摘要：通过某机型平原及高原的性能测试对比排放测试，采集相关柴油发电机管理系统控制数据，将采集数据划分出五个典型工况，在不同工况区间对比不同海拔下的柴油发电机关键参数的排放物相关系数，分析柴油发电机控制参数在不同海拔间的表现差异。数据分析结果表明，不同海拔下催化器工作窗口偏移特性有差异；在热机工况下，进气VVT在平原高原的各排放相关系数趋势不同，需要考虑在控制系统中针对这两项控制引入海拔修正并进行相关标定工作。本文为高原环境下柴油发电机排放控制的优化提供了系统的实验方案、数据处理方法和分析思路。
一、实验背景与方案设计
1. 研究背景与科学意义
（1）高原环境的普遍性与影响程度：中国地域辽阔，发电机组运行环境差异巨大。海拔1000 m、2000 m和3000 m以上的地区分别占全国陆地总面积的58%、33%和26%。高海拔环境是我国发电机组常见的使用区域，尤其是西部地区、青藏高原及西南山区的大量发电设施长期在高海拔条件下运行。随着海拔升高，环境参数发生显著变化——大气压力下降（海拔每升高1000 m，大气压力降低约10 kPa）、空气密度减小（每升高1000 m，密度下降约10%）、空气含氧量减少（每升高1000 m，氧分压下降约10%）。这些环境参数的改变直接影响了柴油发电机的工作循环和燃烧过程。
（2）高海拔对柴油发电机性能的系统性影响：高海拔条件下，由于进气密度和含氧量的降低，柴油发电机的动力性、经济性和排放性能均会出现显著差异。在动力性方面，非增压柴油机功率下降尤为明显（海拔每升高1000 m，功率下降7%～12%）；在经济性方面，燃油消耗率随海拔升高而增加（最低油耗率增加2%～12%）；在排放性能方面，研究表明随着海拔增加，Soot（碳烟）和CO排放量逐渐增加，而海拔对NOx的影响在不同工况下表现不一致，空燃比和点火角对NOx排放有直接影响。此外，在性能测试工况中，同一发电机组在不同平均转速下的排放因子呈现差异性分布。
（3）排放法规的日益严格与控制优化的必要性：随着发电机组排放要求的日益严格（中国非道路移动机械用柴油机已实施国四排放标准），深入研究发电机组高原排放特性，优化高原排放控制，对于我国污染源的节能减排具有重大的理论和工程意义。然而，目前的发电机组排放控制除了传统的后处理技术（DOC、DPF、SCR等）外，可靠智能的柴油发电机管理控制系统（EMS）也扮演着越来越重要的角色，而高原环境下柴油发电机控制相关的研究内容相对缺失，这构成了本研究的主要动机。
（4）研究目标与价值：本文旨在通过对高原与平原环境下柴油发电机组排放测试数据的对比分析，揭示关键控制参数在不同海拔下的变化规律及其对排放的影响机制，为高原排放控制策略的优化提供数据支撑和理论依据。
2. 实验方案设计
（1）实验标准与依据：按照GB 18352.6—2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》中规定的方法和标准试验条件，分别在海拔高度为0 m及2000 m的两个符合法规要求的整机转毂试验室中完成试验（常温下冷起动后排气污染物排放试验）。该标准规定了完整的试验循环、采样分析和数据处理方法，确保实验结果的准确性和可对比性。
（2）高原与平原试验室的差异控制：为保证两地的试验结果具有良好的可比性，采取以下控制措施：
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同一台试验样机分别在两地完成试验，排除样机个体差异；
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两地试验室均采用同型号的排放分析系统，并经过同标准校准；
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试验燃油采用同一批次的标准试验用油；
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环境参数的差异（温度、湿度）严格按照标准中的修正公式进行修正；
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试验前对试验样机进行充分检查和标定，确保其在两地试验前处于一致的技术状态。
（3）试验样机信息：试验选用某型号柴油发电机组，该机型在非道路移动机械领域具有代表性，功率范围覆盖常用发电机组功率段。样机的主要技术参数包括：排量、额定功率、额定转速、后处理系统配置（DOC+DPF+SCR）、燃油系统类型（高压共轨）等（具体参数依据实际测试机型确定）。该机型的EMS具备完整的闭环控制功能，包括空燃比闭环控制、VVT控制、EGR控制等，便于采集多维度的控制参数进行分析。
（4）试验工况与采样内容：试验按照标准循环进行，覆盖冷起动、暖机、热机稳态及瞬态等典型工况。采样内容包括：
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排放数据：CO、HC、NOx、PN（颗粒物数量）的连续排放浓度及累计排放量；
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发动机控制参数：通过OBD接口采集进气量、进气压力、喷油量、扭矩、转速、空燃比、空燃比闭环控制因子、点火角、过渡工况控制因子、进排气VVT角度、催化器温度、后氧传感器电压、储氧量、电瓶电压等关键控制参数；
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环境参数：大气压力、环境温度、相对湿度。
（5）实验现场与设备：高原柴油发电机性能测试现场如图1所示，高海拔柴油发电机组安装调试如图2所示。试验设备包括转毂试验台、排放分析系统（定容采样分析系统CVS）、发动机管理控制系统数据采集设备、环境参数监测设备等。所有设备均在有效计量检定周期内。
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图1 高原柴油发电机性能测试现场 |
图2 高海拔柴油发电机组安装调试 |
二、实验数据处理方法
1. 时序校准
由于整机试验台的排气污染物采样与分析子系统输出和柴油发电机管理系统的控制参数为两个系统导出的数据，通过转速数据将两组秒采数据进行时序校准。同时，排放物从尾管排出到被分析仪感知存在一个迟滞时间（通常为2～5秒，取决于排气管长度和气体流速），将迟滞时间校准后的数据能够将控制参数与瞬时排放进行关联。
2. 重采样
由于排放分析仪的采样频率与由OBD获取测量参数的采样频率不尽相同，需要对上述数据序列进行重采样。本研究将数据的时间序列通过一定规则统一转换为1500 Hz的频率，确保两组数据在时间轴上完全对齐，方便后续处理及分析。
3. 目标控制参数的偏差量重新定义
对于受目标控制的变量，如空燃比、空燃比闭环控制因子、点火角、过渡工况控制因子、进排气VVT等变量，按照相对目标的偏差量进行重新定义计算。偏差量计算公式如下：
通过偏差量定义，可以更准确地反映控制系统在实际运行中偏离目标值的程度，从而量化控制策略对排放的影响。
4. 性能测试工况划分
在不同工况和柴油发电机状态下，排放特性的规律不尽相同。为了更好将控制参数以外的因素剔除，人为将性能测试工况数据分为五个典型区间：
（1）冷起动阶段：从发动机启动到冷却液温度首次达到60 ℃，此阶段燃烧不稳定，排放峰值最高。
（2）暖机过程：从60 ℃到冷却液温度稳定在90 ℃左右，此阶段催化器逐渐起燃。
（3）热机稳态：冷却液温度稳定后，发动机处于恒定转速和负荷下的运行区间，排放趋于稳定。
（4）热机瞬态：热机状态下转速或负荷发生变化的运行区间，反映过渡工况的排放特性。
（5）清氧阶段：催化器氧存储量清除阶段，用于评估催化器储氧能力的恢复特性。
分别研究这几个区间内控制参数对于各排放物水平的相关性。
5. 相关系数计算
在各个分区下，分别对各关键参数和排放物CO、HC、NOx、PN计算相关系数。相关系数 的计算公式为：
式中，为各关键控制参数（如进气量、喷油量、空燃比、进气VVT角度等），代表CO、NMHC、NOx、PN排放。由于柴油发电机排放的相关因素较多，多为多参数综合影响，因此在相关系数达到0.4左右及以上时，即可认为该参数与排放存在明显的相关性。
三、实验结果与分析
1. 冷起动及暖机工况
无论平原还是高原条件下，整机性能测试循环中将近50%的排放集中在起动和暖机过程。由于此时刻的排放物绝对量值较大，排放峰值时刻的控制参数大小直接影响相关系数的计算和正负关系。如图3高原冷起动相关性所示，许多控制变量呈现相反的相关系数，故不适合做相关系数的对照分析，但可以用来识别该工况区域的重点控制参数，提供控制优化思路。
从整体的参数相关系数大小来看，柴油发电机进气量、进气压力、喷油量、扭矩、电瓶电压、点火角、催化器温度和储氧量是冷起动排放较为关键的参数。在暖机工况中，进气压力、电瓶电压、空燃比、柴油发电机扭矩几个变量的相关系数明显下降，而催化器温度和储氧量的相关系数明显上升。从相关系数的大小和趋势变化可以看出：
对于起动工况，合理配置进气量和喷油量参数、限制柴油发电机扭矩和点火角是控制起动排放的关键。
电瓶电压这一外部条件会造成显著影响，试验前需要保证电瓶电压在正常水平（12 V系统不低于12.4 V，24 V系统不低于24.8 V）。
暖机过程更关注的是催化器起燃的快慢，优先级远高于其他参数，故暖机过程的控制要点是保证催化器的快速起燃，以尽早将有害物转化为无害气体。
图3 高原柴油发电机冷启动性能分析图
2. 热机稳态及热机瞬态工况
如图4所示，在稳态工况区间，后氧电压在高原和平原热机工况区间下的相关性表现出了一定差异。与暖机工况相似，可认为催化器工作窗口发生了偏移。进气VVT对CO、NMHC、PN排放有影响，且呈负相关，通过提前开启进气VVT可以优化其排放，排气VVT则无明显的相关性。高原差异主要体现在PN上——高原条件下，进气VVT与PN的关联性下降。
在热机瞬态工况区间，进气VVT对于CO、NMHC、PN的排放物的相关系数在平原条件下高于高原条件且呈负相关，说明通过进气提前打开的策略在平原有利于降低CO、NMHC、PN的排放物。而在高原条件下效果下降，尤其是对于CO。但是，对于NOx，在高原条件下呈现相反趋势的相关系数，且差异明显。故进气VVT早开在高原条件下可能增加NOx的排放。
综合热机两个区间的VVT控制参数表现，VVT控制参数的设置要综合考虑各排放物表现，且由于高原和平原的差异显著，有必要开展高原台架的试验，引入海拔参数对VVT控制角度进行修正，以达到更好的排放效果。
图4 高原柴油发电机排放物测试对比图
四、研究小结
经过对某柴油发电机组的机型进行平原和高原实验采集的柴油发电机控制参数，在不同工况区间进行相关性分析可以发现：
（1）对于起动工况而言，由于排放峰值时刻显著影响到相关系数的计算，海拔对照分析建议采用台架或转毂排放直采的方式分析，以减小转毂实验室定容分析设备的延迟时间的影响。同时，起动的关键是控制好进气量和喷油量等控制参数，并合理限制柴油发电机输出扭矩和点火角进行优化。
（2）在热机稳态工况，后氧电压相关系数呈现相反的趋势变化，说明海拔对于催化器的窗口控制有偏移的情况。在高海拔区域，需要引入催化器窗口的海拔修正控制，确保催化器在不同海拔条件下均能工作在最佳转化效率窗口。
（3）在热机工况下，提早开启进气VVT在平原和高原都有利于减少CO、NMHC、PN三种排放物，但在高原条件热机瞬态工况下的CO相关性和平原条件热机稳态PN相关性有所下降，而且在高原条件热机瞬态工况下可能导致NOx上升。由于VVT控制的高原平原差异，有必要开展高原台架的试验，引入海拔参数对VVT控制角度进行修正，以达到更好的排放效果。
总结
本文通过对柴油发电机组在平原和高原环境下的排放测试，系统分析了不同工况区间内关键控制参数与排放物之间的相关性。研究表明，高原环境对柴油发电机控制参数的影响主要体现在催化器工作窗口偏移和VVT控制效果差异两个方面。建议在高原环境下，针对催化器窗口和VVT角度引入海拔修正标定，以优化排放控制效果。通过分工况区的精细化控制策略，可以有效改善柴油发电机组在高海拔地区的排放性能，满足日益严格的排放法规要求。后续研究可进一步结合高原台架试验，建立海拔修正标定MAP，实现高原排放控制的智能化和精准化。
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