非道路柴油移動(dòng)機(jī)械NCD/PCD 解讀與分析

趙增亮 徐行軍

（廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，玉林 537000）

非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)往往功率很大，具有使用功率范圍廣、油品質(zhì)量差等特點(diǎn)，在其使用過(guò)程中面臨著數(shù)量難以確定、流動(dòng)性大、監(jiān)管難等問(wèn)題。2019 非道路移動(dòng)機(jī)械HC、NOx、PM 的排放量分別為435 000 t、4 933 000 t、240 000 t，其中NOx的排放量接近機(jī)動(dòng)車(chē)，PM 的排放量已經(jīng)超過(guò)機(jī)動(dòng)車(chē)，可見(jiàn)非道路移動(dòng)機(jī)械排放對(duì)環(huán)境質(zhì)量有顯著影響[1]。

研究結(jié)果表明，在各種控制非道路移動(dòng)機(jī)械排放、改善環(huán)境質(zhì)量的技術(shù)和措施中，提升排放標(biāo)準(zhǔn)被認(rèn)為是最有效的方法之一。世界各國(guó)先后制定了限值不同的排放標(biāo)準(zhǔn)，2008 年起，美國(guó)開(kāi)始實(shí)施第四階段排放標(biāo)準(zhǔn)，歐盟于2019 年開(kāi)始實(shí)施第五階段排放標(biāo)準(zhǔn)（簡(jiǎn)稱(chēng)“歐V”），印度于2021 年執(zhí)行非道路四階段排放法規(guī)（簡(jiǎn)稱(chēng)“印IV”），并不斷更新實(shí)施的排放標(biāo)準(zhǔn)，逐步降低了排放限值，有效減少了污染物的排放。2020 年12 月中國(guó)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了非道路柴油移動(dòng)機(jī)械第四階段的污染控制技術(shù)要求，即《非道路柴油移動(dòng)機(jī)械污染物排放控制技術(shù)要求》（簡(jiǎn)稱(chēng)“中國(guó)國(guó)IV”）。該標(biāo)準(zhǔn)是在新《大氣污染防治法》實(shí)施后，第一個(gè)對(duì)新生產(chǎn)非道路柴油移動(dòng)機(jī)械提出技術(shù)要求的標(biāo)準(zhǔn)，其中詳細(xì)規(guī)定了第四階段非道路柴油移動(dòng)機(jī)械應(yīng)該滿(mǎn)足的技術(shù)要求[2]。法規(guī)增加了機(jī)械的控制要求，并在中國(guó)非道路法規(guī)中首次引入NOx控制診斷系統(tǒng)（NOxControl Diagnostic system，NCD）和顆粒物控制診斷系統(tǒng)（Particulate Control Diagnostic system，PCD）的技術(shù)要求。

NCD/PCD 系統(tǒng)能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的故障代碼識(shí)別出車(chē)輛發(fā)生故障的區(qū)域。當(dāng)非道路機(jī)械的動(dòng)力系統(tǒng)或排放控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，有可能導(dǎo)致排氣污染物排放量超過(guò)排放閾值或故障危及到車(chē)輛行駛安全時(shí)，會(huì)激活駕駛員報(bào)警系統(tǒng)，以提醒駕駛員。NCD/PCD 系統(tǒng)能控制和降低排放，減少維修成本，方便車(chē)輛故障的診斷和維修。歐V 非道路排放法規(guī)中規(guī)定了NCD/PCD 具體要求，印IV 法規(guī)僅有NCD 相關(guān)要求，中國(guó)非道路四階段的NCD/PCD 相關(guān)要求與歐V 和印IV 有所類(lèi)似，但又有區(qū)別。HJ 1014—2020附錄C 和附錄D、歐V 法規(guī)補(bǔ)充文件（EU）2017/654附 件IV 附錄1-4、印IV 法規(guī)附件7 附錄9 中對(duì)NCD/PCD 進(jìn)行了詳細(xì)描述，包括一般要求、監(jiān)測(cè)內(nèi)容、駕駛員報(bào)警系統(tǒng)、駕駛性能限制系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證要求等。本文將對(duì)NCD/PCD 進(jìn)行詳細(xì)梳理與分析。

1 NCD/PCD 實(shí)驗(yàn)循環(huán)及運(yùn)行環(huán)境條件

各地在制定法規(guī)時(shí)，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)于NCD/PCD 運(yùn)行環(huán)境的要求不完全一致，如表1 所示。印IV 法規(guī)規(guī)定運(yùn)行環(huán)境水溫是0～42 ℃，無(wú)低溫相關(guān)要求；中國(guó)由于國(guó)土面積大，東西橫跨。高海拔地區(qū)分布廣泛，海拔運(yùn)行環(huán)境范圍更大。對(duì)于NCD/PCD 試驗(yàn)循環(huán)規(guī)定非恒速機(jī)械為熱態(tài)NRTC 循環(huán)，恒速機(jī)械為NRSC，可針對(duì)某一特定監(jiān)測(cè)項(xiàng)使用替代的NCD 試驗(yàn)循環(huán)，柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)提供技術(shù)考慮、模擬、試驗(yàn)結(jié)果等要素來(lái)證明。

表1 NCD/PCD 運(yùn)行環(huán)境條件及實(shí)驗(yàn)循環(huán)

當(dāng)監(jiān)控反應(yīng)劑還有存量時(shí)，不受以上環(huán)境條件約束，若是液態(tài)反應(yīng)劑，在未凍結(jié)時(shí)都要進(jìn)行監(jiān)測(cè)。行業(yè)內(nèi)大多使用尿素作為降低NOx的措施，但尿素在-11 ℃時(shí)會(huì)凍結(jié)。歐V 和中國(guó)國(guó)IV 針對(duì)反應(yīng)劑防凍，允許使用一個(gè)加熱或非加熱的反應(yīng)劑罐和反應(yīng)劑定量噴射系統(tǒng)，但使用帶加熱的反應(yīng)劑罐和噴射系統(tǒng)需在認(rèn)證時(shí)做解凍實(shí)驗(yàn)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行70 min 內(nèi)應(yīng)能夠正常使用，使用非加熱的反應(yīng)劑罐和噴射系統(tǒng)時(shí)，在-7 ℃及以下若無(wú)反應(yīng)劑供給應(yīng)激活駕駛員報(bào)警系統(tǒng)，70 min 內(nèi)激活嚴(yán)重性能限制系統(tǒng)。印IV 要求非加熱系統(tǒng)在0 ℃及以下溫度時(shí)要在70 min 內(nèi)能夠正常使用，否則應(yīng)激活報(bào)警系統(tǒng)和嚴(yán)重性能限制。

2 NCD/PCD 監(jiān)測(cè)要求

歐V、印IV、中國(guó)國(guó)IV 非道路排放法規(guī)中對(duì)于NCD/PCD 監(jiān)控內(nèi)容既有相同又有區(qū)別，詳見(jiàn)表2。監(jiān)控過(guò)程中，需要監(jiān)控反應(yīng)劑存量，且應(yīng)具有反應(yīng)劑存量指示標(biāo)識(shí)，當(dāng)反應(yīng)劑液位低于10%、2.5%或反應(yīng)劑存量為空時(shí)分別會(huì)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)、激活初級(jí)性能限制、激活嚴(yán)重性能限制。柴油機(jī)企業(yè)開(kāi)發(fā)此功能時(shí)，一般會(huì)增加液位傳感器，以便于實(shí)時(shí)監(jiān)控反應(yīng)劑存量。

反應(yīng)劑質(zhì)量異常通常使用最低可接受的反應(yīng)劑濃度CDmin來(lái)體現(xiàn)。中國(guó)國(guó)IV 法規(guī)規(guī)定：使用CDmin進(jìn)行排放測(cè)試時(shí)，尾氣NOx排放量應(yīng)不超過(guò)GB 20891—2014 表2 中規(guī)定的該功率段限值的2.25 倍，額定凈功率小于56 kW 的柴油機(jī)為該功率段HC+NOx限值的2.25 倍。歐V 和印IV 規(guī)定：測(cè)得的排放結(jié)果不能超過(guò)最小限值的2.25 倍，即限值+1.5 g?kW-1?h-1，對(duì)于具有HC+NOx組合排放限值的發(fā)動(dòng)機(jī)，測(cè)得的NOx排放結(jié)果不得超過(guò)HC+NOx組合限值減0.19 g?kW-1?h-1的值[4-5]。

表2 NCD/PCD 監(jiān)控內(nèi)容對(duì)比

中國(guó)國(guó)IV 法規(guī)對(duì)于NCD/PCD 都要進(jìn)行監(jiān)控，并要求具備駕駛員報(bào)警系統(tǒng)和性能限制系統(tǒng)；歐V 法規(guī)對(duì)于NCD 要求具備駕駛員報(bào)警系統(tǒng)和性能限制系統(tǒng)，對(duì)于PCD 要求具備駕駛員報(bào)警系統(tǒng)，但無(wú)性能限制相關(guān)要求。印IV 法規(guī)排放限值中因無(wú)顆粒數(shù)要求，在進(jìn)行排放選擇時(shí)一般無(wú)需顆粒捕捉器（Diesel Particulate Filter，DPF），因此排放監(jiān)控僅要求NCD 系統(tǒng)，無(wú)PCD 相關(guān)規(guī)定。另外，針對(duì)防篡改要求，中國(guó)國(guó)IV 法規(guī)明確規(guī)定了裝有選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）的NCD 系統(tǒng)應(yīng)能通過(guò)NOx濃度傳感器監(jiān)測(cè)到SCR 后處理系統(tǒng)載體的完全移除，因此在進(jìn)行SCR 排放路線機(jī)型開(kāi)發(fā)時(shí)必須使用NOx傳感器。歐V 和印IV 則沒(méi)有SCR后處理載體移除的明確規(guī)定。

為有效地監(jiān)管移動(dòng)源，經(jīng)過(guò)多年的探索，我國(guó)總結(jié)出采用大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控的方式。大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)管移動(dòng)源最可行的辦法[2]。中國(guó)國(guó)IV 法規(guī)規(guī)定了車(chē)載終端應(yīng)發(fā)送的定位信息、發(fā)動(dòng)機(jī)性能信息和排放關(guān)鍵零部件狀態(tài)信息等。環(huán)保部門(mén)可以通過(guò)遠(yuǎn)程終端讀取機(jī)械的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，以判斷機(jī)械的實(shí)際排放狀況、各項(xiàng)排放控制策略是否有效運(yùn)行和排放相關(guān)故障是否及時(shí)維修等。歐V 和印IV 法規(guī)中則沒(méi)有遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求。

歐V、印IV、中國(guó)國(guó)IV 對(duì)于初級(jí)和嚴(yán)重性能限制的要求一致，初級(jí)性能限制要求在柴油機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速之間，初級(jí)限制系統(tǒng)至少逐漸降低各轉(zhuǎn)速下最大可用柴油機(jī)扭矩的25%。在初級(jí)駕駛性能限制系統(tǒng)激活后，柴油機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速以下轉(zhuǎn)速段的轉(zhuǎn)矩不能超過(guò)轉(zhuǎn)矩限制后的峰值轉(zhuǎn)矩，如圖1 所示[3]。嚴(yán)重性能限制要求在柴油機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速之間的柴油機(jī)扭矩按照超過(guò)每分鐘1%的速率從初級(jí)限制扭矩逐漸降低至最大扭矩的50%，在扭矩降低的同時(shí)，柴油機(jī)（恒定轉(zhuǎn)速柴油機(jī)除外）轉(zhuǎn)速逐漸降低至額定轉(zhuǎn)速的60%，如圖2 所示[3]。

圖1 初級(jí)性能限制示意圖

圖2 嚴(yán)重性能限制示意圖

3 NCD/PCD 驗(yàn)證要求

在進(jìn)行型式檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)，歐V、印IV、中國(guó)國(guó)IV 法規(guī)規(guī)定的NCD 驗(yàn)證內(nèi)容大致相同，在進(jìn)行駕駛員報(bào)警系統(tǒng)、初級(jí)性能限制、嚴(yán)重性能限制功能測(cè)試時(shí)，反應(yīng)劑不足是必檢項(xiàng)目，除此之外還要另選一故障進(jìn)行驗(yàn)證，歐V、印IV、中國(guó)國(guó)IV NCD 驗(yàn)證內(nèi)容如表3 所示。進(jìn)行中國(guó)國(guó)IV PCD 型式檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要進(jìn)行駕駛員報(bào)警系統(tǒng)、初級(jí)性能限制、嚴(yán)重性能限制功能測(cè)試，而且顆粒物后處理系統(tǒng)移除也是必檢項(xiàng)目，而歐V 型式檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)僅進(jìn)行駕駛員報(bào)警系統(tǒng)是否能夠激活，歐V、印IV、中國(guó)國(guó)IV NCD 驗(yàn)證內(nèi)容如表4 所示。

表3 NCD 驗(yàn)證內(nèi)容

表4 PCD 驗(yàn)證內(nèi)容

4 結(jié)語(yǔ)

《非道路柴油移動(dòng)機(jī)械污染物排放控制技術(shù)要求》首次將NCD/PCD 概念引入中國(guó)非道路排放法規(guī)，按照新排放法規(guī)的規(guī)定，中國(guó)市場(chǎng)將成為全球最嚴(yán)格管控地區(qū)之一，中國(guó)NCD/PCD 要求起步晚，但要求內(nèi)容多，其中定位與遠(yuǎn)程監(jiān)管、SCR 后處理載體移除是世界非道路行業(yè)首次納入法規(guī)體系監(jiān)管，駕駛性能限制比歐V 和印IV 要求更為嚴(yán)苛，使用范圍更廣。本文通過(guò)分析歐V、印IV、中國(guó)國(guó)IV 法規(guī)中關(guān)于NCD/PCD 的具體內(nèi)容與差異，對(duì)我國(guó)未來(lái)制定更高等級(jí)非道路排放法規(guī)有一定參考借鑒意義，有利于柴油機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、認(rèn)證及出口方面提早開(kāi)展技術(shù)儲(chǔ)備及規(guī)避一些排放風(fēng)險(xiǎn)。