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(fā)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(nèi)的實際作業(yè)工況，將其轉(zhuǎn)化為滿足標準要求的一組轉(zhuǎn)速和扭矩值，根據(jù)這組數(shù)據(jù)在發(fā)動機臺架上編制自動循環(huán)程序來模擬非道路移動機械實際作業(yè)過程中的發(fā)動機工況，同時測量該過程中排氣污染物，可以計算得到發(fā)動機臺架模擬的車載法排放測試結(jié)果。

關(guān)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(guī)的要求日益嚴格，最新法規(guī)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(shè)備（PEMS），在非道路移動機械實際作業(yè)的過程中進行排放測試。非道路移動機械實際作業(yè)過程中柴油機運行工況復(fù)雜，同一型號柴油機可能應(yīng)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(fù)雜性，導(dǎo)致臺架試驗循環(huán)（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(huán)臺架排放調(diào)試后需進行非道路移動機械實際作業(yè)工況下的排放調(diào)試。

由于非道路移動機械類型多，應(yīng)用范圍廣，在其實際作業(yè)過程中進行排放調(diào)試時環(huán)境較差，工作負荷大，開發(fā)周期較長[1]。為減少在戶外進行非道路移動機械實際作業(yè)工況下排放調(diào)試的時長，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，本文提出了一種用發(fā)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(yè)過程中柴油機工況并使用試驗室設(shè)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(yè)工況下的排放試驗。

1? ? 方法介紹

1.1? ?試驗方法

在發(fā)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(fā)調(diào)試用電腦至發(fā)動機ECU，在臺架上測試并記錄發(fā)動機的外特性數(shù)據(jù)，對比臺架測量和ECU中讀取的轉(zhuǎn)速和扭矩的差異，做好修正，消除不同設(shè)備對測量結(jié)果的影響。后將發(fā)動機安裝于其所匹配的非道路移動機械上，使用開發(fā)調(diào)試電腦連接發(fā)動機ECU，采集非道路移動機械一段時間內(nèi)實際作業(yè)過程中發(fā)動機運行數(shù)據(jù)（主要是轉(zhuǎn)速和負荷率）和作業(yè)現(xiàn)場的環(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）對應(yīng)的實際作業(yè)負荷率（B1、B2、B3……Bn）乘以該轉(zhuǎn)速下臺架外特性數(shù)據(jù)中的最大扭矩值（C1、C2、C3……Cn）得到各個轉(zhuǎn)速下負荷率對應(yīng)的扭矩值（D1、D2、D3……Dn）。處理后的一組數(shù)據(jù)包含n對發(fā)動機轉(zhuǎn)速和扭矩數(shù)據(jù)。

第三步：以第二步中處理后的一組數(shù)據(jù)作為一個具有代表性的循環(huán)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(yīng)等于5-7倍NRTC試驗循環(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不滿足要求則應(yīng)調(diào)整采集作業(yè)工況時間長度或機械的作業(yè)負荷，直到得到一組滿足要求的發(fā)動機工況數(shù)據(jù)。

第四步：將發(fā)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(shù)據(jù)在發(fā)動機臺架控制電腦中編制自動運行程序。

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

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

為了確保采用以上方法能全面的模擬機械實際作業(yè)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(huán)境等）實際作業(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? ?驗證方法

1.2.1 試驗對象及設(shè)備

本次驗證使用的發(fā)動機是一款非道路第三階段電控柴油機，發(fā)動機主要參數(shù)見表1。主要設(shè)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(yīng)包括兩方面：

1）能否在臺架上準確再現(xiàn)非道路移動機械作業(yè)過程的復(fù)雜工況將驗證試驗用發(fā)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(yè)工況下發(fā)動機的數(shù)據(jù)和在臺架上模擬該機械實際作業(yè)工況的發(fā)動機數(shù)據(jù)。分析對比以上兩組數(shù)據(jù)，重點關(guān)注轉(zhuǎn)速和扭矩的跟隨響應(yīng)以及循環(huán)功的偏差。

2）測得排放結(jié)果與非道路移動機械實際車載法排放測試結(jié)果的一致性以空壓機為例，通過計算NOx排放結(jié)果來比較實際車載法排放結(jié)果與臺架模擬車載法排放結(jié)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(jié)果精確度。

2? ? 結(jié)果及分析

2.1? ?工況驗證結(jié)果及分析

各機械臺架模擬與實際作業(yè)轉(zhuǎn)速扭矩響應(yīng)和循環(huán)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(yè)工況下發(fā)動機轉(zhuǎn)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(nèi)，這表明采用本文設(shè)計的方法可在臺架上精確模擬非道路移動機械實際作業(yè)過程中發(fā)動機的運行工況。

2.2? ? 排放驗證結(jié)果及分析

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

計算結(jié)果顯示，實際作業(yè)時90%有效窗口的NOx比排放值比臺架模擬結(jié)果大9.98%[2]。分析臺架模擬測試過程與空壓機實際作業(yè)過程試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，差異的主要影響因素為進氣濕度（實際作業(yè)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(yè)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(yè)時進氣相對濕度比較穩(wěn)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(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，進氣絕對濕度增加1g/kg，NOx濃度降低20ppm以上[5]。據(jù)此可知，臺架模擬與實際作業(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。

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

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)動機臺架上精確模擬非道路移動機械實際作業(yè)過程中發(fā)動機的工況。為使臺架測試與實際作業(yè)的排放結(jié)果更加一致，需要在發(fā)動機臺架上精準地模擬非道路移動機械實際作業(yè)過程中的中冷后溫和進氣濕度等條件。

參考文獻：

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[5]邢居真.測試系統(tǒng)參數(shù)對車用發(fā)動機排放的影響研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.