基于PEMS測試的工程機械柴油機排放特性

李遠 黃亞強 黃志強 闞海 鄭建

摘要：以某非道路國四大功率挖掘機為對象，采用便攜式排放測量系統（portable emmission measurement system，PEMS）測試方法研究其在不同工況實際作業的排放特性，計算基于功率、時間和油耗的氣態污染物排放因子，并分析基于時間加權與功基窗口法的氣態污染物比排放差異。研究結果表明：挖掘機實際作業工況主要分布在中高轉速和負荷區域，行走工況和作業工況下柴油機輸出功占總輸出功的96%；挖掘機實際作業環境下的油耗特征分布與工況有關，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排放質量均最大；基于時間加權的氣態污染物比排放大于功基窗口法，NO_x比排放偏高約1.9倍。

關鍵詞：非道路工程機械；排放特性；PEMS；實際作業

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

引用格式：李遠，黃亞強，黃志強，等. 基于PEMS測試的工程機械柴油機排放特性［J］.內燃機與動力裝置，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

我國工程機械保有量逐年上升，其尾氣排放對環境的影響越來越大。挖掘機是工程機械中的典型工作機械，大多以柴油機為動力。2021年我國工程機械排放總量中，挖掘機排放的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指南》^[2]，推薦了適用于不同條件的簡易、一般和復雜方法等3種方法編制移動源排放清單。目前，關于工程機械排放的研究中，大多采用基于油耗的排放因子，且都采用清單推薦值，因此無法體現各工程機械的功率水平差異和機械類別差異^[3-4]。研究工程機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（portable emission measurement system， PEMS）測試。臺架測試方法的場地設備成本高，且無法完全模擬真實作業工況 ^[5-6]，因此，利用PEMS分析工程機械實際作業排放特性的研究越來越多。

研究工程機械實際排放因子可為編制排放清單提供真實數據，有利于國家針對性地制定相關環保政策和排放標準。王國強等^[7]利用PEMS測試方法研究了裝載機的排放特性，發現不同作業工況的裝載機NO_x排放差別較大，但與裝載機負荷率不相關。吳笛等^[8]采用PEMS測試方法對裝載機、挖掘機、叉車實際作業工況下的排放因子進行研究，結果表明：挖掘機基于時間的排放因子最大，裝載機基于功率的排放因子最大。顏欣迪等^[9]分析了怠速、高怠速、自由加速和實際作業4種工況下港口作業機械基于油耗的排放因子，結果表明，CO、THC排放因子具有類似規律，怠速工況下的排放因子均大于作業工況。李世峰等^[10]研究了冷起動對國四裝載機排放因子的影響，發現包括冷起動的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果相近。潘召祥等^[11]為推動高原地區非道路柴油移動機械排放清單的建立，研究了高海拔下裝載機不同工作模式下基于時間和油耗的排放因子，結果表明：基于時間的高原整體排放比平原高，基于燃油的CO與NO_x的實測數據分別比國家標準規定限值高14.34%、39.89%。馬帥等^[12]利用PEMS系統對8臺挖掘機的排放情況進行研究，結果表明：與國一階段相比，國二階段的挖掘機在怠速、行走、作業工況下排放的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準。付明亮等^[13]利用PEMS對45輛典型工程機械進行實際工況排放測試，結果表明：工況對工程機械排放速率和排放因子的影響十分明顯，多數瞬時排放峰值出現在作業工況下；怠速工況下，CO和HC基于油耗的排放因子較大；作業工況下，NO_x和PM的基于油耗的排放因子較大。

非道路機械實際作業排放與工況關系較大。目前非道路國四排放標準針對實際作業的測試要求比較寬泛，僅規定了循環功為道路車輛的5～7倍，沒有對工況和負荷的詳細要求，因此研究非道路國四大型挖掘機基于時間、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的排放特性，研究實際工作時各工況的分布比例以及冷起動、怠速、作業、行走4種工作工況下的排放因子差異，并進一步計算基于時間加權的綜合排放因子與功基窗口法的結果差異，為編制排放清單提供真實數據。

1 試驗對象及試驗方案

1.1 試驗對象

試驗用6缸挖掘機滿足非道路國四排放標準，后處理系統包括廢氣再循環、氧化催化器、顆粒捕集器和氨捕捉器。該挖掘機已累計運行2 000 h，磨合良好且未大修，能順利進行數據的采集和測試，可提高試驗效率。該挖掘機及搭載的柴油機主要技術參數如表1所示。

1.2 試驗設備及試驗裝置

試驗設備主要包括車載氣體分析儀、發電機、排氣流量計、車載自動診斷系統（on board diagnostics，OBD）、全球衛星定位系統（global positioning system，GPS），試驗裝置示意圖如圖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發光分析儀，測量尾氣中CO、CO₂、HC、NO_x體積分數；排氣流量計為AVL的EFM TUBE EXTENSION 2.5-INCHES，與排氣尾管相連，直接采集車輛尾氣，測量挖掘機排氣質量流量等信息；GPS安裝在挖掘機機身上，實時測量經度、緯度、海拔高度以及挖掘機的瞬時速度等；大氣壓力傳感器采集大氣壓力；溫度、濕度傳感器測量環境溫度和環境濕度；OBD電腦與挖掘機的OBD診斷接口相連，實時記錄發動機轉速、轉矩、燃油消耗率、冷卻液溫度、負荷等信息。為保證試驗數據的精度，試驗前、后均對設備進行標定。

1.3 試驗方案

挖掘機的常見工況為冷起動、怠速、行走和作業工況。冷起動工況是指挖掘機起動后冷卻液溫度低于70 ℃的時間段；怠速工況指發動機轉速為怠速轉速（800 r/min±50 r/min），在原地保持靜止的工況；行走工況指挖掘機前進或后退，挖斗不工作，且速度大于3 km/h的時間段；作業工況是指除去冷起動、行走和怠速的時間之外，挖掘機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，可供挖掘機移動及挖土。試驗挖掘機按照平時真實操作狀態開始排放測試后，整個測試過程不間斷采樣且記錄瞬時數據，測試持續時間基于機械做功計算，當機械累計做功達到約7倍發動機NRTC循環功時，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設備安裝到試驗用挖掘機上，采用防震墊減少振動對設備的影響；連接挖掘機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，檢查通信設備是否正常，如果異常需要檢查線路連接。

3）標定設備的零氣和量距氣，保證設備零點和量程的正確性。

4）正式開始試驗，測試機械在實際工作工況下排放，同時記錄數據。

5）對設備進行零點漂移檢查后拆卸設備。

1.5 數據處理方法

按冷起動、怠速、行走和挖掘作業4種工況，將采集的挖掘機實際作業尾氣排放數據進行歸集，分析真實作業場景下各工況的占比，計算各工況下的排放因子。采用累積法處理數據，計算挖掘機基于時間、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氣態污染物排放，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輸出功，kW·h，

{W_t}為以kW·h為單位的W_t的數值，{W_t}=13 600{n}{T}9 550，其中，{n}為以r/min為單位的發動機轉速n的數值，{T}為以N·m為單位的轉矩T的數值。

2 挖掘機實際作業工況特性

2.1 實際作業的柴油機工況點分布

圖3 柴油機工況點分布

在作業過程中，柴油機根據挖掘機工況需求不斷變化工作點，持續作業6 208 s，工況點分布如圖3所示。由圖3可知：工作負荷為70%以上的工況占比約22%，工作負荷為50%以上的工況占比65%，挖掘機實際作業工況主要分布在中高負荷區域。

2.2 實際作業的整機工況特點

在滿足非道路國四PEMS測試要求的 5～7倍循環功的工作時間內，挖掘機冷起動、怠速、行走和挖掘作業的工況時間分別為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%。挖掘機在行走和挖掘作業時，柴油機的輸出功分別為69.25、115.78 kW·h，2種工況做功占總輸出功的96%；行走時挖掘機最高平均車速為9.06 km/h，作業時平均車速為1.33 km/h。

2.3 實際作業不同工況的油耗

PEMS測試要求采用碳平衡法驗證試驗數據的有效性。若通過碳平衡法計算和ECU讀取的油耗的相對偏差在±5%以內，則試驗數據有效^[14]。經試驗，碳平衡法計算的挖掘機燃油耗率為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%，試驗數據有效。

挖掘機油耗與工況有關，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 挖掘機實際作業的排放特性

3.1 挖掘機實際作業排放因子

分別計算挖掘機實際作業不同工況下、不同氣體的基于時間、油耗、功率的排放因子，結果如表2所示。

由表2可知：1）怠速工況下，氣態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，在后續非道路機械的排放標準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污染物排放因子基本處于同一水平，因此進行非道路機械實際作業排放管理時無需詳細區分行走和挖掘工況。

3.2 不同數據處理方法的氣態污染物比排放對比

非道路國四排放標準采用功基窗口法計算氣態污染物的比排放。本文中采用PEMS方法測量各種氣態污染物排放總量，轉化為各工況下的氣態污染物比排放，再根據挖掘機實際作業各工況的時間占比，得到基于時間的加權比排放。對比分析挖掘機采用時間加權法與功基窗口法計算的氣態污染物比排放，結果如表3所示。

由表3可知：基于時間加權法計算的氣態排放污染物比排放大于功基窗口法，特別是NO_x比排放，比功基窗口法的計算結果約高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工況在實際作業總時間中占比較大導致。但是，時間加權法更能反應挖掘機實際作業的排放水平，在進行非道路實際作業排放測試時應規定好各工況的時間占比，并按照時間加權法計算氣態污染物實際排放因子。

4 結論

1）挖掘機實際作業工況點主要分布在中高轉速和負荷，實際作業中行走和挖掘時間占地最高，這2種工況下柴油機輸出功占總輸出功的96%。

2）碳平衡法計算的挖掘機燃油消耗率為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%，試驗數據有效。

3）實際作業環境下，挖掘機的油耗與工況有關，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，在非道路實際作業的排放測試中無需詳細區分行走和挖掘，僅以負荷占比進行規定即可；冷起動工況下的NO_x排放因子最高。

5）采用時間加權法計算的比排放大于功基窗口法計算的比排放，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

（責任編輯：臧發業）