顏欣迪,葛蘊(yùn)珊,王 欣,魏 倩,王春杰

青島市在用港作機(jī)械排放特性

顏欣迪,葛蘊(yùn)珊*,王 欣,魏 倩,王春杰

(北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院,北京 100081)

利用車載排放測(cè)試系統(tǒng)(PEMS)對(duì)青島港內(nèi)的港作機(jī)械污染物排放進(jìn)行測(cè)定尤其是不同類型港作機(jī)械在典型工況下的排放特征,同時(shí),計(jì)算港作機(jī)械的排放因子.結(jié)果表明,港作機(jī)械作業(yè)工況排放速率最大,是怠速工況的1.34~2.66倍,當(dāng)港作機(jī)械功率高于130kW時(shí),上述數(shù)據(jù)攀升為4.18~41.56倍,對(duì)于大功率港作機(jī)械來(lái)說(shuō),怠速工況難以較好地反映作業(yè)工況下的實(shí)際排放量.通過(guò)基于排放因子的分析,CO,THC與NO排放因子在3個(gè)工況下均較為接近,差距在2倍以內(nèi).但是大氣顆粒物(PM)排放因子體現(xiàn)了不同規(guī)律,部分機(jī)械作業(yè)工況下的PM排放因子是怠速工況下的10倍以上.使用時(shí)間超過(guò)4500h,污染物排放量增加,尤其是叉車的污染物排放因子高出1.64~8.25倍.港作機(jī)械實(shí)際排放水平較非道路機(jī)械平均水平高出1.5~2倍.利用雙怠速檢測(cè)法發(fā)現(xiàn)不同排放標(biāo)準(zhǔn)間CO、THC與PM排放水平差距在1.73~5.38倍,但是NOx排放水平過(guò)于相近,不能有效區(qū)分.

港作機(jī)械；車載排放測(cè)試系統(tǒng)(PEMS)；排放因子

我國(guó)每年非道路移動(dòng)機(jī)械和道路車輛所排放的NO和大氣顆粒物(PM)總量大體相當(dāng)[1-2].非道路機(jī)械和道路機(jī)動(dòng)車相比,具有保有量小,使用強(qiáng)度高,維護(hù)保養(yǎng)差,排放標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)滯后的特點(diǎn).隨著道路車輛國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)的頒布與實(shí)施,道路車輛排放控制成效日益顯著[3],但是針對(duì)非道路移動(dòng)機(jī)械的排放研究遠(yuǎn)少于道路機(jī)動(dòng)車,所以原本居于次要地位,且較少受到關(guān)注的非道路移動(dòng)機(jī)械已變?yōu)橹匾廴驹碵4].近年來(lái)中國(guó)政府劃定了諸多港口排放控制區(qū),港作機(jī)械作為完成港口貨物吞吐的核心動(dòng)力,其實(shí)際大氣污染物排放水平不容忽視[5].若想對(duì)非道路機(jī)械進(jìn)行系統(tǒng)性的排放控制治理,首先需要掌握非道路機(jī)械的真實(shí)排放,也就是排放清單的建立,了解非道路機(jī)械的排放總量以及排放特點(diǎn),才能做出具有針對(duì)性的管理策略.

國(guó)內(nèi)廣泛開展了關(guān)于排放清單的研究工作.范武波等[6]對(duì)四川省非道路移動(dòng)源進(jìn)行排放清單研究,其中工程機(jī)械對(duì)污染物貢獻(xiàn)率最高,占比達(dá)到70%.朱倩茹等[7]采用NONROAD模型,根據(jù)廣東省內(nèi)河港區(qū)燃料性質(zhì)和環(huán)境狀況.計(jì)算發(fā)現(xiàn)港作機(jī)械排放占整個(gè)內(nèi)河港區(qū)總排放量的36~48%.張意等[8]采用《非道路移動(dòng)源大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南(試行)》(以下稱,<指南[9]>)中推薦的排放因子計(jì)算了天津港所有非道路移動(dòng)源的排放清單,其中非道路機(jī)械排放量占總排放量的21.66%.可見,港作機(jī)械排放量是整個(gè)港口排放量的重要組成部分.但是相關(guān)研究中用于計(jì)算排放清單的排放因子數(shù)據(jù)采用的是國(guó)內(nèi)外<指南>中推薦排放因子.該推薦值受到很多方面影響可能并不準(zhǔn)確,如地域差異,設(shè)備個(gè)體差異,乃至于駕駛員實(shí)際操作習(xí)慣的差異等.所以要想得到更為準(zhǔn)確的排放清單,需經(jīng)過(guò)實(shí)地的大量實(shí)驗(yàn)才能獲得具有地區(qū)化針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

大量關(guān)于非道路機(jī)械的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的研究已經(jīng)開展[10-11],但是研究多在某一穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載和功率條件下進(jìn)行,不能反映非道路機(jī)械實(shí)際工作模式下的運(yùn)行狀態(tài)[12].實(shí)際道路測(cè)試測(cè)得PM和NO的排放因子比臺(tái)架測(cè)試高出35%~50%[13].便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)(PEMS)是獲得實(shí)際道路排放數(shù)據(jù)實(shí)用且高效的方法,能夠準(zhǔn)確測(cè)量實(shí)際排放量[12].國(guó)外也有部分相關(guān)研究[14-15],提供了寶貴的數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù).但是國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)類型和排放標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)存在顯著差異,適用性較差.國(guó)內(nèi)關(guān)于非道路機(jī)械PEMS的研究較少,Fu等[16]對(duì)12臺(tái)挖掘機(jī)和8臺(tái)輪式裝載機(jī)進(jìn)行PEMS測(cè)試,得到了不同工況下CO、THC、NO和PM的排放因子.測(cè)試中的非道路機(jī)械為國(guó)0~國(guó)II排放標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械,研究發(fā)現(xiàn),隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí),污染物排放量平均減少29%~56%.但是研究中的非道路機(jī)械排放水平已經(jīng)落后,不能體現(xiàn)近年來(lái)非道路機(jī)械的變化.

因此,本文以中國(guó)北方的代表性大型港口—青島港為研究對(duì)象,重點(diǎn)分析了港內(nèi)典型港作機(jī)械排放速率以及排放因子的特征.對(duì)后續(xù)建立該地區(qū)排放清單提供了必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),針對(duì)國(guó)內(nèi)相關(guān)研究較少且設(shè)備較為落后的問題,以PEMS方法保證了數(shù)據(jù)的真實(shí)性與可靠性.

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

青島港位于山東半島南岸的膠州灣內(nèi),是中國(guó)第二個(gè)外貿(mào)億噸吞吐大港,年吞吐量達(dá)5億t,集裝箱吞吐量突破1900萬(wàn)箱,集裝箱航線達(dá)160多條,居北方港口之首.本研究選擇青島港八號(hào)港區(qū)為港作機(jī)械測(cè)試地點(diǎn).青島港八號(hào)港區(qū)內(nèi)具有集裝箱船裝卸碼頭和散貨船裝卸碼頭,與青島港主要港口類型相同,可以作為青島港的典型代表.叉車,裝載機(jī)與挖掘機(jī)是集裝箱與散貨裝卸工作中重要的一環(huán),承擔(dān)著船舶裝卸與港內(nèi)運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù),是典型的港作機(jī)械的重要組成部分.青島港八號(hào)港區(qū)內(nèi)擁有豐富的上述3種港作機(jī)械樣本,滿足本次研究需求.

1.2 試驗(yàn)機(jī)械及工況

本文中選取的工程機(jī)械種類及數(shù)量如表1所示.所測(cè)試工程機(jī)械共有9臺(tái)挖掘機(jī),7臺(tái)裝載機(jī)以及3臺(tái)叉車,均為柴油機(jī),未安裝后處理裝置.按《指南》推薦將功率范圍分段在3個(gè)區(qū)間內(nèi).

表1 工程機(jī)械清單

三種工程機(jī)械共19臺(tái)均采用4種工況,分別為怠速,高怠速,自由加速和作業(yè).4個(gè)工況具體操作是:

怠速:發(fā)動(dòng)機(jī)處于低轉(zhuǎn)速狀態(tài),且工程機(jī)械保持靜止.高怠速:加大油門約至50%,使工程機(jī)械在原地保持2000r/min左右轉(zhuǎn)速.自由加速:油門保持規(guī)律性加大減小,油門開度在0%~70%之間循環(huán),5s為一個(gè)循環(huán).作業(yè):工程機(jī)械進(jìn)行實(shí)際作業(yè),3種機(jī)械均照正常工作方式工作,帶負(fù)載,發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率.作業(yè)工況時(shí)的負(fù)載被要求與日常工作負(fù)載相近.

其中怠速,自由加速與作業(yè)工況為港作機(jī)械的典型工況,本文將對(duì)這3種工況的港作機(jī)械排放特性進(jìn)行分析.高怠速工況并非港作機(jī)械日常使用中的常見工況,本文將會(huì)利用高怠速工況對(duì)港作機(jī)械進(jìn)行雙怠速檢測(cè),探討雙怠速檢測(cè)法的應(yīng)用前景.

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)使用一個(gè)由美國(guó)Sensors公司生產(chǎn)的SEMTECH-DS氣態(tài)污染物分析儀和由瑞士Matter Aerosol公司生產(chǎn)的NanoMet3組成的便攜式排放測(cè)量系統(tǒng)(PEMS).SEMTECH-DS采用火焰離子化檢測(cè)器(FID)測(cè)量THC,采用非色散紫外(NDUV)分析儀測(cè)量NOx,采用非色散紅外(NDIR)分析儀測(cè)量CO和CO2,采用電化學(xué)傳感器測(cè)量氧氣(O2).此外,還包括一個(gè)GPS裝置來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境狀況,以及車輛的瞬時(shí)位置和速度.為了確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,在每次試驗(yàn)前,用純氮?dú)鈱?duì)SEMTECH-DS進(jìn)行標(biāo)零(Zero),接著用已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)污染物氣體進(jìn)行滿點(diǎn)(Span)標(biāo)定.完成設(shè)備初始化.

利用NanoMet3測(cè)量尾氣中的顆粒物濃度,測(cè)量粒徑范圍是10~700nm,測(cè)量顆粒物數(shù)量范圍是1′103~3′108個(gè)/cm3,配備12V DC電源,適用于車載排放測(cè)試,響應(yīng)時(shí)間較短,可以檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)排放,符合法規(guī)認(rèn)證檢測(cè)和當(dāng)前PEMS型認(rèn)證.為了避免尾氣中的揮發(fā)性氣體以及水分冷凝結(jié)晶,影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性,采集顆粒物之前,NanoMet3需要預(yù)熱0.5h左右,消除揮發(fā)性物質(zhì)和水分的影響.

尾氣質(zhì)量流量計(jì)采用的是美國(guó)Sensors公司的EFM2.EFM2的核心是一個(gè)壓差測(cè)量設(shè)備,利用皮托管的原理測(cè)量流量.其內(nèi)部有4個(gè)壓差傳感器,每個(gè)傳感器測(cè)量不同流量范圍,以提高單臺(tái)儀器的準(zhǔn)確度.根據(jù)SEMTECH-DS測(cè)試數(shù)據(jù)與EFM2的流量數(shù)據(jù),能夠計(jì)算出排氣污染物的瞬時(shí)及總排放量.

1.4 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)PEMS測(cè)試系統(tǒng)可以得到尾氣的體積流量,氣態(tài)污染物以及顆粒物質(zhì)量的瞬時(shí)排放速率.通過(guò)碳平衡的方法,即可計(jì)算出燃油消耗量.式(1)如下:

式中:FC為燃油消耗率,g/s;HC,CO,CO2分別為3種物質(zhì)的質(zhì)量流量,g/s;CWFF為柴油中含有的碳,個(gè)/g;為柴油密度,g/cm3,進(jìn)一步可推算出各污染物基于油耗的排放因子.

2 結(jié)果與討論

2.1 排放速率

排放速率是指港作機(jī)械單位時(shí)間內(nèi)向大氣中排放的污染物的量.排放速率可以更好地體現(xiàn)污染物排放總量與港作機(jī)械功率和時(shí)間之間的關(guān)系.一般來(lái)說(shuō),港作機(jī)械的功率越大,其排放速率也就越大.

2.1.1 瞬時(shí)排放特性 通過(guò)對(duì)測(cè)試港作機(jī)械的對(duì)比,港作機(jī)械排放速率具有一定的規(guī)律.本節(jié),列舉三臺(tái)功率相近(挖掘機(jī):91kW,裝載機(jī):92kW,叉車: 80kW),國(guó)III排放標(biāo)準(zhǔn),使用年限在2a內(nèi)的港作機(jī)械,圖1.

3種港作機(jī)械在怠速工況下,污染物排放速率較低,且趨于穩(wěn)定.在自由加速與作業(yè)工況下,港作機(jī)械油門變化幅度大,重復(fù)加減油門,使得發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功率劇烈變化,導(dǎo)致污染物排放速率和油耗明顯波動(dòng)[17].3種港作機(jī)械在自由加速工況以及作業(yè)工況下的排放量是怠速工況的數(shù)倍.一是由于噴油量增加,排放污染物自然增加,二是由于工作負(fù)荷大,發(fā)動(dòng)機(jī)常以較高功率狀態(tài)工作,缸內(nèi)溫升,工作條件惡化.為了提供更高功率,出現(xiàn)局部過(guò)濃混合氣,燃燒不充分從而導(dǎo)致CO,PM等污染物排放.缸內(nèi)的高溫同時(shí)也促進(jìn)了N與O的反應(yīng),生成更多的NO.

挖掘機(jī)在作業(yè)工況下瞬時(shí)排放速率高于自由加速工況.這是因?yàn)橥诰驒C(jī)在不停的重復(fù)挖掘,抬舉等操作,機(jī)械負(fù)荷大,排放速率同時(shí)增大.裝載機(jī)與叉車排放速率規(guī)律相似,以裝載機(jī)為例.本研究中,裝載機(jī)在作業(yè)工況下,抬舉負(fù)載為農(nóng)用化肥,負(fù)載質(zhì)量適中,裝載機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間在中低-中高負(fù)荷區(qū),所以裝載機(jī)作業(yè)工況與自由加速工況排放速率的比值小于挖掘機(jī)相應(yīng)比值.

2.1.2 不同功率區(qū)間對(duì)比 對(duì)于不同功率的港作機(jī)械,污染物瞬時(shí)排放速率差距大.圖2所示,隨著功率提高,污染物排放速率增大,作業(yè)工況排放速率最大,其次是自由加速工況和怠速工況.

對(duì)于37~75kW功率段的港作機(jī)械,其作業(yè)工況下CO,NO,THC和PM排放速率是自由加速工況的1.02,1.14,0.97和1.52倍,是怠速工況的1.34,1.49, 1.34和2.66倍;對(duì)于75~130kW功率段的港作機(jī)械,其作業(yè)工況下CO,NO,THC和PM排放速率是自由加速工況的1.34,1.22,1.10和2.09倍,是怠速工況的3.05,1.90,5.87和34.35倍;對(duì)于130~560kW功率段的港作機(jī)械,其作業(yè)工況下CO,NO,THC和PM排放速率是自由加速工況的1.77,1.41,1.6和7.72倍,是怠速工況的4.18,2.18,5.34和41.56倍.體現(xiàn)以下特點(diǎn):

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率的增加,作業(yè)工況,自由加速工況和怠速工況下污染物排放速率間的差距逐漸加大.對(duì)于37~75kW和功率段的發(fā)動(dòng)機(jī),自由加速工況尚能較好地反映非道路移動(dòng)機(jī)械在作業(yè)工況下的氣態(tài)污染物的排放水平.然而,對(duì)于130~560kW的發(fā)動(dòng)機(jī)而言,自由加速工況與作業(yè)工況間的差距已達(dá)40%以上.而對(duì)于任意功率段的發(fā)動(dòng)機(jī),怠速工況都難以較好地反映作業(yè)工況下的實(shí)際排放量.

無(wú)論怠速還是自由加速工況下的測(cè)試都會(huì)造成對(duì)非道路移動(dòng)機(jī)械PM排放量的嚴(yán)重低估,特別是對(duì)于功率在130kW以上的發(fā)動(dòng)機(jī),怠速工況測(cè)試對(duì)實(shí)際作業(yè)PM的低估幅度高達(dá)97%以上.因此,需要開發(fā)一種改進(jìn)的快速測(cè)試方法來(lái)盡可能簡(jiǎn)便而準(zhǔn)確地對(duì)非道路移動(dòng)機(jī)械的PM排放進(jìn)行評(píng)估.

隨著港作機(jī)械功率的增加,PM排放量也成倍增加.作業(yè)工況下,130~560kW港作機(jī)械的PM排放速率是75~130kW的2.86倍.為了滿足實(shí)際作業(yè)工況,港作機(jī)械油門變化劇烈,缸內(nèi)燃燒惡劣,局部過(guò)濃混合氣燃燒不充分,形成大量顆粒.

圖2 不同功率段瞬時(shí)排放速率

隨著功率增大,燃油消耗率也隨之增加,如圖3所示.所以,功率越大的港作機(jī)械,污染物排放速率就會(huì)越大.130~560kW功率段的港作機(jī)械在怠速,自由加速和作業(yè)工況的燃油消耗量是75~130kW功率段的1.28,1.53和1.95倍;是37~75kW功率段的5.66, 6.57和5.71倍.

對(duì)于同一功率下的港作機(jī)械來(lái)說(shuō),污染物排放量在怠速工況下最低,在作業(yè)工況下最高,這與燃油的消耗量呈相同的趨勢(shì).對(duì)于同一工況下的港作機(jī)械來(lái)說(shuō),功率越大,排放量越大,同樣與消耗燃油的趨勢(shì)相同.所以可以引入排放因子的概念,去除燃油消耗量對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響.

2.2 基于油耗的排放因子

基于油耗的排放因子是指每消耗1kg燃料,港作機(jī)械排放的污染物質(zhì)量,單位為g/kg燃油,以下簡(jiǎn)稱“排放因子”.

2.2.1 不同機(jī)械各工況下排放因子 如圖4所示,3種港作機(jī)械自由加速工況下的CO排放因子均高于怠速工況與作業(yè)工況,并且作業(yè)工況要略小于怠速工況.這是因?yàn)槟壳胺堑缆凡裼蜋C(jī)大多還是機(jī)械泵噴射,低負(fù)荷時(shí)燃油噴射壓力低,噴油量控制不精確,因此不完全燃燒.CO、THC和PM的問題較車用電控高壓共軌柴油機(jī)要嚴(yán)重得多,特別是在自由加速工況下,油門變化速度快,更加加重了上述問題,產(chǎn)生了大量不完全燃燒的產(chǎn)物導(dǎo)致自由加速工況CO排放因子最高[16].作業(yè)工況下,雖然實(shí)際上產(chǎn)生了比自由加速工況更多的CO,但是作業(yè)工況發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷更大,溫度更高,促進(jìn)CO向CO2的轉(zhuǎn)化,所以換算的排放因子是小于自由加速工況的.怠速工況下,雖然CO排放量少,但是油耗較自由加速工況與作業(yè)工況分別減少70%~90%以上,所以怠速工況下CO排放因子略小于自由加速工況.

3種港作機(jī)械的THC的排放因子與CO有類似規(guī)律,這是因?yàn)門HC與CO的形成原因都和燃料的不完全燃燒相關(guān).未完全燃燒的燃料直接被當(dāng)作廢氣排出.其中只有叉車作業(yè)工況下THC的排放因子高于自由加速工況,這與叉車實(shí)際作業(yè)時(shí)一直處于滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)有密切關(guān)系.

對(duì)于NO的排放因子來(lái)說(shuō),怠速工況下排放水平最高.雖然怠速工況總產(chǎn)生的NO量少,但是同樣由于燃油消耗量低,反而獲得了最高的排放因子.橫向?qū)Ρ炔煌圩鳈C(jī)械,裝載機(jī)的整體NO排放因子遠(yuǎn)高于挖掘機(jī),主要是因?yàn)檠b載機(jī)燃油消耗率比挖掘機(jī)低,拉高了NO的排放因子.

在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中,當(dāng)油氣混合物結(jié)合不均勻時(shí),就會(huì)出現(xiàn)燃燒不充分,未完全燃燒的碳煙顆粒物具有極大的表面積且還有很多孔,碳是具有吸附功能的,那么其它成分就會(huì)被吸附形成顆粒物.對(duì)于PM的排放因子來(lái)說(shuō),怠速工況下平均排放因子較小,自由加速工況與作業(yè)工況下排放因子較高.裝載機(jī)自由加速工況下的PM排放因子大于作業(yè)工況.挖掘機(jī)與之相反,作業(yè)工況下的PM排放因子遠(yuǎn)大于自由加速工況.通過(guò)對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn),該規(guī)律與NO排放因子規(guī)律相反.正是由于生成的機(jī)理不同,在相同的條件下,NO和碳煙的生成量是成反比例的,利于生成NO的高溫環(huán)境可以促進(jìn)顆粒物的燃燒分解,因此具有相反的關(guān)系.

圖4 基于油耗的排放因子

2.2.2 使用年限對(duì)排放特性影響 港作機(jī)械年平均工作時(shí)間約為1505h[11],根據(jù)其使用年限估計(jì)服役時(shí)長(zhǎng).按照使用時(shí)間超過(guò)3a的港作機(jī)械和使用時(shí)間在3a內(nèi)的港作機(jī)械分為兩組.均選擇符合國(guó)III排放標(biāo)準(zhǔn)的港作機(jī)械.統(tǒng)計(jì)其排放因子,得到圖5中數(shù)據(jù).

隨著累計(jì)工作時(shí)間的增加,裝載機(jī),挖掘機(jī)與叉車的排放因子增加明顯.工作超過(guò)4500h的裝載機(jī)CO,NO,THC和PM的排放因子是工作小于4500h的裝載機(jī)的1.53,1.02,1.88和1.49倍;挖掘機(jī)同一數(shù)據(jù)為1.34,1.47,1.76和1.23倍;工作超過(guò)4500h的叉車的排放因子增大倍數(shù)為1.64,1.41,8.25和4.57倍.

由此可見,隨著累計(jì)工作時(shí)間的增長(zhǎng),發(fā)動(dòng)機(jī)磨損情況嚴(yán)重并且維護(hù)保養(yǎng)不利,導(dǎo)致各個(gè)污染物排放因子的升高.因此,工程機(jī)械進(jìn)行周期性的保養(yǎng)維護(hù)是非常必要的.同時(shí),為了防止部分車主為了節(jié)約成本而忽視對(duì)工程機(jī)械的保養(yǎng)和維護(hù),建議對(duì)非道路工程機(jī)械實(shí)施強(qiáng)制性定期檢測(cè),并對(duì)出現(xiàn)故障的車輛進(jìn)行強(qiáng)制修理的制度,即I/M制度.對(duì)于港口城市這一類機(jī)動(dòng)車污染比較嚴(yán)重的大城市,可實(shí)行市內(nèi)工程機(jī)械準(zhǔn)入制度,限制老舊工程機(jī)械進(jìn)入市區(qū),從而有效控制由工程機(jī)械的帶來(lái)城市大氣環(huán)境污染問題.

2.2.3 綜合排放因子 本研究中,獲得了港作機(jī)械怠速,自由加速與作業(yè)3種工況的排放因子.3種港作機(jī)械實(shí)際工作模式略有區(qū)別,根據(jù)其不同的作業(yè)模式,可以引入每個(gè)工況在實(shí)際作業(yè)中所占總時(shí)長(zhǎng)的比例系數(shù),由此可以估算該型機(jī)械的綜合排放因子.在前人研究[17]中,已有對(duì)三種港作機(jī)械的不同工況作業(yè)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)研究.結(jié)合此研究,并經(jīng)過(guò)實(shí)地實(shí)際作業(yè)調(diào)查統(tǒng)計(jì),得出結(jié)論與前人研究結(jié)果較為符合,所以采用如下綜合排放因子比例系數(shù)較為合理.

表2 綜合排放因子比例系數(shù)

由表2中的比例系數(shù)結(jié)合3種港作機(jī)械各個(gè)工況的排放因子,可計(jì)算出如表3的綜合排放因子.

表3 綜合排放因子(g/kg燃油)

大量研究中采用的排放因子來(lái)源于歐洲排放清單指導(dǎo)(以下簡(jiǎn)稱“EUR”),美國(guó)EPA非道路排放因子指南(以下簡(jiǎn)稱“EPA”)和中國(guó)非道路移動(dòng)源排放清單編制技術(shù)指南(以下簡(jiǎn)稱“CHN”).所以,將本文研究結(jié)果與代表歐洲、美國(guó)和中國(guó)的排放清單指南中的推薦排放因子數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(圖6).

對(duì)于CO來(lái)說(shuō),裝載機(jī)與挖掘機(jī)排放因子相當(dāng),在EUR與EPA之間,是CHN的1.55倍左右;叉車的排放因子分別是EUR,EPA和CHN的1.92、1.59和2.71倍.

圖6 綜合排放因子

對(duì)于NO排放因子來(lái)說(shuō),裝載機(jī)的排放因子最高,分別是EUR,EPA和CHN的1.27、2.23和1.95倍;挖掘機(jī)排放因子最低,低于3種推薦值中的最低值.叉車排放因子與EUR相近,是EPA和CHN的1.76和1.54倍.

對(duì)于THC排放因子來(lái)說(shuō),裝載機(jī)與挖掘機(jī)的排放因子均略低于CHN推薦值,叉車的排放因子是CHN推薦值的1.37倍.由于EUR和EPA沒有基于燃油的THC排放因子數(shù)據(jù),因此,本文僅與CHN推薦值進(jìn)行對(duì)比.

對(duì)于PM排放因子來(lái)說(shuō),EUR、EPA和CHN推薦值接近.裝載機(jī)PM排放因子僅為推薦值的一半,挖掘機(jī)略高于推薦值,叉車的排放因子是推薦值的2.3倍左右,排放水平較高.

綜上所述,港作機(jī)械綜合排放因子較高.裝載機(jī)除NO排放因子較高,PM排放因子較低以外,CO和THC的排放因子與推薦值相似.但是可以發(fā)現(xiàn),叉車4種污染物的排放因子均較高.出現(xiàn)這種原因是多方面的,其一方面與日常作業(yè)時(shí),常以滿負(fù)荷運(yùn)行有關(guān),長(zhǎng)時(shí)間的滿負(fù)荷作業(yè),導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒惡劣,進(jìn)一步導(dǎo)致磨損嚴(yán)重,排放水平加快惡化.為了防止發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)度磨損,應(yīng)定時(shí)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的保養(yǎng)養(yǎng)護(hù).

2.2.4 與國(guó)內(nèi)外研究對(duì)比 圖 7 為國(guó)外與國(guó)內(nèi)相關(guān)研究成果與本研究成果對(duì)比.為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),防止綜合排放因子的計(jì)算所采用的比例系數(shù)不同,本文中只對(duì)比了作業(yè)工況下的數(shù)據(jù).其中國(guó)外研究結(jié)果來(lái)自于文獻(xiàn)[18].測(cè)試機(jī)械包括3臺(tái)挖掘機(jī),5臺(tái)裝載機(jī).國(guó)內(nèi)研究結(jié)果來(lái)自于文獻(xiàn)[16],測(cè)試機(jī)械包括16臺(tái)挖掘機(jī),19臺(tái)裝載機(jī),5臺(tái)叉車.

從整體上觀察,除挖掘機(jī)的PM排放因子以及裝載機(jī)的CO排放因子外,本次研究的排放因子均小于先前國(guó)內(nèi)研究中的排放因子,且部分?jǐn)?shù)據(jù)出現(xiàn)較大的差距(最大差距接近3倍).先前國(guó)內(nèi)研究中,參與測(cè)試的非道路機(jī)械主要為國(guó)0~國(guó)Ⅱ排放標(biāo)準(zhǔn).本研究中全部采用的是國(guó)Ⅱ與國(guó)Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)的非道路機(jī)械,其中挖掘機(jī)多為國(guó)Ⅱ設(shè)備,裝載機(jī)多為國(guó)Ⅲ設(shè)備.由此可見排放標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)對(duì)排放水平的影響非常明顯.因?yàn)闇y(cè)試裝載機(jī)大部分為國(guó)Ⅲ排放水平的機(jī)械,所以對(duì)比前人研究,排放因子均有比較明顯的下降.至于挖掘機(jī)的PM排放因子較前人研究還要高出0.35倍左右的原因,可能與本批次測(cè)試機(jī)械個(gè)體因素有關(guān),例如服役時(shí)間可能較長(zhǎng).真正原因,還需要進(jìn)一步的研究.

圖7 國(guó)內(nèi)外研究成果對(duì)比

通過(guò)對(duì)比本研究與國(guó)外研究,發(fā)現(xiàn)差距最明顯的部分出現(xiàn)在CO與PM排放因子上.挖掘機(jī)與裝載機(jī)的PM排放因子分別高出國(guó)外研究結(jié)果20倍與5.6倍.其中最重要的原因在于我國(guó)目前尚未形成對(duì)工程機(jī)械在用符合性檢查的體系和方式.工程機(jī)械尚未施行年審制度,對(duì)于一些尾氣排放嚴(yán)重的機(jī)械,沒有相關(guān)的法律監(jiān)督和約束.本研究所測(cè)試機(jī)械中均未加裝PDF裝置,也是PM排放因子遠(yuǎn)高于國(guó)外非道路機(jī)械排放水平非常重要的原因.

2.3 雙怠速檢測(cè)法分析

雙怠速法機(jī)動(dòng)車尾氣排放檢測(cè)應(yīng)用于點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī),但是隨著車輛技術(shù)的發(fā)展,增加了新的影響因素,如高怠速轉(zhuǎn)速設(shè)置不合理,空氣過(guò)量系數(shù)高等問題[19].李菁元[20]對(duì)23輛汽油車進(jìn)行雙怠速測(cè)試,低怠速不能檢出排放不合格車輛,高怠速只能檢測(cè)出樣品中23%的排放不合格車輛.輕型汽油車排放法規(guī)要求嚴(yán)格,雙怠速檢測(cè)法效果不好.但是對(duì)于非道路機(jī)械來(lái)說(shuō),由于其本身的排放水平較低,不同機(jī)械間排放差異較大,可能給雙怠速檢測(cè)方法在非道路機(jī)械上應(yīng)用帶來(lái)一定的前景.本研究全部港作機(jī)械均為國(guó)II或國(guó)III排放水平機(jī)械,可以假設(shè)國(guó)III排放標(biāo)準(zhǔn)的港作機(jī)械平均排放水平高于國(guó)II排放標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械.計(jì)算不同排放標(biāo)準(zhǔn)的4種污染物基于油耗的排放因子,結(jié)果如圖8所示.

圖8 雙怠速法排放因子

從圖8中可以看出,港作機(jī)械低怠速工況下國(guó)II排放標(biāo)準(zhǔn)的CO,THC和PM排放因子是國(guó)III排放標(biāo)準(zhǔn)的1.73,3.09和2.89倍;高怠速國(guó)II排放標(biāo)準(zhǔn)的CO,THC和PM排放因子是國(guó)III排放標(biāo)準(zhǔn)的1.77,5.38和3.30倍.然而NO排放因子差距不大,比較相似,不能有效區(qū)分國(guó)III與國(guó)II標(biāo)準(zhǔn)的差異.NO排放量作為柴油機(jī)排放的主要污染物之一,雙怠速檢測(cè)法并不能進(jìn)行有效的區(qū)分.說(shuō)明雙怠速檢測(cè)法在港作機(jī)械檢測(cè)上也存在一定的不足.

3 結(jié)論

3.1 3種典型港作機(jī)械在怠速工況下,排放速率最低且趨于穩(wěn)定,自由加速工況和作業(yè)工況時(shí)排放速率增大,波動(dòng)明顯.挖掘機(jī)作業(yè)工況下,各污染物排放速率高于自由加速工況.裝載機(jī)和叉車排放特征類似,由于作業(yè)工況一直運(yùn)行在中低-中高負(fù)荷下,作業(yè)工況與自由加速工況排放速率相仿.

對(duì)于37~75kW和功率段的發(fā)動(dòng)機(jī),自由加速工況尚能較好地反映非道路移動(dòng)機(jī)械在作業(yè)工況下的氣態(tài)污染物的排放水平.然而,對(duì)于130~560kW的發(fā)動(dòng)機(jī)而言,自由加速工況與作業(yè)工況間的差距已達(dá)40%以上.而對(duì)于任意功率段的發(fā)動(dòng)機(jī),怠速工況都難以較好地反映作業(yè)工況下的實(shí)際排放量.特別是PM排放速率,怠速工況測(cè)試對(duì)實(shí)際作業(yè)PM的低估幅度高達(dá)97%以上,需要開發(fā)一種改進(jìn)的快速測(cè)試方法來(lái)盡可能簡(jiǎn)便而準(zhǔn)確地對(duì)非道路移動(dòng)機(jī)械的PM排放進(jìn)行評(píng)估.

3.2 計(jì)算獲得3種典型港作機(jī)械不同工況下的污染物基于油耗的實(shí)測(cè)排放因子.CO與THC排放因子具有類似規(guī)律.怠速工況下的排放因子均大于作業(yè)工況.這與非道路機(jī)械采用機(jī)械泵噴射,低負(fù)荷下噴油量控制不精確有關(guān).NO排放因子同為怠速工況下較高,雖然作業(yè)工況下的高溫促進(jìn)NO生成,但是較高的燃油消耗量拉低了排放因子的數(shù)值.作業(yè)工況與自由加速工況下PM排放因子遠(yuǎn)大于怠速工況,是PM排放的主要階段.

根據(jù)統(tǒng)計(jì),使用年限超過(guò)3a的港作機(jī)械比3a內(nèi)的港作機(jī)械基于油耗的排放因子更高.叉車的排放水平惡化最明顯,使用年限超過(guò)3a的叉車的CO,NO,THC和PM是3a內(nèi)叉車的1.64,1.41,8.25和4.57倍.港作機(jī)械的定期保養(yǎng)維護(hù)十分重要,應(yīng)出臺(tái)相關(guān)規(guī)定,促進(jìn)非道路機(jī)械的年檢制度.

計(jì)算獲得3種港作機(jī)械的綜合排放因子,并與國(guó)內(nèi)外排放清單編制指南中的排放因子推薦值進(jìn)行對(duì)比.挖掘機(jī),裝載機(jī)符合性較好,叉車排放因子比推薦值更大.CO,THC和PM綜合排放因子較推薦值增大1.5~2倍左右.可見,港作機(jī)械排放情況比非道路機(jī)械整體排放情況惡劣.

對(duì)3種港作機(jī)械進(jìn)行了雙怠速檢測(cè)分析.CO, THC和PM區(qū)分度明顯,國(guó)II排放標(biāo)準(zhǔn)的港作機(jī)械在怠速與高怠速工況下比國(guó)III排放標(biāo)準(zhǔn)高出1.73~ 5.38倍.然而作為柴油機(jī)排放重要檢測(cè)指標(biāo)的NO排放因子沒有明顯差異,不能進(jìn)行區(qū)分.雙怠速檢測(cè)法不能有效檢測(cè)港作機(jī)械排放惡化與否,亟待進(jìn)一步研究.

[1] Lu Q, Zheng J. Ye S, et al. Emission trends and source characteristics of SO2, NO, PM10, and VOCs in the Pearl River Delta region from 2000 to 2009 [J]. Atmospheric Environment, 2013,76(3):136-146.

[2] Andrew J, Robert F. A fuel-based assessment of off-road diesel engine emissions [J]. Air Waste Manag Assoc, 2000,50(11):1929-39.

[3] 孫世達(dá),姜 巍,高衛(wèi)東.青島機(jī)動(dòng)車排放清單與空間分布特征 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2017,37(1):49-59. Sun S D, Jiang W, Gao W P, et al. Vehicle emission inventory and spatial distribution in Qingdao [J]. China Environmental Science, 2017, 37(1):49-59.

[4] 肖 軍.非道路移動(dòng)機(jī)械動(dòng)力排放污染的控制和治理 [J]. 汽車工業(yè)研究, 2017,46(1):36-40. Xiao J. Emission control from non-road mobile machinery [J]. Auto Industry Research, 2017,46(1):36-40.

[5] Durbin T D, Smith M R, Wilson R D, et al. In-use activity measurements for off-roads motorcycles and all-terrain vehicles [J]. Transp Res Part D-Transp Environ, 2004,9(12):209-19.

[6] 范武波,陳軍輝,李 媛,等.四川省非道路移動(dòng)源大氣污染物排放清單研究 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2018,38(12):4460-4468. Fan W B, Chen J H, Li Y, et al. Study on the non-road mobile source emission inventory for Sichuan province [J]. China Environmental Science, 2018,38(12):4460-4468.

[7] 朱倩茹,廖程浩,劉劍筠,等.廣東省典型內(nèi)河港區(qū)主要大氣污染物排放特征研究 [J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào), 2015,15(3):191-195. Zhu Q R, Liao C H, Liu J J, et al. Study on emission characteristics of major air pollutants in typical inland harbor areas of Guangdong [J]. Journal of Safety and Environment, 2015,15(3):191-195.

[8] 張 意,Andre Michel,李 東,等.天津市非道路移動(dòng)源污染物排放清單開發(fā) [J]. 環(huán)境科學(xué), 2017,38(11):4447-4453. Zhang Y, Andre M, Li D, et al. Development of a non-road mobile source emission inventor for Tianjin [L]. Environmental Science, 2017,38(11):4447-4453.

[9] 環(huán)境保護(hù)部公告2014年第92號(hào),非道路移動(dòng)源大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南(試行) [S]. Ministry of environmental protection announces No. 92 of 2014, Technical guidelines for the compilation of air pollutant emission inventories from non-road mobile sources (trial implementation) [S].

[10] Zhong W, Yang J H, Li R, et al. Gas emissions and particulate matter of non-road diesel engine fueled with F-T diesel with EGR [J]. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 2018,41(5):542-555.

[11] 魏 強(qiáng),劉勝吉,尹必峰,等.生物柴油在非道路用柴油機(jī)上的實(shí)驗(yàn)研究 [J]. 小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車, 2007,36(5):52-54. Wei Q, Liu S J, Yin B F, et al. An experimental research on application of biodiesel fuel to diesel engines [J]. Small Internal Combustion Engine and Motorcycle, 2007,36(5):52-54.

[12] Armas O, Lapuerta M, Mata C, et al. Online emissions from a vibrating roller using an ethanol-diesel blend during a railway construction [J]. Energy & Fuels, 2009,23(6):2989-2996.

[13] Pirjola L, R?nkk? T, Saukko E, et al. Exhaust emissions of non-road mobile machine: Real-world and laboratory studies with diesel and HVO fuels [J]. Fuel, 2017,202(16):154-164.

[14] Rasdorf W, Frey C, LewisP, et al. Field Proceduresfor real-world measurements of emissions from diesel construction vehicles [J]. Infrastruct Syst, 2010,16(25):216-225.

[15] Zhu D Z, Nicholas J. Nussbaum, et al. Real-world PM, NO, CO, and ultrafine particle emission factors for military non-road heavy duty diesel vehicles [J]. Atmospheric Environment, 2010,45(3):2603-2609.

[16] Fu M L, Ge Y S, Tan J W, et al. Characteristics of typical non-road machinery emissions in China by using portable emission measurement system [J]. Science of the Total Environment, 2012, 437(11)255-261.

[17] 付明亮.非道路柴油機(jī)械排放特征研究 [D]. 北京理工大學(xué), 2013. Fu M L. Study on emission characteristics of non-road diesel engines [D]. Beijing Institute of Technology, 2013.

[18] Frey H C, Rasdorf W, Lewis P. Conprehensive field study of fuel use and emissions of nonroad diesel construction equipment [J]. Transp Res Rec, 2010:69-76.

[19] 鐘仕鈺,張 甦.雙怠速法機(jī)動(dòng)車尾氣排放檢測(cè)結(jié)果的影響因素分析 [J]. 環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警, 2016,8(1):35-37.Zhong S Y, Zhang S. Analysis on factors that influence the testing resylt of motor vehicle exhaust emission of the double idle speed method [J]. Environmental Monitoring and Forewarning, 2016,8(1):35-37.

[20] 李菁元.雙怠速法對(duì)汽車排放識(shí)別能力研究 [C]//中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì).2014中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集.中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì), 2014:4.Li J Y. Research on the ability to identify vehicle emissions testing by two-speed idle [C]//Society of Automotive Engineers of China. Papers Collection of the Annual Meeting of China Automotive Engineering Society in 2014. Society of Automotive Engineers of China, 2014:4.

In-use cargo handling equipment emission characteristics of Qingdao.

YAN Xin-di, GE Yun-shan*, WANG Xin, WEI Qian, WANG Chun-jie,

(Department of Mechanical and Vehicle, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)., 2019,39(12)：5018~5028

The vehicle portable emission measurement system (PEMS) was used to study the pollutant emission from harbor machinery in Qingdao Port. The emission characteristics of different types of harbor machinery were summarized under different conditions, and the emission factors of harbor machinery were calculated. The results showed that emission rate of harbor machinery under working condition was 1.34~2.66 times higher than that under idle condition. When the harbor machinery power was higher than 130kW, the emission rates climbed to 4.18~41.56 times. For high-power harbor machinery, emission status under idle condition could hardly reflect the actual emissions rates under working condition. Based on the analysis of fuel-based emission factors, the trend of CO, THC and NOemission factors were consistent under three conditions. The PM emission factors reflected different characteristics. PM emission factors under working conditions were 10 times higher than that under idle conditions. When the service time exceeded 4500 hours, the pollutant emission significantly increased, especially for forklift trucks, which was 1.64~8.25 times higher than before. The actual emission level of harbor machinery was 1.5~2 times higher than the average level of non-road machinery. It could be found that the difference of CO, THC and PM emission levels among different emission standards was 1.73~5.38 times using two-idle speed method, but the level of NOemission was too close and undistinguishable.

harbour machinery；portable emission measurement system (PEMS)；emission factors

X51,TK427

A

1000-6923(2019)12-5018-11

顏欣迪(1995-),男,北京人,北京理工大學(xué)碩士研究生,主要從事車輛動(dòng)力性能及排放特性研究.發(fā)表論文6篇.

2019-05-14

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC0208005)

* 責(zé)任作者, 教授, geyunshan@163.com