裝載機排放試驗方法研究

李建東，劉剛，王慶新，楊國政

1.內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，2018年2月環(huán)境保護(hù)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(shù)要求(征求意見稿)》[1]。目前新標(biāo)準(zhǔn)的正式發(fā)布和實施尚未確定，但是企業(yè)已感到巨大壓力，因此研究非道路機械排放控制技術(shù)迫在眉睫[2-3]。

實施非道路移動機械排放標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前面臨兩個不可避免的問題：1)非道路機械生產(chǎn)廠商技術(shù)能力參差不齊，短時間內(nèi)很多生廠商可能無法建立排放試驗及評價能力[4-5]；2)發(fā)動機供應(yīng)商面臨客戶多并且分散，無法對每個客戶生產(chǎn)的所有非道路機械類型進(jìn)行全面的排放評價[6]。因此，解決當(dāng)前面臨的這兩大問題，既可以使發(fā)動機供應(yīng)商更加放心的配套產(chǎn)品，又可以大大減輕非道路機械生產(chǎn)商的技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)要求的排放試驗方法基礎(chǔ)上，優(yōu)化排放試驗方法，既可以縮短試驗時間，又能準(zhǔn)確評價試驗結(jié)果。2)在不借助排放設(shè)備的情況下，通過采集車輛運行工況點的主要參數(shù)，結(jié)合發(fā)動機開發(fā)過程相關(guān)數(shù)據(jù)判斷排放結(jié)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(yè)工況[8]。非道路排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的排放試驗方法為典型工況作業(yè)，要求累積功達(dá)到柴油機非道路瞬態(tài)循環(huán)(non-road transient cycle,NRTC)功的5～7倍或試驗時間達(dá)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(fā)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(jìn)行優(yōu)化分析。

1 試驗方法

試驗用裝載機參數(shù)如表1所示，發(fā)動機參數(shù)如表2所示，非道路四階段標(biāo)準(zhǔn)對不同功率段發(fā)動機對應(yīng)的NOx排放物限值要求如表3所示。

表1 裝載機參數(shù)

表2 發(fā)動機參數(shù)

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(jìn)行作業(yè)，如圖1所示。具體試驗步驟如表4所示，裝載機以行走狀態(tài)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(jìn)—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(yè)步驟

1.2 滿載最大效率作業(yè)

滿載最大效率作業(yè)為裝載機在前進(jìn)與后退時保持油門到底，全速運行。該工況下發(fā)動機主要運行在外特性區(qū)域，最大效率作業(yè)工況如圖2所示。

1.3 滿載等效率作業(yè)

滿載等效率作業(yè)為裝載機在前進(jìn)與后退保持部分油門開度，勻速行駛，該工況下發(fā)動機主要運行在部分負(fù)荷區(qū)域，等效率作業(yè)工況如圖3所示。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 SCR上游溫度

根據(jù)試驗結(jié)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(nèi)迅速上升到最高溫度且保持穩(wěn)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(yè)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(wěn)定；等效率作業(yè)工況下，在0～300 s，SCR上游排溫從140 ℃逐漸上升至280 ℃并保持穩(wěn)定。在SCR上游排溫保持穩(wěn)定后，每個作業(yè)循環(huán)的累積功、尿素噴射量、尿素轉(zhuǎn)化效率等基本保持穩(wěn)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(nèi)波動，功基窗口變化趨勢如圖5所示。按照文獻(xiàn)[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(dá)到足夠數(shù)量的有效功基窗口后，功基窗口值基本保持穩(wěn)定。由此可以判斷，在功基窗口的NOx比排放可以充分體現(xiàn)當(dāng)前發(fā)動機的狀態(tài)后，此后形成的功基窗口值保持穩(wěn)定。用穩(wěn)定后的功基窗口判斷此后形成的功基窗口也在該范圍內(nèi)。

3 試驗結(jié)果推導(dǎo)

3.1 NRTC循環(huán)功倍數(shù)與NOx比排放關(guān)系

NRTC循環(huán)功是一個NRTC循環(huán)試驗的累積功，一個NRTC循環(huán)試驗包括1238個逐秒變化的瞬態(tài)工況點。NRTC循環(huán)功倍數(shù)是在進(jìn)行一個完整的排放試驗時，發(fā)動機在有效時間點內(nèi)做的總功與NRTC循環(huán)功的比值。

本次試驗測試最大效率作業(yè)實際4.23倍NRTC循環(huán)功倍數(shù)、等效率作業(yè)3.73倍實際NRTC循環(huán)功倍數(shù)的NOx比排放。根據(jù)上述試驗結(jié)果分析，試驗進(jìn)行至300 s后SCR上游排溫保持穩(wěn)定，此后形成的每個功基窗口數(shù)值基本保持不變，所以可以認(rèn)為NRTC循環(huán)功倍數(shù)增加或減少后試驗結(jié)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(huán)功通過刪除數(shù)據(jù)分別減小至2.97倍和1.74倍、通過復(fù)制數(shù)據(jù)增大至5.48倍和7.97倍，NOx比排放計算結(jié)果如圖6所示(圖中紅點為4.23倍循環(huán)功倍數(shù))。等效率工況試驗時，將實測3.73倍NRTC循環(huán)功通過刪除數(shù)據(jù)分別減少至2.77倍和1.83倍、通過復(fù)制數(shù)據(jù)增大至4.69倍和6.58倍，NOx比排放計算結(jié)果如圖7所示(圖中紅點為3.73倍循環(huán)功倍數(shù))。

由圖6、7可知，在以實際測試NRTC循環(huán)功為基準(zhǔn)相應(yīng)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(jié)果差異隨減少比例的增加而增大，通過試驗可知，NRTC循環(huán)功倍數(shù)保持在約2.8倍以上時，縮減比例的計算結(jié)果與未縮減時計算結(jié)果誤差保持在3%以內(nèi)。因此可以判斷在NRTC循環(huán)功小于2.8倍時實測結(jié)果不能正確反映該機型的最終排放水平，但在NRTC循環(huán)功大于2.8倍后，實測結(jié)果可以反映該機型最終排放水平。

3.2 最小NRTC循環(huán)功倍數(shù)推導(dǎo)試驗結(jié)果

NRTC循環(huán)功與NOx比排放關(guān)系如圖8所示。將NRTC循環(huán)功倍數(shù)與當(dāng)前的NOx比排放值對應(yīng)，可以判斷最終計算的比排放值對應(yīng)的NRTC循環(huán)功倍數(shù)。當(dāng)該窗口形成并保持穩(wěn)定后，可以當(dāng)前值判斷最終結(jié)果。

由圖8可知，在累積功為NRTC循環(huán)功的1.36倍時，當(dāng)前窗口的比排放值與最終試驗結(jié)果基本一致，可以以當(dāng)前窗口為基礎(chǔ)值，將NRTC循環(huán)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(guān)系

將最大效率作業(yè)與等效率作業(yè)視為裝載機排放結(jié)果的上下邊界條件，即最大作業(yè)效率排放值最低，等效率作業(yè)排放值最高。對應(yīng)的SCR上游穩(wěn)定排溫分別為320 ℃和280 ℃，對應(yīng)的NOx比排放值分別為0.40 g/(kW·h)(圖6紅色點數(shù)值)和0.81 g/(kW·h)(圖7紅色點數(shù)值)。對于已經(jīng)定型的數(shù)據(jù)和車型，在一臺車上將最大值與最小值確定后，對應(yīng)的SCR上游排溫范圍即確定。如果同時有較多同樣數(shù)據(jù)同樣車型的車進(jìn)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(shù)據(jù)的某生產(chǎn)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(yè)，通過采集其SCR上游排溫等發(fā)動機數(shù)據(jù)判斷排放是否合格。如果穩(wěn)定后SCR上游排溫高于280 ℃，則可以判斷排放合格，并且可以認(rèn)為NOx排放值在0.81 g/(kW·h)以下。

4 結(jié)論

本文中論述了在非道路機械進(jìn)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(zhǔn)確判斷試驗結(jié)果的方法。在分析裝載機排放試驗的基礎(chǔ)上，提出了縮短NRTC循環(huán)功和穩(wěn)定功基窗口推導(dǎo)的方式確定最終結(jié)果，從而大大縮減試驗時間，并使推導(dǎo)結(jié)果與實測結(jié)果誤差在3%以內(nèi)，滿足誤差要求。通過試驗得出如下結(jié)論。

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

2)將NRTC循環(huán)功縮減至1.5倍時，可利用1.5倍NRTC循環(huán)功數(shù)據(jù)形成的有效功基窗口值作為最終結(jié)果。

3)對于配置相同、數(shù)據(jù)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。