CN110608906B - 一种工程机械排放测试方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种工程机械排放测试方法，用以解决现有测试方法不合理的问题。该方法获取待测试设备处于循环工况下的排放数据；根据预存的发动机转速、负载与排气流量的对应关系，确定与排放数据中的发动机转速、负载相对应的排气流量；根据氮氧化物数值以及排气流量，计算出待测试设备的氮氧化物质量流量以及比功率氮氧化物排放量；对发动机转速、负载分别与排气温度、氮氧化物质量流量以及比功率氮氧化物排放量之间的对应关系，分别进行展示。通过实时监测待测试设备的排放数据，基于循环工况的多个方面对待测试设备的排放数据进行分析，能够准确的判定待测试设备的排放状况，提高测试结果的实际可用性。

Description

一种工程机械排放测试方法

技术领域

本申请涉及工业技术领域，尤其涉及一种工程机械排放测试方法。

背景技术

工程机械，是用于工程建设的机械的总称，指土石方、流动起重装卸、建设工程、综合机械化施工以及同上述工程相关的生产过程机械。工程机械大部分是柴油机械，其排放的污染物主要包括氮氧化物、颗粒物、碳氢化合物、一氧化碳等。由于工程机械，尤其是在用老旧工程机械的污染物排放量在全国污染物排放量中占有较大的比重，使得工程机械的污染物排放量问题受到广泛关注。

目前，通常在工程机械的发动机等设备出厂前，对其进行出厂台架实验，以测试工程机械的运行状态以及排放量等。并且，采用的测试方法多为稳态实验测试或者瞬态试验测试。

但是，由于工程机械在实际应用过程中负载变动剧烈，通过上述测试方法进行排放测试时，无法体现出工程机械的具体排放状况，使得测试结果缺乏实际应用性。

发明内容

本申请实施例提供一种工程机械排放测试方法，用以解决现有的测试方法无法准确测量工程机械的排放数据的问题。

本申请实施例提供的一种工程机械排放测试方法，包括：

获取待测试设备处于循环工况下的排放数据；所述排放数据至少包括发动机转速、负载、氮氧化物数值、排气温度、排气烟度；

根据预存的发动机转速、负载与排气流量的对应关系，确定与所述排放数据中的发动机转速、负载相对应的排气流量；

根据所述氮氧化物数值以及排气流量，计算得出所述待测试设备的氮氧化物质量流量以及比功率氮氧化物排放量；

对发动机转速、负载、排气温度之间的对应关系，发动机转速、负载、排气烟度之间的对应关系，发动机转速、负载、氮氧化物质量流量之间的对应关系，发动机转速、负载、比功率氮氧化物排放量之间的对应关系，分别进行展示。

本申请实施例提供一种工程机械排放测试方法，通过获取待测试设备在循环工况下的排放数据，确定待测试设备的发动机转速、负载分别与排气流量、排气温度、氮氧化物质量流量以及比功率氮氧化物排放量之间的对应关系，以能够掌握待测试设备在循环工况下对应不同发动机转速以及负载下的排放状况，并对待测试设备的排放状况以及运行状况进行分析，能够更加准确的反映待测试设备的工作状况，增强排放数据的实际应用性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的工程机械排放测试方法流程示意图；

图2(a)为本申请实施例提供的待测试设备的发动机转速、负载以及排气流量的对应关系的三维示意图；

图2(b)为本申请实施例提供的待测试设备的发动机转速、负载以及排气流量的对应关系的等高线示意图；

图3(a)为本申请实施例提供的待测试设备的发动机转速、负载以及排气温度的对应关系的三维示意图；

图3(b)为本申请实施例提供的待测试设备的发动机转速、负载以及排气温度的对应关系的等高线示意图；

图3(c)为本申请实施例提供的定转速下的待测试设备的负载与排气温度的变化关系示意图；

图4(a)为本申请实施例提供的待测试设备的发动机转速、负载以及氮氧化物质量流量的对应关系的三维示意图；

图4(b)为本申请实施例提供的待测试设备的发动机转速、负载以及氮氧化物质量流量的对应关系的等高线示意图；

图4(c)为本申请实施例提供的定转速下的待测试设备的负载与氮氧化物质量流量的变化关系示意图；

图5为本申请实施例提供的待测试设备的发动机转速、负载以及比功率氮氧化物排放量的对应关系的三维示意图；

图6为本申请实施例提供的定转速下的待测试设备的负载与排气烟度的变化关系示意图；

图7为本申请实施例提供的待测试设备的发动机转速与负载的变化关系示意图；

图8为本申请实施例提供的定转速下的挖掘机的负载变化示意图；

图9(a)为本申请实施例提供的一种工程机械排放测试系统的工作流程示意图；

图9(b)为本申请实施例提供的另一种工程机械排放测试系统的工作流程示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

工程机械与道路用车辆不同，由于工程机械类别繁多，其发动机系统各不相同，且工程机械在工作时的负载变动剧烈，其实际排放状况与出厂台架实验时的测试中的数据并不相同。因此，本申请实施例提出了一种工程机械排放测试方法，用以准确测试工程机械的排放状况，并对工程机械的排放状况进行分析。

在排气测试过程中，对待测试设备进行排气测试的设备可以是多个，包括若干传感器、终端、服务器等设备。其中，传感器可用于采集待测试设备的排放数据，终端、服务器等其他设备可以用于与传感器进行数据传输，并对排放数据进行分析、处理等。

在本申请实施例中，为方便描述，以采集装置与服务器为例进行说明。

图1为本申请实施例提供的工程机械排放测试方法流程图，具体包括以下步骤：

S101：获取待测试设备处于循环工况下的排放数据。

采集装置用于采集待测试设备(即工程机械)处于循环工况下的排放数据。其中，循环工况指的是工程机械在实际工作过程中负载急剧上升而后下降的循环往复的状态。

服务器可获取来自采集装置的待测试设备的排放数据。其中，待测试设备的排放数据可至少包括发动机转速、负载、氮氧化物数值、排气温度以及排气烟度。

具体的，采集装置可包括氮氧化物传感器、温度传感器、烟度计以及获取单元。

氮氧化物传感器用于监测待测试设备排放的氮氧化物数值，其可设置于待测试设备的涡轮增压器后的排气管路中，当排气管路中设置有消音器时，氮氧化物传感器可设置于消音器前。其中，本申请实施例中具体可采用量程为0～1500ppm，可适用的排气温度范围为200～800℃，响应时间为1000ms的氮氧化物传感器。

温度传感器用于监测待测试设备的预设位置的排气温度。在本申请实施例中，采集装置中可包括多个温度传感器，其可根据需要设置在待测试设备的排气管路中的多个预设位置处。由于待测试设备中可设置有催化转化器、颗粒捕捉器以及其他传感器等装置，这些装置各自可适用的温度范围均有限制。因此，在本申请实施例中，可通过设置在多个预设位置的温度传感器对温度的监测，确定其他相应装置安装的位置。其中，催化转化器用于采用选择性催化还原技术(Selective Catalytic Reduction，SCR)，对待测试设备的排放气体中的NOx进行净化处理，颗粒捕捉器用于对待测试设备的排放气体中的微粒排放物质进行过滤。设置温度传感器的预设位置可根据需要确定。

烟度计用于监测待测试设备的排气烟度。为了使烟度计在取气时，不对待测试设备的排气流场产生影响，烟度计可设置在待测试设备的排气管路的直管段处，使烟度计的取烟管路插入排气管的直管段。并且，取烟管路可设置为翼状结构，并设计有导流片，以减少烟度计的取气装置对排气流场的影响。

此外，由于待测试设备中可能不具有车载自动诊断系统，或者其他能够直接获取待测试设备的发动机转速、负载的系统。因此，在本申请实施例中，可由获取单元通过控制器局域网络(Controller Area Network，CAN)总线获取待测试设备的发动机转速以及负载。

S102：根据预存的发动机转速、负载与排气流量的对应关系，确定与所述排放数据中的发动机转速、负载相对应的排气流量。

服务器在获取到待测试设备的排放数据后，可根据预存的待测试设备的发动机转速、负载与排气流量的对应关系，确定与获取到的排放数据中的发动机转速、负载相对应的排气流量。

其中，预存的待测试设备的发动机转速、负载与排气流量的对应关系可通过以下方式获得：

采集装置还可包括差压式流量传感器，用于监测待测试设备的发动机尾气流量。通过采用差压式流量传感器来检测待测试设备的排气流量，对发动机原机不会产生大背压影响，且能够适用于发动机高排气温度的环境。其中，流量传感器可安装于发动机排气管的后部，具体可采用量程为30～2080kg/h，测量气体温度为-1～700℃，系统响应时间为2ms的差压式流量传感器。

为了获得待测试设备在不同发动机转速、负载下分别对应的排气流量，可按照预设的发动机转速数值以及预设的负载数值，通过调整待测试设备的发动机转速以及负载，来获取不同条件下的待测试设备的排气流量。

具体的，发动机转速可从0到1900r/min分为11个转速档位(即，上述预设发动机转速数值)，负载也可从0到100％划分为11个档位(即，上述预设负载数值)。通过调节主液压泵溢流阀的预紧力，让发动机工作于溢流状态，使发动机处于当前阀力的最大发动机负荷点，也就是通过调节溢流阀来改变发动机的负载。按照预设的发动机转速数值以及负载数值，获取待测试设备在各个数值下的排气流量，并将获取到的待测试设备的发动机转速、负载与排气流量之间的对应关系进行存储。其中，发动机转速可包括800r/min、1000r/min、1200r/min、1400r/min、1600r/min、1800r/min等档位。

在本申请实施例中，服务器可根据获取到的数据，确定待测试设备的发动机转速、负载以及对应的排气流量之间的三维关系图。如图2(a)所示，图中x坐标轴表示待测试设备的发动机转速，y坐标轴表示待测试设备的负载，z坐标轴表示待测试设备的排气流量。或者，如图2(b)所示，服务器可确定待测试设备的发动机转速、负载以及对应的排气流量之间的对应关系的等高线图。由图2(a)及图2(b)可知，发动机排气流量与发动机转速、负载呈正相关关系，在发动机转速和负载的最大值处，获得排气流量最大值为1400kg/h。

由于通过流量传感器监测待测试设备的排气流量时，需将流量传感器设于排气管的直管段处。但由于烟度计也需设置在排气管的直管段处，因此，若将上述两种装置均放置于待测试设备的排气管直管段处时，为避免两者相互之间产生影响，需在两者之间设置较远的间隔。但这会导致待测试设备的排气管长度过长，而造成结构上的不便等。因此，通过预先确定出待测试设备的发动机转速、负载与排气流量之间的关系并进行存储，就可以在服务器获取排放数据时，无需获取流量传感器的数据，而可直接通过获取到的待测试设备的发动机转速与负载，从预存的对应关系中，确定相对应的排气流量。通过这种方式，节省了服务器获取排放数据的工作量，并且解决了流量传感器与烟度计并存的问题。

此外，服务器在获取到待测试设备的排放数据时，可同时获取与排放数据相对应的故障代码。服务器可根据接收到的故障代码，确定获取到的排放数据是否有效。若排放数据有效，则可继续后续的流程。若排放数据无效，服务器可根据接收到的故障代码，确定采用限制待测试设备工作等方法，来解决相应的故障情况。并且，服务器可发送报警信号，以使用户根据故障情况对待测试设备进行调整。

S103：根据所述氮氧化物数值以及排气流量，计算得出所述待测试设备的氮氧化物质量流量以及比功率氮氧化物排放量。

服务器在获取到待测试设备的排放数据后，可根据排放数据中的发动机转速以及氮氧化物数值，计算得到待测试设备的氮氧化物质量流量以及比功率氮氧化物排放量。其中，氮氧化物质量流量表示单位时间里氮氧化物通过排气管的质量，比功率氮氧化物排放量指的是氮氧化物质量与功率的比值。其中，服务器在获得待测试设备的氮氧化物数值后，可先对氮氧化物数值进行湿基校正，再进行后续的计算。

S104：对发动机转速、负载、排气温度之间的对应关系，发动机转速、负载、排气烟度之间的对应关系，发动机转速、负载、氮氧化物质量流量之间的对应关系，发动机转速、负载、比功率氮氧化物排放量之间的对应关系，分别进行展示。

为了更加直观的表现出待测试设备的排放数据之间的关系，便于对待测试设备的排放状况进行分析，服务器可对发动机转速、负载、排气温度之间的对应关系，发动机转速、负载、氮氧化物质量流量之间的对应关系，发动机转速、负载、比功率氮氧化物排放量之间的对应关系，分别进行展示。

具体的，服务器可通过预设形式对上述对应关系进行展示。其中，预设形式可包括三维图、等高线图等形式。

图3(a)为发动机转速、负载与排气温度之间的三维关系图。在图3(a)中，x坐标轴表示负载(即负荷)，y坐标轴表示发动机转速，z坐标轴表示排气温度。图3(b)为发动机转速、负载与排气温度之间的对应关系的等高线图。图中曲线表示在不同的发动机转速以及负载下，不同的排气温度的变化。图3(c)为在具有代表性的固定的转速下，循环工况负载与排气温度之间的变化关系图。图中横坐标表示时间的变化，加粗的曲线为排气温度的变化曲线，较细的曲线为负载的变化曲线。

图4(a)为发动机转速、负载与氮氧化物质量流量之间的三维关系图。在图4(a)中，x坐标轴表示负载(即负荷)，y坐标轴表示发动机转速，z坐标轴表示氮氧化物质量流量。图4(a)为发动机转速、负载与氮氧化物质量流量之间的对应关系的等高线图。图中曲线表示在不同的发动机转速以及负载下，不同的氮氧化物质量流量的变化。图4(c)为在具有代表性的固定的转速下，循环工况负载与氮氧化物排放量之间的变化关系图。图中横坐标表示时间的变化，加粗的曲线为氮氧化物排放量的变化曲线，较细的曲线为负载的变化曲线。

图5为发动机转速、负载与比功率氮氧化物排放量(下称“氮氧化物比排放量”)之间的三维关系图。在图5中，x坐标轴表示发动机转速，y坐标轴表示负载(即负荷)，z坐标轴表示比功率氮氧化物排放量。

图6为在具有代表性的固定的转速下，负载与排气烟度之间的变化关系图。图中横坐标表示时间的变化，加粗的曲线为排气烟度的变化曲线，较细的曲线为负载的变化曲线。

在本申请实施例中，服务器可根据上述展示的对应关系，对待测试设备的排气温度、氮氧化物质量流量、比功率氮氧化物排放量、排气烟度的变化趋势进行分析。

由图3(a)与图3(b)可知，排气温度与发动机转速、负载成正相关关系，排气温度随发动机转速与负载的升高而升高，并且，排气温度在每个发动机转速的档位处偏高。当负载不变时，在800r/min～1800r/min的发动机转速范围内，中等转速下的排气温度较高。由图3(c)可知，排气温度随着负载的增大而增大，但由于热惯性，排气温度变动延迟于负载变动。且由于发动机高负载区维持时间较短，排气温度并没有达到同等负载稳态情况下的排气温度，例如，在图3(b)中，当待测试设备处于发动机转速1800r/min，负载90％时，排气温度达到367℃，而在图3(c)中，当待测试设备处于瞬态工况下时，最高的排气温度仅有300℃。在这种情况下，排气温度偏低对后续的尾气处理的要求较高。

由图4(a)与图4(b)可知，氮氧化物质量流量与发动机转速、负载成正相关关系，并且，由于在发动机转速的档位附近，存在负载最大处，发动机工作于高负载区，氮氧化物体积分数和排气流量都升高，因此，氮氧化物质量流量在每个发动机转速的档位处偏高。由图4(c)可知，氮氧化物排放量与负载成同一趋势变化，在加载过程中氮氧化物排放量随负载上升而上升，在降载过程中氮氧化物排放量随负载降低而降低。在待测试设备为挖掘机的情况下，由于在挖掘状态中，发动机工作于加载过程和大负载区，为追求动力性，喷油量提升，缸内燃烧温度升高，氧气浓度下降，因此氮氧化物排放量升高，而在非挖掘状态，发动机工作于降载和小负载区，缸内燃烧温度降低，氧气浓度升高，因此氮氧化物排放量降低。

由图6可知，当待测试设备急加载荷，从怠速至满负载时，烟度计监测到的排气烟度的数值较高。且在实际测试过程中，由于涡轮增压器响应迟滞，给气不足导致燃烧不充分，待测试设备可能会出现可见黑烟等状况。

在本申请实施例中，采集装置可同时监测多个待测试设备处于循环工况下的排放数据。为了对多个待测试设备进行区分，排放数据中可包括待测试设备的设备标识。

当多个待测试设备处于被监测状态时，服务器可接收到多个待测试设备的排放数据。针对每个待测试设备，服务器可根据接收到的排放数据中包括的设备标识，确定出相应的待测试设备。并根据该设备标识，确定对应的预存的发动机转速、负载与排气流量的对应关系，根据确定出的对应关系，确定与该待测试设备的排放数据中的发动机转速、负载相对应的排气流量。

此外，由于待测试设备在使用过程中，会发生装置的损耗等情况，从而使待测试设备的排放数据发生变化。因此，可根据预设周期，对存储的待测试设备的发动机转速、负载与排放流量的对应关系进行更新，以适应待测试设备的实际变化情况，提高测试结果的准确性。

图7为待测试设备在循环工况下的发动机转速与负载的变化关系示意图。图中横坐标轴表示负载(即负荷)，纵坐标轴表示发动机转速，各曲线表示各稳定转速档位下转速随负荷变化的情况。由图7可知，在固定发动机转速档位下，发动机转速变化通常不超过1000r/min，且随负载呈线性变化。

在一个实施例中，待测试设备可以是挖掘机。在挖掘机的正常工作过程中，为获得最大动力性，通常将挖掘机的发动机转速档位设置在1800r/min。因此，在对挖掘机进行排放测试时，可根据挖掘机在1800r/min的转速下，测试挖掘机转速不变、负载变化的循环工况。

图8为挖掘机在转速不变的情况下的负载变化图。图中曲线表示挖掘机的负载在150s时间内的变化。挖掘机主要通过大臂、小臂、挖斗、回转、行走等液压系统做功，由图8可知，挖掘机在工作时负载变动剧烈，从20％到95％瞬态变动。挖掘机在挖重物时，负载急剧上升而后下降，挖掘机在释放重物的过程中负载变化幅值很小。负载如此循环往复，构成循环工况。

由于对挖掘机的排放测试可在转速不变的情况下进行，因此，服务器在获取到挖掘机的排放数据后，可直接根据排放数据中的负载，以及预存的负载与排气流量的对应关系，确定与相对应的挖掘机的排气流量。

在一种可能的实现方式中，服务器可通过工程机械排放测试系统来实现工程机械的排放测试。图9(a)与图9(b)为本申请实施例提供的工程机械排放测试系统的工作流程示意图。

工程机械排放测试系统可包括上位机系统、下位机系统与若干子系统。各子系统表示待测试设备中的若干传感器(如上文所述温度传感器、烟度计)等测试装置，这些测试装置可与下位机系统进行通讯。下位机系统为主控系统，其可实现与各子系统进行通讯、对各子系统进行初始化(如加热、标零等)、获取整车CAN线的数据等功能。上位机系统为操作系统，其可在用户的操作下，向下位机系统发送指令，获取来自下位机系统的待测试设备的排放数据以及故障代码，确定排放数据是否有效，判断待测试设备的故障，存储数据等。

图9(a)为下位机系统的工作流程示意图。如图9(a)所示，在工程机械排放测试系统开机后，下位机系统可首先对各子系统进行加热、标零等初始化操作。之后，下位机系统可接收上位机系统的数据采集命令，根据该数据采集命令获取各子系统的排放数据，并将获取到的排放数据以及对应的故障代码上传至上位机系统。

图9(b)为上位机系统的工作流程示意图。如图9(b)所示，在工程机械排放测试系统开机后，上位机系统可首先设置整个工程机械排放测试系统的基本参数，进行初始化操作。之后，上位机系统可在向下位机系统发送数据采集命令后，获取来自下位机系统的排放数据以及对应的故障代码。上位机系统可根据该故障代码，判断获取到的排放数据是否有效。若排放数据有效，则可根据预存的发动机转速、负载与排放流量之间的对应关系，确定获取到的排放数据中的转速、负载对应的排放流量，并进行后续的计算、显示、存储等操作。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种工程机械排放测试方法，其特征在于，包括：

获取待测试设备处于循环工况下的排放数据；所述排放数据至少包括发动机转速、负载、氮氧化物数值、排气温度、排气烟度；

根据预存的发动机转速、负载与排气流量的对应关系，确定与所述排放数据中的发动机转速、负载相对应的排气流量；

根据所述氮氧化物数值以及排气流量，计算得出所述待测试设备的氮氧化物质量流量以及比功率氮氧化物排放量；

对发动机转速、负载、排气温度之间的对应关系，发动机转速、负载、排气烟度之间的对应关系，发动机转速、负载、氮氧化物质量流量之间的对应关系，发动机转速、负载、比功率氮氧化物排放量之间的对应关系，分别进行展示。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预存的发动机转速、负载与排气流量的对应关系通过以下方式获得：

按照预设数值调整所述待测试设备的发动机转速以及负载；

确定不同发动机转速以及负载分别对应的排气流量，并进行对应存储。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对发动机转速、负载、排气温度之间的对应关系，发动机转速、负载、排气烟度之间的对应关系，发动机转速、负载、氮氧化物质量流量之间的对应关系，发动机转速、负载、比功率氮氧化物排放量之间的对应关系，分别进行展示，具体包括：

通过预设形式对发动机转速、负载、排气温度之间的对应关系，发动机转速、负载、排气烟度之间的对应关系，发动机转速、负载、氮氧化物质量流量之间的对应关系，发动机转速、负载、比功率氮氧化物排放量之间的对应关系，分别进行展示，其中，所述预设形式至少包括三维图、等高线图。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据预存的发动机转速、负载与排气流量的对应关系，确定与所述排放数据中的发动机转速、负载相对应的排气流量之前，所述方法还包括：

获取所述排放数据对应的故障代码，根据所述故障代码，确定所述排放数据是否有效。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据所述故障代码，确定所述排放数据无效时，发送报警信号。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述排放数据还包括待测试设备的设备标识；

根据预存的发动机转速、负载与排气流量的对应关系，确定与所述排放数据中的发动机转速、负载相对应的排气流量，具体包括：

针对每个待测试设备，确定该待测试设备的设备标识对应的预存的发动机转速、负载与排气流量的对应关系，根据该对应关系，确定与所述排放数据中的发动机转速、负载相对应的排气流量。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据展示的对应关系，对所述待测试设备的排气温度、排气烟度、氮氧化物质量流量、比功率氮氧化物排放量的变化趋势进行分析。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测试设备为挖掘机；

对发动机转速、负载、排气温度之间的对应关系，发动机转速、负载、排气烟度之间的对应关系，发动机转速、负载、氮氧化物质量流量之间的对应关系，发动机转速、负载、比功率氮氧化物排放量之间的对应关系，分别进行展示，具体包括：

对预设发动机转速下的，负载、排气温度之间的对应关系，负载、排气烟度之间的对应关系，负载、氮氧化物质量流量之间的对应关系，负载、比功率氮氧化物排放量之间的对应关系，分别进行展示。

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