典型農(nóng)用機(jī)械的污染物排放特性分析

張　麗，蔣永新，劉　娜新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆烏魯木齊830091

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典型農(nóng)用機(jī)械的污染物排放特性分析

張麗，蔣永新，劉娜
新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆烏魯木齊830091

摘要：為確定典型農(nóng)用機(jī)械的污染物排放特點，本文利用EFM2尾氣質(zhì)量流量計和SEMTECH-DS氣態(tài)污染物分析儀對CO、HC、NOx進(jìn)行了測量并確立了利用MAHA測量排放顆粒物的方案和數(shù)據(jù)處理方法。通過測試拖拉機(jī)、聯(lián)合收割機(jī)在怠速、行走和作業(yè)三種工況，對比不同工況下NO/NOx的比值顯示在作業(yè)工況下的NO/NOx的比值最高，行走工況居中，怠速工況最??；對比不同排放標(biāo)準(zhǔn)下油耗的排放因子發(fā)現(xiàn)，農(nóng)用機(jī)械在不同工況下的排放因子都呈現(xiàn)下降趨勢。

關(guān)鍵詞：農(nóng)用機(jī)械；污染物排放；排放特性

近年來我國大部分地區(qū)持續(xù)出現(xiàn)大范圍、長時間的霧霾天氣加大了公眾對大氣污染的關(guān)注程度[1-3]，因此應(yīng)更加關(guān)注技術(shù)落后的非道路機(jī)械柴油機(jī)的排放污染物[4，5]。目前針對非道路機(jī)械柴油機(jī)的排放，美國于2008年開始實施EPA排放法規(guī)的Tier4階段；歐洲于2014年開始執(zhí)行歐四排放標(biāo)準(zhǔn)；而我國于2010年開始執(zhí)行“非道路移動機(jī)械柴油機(jī)排氣污染排放限值”的第二階段，與發(fā)達(dá)國家的差距較大。針對上述問題，研究了典型的農(nóng)用機(jī)械拖拉機(jī)和聯(lián)合收割機(jī)的排放特性，對今后非道路機(jī)械柴油機(jī)的排放污染物法規(guī)的制定具有重要意義。

1　測試方案的實現(xiàn)與數(shù)據(jù)處理方法

1.1測試方案的實現(xiàn)及測試對象的選取

農(nóng)用機(jī)械排放的CO、HC、NOx通過EFM2尾氣質(zhì)量流量計和SEMTECH-DS氣態(tài)污染物分析儀進(jìn)行測量，農(nóng)用機(jī)械排放的顆粒物通過MAHA進(jìn)行測量。SEMTECH-DS氣態(tài)污染物分析儀利用無線網(wǎng)絡(luò)與電腦完成數(shù)據(jù)傳送，MAHA利用2根R232數(shù)據(jù)線與電腦完成數(shù)據(jù)信號通訊，測試數(shù)據(jù)的接收和儲存通過各測試設(shè)備的自有軟件完成。

測試的拖拉機(jī)和聯(lián)合收割機(jī)選取發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)狀態(tài)良好，排氣管固定牢靠，無泄漏且易與采樣設(shè)備進(jìn)行連接的農(nóng)用機(jī)械，共計14臺。對拖拉機(jī)和聯(lián)合收割機(jī)的測試工況為怠速、行走和作業(yè)，選取的部分測試農(nóng)用機(jī)械的參數(shù)如表1所示。

表1　農(nóng)業(yè)機(jī)械信息表Table 1 The information about agricultural machinery

1.2瞬時質(zhì)量排放速率計算

SEMTECH-DS氣態(tài)污染物分析儀獲得的數(shù)據(jù)是污染物的體積濃度，因此要先將其轉(zhuǎn)換為瞬時質(zhì)量排放速率后才能分析[6]。由于SEMTECH-DS氣態(tài)污染物分析儀獲得的排氣濃度不包含水分，但實際尾氣中是含有水分的，因此要將分析儀獲得的污染物體積濃度轉(zhuǎn)換為含水情況下的體積濃度，具體轉(zhuǎn)換公式如式1、式2和式3所示：

式中，Xd、Xw分別表示各污染物的的干尾氣和濕尾氣濃度，COd，CO2d和H2d分別表示CO、CO2和H2的干尾氣濃度。瞬時質(zhì)量排放速率Pi等于尾氣的標(biāo)準(zhǔn)體積流量乘以濕基濃度排放再乘以各種污染物的標(biāo)準(zhǔn)密度，具體如式4所示。其中，Pi表示第i種污染物，Pi,wet表示第i種污染物的濕基濃度，Vstd表示尾氣標(biāo)準(zhǔn)體積流量，ρi,std表示第i種污染物的標(biāo)準(zhǔn)密度。

1.3油耗速率計算

依據(jù)碳平衡原理，通過排放測試結(jié)果計算能得到農(nóng)用機(jī)械實時的油耗，具體如式5所示：

式中，F(xiàn)R表示柴油的消耗率，單位為l/s；ρ（diesel）表示柴油的密度，為0.868 g/L；ER（HC）、ER（CO）和ER（co2）分別表示HC、CO和CO2的瞬時排放速率，單位為g/s；CWFF表示柴油含碳量，取我國常用柴油的值0.866。

單位時間的油耗是指某一選定工況下單位小時的油耗的平均值，計算公式如式6所示：

式中，F(xiàn)C表示單位時間的油耗，單位為L/h；n表示某工況的持續(xù)時間，單位為s；i與j分別表示該工況下的開始時間和完成時間，單位為s。

1.4排放因子的計算

在各農(nóng)用機(jī)械的實際排放特性測試中，根據(jù)實際工況選擇基于行駛里程的排放因子、基于時間的排放因子或基于油耗的排放因子。三種排放因子的計算分別如式7、式8和式9所示：

基于行駛里程的排放因子表示每行駛1 km所排放污染物的量，單位為g/km；基于時間的排放因子表示1 h污染物的排放量，單位為g/h；基于油耗的排放因子表示每消耗1 kg燃料排放污染物的質(zhì)量，單位為g/kg。EF表示基于行駛距離的排放因子，單位為g/km；P表示車輛排放的某類污染物；n表示某工況的持續(xù)時間，單位為s；i和j表示該工況的開始時間和完成時間，單位為s；D表示該工況下的車速，單位為km/s。

2　結(jié)果與分析

對7臺拖拉機(jī)和7臺聯(lián)合收割機(jī)在怠速、行走和作業(yè)工況下分別進(jìn)行了測試，其中有5臺國I排放標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，5臺國II排放標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和4臺國0排放標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。

2.1拖拉機(jī)瞬時排放

T1#拖拉機(jī)各工況下污染物的瞬時排放速率如圖1所示，從圖中可以看出，作業(yè)和行走工況下污染物的排放速率的波動較大，而怠速工況下污染物的排放速率平穩(wěn)且速率較小。其中，在作業(yè)工況下CO、PM、NOx和HC排放速率波動范圍為0.017～0.162 g/s、0.004～0.011 g/s、0.056～0.260 g/s和0.008～0.025 g/s。當(dāng)拖拉機(jī)準(zhǔn)備作業(yè)時，操作者會踩下油門以增加發(fā)動機(jī)的輸出功率，作業(yè)進(jìn)行的一瞬間發(fā)動機(jī)負(fù)荷突然增大，污染物排放速率也同時呈現(xiàn)較大的峰值。

圖1　T1#拖拉機(jī)瞬時排放速率Fig.1　The instantaneous emission rate of T1 # tractor

2.2聯(lián)合收割機(jī)瞬時排放

T8#聯(lián)合收割機(jī)的CO、PM、NOx和HC的瞬時排放速率如圖2所示，從圖中可以看出，作業(yè)和行走工況下污染物的排放速率的波動較大，尤其是作業(yè)工況，而怠速工況下污染物的排放速率平穩(wěn)且速率值較小。其中，在作業(yè)工況下CO、PM、NOx和HC的波動范圍分別為0.008～0.591 g/s、0.001 ～0.009 g/s、0.009～0.218 g/s和0.009～0.032 g/s。

圖2　T8#聯(lián)合收割機(jī)瞬時排放速率Fig.2　The instantaneous emission rate of T8 # harvester

2.3基于油耗的排放因子對比

拖拉機(jī)和聯(lián)合收割機(jī)在各工況下基于油耗的排放因子均值如圖3所示，怠速工況下的CO和HC的基于油耗的排放因子最大，這是因為怠速工況下氣缸內(nèi)柴油燃燒不充分的產(chǎn)物較多，拖拉機(jī)和聯(lián)合收割機(jī)在怠速工況下設(shè)備的排放因子均值分別為87.6 g/kg和16.5 g/kg，是作業(yè)工況排放因子的4.89倍和2.53倍，是行走工況排放因子的2.19倍和1.12倍；對于NOx而言，行走工況下發(fā)動機(jī)的負(fù)荷遠(yuǎn)小于作業(yè)工況，但同時油耗也比作業(yè)工況減少了三分之二；對于PM而言，拖拉機(jī)和聯(lián)合收割機(jī)在作業(yè)工況下設(shè)備的排放因子最大，分別達(dá)到了10.8 g/kg和5.08 g/kg，分別是怠速工況下排放因子的2.03倍和5.67倍，作業(yè)工況下PM排放因子較高主要是由于作業(yè)工況下發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷均較高，PM的排放速率是其它兩種工況的10倍以上，所以雖然作業(yè)工況下設(shè)備的油耗較高，但單位時間過大的排放因子使基于油耗的排放因子大于其它兩種工況。對比拖拉機(jī)和聯(lián)合收割機(jī)各工況下基于油耗的排放因子可以看出，兩種機(jī)械的CO、HC和NOx基于油耗的排放因子非常接近，但作業(yè)工況下拖拉機(jī)的PM排放因子比聯(lián)合收割機(jī)高1.13倍，這是因為在作業(yè)工況下拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷都大于聯(lián)合收割機(jī)，高轉(zhuǎn)速和高負(fù)荷容易使氣缸內(nèi)的柴油燃燒不充分而使排放的顆粒物增加。

圖3　各工況下拖拉機(jī)和聯(lián)合收割機(jī)的油耗排放因子Fig.3　The fuel consumption emission factors of tractor and harvester in running conditions

2.4NO/NOx的比值

對比拖拉機(jī)和聯(lián)合收割機(jī)各工況下的NO/NOx的平均比值發(fā)現(xiàn)，作業(yè)工況下拖拉機(jī)和聯(lián)合收割機(jī)排放的NO在NOx中的比例最大，分別為0.94和0.92，這是因為作業(yè)工況下發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較高且負(fù)荷較大，柴油燃燒溫度高，導(dǎo)致了NO的增加；同時，發(fā)動機(jī)的高轉(zhuǎn)速和氣缸內(nèi)的高溫度抑制了NO轉(zhuǎn)變?yōu)镹O2，所以作業(yè)工況下NO在NOx中所占比例較大。而怠速工況下，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較低且負(fù)荷較小，氣缸內(nèi)平均溫度較低，促進(jìn)了部分NO向NO2的轉(zhuǎn)變，從而使怠速工況下NO在NOx中的比例只有0.78和0.73。

2.5不同排放標(biāo)準(zhǔn)下的農(nóng)業(yè)機(jī)械排放因子對比

不同排放標(biāo)準(zhǔn)下怠速、行走和作業(yè)工況下CO、HC、NOx和PM的基于油耗的排放因子如圖4所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，各類污染物基于油耗的排放因子隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的加嚴(yán)呈現(xiàn)下降趨勢，這主要是因為拖拉機(jī)和聯(lián)合收割機(jī)為了達(dá)到國II排放標(biāo)準(zhǔn)而使用了增壓中冷技術(shù)，使設(shè)備氣缸內(nèi)的燃燒組織更均勻，作業(yè)和行走工況下的各類污染物都有不同幅度的降低。在作業(yè)工況下，國II標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)用機(jī)械與國I標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)用機(jī)械相比，HC減少了58%，PM減少了68%，但采用國I標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)用機(jī)械與國0的相比各類污染物下降不明顯。

圖4　不同排放標(biāo)準(zhǔn)下的農(nóng)用機(jī)械的油耗排放因子Fig.4　The fuel consumption emission factors of agricultural machinery under different emission standards

3　討論

本文對拖拉機(jī)和聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行了排放特性研究，得出了一些有益的結(jié)論，對今后農(nóng)用機(jī)械排放法規(guī)的制定具有重要意義。但實驗中所采用的車載排放測試系統(tǒng)在柴油機(jī)排放顆粒測量方面尚未形成權(quán)威的測量方法，對農(nóng)用機(jī)械排放的各粒徑范圍內(nèi)的顆粒還需進(jìn)行更深入的研究。在計算各類排放污染物的過程中，未對拖拉機(jī)和收割機(jī)的大小進(jìn)行區(qū)分，也沒有考慮測試所用農(nóng)用機(jī)械的劣化情況，這些還需在后續(xù)的工作中繼續(xù)研究。

4　結(jié)論

目前我國對農(nóng)用機(jī)械的排放特性研究還基本處于空白階段，本文利用車載排放測試系統(tǒng)對典型的農(nóng)用機(jī)械（拖拉機(jī)、聯(lián)合收割機(jī)）在怠速、行走和作業(yè)典型工況下的排放特性進(jìn)行了實驗研究。通過對農(nóng)用機(jī)械的瞬時排放速率的分析發(fā)現(xiàn)，在作業(yè)工況下農(nóng)用機(jī)械的污染物排放速率大幅度的增加，而聯(lián)合收割機(jī)污染物的排放速率大于拖拉機(jī)；通過對農(nóng)用機(jī)械基于油耗的排放因子分析發(fā)現(xiàn)，在作業(yè)工況下農(nóng)用機(jī)械的CO、HC、NOx基于油耗的排放因子小于行走工況，但PM的排放因子遠(yuǎn)大于其它兩種工況；通過對各排放標(biāo)準(zhǔn)下的排放因子分析發(fā)現(xiàn)，隨著法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的加嚴(yán)農(nóng)用機(jī)械各工況下的排放因子都呈現(xiàn)下降趨勢。

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Analysis on the Pollutants Emission Characteristics of Typical Agricultural Machinery

ZHANG Li，JIANG Yong-xin，LIU Na
Institute of Agricultural Mechanization/Xinjiang Academy of Agricultural Sciences, Urumqi 830091，China

Abstract:To make sure the pollutants emission characteristics of typical agricultural machinery，this paper determined CO，HC and NOxwith EFM2 exhaust gas mass flow-meter and SEMTECH-DS gaseous pollutants analyzer and established the plan and method to determine the particulate matter with MAHA. The results showed there was the maximum NO/NOxratio in a working state，the medium value on a way and the minimum in an idle state；there was a decreasing trend of fuel consumption emission factors under different emission standards through comparing among three operating conditions of the tractor and combine harvester.

Keywords:Agricultural machinery；pollutants emission；emission characteristics

作者簡介：張麗（1982-），女，助理研究員，本科，主要研究方向為數(shù)字化設(shè)計制造，循環(huán)農(nóng)業(yè). E-mail:dreambanboo@163.com

基金項目：2015年新疆維吾爾自治區(qū)科技廳高技術(shù)項目:青貯玉米地機(jī)械化殘膜回收裝備研究（201511104）

收稿日期：2014-12-12修回日期：2015-01-06

中圖法分類號：TK421＋.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-2324（2016）01-0099-04