农机PEMS 排放检测设备的现状及发展趋势

黄盛杰，郑 巍，石俊阳，何瑞银，唐 静，廖汉平

（1.江苏省农业机械试验鉴定站，江苏 南京 210017；2.南京农业大学，江苏 南京 210095；3.盐城市农业机械试验鉴定站，江苏 盐城 224051；4.江苏沿海农业机械检测公司，江苏 盐城 224007）

0 引 言

2021 年我国农业机械保有量达2.06 亿台，农业机械总动力10.71 亿kW[1]，伴随着上述数据的是柴油机污染物SO2、HC、NOx和PM 的大量排放。据统计，2020 年中国非道路移动机械排放大气污染物SO2、HC、NOx、PM 分别达到了16.3 万、42.5 万、478.2 万、23.7 万t[2]。

为了预防和治理非道路移动机械的柴油发动机大气污染物排放对环境的污染，以此改善大气质量，2020 年12 月28 日生态环境部公布和实施了中华人民共和国国家环境保护标准HJ 1014—2020《非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求》[3]，明确自2022 年12 月1 日起，所有生产、进口和销售的560 kW 以下非道路移动机械及其装用的柴油机应符合中国第四阶段排放标准要求（GB 20891—2014《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段）》[4]）。法规中规定37 kW及以上机械应按照PEMS 测试方法进行排气污染物排放测量，90%以上有效功基窗口的CO 和NOx的比排放量应不超过GB20891—2014 表2 相应功率段限值的2.5 倍（额定净功率小于56 kW 的柴油机NOx比排放量为该功率段HC+NOx限值的2.5 倍），对于恒定转速及560 kW 以上机械，采用累积比排放量进行污染物排放计算的，CO 和NOx的比排放量同样应不超过GB20891—2014 表1 相应功率段限值的2.5 倍，各污染物排放限值如表1 所示。农机排放标准从“国三”升级“国四”，焕发了农机技术在新时代的生命力，有利于加快推动农业机械向绿色、高端的转型发展。

同时“国四”也对农用机械检测发动机排气污染物提出了新的需求。对于装配有“国四”排放标准柴油发动机的各类农业机械，需要有一套精确度高、适用性强、可靠性好的排放检测设备来响应国家环保政策的大战略以及环境保护国家强制性标准的发布实施。目前，农机排放检测设备广泛应用基于PEMS（Portable Emission Measurement System），即便携式排放测试系统，能满足农用机械检测发动机排气污染物的系统监测和测试。

表1 各污染物排放限值

1 农机PEMS 排放检测设备发展现状

1.1 农机PEMS 排放检测设备国内发展现状

PEMS 技术最早在道路移动机械排放测试中应用，PEMS 排放检测设备如图1 所示。天津市和湖北省在研发排气污染物检测设备上领先一步。2016年，轻型汽车“国六”排放法规GB 18352.6—2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》发布[5]，法规中将实际行驶污染物排放（RDE）试验定义为Ⅱ型试验，RED 试验需要PEMS 排放测试设备。在此背景下，作为一家专业的资深的发动机/汽车型式认证排放测试设备厂家，成立于2003 年的天津世纪动力科技发展有限公司，在GB 18352.6—2016 法规发布的同时，发布了第一代国产PEMS 产品，测试范围包含CO、CO2、NOx、THC、颗粒物PN。

图1 PEMS 排放检测设备

新标准实施后，不仅有利于农机污染防治，对农机产业升级也起到推动作用，虽然“国四”标准加大了企业压力，但也将提升企业研发和生产能力，从而实现转型升级，把握市场新机遇。2020 年12 月28日，国家环境保护标准《非道路移动柴油机械污染物排放控制技术要求》HJ 1014—2020 发布时，国内乘用车/商用车整车厂家、非道路整机厂家都需要PEMS测试设备进行产品研发升级。由于国内的便携式排放测试系统（PEMS）市场需求巨大，在此背景下世纪动力的PEMS 设备不断迭代升级，于2020 年推出了更便携、能耗更低、性价比更高的第二代PEMS 排放测试设备。

湖北锐意系统有限公司抓住时机，迅速组织研发技术团队攻关壁垒，2021 年底自主开发了新一代便携式排放测试系统（PEMS）。湖北锐意系统有限公司最经典的Gasboard-9805 系列的核心技术采用了气体分析技术，该便携式排放测试系统完美符合非道路“国四”标准。湖北锐意系统有限公司自主研发生产了核心传感器模块，性价比极佳，缓解了非道路机械客户的经济压力；该产品拥有人性化和易上手的电脑交互界面，可靠耐用，适应强，尤其适应非道路机械测量时常有的恶劣工况。设备整体采用模块化设计，操作灵活：其中GAS 模块和PN 模块不仅可以单独使用，也可以同时使用，以此满足客户不同的测量需求。另外，其保证精度的核心技术——气体分析技术是指红外NDIR 技术测量CO、CO2的排放，紫外UV-DOAS 技术测量NO、NO2的排放。

厦门通创检测技术有限公司针对非道路移动机械发动机及车载排放污染物测试，自主开发了厦门通创OBEAS 系列便携式车载排放测试系统，其特点为集成化高和检测精度高。该系统设置了高精度气体排放分析模块 (NDIR CO/CO2/O2模块;NDUV NO/NO2模块)、车辆参数OBD 诊断仪、GPS/北斗卫星定位、大气环境参数仪、高温排气气体流量计，一体化程度高，通用性强，适用于重型发动机、重型机动车、工程车辆、火车头、轮船、飞机等实验室台架测试困难的场合。该系统可以对行驶车辆中的CO、CO2、THC（可选）、NO、NO2、NOx、颗粒物数量浓度PN（x/m3）（可选）、排气流量、排气温度、环境温度/大气压/相对湿度、柴油机转速、扭矩、燃油消耗率、冷却液温度、经纬度及海拔信息等进行连续检测，可实现实际道路上非道路移动机械车辆行驶时的排放真实数据，用于建立更加精确的机动车排放因子及模型服务，实现车载排放测试。功能强大，集成了功基窗口及NTE 事件的评价方法，用于窗口比排放及NTE 事件比排放量计算及窗口平均功率、NTE 事件通过率的评估，集成移动平均窗口法数据后处理软件功能。

淄博青禾检测科技有限公司的PANDA 系列PEMS 产品采用非色散红外（NDIR） 技术测量CO/CO2，化学发光法（CLD）技术测量NO/NO2，采用氢火焰离子化检测器（FID）测量THC，采用凝聚核颗粒物计数器(CPC)测量PN，采用平均皮托管原理测量排气流量，自适应OBD 测试模块获取车辆参数，BD/GPS 模块获取车辆位置信息等。PANDA 系列PEMS(pd-G01.pd-PN01)主要用于满足重型车“国六”实际道路行驶测量方法（PEMS），轻型车“国六”实际行驶污染物排放试验(Ⅱ型试验)，同时满足非道路移动机械的车载法检测要求。产品不仅可以持续测量CO、CO2、HC 和NOx的浓度（%），还可测量尾气中颗粒物的数量（PN）以及排气流量和排气温度，车辆OBD信息和环境参数，其核心测量模块如图2 所示。

图2 PANDA 系列PEMS 核心测量模块

1.2 农机PEMS 排放检测设备国外发展现状

国外市场上主要有4 种PEMS 排放测试设备，分别是奥地利的AVL 车载排放测试系统、日本的Horiba 车载排放测试系统、美国的Sensors 车载排放测试系统以及德国的Testo 车载排放测试系统。这些设备都是欧美发达国家及日本开发，上述国家工业化水平较高，机械化水平较高乃至非道路移动机械保有量也大。PEMS 排放测试设备的广泛使用，对这些国家的经济发展、环境保护、技术升级和节能减排有积极意义。缺点是价格不菲，是国内同类产品的3～5 倍，兼容性一般，匹配度不高。

其中，SEMTECH DS+ 是美国Sensors 公司的第五代车载尾气分析系统，完全符合“欧六”、“国六”轻型车和重型车、“非四”车载尾气排放测试的技术要求。车载尾气分析系统也采用了模块化设计，每个模块具有独立的分析测量、温度调节、状态监控、数据采集存储、通信、气路、电路和液晶屏显示等功能。该系统具有性能卓越、能耗低、体积小、质量轻、故障少、维修维护简单和可自由增加或减少功能模块等特点。车载尾气分析系统的基础部分主要包括SEMTECH SCS 供电通讯系统、SEMTECH GAS 基础气体分析系统和SEMTECH EFM5 尾气流量计3 个功能模块。可增加的功能模块包括SEMTECH MPS等比例稀释系统、SEMTECH FID 总碳氢分析仪、SEMTECH PM2颗粒物质量测量系统和SEMTECH CPN 颗粒物数量测量系统等。

2 PEMS 工作原理

实验室台架上的检测结果已经不被信任，一是因为非道路机械的保有量巨大，作业工况复杂，过载工况非常频繁，消耗功率大，实际的排放水平相对于发动机台架试验结果的劣化程度高；二是非道路机械用户分散，移动性较差。

便携式排放测量系统(PEMS)能够有效解决这个问题，PEMS 被直接放置在车上，并随着车辆进行直接测试。PEMS 多被安装在乘客座椅下或测量底板上，这样农机在作业过程中，通过与车辆OBD 接口，柴油机转速、扭矩、燃油消耗率、环境温度、大气压、相对湿度等参数均会被实时记录存储，同时将排气尾管与便携式排放测量装置相互连接，能直接采集车辆尾气质量、体积、浓度、排气流量。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[6]。

PEMS 检测设备的污染物测试流程如图3 所示。尾气首先进入污染物分析仪，污染物分析仪采用非色散红外（NDIR）技术测量CO/CO2，化学发光法（CLD）技术测量NO/NO2等并将测量后的数据输出至数据整合系统，同时GPS 全球定位该农机的地理坐标发送、环境因素传感器也将温度、湿度等数据发送。数据整合系统收集后处理成电信号反馈给PC上位机记录存储和分析计算。

图3 PEMS 测试流程

目前，一般采用功基窗口法的评价方法科学有效评价农机的排放质量，指通过分析每种机械所有功基窗口比排放与发动机型式检验比排放的符合性来评价机械排放的方法，所谓一个功基窗口是指从测试起始点至终止点之间的一个连续区间，当区间内的发动机累积做功达到NRTC 循环功时, 定义该区间为一个功基窗口。功基窗口比排放由此可以计算出来，将其与相应发动机型式检验比排放限值进行比较，可以计算得出符合性系数。符合性系数和农机的排放控制技术呈负相关，符合性系数越小，农机的排放控制技术越高，排放质量越高[7-12]。

3 结 论

（1）全国农机保有量巨大，排放的污染物量也巨大。随着“国四”标准的发布，由于基于PEMS 的检测设备精确度高、适用性强、可靠性好，能满足农用机械检测发动机排气污染物的系统监测和测试，应用广泛。

（2）目前大多数PEMS 排放检测设备的分析系统采用模块化设计，可有效防止各测量传感器之间的信号干扰和装配上的困难。各模块的搭配和快速拆装，对于检测系统随检测对象的变化可作出扩展，也有利于对故障系统的排除和维修。国内自主研发的PEMS 排放检测设备适用性强，科技水平高，跨多学科及技术集成。

（3）在农机实际使用工况下，PEMS 测试系统能够真实测量并记录部分农机作业的瞬时排放量数据、农机运动参数以及环境数据，之后分析计算农机特定大气污染物的排放情况，可以使用功基窗口法的评价方法科学有效评价农机的排放质量。

（4）智能化、信息化、便携化仍是未来农机检测设备的发展趋势，数据分析软件与检测硬件配套，能采集更多真实农机排放及环境数据，综合有效科学评价，并能远程监控。同时还需解决检测数据远程传输、存储和分析的问题，另外可以关联故障报警系统，保障农机安全使用。