基于PEMS测试的工程机械柴油机排放特性

李远 黄亚强 黄志强 阚海 郑建

摘要：以某非道路国四大功率挖掘机为对象，采用便携式排放测量系统（portable emmission measurement system，PEMS）测试方法研究其在不同工况实际作业的排放特性，计算基于功率、时间和油耗的气态污染物排放因子，并分析基于时间加权与功基窗口法的气态污染物比排放差异。研究结果表明：挖掘机实际作业工况主要分布在中高转速和负荷区域，行走工况和作业工况下柴油机输出功占总输出功的96%；挖掘机实际作业环境下的油耗特征分布与工况有关，怠速工况的燃油消耗率最高，为408.65 g/（kW·h）；怠速工况NO_x和CO基于功率的排放因子明显高于行走和作业工况，CO和NO_x基于功率、时间、油耗的排放因子在行走和作业工况下基本处于同一水平；冷起动工况下NO_x排放因子和NO_x排放质量均最大；基于时间加权的气态污染物比排放大于功基窗口法，NO_x比排放偏高约1.9倍。

关键词：非道路工程机械；排放特性；PEMS；实际作业

中图分类号：TK421.5文献标志码：A文章编号：1673-6397（2024）02-0059-06

引用格式：李远，黄亚强，黄志强，等. 基于PEMS测试的工程机械柴油机排放特性［J］.内燃机与动力装置，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

我国工程机械保有量逐年上升，其尾气排放对环境的影响越来越大。挖掘机是工程机械中的典型工作机械，大多以柴油机为动力。2021年我国工程机械排放总量中，挖掘机排放的HC、NO_x、颗粒物（particulate matter，PM）分别为4.2、52.2、3.9 万t，分别约占2021年工程机械排放总量的37.0%、36.3%、52.3%^[1]。

我国于2019年出台了《非道路移动源大气污染物排放清单编制技术指南》^[2]，推荐了适用于不同条件的简易、一般和复杂方法等3种方法编制移动源排放清单。目前，关于工程机械排放的研究中，大多采用基于油耗的排放因子，且都采用清单推荐值，因此无法体现各工程机械的功率水平差异和机械类别差异^[3-4]。研究工程机械排放特性的测试方法主要有台架测试和便携式排放测量系统（portable emission measurement system， PEMS）测试。台架测试方法的场地设备成本高，且无法完全模拟真实作业工况 ^[5-6]，因此，利用PEMS分析工程机械实际作业排放特性的研究越来越多。

研究工程机械实际排放因子可为编制排放清单提供真实数据，有利于国家针对性地制定相关环保政策和排放标准。王国强等^[7]利用PEMS测试方法研究了装载机的排放特性，发现不同作业工况的装载机NO_x排放差别较大，但与装载机负荷率不相关。吴笛等^[8]采用PEMS测试方法对装载机、挖掘机、叉车实际作业工况下的排放因子进行研究，结果表明：挖掘机基于时间的排放因子最大，装载机基于功率的排放因子最大。颜欣迪等^[9]分析了怠速、高怠速、自由加速和实际作业4种工况下港口作业机械基于油耗的排放因子，结果表明，CO、THC排放因子具有类似规律，怠速工况下的排放因子均大于作业工况。李世峰等^[10]研究了冷起动对国四装载机排放因子的影响，发现包括冷起动的CO比排放是不包括冷起动的2.23倍，包括冷起动的NO_x和CO₂比排放与不包括冷起动的结果相近。潘召祥等^[11]为推動高原地区非道路柴油移动机械排放清单的建立，研究了高海拔下装载机不同工作模式下基于时间和油耗的排放因子，结果表明：基于时间的高原整体排放比平原高，基于燃油的CO与NO_x的实测数据分别比国家标准规定限值高14.34%、39.89%。马帅等^[12]利用PEMS系统对8台挖掘机的排放情况进行研究，结果表明：与国一阶段相比，国二阶段的挖掘机在怠速、行走、作业工况下排放的NO分别减小8％、35％和5％，PM_2.5分别降低88％、87％和80％；估算得到的挖掘机基于功率的排放因子中，CO、HC、NO的排放因子低于国家排放标准。付明亮等^[13]利用PEMS对45辆典型工程机械进行实际工况排放测试，结果表明：工况对工程机械排放速率和排放因子的影响十分明显，多数瞬时排放峰值出现在作业工况下；怠速工况下，CO和HC基于油耗的排放因子较大；作业工况下，NO_x和PM的基于油耗的排放因子较大。

非道路机械实际作业排放与工况关系较大。目前非道路国四排放标准针对实际作业的测试要求比较宽泛，仅规定了循环功为道路车辆的5～7倍，没有对工况和负荷的详细要求，因此研究非道路国四大型挖掘机基于时间、油耗、功耗的排放因子十分必要。本文中基于PEMS，采用累积法分析非道路国四大型挖掘机的排放特性，研究实际工作时各工况的分布比例以及冷起动、怠速、作业、行走4种工作工况下的排放因子差异，并进一步计算基于时间加权的综合排放因子与功基窗口法的结果差异，为编制排放清单提供真实数据。

1 试验对象及试验方案

1.1 试验对象

试验用6缸挖掘机满足非道路国四排放标准，后处理系统包括废气再循环、氧化催化器、颗粒捕集器和氨捕捉器。该挖掘机已累计运行2 000 h，磨合良好且未大修，能顺利进行数据的采集和测试，可提高试验效率。该挖掘机及搭载的柴油机主要技术参数如表1所示。

1.2 试验设备及试验装置

试验设备主要包括车载气体分析仪、发电机、排气流量计、车载自动诊断系统（on board diagnostics，OBD）、全球卫星定位系统（global positioning system，GPS），试验装置示意图如图1所示。

车载气体分析仪采用AVL 493D Gas PEMS IX，分析单元包含红外线分析仪、氢火焰离子化分析仪和化学发光分析仪，测量尾气中CO、CO₂、HC、NO_x体积分数；排气流量计为AVL的EFM TUBE EXTENSION 2.5-INCHES，与排气尾管相连，直接采集车辆尾气，测量挖掘机排气质量流量等信息；GPS安装在挖掘机机身上，实时测量经度、纬度、海拔高度以及挖掘机的瞬时速度等；大气压力传感器采集大气压力；温度、湿度传感器测量环境温度和环境湿度；OBD电脑与挖掘机的OBD诊断接口相连，实时记录发动机转速、转矩、燃油消耗率、冷却液温度、负荷等信息。为保证试验数据的精度，试验前、后均对设备进行标定。

1.3 试验方案

挖掘机的常见工况为冷起动、怠速、行走和作业工况。冷起动工况是指挖掘机起动后冷却液温度低于70 ℃的时间段；怠速工况指发动机转速为怠速转速（800 r/min±50 r/min），在原地保持静止的工况；行走工况指挖掘机前进或后退，挖斗不工作，且速度大于3 km/h的时间段；作业工况是指除去冷起动、行走和怠速的时间之外，挖掘机挖斗开始挖掘的时间段，车速一般小于3 km/h。

测试场地开阔，挖掘面积为10 m×30 m左右，可供挖掘机移动及挖土。试验挖掘机按照平时真实操作状态开始排放测试后，整个测试过程不间断采样且记录瞬时数据，测试持续时间基于机械做功计算，当机械累计做功达到约7倍发动机NRTC循环功时，测试停止，整个测试时间不低于2 h。

1.4 测试流程

基于PEMS的挖掘机排放测试流程如图2所示。

1） 用绑带或者固定支架等将PEMS设备安装到试验用挖掘机上，采用防震垫减少振动对设备的影响；连接挖掘机排气管路和测试装置时，需要注意密封垫和卡箍的安装，保证尾气不泄露。

2）上电启动，检查通信设备是否正常，如果异常需要检查线路连接。

3）标定设备的零气和量距气，保证设备零点和量程的正确性。

4）正式开始试验，测试机械在实际工作工况下排放，同时记录数据。

5）对设备进行零点漂移检查后拆卸设备。

1.5 数据处理方法

按冷起动、怠速、行走和挖掘作业4种工况，将采集的挖掘机实际作业尾气排放数据进行归集，分析真实作业场景下各工况的占比，计算各工况下的排放因子。采用累积法处理数据，计算挖掘机基于时间、油耗、功率的污染物排放因子。

基于時间的排放因子

e_t=E_t/t ，（1）

式中：E_t为某工况下的柴油机气态污染物排放，g；t为时间，s。

基于油耗的排放因子

e_f=E_t/m_F，t，（2）

式中： m_F，t为工况下的柴油机油耗，kg。

基于功率的排放因子

e_W=E_t/W_t，（3）

式中：W_t为某工况下的柴油机输出功，kW·h，

{W_t}为以kW·h为单位的W_t的数值，{W_t}=13 600{n}{T}9 550，其中，{n}为以r/min为单位的发动机转速n的数值，{T}为以N·m为单位的转矩T的数值。

2 挖掘机实际作业工况特性

2.1 实际作业的柴油机工况点分布

图3 柴油机工况点分布

在作业过程中，柴油机根据挖掘机工况需求不断变化工作点，持续作业6 208 s，工况点分布如图3所示。由图3可知：工作负荷为70%以上的工况占比约22%，工作负荷为50%以上的工况占比65%，挖掘机实际作业工况主要分布在中高负荷区域。

2.2 实际作业的整机工况特点

在满足非道路国四PEMS测试要求的 5～7倍循环功的工作时间内，挖掘机冷起动、怠速、行走和挖掘作业的工况时间分别为573、153、1 857、3 625 s，分别占总测试时间的9.2%、2.5%、29.9%和58.4%。挖掘机在行走和挖掘作业时，柴油机的输出功分别为69.25、115.78 kW·h，2种工况做功占总输出功的96%；行走时挖掘机最高平均车速为9.06 km/h，作业时平均车速为1.33 km/h。

2.3 实际作业不同工况的油耗

PEMS测试要求采用碳平衡法验证试验数据的有效性。若通过碳平衡法计算和ECU读取的油耗的相对偏差在±5%以内，则试验数据有效^[14]。经试验，碳平衡法计算的挖掘机燃油耗率为204.03 g/（kW·h），ECU读取的燃油耗率为203.17 g/（kW·h），相对偏差为-0.42%，试验数据有效。

挖掘机油耗与工况有关，怠速工况的燃油消耗率最高，为408.65 g/（kW·h），冷起动工况、行走工况的燃油消耗率基本持平，约为225.84 g/（kW·h），挖掘工况的燃油消耗率为339.25 g/（kW·h）。

3 挖掘机实际作业的排放特性

3.1 挖掘机实际作业排放因子

分别计算挖掘机实际作业不同工况下、不同气体的基于时间、油耗、功率的排放因子，结果如表2所示。

由表2可知：1）怠速工况下，气态污染物基于功率的排放因子明显高于其他工况，基于功率的排放因子是目前常用的排放评价指标，在后续非道路机械的排放标准升级时有必要考虑提高怠速工况在总测试时间的占比；2）怠速工况下基于时间和油耗的气态污染物排放因子均低于行走和挖掘工况；3）行走和挖掘工况下气态污染物排放因子基本处于同一水平，因此进行非道路机械实际作业排放管理时无需详细区分行走和挖掘工况。

3.2 不同数据处理方法的气态污染物比排放对比

非道路国四排放标准采用功基窗口法计算气态污染物的比排放。本文中采用PEMS方法测量各种气态污染物排放总量，转化为各工况下的气态污染物比排放，再根据挖掘机实际作业各工况的时间占比，得到基于时间的加权比排放。对比分析挖掘机采用时间加权法与功基窗口法计算的气态污染物比排放，结果如表3所示。

由表3可知：基于时间加权法计算的气态排放污染物比排放大于功基窗口法，特别是NO_x比排放，比功基窗口法的计算结果约高1.9倍，同时超出了非道路国四限值^[15]，主要由于行走和作业工况在实际作业总时间中占比较大导致。但是，时间加权法更能反应挖掘机实际作业的排放水平，在进行非道路实际作业排放测试时应规定好各工况的时间占比，并按照时间加权法计算气态污染物实际排放因子。

4 结论

1）挖掘机实际作业工况点主要分布在中高转速和负荷，实际作业中行走和挖掘时间占地最高，这2种工况下柴油机输出功占总输出功的96%。

2）碳平衡法计算的挖掘机燃油消耗率为204.03 g/（kW·h），ECU读取的燃油消耗率为203.17 g/（kW·h），相对偏差为-0.42%，试验数据有效。

3）实际作业环境下，挖掘机的油耗与工况有关，怠速工况下的燃油消耗率最高，为408.65 g/（kW·h），冷起动工况、行走工况的燃油消耗率基本持平，约为225.84 g/（kW·h）；挖掘工况的燃油消耗率为339.25 g/（kW·h）。

4）怠速工况下，NO_x和CO基于功率的排放因子明显高于行走和挖掘工况；行走和挖掘工况下，NO_x和CO的基于功率、时间、油耗的排放因子基本处于同一水平，在非道路实际作业的排放测试中无需详细区分行走和挖掘，仅以负荷占比进行规定即可；冷起动工况下的NO_x排放因子最高。

5）采用时间加权法计算的比排放大于功基窗口法计算的比排放，NO_x比排放偏高约1.9倍。

参考文献：

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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

（責任编辑：臧发业）