基于PEMS的非道路四階段裝載機排放研究

王國強，張 濤，梁昌水，陳玉杰，鄭玉杰，謝欣男

(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

2018年國務院下發《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》，內燃機尾氣排放是大氣污染的重要來源[1]，而柴油機氮氧化物排放量占機動車總排放量的70%，2020年《非道路柴油移動機械污染物排放控制技術要求》發布，非道路機械升級換代腳步加快。國內城市基礎設施建設工程量大、農業承包機械化趨勢明顯，據統計，我國非道路用柴油機每年新增約200萬臺左右，全國每年超過1億噸的柴油消耗總量中，約有20%用于各類非道路移動機械[2]，非道路柴油機的污染日益凸顯。本文使用AVL測試設備，針對非道路四階段裝載機設計多組PEMS(Portable Emission Measurement System)對比試驗，記錄整車、發動機運行信息，后處理運行情況，以及運行工況、環境信息、污染物排放情況，研究四階段裝載機在不同試驗工況下的尾氣排放情況。

1 非道路四階段PEMS法規要求及注意事項

由于工程機械的工作復雜多樣，不同機械的操作工況和發動機功率差別較大，其相應的尾氣排放存在著較大的變化性[3]。新法規對車載排放檢測規程和要求進行了詳細的介紹，本段就非四車載排放試驗注意事項進行了匯總。

1.1 排放污染物限值

37 kW以上非道路移動機械進行車載排放試驗時，90%以上有效功基窗口的CO和NOX的比排放量應小于表1相應功率段限值，具體見表1。

1.2 有效事件判斷

有效事件的判定是非道路四階段車載排放法為適應非道路機械實際作業工況提出的新的計算方案，且只有有效事件才可用于污染物排放計算。

(1)短于2 min的無效事件視為有效事件。

(2)短于2 min的有效事件與周圍長于2 min的無效事件合并。

(3)無效事件長于10 min后的起機階段為無效事件直至排溫達到250 ℃或4 min。

(4)對于緊跟有效事件的無效工作事件，其最初的2 min算作有效工作事件，并與之前的有效工作事件合并。

2 試驗樣機及方案

2.1 試驗樣本車輛選取

本次對比試驗選取3臺非道路四階段排放試驗裝載機，試驗樣本車輛為目前國內市場的主流機型，車輛主要技術參數見表2。

表2 裝載機主要技術參數

2.2 試驗方案設計

按照法規對設備進行檢查，對車輛進行預處理，開展車載排放試驗，記錄與處理排放測試數據。針對該試驗裝載機共設計7種常用作業工況對比試驗，試驗測試工況見表3。表3中，PEMS試驗1～5為變鏟裝效率車載排放對比試驗，結合裝載機在市場中的運用情況，分為自由效率鏟裝作業、輕載定效率空鏟作業、輕載定效率鏟裝作業、重載定效率鏟裝作業和重載最高效率鏟裝作業五種作業工況；PEMS試驗6、7為變鏟裝物料車載排放對比試驗，受條件限制，僅設計鏟裝混凝土與鏟裝石料兩種工況。

表3 試驗測試工況

3 測試結果及分析

3.1 測試結果匯總

本文按照法規要求進行PEMS測試，選擇平原低海拔地區，劃定專用的試驗區域，由同一駕駛員進行車輛操作。試驗開始前按法規對設備進行檢查與標定，對整車進行熱機。試驗過程與累計功率滿足法規要求，并盡量保持操作習慣的一致性。試驗完成后對數據進行對齊處理，篩選有效事件后計算CO、NOX污染物的功基窗口比排放，并計算燃油消耗量相關系數。測試結果見表4。

表4 PEMS試驗結果

3.2 CO污染物排放結果分析

測試結果中，CO污染物排放功基窗口比排放平均值與第90%個功基窗口比排放值遠低于法規要求值，CO污染物試驗結果如圖1所示。由圖1可直觀地看出，非道路四階段裝載機PEMS試驗中CO污染物的排放值要遠低于法規限值。另郭勇[4]和崔煥星等[5]均指出PEMS設備對CO排放測量重復性最差，CO測試結果相差可達5倍。即使如此，在發動機正常運行的前提下，CO污染物測試不通過的可能性極低。因此，生產廠家在進行排放自檢時，如條件不允許，可不對CO污染物的排放情況進行測試。

圖1 CO污染物試驗結果

3.3 NOX污染物排放結果分析

3.3.1 運行工況對NOX污染物排放結果影響

發動機負荷與轉速等會極大影響道路測試排放結果，為了能更好地分析裝載機運行工況與NOX污染物排放的關系，分別對同一車輛不同運行工況下與不同車輛同一工況下的NOX污染物排放情況進行分析。首先根據表4試驗結果中試驗1～5可得#1試驗車在不同工況下的NOX污染物排放趨勢，如圖2所示。

圖2 #1試驗車不同工況下的NOX污染物排放曲線

圖2表明隨工況變化，裝載機NOX污染物排放情況不同，且相差較大。結合試驗車輛路譜信息繪制發動機工況點云圖，如圖3所示。由圖3可知，裝載機的負荷率隨輕載定效率空鏟、輕載定效率鏟裝、重載定效率鏟裝、重載最高效率鏟裝工況依次呈遞增趨勢。因此結合圖2和圖3可知，非道路四階段裝載機NOX污染物排放值與裝載機負荷率不呈相關關系。

圖3 #1試驗車PEMS試驗發動機工況點云圖

結合PEMS試驗4、試驗5對不同車輛同一工況下的NOX污染物排放情況進行分析。兩次試驗結果的對比見圖4。由圖4可知，隨PEMS測試工況由重載定效率到重載最高效率工況變化時，#1試驗車NOX比排放呈上升趨勢，#2試驗車呈下降趨勢，即不同車輛同一工況下的NOX污染物排放情況不呈相同趨勢。另張岳秋等[6]從法規及設備誤差入手理論分析得出NOX排放的不確定度評定結果為5.02%，遠低于本次試驗的誤差范圍。因此無法根據PEMS試驗工況與整車配置視同未經測試的非道路四階段排放車輛的NOX污染物排放情況。

圖4 試驗4和試驗5的NOX污染物排放情況對比

綜上所述，非道路四階段PEMS測試的NOX污染物排放情況會隨裝載機作業工況變化而不同，且差值較大，但與裝載機負荷率并不呈相關關系；不同車輛NOX污染物排放情況隨裝載機負荷率變化呈現的趨勢不同。因此，生產廠進行非道路四階段裝載機自檢試驗時，需對裝載機所有可能用到的工況進行檢驗，且不可根據整車配置與試驗工況條件視同不同系族車輛的NOX污染物排放情況。

3.3.2 鏟裝物料對NOX污染物排放結果影響

根據表5 PEMS試驗6和試驗7可得#3試驗車以定效率鏟裝不同物料的NOX污染物排放情況。從結果看出，鏟裝物料變化會導致NOX污染物排放產生變化，結合道路柴油機，可推斷NOX的排放與駕駛風格激烈程度沒有明顯規律[7]。但由于試驗條件限制，未能對此問題進行過度研究。生產廠需對此多加注意。

3.4 燃油消耗量相關系數結果分析

非道路四階段要求燃油消耗量相關系數r2≥0.8，然而從試驗結果表4中可知，燃油消耗量相關系數變化較大，需要研究燃油消耗量相關系數的變化趨勢。

3.4.1 燃油消耗量相關系數r2計算原理

計算燃油消耗量相關系數r2的目的是為了檢查數據設備采集的排氣質量與氣體濃度的一致性，對利用ECU測量的燃油消耗量與碳平衡法計算的燃油消耗量間的相關性進行確認。使用最小二乘法，用公式(1)達到最好擬合，計算斜率和相關系數r2，要求相關系數r2≥0.8。

y=mx+b.

(1)

其中：y為計算油耗，g/s；m為回歸線斜率；x為測量油耗，g/s；b為回歸線的y截距。

根據碳平衡法確定燃油消耗量：

Q=0.115 5(0.866HC+0.429CO+0.273CO2)/ρ .

(2)

其中：Q為燃料消耗量，L/(100 km)；HC為測得的碳氫化合物排放量，g/km；CO為測得的一氧化碳排放量，g/km；CO2為測得的二氧化碳排放量，g/km；ρ為15 ℃下的燃料密度，kg/L。

3.4.2 燃油消耗量相關系數趨勢分析

根據#1試驗車PEMS試驗2～試驗5與#2試驗車PEMS試驗4和試驗5的結果分析燃油消耗量相關系數。圖5和圖6分別為兩車的燃油消耗量相關系數變化曲線。

圖5 #1試驗車燃油消耗量相關系數

圖6 #2試驗車燃油消耗量相關系數

由圖5可知，#1試驗車的燃油消耗量相關系數與發動機負荷率呈負相關關系。由圖6可知，#2試驗車的燃油消耗量相關系數與發動機負載率也呈現負相關關系，即隨著裝載機作業工況惡劣，試驗測得的燃油消耗量相關系數降低。根據柴油機的標定策略，供油、供氣及缸內熱力氛圍響應速率不一致是柴油機瞬態工況性能惡化的原因[8]，相比于車用柴油機相對穩定的工況，裝載機常常處于油門突加突減工況，突加負荷達到穩態噴油量的過程中，若進氣量沒有達到穩定的設定值導致油氣混合不均勻造成局部高溫區增多，以及燃燒過程中未燃燒或燃燒不充分的HC竄入曲軸箱，以及燃油蒸汽增多使煙度值增大[9-12]，燃油消耗量相關系數相應降低。該結論仍需大量試驗數據進行驗證。

4 結論

本文基于非道路四階段移動機械PEMS試驗方法，研究了非道路四階段裝載機在不同試驗工況下的尾氣排放情況。研究發現：

(1)CO污染物的排放值要遠低于法規限值，生產廠家在進行排放自檢時，如條件不允許，可不對CO污染物的排放情況進行測試。

(2)NOX污染物排放情況會隨裝載機作業工況變化而不同，且差值較大，但與裝載機負荷率并不呈相關關系；生產廠進行非道路四階段裝載機自檢試驗時，需對裝載機所有可能用到的工況進行檢驗，且不可根據整車配置與試驗工況條件視同不同系族車輛的NOX污染物排放情況。

(3)燃油消耗量相關系數與發動機負荷率呈負相關關系。但該結論僅為本次試驗樣本中得出的結論，仍需以精準量化關系為目標進行試驗，為廠家提供參考。