基于PEMS的非道路四階段裝載機(jī)排放研究

王國強(qiáng)，張 濤，梁昌水，陳玉杰，鄭玉杰，謝欣男

(1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)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(wù)院下發(fā)《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》，內(nèi)燃機(jī)尾氣排放是大氣污染的重要來源[1]，而柴油機(jī)氮氧化物排放量占機(jī)動車總排放量的70%，2020年《非道路柴油移動機(jī)械污染物排放控制技術(shù)要求》發(fā)布，非道路機(jī)械升級換代腳步加快。國內(nèi)城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程量大、農(nóng)業(yè)承包機(jī)械化趨勢明顯，據(jù)統(tǒng)計，我國非道路用柴油機(jī)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(jī)械[2]，非道路柴油機(jī)的污染日益凸顯。本文使用AVL測試設(shè)備，針對非道路四階段裝載機(jī)設(shè)計多組PEMS(Portable Emission Measurement System)對比試驗，記錄整車、發(fā)動機(jī)運(yùn)行信息，后處理運(yùn)行情況，以及運(yùn)行工況、環(huán)境信息、污染物排放情況，研究四階段裝載機(jī)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(guī)要求及注意事項

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

1.1 排放污染物限值

37 kW以上非道路移動機(jī)械進(jìn)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(yīng)小于表1相應(yīng)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(yīng)非道路機(jī)械實際作業(yè)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(jī)階段為無效事件直至排溫達(dá)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(jī)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(jī)，試驗樣本車輛為目前國內(nèi)市場的主流機(jī)型，車輛主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 裝載機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2.2 試驗方案設(shè)計

按照法規(guī)對設(shè)備進(jìn)行檢查，對車輛進(jìn)行預(yù)處理，開展車載排放試驗，記錄與處理排放測試數(shù)據(jù)。針對該試驗裝載機(jī)共設(shè)計7種常用作業(yè)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(jié)合裝載機(jī)在市場中的運(yùn)用情況，分為自由效率鏟裝作業(yè)、輕載定效率空鏟作業(yè)、輕載定效率鏟裝作業(yè)、重載定效率鏟裝作業(yè)和重載最高效率鏟裝作業(yè)五種作業(yè)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(shè)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(jié)果及分析

3.1 測試結(jié)果匯總

本文按照法規(guī)要求進(jìn)行PEMS測試，選擇平原低海拔地區(qū)，劃定專用的試驗區(qū)域，由同一駕駛員進(jìn)行車輛操作。試驗開始前按法規(guī)對設(shè)備進(jìn)行檢查與標(biāo)定，對整車進(jìn)行熱機(jī)。試驗過程與累計功率滿足法規(guī)要求，并盡量保持操作習(xí)慣的一致性。試驗完成后對數(shù)據(jù)進(jìn)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(guān)系數(shù)。測試結(jié)果見表4。

表4 PEMS試驗結(jié)果

3.2 CO污染物排放結(jié)果分析

測試結(jié)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(yuǎn)低于法規(guī)要求值，CO污染物試驗結(jié)果如圖1所示。由圖1可直觀地看出，非道路四階段裝載機(jī)PEMS試驗中CO污染物的排放值要遠(yuǎn)低于法規(guī)限值。另郭勇[4]和崔煥星等[5]均指出PEMS設(shè)備對CO排放測量重復(fù)性最差，CO測試結(jié)果相差可達(dá)5倍。即使如此，在發(fā)動機(jī)正常運(yùn)行的前提下，CO污染物測試不通過的可能性極低。因此，生產(chǎn)廠家在進(jìn)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(jìn)行測試。

圖1 CO污染物試驗結(jié)果

3.3 NOX污染物排放結(jié)果分析

3.3.1 運(yùn)行工況對NOX污染物排放結(jié)果影響

發(fā)動機(jī)負(fù)荷與轉(zhuǎn)速等會極大影響道路測試排放結(jié)果，為了能更好地分析裝載機(jī)運(yùn)行工況與NOX污染物排放的關(guān)系，分別對同一車輛不同運(yùn)行工況下與不同車輛同一工況下的NOX污染物排放情況進(jìn)行分析。首先根據(jù)表4試驗結(jié)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(jī)NOX污染物排放情況不同，且相差較大。結(jié)合試驗車輛路譜信息繪制發(fā)動機(jī)工況點(diǎn)云圖，如圖3所示。由圖3可知，裝載機(jī)的負(fù)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(jié)合圖2和圖3可知，非道路四階段裝載機(jī)NOX污染物排放值與裝載機(jī)負(fù)荷率不呈相關(guān)關(guān)系。

圖3 #1試驗車PEMS試驗發(fā)動機(jī)工況點(diǎn)云圖

結(jié)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(jìn)行分析。兩次試驗結(jié)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(guī)及設(shè)備誤差入手理論分析得出NOX排放的不確定度評定結(jié)果為5.02%，遠(yuǎn)低于本次試驗的誤差范圍。因此無法根據(jù)PEMS試驗工況與整車配置視同未經(jīng)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(jī)作業(yè)工況變化而不同，且差值較大，但與裝載機(jī)負(fù)荷率并不呈相關(guān)關(guān)系；不同車輛NOX污染物排放情況隨裝載機(jī)負(fù)荷率變化呈現(xiàn)的趨勢不同。因此，生產(chǎn)廠進(jìn)行非道路四階段裝載機(jī)自檢試驗時，需對裝載機(jī)所有可能用到的工況進(jìn)行檢驗，且不可根據(jù)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(jié)果影響

根據(jù)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(jié)果看出，鏟裝物料變化會導(dǎo)致NOX污染物排放產(chǎn)生變化，結(jié)合道路柴油機(jī)，可推斷NOX的排放與駕駛風(fēng)格激烈程度沒有明顯規(guī)律[7]。但由于試驗條件限制，未能對此問題進(jìn)行過度研究。生產(chǎn)廠需對此多加注意。

3.4 燃油消耗量相關(guān)系數(shù)結(jié)果分析

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

3.4.1 燃油消耗量相關(guān)系數(shù)r2計算原理

計算燃油消耗量相關(guān)系數(shù)r2的目的是為了檢查數(shù)據(jù)設(shè)備采集的排氣質(zhì)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(guān)性進(jìn)行確認(rèn)。使用最小二乘法，用公式(1)達(dá)到最好擬合，計算斜率和相關(guān)系數(shù)r2，要求相關(guān)系數(shù)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(jù)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?xì)浠衔锱欧帕?，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(guān)系數(shù)趨勢分析

根據(jù)#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(jié)果分析燃油消耗量相關(guān)系數(shù)。圖5和圖6分別為兩車的燃油消耗量相關(guān)系數(shù)變化曲線。

圖5 #1試驗車燃油消耗量相關(guān)系數(shù)

圖6 #2試驗車燃油消耗量相關(guān)系數(shù)

由圖5可知，#1試驗車的燃油消耗量相關(guān)系數(shù)與發(fā)動機(jī)負(fù)荷率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。由圖6可知，#2試驗車的燃油消耗量相關(guān)系數(shù)與發(fā)動機(jī)負(fù)載率也呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著裝載機(jī)作業(yè)工況惡劣，試驗測得的燃油消耗量相關(guān)系數(shù)降低。根據(jù)柴油機(jī)的標(biāo)定策略，供油、供氣及缸內(nèi)熱力氛圍響應(yīng)速率不一致是柴油機(jī)瞬態(tài)工況性能惡化的原因[8]，相比于車用柴油機(jī)相對穩(wěn)定的工況，裝載機(jī)常常處于油門突加突減工況，突加負(fù)荷達(dá)到穩(wěn)態(tài)噴油量的過程中，若進(jìn)氣量沒有達(dá)到穩(wěn)定的設(shè)定值導(dǎo)致油氣混合不均勻造成局部高溫區(qū)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(guān)系數(shù)相應(yīng)降低。該結(jié)論仍需大量試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。

4 結(jié)論

本文基于非道路四階段移動機(jī)械PEMS試驗方法，研究了非道路四階段裝載機(jī)在不同試驗工況下的尾氣排放情況。研究發(fā)現(xiàn)：

(1)CO污染物的排放值要遠(yuǎn)低于法規(guī)限值，生產(chǎn)廠家在進(jìn)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(jìn)行測試。

(2)NOX污染物排放情況會隨裝載機(jī)作業(yè)工況變化而不同，且差值較大，但與裝載機(jī)負(fù)荷率并不呈相關(guān)關(guān)系；生產(chǎn)廠進(jìn)行非道路四階段裝載機(jī)自檢試驗時，需對裝載機(jī)所有可能用到的工況進(jìn)行檢驗，且不可根據(jù)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(guān)系數(shù)與發(fā)動機(jī)負(fù)荷率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。但該結(jié)論僅為本次試驗樣本中得出的結(jié)論，仍需以精準(zhǔn)量化關(guān)系為目標(biāo)進(jìn)行試驗，為廠家提供參考。