二沖程園林機械尾氣排放在用監(jiān)管探討

（天津內(nèi)燃機研究所（天津摩托車技術(shù)中心）天津 300072）

引言

隨著人們對生活環(huán)境的重視，園林設(shè)計隨處可見。以汽油割灌機和汽油油鋸為代表的二沖程園林養(yǎng)護(hù)機械保有量越來越大。根據(jù)中國內(nèi)燃機工業(yè)協(xié)會的內(nèi)部市場研究報告，2016 年國內(nèi)銷售汽油割灌機和汽油油鋸約為400×104臺。這些二沖程園林機械在給生產(chǎn)生活帶來便利的同時，也給大氣環(huán)境帶來了污染。

作為二沖程園林機械的動力源，小型點燃式發(fā)動機由于其自身的特點，只有新機出廠前的環(huán)保信息公開和生產(chǎn)一致性的要求。截止到2019 年3 月份，對比生態(tài)環(huán)境保護(hù)部公布的已經(jīng)完成環(huán)保信息公開企業(yè)名單和園林機械行業(yè)相關(guān)協(xié)會會員名單，仍有大量企業(yè)沒有完成環(huán)保信息公開，其產(chǎn)銷量占到60%左右。這些超標(biāo)排放的二沖程園林機械將直接進(jìn)入市場，隨著零部件的磨損老化[1]，整個壽命周期內(nèi)始終處于高排放的狀態(tài)。另外，調(diào)研中發(fā)現(xiàn)：用戶一般會追求機械的可靠性和使用壽命，忽略污染物的排放，甚至有意識地調(diào)整和破壞化油器等排放控制關(guān)鍵零部件而導(dǎo)致更高的污染物排放；大量使用時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過排放控制耐久期的二沖程園林機械仍在使用。

目前，對于非道路點燃式發(fā)動機為動力的移動機械包括二沖程園林機械的尾氣排放監(jiān)管，主要是在上市之前。無論是環(huán)保信息公開還是生產(chǎn)線一致性測試環(huán)節(jié)，監(jiān)管措施的有效性都以企業(yè)的誠信為前提。如果不采取在用檢測等補充監(jiān)管措施，更多沒有完成環(huán)保信息公開的二沖程園林機械進(jìn)入市場，超期使用而超標(biāo)排放的機械也不能及時淘汰，增加了二沖程園林機械對環(huán)境空氣的污染。

2018 年8 月，生態(tài)環(huán)境部組織制訂了《非道路移動機械污染防治技術(shù)政策》，提出加強在用非道路移動機械的排放檢測和維修[2]。

本文將探討二沖程在用機械今后的監(jiān)管手段，對二沖程整機測試的可行性進(jìn)行研究和驗證。

1 二沖程園林機械尾氣排放監(jiān)管探討

未來的在用監(jiān)管方向，可以參照針對排放超標(biāo)測量車輛的監(jiān)管[3]。但是由于二沖程園林機械采用的是化油器供油，沒有OBD，也無法通過OBD 進(jìn)行尾氣排放的在線監(jiān)測。同時，二沖程園林機械大多在庭院，花園和森林工作，且工作時位置不固定，因此固定安裝的遙感監(jiān)測設(shè)備無法對其監(jiān)測；移動的遙感監(jiān)測設(shè)備檢出率會因為現(xiàn)場飛揚的塵土枝葉等急劇下降[4]。戶外利用便攜式的分析儀對在用的二沖程園林機械進(jìn)行尾氣檢測，靈活機動，是操作性相對較高的監(jiān)管手段。

為了評估使用便攜式分析儀進(jìn)行戶外尾氣檢測的可行性，選取了13 款二沖程園林機械進(jìn)行戶外尾氣檢測和實驗室臺架尾氣檢測。

1.1 被測樣機

選取13 臺國內(nèi)多個不同規(guī)模廠家生產(chǎn)的二沖程園林機械，包含4 臺已經(jīng)完成環(huán)保信息公開機械和9 臺未完成環(huán)保信息公開機械。具體的型號、用途和排量如表1 所示。

表1 被測樣機信息

1.2 測試設(shè)備

戶外尾氣檢測中使用的分析儀為Horiba 公司生產(chǎn)的MEXA-584L 便攜式分析儀；

實驗室臺架尾氣檢測中使用的分析儀為AVL公司生產(chǎn)的AMA1800 稀釋采樣分析儀，實驗中使用的其他設(shè)備均滿足GB26133-2010 的要求。

1.3 測試方法

1.3.1 戶外尾氣檢測

二沖程園林機械種類繁多，工作環(huán)境復(fù)雜多變，即使同一臺機械工作時負(fù)載也會因工作對象的不同而不同，給確定測試工況帶來很大難度。另外，園林機械多為手持式工具，以小巧輕便為特征，在實際工作中，園林機械的位置時刻變化，汽油機排氣出口方位也隨之變動，這導(dǎo)致無法將分析儀采樣探頭固定于某一特定位置，不能與汽油機排氣口形成穩(wěn)定的對接，進(jìn)而影響測試的精度。

為了便于操作，參考機動車監(jiān)管的方法，綜合雙怠速測試的優(yōu)缺點[5]，測試中選取油門全開下空載和怠速2 個工況。一來可以統(tǒng)一測試工況，二來也解決了分析儀采樣口對接的問題。測試流程見圖1。

圖1 戶外尾氣檢測流程圖

1.3.2 實驗室臺架尾氣檢測

實驗室臺架尾氣檢測按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB26133—2010 的流程執(zhí)行。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 戶外尾氣檢測數(shù)據(jù)處理

戶外尾氣檢測數(shù)據(jù)處理流程如圖2 所示。

1）計算等效直采濃度

二沖程園林機械大多排量不超過80 mL，排氣管出口與便攜式分析儀尺寸相當(dāng)，再加上處于安全考慮，園林機械都有防火網(wǎng)，導(dǎo)致便攜式分析儀測量時無法插入消聲器內(nèi)部[6]。戶外尾氣檢測采樣過程中不可避免地采入混有空氣的尾氣。需要以O(shè)2含量為基礎(chǔ)計算稀釋比DF，如式（1）所示，然后計算各個污染物等效直采濃度EMEQCon，如式（2）所示。

圖2 戶外尾氣檢測數(shù)據(jù)處理流程圖

式中：O2TestCon為實測氧氣濃度；O2FCon為尾氣中O2含量經(jīng)驗值，二沖程發(fā)動機取經(jīng)驗值2%；O2AirCon空氣中氧氣濃度，取20.9%；EMTestCon為實測污染物濃度；EMAirCon為空氣中廢氣成分濃度：CO2含量取0.04%，其他廢氣成分含量取零。

2）估算發(fā)動機排氣流量

受戶外尾氣檢測的條件限制，簡化了測量和操作，忽略溫度和壓力的影響，采用式（3）估算排氣流量L（L/h）。

式中：V 為發(fā)動機排量，mL；n 為發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速，rpm；η 為二沖程發(fā)動機掃氣效率取經(jīng)驗值0.88[7]。

3）計算排放量EMmass

計算排放量如式（4）所示。

式中：M 為污染物成分摩爾質(zhì)量。

4）計算比排放量

計算比排放量如式（5）所示。

式中：WF 為工況點權(quán)重，第一工況取0.85，第二工況取0.15；P 為發(fā)動機功率，第一工況取實驗室臺架檢測功率，第二工況取0 kW。

1.4.2 實驗室臺架尾氣檢測數(shù)據(jù)處理

實驗室臺架尾氣檢測數(shù)據(jù)處理按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB26133—2010 的要求執(zhí)行。

1.5 數(shù)據(jù)結(jié)果及分析

2 種測試方法所得到的測試結(jié)果匯總?cè)绫? 所示。從實驗室臺架檢測結(jié)果可以看出，絕大多數(shù)被測樣機CO 比排放值都能滿足GB26133—2010 中第二階段污染物限值的要求；合規(guī)與不合規(guī)的產(chǎn)品HC+NOx比排放值差異明顯，完成環(huán)保信息公開的產(chǎn)品HC+NOx比排放值都能滿足GB26133—2010 中第二階段污染物限值的要求，比排放值為限值的70%以下，未完成環(huán)保信息公開的產(chǎn)品則不能滿足，比排放值為限值的2 倍以上，甚至達(dá)到7 倍之多。二沖程園林機械的排放特征，后續(xù)將HC+NOx比排放值作為監(jiān)管重點加以討論。

通過對被測樣機進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，合規(guī)的產(chǎn)品都加裝有催化轉(zhuǎn)化器，而不合規(guī)產(chǎn)品則沒有。加裝催化轉(zhuǎn)化器并合理調(diào)節(jié)混合氣濃度可以降低二沖程汽油機HC+NOx排放60%以上[8-9]，是目前二沖程園林機械尾氣合規(guī)的主流技術(shù)手段。在目前的監(jiān)管環(huán)境下，一部分生產(chǎn)廠家會出于節(jié)約成本的考慮，不加裝催化轉(zhuǎn)化器；同時為了降低燃燒溫度從而增加機械可靠性，有意識加濃混合氣。這樣就造成了合規(guī)與不合規(guī)的產(chǎn)品HC+NOx比排放值差異明顯，為監(jiān)管提供依據(jù)。

圖3 給出了HC+NOx戶外尾氣檢測結(jié)果和實驗室臺架檢測結(jié)果對比，可以看出，二者線性相關(guān)性較為明顯。將GB26133—2010 中第二階段污染物限值按照圖3 給出的擬合公式就可以得到戶外尾氣測試的合規(guī)臨界值。戶外尾氣檢測的結(jié)果即可對二沖程園林機械尾氣進(jìn)行合規(guī)性初篩。結(jié)果顯示，利用此方法可以將被測的不合規(guī)機械完全識別出來。

2 結(jié)論

國內(nèi)二沖程園林機械在目前的使用環(huán)境下，大多數(shù)尾氣屬于超標(biāo)排放，建議后續(xù)出臺和采取在用園林機械的尾氣輔助監(jiān)管措施，減少用戶對排放關(guān)鍵零部件的調(diào)整或者破壞，引導(dǎo)用戶積極淘汰尾氣超標(biāo)園林機械。

本文采用的戶外尾氣檢測方法能夠有效識別尾氣污染物比排放值遠(yuǎn)高于GB26133—2010 中第二階段污染物限值的園林機械，后續(xù)可以通過進(jìn)一步積累數(shù)據(jù)和分析以提高檢出率，進(jìn)而制定適用于在用的二沖程園林機械尾氣排放法規(guī)。

同時該方法中需要引用按照GB26133—2010 進(jìn)行實驗室臺架排放測試所得到的功率數(shù)據(jù)和分析儀讀數(shù)進(jìn)行尾氣排放計算，后續(xù)需要對現(xiàn)用的分析儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的應(yīng)用開發(fā)。