氣排放物的關(guān)鍵控制參數，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)驗方案

 

按照GB 18352.6—2016發(fā)電機組污染物排放限值及測量中規定的方法和標準試驗條件，分別在海拔高度為0m及2000m的兩個(gè)符合法規要求的整機轉轂試驗室中完成試驗（常溫下冷起動(dòng)后排氣污染物排放試驗）。

 

圖1 高原柴油發(fā)電機性能測試現場(chǎng)

圖2 高海拔柴油發(fā)電機組安裝調試

 

二、實(shí)驗數據處理

 

1、時(shí)序校準

由于整機試驗臺的排氣污染物采樣與分析子系統輸出和柴油發(fā)電機管理系統的控制參數，為兩個(gè)系統導出的數據，通過(guò)轉速數據將兩組秒采數據進(jìn)行時(shí)序校準，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)間校準后的數據能夠將控制參數與瞬時(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獲取測量參數的采樣頻率不盡相同，需要對上述數據序列進(jìn)行重采樣，本研究將數據的時(shí)間序列通過(guò)一定規則統一轉換為1500Hz的頻率，方便后續處理及分析。

3、目標控制參數按照偏差量重新定義

對于受目標控制的變量，如空燃比、空燃比閉環(huán)控制因子、點(diǎn)火角、過(guò)渡工況控制因子、進(jìn)排氣VVT等變量，按照相對目標的偏差量進(jìn)行重新定義計算。公式如下：

 

 

4、性能測試工況劃分

在不同工況和柴油發(fā)電機狀態(tài)下，排放特性的規律不盡相同。為了更好將控制參數以外的因素剔除，故人為將性能測試工況數據分為冷起動(dòng)、暖機過(guò)程、熱機穩態(tài)、熱機瞬態(tài)、清氧等幾個(gè)區間，分別研究這幾個(gè)區間內控制參數對于各排放物水平的相關(guān)性。

 

圖3 性能測試工況

 

5、相關(guān)系數計算

在各個(gè)分區下，分別對各關(guān)鍵參數和排放CO、HC、NOx、PN計算相關(guān)系數，相關(guān)系數r的計算公式為：

 

 

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

 

三、實(shí)驗結果分析

 

不同工況區間的相關(guān)性分析結果如下：

1、冷起動(dòng)及暖機工況

無(wú)論平原還是高原條件下，整機性能測試循環(huán)中的將近50%排放集中在起動(dòng)和暖機過(guò)程，由于此時(shí)刻的排放物絕對量值較大，排放峰值時(shí)刻的控制參數大小直接影響相關(guān)系數的計算和正負關(guān)系，如圖4高原冷起動(dòng)相關(guān)性所示，許多控制變量呈現相反的相關(guān)系數，故不適合做相關(guān)系數的對照分析。但可以用來(lái)識別該工況區域的重點(diǎn)控制參數，提供控制優(yōu)化思路。

從整體的參數相關(guān)系數大小來(lái)看，柴油發(fā)電機進(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氧量是冷起動(dòng)排放較為關(guān)鍵的參數。而暖機工況。進(jìn)氣壓力、電瓶、空燃比、柴油發(fā)電機扭矩幾個(gè)變量相關(guān)系數明顯下降而催中溫度和儲氧量明顯上升。從相關(guān)系數的大小和趨勢變化可以看出，對于起動(dòng)工況合理的配置進(jìn)氣噴油量參數，限制柴油發(fā)電機扭矩和點(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，試驗前需要保證電瓶電壓在正常水平。暖機過(guò)程更關(guān)注的是催化器起燃的快慢，優(yōu)先級遠高于其他參數，故暖機過(guò)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)電機冷啟動(dòng)性能分析圖

 

2、熱機穩態(tài)及熱機瞬態(tài)工況

如圖5所示，在穩態(tài)工況區間，后氧電壓在高原平原熱機工況區間下的相關(guān)性表現出了一定差異。與暖機工況相似認為是催化器工作窗口偏移。進(jìn)氣VVT對CO、NMHC、PN排放有影響，且呈負相關(guān)，通過(guò)提前開(kāi)啟進(jìn)氣VVT可以?xún)?yōu)化其排放，排氣VVT則無(wú)明顯的相關(guān)性。高原差異主要體現在PN上，高原進(jìn)氣VVT與PN的關(guān)聯(lián)性下降。

在熱機瞬態(tài)工況區間，進(jìn)氣VVT對于CO、NHMC、PN的排放物的相關(guān)系數在平原條件下是高于高原條件且呈負相關(guān)，說(shuō)明通過(guò)進(jìn)氣提前打開(kāi)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于CO。但是對于NOx在高原下呈現相反趨勢的相關(guān)系數，且差異明顯。故進(jìn)氣VVT早開(kāi)在高原會(huì )增加NOx的可能。

 

圖5 高原柴油發(fā)電機排放物測試對比圖

 

綜合熱機兩個(gè)區間的VVT控制參數的表現，VVT控制參數設置要綜合考慮各排放物表現，且由于高原平原的差異，有必要開(kāi)展高原臺架的試驗，引入海拔參數對VVT控制角度進(jìn)行修正以達到更好的排放效果。

 

四、小結

 

經(jīng)過(guò)對某柴油發(fā)電機組的機型進(jìn)行平原和高原實(shí)驗采集的柴油發(fā)電機控制參數、在不同工況區間進(jìn)行相關(guān)性分析可以發(fā)現：

（1）對于起動(dòng)工況而言，由于排放峰值時(shí)刻顯著(zhù)影響到相關(guān)系數的計算，故海拔對照分析建議采用臺架或轉轂排放直采的方式分析，以減小轉轂實(shí)驗室定容分析設備的延遲時(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，同時(shí)合理限限制柴油發(fā)電機輸出扭矩和點(diǎn)火角進(jìn)行優(yōu)化。

（2）在熱機穩態(tài)工況，后氧電壓相關(guān)系數呈現相反的趨勢變化，說(shuō)明海拔對于催化器的窗口控制有偏移的情況，在高海拔區域，需要引入催化器窗口的海拔修正控制。

在熱機工況下，提早開(kāi)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，但在高原條件熱機瞬態(tài)工況下的CO相關(guān)性和平原條件熱機穩態(tài)PN相關(guān)性有所下降。而且在高原條件熱機瞬態(tài)工況下可能導致NOx上升。由于VVT控制的高原平原差異，有必要開(kāi)展高原臺架的試驗，引入海拔參數對VVT控制角度進(jìn)行修正以達到更好的排放效果。

 

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