二沖程園林機(jī)械尾氣排放在用監(jiān)管淺論
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摘要：選取多款典型的二沖程園林機(jī)械，摸索了戶外尾氣檢測和數(shù)據(jù)處理方法，并將測試結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架尾氣檢測進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明該方法能夠有效識別高排放的在用二沖程園林機(jī)械，可以作為后續(xù)進(jìn)行二沖程園林機(jī)械尾氣監(jiān)管的測試手段。
關(guān)鍵詞：排放監(jiān)管小汽油機(jī)在用
引言
隨著人們對生活環(huán)境的重視，園林設(shè)計(jì)隨處可見。以汽油割灌機(jī)和汽油油鋸為代表的二沖程園林養(yǎng)護(hù)機(jī)械保有量越來越大。根據(jù)中國內(nèi)燃機(jī)工業(yè)協(xié)會(huì)的內(nèi)部市場研究報(bào)告，2016年國內(nèi)銷售汽油割灌機(jī)和汽油油鋸約為400×104臺(tái)。這些二沖程園林機(jī)械在給生產(chǎn)生活帶來便利的同時(shí)，也給大氣環(huán)境帶來了污染。作為二沖程園林機(jī)械的動(dòng)力源，小型點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)由于其自身的特點(diǎn)，只有新機(jī)出廠前的環(huán)保信息公開和生產(chǎn)一致性的要求。截止到2019年3月份，對比生態(tài)環(huán)境保護(hù)部公布的已經(jīng)完成環(huán)保信息公開企業(yè)名單和園林機(jī)械行業(yè)相關(guān)協(xié)會(huì)會(huì)員名單，仍有大量企業(yè)沒有完成環(huán)保信息公開，其產(chǎn)銷量占到60%左右。這些超標(biāo)排放的二沖程園林機(jī)械將直接進(jìn)入市場，隨著零部件的磨損老化[1]，整個(gè)壽命周期內(nèi)始終處于高排放的狀態(tài)。另外，調(diào)研中發(fā)現(xiàn)：用戶一般會(huì)追求機(jī)械的可靠性和使用壽命，忽略污染物的排放，甚至有意識地調(diào)整和破壞化油器等排放控制關(guān)鍵零部件而導(dǎo)致更高的污染物排放；大量使用時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過排放控制耐久期的二沖程園林機(jī)械仍在使用。目前，對于非道路點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的移動(dòng)機(jī)械包括二沖程園林機(jī)械的尾氣排放監(jiān)管，主要是在上市之前。無論是環(huán)保信息公開還是生產(chǎn)線一致性測試環(huán)節(jié)，監(jiān)管措施的有效性都以企業(yè)的誠信為前提。如果不采取在用檢測等補(bǔ)充監(jiān)管措施，更多沒有完成環(huán)保信息公開的二沖程園林機(jī)械進(jìn)入市場，超期使用而超標(biāo)排放的機(jī)械也不能及時(shí)淘汰，增加了二沖程園林機(jī)械對環(huán)境空氣的污染。2018年8月，生態(tài)環(huán)境部組織制訂了《非道路移動(dòng)機(jī)械污染防治技術(shù)政策》，提出加強(qiáng)在用非道路移動(dòng)機(jī)械的排放檢測和維修[2]。本文將探討二沖程在用機(jī)械今后的監(jiān)管手段，對二沖程整機(jī)測試的可行性進(jìn)行研究和驗(yàn)證。
1二沖程園林機(jī)械尾氣排放監(jiān)管探討
未來的在用監(jiān)管方向，可以參照針對排放超標(biāo)測量車輛的監(jiān)管[3]。但是由于二沖程園林機(jī)械采用的是化油器供油，沒有OBD，也無法通過OBD進(jìn)行尾氣排放的在線監(jiān)測。同時(shí)，二沖程園林機(jī)械大多在庭院，花園和森林工作，且工作時(shí)位置不固定，因此固定安裝的遙感監(jiān)測設(shè)備無法對其監(jiān)測；移動(dòng)的遙感監(jiān)測設(shè)備檢出率會(huì)因?yàn)楝F(xiàn)場飛揚(yáng)的塵土枝葉等急劇下降[4]。戶外利用便攜式的分析儀對在用的二沖程園林機(jī)械進(jìn)行尾氣檢測，靈活機(jī)動(dòng)，是操作性相對較高的監(jiān)管手段。為了評估使用便攜式分析儀進(jìn)行戶外尾氣檢測的可行性，選取了13款二沖程園林機(jī)械進(jìn)行戶外尾氣檢測和實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架尾氣檢測。
1.1被測樣機(jī)
選取13臺(tái)國內(nèi)多個(gè)不同規(guī)模廠家生產(chǎn)的二沖程園林機(jī)械，包含4臺(tái)已經(jīng)完成環(huán)保信息公開機(jī)械和9臺(tái)未完成環(huán)保信息公開機(jī)械。具體的型號、用途和排量如表1所示。
1.2測試設(shè)備
戶外尾氣檢測中使用的分析儀為Horiba公司生產(chǎn)的MEXA-584L便攜式分析儀；實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架尾氣檢測中使用的分析儀為AVL公司生產(chǎn)的AMA1800稀釋采樣分析儀，實(shí)驗(yàn)中使用的其他設(shè)備均滿足GB26133-2010的要求。
1.3測試方法
1.3.1戶外尾氣檢測。二沖程園林機(jī)械種類繁多，工作環(huán)境復(fù)雜多變，即使同一臺(tái)機(jī)械工作時(shí)負(fù)載也會(huì)因工作對象的不同而不同，給確定測試工況帶來很大難度。另外，園林機(jī)械多為手持式工具，以小巧輕便為特征，在實(shí)際工作中，園林機(jī)械的位置時(shí)刻變化，汽油機(jī)排氣出口方位也隨之變動(dòng)，這導(dǎo)致無法將分析儀采樣探頭固定于某一特定位置，不能與汽油機(jī)排氣口形成穩(wěn)定的對接，進(jìn)而影響測試的精度。為了便于操作，參考機(jī)動(dòng)車監(jiān)管的方法，綜合雙怠速測試的優(yōu)缺點(diǎn)[5]，測試中選取油門全開下空載和怠速2個(gè)工況。一來可以統(tǒng)一測試工況，二來也解決了分析儀采樣口對接的問題。測試流程見圖1。1.3.2實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架尾氣檢測。實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架尾氣檢測按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB26133—2010的流程執(zhí)行。
1.4數(shù)據(jù)處理
1.4.1戶外尾氣檢測數(shù)據(jù)處理。戶外尾氣檢測數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。1）計(jì)算等效直采濃度二沖程園林機(jī)械大多排量不超過80mL，排氣管出口與便攜式分析儀尺寸相當(dāng)，再加上處于安全考慮，園林機(jī)械都有防火網(wǎng)，導(dǎo)致便攜式分析儀測量時(shí)無法插入消聲器內(nèi)部[6]。戶外尾氣檢測采樣過程中不可避免地采入混有空氣的尾氣。需要以O(shè)2含量為基礎(chǔ)計(jì)算稀釋比DF，如式（1）所示，然后計(jì)算各個(gè)污染物等效直采濃度EMEQCon，如式（2）所示。DF=（O2TestCon-O2FCon）（O2AirCon-O2TestCon）+1（1）EMEQCon=（EMTestCon-EMAirCon）×DF+EMAirCon（2）式中：O2TestCon為實(shí)測氧氣濃度；O2FCon為尾氣中O2含量經(jīng)驗(yàn)值，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)取經(jīng)驗(yàn)值2%；O2AirCon空氣中氧氣濃度，取20.9%；EMTestCon為實(shí)測污染物濃度；EMAirCon為空氣中廢氣成分濃度：CO2含量取0.04%，其他廢氣成分含量取零。2）估算發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流量受戶外尾氣檢測的條件限制，簡化了測量和操作，忽略溫度和壓力的影響，采用式（3）估算排氣流量L（L/h）。L=V×n×η×60（3）式中：V為發(fā)動(dòng)機(jī)排量，mL；n為發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速，rpm；η為二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)掃氣效率取經(jīng)驗(yàn)值0.88[7]。3）計(jì)算排放量EMmass計(jì)算排放量如式（4）所示。EMmass=EMEQCon×M×L/22.4（4）式中：M為污染物成分摩爾質(zhì)量。4）計(jì)算比排放量計(jì)算比排放量如式（5）所示。各種氣體=Σ21（EMmassi×WFi）Σ21（Pi×WFi）（5）式中：WF為工況點(diǎn)權(quán)重，第一工況取0.85，第二工況取0.15；P為發(fā)動(dòng)機(jī)功率，第一工況取實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架檢測功率，第二工況取0kW。1.4.2實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架尾氣檢測數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架尾氣檢測數(shù)據(jù)處理按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB26133—2010的要求執(zhí)行。
1.5數(shù)據(jù)結(jié)果及分析
2種測試方法所得到的測試結(jié)果匯總?cè)绫?所示。從實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架檢測結(jié)果可以看出，絕大多數(shù)被測樣機(jī)CO比排放值都能滿足GB26133—2010中第二階段污染物限值的要求；合規(guī)與不合規(guī)的產(chǎn)品HC+NOx比排放值差異明顯，完成環(huán)保信息公開的產(chǎn)品HC+NOx比排放值都能滿足GB26133—2010中第二階段污染物限值的要求，比排放值為限值的70%以下，未完成環(huán)保信息公開的產(chǎn)品則不能滿足，比排放值為限值的2倍以上，甚至達(dá)到7倍之多。二沖程園林機(jī)械的排放特征，后續(xù)將HC+NOx比排放值作為監(jiān)管重點(diǎn)加以討論。通過對被測樣機(jī)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，合規(guī)的產(chǎn)品都加裝有催化轉(zhuǎn)化器，而不合規(guī)產(chǎn)品則沒有。加裝催化轉(zhuǎn)化器并合理調(diào)節(jié)混合氣濃度可以降低二沖程汽油機(jī)HC+NOx排放60%以上[8-9]，是目前二沖程園林機(jī)械尾氣合規(guī)的主流技術(shù)手段。在目前的監(jiān)管環(huán)境下，一部分生產(chǎn)廠家會(huì)出于節(jié)約成本的考慮，不加裝催化轉(zhuǎn)化器；同時(shí)為了降低燃燒溫度從而增加機(jī)械可靠性，有意識加濃混合氣。這樣就造成了合規(guī)與不合規(guī)的產(chǎn)品HC+NOx比排放值差異明顯，為監(jiān)管提供依據(jù)。圖3給出了HC+NOx戶外尾氣檢測結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架檢測結(jié)果對比，可以看出，二者線性相關(guān)性較為明顯。將GB26133—2010中第二階段污染物限值按照圖3給出的擬合公式就可以得到戶外尾氣測試的合規(guī)臨界值。戶外尾氣檢測的結(jié)果即可對二沖程園林機(jī)械尾氣進(jìn)行合規(guī)性初篩。結(jié)果顯示，利用此方法可以將被測的不合規(guī)機(jī)械完全識別出來。
2結(jié)論
國內(nèi)二沖程園林機(jī)械在目前的使用環(huán)境下，大多數(shù)尾氣屬于超標(biāo)排放，建議后續(xù)出臺(tái)和采取在用園林機(jī)械的尾氣輔助監(jiān)管措施，減少用戶對排放關(guān)鍵零部件的調(diào)整或者破壞，引導(dǎo)用戶積極淘汰尾氣超標(biāo)園林機(jī)械。本文采用的戶外尾氣檢測方法能夠有效識別尾氣污染物比排放值遠(yuǎn)高于GB26133—2010中第二階段污染物限值的園林機(jī)械，后續(xù)可以通過進(jìn)一步積累數(shù)據(jù)和分析以提高檢出率，進(jìn)而制定適用于在用的二沖程園林機(jī)械尾氣排放法規(guī)。同時(shí)該方法中需要引用按照GB26133—2010進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架排放測試所得到的功率數(shù)據(jù)和分析儀讀數(shù)進(jìn)行尾氣排放計(jì)算，后續(xù)需要對現(xiàn)用的分析儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的應(yīng)用開發(fā)。
作者:張順 秦靜 賈濱 丁倩嵐 單位:天津內(nèi)燃機(jī)研究所（天津摩托車技術(shù)中心）