基于PEMS的非道路移動機械排放測試方法研究新探

吳笛　劉坤

摘 要：機械污染物排放直接關系著大氣環境的整體質量，對于社會經濟的可持續發展具有積極作用。現階段，非道路移動機械污染物排放量增大，有必要做好此類機械排放的系統監管和測試。本文在闡述PEMS技術內涵及原理的基礎上，系統設計實驗，對幾種典型非道路移動機械進行排放測試，期望能為非道路移動機械排放測試工作的開展提供參考，實現機動車污染的有效防控，提升大氣環境保護質量。

關鍵詞：非道路移動機械 大氣污染 PEMS 排放檢測 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

可持續發展理念下，我國高度重視生態環境保護工作，并且對各類環境污染防治工作的力度增大，大氣環境污染是生態環境污染的重要類型，其降低了空氣的整體質量，威脅人們的身心健康。據統計，到2016年底，我國工程機械約700萬臺，運輸船舶約3000萬臺，船舶、通用飛行器的數量分別為16萬艘和2235架;這些非道路移動機械在使用中會排放大量的SO2、HC、NOx和PM，污染物的排放總量已遠超750萬噸，造成了極為嚴重的大氣環境污染問題[1]。基于此，有必要做好非道路移動機械污染物排放的系統監控和測試，進而為環境污染防治奠定良好基礎。新時期，PEMS技術在非道路移動機械污染物排放監測中的應用逐漸廣泛。

2 PEMS技術內涵及工作原理

2.1 技術內涵

車輛排放控制法規指出：在進行車輛排放控制時，應準備實驗室轉鼓臺架，重視CVS采樣系統和工況法的融合使用。這種方式受試驗場地影響明顯，與實際路況存在較大差異。基于此，便攜式排放測量系統（PEMS）得以應運而生，該測量系統下，PEMS被直接放置在車上，并隨著車輛進行直接測試。從PEMS技術測量過程來看，其測量過程具有精確性、可靠性的特征，能有效反映測量的排放狀況[2]。值得注意的是，PEMS技術屬于新興技術，故而在實際測試中，PEMS技術的應用尚缺乏完善的管理標準和規范進行約束。目前，PEMS技術在道路移動機械排放測試中的應用較多，但在非道路移動機械排放測中的應用相對較少，本文在PEMS技術支撐下，對幾種典型非道路移動機械污染物的排放進行系統測試。

2.2 工作原理

就PEMS技術本身而言，其不僅能實現車輛、發動機運行數據的實時測試，而且能準確監測排氣管尾氣樣本中污染物的濃度。在實際測量中，PEMS裝置多被安裝早乘客座椅下或測量底板上，這樣在車輛運行過程中，除瞬時排放、油耗、車速外，發動機轉速、溫蒂、節氣門位置等參數均會被實時存儲下來。同時將排氣尾管與車載氣體污染物測量裝置相互連接，能直接采集車輛尾氣，實現車輛污染物體積濃度、質量流量的系統檢測。此外，在PEMS技術檢測過程中，其分析單元也發揮重要作用，PEMS系統分析單元包含紅外線分析儀、氫火焰離化分析儀、化學發光分析儀等諸多單元，借助這些分析儀，能實現CO、CO2、HC、NOx等污染物的有效監測，最終所有的測試參數、環境參數、GPS參數會被記錄和存儲在PC設備中，有效地提升而來機械污染物排放監測的整體效益。基于PEMS技術的污染物測試流程如圖1所示[3]。

3 實驗設備

本研究中，在PEMS技術支撐下，測試三種非道路移動機械設備的污染物排放情況，要求測量條件保持相同，然后在實際作業狀態下，獲取機械瞬時的排放數據，最后基于合理方法提取和分析數據，獲得最科學的污染物排放評價方法。

3.1 測試對象及設備

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

3.2 測試方法

相比于其他設備，非道路移動機械設備具有作業工況復雜的特征。即在實際作業中，非道路移動機械設備往往很難按照統一的狀態模式進行循環作業。故而在實際測試中，應重視溫濕度、大氣壓力、海拔高度等要環境要素的控制，然后按照實際的工況進行不間斷作業，并基于PEMS技術進行不間斷作業，以此來保證測試數據的科學性、代表性。

在開始測試過程中，要求實驗的機械熱機充分，記錄設備作業時的瞬時數據，所測參數不僅包含NOX濃度、排氣流量，而且涉及溫度、大氣壓、濕度，此外柴油機轉速、扭矩、溫度等都是極為重要的測試內容。讓實驗設備持續作業，設備累計做功達到3倍左右發動機NRTC循環做功時，停止做功及測試。

4 實驗結果分析

4.1 結果計算

結合實驗測試方法應用要求，本項目設備持續做功中，當設備發動機冷卻液的溫度超過70℃時，測試、計算機械污染物的排放質量，實現機械排放結果的準確把控。在實際計算中，不僅考慮氮氧化物瞬時排量（NOxt），而且分析原始排氣中各氣態污染物瞬時濃度（N0xconc），此外，實施瞬時排氣流量的精準把控（Gech）。具體計算公式如下：

經計算，本研究中三種非道路移動機械排放結果如表2所示。

4.2 排放結果評價

本實驗中，在監測污染物排放質量的基礎上，對g/h和g/KWh兩種污染物排放因子進行系統計算。在此基礎上，為實現非道路移動機械設備排放水平的有效測試，本研究還引入功基窗口法，該方法下，要求在考慮每種機械設備作用狀態的基礎上，計算設備功基窗口比排放，同時要求對設備發動機型式檢驗比排放進行分析，通過這兩個參數符合性的評價，來完成機械排放情況的準確評價。值得注意的是，在具體評價中，一個功基窗口就是一個完整的連續期間，而功基窗口的定義條件是：在設備做功中，發動機累積做功達到NRTC循環功。

在考慮功基窗口法應用條件的基礎上，系統計算三種機械的功基窗口比排放，隨后按照從小到大的要求累計排放因子，選擇累計頻率90%時的功基窗口比排放值，然后將該數值與發動機形式檢驗比的排放限制進行比較，實現符合性系數的有效計算。計算結果如表3所示。

由表3可知，本研究中，選擇裝載機、挖掘機、叉車三種非道路移動機械，這三種機械的比排放負荷系數各不相同，其中裝載機比排放符合性系數為1.59，挖掘機、叉車比排放符合性系數分別為1.45和0.91。結合現實情況可知，機械設備的排放控制效果與符合性系數成反比，即符合性系數越小，則機械的排放控制技術應用效果越好，污染物防控控制效果更加突出。步入新時期以來，我國開始加大了對非道路移動機械排放情況的監管，在最近發布的《非道路移動機械及其裝用柴油機污染物排放監控技術要求》（征求意見稿）中，要求在考慮非道路移動機械作業形態的基礎上，對機械NOx排放情況進行監測;并且在具體的非道路移動機械PEMS測試中，要求PEMS測試的實驗值保持在發動機型式檢驗限值的2.5倍以內，按照這些要求，可實現非道路移動機械排放情況的有效監測。

5 結語

非道路移動機械污染物排放測試難度較大，對于自然環境及人們生活質量的影響較高。結合本研究可知，PEMS測試系統同樣可用于非道路移動機械排放檢測，在實際測試中，通過記錄、整合、分析機械在實際工況下的排放數據，并計算污染物排放質量和排放因子，強化功基窗口法應用，能有效地提升非道路移動機械污染物測試效率和質量，這為后期大氣環境污染監測治理奠定了良好條件，有利于環境保護工作開展及社會生態的可持續發展。

參考文獻：

[1]石子杏，徐星仁，羅鋒，等.非道路PEMS試驗研究及數據分析軟件開發應用[J].內燃機與配件，2019（16）：33-34.

[2]劉坤，王鋒德，劉順利，等.基于功基窗口法的拖拉機典型工況排放特性研究[J].農業裝備與車輛工程，2019，57（6）：8-10.

[3]胡磬遙.基于車用氮氧化物傳感器的工程機械NOx排放因子測量方法研究[J].環境科學學報，2019，39（5）：1474-1481.