基于PEMS的非道路移動(dòng)機(jī)械排放測(cè)試方法研究新探

吳笛　劉坤

摘 要：機(jī)械污染物排放直接關(guān)系著大氣環(huán)境的整體質(zhì)量，對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有積極作用。現(xiàn)階段，非道路移動(dòng)機(jī)械污染物排放量增大，有必要做好此類機(jī)械排放的系統(tǒng)監(jiān)管和測(cè)試。本文在闡述PEMS技術(shù)內(nèi)涵及原理的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)幾種典型非道路移動(dòng)機(jī)械進(jìn)行排放測(cè)試，期望能為非道路移動(dòng)機(jī)械排放測(cè)試工作的開展提供參考，實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)車污染的有效防控，提升大氣環(huán)境保護(hù)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：非道路移動(dòng)機(jī)械 大氣污染 PEMS 排放檢測(cè) 功基窗口法

New Research on Emission Test Method of Non-road Mobile Machinery based on PEMs

Wu Di，Liu Kun

Abstract：The emission of mechanical pollutants is directly related to the overall quality of atmospheric environment and plays a positive role in the sustainable development of social economy. At this stage， the pollutant emission of non-road mobile machinery increases， so it is necessary to do a good job in the systematic supervision and testing of the emission of such machinery. On the basis of expounding the connotation and principle of PEMs technology， this paper systematically designs experiments to test the emission of several typical non-road mobile machinery， hoping to provide reference for the emission test of non-road mobile machinery， realize the effective prevention and control of motor vehicle pollution and improve the quality of atmospheric environmental protection.

Key words：non road mobile machinery， air pollution， PEMs， emission detection， power-based window method

1 前言

可持續(xù)發(fā)展理念下，我國(guó)高度重視生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作，并且對(duì)各類環(huán)境污染防治工作的力度增大，大氣環(huán)境污染是生態(tài)環(huán)境污染的重要類型，其降低了空氣的整體質(zhì)量，威脅人們的身心健康。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2016年底，我國(guó)工程機(jī)械約700萬臺(tái)，運(yùn)輸船舶約3000萬臺(tái)，船舶、通用飛行器的數(shù)量分別為16萬艘和2235架;這些非道路移動(dòng)機(jī)械在使用中會(huì)排放大量的SO2、HC、NOx和PM，污染物的排放總量已遠(yuǎn)超750萬噸，造成了極為嚴(yán)重的大氣環(huán)境污染問題[1]?；诖耍斜匾龊梅堑缆芬苿?dòng)機(jī)械污染物排放的系統(tǒng)監(jiān)控和測(cè)試，進(jìn)而為環(huán)境污染防治奠定良好基礎(chǔ)。新時(shí)期，PEMS技術(shù)在非道路移動(dòng)機(jī)械污染物排放監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用逐漸廣泛。

2 PEMS技術(shù)內(nèi)涵及工作原理

2.1 技術(shù)內(nèi)涵

車輛排放控制法規(guī)指出：在進(jìn)行車輛排放控制時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)鼓臺(tái)架，重視CVS采樣系統(tǒng)和工況法的融合使用。這種方式受試驗(yàn)場(chǎng)地影響明顯，與實(shí)際路況存在較大差異。基于此，便攜式排放測(cè)量系統(tǒng)（PEMS）得以應(yīng)運(yùn)而生，該測(cè)量系統(tǒng)下，PEMS被直接放置在車上，并隨著車輛進(jìn)行直接測(cè)試。從PEMS技術(shù)測(cè)量過程來看，其測(cè)量過程具有精確性、可靠性的特征，能有效反映測(cè)量的排放狀況[2]。值得注意的是，PEMS技術(shù)屬于新興技術(shù)，故而在實(shí)際測(cè)試中，PEMS技術(shù)的應(yīng)用尚缺乏完善的管理標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行約束。目前，PEMS技術(shù)在道路移動(dòng)機(jī)械排放測(cè)試中的應(yīng)用較多，但在非道路移動(dòng)機(jī)械排放測(cè)中的應(yīng)用相對(duì)較少，本文在PEMS技術(shù)支撐下，對(duì)幾種典型非道路移動(dòng)機(jī)械污染物的排放進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。

2.2 工作原理

就PEMS技術(shù)本身而言，其不僅能實(shí)現(xiàn)車輛、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測(cè)試，而且能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)排氣管尾氣樣本中污染物的濃度。在實(shí)際測(cè)量中，PEMS裝置多被安裝早乘客座椅下或測(cè)量底板上，這樣在車輛運(yùn)行過程中，除瞬時(shí)排放、油耗、車速外，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、溫蒂、節(jié)氣門位置等參數(shù)均會(huì)被實(shí)時(shí)存儲(chǔ)下來。同時(shí)將排氣尾管與車載氣體污染物測(cè)量裝置相互連接，能直接采集車輛尾氣，實(shí)現(xiàn)車輛污染物體積濃度、質(zhì)量流量的系統(tǒng)檢測(cè)。此外，在PEMS技術(shù)檢測(cè)過程中，其分析單元也發(fā)揮重要作用，PEMS系統(tǒng)分析單元包含紅外線分析儀、氫火焰離化分析儀、化學(xué)發(fā)光分析儀等諸多單元，借助這些分析儀，能實(shí)現(xiàn)CO、CO2、HC、NOx等污染物的有效監(jiān)測(cè)，最終所有的測(cè)試參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、GPS參數(shù)會(huì)被記錄和存儲(chǔ)在PC設(shè)備中，有效地提升而來機(jī)械污染物排放監(jiān)測(cè)的整體效益?；赑EMS技術(shù)的污染物測(cè)試流程如圖1所示[3]。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本研究中，在PEMS技術(shù)支撐下，測(cè)試三種非道路移動(dòng)機(jī)械設(shè)備的污染物排放情況，要求測(cè)量條件保持相同，然后在實(shí)際作業(yè)狀態(tài)下，獲取機(jī)械瞬時(shí)的排放數(shù)據(jù)，最后基于合理方法提取和分析數(shù)據(jù)，獲得最科學(xué)的污染物排放評(píng)價(jià)方法。

3.1 測(cè)試對(duì)象及設(shè)備

本次非道路移動(dòng)機(jī)械選擇中，挑選機(jī)械設(shè)備對(duì)象不僅包含裝載機(jī)、挖掘機(jī)，而且涉及叉車。其中裝載機(jī)額定功率、轉(zhuǎn)速分別為162kW和2000rpm，采用EGR排放控制系統(tǒng);而挖掘機(jī)額定功率為317kW，轉(zhuǎn)速與裝載機(jī)保持一致，使用EGR+DOC排放控制系統(tǒng);此外叉車額定功率、轉(zhuǎn)速分別為85kW和2200rpm，采用EGR+POC+DOC排放控制系統(tǒng)。所挑選測(cè)量設(shè)備為DS+排放分析儀。

3.2 測(cè)試方法

相比于其他設(shè)備，非道路移動(dòng)機(jī)械設(shè)備具有作業(yè)工況復(fù)雜的特征。即在實(shí)際作業(yè)中，非道路移動(dòng)機(jī)械設(shè)備往往很難按照統(tǒng)一的狀態(tài)模式進(jìn)行循環(huán)作業(yè)。故而在實(shí)際測(cè)試中，應(yīng)重視溫濕度、大氣壓力、海拔高度等要環(huán)境要素的控制，然后按照實(shí)際的工況進(jìn)行不間斷作業(yè)，并基于PEMS技術(shù)進(jìn)行不間斷作業(yè)，以此來保證測(cè)試數(shù)據(jù)的科學(xué)性、代表性。

在開始測(cè)試過程中，要求實(shí)驗(yàn)的機(jī)械熱機(jī)充分，記錄設(shè)備作業(yè)時(shí)的瞬時(shí)數(shù)據(jù)，所測(cè)參數(shù)不僅包含NOX濃度、排氣流量，而且涉及溫度、大氣壓、濕度，此外柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、溫度等都是極為重要的測(cè)試內(nèi)容。讓實(shí)驗(yàn)設(shè)備持續(xù)作業(yè)，設(shè)備累計(jì)做功達(dá)到3倍左右發(fā)動(dòng)機(jī)NRTC循環(huán)做功時(shí)，停止做功及測(cè)試。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 結(jié)果計(jì)算

結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法應(yīng)用要求，本項(xiàng)目設(shè)備持續(xù)做功中，當(dāng)設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的溫度超過70℃時(shí)，測(cè)試、計(jì)算機(jī)械污染物的排放質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)機(jī)械排放結(jié)果的準(zhǔn)確把控。在實(shí)際計(jì)算中，不僅考慮氮氧化物瞬時(shí)排量（NOxt），而且分析原始排氣中各氣態(tài)污染物瞬時(shí)濃度（N0xconc），此外，實(shí)施瞬時(shí)排氣流量的精準(zhǔn)把控（Gech）。具體計(jì)算公式如下：

經(jīng)計(jì)算，本研究中三種非道路移動(dòng)機(jī)械排放結(jié)果如表2所示。

4.2 排放結(jié)果評(píng)價(jià)

本實(shí)驗(yàn)中，在監(jiān)測(cè)污染物排放質(zhì)量的基礎(chǔ)上，對(duì)g/h和g/KWh兩種污染物排放因子進(jìn)行系統(tǒng)計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)非道路移動(dòng)機(jī)械設(shè)備排放水平的有效測(cè)試，本研究還引入功基窗口法，該方法下，要求在考慮每種機(jī)械設(shè)備作用狀態(tài)的基礎(chǔ)上，計(jì)算設(shè)備功基窗口比排放，同時(shí)要求對(duì)設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)型式檢驗(yàn)比排放進(jìn)行分析，通過這兩個(gè)參數(shù)符合性的評(píng)價(jià)，來完成機(jī)械排放情況的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。值得注意的是，在具體評(píng)價(jià)中，一個(gè)功基窗口就是一個(gè)完整的連續(xù)期間，而功基窗口的定義條件是：在設(shè)備做功中，發(fā)動(dòng)機(jī)累積做功達(dá)到NRTC循環(huán)功。

在考慮功基窗口法應(yīng)用條件的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)計(jì)算三種機(jī)械的功基窗口比排放，隨后按照從小到大的要求累計(jì)排放因子，選擇累計(jì)頻率90%時(shí)的功基窗口比排放值，然后將該數(shù)值與發(fā)動(dòng)機(jī)形式檢驗(yàn)比的排放限制進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)符合性系數(shù)的有效計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

由表3可知，本研究中，選擇裝載機(jī)、挖掘機(jī)、叉車三種非道路移動(dòng)機(jī)械，這三種機(jī)械的比排放負(fù)荷系數(shù)各不相同，其中裝載機(jī)比排放符合性系數(shù)為1.59，挖掘機(jī)、叉車比排放符合性系數(shù)分別為1.45和0.91。結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況可知，機(jī)械設(shè)備的排放控制效果與符合性系數(shù)成反比，即符合性系數(shù)越小，則機(jī)械的排放控制技術(shù)應(yīng)用效果越好，污染物防控控制效果更加突出。步入新時(shí)期以來，我國(guó)開始加大了對(duì)非道路移動(dòng)機(jī)械排放情況的監(jiān)管，在最近發(fā)布的《非道路移動(dòng)機(jī)械及其裝用柴油機(jī)污染物排放監(jiān)控技術(shù)要求》（征求意見稿）中，要求在考慮非道路移動(dòng)機(jī)械作業(yè)形態(tài)的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)械NOx排放情況進(jìn)行監(jiān)測(cè);并且在具體的非道路移動(dòng)機(jī)械PEMS測(cè)試中，要求PEMS測(cè)試的實(shí)驗(yàn)值保持在發(fā)動(dòng)機(jī)型式檢驗(yàn)限值的2.5倍以內(nèi)，按照這些要求，可實(shí)現(xiàn)非道路移動(dòng)機(jī)械排放情況的有效監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)語

非道路移動(dòng)機(jī)械污染物排放測(cè)試難度較大，對(duì)于自然環(huán)境及人們生活質(zhì)量的影響較高。結(jié)合本研究可知，PEMS測(cè)試系統(tǒng)同樣可用于非道路移動(dòng)機(jī)械排放檢測(cè)，在實(shí)際測(cè)試中，通過記錄、整合、分析機(jī)械在實(shí)際工況下的排放數(shù)據(jù)，并計(jì)算污染物排放質(zhì)量和排放因子，強(qiáng)化功基窗口法應(yīng)用，能有效地提升非道路移動(dòng)機(jī)械污染物測(cè)試效率和質(zhì)量，這為后期大氣環(huán)境污染監(jiān)測(cè)治理奠定了良好條件，有利于環(huán)境保護(hù)工作開展及社會(huì)生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。

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