非道路柴油机不同稳态排放循环测试结果对比

崔焕星，李 刚，季宝峰，刘 坤，刘顺利，纪 亮

(1.济南汽车检测中心有限公司，山东 济南 250102;2.中国环境科学研究院，北京 100012;3.济南市机动车污染防治监控中心，山东 济南 250101)

0 引 言

按照我国及以往欧盟（EU）非道路柴油机排放控制标准要求，非道路柴油机进行型式检验时仅需使用非道路稳态测试循环（non-road steady-state test cycle，NRSC）进行稳态排放测试[1-2]，以验证其污染物排放是否达标，但EU Stage V引入斜坡测试循环（ramped modal test cycle，RMC），且新增颗粒物数量排放测试要求[3]。

RMC改变了NRSC离散的测试模式，将每个测试工况串联起来，在整个测试循环中对污染物连续采样。鉴于我国非道路排放控制标准一直与EU标准体系相近[4]，为掌握RMC在测试过程、技术要求、结果及其影响因素等方面的不同，本文选取一台非道路柴油机在测试台架上分别运行两种循环，对比分析了两者差异，尤其是颗粒物数量（particulate number，PN）测试差异及影响因素，为我国第五阶段非道路移动机械污染排放标准引入RMC，及制定测试规程提供理论支撑。

1 测试循环及配置

1.1 测试循环

NRSC由多个设定柴油机转速及负载的离散工况组成，涵盖非道路柴油机的典型运行区域，包含8 mode、5 mode、6 mode 3 种测试，分别与 ISO 8178中的C1、D2、G2测试循环相对应[5]，如表1所示。其中，C1循环适用非恒定转速柴油机的排放测试，应用最多，而D2循环适用恒定转速柴油机，19 kW以下的非恒速柴油机还可以选用G2循环[6]。

NRSC的每个测试工况运行至少10 min，其中至少5 min用于稳定柴油机运行状态，每个工况结束前的1～3 min用于排气污染物取样[7]。

表1 NRSC测试循环参数设置

RMC同样由多个工况点组成，与NRSC的C1、D2、G2循环相对应，但测试过程以一种伪瞬态方式进行，柴油机由台架控制单元持续控制，在(20±1) s内线性过渡到下一测试工况点，不间断对排气污染物采样，如表2所示。

此外，相比于NRSC，RMC增加一个怠速工况，工况间的过渡时间计入下一测试工况用时，每个工况与前一次过渡的总时间与NRSC不同工况权重相对应。

1.2 发动机特性及试验室配置

试验用测控系统及污染物采集分析系统分别为奥地利AVL公司、日本Horiba公司生产，可满足欧洲车用 Stage VI阶段的测试要求，设备清单如表3所示，试验用柴油机的性能参数如表4所示。

表2 RMC测试循环参数设置（以C1循环为例）

表3 测试设备清单

表4 试验用柴油机性能参数

2 试验结果分析

依据EU 2016/1628的测试规程，柴油机在经过热机—外特性测试—预处理—C1循环—数据校核及评估后，得到两种不同测试循环的柴油机运行曲线如图1所示。

图1 柴油机运行曲线

由图可知，根据柴油机功率段，按照标准要求需进行C1循环的测试，NRSC循环的每个测试工况运行10 min，其中前7 min用于稳定柴油机运行状态，后3 min用于数据测试，评估排放结果，测试共计4 800 s。而RMC对各工况的过渡时间提出了限制，剔除了各工况测试前的稳定时间，提高了对柴油机性能要求，测试时间如表2所示，共计1 800 s。测试前调整进气（温度、湿度、阻力）、排气背压、中冷压力、中冷温度等参数，降低边界条件对测试结果的影响。

2.1 污染物排放结果

NRSC需单独计算每个工况的污染物排放量，然后乘以各自权重得到测试循环的排放总量，如下式所示：

式中：egas——各气态污染物比排放量，g/kWh；

qmgas,i——每个工况的气态污染物瞬时排放速率，g/h；

Pi——每个工况的柴油机功率，kW；

WFi——每个工况的权重；

Nmode——测试工况；

ePM——颗粒物比排放量，g/kWh；

qmPM——颗粒物质量排放速率，g/h。

RMC则是将整个测试循环的污染物排放进行累积，而后除以该循环下的柴油机做功得到各污染物排放总量，如下式所示：

式中：mgas——气态污染物的循环总排放量，g/test；

Wact——柴油机实测循环做功，kWh；

mPM——颗粒物的循环总排放量，g/test。

每循环各进行3次测试，采用t检验将两个测试循环的排放结果进行比对，分析排放结果与平均值之间的差异性[8-10]。t检验统计量为：

式中：——配对样本差值平均值；

sd——配对样本差值的标准偏差；

n——样本总数[11]。

由此计算得到，各污染物排放结果及其95%置信区间如图2所示。

图2 两种不同的污染排放测试结果

对应功率段的欧洲第五阶段排放限值如表5所示[12]。对比两种测试循环的结果，除PN外，其余各污染物排放均低于限值，由于使用了DPF，颗粒物质量（particular mass，PM）排放更是低于限值 50% 以下（NRSC 测试均值：0.003 g/kWh；RMC 测试均值：0.006 g/kWh）。对比各污染物95%置信区间，由图2可以看出，RMC测试循环的排放结果置信区间更窄，意味着测试结果的标准偏差越小（如表6所示），重复性更好。

表5 EU Stage V污染物排放限值

表6 各污染物排放测试结果的标准偏差

2.2 排气温度

两种测试循环的SCR出口的排气温度如图3所示。

对SCR系统，当SCR出口排气温度在280～450 ℃[13-14]时的NOx转化效率最高，根据图3所示，由于均属于热态测试循环，两种测试循环的柴油机排气温度均可使SCR对NOx进行高效转化，这也是导致NOx排放结果没有较大差异的原因。

不同于气态污染物，两种测试循环的颗粒物测试结果偏差较大。首先，加装DPF可以将PM排放量降至毫克级，RMC较于NRSC延长了采样时间，可以使基于滤纸累积质量的采样系统积累更多颗粒物，减小因微量天平测试精度带来的称量误差。其次，为避免排气温度在测试过程中出现突变，RMC调整部分工况测试顺序，整个循环排气温度要低于NRSC，同时增加了一个怠速工况测试，使得PM测试结果相对较高。

图3 SCR出口排气温度

对PN排放，RMC测量结要低于NRSC，PN瞬时排放速率与柴油机功率如图4所示。

由于NRSC的污染物采样非连续，从图4中可以看出，NRSC循环下的PN瞬时排放速率在采样管阀门开启及关闭瞬间出现峰值，这主要与PN采样及测量系统的响应时间有关。柴油机排气在进入PN探测器之前，需经CVS系统进行稀释，而后经计量系统的PCF（旋风分离器）去除2.5 μm以上的粒子，ET（加热汽化管）加热至 300～400 ℃ 汽化排气中的挥发性成分[15]。在采样阀门开启瞬间，稀释系统及计量系统需要一定响应时间，尽管这个时间很短，但混合不均匀的排气极易掺杂可溶性挥发成分进入到CPC（颗粒物数量计数器），导致PN瞬时排放速率突增。

图4 颗粒物数量瞬时排放速率

而采样阀门关闭时出现的峰值主要是由于阀门完全关闭相对滞后，此时柴油机已处于工况转换阶段，燃烧室内的混合气不均匀，过量空气系数下降，燃烧不完全生成的PN增加[16]，这也与RMC测试循环的PN瞬时排放速率在柴油机工况转换时显著上升相符。

3 结束语

通过对两种稳态排放循环测试结果的分析、对比，可以得出：

1）NRSC采样过程存在占空比，使用RMC可以更加有效地对污染物排放进行采样，特别是在DPF发生再生期间，提高了测试结果可重复性。

2）DOC可以通过降低THC排放，促使SOF氧化，间接降低颗粒物排放[17]，从测试结果上看，RMC测得THC的95%置信区间更窄，降低了THC排放可变性，也使测试结果得到一定程度提高。

3）在柴油机运行工况发生转变以及持续高速低负荷运转时，空气过量系数降低，油气混合不均匀，浓度升高，PN瞬时排放速率明显升高。

4）选用NRSC测试PN时，采样系统响应时间对测试结果影响较大，建议PN采样选用与气体采样相同的持续测量方式，选取中间稳定数据参与排放结果计算。

5）现行标准基于质量法测试和评估颗粒物排放[18]。从排放结果可以看出，尽管PM排放限值已经很低，但细颗粒物数量依然很大。由于细颗粒物粒径小，活性强，极易吸附有毒物质，危害人体健康。因此，应将颗粒物管控重点逐步向PN转移，进一步削减细颗粒物排放。