裝載機排放試驗方法研究

李建東，劉剛，王慶新，楊國政

1.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061

0 引言

近年來，國家排放標準日趨嚴格，2018年2月環境保護部公布了《非道路移動機械及其裝用的柴油機污染物排放控制技術要求(征求意見稿)》[1]。目前新標準的正式發布和實施尚未確定，但是企業已感到巨大壓力，因此研究非道路機械排放控制技術迫在眉睫[2-3]。

實施非道路移動機械排放標準，當前面臨兩個不可避免的問題：1)非道路機械生產廠商技術能力參差不齊，短時間內很多生廠商可能無法建立排放試驗及評價能力[4-5]；2)發動機供應商面臨客戶多并且分散，無法對每個客戶生產的所有非道路機械類型進行全面的排放評價[6]。因此，解決當前面臨的這兩大問題，既可以使發動機供應商更加放心的配套產品，又可以大大減輕非道路機械生產商的技術壓力。

針對以上兩個問題，本文中主要通過兩方面開展研究：1)在國家標準要求的排放試驗方法基礎上，優化排放試驗方法，既可以縮短試驗時間，又能準確評價試驗結果。2)在不借助排放設備的情況下，通過采集車輛運行工況點的主要參數，結合發動機開發過程相關數據判斷排放結果[7]。

非道路車輛主要包括裝載機、挖掘機、叉車、推土機、收割機、拖拉機、壓路機等。每一種非道路車輛都有不同的典型作業工況[8]。非道路排放標準規定的排放試驗方法為典型工況作業，要求累積功達到柴油機非道路瞬態循環(non-road transient cycle,NRTC)功的5～7倍或試驗時間達到2 h，有效功基窗口占所有功基窗口的50%以上[9-11]。本文中以搭配某廠家162 kW發動機的5 t裝載機為主要研究對象，對裝載機的排放試驗方法進行優化分析。

1 試驗方法

試驗用裝載機參數如表1所示，發動機參數如表2所示，非道路四階段標準對不同功率段發動機對應的NOx排放物限值要求如表3所示。

表1 裝載機參數

表2 發動機參數

表3 NOx排放限值要求

1.1 裝載機排放試驗方法

裝載機鏟裝物料，按V形方式進行作業，如圖1所示。具體試驗步驟如表4所示，裝載機以行走狀態行駛到指定位置鏟裝物料—全油門鏟裝物料—切換到后退，通過啟動位置按V字形向卸載物料方向行進—鏟斗舉升最大高度卸載物料。鏟裝物料和裝載位置的角度為60°，運輸距離為一個整車長度。

表4 V型作業步驟

1.2 滿載最大效率作業

滿載最大效率作業為裝載機在前進與后退時保持油門到底，全速運行。該工況下發動機主要運行在外特性區域，最大效率作業工況如圖2所示。

1.3 滿載等效率作業

滿載等效率作業為裝載機在前進與后退保持部分油門開度，勻速行駛，該工況下發動機主要運行在部分負荷區域，等效率作業工況如圖3所示。

2 試驗結果分析

2.1 SCR上游溫度

根據試驗結果分析，試驗開始后選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)上游排溫在5 min之內迅速上升到最高溫度且保持穩定，SCR上游溫度提升變化如圖4所示。

由圖4可知，最大效率作業工況下，在0～300 s，SCR上游排溫由140 ℃逐漸上升至320 ℃，之后保持穩定；等效率作業工況下，在0～300 s，SCR上游排溫從140 ℃逐漸上升至280 ℃并保持穩定。在SCR上游排溫保持穩定后，每個作業循環的累積功、尿素噴射量、尿素轉化效率等基本保持穩定，因此形成的每一個功基窗口比排放值基本保持不變[12-13]。

2.2 功基窗口NOx比排放

開始階段，尿素不噴射，功基窗口NOx比排放較高，隨后窗口值迅速減小，并在小范圍內波動，功基窗口變化趨勢如圖5所示。按照文獻[1]要求，滿足限值的功基窗口百分比不小于90%，因此形成的有效功基窗口越多，后面的有效功基窗口比排放值相對越小，在達到足夠數量的有效功基窗口后，功基窗口值基本保持穩定。由此可以判斷，在功基窗口的NOx比排放可以充分體現當前發動機的狀態后，此后形成的功基窗口值保持穩定。用穩定后的功基窗口判斷此后形成的功基窗口也在該范圍內。

3 試驗結果推導

3.1 NRTC循環功倍數與NOx比排放關系

NRTC循環功是一個NRTC循環試驗的累積功，一個NRTC循環試驗包括1238個逐秒變化的瞬態工況點。NRTC循環功倍數是在進行一個完整的排放試驗時，發動機在有效時間點內做的總功與NRTC循環功的比值。

本次試驗測試最大效率作業實際4.23倍NRTC循環功倍數、等效率作業3.73倍實際NRTC循環功倍數的NOx比排放。根據上述試驗結果分析，試驗進行至300 s后SCR上游排溫保持穩定，此后形成的每個功基窗口數值基本保持不變，所以可以認為NRTC循環功倍數增加或減少后試驗結果基本保持不變，因此可以推測將試驗時間縮短。最大效率工況試驗時，將實測4.23倍NRTC循環功通過刪除數據分別減小至2.97倍和1.74倍、通過復制數據增大至5.48倍和7.97倍，NOx比排放計算結果如圖6所示(圖中紅點為4.23倍循環功倍數)。等效率工況試驗時，將實測3.73倍NRTC循環功通過刪除數據分別減少至2.77倍和1.83倍、通過復制數據增大至4.69倍和6.58倍，NOx比排放計算結果如圖7所示(圖中紅點為3.73倍循環功倍數)。

由圖6、7可知，在以實際測試NRTC循環功為基準相應增大一定比例后，NOx比排放基本保持不變，減少一定比例后，NOx比排放計算結果差異隨減少比例的增加而增大，通過試驗可知，NRTC循環功倍數保持在約2.8倍以上時，縮減比例的計算結果與未縮減時計算結果誤差保持在3%以內。因此可以判斷在NRTC循環功小于2.8倍時實測結果不能正確反映該機型的最終排放水平，但在NRTC循環功大于2.8倍后，實測結果可以反映該機型最終排放水平。

3.2 最小NRTC循環功倍數推導試驗結果

NRTC循環功與NOx比排放關系如圖8所示。將NRTC循環功倍數與當前的NOx比排放值對應，可以判斷最終計算的比排放值對應的NRTC循環功倍數。當該窗口形成并保持穩定后，可以當前值判斷最終結果。

由圖8可知，在累積功為NRTC循環功的1.36倍時，當前窗口的比排放值與最終試驗結果基本一致，可以以當前窗口為基礎值，將NRTC循環功擴大到3倍后計算90% NOx功基窗口比排放值。

3.3 SCR上游排溫與排放的關系

將最大效率作業與等效率作業視為裝載機排放結果的上下邊界條件，即最大作業效率排放值最低，等效率作業排放值最高。對應的SCR上游穩定排溫分別為320 ℃和280 ℃，對應的NOx比排放值分別為0.40 g/(kW·h)(圖6紅色點數值)和0.81 g/(kW·h)(圖7紅色點數值)。對于已經定型的數據和車型，在一臺車上將最大值與最小值確定后，對應的SCR上游排溫范圍即確定。如果同時有較多同樣數據同樣車型的車進行排放試驗時，可以只通過判斷試驗中SCR上游排溫的范圍來確定排放是否合格。

因此,對一臺使用文中數據的某生產廠家的5 t裝載機，評價其排放水平時，可以以任何物料以等效率工況作業，通過采集其SCR上游排溫等發動機數據判斷排放是否合格。如果穩定后SCR上游排溫高于280 ℃，則可以判斷排放合格，并且可以認為NOx排放值在0.81 g/(kW·h)以下。

4 結論

本文中論述了在非道路機械進行排放試驗存在較大難度時快速有效的縮短試驗時間并準確判斷試驗結果的方法。在分析裝載機排放試驗的基礎上，提出了縮短NRTC循環功和穩定功基窗口推導的方式確定最終結果，從而大大縮減試驗時間，并使推導結果與實測結果誤差在3%以內，滿足誤差要求。通過試驗得出如下結論。

1)NOx排放值在NRTC循環功的3倍和5～7倍時排放結果基本一致，可將試驗時累積功倍數縮減至NRTC循環功的3倍。

2)將NRTC循環功縮減至1.5倍時，可利用1.5倍NRTC循環功數據形成的有效功基窗口值作為最終結果。

3)對于配置相同、數據相同的車輛，可以只通過SCR上游排溫的范圍判斷排放是否合格。