非道路柴油移动机械NCD/PCD 解读与分析

赵增亮 徐行军

（广西玉柴机器股份有限公司，玉林 537000）

非道路移动机械用柴油机往往功率很大，具有使用功率范围广、油品质量差等特点，在其使用过程中面临着数量难以确定、流动性大、监管难等问题。2019 非道路移动机械HC、NOx、PM 的排放量分别为435 000 t、4 933 000 t、240 000 t，其中NOx的排放量接近机动车，PM 的排放量已经超过机动车，可见非道路移动机械排放对环境质量有显著影响[1]。

研究结果表明，在各种控制非道路移动机械排放、改善环境质量的技术和措施中，提升排放标准被认为是最有效的方法之一。世界各国先后制定了限值不同的排放标准，2008 年起，美国开始实施第四阶段排放标准，欧盟于2019 年开始实施第五阶段排放标准（简称“欧V”），印度于2021 年执行非道路四阶段排放法规（简称“印IV”），并不断更新实施的排放标准，逐步降低了排放限值，有效减少了污染物的排放。2020 年12 月中国生态环境部发布了非道路柴油移动机械第四阶段的污染控制技术要求，即《非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求》（简称“中国国IV”）。该标准是在新《大气污染防治法》实施后，第一个对新生产非道路柴油移动机械提出技术要求的标准，其中详细规定了第四阶段非道路柴油移动机械应该满足的技术要求[2]。法规增加了机械的控制要求，并在中国非道路法规中首次引入NOx控制诊断系统（NOxControl Diagnostic system，NCD）和颗粒物控制诊断系统（Particulate Control Diagnostic system，PCD）的技术要求。

NCD/PCD 系统能够通过计算机存储器中存储的故障代码识别出车辆发生故障的区域。当非道路机械的动力系统或排放控制系统出现故障，有可能导致排气污染物排放量超过排放阈值或故障危及到车辆行驶安全时，会激活驾驶员报警系统，以提醒驾驶员。NCD/PCD 系统能控制和降低排放，减少维修成本，方便车辆故障的诊断和维修。欧V 非道路排放法规中规定了NCD/PCD 具体要求，印IV 法规仅有NCD 相关要求，中国非道路四阶段的NCD/PCD 相关要求与欧V 和印IV 有所类似，但又有区别。HJ 1014—2020附录C 和附录D、欧V 法规补充文件（EU）2017/654附 件IV 附录1-4、印IV 法规附件7 附录9 中对NCD/PCD 进行了详细描述，包括一般要求、监测内容、驾驶员报警系统、驾驶性能限制系统和实验验证要求等。本文将对NCD/PCD 进行详细梳理与分析。

1 NCD/PCD 实验循环及运行环境条件

各地在制定法规时，结合当地实际运行状态，对于NCD/PCD 运行环境的要求不完全一致，如表1 所示。印IV 法规规定运行环境水温是0～42 ℃，无低温相关要求；中国由于国土面积大，东西横跨。高海拔地区分布广泛，海拔运行环境范围更大。对于NCD/PCD 试验循环规定非恒速机械为热态NRTC 循环，恒速机械为NRSC，可针对某一特定监测项使用替代的NCD 试验循环，柴油机生产企业应提供技术考虑、模拟、试验结果等要素来证明。

表1 NCD/PCD 运行环境条件及实验循环

当监控反应剂还有存量时，不受以上环境条件约束，若是液态反应剂，在未冻结时都要进行监测。行业内大多使用尿素作为降低NOx的措施，但尿素在-11 ℃时会冻结。欧V 和中国国IV 针对反应剂防冻，允许使用一个加热或非加热的反应剂罐和反应剂定量喷射系统，但使用带加热的反应剂罐和喷射系统需在认证时做解冻实验，保证发动机运行70 min 内应能够正常使用，使用非加热的反应剂罐和喷射系统时，在-7 ℃及以下若无反应剂供给应激活驾驶员报警系统，70 min 内激活严重性能限制系统。印IV 要求非加热系统在0 ℃及以下温度时要在70 min 内能够正常使用，否则应激活报警系统和严重性能限制。

2 NCD/PCD 监测要求

欧V、印IV、中国国IV 非道路排放法规中对于NCD/PCD 监控内容既有相同又有区别，详见表2。监控过程中，需要监控反应剂存量，且应具有反应剂存量指示标识，当反应剂液位低于10%、2.5%或反应剂存量为空时分别会触发报警系统、激活初级性能限制、激活严重性能限制。柴油机企业开发此功能时，一般会增加液位传感器，以便于实时监控反应剂存量。

反应剂质量异常通常使用最低可接受的反应剂浓度CDmin来体现。中国国IV 法规规定：使用CDmin进行排放测试时，尾气NOx排放量应不超过GB 20891—2014 表2 中规定的该功率段限值的2.25 倍，额定净功率小于56 kW 的柴油机为该功率段HC+NOx限值的2.25 倍。欧V 和印IV 规定：测得的排放结果不能超过最小限值的2.25 倍，即限值+1.5 g•kW-1•h-1，对于具有HC+NOx组合排放限值的发动机，测得的NOx排放结果不得超过HC+NOx组合限值减0.19 g•kW-1•h-1的值[4-5]。

表2 NCD/PCD 监控内容对比

中国国IV 法规对于NCD/PCD 都要进行监控，并要求具备驾驶员报警系统和性能限制系统；欧V 法规对于NCD 要求具备驾驶员报警系统和性能限制系统，对于PCD 要求具备驾驶员报警系统，但无性能限制相关要求。印IV 法规排放限值中因无颗粒数要求，在进行排放选择时一般无需颗粒捕捉器（Diesel Particulate Filter，DPF），因此排放监控仅要求NCD 系统，无PCD 相关规定。另外，针对防篡改要求，中国国IV 法规明确规定了装有选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，SCR）的NCD 系统应能通过NOx浓度传感器监测到SCR 后处理系统载体的完全移除，因此在进行SCR 排放路线机型开发时必须使用NOx传感器。欧V 和印IV 则没有SCR后处理载体移除的明确规定。

为有效地监管移动源，经过多年的探索，我国总结出采用大数据远程监控的方式。大数据远程监控是实现有效监管移动源最可行的办法[2]。中国国IV 法规规定了车载终端应发送的定位信息、发动机性能信息和排放关键零部件状态信息等。环保部门可以通过远程终端读取机械的实时运行信息，以判断机械的实际排放状况、各项排放控制策略是否有效运行和排放相关故障是否及时维修等。欧V 和印IV 法规中则没有远程监控的要求。

欧V、印IV、中国国IV 对于初级和严重性能限制的要求一致，初级性能限制要求在柴油机最大扭矩转速到额定转速之间，初级限制系统至少逐渐降低各转速下最大可用柴油机扭矩的25%。在初级驾驶性能限制系统激活后，柴油机峰值转矩转速以下转速段的转矩不能超过转矩限制后的峰值转矩，如图1 所示[3]。严重性能限制要求在柴油机最大扭矩转速到额定转速之间的柴油机扭矩按照超过每分钟1%的速率从初级限制扭矩逐渐降低至最大扭矩的50%，在扭矩降低的同时，柴油机（恒定转速柴油机除外）转速逐渐降低至额定转速的60%，如图2 所示[3]。

图1 初级性能限制示意图

图2 严重性能限制示意图

3 NCD/PCD 验证要求

在进行型式检验实验时，欧V、印IV、中国国IV 法规规定的NCD 验证内容大致相同，在进行驾驶员报警系统、初级性能限制、严重性能限制功能测试时，反应剂不足是必检项目，除此之外还要另选一故障进行验证，欧V、印IV、中国国IV NCD 验证内容如表3 所示。进行中国国IV PCD 型式检验实验时，需要进行驾驶员报警系统、初级性能限制、严重性能限制功能测试，而且颗粒物后处理系统移除也是必检项目，而欧V 型式检验实验仅进行驾驶员报警系统是否能够激活，欧V、印IV、中国国IV NCD 验证内容如表4 所示。

表3 NCD 验证内容

表4 PCD 验证内容

4 结语

《非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求》首次将NCD/PCD 概念引入中国非道路排放法规，按照新排放法规的规定，中国市场将成为全球最严格管控地区之一，中国NCD/PCD 要求起步晚，但要求内容多，其中定位与远程监管、SCR 后处理载体移除是世界非道路行业首次纳入法规体系监管，驾驶性能限制比欧V 和印IV 要求更为严苛，使用范围更广。本文通过分析欧V、印IV、中国国IV 法规中关于NCD/PCD 的具体内容与差异，对我国未来制定更高等级非道路排放法规有一定参考借鉴意义，有利于柴油机产品开发、认证及出口方面提早开展技术储备及规避一些排放风险。