楊俊 張晏飛 陳曦 劉堯武 解亮

摘? 要：為了縮短非道路移動(dòng)機(jī)械車載法排放測(cè)試的開發(fā)周期，本文提出了一種相對(duì)簡單高效的方法。通過采集非道路移動(dòng)機(jī)械一段時(shí)間內(nèi)的實(shí)際作業(yè)工況，將其轉(zhuǎn)化為滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的一組轉(zhuǎn)速和扭矩值，根據(jù)這組數(shù)據(jù)在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上編制自動(dòng)循環(huán)程序來模擬非道路移動(dòng)機(jī)械實(shí)際作業(yè)過程中的發(fā)動(dòng)機(jī)工況，同時(shí)測(cè)量該過程中排氣污染物，可以計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架模擬的車載法排放測(cè)試結(jié)果。

關(guān)鍵詞：非道路移動(dòng)機(jī)械;車載法排放測(cè)試;臺(tái)架模擬;排氣污染物

中圖分類號(hào)：U467.1? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：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(dòng)機(jī)械排放法規(guī)的要求日益嚴(yán)格，最新法規(guī)中提出了車載法排放測(cè)試要求。非道路移動(dòng)機(jī)械車載法排放測(cè)試，即在非道路移動(dòng)機(jī)械上安裝便攜式排放測(cè)試設(shè)備（PEMS），在非道路移動(dòng)機(jī)械實(shí)際作業(yè)的過程中進(jìn)行排放測(cè)試。非道路移動(dòng)機(jī)械實(shí)際作業(yè)過程中柴油機(jī)運(yùn)行工況復(fù)雜，同一型號(hào)柴油機(jī)可能應(yīng)用于多種類型的非道路移動(dòng)機(jī)械，進(jìn)一步提高了柴油機(jī)運(yùn)行工況的復(fù)雜性，導(dǎo)致臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán)（NRSC、NRTC等）已不能完全覆蓋非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況。為確保非道路移動(dòng)機(jī)械排放全面達(dá)標(biāo)，完成柴油機(jī)NRSC、NRTC等循環(huán)臺(tái)架排放調(diào)試后需進(jìn)行非道路移動(dòng)機(jī)械實(shí)際作業(yè)工況下的排放調(diào)試。

由于非道路移動(dòng)機(jī)械類型多，應(yīng)用范圍廣，在其實(shí)際作業(yè)過程中進(jìn)行排放調(diào)試時(shí)環(huán)境較差，工作負(fù)荷大，開發(fā)周期較長[1]。為減少在戶外進(jìn)行非道路移動(dòng)機(jī)械實(shí)際作業(yè)工況下排放調(diào)試的時(shí)長，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，本文提出了一種用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架模擬非道路移動(dòng)機(jī)械車載法排放試驗(yàn)的方法。該方法采用在臺(tái)架上運(yùn)行已采集的非道路移動(dòng)機(jī)械實(shí)際作業(yè)過程中柴油機(jī)工況并使用試驗(yàn)室設(shè)備同步進(jìn)行污染物測(cè)試的方式，模擬進(jìn)行非道路移動(dòng)機(jī)械實(shí)際作業(yè)工況下的排放試驗(yàn)。

1? ? 方法介紹

1.1? ?試驗(yàn)方法

在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上模擬非道路移動(dòng)機(jī)械車載法排放試驗(yàn)的方法如下：

第一步：連接開發(fā)調(diào)試用電腦至發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，在臺(tái)架上測(cè)試并記錄發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性數(shù)據(jù)，對(duì)比臺(tái)架測(cè)量和ECU中讀取的轉(zhuǎn)速和扭矩的差異，做好修正，消除不同設(shè)備對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。后將發(fā)動(dòng)機(jī)安裝于其所匹配的非道路移動(dòng)機(jī)械上，使用開發(fā)調(diào)試電腦連接發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，采集非道路移動(dòng)機(jī)械一段時(shí)間內(nèi)實(shí)際作業(yè)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)（主要是轉(zhuǎn)速和負(fù)荷率）和作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件數(shù)據(jù)，采集頻率為1Hz，取1s內(nèi)平均值。

第二步：將第一步采集數(shù)據(jù)中的負(fù)荷率換算成扭矩值：將第一步數(shù)據(jù)中同一組內(nèi)轉(zhuǎn)速（A1、A2、A3……An）對(duì)應(yīng)的實(shí)際作業(yè)負(fù)荷率（B1、B2、B3……Bn）乘以該轉(zhuǎn)速下臺(tái)架外特性數(shù)據(jù)中的最大扭矩值（C1、C2、C3……Cn）得到各個(gè)轉(zhuǎn)速下負(fù)荷率對(duì)應(yīng)的扭矩值（D1、D2、D3……Dn）。處理后的一組數(shù)據(jù)包含n對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩?cái)?shù)據(jù)。

第三步：以第二步中處理后的一組數(shù)據(jù)作為一個(gè)具有代表性的循環(huán)工況，計(jì)算累積功和有效功基窗口占比。非道路移動(dòng)機(jī)械車載法排放測(cè)試工況的累計(jì)功應(yīng)等于5-7倍NRTC試驗(yàn)循環(huán)功，有效功基窗口占比應(yīng)大于50%。若累積功和有效功基窗口占比二者有一項(xiàng)不滿足要求則應(yīng)調(diào)整采集作業(yè)工況時(shí)間長度或機(jī)械的作業(yè)負(fù)荷，直到得到一組滿足要求的發(fā)動(dòng)機(jī)工況數(shù)據(jù)。

第四步：將發(fā)動(dòng)機(jī)重新安裝在臺(tái)架上，使用第三步中判斷滿足條件后的數(shù)據(jù)在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架控制電腦中編制自動(dòng)運(yùn)行程序。

第五步：發(fā)動(dòng)機(jī)按照自動(dòng)程序中的工況逐秒運(yùn)行。同時(shí)臺(tái)架測(cè)試設(shè)備測(cè)量并記錄發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣污染物等數(shù)據(jù)，計(jì)算得到排放值即為發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架模擬非道路移動(dòng)機(jī)械車載法排放試驗(yàn)結(jié)果。

第六步：判斷臺(tái)架模擬結(jié)果是否滿足開發(fā)要求，若滿足則進(jìn)行實(shí)際車載法排放試驗(yàn);若不滿足則調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定后重復(fù)第一到第五步，直至排放結(jié)果滿足開發(fā)目標(biāo)。

為了確保采用以上方法能全面的模擬機(jī)械實(shí)際作業(yè)過程的各種工況，在第一步中可采集多段機(jī)械在不同條件下（負(fù)荷，環(huán)境等）實(shí)際作業(yè)的工況數(shù)據(jù)，使得第三步中可得到多組滿足要求的數(shù)據(jù)。

1.2? ?驗(yàn)證方法

1.2.1 試驗(yàn)對(duì)象及設(shè)備

本次驗(yàn)證使用的發(fā)動(dòng)機(jī)是一款非道路第三階段電控柴油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)見表1。主要設(shè)備信息見表2。

1.2.2 驗(yàn)證方案

對(duì)臺(tái)架模擬非道路移動(dòng)機(jī)械車載法排放試驗(yàn)方法的驗(yàn)證應(yīng)包括兩方面：

1）能否在臺(tái)架上準(zhǔn)確再現(xiàn)非道路移動(dòng)機(jī)械作業(yè)過程的復(fù)雜工況將驗(yàn)證試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)分別安裝至空壓機(jī)、清掃車輔機(jī)、水平定向鉆、拖拉機(jī)4種機(jī)械上，按照上述方法得到機(jī)械實(shí)際作業(yè)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)和在臺(tái)架上模擬該機(jī)械實(shí)際作業(yè)工況的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)。分析對(duì)比以上兩組數(shù)據(jù)，重點(diǎn)關(guān)注轉(zhuǎn)速和扭矩的跟隨響應(yīng)以及循環(huán)功的偏差。

2）測(cè)得排放結(jié)果與非道路移動(dòng)機(jī)械實(shí)際車載法排放測(cè)試結(jié)果的一致性以空壓機(jī)為例，通過計(jì)算NOx排放結(jié)果來比較實(shí)際車載法排放結(jié)果與臺(tái)架模擬車載法排放結(jié)果的偏差，從而驗(yàn)證臺(tái)架模擬非道路移動(dòng)機(jī)械車載法排放試驗(yàn)結(jié)果精確度。

2? ? 結(jié)果及分析

2.1? ?工況驗(yàn)證結(jié)果及分析

各機(jī)械臺(tái)架模擬與實(shí)際作業(yè)轉(zhuǎn)速扭矩響應(yīng)和循環(huán)功對(duì)比如表3所示。

上表所示，各機(jī)械在臺(tái)架模擬與實(shí)際作業(yè)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩曲線幾乎完全重合，計(jì)算得到累積功偏差在±1.5%以內(nèi)，這表明采用本文設(shè)計(jì)的方法可在臺(tái)架上精確模擬非道路移動(dòng)機(jī)械實(shí)際作業(yè)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況。

2.2? ? 排放驗(yàn)證結(jié)果及分析

空壓機(jī)實(shí)際作業(yè)車載法排放試驗(yàn)結(jié)果與臺(tái)架模擬車載法排放試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比如下表所示。

計(jì)算結(jié)果顯示，實(shí)際作業(yè)時(shí)90%有效窗口的NOx比排放值比臺(tái)架模擬結(jié)果大9.98%[2]。分析臺(tái)架模擬測(cè)試過程與空壓機(jī)實(shí)際作業(yè)過程試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，差異的主要影響因素為進(jìn)氣濕度（實(shí)際作業(yè)過程空氣濕度即為進(jìn)氣濕度）和中冷后溫度，具體如下：

中冷后溫兩者變化趨勢(shì)相同，實(shí)際作業(yè)比臺(tái)架模擬的中冷后溫高2～5℃。進(jìn)氣濕度偏差較明顯，實(shí)際作業(yè)時(shí)進(jìn)氣相對(duì)濕度比較穩(wěn)定約為61%，而臺(tái)架模擬時(shí)進(jìn)氣相對(duì)濕度在39.5%～52.0%間波動(dòng)。進(jìn)氣濕度和中冷后溫度會(huì)顯著影響柴油機(jī)的NOx排放[3]，隨著中冷后溫度的升高，進(jìn)氣密度降低，進(jìn)氣量減少，峰值燃燒溫度升高，可以促進(jìn)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(duì)濕度下降，而絕對(duì)濕度升高，氣缸中均質(zhì)的含水量增大，由于水分蒸發(fā)吸收大量熱量降低了缸內(nèi)溫度，抑制了NOx的生成[4]。研究表明，進(jìn)氣絕對(duì)濕度增加1g/kg，NOx濃度降低20ppm以上[5]。據(jù)此可知，臺(tái)架模擬與實(shí)際作業(yè)的排放結(jié)果具有一定的相關(guān)性，可根據(jù)外部控制條件的變化來判斷排放結(jié)果的變化趨勢(shì)。

因此，為了保證臺(tái)架模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要確保發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架外部條件的控制（如進(jìn)氣溫/濕度、環(huán)境溫度、大氣壓力、海拔高度），邊界條件的控制（如進(jìn)氣阻力、排氣背壓、中冷后溫度、中冷系統(tǒng)壓降）以及發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理的狀態(tài)與其在非道路移動(dòng)機(jī)械車載法排放測(cè)試時(shí)保持一致。

3? ? 結(jié)論

在除高原、高寒、高溫等極端氣候條件的一般環(huán)境下，采用本文研究的方法可在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上精確模擬非道路移動(dòng)機(jī)械實(shí)際作業(yè)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)的工況。為使臺(tái)架測(cè)試與實(shí)際作業(yè)的排放結(jié)果更加一致，需要在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上精準(zhǔn)地模擬非道路移動(dòng)機(jī)械實(shí)際作業(yè)過程中的中冷后溫和進(jìn)氣濕度等條件。

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