非道路柴油機不同穩(wěn)態(tài)排放循環(huán)測試結(jié)果對比

崔煥星，李 剛，季寶峰，劉 坤，劉順利，紀 亮

(1.濟南汽車檢測中心有限公司，山東 濟南 250102;2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012;3.濟南市機動車污染防治監(jiān)控中心，山東 濟南 250101)

0 引 言

按照我國及以往歐盟（EU）非道路柴油機排放控制標準要求，非道路柴油機進行型式檢驗時僅需使用非道路穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)（non-road steady-state test cycle，NRSC）進行穩(wěn)態(tài)排放測試[1-2]，以驗證其污染物排放是否達標，但EU Stage V引入斜坡測試循環(huán)（ramped modal test cycle，RMC），且新增顆粒物數(shù)量排放測試要求[3]。

RMC改變了NRSC離散的測試模式，將每個測試工況串聯(lián)起來，在整個測試循環(huán)中對污染物連續(xù)采樣。鑒于我國非道路排放控制標準一直與EU標準體系相近[4]，為掌握RMC在測試過程、技術(shù)要求、結(jié)果及其影響因素等方面的不同，本文選取一臺非道路柴油機在測試臺架上分別運行兩種循環(huán)，對比分析了兩者差異，尤其是顆粒物數(shù)量（particulate number，PN）測試差異及影響因素，為我國第五階段非道路移動機械污染排放標準引入RMC，及制定測試規(guī)程提供理論支撐。

1 測試循環(huán)及配置

1.1 測試循環(huán)

NRSC由多個設(shè)定柴油機轉(zhuǎn)速及負載的離散工況組成，涵蓋非道路柴油機的典型運行區(qū)域，包含8 mode、5 mode、6 mode 3 種測試，分別與 ISO 8178中的C1、D2、G2測試循環(huán)相對應(yīng)[5]，如表1所示。其中，C1循環(huán)適用非恒定轉(zhuǎn)速柴油機的排放測試，應(yīng)用最多，而D2循環(huán)適用恒定轉(zhuǎn)速柴油機，19 kW以下的非恒速柴油機還可以選用G2循環(huán)[6]。

NRSC的每個測試工況運行至少10 min，其中至少5 min用于穩(wěn)定柴油機運行狀態(tài)，每個工況結(jié)束前的1～3 min用于排氣污染物取樣[7]。

表1 NRSC測試循環(huán)參數(shù)設(shè)置

RMC同樣由多個工況點組成，與NRSC的C1、D2、G2循環(huán)相對應(yīng)，但測試過程以一種偽瞬態(tài)方式進行，柴油機由臺架控制單元持續(xù)控制，在(20±1) s內(nèi)線性過渡到下一測試工況點，不間斷對排氣污染物采樣，如表2所示。

此外，相比于NRSC，RMC增加一個怠速工況，工況間的過渡時間計入下一測試工況用時，每個工況與前一次過渡的總時間與NRSC不同工況權(quán)重相對應(yīng)。

1.2 發(fā)動機特性及試驗室配置

試驗用測控系統(tǒng)及污染物采集分析系統(tǒng)分別為奧地利AVL公司、日本Horiba公司生產(chǎn)，可滿足歐洲車用 Stage VI階段的測試要求，設(shè)備清單如表3所示，試驗用柴油機的性能參數(shù)如表4所示。

表2 RMC測試循環(huán)參數(shù)設(shè)置（以C1循環(huán)為例）

表3 測試設(shè)備清單

表4 試驗用柴油機性能參數(shù)

2 試驗結(jié)果分析

依據(jù)EU 2016/1628的測試規(guī)程，柴油機在經(jīng)過熱機—外特性測試—預(yù)處理—C1循環(huán)—數(shù)據(jù)校核及評估后，得到兩種不同測試循環(huán)的柴油機運行曲線如圖1所示。

圖1 柴油機運行曲線

由圖可知，根據(jù)柴油機功率段，按照標準要求需進行C1循環(huán)的測試，NRSC循環(huán)的每個測試工況運行10 min，其中前7 min用于穩(wěn)定柴油機運行狀態(tài)，后3 min用于數(shù)據(jù)測試，評估排放結(jié)果，測試共計4 800 s。而RMC對各工況的過渡時間提出了限制，剔除了各工況測試前的穩(wěn)定時間，提高了對柴油機性能要求，測試時間如表2所示，共計1 800 s。測試前調(diào)整進氣（溫度、濕度、阻力）、排氣背壓、中冷壓力、中冷溫度等參數(shù)，降低邊界條件對測試結(jié)果的影響。

2.1 污染物排放結(jié)果

NRSC需單獨計算每個工況的污染物排放量，然后乘以各自權(quán)重得到測試循環(huán)的排放總量，如下式所示：

式中：egas——各氣態(tài)污染物比排放量，g/kWh；

qmgas,i——每個工況的氣態(tài)污染物瞬時排放速率，g/h；

Pi——每個工況的柴油機功率，kW；

WFi——每個工況的權(quán)重；

Nmode——測試工況；

ePM——顆粒物比排放量，g/kWh；

qmPM——顆粒物質(zhì)量排放速率，g/h。

RMC則是將整個測試循環(huán)的污染物排放進行累積，而后除以該循環(huán)下的柴油機做功得到各污染物排放總量，如下式所示：

式中：mgas——氣態(tài)污染物的循環(huán)總排放量，g/test；

Wact——柴油機實測循環(huán)做功，kWh；

mPM——顆粒物的循環(huán)總排放量，g/test。

每循環(huán)各進行3次測試，采用t檢驗將兩個測試循環(huán)的排放結(jié)果進行比對，分析排放結(jié)果與平均值之間的差異性[8-10]。t檢驗統(tǒng)計量為：

式中：——配對樣本差值平均值；

sd——配對樣本差值的標準偏差；

n——樣本總數(shù)[11]。

由此計算得到，各污染物排放結(jié)果及其95%置信區(qū)間如圖2所示。

圖2 兩種不同的污染排放測試結(jié)果

對應(yīng)功率段的歐洲第五階段排放限值如表5所示[12]。對比兩種測試循環(huán)的結(jié)果，除PN外，其余各污染物排放均低于限值，由于使用了DPF，顆粒物質(zhì)量（particular mass，PM）排放更是低于限值 50% 以下（NRSC 測試均值：0.003 g/kWh；RMC 測試均值：0.006 g/kWh）。對比各污染物95%置信區(qū)間，由圖2可以看出，RMC測試循環(huán)的排放結(jié)果置信區(qū)間更窄，意味著測試結(jié)果的標準偏差越小（如表6所示），重復(fù)性更好。

表5 EU Stage V污染物排放限值

表6 各污染物排放測試結(jié)果的標準偏差

2.2 排氣溫度

兩種測試循環(huán)的SCR出口的排氣溫度如圖3所示。

對SCR系統(tǒng)，當(dāng)SCR出口排氣溫度在280～450 ℃[13-14]時的NOx轉(zhuǎn)化效率最高，根據(jù)圖3所示，由于均屬于熱態(tài)測試循環(huán)，兩種測試循環(huán)的柴油機排氣溫度均可使SCR對NOx進行高效轉(zhuǎn)化，這也是導(dǎo)致NOx排放結(jié)果沒有較大差異的原因。

不同于氣態(tài)污染物，兩種測試循環(huán)的顆粒物測試結(jié)果偏差較大。首先，加裝DPF可以將PM排放量降至毫克級，RMC較于NRSC延長了采樣時間，可以使基于濾紙累積質(zhì)量的采樣系統(tǒng)積累更多顆粒物，減小因微量天平測試精度帶來的稱量誤差。其次，為避免排氣溫度在測試過程中出現(xiàn)突變，RMC調(diào)整部分工況測試順序，整個循環(huán)排氣溫度要低于NRSC，同時增加了一個怠速工況測試，使得PM測試結(jié)果相對較高。

圖3 SCR出口排氣溫度

對PN排放，RMC測量結(jié)要低于NRSC，PN瞬時排放速率與柴油機功率如圖4所示。

由于NRSC的污染物采樣非連續(xù)，從圖4中可以看出，NRSC循環(huán)下的PN瞬時排放速率在采樣管閥門開啟及關(guān)閉瞬間出現(xiàn)峰值，這主要與PN采樣及測量系統(tǒng)的響應(yīng)時間有關(guān)。柴油機排氣在進入PN探測器之前，需經(jīng)CVS系統(tǒng)進行稀釋，而后經(jīng)計量系統(tǒng)的PCF（旋風(fēng)分離器）去除2.5 μm以上的粒子，ET（加熱汽化管）加熱至 300～400 ℃ 汽化排氣中的揮發(fā)性成分[15]。在采樣閥門開啟瞬間，稀釋系統(tǒng)及計量系統(tǒng)需要一定響應(yīng)時間，盡管這個時間很短，但混合不均勻的排氣極易摻雜可溶性揮發(fā)成分進入到CPC（顆粒物數(shù)量計數(shù)器），導(dǎo)致PN瞬時排放速率突增。

圖4 顆粒物數(shù)量瞬時排放速率

而采樣閥門關(guān)閉時出現(xiàn)的峰值主要是由于閥門完全關(guān)閉相對滯后，此時柴油機已處于工況轉(zhuǎn)換階段，燃燒室內(nèi)的混合氣不均勻，過量空氣系數(shù)下降，燃燒不完全生成的PN增加[16]，這也與RMC測試循環(huán)的PN瞬時排放速率在柴油機工況轉(zhuǎn)換時顯著上升相符。

3 結(jié)束語

通過對兩種穩(wěn)態(tài)排放循環(huán)測試結(jié)果的分析、對比，可以得出：

1）NRSC采樣過程存在占空比，使用RMC可以更加有效地對污染物排放進行采樣，特別是在DPF發(fā)生再生期間，提高了測試結(jié)果可重復(fù)性。

2）DOC可以通過降低THC排放，促使SOF氧化，間接降低顆粒物排放[17]，從測試結(jié)果上看，RMC測得THC的95%置信區(qū)間更窄，降低了THC排放可變性，也使測試結(jié)果得到一定程度提高。

3）在柴油機運行工況發(fā)生轉(zhuǎn)變以及持續(xù)高速低負荷運轉(zhuǎn)時，空氣過量系數(shù)降低，油氣混合不均勻，濃度升高，PN瞬時排放速率明顯升高。

4）選用NRSC測試PN時，采樣系統(tǒng)響應(yīng)時間對測試結(jié)果影響較大，建議PN采樣選用與氣體采樣相同的持續(xù)測量方式，選取中間穩(wěn)定數(shù)據(jù)參與排放結(jié)果計算。

5）現(xiàn)行標準基于質(zhì)量法測試和評估顆粒物排放[18]。從排放結(jié)果可以看出，盡管PM排放限值已經(jīng)很低，但細顆粒物數(shù)量依然很大。由于細顆粒物粒徑小，活性強，極易吸附有毒物質(zhì)，危害人體健康。因此，應(yīng)將顆粒物管控重點逐步向PN轉(zhuǎn)移，進一步削減細顆粒物排放。