2019, Vol. 39
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挖掘机、推土机、压路机等以柴油机为动力的工程机械, 在基建领域有着不可替代的作用(Zhao et al., 2013).由于柴油机的运行特点是缸内直喷、稀薄半预混非均质燃烧, 导致其燃烧过程高温、富氧且燃烧反应时间充分, 更有利于NOx的产生.包括工程机械在内的各类非道路移动柴油机械是我国城市NOx的重要来源之一, 已成为制约我国大城市空气质量持续改善的重要因素, 对城市大气环境和居民健康造成了重大的威胁(张楚莹等, 2008; Anenberg et al., 2017).如何准确、高效地获得各类工程机械的NOx排放水平, 是开展工程机械等非道路移动机械NOx排放治理的基础工作(张礼俊等, 2010; 李东玲等, 2012; Wang et al., 2016; 鲁君等, 2017; 黄成等, 2018).
目前大多数非道路移动机械排放因子实测研究都是基于车载排放测量系统(PEMS)进行的, 其特点在于NOx测量设备是基于测量精度较高的非分散紫外线法(NDUV)、非分散红外线法(NDIR)或化学发光法(CLD)等原理开发的, 但测量系统复杂且设备成本较高.国外研究机构和环保主管部门已针对非道路移动机械开展了大量的实测, CAO等(2016; 2018)、Frey等(2008; 2010)和Zavala等(2017)基于PEMS方法研究了不同典型工程机械的排放因子.国内, 付明亮等(2012; 2014; 2013)也开展了工程机械、农业机械的排放因子研究, 叶潇等(2018)则开展了场内叉车的排放因子实测.近年来随着车用氮氧化物传感器的出现, 使得实时尾气NOx监控成为可能.Yang等(2016)的研究, 基于国四排放标准混合动力公交车的OBD通讯接口获得了累计87 h的逐秒NOx排放特性.杨强等(2018)利用车用NOx传感器和车载诊断(OBD)接口获得的车辆信息, 对10辆国4排放标准公交车NOx排放情况进行了为期1年的研究.另外, 胡磬遥等(2015)还利用车用NOx传感器对柴油机燃用生物柴油进行了研究.
我国目前非道路移动机械用发动机排放标准普遍在国0~国2水平, 安装SCR系统的机械数量占比极低, 均不具备通过OBD接口获取NOx排放水平的条件.本研究通过加装在工程机械排气管上的NOx排放测量系统, 建立了非道路移动机械单位油耗NOx排放因子测量方法.测量方法由基于车用NOx传感器的测量系统和NOx单位油耗排放因子算法组成.为了验证NOx排放测量方法, 开展了4台工程机械的实测试验, 并选取其中一台开展了基于车载排放测量系统(PEMS)的排放比对试验.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 测量系统测试及比对系统如图 1所示.NOx排放因子测量系统由车用NOx传感器、环境温湿度传感器和控制器局域网(CAN)通讯解析器、模拟数字量转换模块组成.NOx传感器安装在发动机排气管上, 温度、湿度传感器被安装在被测机械上不会受到尾气干扰的地方.上位机通过CAN通讯解析器获得实时的O2和NOx体积浓度.研究选用的NOx传感器为德国大陆公司生产的5WK9型车用NOx传感器, 传感器同时具有测定排气O2浓度的功能.
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| 图 1 测试及比对系统配置 Fig. 1 Test and comparison system configuration |
为了验证本研究搭建的测量系统和计算方法, 结合车载排放设备和车用NOx传感器搭建了排放比对测量系统.被测机械发动机产生的尾气经过颗粒物过滤器和保温采样管路进入车载排放测量系统的气体分析单元.尾气测试设备被安装在可移动拖车上, 拖车与被测工程机械刚性连接, 进行比对试验时小车跟随被测机械移动.车载排放系统中的NOx、O2分析模块分别为美国Sensors公司基于非分散红外原理(NDIR)测和电化学原理开发的.NOx传感器和车载排放测量系统的相关测试模块参数如表 1所示.进行试验前车载排放测量系统基于高纯氮气和标准气体进行了3次严格的标零和标定.
| 表 1 测试及比对系统技术指标 Table 1 Test and comparison system specifications |
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表 2为测试的4台工程机械的基本信息.测量系统验证试验均按照测试实际工作情形开展.挖掘机的实际工况有怠速工况、工作工况, 而推土机和压路机的实际工况有怠速工况、行驶工况和工作工况(李东玲等, 2012; 付明亮等, 2014).怠速工况:机械启动后和工作循环间歇发动机以700~800 r·min-1的转速维持工作但不输出功.行驶工况:机械依靠发动机提供动力从一个工作地点转移到另一个工作地点, 期间工作机构(铲斗、抓斗等)不工作.工作工况：机械按照实际作业情形在试验场地内反复进行挖掘、推土和平地等作业.
| 表 2 测试工程机械基本信息 Table 2 Basic information of tested construction machinery |
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模型建立的基本思路是基于进排气氧元素、氢元素平衡, 通过发动机进气状态、燃料碳氢比和排气NOx浓度ΦNOxout(10-6)、O2浓度ΦO2out(%)获得空燃比AFR和单位油耗NOx排放因子.模型推导有3个简化条件：模型忽略CO、THC、NOx和颗粒物排放对排气氧含量的影响；发动机进气中的H2O、CO2、N2和Ar均为理想气体且不参与反应；本模型中燃料的品质是稳定的, 燃料中的碳、氢比例在一次试验中是稳定的.
3.2 发动机进气主要组分空燃比AFR, 式(1)通过空燃比AFR将发动机进气流量mair(kg·h-1)和发动机小时油耗mfuel(kg·h-1)联系起来.为了使得模型的精度更高, 模型包含了H2O、CO2在内的发动机进气中的各种主要气体.如式(2)所示, 通过由环境温、湿度传感器获得的环境温度T0(℃)和环境相对湿度φ可以获得进入发动机的单位质量干空气所携带的水, 即含湿量d(g·kg-1)(盛裴轩, 2013).如式(3)所示, d是以饱和水蒸气分压力ps(hPa)和φ构成的二元函数(盛裴轩, 2013).其中, ps是以环境温度T0为变量的方程(胡磬遥等, 2015).如式(4)、(5)所示, 由含湿量定义可以分别获得发动机进气的干空气和水蒸气的物质量流量.发动机进气中的N2、O2和Ar、CO2物质量流量可由式(6)获得.进气干空气中的N2、O2和Ar、CO2浓度分别为78.084%、20.946%和0.9340%和0.036%.
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式中, mfuel、mair分别为燃油消耗量、发动机进气流量(kg·h-1)；d为含湿量(g·kg-1)；T0为环境温度(℃)；φ为环境相对湿度；ps为水蒸气饱和分压力(hPa)；ndry air、ninH2O为进气干空气和水蒸汽物质量流量(kmol·h-1)；Mdry air、MH2O分别为干空气和水的分子量(kg·kmol-1).
3.3 发动机排气主要组分根据2.1节中的简化条件, 如式(7)所示, 尾气中的N2和Ar不参与反应, 排气与进气不发生变化.如式(8)所示, 排气中CO2由进气中的CO2加上燃烧生成的CO2组成.燃料中1 kmol·h-1的C元素可以生成1 kmol·h-1的CO2, 将燃料含碳量、AFR和发动机排气中的CO2建立了联系.如式(9)所示, 排气中H2O由进气中的H2O加上燃烧生成的H2O组成.燃料中1 kmol·h-1的H元素可以生成0.5 kmol·h-1的H2O, 如式(9)将燃料含氢量、AFR和发动机排气中的H2O建立了联系.式(10)所示为排气中O2的物质量, 由进气和燃料消耗量之和减去排气中的N2、Ar和CO2、H2O获得.如式(11)所示, 将上述发动机尾气中的各种气体累加, 即可以得到发动机尾气的总物质量流量.
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式中：nN2(O2/Ar/CO2/H2O)in(out)分别为进、排气相应气体物质量流量(kmol·h-1)；MN2(O2/Ar/CO2/H2O)in(out)分别为相应气体的分子量(kg·kmol-1)；ωC(H)为燃料碳、氢含量.
3.4 空燃比和单位油耗NOx排放因子由于本文将排气中的各成分近似为理想气体, 所以ΦO2out可近似等于排气中nO2out与nexhaust之比.式(12)是包含了未知ARF和已知的φ、d、ωC、ωH的待解等式.将式(10)~式(11)代入式(12)中对应的位置.而式(12)的右边内含有求解目标ARF, 对式(12)进行求解可以得到式(13)——由ΦO2out和d、ωC、ωH组成的空燃比ARF计算模型.式(14)为瞬态单位燃料NOx排放因子计算方法, 式中的各个量可根据式(11)、(13)求得.最终经过计算EFNOxfuel是由自己机械发动机进气温度T0、湿度φ和排气NOx浓度、O2浓度的函数, 与瞬时发动机进气量无关.需要说明的是, 由于柴油机NOx中NO的比例在90%~95%范围, 所以式中氮氧化物的分子量取31.5 g·mol-1.
当环境温度T0为25 ℃, 相对湿度φ为50%, 燃料的C、H和O含量分别为86%、13.55%、0.45%时.ARF和EFNOxfuel如式(15)和式(16)所示.可以看到空燃比AFR随着排气氧浓度的上升而上升, 单位油耗NOx排放因子EFNOxfuel随排气NOx浓度和排气氧浓度的上升而上升.
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式(13)中的系数如下：
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式中, ΦO2out为排气O2浓度；ΦNOxout为排气NOx浓度(10-6)；nexhaust、nO2out分别为排气总物质量流量和排气氧气物质量流量(kmol·h-1)；EFNOxfuel为单位油耗NOx排放因子(g·kg-1).
4 结果讨论(Results and discussion) 4.1 排放测试设备比对结果基于挖掘机1开展了怠速和工作工况下, NOx排放因子测量系统和车载排放测量系统的发动机尾气O2浓度及NOx浓度比对试验, 图 2所示为比对测试结果.NOx传感器的响应较快、相对偏差较低, 与车载排放测量系统的测量结果相比具有很好的相关性.
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| 图 2 NOx排放因子测量系统与车载排放测量系统比对结果 Fig. 2 Test result comparison between NOx emission factor measurement system and portable emission measurement system |
怠速、工作工况下NOx传感器测量得到的O2浓度较车载排放测量系统获得的O2浓度的平均相对偏差分别为-3%和-2%, 此同时NOx浓度的平均相对偏差分别为-6%和2%.两种气体怠速工况的平均相对偏差略大于工作工况.车载排放测量系统与NOx传感器获得的发动机尾气O2浓度及NOx浓度具有很高的相关性, 怠速和工作工况下O2浓度的相关系数r分别为0.94和0.95, 与此同时NOx浓度的相关系数r分别为0.92和0.98.怠速工况的O2、NOx浓度相关系数略低于工作工况.
4.2 排放因子测量方法验证为了验证排放因子测量方法, 开展了4台工程机械的实测研究.图 3所示为测量系统获得的NOx浓度和O2浓度关系.可以看到4台工程机械的排气NOx浓度范围为100×10-6~1300×10-6, 排气O2浓度范围为9%~20%.测试结果表明搭建的NOx排放因子测量系统能够适用于不同排气O2、NOx浓度范围的各类型非道路移动机械.测试结果也反映了被测试机械用发动机的燃烧过程均属于典型的稀薄燃烧, NOx排放水平较高.测量系统能够比较好地反映不同机械尾气中的NOx排放特征, 测试结果显示4台被测工程机械的NOx排放浓度均随着O2浓度的上升而下降, 但不同机械排气NOx浓度随着O2浓度的变化幅度不同.尾气中O2浓度越高表明燃烧反应产物CO2浓度越低, 反映发动机负荷低, 燃烧剧烈程度低, 最终可以看到表征发动机燃烧剧烈程度的NOx浓度下降.
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| 图 3 发动机排气氧浓度和氮氧化物浓度关系 Fig. 3 Relationship between oxygen concentration and NOx concentration of engine exhaust |
图 4所示为挖掘机1、2和推土机、压路机的瞬态排气O2、NOx浓度和逐秒NOx单位油耗排放因子情况.实测结果表明搭建的NOx排放因子测量方法具有较好的稳定性, 可以用来获得不同类型的非道路移动机械不同工况下的瞬态NOx排放特性和排放因子怠速工况可以看到基于车用NOx传感器的测量方法具有较好的稳定性.怠速工况的300 s内4台工程机械在怠速工况下的NOx、O2浓度的相对误差分别为1.4%±1%、2.2%±1%, 而由NOx、O2浓度获得的逐秒单位油耗NOx排放因子相对误差为2.3%±2%.虽然由于NOx、O2浓度的波动导致NOx排放因子的相对误差高于NOx、O2浓度的相对误差, 但稳定工况下2%左右的相对误差能够满足实测需求.
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| 图 4 测试工程机械尾气氧浓度、氮氧化物浓度和瞬态单位油耗NOx排放因子 Fig. 4 Exhaust O2 concentration, NOx concentration and transient fuel consumption specific NOx emission factor of tested construction machinery |
由于测量方法中采用的NOx传感器具有较高的时间分辨率, 通过测量方法可以获得不同类型工程机械每个工作周期的瞬态工作和排放特征.挖掘机1、2工作工况、压路机的行走、工作工况下NOx排放因子呈明显的周期性.以工作工况为例, 挖掘机1每个工作循环的周期分别为8.5 s, NOx排放因子在19 g·kg-1和25 g·kg-1之间周期变化, 压路机的周期为27 s, NOx排放因子在5 g·kg-1和120 g·kg-1之间周期变化.而推土机由于工作场地高低不平且土地的硬度没有规律, 所以其行走和工作工况的瞬态排放特性剧烈变化但没有明显的周期性.
由测量方法获得的怠速、行走、工作工况下的瞬态NOx排放因子可以看到：随着柴油机负荷不断上升, 循环喷油量不断上升的同时空燃比下降, 使得发动机缸内燃烧温度、压力均上升, 最终导致热力型NO大量生成, 排气NOx浓度和NOx排放因子不断上升.瞬态NOx排放因子的变化幅度也随着工况负荷的上升而加剧.虽然挖掘机1工作工况下的NOx浓度高于怠速工况, 但由于挖掘机1怠速工况、工作工况下NOx浓度差异小于O2浓度差异(即空燃比差异), 导致挖掘机1怠速工况的NOx单位油耗排放因子高于工作工况.
4.3 NOx排放因子与已有研究的比较为了将单位油耗NOx排放因子测量系统获得的结果与已有研究进行比较, 表 4汇总了被测试工程机械不同工况下平均空燃比AFR、排气O2浓度和NOx浓度和平均单位油耗NOx排放因子的情况.和上述瞬态工况的分析结果一致, 随着怠速、行走和工作工况的负荷不断上升, 4台机械的AFR、排气O2浓度不断下降而NOx浓度上升.与此同时除了挖掘机1以外NOx单位油耗因子也依次上升.挖掘机1、挖掘机2、压路机、推土机的平均排气NOx浓度为(494.8±100)×10-6、(625.0±211)×10-6、(513.6±308)×10-6、(720.1±253)×10-6.单位油耗NOx排放因子分别为(22.8±16)、(32.4±4)、(50.7±13)、(68.8±13) g·kg-1.
| 表 4 被测工程机械尾气基本情况 Table 4 Exhaust emissions basic characteristic of the measured construction machinery |
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在广泛调研大量文献的基础上, 本文总结了国内外学者得到的各类工程机械在实际运行工况下获得的单位燃料NOx排放因子, 文献调研得到的排放因子结果如表 5所示.可以看到本研究建立测量方法获得的NOx的排放因子与文献调研结果较为接近.挖掘机和国内外实测结果比较一致, 略低于非道路污染物排放清单指南.压路机国内外实测较少, 与Wang等(2016)的研究较为一致, 但远高于清单指南.本研究实测推土机NOx排放因子略高于现行清单指南和国外实测结果.
| 表 5 国内外研究结果 Table 5 Comparison of domestic and foreign research results |
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1) 基于车用NOx传感器建立的NOx排放因子测量方法可以高效、低成本地获得非道路移动机械的单位油耗NOx排放因子.
2) 基于环境温度、湿度、燃料特效和排气O2浓度、NOx浓度, 通过氧元素守恒获得了带有环境温、湿度修正的空燃比AFR计算方法和瞬态单位油耗NOx排放因子计算方法.
3) 比对和实测试验结果表明建立的NOx排放因子测量方法具有较低的相对误差和稳定性, 与车载排放测量系统的测量结果相比具有很好的相关性.
4) 包括两台挖掘机、一台推土机和一台压路机在内的4台工程机械的平均瞬态单位油耗NOx排放因子分别为(22.8±16.0)、(32.4±4.0)、(50.7±13.0)和(68.8±13.0) g·kg-1.基于车用氮氧化物传感器NOx排放因子测量方法获得的工程机械排放因子与目前国内外已有实测研究结果接近.
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