基于PEMS測試的工程機(jī)械柴油機(jī)排放特性

李遠(yuǎn) 黃亞強(qiáng) 黃志強(qiáng) 闞海 鄭建

摘要：以某非道路國四大功率挖掘機(jī)為對象，采用便攜式排放測量系統(tǒng)（portable emmission measurement system，PEMS）測試方法研究其在不同工況實(shí)際作業(yè)的排放特性，計(jì)算基于功率、時間和油耗的氣態(tài)污染物排放因子，并分析基于時間加權(quán)與功基窗口法的氣態(tài)污染物比排放差異。研究結(jié)果表明：挖掘機(jī)實(shí)際作業(yè)工況主要分布在中高轉(zhuǎn)速和負(fù)荷區(qū)域，行走工況和作業(yè)工況下柴油機(jī)輸出功占總輸出功的96%；挖掘機(jī)實(shí)際作業(yè)環(huán)境下的油耗特征分布與工況有關(guān)，怠速工況的燃油消耗率最高，為408.65 g/（kW·h）；怠速工況NO_x和CO基于功率的排放因子明顯高于行走和作業(yè)工況，CO和NO_x基于功率、時間、油耗的排放因子在行走和作業(yè)工況下基本處于同一水平；冷起動工況下NO_x排放因子和NO_x排放質(zhì)量均最大；基于時間加權(quán)的氣態(tài)污染物比排放大于功基窗口法，NO_x比排放偏高約1.9倍。

關(guān)鍵詞：非道路工程機(jī)械；排放特性；PEMS；實(shí)際作業(yè)

中圖分類號：TK421.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1673-6397（2024）02-0059-06

引用格式：李遠(yuǎn)，黃亞強(qiáng)，黃志強(qiáng)，等. 基于PEMS測試的工程機(jī)械柴油機(jī)排放特性［J］.內(nèi)燃機(jī)與動力裝置，2024，41（2）：59-64.

LI Yuan， HUANG Yaqiang， HUANG Zhiqiang， et al. Emission characteristics of a diesel engine for a construction machinery? based on PEMS test［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2024，41（2）：59-64.

0 引言

我國工程機(jī)械保有量逐年上升，其尾氣排放對環(huán)境的影響越來越大。挖掘機(jī)是工程機(jī)械中的典型工作機(jī)械，大多以柴油機(jī)為動力。2021年我國工程機(jī)械排放總量中，挖掘機(jī)排放的HC、NO_x、顆粒物（particulate matter，PM）分別為4.2、52.2、3.9 萬t，分別約占2021年工程機(jī)械排放總量的37.0%、36.3%、52.3%^[1]。

我國于2019年出臺了《非道路移動源大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南》^[2]，推薦了適用于不同條件的簡易、一般和復(fù)雜方法等3種方法編制移動源排放清單。目前，關(guān)于工程機(jī)械排放的研究中，大多采用基于油耗的排放因子，且都采用清單推薦值，因此無法體現(xiàn)各工程機(jī)械的功率水平差異和機(jī)械類別差異^[3-4]。研究工程機(jī)械排放特性的測試方法主要有臺架測試和便攜式排放測量系統(tǒng)（portable emission measurement system， PEMS）測試。臺架測試方法的場地設(shè)備成本高，且無法完全模擬真實(shí)作業(yè)工況 ^[5-6]，因此，利用PEMS分析工程機(jī)械實(shí)際作業(yè)排放特性的研究越來越多。

研究工程機(jī)械實(shí)際排放因子可為編制排放清單提供真實(shí)數(shù)據(jù)，有利于國家針對性地制定相關(guān)環(huán)保政策和排放標(biāo)準(zhǔn)。王國強(qiáng)等^[7]利用PEMS測試方法研究了裝載機(jī)的排放特性，發(fā)現(xiàn)不同作業(yè)工況的裝載機(jī)NO_x排放差別較大，但與裝載機(jī)負(fù)荷率不相關(guān)。吳笛等^[8]采用PEMS測試方法對裝載機(jī)、挖掘機(jī)、叉車實(shí)際作業(yè)工況下的排放因子進(jìn)行研究，結(jié)果表明：挖掘機(jī)基于時間的排放因子最大，裝載機(jī)基于功率的排放因子最大。顏欣迪等^[9]分析了怠速、高怠速、自由加速和實(shí)際作業(yè)4種工況下港口作業(yè)機(jī)械基于油耗的排放因子，結(jié)果表明，CO、THC排放因子具有類似規(guī)律，怠速工況下的排放因子均大于作業(yè)工況。李世峰等^[10]研究了冷起動對國四裝載機(jī)排放因子的影響，發(fā)現(xiàn)包括冷起動的CO比排放是不包括冷起動的2.23倍，包括冷起動的NO_x和CO₂比排放與不包括冷起動的結(jié)果相近。潘召祥等^[11]為推動高原地區(qū)非道路柴油移動機(jī)械排放清單的建立，研究了高海拔下裝載機(jī)不同工作模式下基于時間和油耗的排放因子，結(jié)果表明：基于時間的高原整體排放比平原高，基于燃油的CO與NO_x的實(shí)測數(shù)據(jù)分別比國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值高14.34%、39.89%。馬帥等^[12]利用PEMS系統(tǒng)對8臺挖掘機(jī)的排放情況進(jìn)行研究，結(jié)果表明：與國一階段相比，國二階段的挖掘機(jī)在怠速、行走、作業(yè)工況下排放的NO分別減小8％、35％和5％，PM_2.5分別降低88％、87％和80％；估算得到的挖掘機(jī)基于功率的排放因子中，CO、HC、NO的排放因子低于國家排放標(biāo)準(zhǔn)。付明亮等^[13]利用PEMS對45輛典型工程機(jī)械進(jìn)行實(shí)際工況排放測試，結(jié)果表明：工況對工程機(jī)械排放速率和排放因子的影響十分明顯，多數(shù)瞬時排放峰值出現(xiàn)在作業(yè)工況下；怠速工況下，CO和HC基于油耗的排放因子較大；作業(yè)工況下，NO_x和PM的基于油耗的排放因子較大。

非道路機(jī)械實(shí)際作業(yè)排放與工況關(guān)系較大。目前非道路國四排放標(biāo)準(zhǔn)針對實(shí)際作業(yè)的測試要求比較寬泛，僅規(guī)定了循環(huán)功為道路車輛的5～7倍，沒有對工況和負(fù)荷的詳細(xì)要求，因此研究非道路國四大型挖掘機(jī)基于時間、油耗、功耗的排放因子十分必要。本文中基于PEMS，采用累積法分析非道路國四大型挖掘機(jī)的排放特性，研究實(shí)際工作時各工況的分布比例以及冷起動、怠速、作業(yè)、行走4種工作工況下的排放因子差異，并進(jìn)一步計(jì)算基于時間加權(quán)的綜合排放因子與功基窗口法的結(jié)果差異，為編制排放清單提供真實(shí)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)對象及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)對象

試驗(yàn)用6缸挖掘機(jī)滿足非道路國四排放標(biāo)準(zhǔn)，后處理系統(tǒng)包括廢氣再循環(huán)、氧化催化器、顆粒捕集器和氨捕捉器。該挖掘機(jī)已累計(jì)運(yùn)行2 000 h，磨合良好且未大修，能順利進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和測試，可提高試驗(yàn)效率。該挖掘機(jī)及搭載的柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)設(shè)備主要包括車載氣體分析儀、發(fā)電機(jī)、排氣流量計(jì)、車載自動診斷系統(tǒng)（on board diagnostics，OBD）、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS），試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

車載氣體分析儀采用AVL 493D Gas PEMS IX，分析單元包含紅外線分析儀、氫火焰離子化分析儀和化學(xué)發(fā)光分析儀，測量尾氣中CO、CO₂、HC、NO_x體積分?jǐn)?shù)；排氣流量計(jì)為AVL的EFM TUBE EXTENSION 2.5-INCHES，與排氣尾管相連，直接采集車輛尾氣，測量挖掘機(jī)排氣質(zhì)量流量等信息；GPS安裝在挖掘機(jī)機(jī)身上，實(shí)時測量經(jīng)度、緯度、海拔高度以及挖掘機(jī)的瞬時速度等；大氣壓力傳感器采集大氣壓力；溫度、濕度傳感器測量環(huán)境溫度和環(huán)境濕度；OBD電腦與挖掘機(jī)的OBD診斷接口相連，實(shí)時記錄發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率、冷卻液溫度、負(fù)荷等信息。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度，試驗(yàn)前、后均對設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定。

1.3 試驗(yàn)方案

挖掘機(jī)的常見工況為冷起動、怠速、行走和作業(yè)工況。冷起動工況是指挖掘機(jī)起動后冷卻液溫度低于70 ℃的時間段；怠速工況指發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為怠速轉(zhuǎn)速（800 r/min±50 r/min），在原地保持靜止的工況；行走工況指挖掘機(jī)前進(jìn)或后退，挖斗不工作，且速度大于3 km/h的時間段；作業(yè)工況是指除去冷起動、行走和怠速的時間之外，挖掘機(jī)挖斗開始挖掘的時間段，車速一般小于3 km/h。

測試場地開闊，挖掘面積為10 m×30 m左右，可供挖掘機(jī)移動及挖土。試驗(yàn)挖掘機(jī)按照平時真實(shí)操作狀態(tài)開始排放測試后，整個測試過程不間斷采樣且記錄瞬時數(shù)據(jù)，測試持續(xù)時間基于機(jī)械做功計(jì)算，當(dāng)機(jī)械累計(jì)做功達(dá)到約7倍發(fā)動機(jī)NRTC循環(huán)功時，測試停止，整個測試時間不低于2 h。

1.4 測試流程

基于PEMS的挖掘機(jī)排放測試流程如圖2所示。

1） 用綁帶或者固定支架等將PEMS設(shè)備安裝到試驗(yàn)用挖掘機(jī)上，采用防震墊減少振動對設(shè)備的影響；連接挖掘機(jī)排氣管路和測試裝置時，需要注意密封墊和卡箍的安裝，保證尾氣不泄露。

2）上電啟動，檢查通信設(shè)備是否正常，如果異常需要檢查線路連接。

3）標(biāo)定設(shè)備的零氣和量距氣，保證設(shè)備零點(diǎn)和量程的正確性。

4）正式開始試驗(yàn)，測試機(jī)械在實(shí)際工作工況下排放，同時記錄數(shù)據(jù)。

5）對設(shè)備進(jìn)行零點(diǎn)漂移檢查后拆卸設(shè)備。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

按冷起動、怠速、行走和挖掘作業(yè)4種工況，將采集的挖掘機(jī)實(shí)際作業(yè)尾氣排放數(shù)據(jù)進(jìn)行歸集，分析真實(shí)作業(yè)場景下各工況的占比，計(jì)算各工況下的排放因子。采用累積法處理數(shù)據(jù)，計(jì)算挖掘機(jī)基于時間、油耗、功率的污染物排放因子。

基于時間的排放因子

e_t=E_t/t ，（1）

式中：E_t為某工況下的柴油機(jī)氣態(tài)污染物排放，g；t為時間，s。

基于油耗的排放因子

e_f=E_t/m_F，t，（2）

式中： m_F，t為工況下的柴油機(jī)油耗，kg。

基于功率的排放因子

e_W=E_t/W_t，（3）

式中：W_t為某工況下的柴油機(jī)輸出功，kW·h，

{W_t}為以kW·h為單位的W_t的數(shù)值，{W_t}=13 600{n}{T}9 550，其中，{n}為以r/min為單位的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速n的數(shù)值，{T}為以N·m為單位的轉(zhuǎn)矩T的數(shù)值。

2 挖掘機(jī)實(shí)際作業(yè)工況特性

2.1 實(shí)際作業(yè)的柴油機(jī)工況點(diǎn)分布

圖3 柴油機(jī)工況點(diǎn)分布

在作業(yè)過程中，柴油機(jī)根據(jù)挖掘機(jī)工況需求不斷變化工作點(diǎn)，持續(xù)作業(yè)6 208 s，工況點(diǎn)分布如圖3所示。由圖3可知：工作負(fù)荷為70%以上的工況占比約22%，工作負(fù)荷為50%以上的工況占比65%，挖掘機(jī)實(shí)際作業(yè)工況主要分布在中高負(fù)荷區(qū)域。

2.2 實(shí)際作業(yè)的整機(jī)工況特點(diǎn)

在滿足非道路國四PEMS測試要求的 5～7倍循環(huán)功的工作時間內(nèi)，挖掘機(jī)冷起動、怠速、行走和挖掘作業(yè)的工況時間分別為573、153、1 857、3 625 s，分別占總測試時間的9.2%、2.5%、29.9%和58.4%。挖掘機(jī)在行走和挖掘作業(yè)時，柴油機(jī)的輸出功分別為69.25、115.78 kW·h，2種工況做功占總輸出功的96%；行走時挖掘機(jī)最高平均車速為9.06 km/h，作業(yè)時平均車速為1.33 km/h。

2.3 實(shí)際作業(yè)不同工況的油耗

PEMS測試要求采用碳平衡法驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性。若通過碳平衡法計(jì)算和ECU讀取的油耗的相對偏差在±5%以內(nèi)，則試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效^[14]。經(jīng)試驗(yàn)，碳平衡法計(jì)算的挖掘機(jī)燃油耗率為204.03 g/（kW·h），ECU讀取的燃油耗率為203.17 g/（kW·h），相對偏差為-0.42%，試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效。

挖掘機(jī)油耗與工況有關(guān)，怠速工況的燃油消耗率最高，為408.65 g/（kW·h），冷起動工況、行走工況的燃油消耗率基本持平，約為225.84 g/（kW·h），挖掘工況的燃油消耗率為339.25 g/（kW·h）。

3 挖掘機(jī)實(shí)際作業(yè)的排放特性

3.1 挖掘機(jī)實(shí)際作業(yè)排放因子

分別計(jì)算挖掘機(jī)實(shí)際作業(yè)不同工況下、不同氣體的基于時間、油耗、功率的排放因子，結(jié)果如表2所示。

由表2可知：1）怠速工況下，氣態(tài)污染物基于功率的排放因子明顯高于其他工況，基于功率的排放因子是目前常用的排放評價指標(biāo)，在后續(xù)非道路機(jī)械的排放標(biāo)準(zhǔn)升級時有必要考慮提高怠速工況在總測試時間的占比；2）怠速工況下基于時間和油耗的氣態(tài)污染物排放因子均低于行走和挖掘工況；3）行走和挖掘工況下氣態(tài)污染物排放因子基本處于同一水平，因此進(jìn)行非道路機(jī)械實(shí)際作業(yè)排放管理時無需詳細(xì)區(qū)分行走和挖掘工況。

3.2 不同數(shù)據(jù)處理方法的氣態(tài)污染物比排放對比

非道路國四排放標(biāo)準(zhǔn)采用功基窗口法計(jì)算氣態(tài)污染物的比排放。本文中采用PEMS方法測量各種氣態(tài)污染物排放總量，轉(zhuǎn)化為各工況下的氣態(tài)污染物比排放，再根據(jù)挖掘機(jī)實(shí)際作業(yè)各工況的時間占比，得到基于時間的加權(quán)比排放。對比分析挖掘機(jī)采用時間加權(quán)法與功基窗口法計(jì)算的氣態(tài)污染物比排放，結(jié)果如表3所示。

由表3可知：基于時間加權(quán)法計(jì)算的氣態(tài)排放污染物比排放大于功基窗口法，特別是NO_x比排放，比功基窗口法的計(jì)算結(jié)果約高1.9倍，同時超出了非道路國四限值^[15]，主要由于行走和作業(yè)工況在實(shí)際作業(yè)總時間中占比較大導(dǎo)致。但是，時間加權(quán)法更能反應(yīng)挖掘機(jī)實(shí)際作業(yè)的排放水平，在進(jìn)行非道路實(shí)際作業(yè)排放測試時應(yīng)規(guī)定好各工況的時間占比，并按照時間加權(quán)法計(jì)算氣態(tài)污染物實(shí)際排放因子。

4 結(jié)論

1）挖掘機(jī)實(shí)際作業(yè)工況點(diǎn)主要分布在中高轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，實(shí)際作業(yè)中行走和挖掘時間占地最高，這2種工況下柴油機(jī)輸出功占總輸出功的96%。

2）碳平衡法計(jì)算的挖掘機(jī)燃油消耗率為204.03 g/（kW·h），ECU讀取的燃油消耗率為203.17 g/（kW·h），相對偏差為-0.42%，試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效。

3）實(shí)際作業(yè)環(huán)境下，挖掘機(jī)的油耗與工況有關(guān)，怠速工況下的燃油消耗率最高，為408.65 g/（kW·h），冷起動工況、行走工況的燃油消耗率基本持平，約為225.84 g/（kW·h）；挖掘工況的燃油消耗率為339.25 g/（kW·h）。

4）怠速工況下，NO_x和CO基于功率的排放因子明顯高于行走和挖掘工況；行走和挖掘工況下，NO_x和CO的基于功率、時間、油耗的排放因子基本處于同一水平，在非道路實(shí)際作業(yè)的排放測試中無需詳細(xì)區(qū)分行走和挖掘，僅以負(fù)荷占比進(jìn)行規(guī)定即可；冷起動工況下的NO_x排放因子最高。

5）采用時間加權(quán)法計(jì)算的比排放大于功基窗口法計(jì)算的比排放，NO_x比排放偏高約1.9倍。

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Emission characteristics of a diesel engine for a construction machinery

based on PEMS test

LI Yuan， HUANG Yaqiang， HUANG Zhiqiang， KAN Hai， ZHENG Jian

Shanghai Motor Vehicle Inspection Certification & Tech Innovation Center Co.， Ltd.，Shanghai 201805，China

Abstract：Based on a China non-road IV diesel engine used by excavator， the portable emission measurement system （PEMS） test method is adopted to study the emission characteristics of the actual operation in different working conditions， the emission factors based on power， time and fuel consumption are calculated， and the difference in specific emission of gaseous pollutonts based on time-weighted and power-based window method is analyzed. Research result shows that the actual operating conditions of the digger are mainly distributed in the medium and high rotating speed and load areas. The output work of diesel engine accounts for 96% of the total output work. The distribution of fuel consumption characteristics in the actual operating environment of the excavator is related to the working conditions， the highest specific fuel consumption in the idle speed condition， for 408.65 g/（kW·h）. The power-based emission factors of NO_xand CO of idling are significantly higher than the moving and working conditions， CO and NO_xemission factors of power， time， fuel consumption are basically at the same level under moving and working conditions. The NO_xemission factor and NO_xemission mass are the highest under the cold starting condition. The specific emission of gaseous pollutants based on time-weighted are larger than that of the power-based window method， NO_xemission is about 1.9 times higher.

Keywords：non-road construction machinery; emission characteristics; PEMS; actual operation

（責(zé)任編輯：臧發(fā)業(yè)）