臺架模擬非道路移動機械車載法排放試驗的方法研究

楊俊 張晏飛 陳曦 劉堯武 解亮

摘? 要：為了縮短非道路移動機械車載法排放測試的開發周期，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械一段時間內的實際作業工況，將其轉化為滿足標準要求的一組轉速和扭矩值，根據這組數據在發動機臺架上編制自動循環程序來模擬非道路移動機械實際作業過程中的發動機工況，同時測量該過程中排氣污染物，可以計算得到發動機臺架模擬的車載法排放測試結果。

關鍵詞：非道路移動機械;車載法排放測試;臺架模擬;排氣污染物

中圖分類號：U467.1? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2021）01-0019-06

Abstract： In order to shorten the period of non-road mobile mechanical on-board emission test， this paper persents a relatively simpe and efficient method.The actual working condition of non-road machinery can be simulated on the bench through the collection of the engine data of actual operation. The result of emission test can be calculated on the bench by measuring the exhaust pollution in the process.

Key Words： Non-road Mobile Machinery; On-board Emission Test; Simulating On The Bench; Exhaust Pollution

隨著非道路移動機械排放法規的要求日益嚴格，最新法規中提出了車載法排放測試要求。非道路移動機械車載法排放測試，即在非道路移動機械上安裝便攜式排放測試設備（PEMS），在非道路移動機械實際作業的過程中進行排放測試。非道路移動機械實際作業過程中柴油機運行工況復雜，同一型號柴油機可能應用于多種類型的非道路移動機械，進一步提高了柴油機運行工況的復雜性，導致臺架試驗循環（NRSC、NRTC等）已不能完全覆蓋非道路移動機械用柴油機實際運行工況。為確保非道路移動機械排放全面達標，完成柴油機NRSC、NRTC等循環臺架排放調試后需進行非道路移動機械實際作業工況下的排放調試。

由于非道路移動機械類型多，應用范圍廣，在其實際作業過程中進行排放調試時環境較差，工作負荷大，開發周期較長[1]。為減少在戶外進行非道路移動機械實際作業工況下排放調試的時長，縮短產品開發周期，本文提出了一種用發動機臺架模擬非道路移動機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械實際作業過程中柴油機工況并使用試驗室設備同步進行污染物測試的方式，模擬進行非道路移動機械實際作業工況下的排放試驗。

1? ? 方法介紹

1.1? ?試驗方法

在發動機臺架上模擬非道路移動機械車載法排放試驗的方法如下：

第一步：連接開發調試用電腦至發動機ECU，在臺架上測試并記錄發動機的外特性數據，對比臺架測量和ECU中讀取的轉速和扭矩的差異，做好修正，消除不同設備對測量結果的影響。后將發動機安裝于其所匹配的非道路移動機械上，使用開發調試電腦連接發動機ECU，采集非道路移動機械一段時間內實際作業過程中發動機運行數據（主要是轉速和負荷率）和作業現場的環境條件數據，采集頻率為1Hz，取1s內平均值。

第二步：將第一步采集數據中的負荷率換算成扭矩值：將第一步數據中同一組內轉速（A1、A2、A3……An）對應的實際作業負荷率（B1、B2、B3……Bn）乘以該轉速下臺架外特性數據中的最大扭矩值（C1、C2、C3……Cn）得到各個轉速下負荷率對應的扭矩值（D1、D2、D3……Dn）。處理后的一組數據包含n對發動機轉速和扭矩數據。

第三步：以第二步中處理后的一組數據作為一個具有代表性的循環工況，計算累積功和有效功基窗口占比。非道路移動機械車載法排放測試工況的累計功應等于5-7倍NRTC試驗循環功，有效功基窗口占比應大于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調整采集作業工況時間長度或機械的作業負荷，直到得到一組滿足要求的發動機工況數據。

第四步：將發動機重新安裝在臺架上，使用第三步中判斷滿足條件后的數據在發動機臺架控制電腦中編制自動運行程序。

第五步：發動機按照自動程序中的工況逐秒運行。同時臺架測試設備測量并記錄發動機的排氣污染物等數據，計算得到排放值即為發動機臺架模擬非道路移動機械車載法排放試驗結果。

第六步：判斷臺架模擬結果是否滿足開發要求，若滿足則進行實際車載法排放試驗;若不滿足則調整發動機標定后重復第一到第五步，直至排放結果滿足開發目標。

為了確保采用以上方法能全面的模擬機械實際作業過程的各種工況，在第一步中可采集多段機械在不同條件下（負荷，環境等）實際作業的工況數據，使得第三步中可得到多組滿足要求的數據。

1.2? ?驗證方法

1.2.1 試驗對象及設備

本次驗證使用的發動機是一款非道路第三階段電控柴油機，發動機主要參數見表1。主要設備信息見表2。

1.2.2 驗證方案

對臺架模擬非道路移動機械車載法排放試驗方法的驗證應包括兩方面：

1）能否在臺架上準確再現非道路移動機械作業過程的復雜工況將驗證試驗用發動機分別安裝至空壓機、清掃車輔機、水平定向鉆、拖拉機4種機械上，按照上述方法得到機械實際作業工況下發動機的數據和在臺架上模擬該機械實際作業工況的發動機數據。分析對比以上兩組數據，重點關注轉速和扭矩的跟隨響應以及循環功的偏差。

2）測得排放結果與非道路移動機械實際車載法排放測試結果的一致性以空壓機為例，通過計算NOx排放結果來比較實際車載法排放結果與臺架模擬車載法排放結果的偏差，從而驗證臺架模擬非道路移動機械車載法排放試驗結果精確度。

2? ? 結果及分析

2.1? ?工況驗證結果及分析

各機械臺架模擬與實際作業轉速扭矩響應和循環功對比如表3所示。

上表所示，各機械在臺架模擬與實際作業工況下發動機轉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，這表明采用本文設計的方法可在臺架上精確模擬非道路移動機械實際作業過程中發動機的運行工況。

2.2? ? 排放驗證結果及分析

空壓機實際作業車載法排放試驗結果與臺架模擬車載法排放試驗的結果對比如下表所示。

計算結果顯示，實際作業時90%有效窗口的NOx比排放值比臺架模擬結果大9.98%[2]。分析臺架模擬測試過程與空壓機實際作業過程試驗數據發現，差異的主要影響因素為進氣濕度（實際作業過程空氣濕度即為進氣濕度）和中冷后溫度，具體如下：

中冷后溫兩者變化趨勢相同，實際作業比臺架模擬的中冷后溫高2～5℃。進氣濕度偏差較明顯，實際作業時進氣相對濕度比較穩定約為61%，而臺架模擬時進氣相對濕度在39.5%～52.0%間波動。進氣濕度和中冷后溫度會顯著影響柴油機的NOx排放[3]，隨著中冷后溫度的升高，進氣密度降低，進氣量減少，峰值燃燒溫度升高，可以促進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，氣缸中均質的含水量增大，由于水分蒸發吸收大量熱量降低了缸內溫度，抑制了NOx的生成[4]。研究表明，進氣絕對濕度增加1g/kg，NOx濃度降低20ppm以上[5]。據此可知，臺架模擬與實際作業的排放結果具有一定的相關性，可根據外部控制條件的變化來判斷排放結果的變化趨勢。

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

3? ? 結論

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

參考文獻：

[1]肖軍.非道路移動機械動力排放污染的控制和治理[J].汽車工業研究，2017，（1）：36-40.

[2]劉坤等.基于功基窗口法的拖拉機典型工況排放特性研究[J].農業裝備與車輛工程，2019，57（6）：8-10.

[3]李紫帝.進氣中冷溫度對柴油機NOx排放性能的影響[J].車輛與動力技術，2016，（4）：4-58.

[4]于海鴿.測試系統參數對發動機排放結果的影響研究[D].重慶：重慶理工大學，2015.

[5]邢居真.測試系統參數對車用發動機排放的影響研究[D].武漢：武漢理工大學，2009.