非道路柴油移動(dòng)機(jī)械排放檢測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用

非道路柴油移動(dòng)機(jī)械作為工程建設(shè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、港口作業(yè)和工業(yè)運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的關(guān)鍵裝備，其排氣污染物已成為大氣環(huán)境的重要貢獻(xiàn)源。為有效控制其排放水平，建立科學(xué)、規(guī)范的檢測(cè)體系至關(guān)重要。本文系統(tǒng)闡述了非道路柴油移動(dòng)機(jī)械的檢測(cè)項(xiàng)目、范圍、標(biāo)準(zhǔn)及儀器，為相關(guān)領(lǐng)域的監(jiān)管與技術(shù)進(jìn)步提供參考。

一、 檢測(cè)項(xiàng)目與方法原理

非道路柴油移動(dòng)機(jī)械的排放檢測(cè)主要分為排氣污染物測(cè)量和煙度測(cè)量?jī)纱箢悺?/span>

1. 排氣污染物測(cè)量
   此項(xiàng)檢測(cè)旨在量化機(jī)械在特定工況下排放的氣態(tài)污染物和顆粒物的質(zhì)量。通常采用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試或整車底盤測(cè)功機(jī)測(cè)試。

   • 檢測(cè)方法：穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)（如NRSC）與瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)（如NRTC）

     • NRSC（非道路穩(wěn)態(tài)循環(huán)）：該方法要求發(fā)動(dòng)機(jī)在預(yù)先設(shè)定的多個(gè)穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)（如額定轉(zhuǎn)速下的不同負(fù)荷點(diǎn)）下運(yùn)行。在每個(gè)工況點(diǎn)穩(wěn)定后，測(cè)量其排氣污染物的濃度和排氣流量，終通過加權(quán)計(jì)算得出整個(gè)循環(huán)的污染物質(zhì)量排放值。

     • NRTC（非道路瞬態(tài)循環(huán)）：該方法模擬了機(jī)械在實(shí)際工作中轉(zhuǎn)速和負(fù)荷頻繁變化的真實(shí)情況。測(cè)試時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)按照一個(gè)代表實(shí)際工作狀態(tài)的瞬態(tài)轉(zhuǎn)速-負(fù)荷序列運(yùn)行。通過實(shí)時(shí)測(cè)量排氣污染物的濃度和排氣質(zhì)量流量，積分計(jì)算得到整個(gè)循環(huán)的污染物總質(zhì)量。

   • 測(cè)量原理：

     • 氣態(tài)污染物（CO, HC, NOx）：采用不分光紅外吸收法（NDIR）測(cè)量一氧化碳（CO）；采用氫火焰離子化法（FID）測(cè)量碳?xì)浠衔铮℉C）；采用化學(xué)發(fā)光法（CLD）測(cè)量氮氧化物（NOx）。這些方法基于待測(cè)氣體對(duì)特定波長(zhǎng)紅外線的選擇性吸收或其在特定化學(xué)反應(yīng)中的發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行定量分析。

     • 顆粒物（PM）：采用部分流或全流稀釋取樣系統(tǒng)。排氣經(jīng)過清潔空氣稀釋、冷卻后，通過特定材質(zhì)的濾膜收集顆粒物。通過測(cè)量采樣前后濾膜的質(zhì)量差和稀釋排氣總量，計(jì)算出顆粒物的質(zhì)量濃度和總質(zhì)量。

2. 煙度測(cè)量
   煙度是評(píng)價(jià)柴油機(jī)燃燒狀況和顆粒物排放視覺影響的直觀指標(biāo)，主要測(cè)量方法包括：

   • 不透光煙度法：該方法基于光吸收原理。讓一束光穿過一定長(zhǎng)度的排氣煙柱，測(cè)量光線被煙氣吸收和散射后的衰減程度，以光吸收系數(shù)（K值）或不透光度（N值）表示煙度大小。此方法尤其適用于高煙度排放的在線監(jiān)測(cè)和執(zhí)法檢查。

   • 濾紙式煙度法：該方法通過抽氣泵將一定體積的排氣吸入并使其通過一張白色濾紙，煙氣中的碳煙顆粒被截留在濾紙上形成污斑。通過測(cè)量濾紙污斑的光反射率，得出波許單位（Rb）或黑度值（FSN）來表征煙度。

二、 檢測(cè)范圍

非道路柴油移動(dòng)機(jī)械的檢測(cè)覆蓋了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，主要包括：

• 工程機(jī)械：挖掘機(jī)、裝載機(jī)、推土機(jī)、壓路機(jī)、起重機(jī)、瀝青攤鋪機(jī)等。

• 農(nóng)業(yè)機(jī)械：拖拉機(jī)、聯(lián)合收割機(jī)、農(nóng)用運(yùn)輸車、灌溉機(jī)械等。

• 材料裝卸機(jī)械：叉車、集裝箱正面吊、龍門吊等。

• 機(jī)場(chǎng)地勤設(shè)備：行李牽引車、飛機(jī)加油車、客梯車等。

• 其他：雪犁、發(fā)電機(jī)組、空氣壓縮機(jī)、鐵路工程車輛等。

不同應(yīng)用領(lǐng)域的機(jī)械，其功率范圍、工作特點(diǎn)（如負(fù)荷率、轉(zhuǎn)速變化頻率）存在差異，因此檢測(cè)的工況循環(huán)和限值要求也相應(yīng)調(diào)整。

三、 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)外已建立了一系列針對(duì)非道路柴油移動(dòng)機(jī)械排放檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)體系。

1. 與國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)

   • 歐盟法規(guī)：歐盟階段（Stage）標(biāo)準(zhǔn)是目前范圍內(nèi)為嚴(yán)格的法規(guī)體系之一，例如Stage V標(biāo)準(zhǔn)，其對(duì)PN（顆粒物數(shù)量）提出了限值要求。

   • 美國(guó)法規(guī)：由美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA）制定的Tier系列標(biāo)準(zhǔn)，與歐盟標(biāo)準(zhǔn)并行，是兩大主要技術(shù)體系。

   • ISO標(biāo)準(zhǔn)：標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如ISO 8178《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī) 排放測(cè)量》系列標(biāo)準(zhǔn)，為各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)提供了基礎(chǔ)性方法參考。

2. 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)

   • 強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)：中國(guó)依次實(shí)施了國(guó)一至國(guó)四階段非道路柴油移動(dòng)機(jī)械污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)行新的國(guó)四標(biāo)準(zhǔn)（GB 20891-2014及其修改單）大幅加嚴(yán)了污染物限值，并引入了PN控制要求，其測(cè)試方法主要參照NRSC和NRTC循環(huán)。

   • 在用車檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)：針對(duì)在用非道路機(jī)械的監(jiān)督抽查，主要依據(jù)《非道路柴油移動(dòng)機(jī)械排氣煙度限值及測(cè)量方法》（GB 36886-2018）。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了采用不透光煙度法對(duì)機(jī)械進(jìn)行自由加速煙度或額定轉(zhuǎn)速下負(fù)載輪轂的檢測(cè)方法及限值。

四、 檢測(cè)儀器與設(shè)備

完成上述檢測(cè)項(xiàng)目需要一系列高精度的專用儀器設(shè)備。

1. 排放分析系統(tǒng)
   這是測(cè)量氣態(tài)污染物的核心設(shè)備。一套完整的系統(tǒng)通常包括：

   • 采樣系統(tǒng)：負(fù)責(zé)從排氣管中抽取、輸送和預(yù)處理（如除水、除塵、恒溫）排氣樣本。

   • 分析模塊：集成NDIR分析儀（測(cè)CO/CO2）、FID分析儀（測(cè)HC）、CLD分析儀（測(cè)NOx）等。

   • 控制與數(shù)據(jù)處理單元：控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，采集、記錄和分析數(shù)據(jù)。

2. 顆粒物采樣系統(tǒng)

   • 全流稀釋風(fēng)道：將發(fā)動(dòng)機(jī)全部排氣引入一個(gè)大型風(fēng)道中，與經(jīng)過處理的潔凈空氣充分稀釋、混合，模擬排氣進(jìn)入大氣的狀態(tài)，然后進(jìn)行顆粒物采樣。結(jié)果準(zhǔn)確，但系統(tǒng)龐大復(fù)雜。

   • 部分流稀釋系統(tǒng)：僅抽取一部分排氣進(jìn)行稀釋和采樣。系統(tǒng)相對(duì)靈活，適用于臺(tái)架和PEMS測(cè)試，是現(xiàn)代排放實(shí)驗(yàn)室的主流選擇。

3. 煙度計(jì)

   • 不透光煙度計(jì)：用于測(cè)量排氣的光吸收系數(shù)，常用于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架和在用車/機(jī)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

   • 濾紙式煙度計(jì)：用于測(cè)量波許煙度值，在某些標(biāo)準(zhǔn)和特定場(chǎng)合下使用。

4. 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)
   用于進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)排放測(cè)試，主要包括：

   • 測(cè)功機(jī)：用于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)施加模擬的負(fù)載，并精確測(cè)量其轉(zhuǎn)速和扭矩。

   • 發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)：控制發(fā)動(dòng)機(jī)的油門、工況切換等。

   • 環(huán)境條件模擬系統(tǒng)：維持測(cè)試環(huán)境（如進(jìn)氣溫度、壓力）的穩(wěn)定，保證測(cè)試結(jié)果的可比性。

5. 便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)（PEMS）
   PEMS是近年來快速發(fā)展的技術(shù)，它能夠?qū)⑴欧欧治鲈O(shè)備小型化并集成在移動(dòng)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械在實(shí)際工作狀態(tài)下排放的實(shí)時(shí)、原位測(cè)量。這對(duì)于監(jiān)管在用機(jī)械的真實(shí)排放水平、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的有效性具有重要意義。

結(jié)論

隨著環(huán)境保護(hù)要求的日益嚴(yán)格，非道路柴油移動(dòng)機(jī)械的排放檢測(cè)技術(shù)正朝著更、更全面、更貼近實(shí)際工況的方向發(fā)展。從實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)測(cè)試到基于PEMS的實(shí)際排放監(jiān)測(cè)，檢測(cè)體系不斷完善。深入理解和掌握各項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)的內(nèi)涵與應(yīng)用，對(duì)于推動(dòng)非道路機(jī)械行業(yè)的技術(shù)升級(jí)、落實(shí)排放法規(guī)、以及持續(xù)改善環(huán)境空氣質(zhì)量具有不可替代的作用。