装载机排放试验方法研究

李建东，刘刚，王庆新，杨国政

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

近年来，国家排放标准日趋严格，2018年2月环境保护部公布了《非道路移动机械及其装用的柴油机污染物排放控制技术要求(征求意见稿)》[1]。目前新标准的正式发布和实施尚未确定，但是企业已感到巨大压力，因此研究非道路机械排放控制技术迫在眉睫[2-3]。

实施非道路移动机械排放标准，当前面临两个不可避免的问题：1)非道路机械生产厂商技术能力参差不齐，短时间内很多生厂商可能无法建立排放试验及评价能力[4-5]；2)发动机供应商面临客户多并且分散，无法对每个客户生产的所有非道路机械类型进行全面的排放评价[6]。因此，解决当前面临的这两大问题，既可以使发动机供应商更加放心的配套产品，又可以大大减轻非道路机械生产商的技术压力。

针对以上两个问题，本文中主要通过两方面开展研究：1)在国家标准要求的排放试验方法基础上，优化排放试验方法，既可以缩短试验时间，又能准确评价试验结果。2)在不借助排放设备的情况下，通过采集车辆运行工况点的主要参数，结合发动机开发过程相关数据判断排放结果[7]。

非道路车辆主要包括装载机、挖掘机、叉车、推土机、收割机、拖拉机、压路机等。每一种非道路车辆都有不同的典型作业工况[8]。非道路排放标准规定的排放试验方法为典型工况作业，要求累积功达到柴油机非道路瞬态循环(non-road transient cycle,NRTC)功的5～7倍或试验时间达到2 h，有效功基窗口占所有功基窗口的50%以上[9-11]。本文中以搭配某厂家162 kW发动机的5 t装载机为主要研究对象，对装载机的排放试验方法进行优化分析。

1 试验方法

试验用装载机参数如表1所示，发动机参数如表2所示，非道路四阶段标准对不同功率段发动机对应的NOx排放物限值要求如表3所示。

表1 装载机参数

表2 发动机参数

表3 NOx排放限值要求

1.1 装载机排放试验方法

装载机铲装物料，按V形方式进行作业，如图1所示。具体试验步骤如表4所示，装载机以行走状态行驶到指定位置铲装物料—全油门铲装物料—切换到后退，通过启动位置按V字形向卸载物料方向行进—铲斗举升最大高度卸载物料。铲装物料和装载位置的角度为60°，运输距离为一个整车长度。

表4 V型作业步骤

1.2 满载最大效率作业

满载最大效率作业为装载机在前进与后退时保持油门到底，全速运行。该工况下发动机主要运行在外特性区域，最大效率作业工况如图2所示。

1.3 满载等效率作业

满载等效率作业为装载机在前进与后退保持部分油门开度，匀速行驶，该工况下发动机主要运行在部分负荷区域，等效率作业工况如图3所示。

2 试验结果分析

2.1 SCR上游温度

根据试验结果分析，试验开始后选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)上游排温在5 min之内迅速上升到最高温度且保持稳定，SCR上游温度提升变化如图4所示。

由图4可知，最大效率作业工况下，在0～300 s，SCR上游排温由140 ℃逐渐上升至320 ℃，之后保持稳定；等效率作业工况下，在0～300 s，SCR上游排温从140 ℃逐渐上升至280 ℃并保持稳定。在SCR上游排温保持稳定后，每个作业循环的累积功、尿素喷射量、尿素转化效率等基本保持稳定，因此形成的每一个功基窗口比排放值基本保持不变[12-13]。

2.2 功基窗口NOx比排放

开始阶段，尿素不喷射，功基窗口NOx比排放较高，随后窗口值迅速减小，并在小范围内波动，功基窗口变化趋势如图5所示。按照文献[1]要求，满足限值的功基窗口百分比不小于90%，因此形成的有效功基窗口越多，后面的有效功基窗口比排放值相对越小，在达到足够数量的有效功基窗口后，功基窗口值基本保持稳定。由此可以判断，在功基窗口的NOx比排放可以充分体现当前发动机的状态后，此后形成的功基窗口值保持稳定。用稳定后的功基窗口判断此后形成的功基窗口也在该范围内。

3 试验结果推导

3.1 NRTC循环功倍数与NOx比排放关系

NRTC循环功是一个NRTC循环试验的累积功，一个NRTC循环试验包括1238个逐秒变化的瞬态工况点。NRTC循环功倍数是在进行一个完整的排放试验时，发动机在有效时间点内做的总功与NRTC循环功的比值。

本次试验测试最大效率作业实际4.23倍NRTC循环功倍数、等效率作业3.73倍实际NRTC循环功倍数的NOx比排放。根据上述试验结果分析，试验进行至300 s后SCR上游排温保持稳定，此后形成的每个功基窗口数值基本保持不变，所以可以认为NRTC循环功倍数增加或减少后试验结果基本保持不变，因此可以推测将试验时间缩短。最大效率工况试验时，将实测4.23倍NRTC循环功通过删除数据分别减小至2.97倍和1.74倍、通过复制数据增大至5.48倍和7.97倍，NOx比排放计算结果如图6所示(图中红点为4.23倍循环功倍数)。等效率工况试验时，将实测3.73倍NRTC循环功通过删除数据分别减少至2.77倍和1.83倍、通过复制数据增大至4.69倍和6.58倍，NOx比排放计算结果如图7所示(图中红点为3.73倍循环功倍数)。

由图6、7可知，在以实际测试NRTC循环功为基准相应增大一定比例后，NOx比排放基本保持不变，减少一定比例后，NOx比排放计算结果差异随减少比例的增加而增大，通过试验可知，NRTC循环功倍数保持在约2.8倍以上时，缩减比例的计算结果与未缩减时计算结果误差保持在3%以内。因此可以判断在NRTC循环功小于2.8倍时实测结果不能正确反映该机型的最终排放水平，但在NRTC循环功大于2.8倍后，实测结果可以反映该机型最终排放水平。

3.2 最小NRTC循环功倍数推导试验结果

NRTC循环功与NOx比排放关系如图8所示。将NRTC循环功倍数与当前的NOx比排放值对应，可以判断最终计算的比排放值对应的NRTC循环功倍数。当该窗口形成并保持稳定后，可以当前值判断最终结果。

由图8可知，在累积功为NRTC循环功的1.36倍时，当前窗口的比排放值与最终试验结果基本一致，可以以当前窗口为基础值，将NRTC循环功扩大到3倍后计算90% NOx功基窗口比排放值。

3.3 SCR上游排温与排放的关系

将最大效率作业与等效率作业视为装载机排放结果的上下边界条件，即最大作业效率排放值最低，等效率作业排放值最高。对应的SCR上游稳定排温分别为320 ℃和280 ℃，对应的NOx比排放值分别为0.40 g/(kW·h)(图6红色点数值)和0.81 g/(kW·h)(图7红色点数值)。对于已经定型的数据和车型，在一台车上将最大值与最小值确定后，对应的SCR上游排温范围即确定。如果同时有较多同样数据同样车型的车进行排放试验时，可以只通过判断试验中SCR上游排温的范围来确定排放是否合格。

因此,对一台使用文中数据的某生产厂家的5 t装载机，评价其排放水平时，可以以任何物料以等效率工况作业，通过采集其SCR上游排温等发动机数据判断排放是否合格。如果稳定后SCR上游排温高于280 ℃，则可以判断排放合格，并且可以认为NOx排放值在0.81 g/(kW·h)以下。

4 结论

本文中论述了在非道路机械进行排放试验存在较大难度时快速有效的缩短试验时间并准确判断试验结果的方法。在分析装载机排放试验的基础上，提出了缩短NRTC循环功和稳定功基窗口推导的方式确定最终结果，从而大大缩减试验时间，并使推导结果与实测结果误差在3%以内，满足误差要求。通过试验得出如下结论。

1)NOx排放值在NRTC循环功的3倍和5～7倍时排放结果基本一致，可将试验时累积功倍数缩减至NRTC循环功的3倍。

2)将NRTC循环功缩减至1.5倍时，可利用1.5倍NRTC循环功数据形成的有效功基窗口值作为最终结果。

3)对于配置相同、数据相同的车辆，可以只通过SCR上游排温的范围判断排放是否合格。