非道路柴油机台架非循环排放（OCE）试验方法研究与实践

史 勖 阚 海 吴 宇

（国家机动车产品质量监督检验中心（上海） 上海 201805））

引言

非道路移动机械用柴油机应用领域广阔，是当前无法替代的移动机械领域的配套动力。另一方面，非道路柴油机也是不可忽视的污染物排放源[1-2]。柴油机废气中含有150～200种不同的化合物，其中对人危害最大的有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物及颗粒物[3]。《国家环境保护标准“十三五”发展规划》强调，加强非道路移动源污染防治，加严非道路移动机械等排放标准[4]。本文归纳、比较了欧洲排放法规及中国排放标准的试验方法，通过发动机台架试验，对中外不同的试验方法作了分析研究。

1 非道路柴油机台架非循环排放试验方法研究

我国相关标准中对于中重型车辆及非道路移动机械的排气污染物试验方法，有发动机台架工况法、整车转鼓工况法及车载法等，其中台架工况法有重复性好、准确度高等优点。

在联合国欧洲经济委员会相关法规（UNECE Regulation，以下简称欧洲法规）中，无论是车用柴油机还是非道路移动机械用柴油机的排气污染物台架试验，除了标准循环排放试验，还需要作非循环排放（Off-Cycle Emission，简称 OCE）试验。

这两种非循环排放试验，即车用柴油机WNTE试验与非道路柴油机的控制区排放试验，其方法各有异同。我国现行的相关标准中则没有非循环排放试验的要求。

1.1 我国非道路柴油机现行标准中的排气污染物试验要求

我国现行的非道路柴油机排放标准为2014年5月发布的GB 20891-2014《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段）》，该标准修改采用欧盟（EU）指令 97/68/EC（截止到修订版2004/26/EC）有关技术内容，规定了第三阶段非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值和测量方法，并提出了第四阶段的预告性要求[5]。

标准适用范围为0～560 kW的非道路柴油机。标准中对于排气污染物试验的要求为：国三阶段柴油机进行NRSC试验，国四阶段柴油机除了进行NRSC试验之外，额定净功率小于560 kW的非恒速柴油机还需进行NRTC试验（包含冷起动试验和热起动试验）。排放限值按照功率段进行区分，两个阶段的发动机在有效寿命内的排放限值分别如表1和表2所示。

表1 GB 20891-2014国三阶段排放限值g/（kW·h）

表2 GB 20891-2014国四阶段排放限值g（/kW·h）

2016年1月，环境保护部发布《关于实施国家第三阶段非道路移动机械用柴油机排气污染物排放标准的公告》，规定了分步实施GB 20891-2014的要求，自2016年12月1日起，所有制造、进口和销售的非道路移动机械不得装用不符合该标准国三阶段要求的柴油机[6]。

1.2 欧洲法规非道路柴油机排气污染物试验要求

欧洲法规ECE Regulation No.96中对于非道路柴油机排气污染物台架试验的要求包括标准循环排放试验（NRSC、NRTC）和非循环排放试验。非循环排放试验即控制区排放试验，适用于37 kW至560 kW非道路柴油机，其方法和要求归纳如下。

1）根据发动机外特性试验，定义控制区范围，控制区由以下几条线组成（如图1所示）：

a.外特性曲线

b.A转速线，A转速的计算方法为低转速+（高转速-低转速）×15%

c.30%最大净功率曲线

d.30%最大净转矩曲线

2）在控制区中随机选取3个点的转速、转矩，进行控制区排放试验。

3）颗粒物质量的采样，使用多滤纸法。

4）按照稳态标准循环试验计算方法计算非循环排放结果。分别得出这3个点各自的排放值，要求分别不大于标准循环限值的两倍。

1.3 欧洲法规车用柴油机WNTE试验方法

欧洲法规中，车用柴油机排气污染物台架试验除了WHSC、WHTC标准循环试验，还需进行非循环试验，即WNTE试验。在WNTE控制区各试验网格内，随机选择3个区域，在每个区域随机选择5个点试验。额定转速小于3 000 r/min的发动机WNTE控制区网格共9个，如图2所示。额定转速大于3 000 r/min的发动机WNTE控制区网格为12个[7]。

图1 非道路柴油机排放控制区

图2 WNTE试验网格（发动机额定转速＜3 000 r/min）

1.4 欧洲法规非道路柴油机控制区排放试验方法和车用柴油机WNTE试验方法比较

非道路柴油机控制区排放试验与车用柴油机WNTE试验均为非循环排放试验，相同之处有：

1）两者均在控制区随机选择工况点，各工况点的试验顺序也是随机生成的。

2）两者的控制区范围的边界都包含外特性曲线30%最大净功率曲线、30%最大净转矩曲线。

3）非循环排放结果计算方法均按照法规中对应的标准循环排放结果计算方法。

4）非循环排放中各污染物限值均比标准循环中对应的限值要求更宽。

两者的主要差异如表3所示。

表3 车用柴油机WNTE试验要求和非道路柴油机控制区

2 非道路柴油机台架非循环排放试验实践

随着行业发展以及大气保护要求的提高和监管力度的加严，我国未来很可能增加非道路柴油机台架型式核准内容，把非循环排放试验纳入试验要求。作者选用2台排气污染物试验分别达到非道路国三和国四阶段要求的非道路柴油机，在标准循环试验以外，再各自进行控制区排放试验。

2．1 试验样品

选用2台排放分别达到非道路国三和国四阶段要求的柴油机（样机1和样机2），配置参数见表4。

2．2 试验设备

采用HORIBA品牌的Dynas3系列交流电力测功机及测控系统、HORIBA品牌的MEXA-7200D/MEXA-7100DEGR/CVS-7400T/DLS-7200E排气采样分析系统、CP品牌的CAHU3500进气空调。

表4 试验选用样机参数

2．3 试验点选取与工况建立

按照非道路柴油机控制区选定方式，定义控制区边界，并采用车用柴油机WNTE的试验网格分割法，形成9个网格，从各网格中分别选取1个代表性的工况点，如图3所示（以样机2为例）。将这9个点按照从右至左，从上至下的依次顺序，组成稳态9工况，每个工况采样前确保发动机状态稳定。

图3 控制区9工况点分布（样机2）

2．4 样机1试验部分

2.4.1 试验结果

NRSC试验和非循环试验中NOx+HC污染物的排放结果与限值的比较如图4所示（其中NRSC第8工况为怠速，排放结果难以在图中显示，故舍去，下同）。CO污染物的排放结果与限值的比较如图5所示。PM污染物的排放结果与限值的比较如图6所示。

图4 NRSC和控制区各点（NOx+HC）排放结果（样机1）

图5 NRSC和控制区各点CO排放结果（样机1）

图6 NRSC和控制区各点PM排放结果（样机1）

2.4.2 数据比较

将控制区各点试验结果和NRSC限值、限值的2倍、NRSC结果进行比较，见表5、表6、表7。

表5 样机1控制区试验结果达标的试验点数量

表6 样机1控制区试验结果各点最高值/平均值与NRSC限值的关系%

表7 样机1控制区试验结果各点最高值/平均值与NRSC试验结果的关系%

2.4.3 数据分析

数据分析可归纳为以下几点。

1）样机1控制区9个点试验结果中，（NOx+HC）排放有3个点超出NRSC限值2倍，有4个点超出NRSC限值但在限值2倍以内，其余2个点在限值以内。各点CO和PM排放均在NRSC限值以内。

2）控制区各点（NOx+HC）排放最高值超出NRSC限值2倍，各点（NOx+HC）排放平均值超出NRSC限值但在限值2倍以内。

3）控制区各点PM排放最高值大于NRSC试验结果，各点CO排放最高值小于NRSC试验结果。各点CO和和PM排放平均值均小于NRSC试验结果的60%。

2．5 样机2试验部分

2.5.1 试验结果

NRSC 试验和非循环试验中 NOx、HC、CO、PM 污染物的排放结果分别与NRSC/NRTC四阶段限值的比较见图7、图8、图9和图10。

图7 NRSC和控制区各点NOx排放结果（样机2）

图8 NRSC和控制区各点HC排放结果（样机2）

图9 NRSC和控制区各点CO排放结果（样机2）

图10 NRSC和控制区各点PM排放结果（样机2）

2.5.2 数据比较

将控制区各点试验结果和四阶段限值、限值的2倍、NRSC结果进行比较，见表8、表9和表10。

2.5.3 数据分析

1）样机2控制区9个点试验结果中，NOx排放有1个点超出NRSC/NRTC限值但在限值2倍以内，该点其他污染物及其余各点各污染物排放均在NRSC/NRTC限值以内。

表8 样机2控制区试验结果达标的试验点数量

表9 样机2控制区试验结果各点最高值/平均值与NRSC限值的关系%

表10 样机2控制区试验结果各点最高值/平均值与NRSC试验结果的关系%

2）控制区各点NOx排放最高值为NRSC/NRTC限值的101.4%，平均值为NRSC/NRTC限值的69.9%。控制区各点其他污染物排放最高值均不超过NRSC/NRTC限值的50%。

3）控制区各点PM、HC排放最高值大于NRSC试验结果，控制区各点CO排放最高值小于NRSC试验结果。各点各污染物排放平均值均小于NRSC试验结果。

2．6 两台样机控制区排放达标情况的进一步分析

2.6.1 非循环试验结果比较分析

根据控制区试验在随机选点的要求，如样机1被选中的试验点就是上文试验中（NOx+HC）超NRSC限值2倍的点，直接导致控制区试验不通过。

由于样机2在控制区试验中各试验点各污染物的排放结果均小于NRSC/NRTC限值，目前还无法确认样机2能否通过控制区试验。有待于进行排放水平及万有特性试验等做进一步分析。

2.6.2 不同试验的工况点分布比较分析

NRSC的8工况循环的工况点分布为额定转速的100%、75%、50%和10%负荷，中间转速的100%、75%、50%负荷以及怠速。这8个工况点的分布与控制区的关系见图11（以样机2为例）。图11显示，NRSC试验点不能有代表性地覆盖控制区范围，特别是控制区内靠左侧的3个网格区域。

图11 NRSC工况点分布与控制区的关系（样机2）

NRTC是一个持续1 238 s，转速和转矩逐秒变换的瞬态循环，按照NRTC转速规范值与转矩规范值的定义，计算得到的各工况点的分布与控制区的关系见图12（以样机2为例）。图12显示，控制区9个网格中都有NRTC工况点，其中左上角的网格内的NRTC工况点较少。

图12 NRTC工况点分布与控制区的关系（样机2）

相比样机1，样机2作为国四柴油机，在控制区排放试验的结果良好。

2.6.3 不同试验的油耗水平比较分析

样机1与样机2在NRSC试验与控制区试验的比油耗计算结果见表11。样机2在控制区试验中的比油耗水平和NRSC试验中的比油耗接近，而样机1在控制区试验中的比油耗仅为NRSC试验比油耗的80.0%。

因为型式核准要求的试验不同、试验限值加严等原因，导致国三和国四柴油机的达标技术路线存在差异。样机1没有安装机外净化装置，在针对NRSC试验点的标定中，通过推迟喷油正时来降低NOx排放水平，导致柴油与空气混合时间变短，燃烧温度降低，造成CO、HC、PM排放水平高于控制区试验对应污染物排放水平，同时增加了比油耗；如控制区中部分试验点考虑经济要求，NOx排放相对较差。样机2采用了DOC+SCR的机外净化技术路线，针对NRSC和NRTC试验要求做了标定，在达到尿素启喷温度的前提下，SCR起到了降低NOx作用；除了排气污染物结果以外，NRSC试验和控制区试验的油耗水平也较为接近。

2.6.4 非道路柴油机台架非循环排放试验的意义分析

非道路发动机和车用柴油机的台架非循环排放都是欧洲法规的要求，控制区边界的定义也源于欧洲法规。型式核准试验的目的是为了控制实际使用中的污染物排放，而控制区是否能代表各种非道路柴油机，尤其是我国主要的非道路柴油机实际使用工况，尚需做进一步研究。

台架非循环排放试验兼具车载法与台架固定工况法的优点。一方面，台架非循环排放试验相比于非道路车载排放试验，其重复性更好，稳定性更高。另一方面，由于是随机选取试验点，台架非循环排放试验是标准循环试验很好的补充。

另外，本文中随机选点的方法参考了WNTE试验选点的方法，发现样机1不能保证通过控制区排放试验。而按照欧洲法规要求的控制区选点方法，即直接在整个控制区随机选择3个点，并不能有效证明控制区排放水平符合性。为了兼顾试验效率与结果有效性，可按照WNTE网格法分为9个网格，随机挑选3个网格后，再从每个网格分别选点。

表11 样机1与样机2的油耗水平

3 结论

1）非道路柴油机控制区试验方法和车用柴油机WNTE试验方法的主要类似之处为试验区域及随机选择工况点，主要差异在于采样方式、限值、结果判定法。

2）本文中按照WNTE网格分割法进行有代表性选点进行控制区排放试验。非道路国三柴油机不能保证通过控制区排放试验，非道路国四柴油机是否能通过控制区排放试验，尚需进一步试验分析。

3）相比于直接在整个控制区随机选择3个点，参考WNTE试验网格选点的方法进行操作会在不影响效率的前提下使所选择的点更有代表性。

4）台架非循环排放试验兼具车载法与台架固定工况法的优点。如能进一步证明控制区相对于实际工作区域的代表性，其意义更大。

1 UNECE.UNECE Regulation No.49 Re.6：Uniform provisions concerning the measures to be taken against the emission of gaseous and particulate pollutants from compression-ignition engines for use in vehicles,and the emission of gaseous pollutants from positive-ignition engines fuelled with natural gas or liquefied petroleum gas for use in vehicles.March 4,2013

2 UNECE.UNECE Regulation No.96 Re.3：Uniform provisions concerning the approval of compression ignition(C.I.)engines to be installed in agricultural and forestry tractors and in nonroad mobile machinery with regard to the emissions of pollutants by the engine.March 11,2014

3 环境保护部.《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三阶段）》（征求意见稿）编制说明[EB/OL].http：//www.mep.gov.cn/gkml/hbb/bgth/201306/t20130618_253949.htm，2013-06-13

4 环境保护部.《国家环境保护标准“十三五”发展规划》（环科技 [2017]49号文）[EB/OL].http：//www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bwj/201704/t20170414_411566.htm，2017-04-10

5 环境保护部.GB 20891-2014非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段）[S].北京：中国环境科学出版社，2014

6 环境保护部.《关于实施国家第三阶段非道路移动机械用柴油机排气污染物排放标准的公告》（环境保护部公告2016年 第 5号）[EB/OL].http：//www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bgg/201601/t20160118_326597.htm，2016-01-15

7 环境保护部.《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（征求意见稿）编制说明[EB/OL].http：//www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bgth/201610/t20161017_365634.htm，2016-10-11