台架模拟非道路移动机械车载法排放试验的方法研究

专家推荐语

随着排放法规对于非道路移动机械排放污染物的要求日益严格，最新法规中提出了车载法排放测试要求，目的是确定非道路移动机械在实际作业工况下的污染物排放情况。

《台架模拟非道路移动机械车载法排放试验的方法研究》一文提出了一种在发动机台架上模拟非道路移动机械车载法排放试验的方法，并进行了测试验证，为非道路移动机械车载法排放的开发调试提供了一种新的思路和方法。

按GB20891-2014法规中附件BE（NRTC试验循环中发动机测功机的设定规范）中规定有NRTC的转速及扭矩设定值要求。目前的发动机台架（动态功能）能够在台架上实现NRTC试验循环，可在台架上直接针对NRTC循环进行排放调试。

台架模拟非道路移动机械车载法排放试验的方法研究

杨俊1，张晏飞2，陈曦1，刘尧武1，解亮1

（1.国家汽车质量监督检验中心(襄阳)，襄阳441004；2.东风康明斯发动机有限公司，襄阳441004）

摘 要： 为了缩短非道路移动机械车载法排放测试的开发周期，本文提出了一种相对简单高效的方法。通过采集非道路移动机械一段时间内的实际作业工况，将其转化为满足标准要求的一组转速和扭矩值，根据这组数据在发动机台架上编制自动循环程序来模拟非道路移动机械实际作业过程中的发动机工况，同时测量该过程中排气污染物，可以计算得到发动机台架模拟的车载法排放测试结果。

关键词：非道路移动机械；车载法排放测试；台架模拟；排气污染物

随着非道路移动机械排放法规的要求日益严格，最新法规中提出了车载法排放测试要求。非道路移动机械车载法排放测试，即在非道路移动机械上安装便携式排放测试设备（PEMS），在非道路移动机械实际作业的过程中进行排放测试。非道路移动机械实际作业过程中柴油机运行工况复杂，同一型号柴油机可能应用于多种类型的非道路移动机械，进一步提高了柴油机运行工况的复杂性，导致台架试验循环（NRSC、NRTC等）已不能完全覆盖非道路移动机械用柴油机实际运行工况。为确保非道路移动机械排放全面达标，完成柴油机NRSC、NRTC等循环台架排放调试后需进行非道路移动机械实际作业工况下的排放调试。

由于非道路移动机械类型多，应用范围广，在其实际作业过程中进行排放调试时环境较差，工作负荷大，开发周期较长[1]。为减少在户外进行非道路移动机械实际作业工况下排放调试的时长，缩短产品开发周期，本文提出了一种用发动机台架模拟非道路移动机械车载法排放试验的方法。该方法采用在台架上运行已采集的非道路移动机械实际作业过程中柴油机工况并使用试验室设备同步进行污染物测试的方式，模拟进行非道路移动机械实际作业工况下的排放试验。

方法介绍

试验方法

在发动机台架上模拟非道路移动机械车载法排放试验的方法如下：

•  第一步：连接开发调试用电脑至发动机ECU,在台架上测试并记录发动机的外特性数据，对比台架测量和ECU中读取的转速和扭矩的差异，做好修正，消除不同设备对测量结果的影响。后将发动机安装于其所匹配的非道路移动机械上，使用开发调试电脑连接发动机ECU，采集非道路移动机械一段时间内实际作业过程中发动机运行数据（主要是转速和负荷率）和作业现场的环境条件数据，采集频率为1Hz，取1s内平均值。

•  第二步：将第一步采集数据中的负荷率换算成扭矩值：将第一步数据中同一组内转速（A1、A2、A3……An）对应的实际作业负荷率（B1、B2、B3……Bn）乘以该转速下台架外特性数据中的最大扭矩值（C1、C2、C3……Cn）得到各个转速下负荷率对应的扭矩值（D1、D2、D3……Dn）。处理后的一组数据包含n对发动机转速和扭矩数据。

•  第三步：以第二步中处理后的一组数据作为一个具有代表性的循环工况，计算累积功和有效功基窗口占比。非道路移动机械车载法排放测试工况的累计功应等于5-7倍NRTC试验循环功，有效功基窗口占比应大于50%。若累积功和有效功基窗口占比二者有一项不满足要求则应调整采集作业工况时间长度或机械的作业负荷，直到得到一组满足要求的发动机工况数据。

•  第四步：将发动机重新安装在台架上，使用第三步中判断满足条件后的数据在发动机台架控制电脑中编制自动运行程序。

•  第五步：发动机按照自动程序中的工况逐秒运行。同时台架测试设备测量并记录发动机的排气污染物等数据，计算得到排放值即为发动机台架模拟非道路移动机械车载法排放试验结果。

•  第六步：判断台架模拟结果是否满足开发要求，若满足则进行实际车载法排放试验；若不满足则调整发动机标定后重复第一到第五步，直至排放结果满足开发目标。

为了确保采用以上方法能全面的模拟机械实际作业过程的各种工况，在第一步中可采集多段机械在不同条件下（负荷，环境等）实际作业的工况数据，使得第三步中可得到多组满足要求的数据。


图1 发动机台架模拟非道路移动机械车载法排放开发调试流程图

验证方法

•  试验对象及设备

本次验证使用的发动机是一款非道路第三阶段电控柴油机，发动机主要参数见表1。主要设备信息见表2。

表1 发动机基本参数


表2 主要设备信息


•  验证方案

对台架模拟非道路移动机械车载法排放试验方法的验证应包括两方面：

1）能否在台架上准确再现非道路移动机械作业过程的复杂工况

将验证试验用发动机分别安装至空压机、清扫车辅机、水平定向钻、拖拉机4种机械上，按照上述方法得到机械实际作业工况下发动机的数据和在台架上模拟该机械实际作业工况的发动机数据。分析对比以上两组数据，重点关注转速和扭矩的跟随响应以及循环功的偏差。

2）测得排放结果与非道路移动机械实际车载法排放测试结果的一致性

以空压机为例，通过计算NOx排放结果来比较实际车载法排放结果与台架模拟车载法排放结果的偏差，从而验证台架模拟非道路移动机械车载法排放试验结果精确度。

结果及分析

工况验证结果及分析

各机械台架模拟与实际作业转速扭矩响应和循环功对比如下所示：

表3 各机械台架模拟与实际作业转速扭矩对比


表4 各机械台架模拟与实际作业循环功对比


上表所示，各机械在台架模拟与实际作业工况下发动机转速和扭矩曲线几乎完全重合，计算得到累积功偏差在±1.5%以内，这表明采用本文设计的方法可在台架上精确模拟非道路移动机械实际作业过程中发动机的运行工况。

排放验证结果及分析

空压机实际作业车载法排放试验结果与台架模拟车载法排放试验的结果对比如下表所示。

表5 空压机实际作业与台架模拟车载法排放试验结果对比


计算结果显示，实际作业时90%有效窗口的NOx比排放值比台架模拟结果大9.98%[2]。分析台架模拟测试过程与空压机实际作业过程试验数据发现，差异的主要影响因素为进气湿度（实际作业过程空气湿度即为进气湿度）和中冷后温度，具体如下：


图2 空压机作业与台架模拟测试中冷后温度差异


图3 空压机作业与台架模拟测试进气湿度差异

中冷后温两者变化趋势相同，实际作业比台架模拟的中冷后温高2～5℃。进气湿度偏差较明显，实际作业时进气相对湿度比较稳定约为61%，而台架模拟时进气相对湿度在39.5%～52.0%间波动。进气湿度和中冷后温度会显著影响柴油机的NOx排放[3]，随着中冷后温度的升高，进气密度降低，进气量减少，峰值燃烧温度升高，可以促进NOx的生成，所以NOx排放随着中冷后温度的升高而增加；随着温度的增高，气体的相对湿度下降，而绝对湿度升高，气缸中均质的含水量增大，由于水分蒸发吸收大量热量降低了缸内温度，抑制了NOx的生成[4]。研究表明，进气绝对湿度增加1g/kg，NOx浓度降低20ppm以上[5]。据此可知，台架模拟与实际作业的排放结果具有一定的相关性，可根据外部控制条件的变化来判断排放结果的变化趋势。

因此，为了保证台架模拟结果的准确性，需要确保发动机台架外部条件的控制（如进气温/湿度、环境温度、大气压力、海拔高度），边界条件的控制（如进气阻力、排气背压、中冷后温度、中冷系统压降）以及发动机和后处理的状态与其在非道路移动机械车载法排放测试时保持一致。

结  论

在除高原、高寒、高温等极端气候条件的一般环境下，采用本文研究的方法可在发动机台架上精确模拟非道路移动机械实际作业过程中发动机的工况。为使台架测试与实际作业的排放结果更加一致，需要在发动机台架上精准地模拟非道路移动机械实际作业过程中的中冷后温和进气湿度等条件。

参考文献
[1]肖军.非道路移动机械动力排放污染的控制和治理[J].汽车工业研究，2017，（1）:36-40

[2]刘坤等.基于功基窗口法的拖拉机典型工况排放特性研究[J].农业装备与车辆工程，2019，57（6）:8-10

[3]李紫帝.进气中冷温度对柴油机NOx排放性能的影响[J].车辆与动力技术，2016，（4）:4-58.

[4]于海鸽.测试系统参数对发动机排放结果的影响研究[D].重庆:重庆理工大学，2015.

[5]邢居真.测试系统参数对车用发动机排放的影响研究[D].武汉:武汉理工大学，2009