趙增亮 徐行軍

（廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，玉林 537000）

非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)往往功率很大，具有使用功率范圍廣、油品質(zhì)量差等特點(diǎn)，在其使用過程中面臨著數(shù)量難以確定、流動性大、監(jiān)管難等問題。2019 非道路移動機(jī)械HC、NOx、PM 的排放量分別為435 000 t、4 933 000 t、240 000 t，其中NOx的排放量接近機(jī)動車，PM 的排放量已經(jīng)超過機(jī)動車，可見非道路移動機(jī)械排放對環(huán)境質(zhì)量有顯著影響[1]。

研究結(jié)果表明，在各種控制非道路移動機(jī)械排放、改善環(huán)境質(zhì)量的技術(shù)和措施中，提升排放標(biāo)準(zhǔn)被認(rèn)為是最有效的方法之一。世界各國先后制定了限值不同的排放標(biāo)準(zhǔn)，2008 年起，美國開始實施第四階段排放標(biāo)準(zhǔn)，歐盟于2019 年開始實施第五階段排放標(biāo)準(zhǔn)（簡稱“歐V”），印度于2021 年執(zhí)行非道路四階段排放法規(guī)（簡稱“印IV”），并不斷更新實施的排放標(biāo)準(zhǔn)，逐步降低了排放限值，有效減少了污染物的排放。2020 年12 月中國生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了非道路柴油移動機(jī)械第四階段的污染控制技術(shù)要求，即《非道路柴油移動機(jī)械污染物排放控制技術(shù)要求》（簡稱“中國國IV”）。該標(biāo)準(zhǔn)是在新《大氣污染防治法》實施后，第一個對新生產(chǎn)非道路柴油移動機(jī)械提出技術(shù)要求的標(biāo)準(zhǔn)，其中詳細(xì)規(guī)定了第四階段非道路柴油移動機(jī)械應(yīng)該滿足的技術(shù)要求[2]。法規(guī)增加了機(jī)械的控制要求，并在中國非道路法規(guī)中首次引入NOx控制診斷系統(tǒng)（NOxControl Diagnostic system，NCD）和顆粒物控制診斷系統(tǒng)（Particulate Control Diagnostic system，PCD）的技術(shù)要求。

NCD/PCD 系統(tǒng)能夠通過計算機(jī)存儲器中存儲的故障代碼識別出車輛發(fā)生故障的區(qū)域。當(dāng)非道路機(jī)械的動力系統(tǒng)或排放控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，有可能導(dǎo)致排氣污染物排放量超過排放閾值或故障危及到車輛行駛安全時，會激活駕駛員報警系統(tǒng)，以提醒駕駛員。NCD/PCD 系統(tǒng)能控制和降低排放，減少維修成本，方便車輛故障的診斷和維修。歐V 非道路排放法規(guī)中規(guī)定了NCD/PCD 具體要求，印IV 法規(guī)僅有NCD 相關(guān)要求，中國非道路四階段的NCD/PCD 相關(guān)要求與歐V 和印IV 有所類似，但又有區(qū)別。HJ 1014—2020附錄C 和附錄D、歐V 法規(guī)補(bǔ)充文件（EU）2017/654附 件IV 附錄1-4、印IV 法規(guī)附件7 附錄9 中對NCD/PCD 進(jìn)行了詳細(xì)描述，包括一般要求、監(jiān)測內(nèi)容、駕駛員報警系統(tǒng)、駕駛性能限制系統(tǒng)和實驗驗證要求等。本文將對NCD/PCD 進(jìn)行詳細(xì)梳理與分析。

1 NCD/PCD 實驗循環(huán)及運(yùn)行環(huán)境條件

各地在制定法規(guī)時，結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H運(yùn)行狀態(tài)，對于NCD/PCD 運(yùn)行環(huán)境的要求不完全一致，如表1 所示。印IV 法規(guī)規(guī)定運(yùn)行環(huán)境水溫是0～42 ℃，無低溫相關(guān)要求；中國由于國土面積大，東西橫跨。高海拔地區(qū)分布廣泛，海拔運(yùn)行環(huán)境范圍更大。對于NCD/PCD 試驗循環(huán)規(guī)定非恒速機(jī)械為熱態(tài)NRTC 循環(huán)，恒速機(jī)械為NRSC，可針對某一特定監(jiān)測項使用替代的NCD 試驗循環(huán)，柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)提供技術(shù)考慮、模擬、試驗結(jié)果等要素來證明。

表1 NCD/PCD 運(yùn)行環(huán)境條件及實驗循環(huán)

當(dāng)監(jiān)控反應(yīng)劑還有存量時，不受以上環(huán)境條件約束，若是液態(tài)反應(yīng)劑，在未凍結(jié)時都要進(jìn)行監(jiān)測。行業(yè)內(nèi)大多使用尿素作為降低NOx的措施，但尿素在-11 ℃時會凍結(jié)。歐V 和中國國IV 針對反應(yīng)劑防凍，允許使用一個加熱或非加熱的反應(yīng)劑罐和反應(yīng)劑定量噴射系統(tǒng)，但使用帶加熱的反應(yīng)劑罐和噴射系統(tǒng)需在認(rèn)證時做解凍實驗，保證發(fā)動機(jī)運(yùn)行70 min 內(nèi)應(yīng)能夠正常使用，使用非加熱的反應(yīng)劑罐和噴射系統(tǒng)時，在-7 ℃及以下若無反應(yīng)劑供給應(yīng)激活駕駛員報警系統(tǒng)，70 min 內(nèi)激活嚴(yán)重性能限制系統(tǒng)。印IV 要求非加熱系統(tǒng)在0 ℃及以下溫度時要在70 min 內(nèi)能夠正常使用，否則應(yīng)激活報警系統(tǒng)和嚴(yán)重性能限制。

2 NCD/PCD 監(jiān)測要求

歐V、印IV、中國國IV 非道路排放法規(guī)中對于NCD/PCD 監(jiān)控內(nèi)容既有相同又有區(qū)別，詳見表2。監(jiān)控過程中，需要監(jiān)控反應(yīng)劑存量，且應(yīng)具有反應(yīng)劑存量指示標(biāo)識，當(dāng)反應(yīng)劑液位低于10%、2.5%或反應(yīng)劑存量為空時分別會觸發(fā)報警系統(tǒng)、激活初級性能限制、激活嚴(yán)重性能限制。柴油機(jī)企業(yè)開發(fā)此功能時，一般會增加液位傳感器，以便于實時監(jiān)控反應(yīng)劑存量。

反應(yīng)劑質(zhì)量異常通常使用最低可接受的反應(yīng)劑濃度CDmin來體現(xiàn)。中國國IV 法規(guī)規(guī)定：使用CDmin進(jìn)行排放測試時，尾氣NOx排放量應(yīng)不超過GB 20891—2014 表2 中規(guī)定的該功率段限值的2.25 倍，額定凈功率小于56 kW 的柴油機(jī)為該功率段HC+NOx限值的2.25 倍。歐V 和印IV 規(guī)定：測得的排放結(jié)果不能超過最小限值的2.25 倍，即限值+1.5 g?kW-1?h-1，對于具有HC+NOx組合排放限值的發(fā)動機(jī)，測得的NOx排放結(jié)果不得超過HC+NOx組合限值減0.19 g?kW-1?h-1的值[4-5]。

表2 NCD/PCD 監(jiān)控內(nèi)容對比

中國國IV 法規(guī)對于NCD/PCD 都要進(jìn)行監(jiān)控，并要求具備駕駛員報警系統(tǒng)和性能限制系統(tǒng)；歐V 法規(guī)對于NCD 要求具備駕駛員報警系統(tǒng)和性能限制系統(tǒng)，對于PCD 要求具備駕駛員報警系統(tǒng)，但無性能限制相關(guān)要求。印IV 法規(guī)排放限值中因無顆粒數(shù)要求，在進(jìn)行排放選擇時一般無需顆粒捕捉器（Diesel Particulate Filter，DPF），因此排放監(jiān)控僅要求NCD 系統(tǒng)，無PCD 相關(guān)規(guī)定。另外，針對防篡改要求，中國國IV 法規(guī)明確規(guī)定了裝有選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）的NCD 系統(tǒng)應(yīng)能通過NOx濃度傳感器監(jiān)測到SCR 后處理系統(tǒng)載體的完全移除，因此在進(jìn)行SCR 排放路線機(jī)型開發(fā)時必須使用NOx傳感器。歐V 和印IV 則沒有SCR后處理載體移除的明確規(guī)定。

為有效地監(jiān)管移動源，經(jīng)過多年的探索，我國總結(jié)出采用大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控的方式。大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控是實現(xiàn)有效監(jiān)管移動源最可行的辦法[2]。中國國IV 法規(guī)規(guī)定了車載終端應(yīng)發(fā)送的定位信息、發(fā)動機(jī)性能信息和排放關(guān)鍵零部件狀態(tài)信息等。環(huán)保部門可以通過遠(yuǎn)程終端讀取機(jī)械的實時運(yùn)行信息，以判斷機(jī)械的實際排放狀況、各項排放控制策略是否有效運(yùn)行和排放相關(guān)故障是否及時維修等。歐V 和印IV 法規(guī)中則沒有遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求。

歐V、印IV、中國國IV 對于初級和嚴(yán)重性能限制的要求一致，初級性能限制要求在柴油機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速之間，初級限制系統(tǒng)至少逐漸降低各轉(zhuǎn)速下最大可用柴油機(jī)扭矩的25%。在初級駕駛性能限制系統(tǒng)激活后，柴油機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速以下轉(zhuǎn)速段的轉(zhuǎn)矩不能超過轉(zhuǎn)矩限制后的峰值轉(zhuǎn)矩，如圖1 所示[3]。嚴(yán)重性能限制要求在柴油機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速之間的柴油機(jī)扭矩按照超過每分鐘1%的速率從初級限制扭矩逐漸降低至最大扭矩的50%，在扭矩降低的同時，柴油機(jī)（恒定轉(zhuǎn)速柴油機(jī)除外）轉(zhuǎn)速逐漸降低至額定轉(zhuǎn)速的60%，如圖2 所示[3]。

圖1 初級性能限制示意圖

圖2 嚴(yán)重性能限制示意圖

3 NCD/PCD 驗證要求

在進(jìn)行型式檢驗實驗時，歐V、印IV、中國國IV 法規(guī)規(guī)定的NCD 驗證內(nèi)容大致相同，在進(jìn)行駕駛員報警系統(tǒng)、初級性能限制、嚴(yán)重性能限制功能測試時，反應(yīng)劑不足是必檢項目，除此之外還要另選一故障進(jìn)行驗證，歐V、印IV、中國國IV NCD 驗證內(nèi)容如表3 所示。進(jìn)行中國國IV PCD 型式檢驗實驗時，需要進(jìn)行駕駛員報警系統(tǒng)、初級性能限制、嚴(yán)重性能限制功能測試，而且顆粒物后處理系統(tǒng)移除也是必檢項目，而歐V 型式檢驗實驗僅進(jìn)行駕駛員報警系統(tǒng)是否能夠激活，歐V、印IV、中國國IV NCD 驗證內(nèi)容如表4 所示。

表3 NCD 驗證內(nèi)容

表4 PCD 驗證內(nèi)容

4 結(jié)語

《非道路柴油移動機(jī)械污染物排放控制技術(shù)要求》首次將NCD/PCD 概念引入中國非道路排放法規(guī)，按照新排放法規(guī)的規(guī)定，中國市場將成為全球最嚴(yán)格管控地區(qū)之一，中國NCD/PCD 要求起步晚，但要求內(nèi)容多，其中定位與遠(yuǎn)程監(jiān)管、SCR 后處理載體移除是世界非道路行業(yè)首次納入法規(guī)體系監(jiān)管，駕駛性能限制比歐V 和印IV 要求更為嚴(yán)苛，使用范圍更廣。本文通過分析歐V、印IV、中國國IV 法規(guī)中關(guān)于NCD/PCD 的具體內(nèi)容與差異，對我國未來制定更高等級非道路排放法規(guī)有一定參考借鑒意義，有利于柴油機(jī)產(chǎn)品開發(fā)、認(rèn)證及出口方面提早開展技術(shù)儲備及規(guī)避一些排放風(fēng)險。