基于PEMS的非道路四阶段装载机排放研究

2021-10-11王国强梁昌水陈玉杰郑玉杰谢欣男

机械工程与自动化 2021年5期

王国强，张涛，梁昌水，陈玉杰，郑玉杰，谢欣男

(1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东潍坊 261061；2.潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261061)

0 引言

2018年国务院下发《打赢蓝天保卫战三年行动计划》，内燃机尾气排放是大气污染的重要来源[1]，而柴油机氮氧化物排放量占机动车总排放量的70%，2020年《非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求》发布，非道路机械升级换代脚步加快。国内城市基础设施建设工程量大、农业承包机械化趋势明显，据统计，我国非道路用柴油机每年新增约200万台左右，全国每年超过1亿吨的柴油消耗总量中，约有20%用于各类非道路移动机械[2]，非道路柴油机的污染日益凸显。本文使用AVL测试设备，针对非道路四阶段装载机设计多组PEMS(Portable Emission Measurement System)对比试验，记录整车、发动机运行信息，后处理运行情况，以及运行工况、环境信息、污染物排放情况，研究四阶段装载机在不同试验工况下的尾气排放情况。

1 非道路四阶段PEMS法规要求及注意事项

由于工程机械的工作复杂多样，不同机械的操作工况和发动机功率差别较大，其相应的尾气排放存在着较大的变化性[3]。新法规对车载排放检测规程和要求进行了详细的介绍，本段就非四车载排放试验注意事项进行了汇总。

1.1 排放污染物限值

37 kW以上非道路移动机械进行车载排放试验时，90%以上有效功基窗口的CO和NOX的比排放量应小于表1相应功率段限值，具体见表1。

1.2 有效事件判断

有效事件的判定是非道路四阶段车载排放法为适应非道路机械实际作业工况提出的新的计算方案，且只有有效事件才可用于污染物排放计算。

(1)短于2 min的无效事件视为有效事件。

(2)短于2 min的有效事件与周围长于2 min的无效事件合并。

(3)无效事件长于10 min后的起机阶段为无效事件直至排温达到250 ℃或4 min。

(4)对于紧跟有效事件的无效工作事件，其最初的2 min算作有效工作事件，并与之前的有效工作事件合并。

2 试验样机及方案

2.1 试验样本车辆选取

本次对比试验选取3台非道路四阶段排放试验装载机，试验样本车辆为目前国内市场的主流机型，车辆主要技术参数见表2。

表2 装载机主要技术参数

2.2 试验方案设计

按照法规对设备进行检查，对车辆进行预处理，开展车载排放试验，记录与处理排放测试数据。针对该试验装载机共设计7种常用作业工况对比试验，试验测试工况见表3。表3中，PEMS试验1～5为变铲装效率车载排放对比试验，结合装载机在市场中的运用情况，分为自由效率铲装作业、轻载定效率空铲作业、轻载定效率铲装作业、重载定效率铲装作业和重载最高效率铲装作业五种作业工况；PEMS试验6、7为变铲装物料车载排放对比试验，受条件限制，仅设计铲装混凝土与铲装石料两种工况。

表3 试验测试工况

3 测试结果及分析

3.1 测试结果汇总

本文按照法规要求进行PEMS测试，选择平原低海拔地区，划定专用的试验区域，由同一驾驶员进行车辆操作。试验开始前按法规对设备进行检查与标定，对整车进行热机。试验过程与累计功率满足法规要求，并尽量保持操作习惯的一致性。试验完成后对数据进行对齐处理，筛选有效事件后计算CO、NOX污染物的功基窗口比排放，并计算燃油消耗量相关系数。测试结果见表4。

表4 PEMS试验结果

3.2 CO污染物排放结果分析

测试结果中，CO污染物排放功基窗口比排放平均值与第90%个功基窗口比排放值远低于法规要求值，CO污染物试验结果如图1所示。由图1可直观地看出，非道路四阶段装载机PEMS试验中CO污染物的排放值要远低于法规限值。另郭勇[4]和崔焕星等[5]均指出PEMS设备对CO排放测量重复性最差，CO测试结果相差可达5倍。即使如此，在发动机正常运行的前提下，CO污染物测试不通过的可能性极低。因此，生产厂家在进行排放自检时，如条件不允许，可不对CO污染物的排放情况进行测试。

图1 CO污染物试验结果

3.3 NOX污染物排放结果分析

3.3.1 运行工况对NOX污染物排放结果影响

发动机负荷与转速等会极大影响道路测试排放结果，为了能更好地分析装载机运行工况与NOX污染物排放的关系，分别对同一车辆不同运行工况下与不同车辆同一工况下的NOX污染物排放情况进行分析。首先根据表4试验结果中试验1～5可得#1试验车在不同工况下的NOX污染物排放趋势，如图2所示。

图2 #1试验车不同工况下的NOX污染物排放曲线

图2表明随工况变化，装载机NOX污染物排放情况不同，且相差较大。结合试验车辆路谱信息绘制发动机工况点云图，如图3所示。由图3可知，装载机的负荷率随轻载定效率空铲、轻载定效率铲装、重载定效率铲装、重载最高效率铲装工况依次呈递增趋势。因此结合图2和图3可知，非道路四阶段装载机NOX污染物排放值与装载机负荷率不呈相关关系。

图3 #1试验车PEMS试验发动机工况点云图

结合PEMS试验4、试验5对不同车辆同一工况下的NOX污染物排放情况进行分析。两次试验结果的对比见图4。由图4可知，随PEMS测试工况由重载定效率到重载最高效率工况变化时，#1试验车NOX比排放呈上升趋势，#2试验车呈下降趋势，即不同车辆同一工况下的NOX污染物排放情况不呈相同趋势。另张岳秋等[6]从法规及设备误差入手理论分析得出NOX排放的不确定度评定结果为5.02%，远低于本次试验的误差范围。因此无法根据PEMS试验工况与整车配置视同未经测试的非道路四阶段排放车辆的NOX污染物排放情况。

图4 试验4和试验5的NOX污染物排放情况对比

综上所述，非道路四阶段PEMS测试的NOX污染物排放情况会随装载机作业工况变化而不同，且差值较大，但与装载机负荷率并不呈相关关系；不同车辆NOX污染物排放情况随装载机负荷率变化呈现的趋势不同。因此，生产厂进行非道路四阶段装载机自检试验时，需对装载机所有可能用到的工况进行检验，且不可根据整车配置与试验工况条件视同不同系族车辆的NOX污染物排放情况。

3.3.2 铲装物料对NOX污染物排放结果影响

根据表5 PEMS试验6和试验7可得#3试验车以定效率铲装不同物料的NOX污染物排放情况。从结果看出，铲装物料变化会导致NOX污染物排放产生变化，结合道路柴油机，可推断NOX的排放与驾驶风格激烈程度没有明显规律[7]。但由于试验条件限制，未能对此问题进行过度研究。生产厂需对此多加注意。

3.4 燃油消耗量相关系数结果分析

非道路四阶段要求燃油消耗量相关系数r2≥0.8，然而从试验结果表4中可知，燃油消耗量相关系数变化较大，需要研究燃油消耗量相关系数的变化趋势。

3.4.1 燃油消耗量相关系数r2计算原理

计算燃油消耗量相关系数r2的目的是为了检查数据设备采集的排气质量与气体浓度的一致性，对利用ECU测量的燃油消耗量与碳平衡法计算的燃油消耗量间的相关性进行确认。使用最小二乘法，用公式(1)达到最好拟合，计算斜率和相关系数r2，要求相关系数r2≥0.8。

y=mx+b.

(1)

其中：y为计算油耗，g/s；m为回归线斜率；x为测量油耗，g/s；b为回归线的y截距。

根据碳平衡法确定燃油消耗量：

Q=0.115 5(0.866HC+0.429CO+0.273CO2)/ρ .

(2)

其中：Q为燃料消耗量，L/(100 km)；HC为测得的碳氢化合物排放量，g/km；CO为测得的一氧化碳排放量，g/km；CO2为测得的二氧化碳排放量，g/km；ρ为15 ℃下的燃料密度，kg/L。

3.4.2 燃油消耗量相关系数趋势分析

根据#1试验车PEMS试验2～试验5与#2试验车PEMS试验4和试验5的结果分析燃油消耗量相关系数。图5和图6分别为两车的燃油消耗量相关系数变化曲线。

图5 #1试验车燃油消耗量相关系数

图6 #2试验车燃油消耗量相关系数

由图5可知，#1试验车的燃油消耗量相关系数与发动机负荷率呈负相关关系。由图6可知，#2试验车的燃油消耗量相关系数与发动机负载率也呈现负相关关系，即随着装载机作业工况恶劣，试验测得的燃油消耗量相关系数降低。根据柴油机的标定策略，供油、供气及缸内热力氛围响应速率不一致是柴油机瞬态工况性能恶化的原因[8]，相比于车用柴油机相对稳定的工况，装载机常常处于油门突加突减工况，突加负荷达到稳态喷油量的过程中，若进气量没有达到稳定的设定值导致油气混合不均匀造成局部高温区增多，以及燃烧过程中未燃烧或燃烧不充分的HC窜入曲轴箱，以及燃油蒸汽增多使烟度值增大[9-12]，燃油消耗量相关系数相应降低。该结论仍需大量试验数据进行验证。