基于PEMS的非道路移动机械排放测试方法研究新探

吴笛　刘坤

摘 要：机械污染物排放直接关系着大气环境的整体质量，对于社会经济的可持续发展具有积极作用。现阶段，非道路移动机械污染物排放量增大，有必要做好此类机械排放的系统监管和测试。本文在阐述PEMS技术内涵及原理的基础上，系统设计实验，对几种典型非道路移动机械进行排放测试，期望能为非道路移动机械排放测试工作的开展提供参考，实现机动车污染的有效防控，提升大气环境保护质量。

关键词：非道路移动机械 大气污染 PEMS 排放检测 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

可持续发展理念下，我国高度重视生态环境保护工作，并且对各类环境污染防治工作的力度增大，大气环境污染是生态环境污染的重要类型，其降低了空气的整体质量，威胁人们的身心健康。据统计，到2016年底，我国工程机械约700万台，运输船舶约3000万台，船舶、通用飞行器的数量分别为16万艘和2235架;这些非道路移动机械在使用中会排放大量的SO2、HC、NOx和PM，污染物的排放总量已远超750万吨，造成了极为严重的大气环境污染问题[1]。基于此，有必要做好非道路移动机械污染物排放的系统监控和测试，进而为环境污染防治奠定良好基础。新时期，PEMS技术在非道路移动机械污染物排放监测中的应用逐渐广泛。

2 PEMS技术内涵及工作原理

2.1 技术内涵

车辆排放控制法规指出：在进行车辆排放控制时，应准备实验室转鼓台架，重视CVS采样系统和工况法的融合使用。这种方式受试验场地影响明显，与实际路况存在较大差异。基于此，便携式排放测量系统（PEMS）得以应运而生，该测量系统下，PEMS被直接放置在车上，并随着车辆进行直接测试。从PEMS技术测量过程来看，其测量过程具有精确性、可靠性的特征，能有效反映测量的排放状况[2]。值得注意的是，PEMS技术属于新兴技术，故而在实际测试中，PEMS技术的应用尚缺乏完善的管理标准和规范进行约束。目前，PEMS技术在道路移动机械排放测试中的应用较多，但在非道路移动机械排放测中的应用相对较少，本文在PEMS技术支撑下，对几种典型非道路移动机械污染物的排放进行系统测试。

2.2 工作原理

就PEMS技术本身而言，其不仅能实现车辆、发动机运行数据的实时测试，而且能准确监测排气管尾气样本中污染物的浓度。在实际测量中，PEMS装置多被安装早乘客座椅下或测量底板上，这样在车辆运行过程中，除瞬时排放、油耗、车速外，发动机转速、温蒂、节气门位置等参数均会被实时存储下来。同时将排气尾管与车载气体污染物测量装置相互连接，能直接采集车辆尾气，实现车辆污染物体积浓度、质量流量的系统检测。此外，在PEMS技术检测过程中，其分析单元也发挥重要作用，PEMS系统分析单元包含红外线分析仪、氢火焰离化分析仪、化学发光分析仪等诸多单元，借助这些分析仪，能实现CO、CO2、HC、NOx等污染物的有效监测，最终所有的测试参数、环境参数、GPS参数会被记录和存储在PC设备中，有效地提升而来机械污染物排放监测的整体效益。基于PEMS技术的污染物测试流程如图1所示[3]。

3 实验设备

本研究中，在PEMS技术支撑下，测试三种非道路移动机械设备的污染物排放情况，要求测量条件保持相同，然后在实际作业状态下，获取机械瞬时的排放数据，最后基于合理方法提取和分析数据，获得最科学的污染物排放评价方法。

3.1 測试对象及设备

本次非道路移动机械选择中，挑选机械设备对象不仅包含装载机、挖掘机，而且涉及叉车。其中装载机额定功率、转速分别为162kW和2000rpm，采用EGR排放控制系统;而挖掘机额定功率为317kW，转速与装载机保持一致，使用EGR+DOC排放控制系统;此外叉车额定功率、转速分别为85kW和2200rpm，采用EGR+POC+DOC排放控制系统。所挑选测量设备为DS+排放分析仪。

3.2 测试方法

相比于其他设备，非道路移动机械设备具有作业工况复杂的特征。即在实际作业中，非道路移动机械设备往往很难按照统一的状态模式进行循环作业。故而在实际测试中，应重视温湿度、大气压力、海拔高度等要环境要素的控制，然后按照实际的工况进行不间断作业，并基于PEMS技术进行不间断作业，以此来保证测试数据的科学性、代表性。

在开始测试过程中，要求实验的机械热机充分，记录设备作业时的瞬时数据，所测参数不仅包含NOX浓度、排气流量，而且涉及温度、大气压、湿度，此外柴油机转速、扭矩、温度等都是极为重要的测试内容。让实验设备持续作业，设备累计做功达到3倍左右发动机NRTC循环做功时，停止做功及测试。

4 实验结果分析

4.1 结果计算

结合实验测试方法应用要求，本项目设备持续做功中，当设备发动机冷却液的温度超过70℃时，测试、计算机械污染物的排放质量，实现机械排放结果的准确把控。在实际计算中，不仅考虑氮氧化物瞬时排量（NOxt），而且分析原始排气中各气态污染物瞬时浓度（N0xconc），此外，实施瞬時排气流量的精准把控（Gech）。具体计算公式如下：

经计算，本研究中三种非道路移动机械排放结果如表2所示。

4.2 排放结果评价

本实验中，在监测污染物排放质量的基础上，对g/h和g/KWh两种污染物排放因子进行系统计算。在此基础上，为实现非道路移动机械设备排放水平的有效测试，本研究还引入功基窗口法，该方法下，要求在考虑每种机械设备作用状态的基础上，计算设备功基窗口比排放，同时要求对设备发动机型式检验比排放进行分析，通过这两个参数符合性的评价，来完成机械排放情况的准确评价。值得注意的是，在具体评价中，一个功基窗口就是一个完整的连续期间，而功基窗口的定义条件是：在设备做功中，发动机累积做功达到NRTC循环功。

在考虑功基窗口法应用条件的基础上，系统计算三种机械的功基窗口比排放，随后按照从小到大的要求累计排放因子，选择累计频率90%时的功基窗口比排放值，然后将该数值与发动机形式检验比的排放限制进行比较，实现符合性系数的有效计算。计算结果如表3所示。

由表3可知，本研究中，选择装载机、挖掘机、叉车三种非道路移动机械，这三种机械的比排放负荷系数各不相同，其中装载机比排放符合性系数为1.59，挖掘机、叉车比排放符合性系数分别为1.45和0.91。结合现实情况可知，机械设备的排放控制效果与符合性系数成反比，即符合性系数越小，则机械的排放控制技术应用效果越好，污染物防控控制效果更加突出。步入新时期以来，我国开始加大了对非道路移动机械排放情况的监管，在最近发布的《非道路移动机械及其装用柴油机污染物排放监控技术要求》（征求意见稿）中，要求在考虑非道路移动机械作业形态的基础上，对机械NOx排放情况进行监测;并且在具体的非道路移动机械PEMS测试中，要求PEMS测试的实验值保持在发动机型式检验限值的2.5倍以内，按照这些要求，可实现非道路移动机械排放情况的有效监测。

5 结语

非道路移动机械污染物排放测试难度较大，对于自然环境及人们生活质量的影响较高。结合本研究可知，PEMS测试系统同样可用于非道路移动机械排放检测，在实际测试中，通过记录、整合、分析机械在实际工况下的排放数据，并计算污染物排放质量和排放因子，强化功基窗口法应用，能有效地提升非道路移动机械污染物测试效率和质量，这为后期大气环境污染监测治理奠定了良好条件，有利于环境保护工作开展及社会生态的可持续发展。

参考文献：

[1]石子杏，徐星仁，罗锋，等.非道路PEMS试验研究及数据分析软件开发应用[J].内燃机与配件，2019（16）：33-34.

[2]刘坤，王锋德，刘顺利，等.基于功基窗口法的拖拉机典型工况排放特性研究[J].农业装备与车辆工程，2019，57（6）：8-10.

[3]胡磬遥.基于车用氮氧化物传感器的工程机械NOx排放因子测量方法研究[J].环境科学学报，2019，39（5）：1474-1481.