崔煥星，李 剛，季寶峰，劉 坤，劉順利，紀(jì) 亮

(1.濟(jì)南汽車(chē)檢測(cè)中心有限公司，山東 濟(jì)南 250102;2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012;3.濟(jì)南市機(jī)動(dòng)車(chē)污染防治監(jiān)控中心，山東 濟(jì)南 250101)

0 引 言

按照我國(guó)及以往歐盟（EU）非道路柴油機(jī)排放控制標(biāo)準(zhǔn)要求，非道路柴油機(jī)進(jìn)行型式檢驗(yàn)時(shí)僅需使用非道路穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)（non-road steady-state test cycle，NRSC）進(jìn)行穩(wěn)態(tài)排放測(cè)試[1-2]，以驗(yàn)證其污染物排放是否達(dá)標(biāo)，但EU Stage V引入斜坡測(cè)試循環(huán)（ramped modal test cycle，RMC），且新增顆粒物數(shù)量排放測(cè)試要求[3]。

RMC改變了NRSC離散的測(cè)試模式，將每個(gè)測(cè)試工況串聯(lián)起來(lái)，在整個(gè)測(cè)試循環(huán)中對(duì)污染物連續(xù)采樣。鑒于我國(guó)非道路排放控制標(biāo)準(zhǔn)一直與EU標(biāo)準(zhǔn)體系相近[4]，為掌握RMC在測(cè)試過(guò)程、技術(shù)要求、結(jié)果及其影響因素等方面的不同，本文選取一臺(tái)非道路柴油機(jī)在測(cè)試臺(tái)架上分別運(yùn)行兩種循環(huán)，對(duì)比分析了兩者差異，尤其是顆粒物數(shù)量（particulate number，PN）測(cè)試差異及影響因素，為我國(guó)第五階段非道路移動(dòng)機(jī)械污染排放標(biāo)準(zhǔn)引入RMC，及制定測(cè)試規(guī)程提供理論支撐。

1 測(cè)試循環(huán)及配置

1.1 測(cè)試循環(huán)

NRSC由多個(gè)設(shè)定柴油機(jī)轉(zhuǎn)速及負(fù)載的離散工況組成，涵蓋非道路柴油機(jī)的典型運(yùn)行區(qū)域，包含8 mode、5 mode、6 mode 3 種測(cè)試，分別與 ISO 8178中的C1、D2、G2測(cè)試循環(huán)相對(duì)應(yīng)[5]，如表1所示。其中，C1循環(huán)適用非恒定轉(zhuǎn)速柴油機(jī)的排放測(cè)試，應(yīng)用最多，而D2循環(huán)適用恒定轉(zhuǎn)速柴油機(jī)，19 kW以下的非恒速柴油機(jī)還可以選用G2循環(huán)[6]。

NRSC的每個(gè)測(cè)試工況運(yùn)行至少10 min，其中至少5 min用于穩(wěn)定柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，每個(gè)工況結(jié)束前的1～3 min用于排氣污染物取樣[7]。

表1 NRSC測(cè)試循環(huán)參數(shù)設(shè)置

RMC同樣由多個(gè)工況點(diǎn)組成，與NRSC的C1、D2、G2循環(huán)相對(duì)應(yīng)，但測(cè)試過(guò)程以一種偽瞬態(tài)方式進(jìn)行，柴油機(jī)由臺(tái)架控制單元持續(xù)控制，在(20±1) s內(nèi)線性過(guò)渡到下一測(cè)試工況點(diǎn)，不間斷對(duì)排氣污染物采樣，如表2所示。

此外，相比于NRSC，RMC增加一個(gè)怠速工況，工況間的過(guò)渡時(shí)間計(jì)入下一測(cè)試工況用時(shí)，每個(gè)工況與前一次過(guò)渡的總時(shí)間與NRSC不同工況權(quán)重相對(duì)應(yīng)。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)特性及試驗(yàn)室配置

試驗(yàn)用測(cè)控系統(tǒng)及污染物采集分析系統(tǒng)分別為奧地利AVL公司、日本Horiba公司生產(chǎn)，可滿足歐洲車(chē)用 Stage VI階段的測(cè)試要求，設(shè)備清單如表3所示，試驗(yàn)用柴油機(jī)的性能參數(shù)如表4所示。

表2 RMC測(cè)試循環(huán)參數(shù)設(shè)置（以C1循環(huán)為例）

表3 測(cè)試設(shè)備清單

表4 試驗(yàn)用柴油機(jī)性能參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

依據(jù)EU 2016/1628的測(cè)試規(guī)程，柴油機(jī)在經(jīng)過(guò)熱機(jī)—外特性測(cè)試—預(yù)處理—C1循環(huán)—數(shù)據(jù)校核及評(píng)估后，得到兩種不同測(cè)試循環(huán)的柴油機(jī)運(yùn)行曲線如圖1所示。

圖1 柴油機(jī)運(yùn)行曲線

由圖可知，根據(jù)柴油機(jī)功率段，按照標(biāo)準(zhǔn)要求需進(jìn)行C1循環(huán)的測(cè)試，NRSC循環(huán)的每個(gè)測(cè)試工況運(yùn)行10 min，其中前7 min用于穩(wěn)定柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，后3 min用于數(shù)據(jù)測(cè)試，評(píng)估排放結(jié)果，測(cè)試共計(jì)4 800 s。而RMC對(duì)各工況的過(guò)渡時(shí)間提出了限制，剔除了各工況測(cè)試前的穩(wěn)定時(shí)間，提高了對(duì)柴油機(jī)性能要求，測(cè)試時(shí)間如表2所示，共計(jì)1 800 s。測(cè)試前調(diào)整進(jìn)氣（溫度、濕度、阻力）、排氣背壓、中冷壓力、中冷溫度等參數(shù)，降低邊界條件對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

2.1 污染物排放結(jié)果

NRSC需單獨(dú)計(jì)算每個(gè)工況的污染物排放量，然后乘以各自權(quán)重得到測(cè)試循環(huán)的排放總量，如下式所示：

式中：egas——各氣態(tài)污染物比排放量，g/kWh；

qmgas,i——每個(gè)工況的氣態(tài)污染物瞬時(shí)排放速率，g/h；

Pi——每個(gè)工況的柴油機(jī)功率，kW；

WFi——每個(gè)工況的權(quán)重；

Nmode——測(cè)試工況；

ePM——顆粒物比排放量，g/kWh；

qmPM——顆粒物質(zhì)量排放速率，g/h。

RMC則是將整個(gè)測(cè)試循環(huán)的污染物排放進(jìn)行累積，而后除以該循環(huán)下的柴油機(jī)做功得到各污染物排放總量，如下式所示：

式中：mgas——?dú)鈶B(tài)污染物的循環(huán)總排放量，g/test；

Wact——柴油機(jī)實(shí)測(cè)循環(huán)做功，kWh；

mPM——顆粒物的循環(huán)總排放量，g/test。

每循環(huán)各進(jìn)行3次測(cè)試，采用t檢驗(yàn)將兩個(gè)測(cè)試循環(huán)的排放結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，分析排放結(jié)果與平均值之間的差異性[8-10]。t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為：

式中：——配對(duì)樣本差值平均值；

sd——配對(duì)樣本差值的標(biāo)準(zhǔn)偏差；

n——樣本總數(shù)[11]。

由此計(jì)算得到，各污染物排放結(jié)果及其95%置信區(qū)間如圖2所示。

圖2 兩種不同的污染排放測(cè)試結(jié)果

對(duì)應(yīng)功率段的歐洲第五階段排放限值如表5所示[12]。對(duì)比兩種測(cè)試循環(huán)的結(jié)果，除PN外，其余各污染物排放均低于限值，由于使用了DPF，顆粒物質(zhì)量（particular mass，PM）排放更是低于限值 50% 以下（NRSC 測(cè)試均值：0.003 g/kWh；RMC 測(cè)試均值：0.006 g/kWh）。對(duì)比各污染物95%置信區(qū)間，由圖2可以看出，RMC測(cè)試循環(huán)的排放結(jié)果置信區(qū)間更窄，意味著測(cè)試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差越?。ㄈ绫?所示），重復(fù)性更好。

表5 EU Stage V污染物排放限值

表6 各污染物排放測(cè)試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差

2.2 排氣溫度

兩種測(cè)試循環(huán)的SCR出口的排氣溫度如圖3所示。

對(duì)SCR系統(tǒng)，當(dāng)SCR出口排氣溫度在280～450 ℃[13-14]時(shí)的NOx轉(zhuǎn)化效率最高，根據(jù)圖3所示，由于均屬于熱態(tài)測(cè)試循環(huán)，兩種測(cè)試循環(huán)的柴油機(jī)排氣溫度均可使SCR對(duì)NOx進(jìn)行高效轉(zhuǎn)化，這也是導(dǎo)致NOx排放結(jié)果沒(méi)有較大差異的原因。

不同于氣態(tài)污染物，兩種測(cè)試循環(huán)的顆粒物測(cè)試結(jié)果偏差較大。首先，加裝DPF可以將PM排放量降至毫克級(jí)，RMC較于NRSC延長(zhǎng)了采樣時(shí)間，可以使基于濾紙累積質(zhì)量的采樣系統(tǒng)積累更多顆粒物，減小因微量天平測(cè)試精度帶來(lái)的稱量誤差。其次，為避免排氣溫度在測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)突變，RMC調(diào)整部分工況測(cè)試順序，整個(gè)循環(huán)排氣溫度要低于NRSC，同時(shí)增加了一個(gè)怠速工況測(cè)試，使得PM測(cè)試結(jié)果相對(duì)較高。

圖3 SCR出口排氣溫度

對(duì)PN排放，RMC測(cè)量結(jié)要低于NRSC，PN瞬時(shí)排放速率與柴油機(jī)功率如圖4所示。

由于NRSC的污染物采樣非連續(xù)，從圖4中可以看出，NRSC循環(huán)下的PN瞬時(shí)排放速率在采樣管閥門(mén)開(kāi)啟及關(guān)閉瞬間出現(xiàn)峰值，這主要與PN采樣及測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間有關(guān)。柴油機(jī)排氣在進(jìn)入PN探測(cè)器之前，需經(jīng)CVS系統(tǒng)進(jìn)行稀釋?zhuān)蠼?jīng)計(jì)量系統(tǒng)的PCF（旋風(fēng)分離器）去除2.5 μm以上的粒子，ET（加熱汽化管）加熱至 300～400 ℃ 汽化排氣中的揮發(fā)性成分[15]。在采樣閥門(mén)開(kāi)啟瞬間，稀釋系統(tǒng)及計(jì)量系統(tǒng)需要一定響應(yīng)時(shí)間，盡管這個(gè)時(shí)間很短，但混合不均勻的排氣極易摻雜可溶性揮發(fā)成分進(jìn)入到CPC（顆粒物數(shù)量計(jì)數(shù)器），導(dǎo)致PN瞬時(shí)排放速率突增。

圖4 顆粒物數(shù)量瞬時(shí)排放速率

而采樣閥門(mén)關(guān)閉時(shí)出現(xiàn)的峰值主要是由于閥門(mén)完全關(guān)閉相對(duì)滯后，此時(shí)柴油機(jī)已處于工況轉(zhuǎn)換階段，燃燒室內(nèi)的混合氣不均勻，過(guò)量空氣系數(shù)下降，燃燒不完全生成的PN增加[16]，這也與RMC測(cè)試循環(huán)的PN瞬時(shí)排放速率在柴油機(jī)工況轉(zhuǎn)換時(shí)顯著上升相符。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)兩種穩(wěn)態(tài)排放循環(huán)測(cè)試結(jié)果的分析、對(duì)比，可以得出：

1）NRSC采樣過(guò)程存在占空比，使用RMC可以更加有效地對(duì)污染物排放進(jìn)行采樣，特別是在DPF發(fā)生再生期間，提高了測(cè)試結(jié)果可重復(fù)性。

2）DOC可以通過(guò)降低THC排放，促使SOF氧化，間接降低顆粒物排放[17]，從測(cè)試結(jié)果上看，RMC測(cè)得THC的95%置信區(qū)間更窄，降低了THC排放可變性，也使測(cè)試結(jié)果得到一定程度提高。

3）在柴油機(jī)運(yùn)行工況發(fā)生轉(zhuǎn)變以及持續(xù)高速低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，空氣過(guò)量系數(shù)降低，油氣混合不均勻，濃度升高，PN瞬時(shí)排放速率明顯升高。

4）選用NRSC測(cè)試PN時(shí)，采樣系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大，建議PN采樣選用與氣體采樣相同的持續(xù)測(cè)量方式，選取中間穩(wěn)定數(shù)據(jù)參與排放結(jié)果計(jì)算。

5）現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)基于質(zhì)量法測(cè)試和評(píng)估顆粒物排放[18]。從排放結(jié)果可以看出，盡管PM排放限值已經(jīng)很低，但細(xì)顆粒物數(shù)量依然很大。由于細(xì)顆粒物粒徑小，活性強(qiáng)，極易吸附有毒物質(zhì)，危害人體健康。因此，應(yīng)將顆粒物管控重點(diǎn)逐步向PN轉(zhuǎn)移，進(jìn)一步削減細(xì)顆粒物排放。