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隨著排放法規(guī)對于非道路移動機(jī)械排放污染物的要求日益嚴(yán)格，最新法規(guī)中提出了車載法排放測試要求，目的是確定非道路移動機(jī)械在實際作業(yè)工況下的污染物排放情況。

《臺架模擬非道路移動機(jī)械車載法排放試驗的方法研究》一文提出了一種在發(fā)動機(jī)臺架上模擬非道路移動機(jī)械車載法排放試驗的方法，并進(jìn)行了測試驗證，為非道路移動機(jī)械車載法排放的開發(fā)調(diào)試提供了一種新的思路和方法。

按GB20891-2014法規(guī)中附件BE（NRTC試驗循環(huán)中發(fā)動機(jī)測功機(jī)的設(shè)定規(guī)范）中規(guī)定有NRTC的轉(zhuǎn)速及扭矩設(shè)定值要求。目前的發(fā)動機(jī)臺架（動態(tài)功能）能夠在臺架上實現(xiàn)NRTC試驗循環(huán)，可在臺架上直接針對NRTC循環(huán)進(jìn)行排放調(diào)試。

臺架模擬非道路移動機(jī)械車載法排放試驗的方法研究

楊俊1，張晏飛2，陳曦1，劉堯武1，解亮1

（1.國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(襄陽)，襄陽441004；2.東風(fēng)康明斯發(fā)動機(jī)有限公司，襄陽441004）

摘 要： 為了縮短非道路移動機(jī)械車載法排放測試的開發(fā)周期，本文提出了一種相對簡單高效的方法。通過采集非道路移動機(jī)械一段時間內(nèi)的實際作業(yè)工況，將其轉(zhuǎn)化為滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的一組轉(zhuǎn)速和扭矩值，根據(jù)這組數(shù)據(jù)在發(fā)動機(jī)臺架上編制自動循環(huán)程序來模擬非道路移動機(jī)械實際作業(yè)過程中的發(fā)動機(jī)工況，同時測量該過程中排氣污染物，可以計算得到發(fā)動機(jī)臺架模擬的車載法排放測試結(jié)果。

關(guān)鍵詞：非道路移動機(jī)械；車載法排放測試；臺架模擬；排氣污染物

隨著非道路移動機(jī)械排放法規(guī)的要求日益嚴(yán)格，最新法規(guī)中提出了車載法排放測試要求。非道路移動機(jī)械車載法排放測試，即在非道路移動機(jī)械上安裝便攜式排放測試設(shè)備（PEMS），在非道路移動機(jī)械實際作業(yè)的過程中進(jìn)行排放測試。非道路移動機(jī)械實際作業(yè)過程中柴油機(jī)運行工況復(fù)雜，同一型號柴油機(jī)可能應(yīng)用于多種類型的非道路移動機(jī)械，進(jìn)一步提高了柴油機(jī)運行工況的復(fù)雜性，導(dǎo)致臺架試驗循環(huán)（NRSC、NRTC等）已不能完全覆蓋非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)實際運行工況。為確保非道路移動機(jī)械排放全面達(dá)標(biāo)，完成柴油機(jī)NRSC、NRTC等循環(huán)臺架排放調(diào)試后需進(jìn)行非道路移動機(jī)械實際作業(yè)工況下的排放調(diào)試。

由于非道路移動機(jī)械類型多，應(yīng)用范圍廣，在其實際作業(yè)過程中進(jìn)行排放調(diào)試時環(huán)境較差，工作負(fù)荷大，開發(fā)周期較長[1]。為減少在戶外進(jìn)行非道路移動機(jī)械實際作業(yè)工況下排放調(diào)試的時長，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，本文提出了一種用發(fā)動機(jī)臺架模擬非道路移動機(jī)械車載法排放試驗的方法。該方法采用在臺架上運行已采集的非道路移動機(jī)械實際作業(yè)過程中柴油機(jī)工況并使用試驗室設(shè)備同步進(jìn)行污染物測試的方式，模擬進(jìn)行非道路移動機(jī)械實際作業(yè)工況下的排放試驗。

方法介紹

試驗方法

在發(fā)動機(jī)臺架上模擬非道路移動機(jī)械車載法排放試驗的方法如下：

•  第一步：連接開發(fā)調(diào)試用電腦至發(fā)動機(jī)ECU,在臺架上測試并記錄發(fā)動機(jī)的外特性數(shù)據(jù)，對比臺架測量和ECU中讀取的轉(zhuǎn)速和扭矩的差異，做好修正，消除不同設(shè)備對測量結(jié)果的影響。后將發(fā)動機(jī)安裝于其所匹配的非道路移動機(jī)械上，使用開發(fā)調(diào)試電腦連接發(fā)動機(jī)ECU，采集非道路移動機(jī)械一段時間內(nèi)實際作業(yè)過程中發(fā)動機(jī)運行數(shù)據(jù)（主要是轉(zhuǎn)速和負(fù)荷率）和作業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境條件數(shù)據(jù)，采集頻率為1Hz，取1s內(nèi)平均值。

•  第二步：將第一步采集數(shù)據(jù)中的負(fù)荷率換算成扭矩值：將第一步數(shù)據(jù)中同一組內(nèi)轉(zhuǎn)速（A1、A2、A3……An）對應(yīng)的實際作業(yè)負(fù)荷率（B1、B2、B3……Bn）乘以該轉(zhuǎn)速下臺架外特性數(shù)據(jù)中的最大扭矩值（C1、C2、C3……Cn）得到各個轉(zhuǎn)速下負(fù)荷率對應(yīng)的扭矩值（D1、D2、D3……Dn）。處理后的一組數(shù)據(jù)包含n對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩數(shù)據(jù)。

•  第三步：以第二步中處理后的一組數(shù)據(jù)作為一個具有代表性的循環(huán)工況，計算累積功和有效功基窗口占比。非道路移動機(jī)械車載法排放測試工況的累計功應(yīng)等于5-7倍NRTC試驗循環(huán)功，有效功基窗口占比應(yīng)大于50%。若累積功和有效功基窗口占比二者有一項不滿足要求則應(yīng)調(diào)整采集作業(yè)工況時間長度或機(jī)械的作業(yè)負(fù)荷，直到得到一組滿足要求的發(fā)動機(jī)工況數(shù)據(jù)。

•  第四步：將發(fā)動機(jī)重新安裝在臺架上，使用第三步中判斷滿足條件后的數(shù)據(jù)在發(fā)動機(jī)臺架控制電腦中編制自動運行程序。

•  第五步：發(fā)動機(jī)按照自動程序中的工況逐秒運行。同時臺架測試設(shè)備測量并記錄發(fā)動機(jī)的排氣污染物等數(shù)據(jù)，計算得到排放值即為發(fā)動機(jī)臺架模擬非道路移動機(jī)械車載法排放試驗結(jié)果。

•  第六步：判斷臺架模擬結(jié)果是否滿足開發(fā)要求，若滿足則進(jìn)行實際車載法排放試驗；若不滿足則調(diào)整發(fā)動機(jī)標(biāo)定后重復(fù)第一到第五步，直至排放結(jié)果滿足開發(fā)目標(biāo)。

為了確保采用以上方法能全面的模擬機(jī)械實際作業(yè)過程的各種工況，在第一步中可采集多段機(jī)械在不同條件下（負(fù)荷，環(huán)境等）實際作業(yè)的工況數(shù)據(jù)，使得第三步中可得到多組滿足要求的數(shù)據(jù)。


圖1 發(fā)動機(jī)臺架模擬非道路移動機(jī)械車載法排放開發(fā)調(diào)試流程圖

驗證方法

•  試驗對象及設(shè)備

本次驗證使用的發(fā)動機(jī)是一款非道路第三階段電控柴油機(jī)，發(fā)動機(jī)主要參數(shù)見表1。主要設(shè)備信息見表2。

表1 發(fā)動機(jī)基本參數(shù)


表2 主要設(shè)備信息


•  驗證方案

對臺架模擬非道路移動機(jī)械車載法排放試驗方法的驗證應(yīng)包括兩方面：

1）能否在臺架上準(zhǔn)確再現(xiàn)非道路移動機(jī)械作業(yè)過程的復(fù)雜工況

將驗證試驗用發(fā)動機(jī)分別安裝至空壓機(jī)、清掃車輔機(jī)、水平定向鉆、拖拉機(jī)4種機(jī)械上，按照上述方法得到機(jī)械實際作業(yè)工況下發(fā)動機(jī)的數(shù)據(jù)和在臺架上模擬該機(jī)械實際作業(yè)工況的發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)。分析對比以上兩組數(shù)據(jù)，重點關(guān)注轉(zhuǎn)速和扭矩的跟隨響應(yīng)以及循環(huán)功的偏差。

2）測得排放結(jié)果與非道路移動機(jī)械實際車載法排放測試結(jié)果的一致性

以空壓機(jī)為例，通過計算NOx排放結(jié)果來比較實際車載法排放結(jié)果與臺架模擬車載法排放結(jié)果的偏差，從而驗證臺架模擬非道路移動機(jī)械車載法排放試驗結(jié)果精確度。

結(jié)果及分析

工況驗證結(jié)果及分析

各機(jī)械臺架模擬與實際作業(yè)轉(zhuǎn)速扭矩響應(yīng)和循環(huán)功對比如下所示：

表3 各機(jī)械臺架模擬與實際作業(yè)轉(zhuǎn)速扭矩對比


表4 各機(jī)械臺架模擬與實際作業(yè)循環(huán)功對比


上表所示，各機(jī)械在臺架模擬與實際作業(yè)工況下發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩曲線幾乎完全重合，計算得到累積功偏差在±1.5%以內(nèi)，這表明采用本文設(shè)計的方法可在臺架上精確模擬非道路移動機(jī)械實際作業(yè)過程中發(fā)動機(jī)的運行工況。

排放驗證結(jié)果及分析

空壓機(jī)實際作業(yè)車載法排放試驗結(jié)果與臺架模擬車載法排放試驗的結(jié)果對比如下表所示。

表5 空壓機(jī)實際作業(yè)與臺架模擬車載法排放試驗結(jié)果對比


計算結(jié)果顯示，實際作業(yè)時90%有效窗口的NOx比排放值比臺架模擬結(jié)果大9.98%[2]。分析臺架模擬測試過程與空壓機(jī)實際作業(yè)過程試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，差異的主要影響因素為進(jìn)氣濕度（實際作業(yè)過程空氣濕度即為進(jìn)氣濕度）和中冷后溫度，具體如下：


圖2 空壓機(jī)作業(yè)與臺架模擬測試中冷后溫度差異


圖3 空壓機(jī)作業(yè)與臺架模擬測試進(jìn)氣濕度差異

中冷后溫兩者變化趨勢相同，實際作業(yè)比臺架模擬的中冷后溫高2～5℃。進(jìn)氣濕度偏差較明顯，實際作業(yè)時進(jìn)氣相對濕度比較穩(wěn)定約為61%，而臺架模擬時進(jìn)氣相對濕度在39.5%～52.0%間波動。進(jìn)氣濕度和中冷后溫度會顯著影響柴油機(jī)的NOx排放[3]，隨著中冷后溫度的升高，進(jìn)氣密度降低，進(jìn)氣量減少，峰值燃燒溫度升高，可以促進(jìn)NOx的生成，所以NOx排放隨著中冷后溫度的升高而增加；隨著溫度的增高，氣體的相對濕度下降，而絕對濕度升高，氣缸中均質(zhì)的含水量增大，由于水分蒸發(fā)吸收大量熱量降低了缸內(nèi)溫度，抑制了NOx的生成[4]。研究表明，進(jìn)氣絕對濕度增加1g/kg，NOx濃度降低20ppm以上[5]。據(jù)此可知，臺架模擬與實際作業(yè)的排放結(jié)果具有一定的相關(guān)性，可根據(jù)外部控制條件的變化來判斷排放結(jié)果的變化趨勢。

因此，為了保證臺架模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要確保發(fā)動機(jī)臺架外部條件的控制（如進(jìn)氣溫/濕度、環(huán)境溫度、大氣壓力、海拔高度），邊界條件的控制（如進(jìn)氣阻力、排氣背壓、中冷后溫度、中冷系統(tǒng)壓降）以及發(fā)動機(jī)和后處理的狀態(tài)與其在非道路移動機(jī)械車載法排放測試時保持一致。

結(jié)  論

在除高原、高寒、高溫等極端氣候條件的一般環(huán)境下，采用本文研究的方法可在發(fā)動機(jī)臺架上精確模擬非道路移動機(jī)械實際作業(yè)過程中發(fā)動機(jī)的工況。為使臺架測試與實際作業(yè)的排放結(jié)果更加一致，需要在發(fā)動機(jī)臺架上精準(zhǔn)地模擬非道路移動機(jī)械實際作業(yè)過程中的中冷后溫和進(jìn)氣濕度等條件。

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