林业机械中通用小型汽油机排放控制及效果分析1)

韩冰源 贝绍轶 赵景波

(江苏理工学院，常州，213001)

李洪亮 储江伟

(东北林业大学)

林业机械中通用小型汽油机排放控制及效果分析1)

韩冰源 贝绍轶 赵景波

(江苏理工学院，常州，213001)

李洪亮 储江伟

(东北林业大学)

以单缸风冷四冲程的通用小型汽油机为研究对象，采用开环控制方式，预先通过万有特性试验测定各个特定工况点的最佳进气氧体积分数控制量，生成进气控制初始脉谱表；通用小型汽油机实际运行时，根据测得的工况参数值确定运行工况，通过查进气控制脉谱表确定进气氧体积分数控制量，实现通用小型汽油机的富氧进气排放控制。选择2 000、3 000 r/min两个常用转速，分别采用常态进气和富氧进气两种方式，进行HC、CO、NOx排放的负荷特性验证性试验。验证结果表明：与常态进气相比，采用富氧进气控制方式，试验用通用小型汽油机的HC和CO排放明显降低，但NOx排放存在上升趋势；2 000、3 000 r/min条件下，HC排放的最低值下降率分别为18.26%和14.02%，CO排放的最低值下降率分别为16.87%和17.78%，NOx排放的最低值增长率分别为10.61%和8.70%。

林业机械；通用小型汽油机；富氧进气；排放控制

风力灭火机、喷淋机、喷雾机、绿篱机、喷粉机、油锯、修枝机、割灌机、挖坑机、割草机、喷灌机等，都属于通用小型汽油机。通用小型汽油机，是指小功率的非道路用的火花点燃式发动机，分为二冲程和四冲程两种类型[1]。通用小型汽油机常被用于小型农林机具、农林植保机械和园林机械等林业机械的配套动力装置，欧盟和美国定义其功率范围不超过19 kW，而我国定义其功率范围不超过30 kW[2]。目前，通用小型汽油机已广泛应用于林业、农业、工业等生产领域，能够为各种林业机械提供主要动力，并且具有维修方便、价格低廉、操作简便、质量轻、体积小等优点[3-4]。

林业机械中的通用小型汽油机排量一般小于1 L，多为单缸汽油机[5]。在实际作业过程中，通用小型汽油机常在中小负荷工况条件下运行，气缸内的火焰传播速度慢，着火延迟期长，可燃混合气雾化不良，燃烧过程不充分，导致其各项排放性能指标明显劣化[6-7]。与常态进气相比，富氧进气能够缩短着火延迟期，提高缸内火焰温度,促进燃料的完全燃烧，改善汽油机的排放状况[8-10]。本文以林业机械中常见的通用小型汽油机为研究对象，采用开环控制方式，探讨通过精确控制进气中的氧体积分数，实现通用小型汽油机的富氧进气控制，以达到平衡各项排放指标，并获得最低综合排放的目的，从而实现合理减少排放的控制目标。

1 排放控制

1.1 控制目标

将空气和纯氧按一定比例配成富氧混合进气提供给通用小型汽油机，能够促进可燃混合气的充分燃烧，使发动机的综合排放性达到最优。进气中氧体积分数发生改变时，HC、CO和NOx各项排放指标对进气氧体积分数影响的敏感程度各不相同，控制关键在于各项排放指标之间的合理平衡；因此，将“平衡各项排放指标并获得最低综合排放”作为改善通用小型汽油机排放性的控制目标。

1.2 控制方法

采用开环控制方式，根据控制目标，预先通过万有特性试验测定试验用通用小型汽油机各个特定工况点的最佳进气氧体积分数控制量，生成进气控制初始脉谱表；在初始脉谱表中查找特定工况点的控制量作为基本控制量，通过插值计算获得非特定工况点的基本控制量；再根据进气温度、转速变化量和节气门开度变化量等参数值对基本控制量进行修正，生成修正后的进气控制脉谱表并存入EPROM中；通用小型汽油机实际运行时，根据测得的工况参数值确定运行工况，直接查进气控制脉谱表，确定进气氧体积分数控制量，实现通用小型汽油机的富氧进气排放控制。

2 试验系统构建

2.1 试验用通用小型汽油机

试验用通用小型汽油机为QJ125-27a1-1型单点、电喷、四冲程、单缸汽油机，冷却方式为风冷，起动方式为电起动。主要参数及指标：燃油种类为93#汽油，排量为124 mL，压缩比为9∶1，缸径×行程为56.5 mm×49.5 mm，最大功率(转速为7 500 r/min时)为7.5 kW，额定功率(转速为6 500 r/min时)为6.5 kW，最大转矩(转速为5 500 r/min时)为8.5 N·m，最高转速为8 500 r/min。

2.2 配气系统和台架试验系统

配气系统为试验用通用小型汽油机配备目标氧体积分数的富氧进气，采用气瓶供氧的方式，通过氧气流量控制阀和氧气流量计，实现工业纯氧流量和进气氧体积分数的精确控制；预混合室的一个入口与大气相通，另一个入口与氧气瓶相连；利用氧气瓶减压器，将充装压力为(13±0.5)MPa的、纯度高于99.2%的工业纯氧降至标准大气压后通入预混合室；在预混合室中，利用多个混合风扇将空气和工业纯氧进行预混合后，通入到配气室中进行充分混合，形成具有目标富氧比例的混合进气；再以自然吸气的方式，提供给试验用通用小型汽油机。配气系统的结构示意图如图1所示；富氧进气台架试验系统的结构示意图如图2所示。

1.氧气瓶；2.氧气瓶减压器；3.氧气流量控制阀；4.氧气流量计；5.预混合室；6.配气室；7.混合风扇；8.温度湿度计；9.气体流量计；10.氧分析仪；11.试验用通用小型汽油机；12.富氧进气监控系统。

图1 配气系统结构示意图

1.油箱；2.智能油耗仪；3.气缸压力传感器；4.气缸温度传感器；5.燃烧分析仪；6.电控柜；7.氧气瓶；8.氧气瓶减压器；9.氧气流量控制阀；10.氧气流量计；11.预混合室；12.配气室；13.混合风扇；14.温度湿度计；15.气体流量计；16.节气门位置传感器；17.进气温度传感器；18.氧分析仪；19.排气温度传感器；20.废气分析仪；21.油门执行器；22.试验用通用小型汽油机；23.增量式编码器；24.转速转矩传感器；25.直流电力测功机；26.冷却风扇；27.富氧进气监控系统；28.发动机自动测控系统。

图2 台架试验系统结构示意图

3 控制效果对比分析

根据控制目标，将“平衡各项排放指标并获得最低综合排放”作为最佳氧体积分数的控制标准，并将怠速工况和小负荷工况作为重点控制工况。在动力性指标和经济性指标未出现明显劣化的前提下，通过排放万有特性试验，得出48个工况节点的最优进气氧体积分数控制量，制成进气控制脉谱表(见表2)。

表2 进气氧体积分数控制量

注：表头中的“0、20、40、60、80、100”，为节气门开度(%)。

选择2 000、3 000 r/min两个常用转速，制定排放验证性试验方案。即：分别保持转速为2 000、3 000 r/min不变，选择0、25%、50%、75%、100%共5个负荷点；分别采用常态进气和富氧进气两种方式，常态进气的氧体积分数为21%，富氧进气的氧体积分数控制量由进气控制脉谱表查得；进行HC、CO、NOx排放的负荷特性试验，待试验用通用小型汽油机工作稳定后，测量其HC、CO、NOx排放量并进行对比分析，评价富氧进气条件下试验用通用小型汽油机的排放性能改善效果(见表3)。

表3 试验用通用小型汽油机的排放控制验证结果

注：表中NOx为增长率数值，设为正值；HC和CO均为下降率数值，设为负值。

4 结论

以林业机械中常见的通用小型汽油机为研究对象，与常态进气相比，采用富氧进气控制方式，试验用通用小型汽油机的HC排放明显降低，2 000、3 000 r/min条件下的最低值下降率分别为18.26%和14.02%。

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

NOx排放存在上升趋势，2 000、3 000 r/min条件下的最低值增长率分别为10.61%和8.70%，但增幅明显小于HC和CO排放的降幅。

综合比较HC、CO和NOx三项排放指标的变化情况，采用富氧进气控制方式，能够改善通用小型汽油机的综合排放性能，实现有效降低林业机械中通用小型汽油机排放的控制目标。

[1] 胡喜山.营林机械(林业专业)[M].北京：高等教育出版社，2007.

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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

韩冰源，女，1982年2月生，江苏理工学院汽车与交通工程学院，讲师。E-mail：hanbing19820223@163.com。

储江伟，东北林业大学交通学院，教授。E-mail：cjw_62@163.com。

2013年12月30日。

U467.4+8

1) 常州市高技术研究重点实验室项目(CM20113001)。

责任编辑：张 玉。