黃盛杰，鄭 巍，石俊陽(yáng)，何瑞銀，唐 靜，廖漢平

（1.江蘇省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站，江蘇 南京 210017；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210095；3.鹽城市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站，江蘇 鹽城 224051；4.江蘇沿海農(nóng)業(yè)機(jī)械檢測(cè)公司，江蘇 鹽城 224007）

0 引 言

2021 年我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械保有量達(dá)2.06 億臺(tái)，農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力10.71 億kW[1]，伴隨著上述數(shù)據(jù)的是柴油機(jī)污染物SO2、HC、NOx和PM 的大量排放。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020 年中國(guó)非道路移動(dòng)機(jī)械排放大氣污染物SO2、HC、NOx、PM 分別達(dá)到了16.3 萬(wàn)、42.5 萬(wàn)、478.2 萬(wàn)、23.7 萬(wàn)t[2]。

為了預(yù)防和治理非道路移動(dòng)機(jī)械的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)大氣污染物排放對(duì)環(huán)境的污染，以此改善大氣質(zhì)量，2020 年12 月28 日生態(tài)環(huán)境部公布和實(shí)施了中華人民共和國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)HJ 1014—2020《非道路柴油移動(dòng)機(jī)械污染物排放控制技術(shù)要求》[3]，明確自2022 年12 月1 日起，所有生產(chǎn)、進(jìn)口和銷(xiāo)售的560 kW 以下非道路移動(dòng)機(jī)械及其裝用的柴油機(jī)應(yīng)符合中國(guó)第四階段排放標(biāo)準(zhǔn)要求（GB 20891—2014《非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第三、四階段）》[4]）。法規(guī)中規(guī)定37 kW及以上機(jī)械應(yīng)按照PEMS 測(cè)試方法進(jìn)行排氣污染物排放測(cè)量，90%以上有效功基窗口的CO 和NOx的比排放量應(yīng)不超過(guò)GB20891—2014 表2 相應(yīng)功率段限值的2.5 倍（額定凈功率小于56 kW 的柴油機(jī)NOx比排放量為該功率段HC+NOx限值的2.5 倍），對(duì)于恒定轉(zhuǎn)速及560 kW 以上機(jī)械，采用累積比排放量進(jìn)行污染物排放計(jì)算的，CO 和NOx的比排放量同樣應(yīng)不超過(guò)GB20891—2014 表1 相應(yīng)功率段限值的2.5 倍，各污染物排放限值如表1 所示。農(nóng)機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)從“國(guó)三”升級(jí)“國(guó)四”，煥發(fā)了農(nóng)機(jī)技術(shù)在新時(shí)代的生命力，有利于加快推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械向綠色、高端的轉(zhuǎn)型發(fā)展。

同時(shí)“國(guó)四”也對(duì)農(nóng)用機(jī)械檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物提出了新的需求。對(duì)于裝配有“國(guó)四”排放標(biāo)準(zhǔn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的各類(lèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械，需要有一套精確度高、適用性強(qiáng)、可靠性好的排放檢測(cè)設(shè)備來(lái)響應(yīng)國(guó)家環(huán)保政策的大戰(zhàn)略以及環(huán)境保護(hù)國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布實(shí)施。目前，農(nóng)機(jī)排放檢測(cè)設(shè)備廣泛應(yīng)用基于PEMS（Portable Emission Measurement System），即便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)，能滿(mǎn)足農(nóng)用機(jī)械檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和測(cè)試。

表1 各污染物排放限值

1 農(nóng)機(jī)PEMS 排放檢測(cè)設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 農(nóng)機(jī)PEMS 排放檢測(cè)設(shè)備國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

PEMS 技術(shù)最早在道路移動(dòng)機(jī)械排放測(cè)試中應(yīng)用，PEMS 排放檢測(cè)設(shè)備如圖1 所示。天津市和湖北省在研發(fā)排氣污染物檢測(cè)設(shè)備上領(lǐng)先一步。2016年，輕型汽車(chē)“國(guó)六”排放法規(guī)GB 18352.6—2016《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》發(fā)布[5]，法規(guī)中將實(shí)際行駛污染物排放（RDE）試驗(yàn)定義為Ⅱ型試驗(yàn)，RED 試驗(yàn)需要PEMS 排放測(cè)試設(shè)備。在此背景下，作為一家專(zhuān)業(yè)的資深的發(fā)動(dòng)機(jī)/汽車(chē)型式認(rèn)證排放測(cè)試設(shè)備廠家，成立于2003 年的天津世紀(jì)動(dòng)力科技發(fā)展有限公司，在GB 18352.6—2016 法規(guī)發(fā)布的同時(shí)，發(fā)布了第一代國(guó)產(chǎn)PEMS 產(chǎn)品，測(cè)試范圍包含CO、CO2、NOx、THC、顆粒物PN。

圖1 PEMS 排放檢測(cè)設(shè)備

新標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后，不僅有利于農(nóng)機(jī)污染防治，對(duì)農(nóng)機(jī)產(chǎn)業(yè)升級(jí)也起到推動(dòng)作用，雖然“國(guó)四”標(biāo)準(zhǔn)加大了企業(yè)壓力，但也將提升企業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)能力，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)，把握市場(chǎng)新機(jī)遇。2020 年12 月28日，國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)《非道路移動(dòng)柴油機(jī)械污染物排放控制技術(shù)要求》HJ 1014—2020 發(fā)布時(shí)，國(guó)內(nèi)乘用車(chē)/商用車(chē)整車(chē)廠家、非道路整機(jī)廠家都需要PEMS測(cè)試設(shè)備進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)升級(jí)。由于國(guó)內(nèi)的便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)（PEMS）市場(chǎng)需求巨大，在此背景下世紀(jì)動(dòng)力的PEMS 設(shè)備不斷迭代升級(jí)，于2020 年推出了更便攜、能耗更低、性?xún)r(jià)比更高的第二代PEMS 排放測(cè)試設(shè)備。

湖北銳意系統(tǒng)有限公司抓住時(shí)機(jī)，迅速組織研發(fā)技術(shù)團(tuán)隊(duì)攻關(guān)壁壘，2021 年底自主開(kāi)發(fā)了新一代便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)（PEMS）。湖北銳意系統(tǒng)有限公司最經(jīng)典的Gasboard-9805 系列的核心技術(shù)采用了氣體分析技術(shù)，該便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)完美符合非道路“國(guó)四”標(biāo)準(zhǔn)。湖北銳意系統(tǒng)有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)了核心傳感器模塊，性?xún)r(jià)比極佳，緩解了非道路機(jī)械客戶(hù)的經(jīng)濟(jì)壓力；該產(chǎn)品擁有人性化和易上手的電腦交互界面，可靠耐用，適應(yīng)強(qiáng)，尤其適應(yīng)非道路機(jī)械測(cè)量時(shí)常有的惡劣工況。設(shè)備整體采用模塊化設(shè)計(jì)，操作靈活：其中GAS 模塊和PN 模塊不僅可以單獨(dú)使用，也可以同時(shí)使用，以此滿(mǎn)足客戶(hù)不同的測(cè)量需求。另外，其保證精度的核心技術(shù)——?dú)怏w分析技術(shù)是指紅外NDIR 技術(shù)測(cè)量CO、CO2的排放，紫外UV-DOAS 技術(shù)測(cè)量NO、NO2的排放。

廈門(mén)通創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)有限公司針對(duì)非道路移動(dòng)機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)及車(chē)載排放污染物測(cè)試，自主開(kāi)發(fā)了廈門(mén)通創(chuàng)OBEAS 系列便攜式車(chē)載排放測(cè)試系統(tǒng)，其特點(diǎn)為集成化高和檢測(cè)精度高。該系統(tǒng)設(shè)置了高精度氣體排放分析模塊 (NDIR CO/CO2/O2模塊;NDUV NO/NO2模塊)、車(chē)輛參數(shù)OBD 診斷儀、GPS/北斗衛(wèi)星定位、大氣環(huán)境參數(shù)儀、高溫排氣氣體流量計(jì)，一體化程度高，通用性強(qiáng)，適用于重型發(fā)動(dòng)機(jī)、重型機(jī)動(dòng)車(chē)、工程車(chē)輛、火車(chē)頭、輪船、飛機(jī)等實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架測(cè)試?yán)щy的場(chǎng)合。該系統(tǒng)可以對(duì)行駛車(chē)輛中的CO、CO2、THC（可選）、NO、NO2、NOx、顆粒物數(shù)量濃度PN（x/m3）（可選）、排氣流量、排氣溫度、環(huán)境溫度/大氣壓/相對(duì)濕度、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、燃油消耗率、冷卻液溫度、經(jīng)緯度及海拔信息等進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)際道路上非道路移動(dòng)機(jī)械車(chē)輛行駛時(shí)的排放真實(shí)數(shù)據(jù)，用于建立更加精確的機(jī)動(dòng)車(chē)排放因子及模型服務(wù)，實(shí)現(xiàn)車(chē)載排放測(cè)試。功能強(qiáng)大，集成了功基窗口及NTE 事件的評(píng)價(jià)方法，用于窗口比排放及NTE 事件比排放量計(jì)算及窗口平均功率、NTE 事件通過(guò)率的評(píng)估，集成移動(dòng)平均窗口法數(shù)據(jù)后處理軟件功能。

淄博青禾檢測(cè)科技有限公司的PANDA 系列PEMS 產(chǎn)品采用非色散紅外（NDIR） 技術(shù)測(cè)量CO/CO2，化學(xué)發(fā)光法（CLD）技術(shù)測(cè)量NO/NO2，采用氫火焰離子化檢測(cè)器（FID）測(cè)量THC，采用凝聚核顆粒物計(jì)數(shù)器(CPC)測(cè)量PN，采用平均皮托管原理測(cè)量排氣流量，自適應(yīng)OBD 測(cè)試模塊獲取車(chē)輛參數(shù)，BD/GPS 模塊獲取車(chē)輛位置信息等。PANDA 系列PEMS(pd-G01.pd-PN01)主要用于滿(mǎn)足重型車(chē)“國(guó)六”實(shí)際道路行駛測(cè)量方法（PEMS），輕型車(chē)“國(guó)六”實(shí)際行駛污染物排放試驗(yàn)(Ⅱ型試驗(yàn))，同時(shí)滿(mǎn)足非道路移動(dòng)機(jī)械的車(chē)載法檢測(cè)要求。產(chǎn)品不僅可以持續(xù)測(cè)量CO、CO2、HC 和NOx的濃度（%），還可測(cè)量尾氣中顆粒物的數(shù)量（PN）以及排氣流量和排氣溫度，車(chē)輛OBD信息和環(huán)境參數(shù)，其核心測(cè)量模塊如圖2 所示。

圖2 PANDA 系列PEMS 核心測(cè)量模塊

1.2 農(nóng)機(jī)PEMS 排放檢測(cè)設(shè)備國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外市場(chǎng)上主要有4 種PEMS 排放測(cè)試設(shè)備，分別是奧地利的AVL 車(chē)載排放測(cè)試系統(tǒng)、日本的Horiba 車(chē)載排放測(cè)試系統(tǒng)、美國(guó)的Sensors 車(chē)載排放測(cè)試系統(tǒng)以及德國(guó)的Testo 車(chē)載排放測(cè)試系統(tǒng)。這些設(shè)備都是歐美發(fā)達(dá)國(guó)家及日本開(kāi)發(fā)，上述國(guó)家工業(yè)化水平較高，機(jī)械化水平較高乃至非道路移動(dòng)機(jī)械保有量也大。PEMS 排放測(cè)試設(shè)備的廣泛使用，對(duì)這些國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)、技術(shù)升級(jí)和節(jié)能減排有積極意義。缺點(diǎn)是價(jià)格不菲，是國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品的3～5 倍，兼容性一般，匹配度不高。

其中，SEMTECH DS+ 是美國(guó)Sensors 公司的第五代車(chē)載尾氣分析系統(tǒng)，完全符合“歐六”、“國(guó)六”輕型車(chē)和重型車(chē)、“非四”車(chē)載尾氣排放測(cè)試的技術(shù)要求。車(chē)載尾氣分析系統(tǒng)也采用了模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊具有獨(dú)立的分析測(cè)量、溫度調(diào)節(jié)、狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、通信、氣路、電路和液晶屏顯示等功能。該系統(tǒng)具有性能卓越、能耗低、體積小、質(zhì)量輕、故障少、維修維護(hù)簡(jiǎn)單和可自由增加或減少功能模塊等特點(diǎn)。車(chē)載尾氣分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分主要包括SEMTECH SCS 供電通訊系統(tǒng)、SEMTECH GAS 基礎(chǔ)氣體分析系統(tǒng)和SEMTECH EFM5 尾氣流量計(jì)3 個(gè)功能模塊。可增加的功能模塊包括SEMTECH MPS等比例稀釋系統(tǒng)、SEMTECH FID 總碳?xì)浞治鰞x、SEMTECH PM2顆粒物質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)和SEMTECH CPN 顆粒物數(shù)量測(cè)量系統(tǒng)等。

2 PEMS 工作原理

實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架上的檢測(cè)結(jié)果已經(jīng)不被信任，一是因?yàn)榉堑缆窓C(jī)械的保有量巨大，作業(yè)工況復(fù)雜，過(guò)載工況非常頻繁，消耗功率大，實(shí)際的排放水平相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的劣化程度高；二是非道路機(jī)械用戶(hù)分散，移動(dòng)性較差。

便攜式排放測(cè)量系統(tǒng)(PEMS)能夠有效解決這個(gè)問(wèn)題，PEMS 被直接放置在車(chē)上，并隨著車(chē)輛進(jìn)行直接測(cè)試。PEMS 多被安裝在乘客座椅下或測(cè)量底板上，這樣農(nóng)機(jī)在作業(yè)過(guò)程中，通過(guò)與車(chē)輛OBD 接口，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、燃油消耗率、環(huán)境溫度、大氣壓、相對(duì)濕度等參數(shù)均會(huì)被實(shí)時(shí)記錄存儲(chǔ)，同時(shí)將排氣尾管與便攜式排放測(cè)量裝置相互連接，能直接采集車(chē)輛尾氣質(zhì)量、體積、濃度、排氣流量。不僅能實(shí)現(xiàn)車(chē)輛、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測(cè)試，而且能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)排氣管尾氣樣本中污染物的濃度[6]。

PEMS 檢測(cè)設(shè)備的污染物測(cè)試流程如圖3 所示。尾氣首先進(jìn)入污染物分析儀，污染物分析儀采用非色散紅外（NDIR）技術(shù)測(cè)量CO/CO2，化學(xué)發(fā)光法（CLD）技術(shù)測(cè)量NO/NO2等并將測(cè)量后的數(shù)據(jù)輸出至數(shù)據(jù)整合系統(tǒng)，同時(shí)GPS 全球定位該農(nóng)機(jī)的地理坐標(biāo)發(fā)送、環(huán)境因素傳感器也將溫度、濕度等數(shù)據(jù)發(fā)送。數(shù)據(jù)整合系統(tǒng)收集后處理成電信號(hào)反饋給PC上位機(jī)記錄存儲(chǔ)和分析計(jì)算。

圖3 PEMS 測(cè)試流程

目前，一般采用功基窗口法的評(píng)價(jià)方法科學(xué)有效評(píng)價(jià)農(nóng)機(jī)的排放質(zhì)量，指通過(guò)分析每種機(jī)械所有功基窗口比排放與發(fā)動(dòng)機(jī)型式檢驗(yàn)比排放的符合性來(lái)評(píng)價(jià)機(jī)械排放的方法，所謂一個(gè)功基窗口是指從測(cè)試起始點(diǎn)至終止點(diǎn)之間的一個(gè)連續(xù)區(qū)間，當(dāng)區(qū)間內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)累積做功達(dá)到NRTC 循環(huán)功時(shí), 定義該區(qū)間為一個(gè)功基窗口。功基窗口比排放由此可以計(jì)算出來(lái)，將其與相應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)型式檢驗(yàn)比排放限值進(jìn)行比較，可以計(jì)算得出符合性系數(shù)。符合性系數(shù)和農(nóng)機(jī)的排放控制技術(shù)呈負(fù)相關(guān)，符合性系數(shù)越小，農(nóng)機(jī)的排放控制技術(shù)越高，排放質(zhì)量越高[7-12]。

3 結(jié) 論

（1）全國(guó)農(nóng)機(jī)保有量巨大，排放的污染物量也巨大。隨著“國(guó)四”標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，由于基于PEMS 的檢測(cè)設(shè)備精確度高、適用性強(qiáng)、可靠性好，能滿(mǎn)足農(nóng)用機(jī)械檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和測(cè)試，應(yīng)用廣泛。

（2）目前大多數(shù)PEMS 排放檢測(cè)設(shè)備的分析系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可有效防止各測(cè)量傳感器之間的信號(hào)干擾和裝配上的困難。各模塊的搭配和快速拆裝，對(duì)于檢測(cè)系統(tǒng)隨檢測(cè)對(duì)象的變化可作出擴(kuò)展，也有利于對(duì)故障系統(tǒng)的排除和維修。國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的PEMS 排放檢測(cè)設(shè)備適用性強(qiáng)，科技水平高，跨多學(xué)科及技術(shù)集成。

（3）在農(nóng)機(jī)實(shí)際使用工況下，PEMS 測(cè)試系統(tǒng)能夠真實(shí)測(cè)量并記錄部分農(nóng)機(jī)作業(yè)的瞬時(shí)排放量數(shù)據(jù)、農(nóng)機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)以及環(huán)境數(shù)據(jù)，之后分析計(jì)算農(nóng)機(jī)特定大氣污染物的排放情況，可以使用功基窗口法的評(píng)價(jià)方法科學(xué)有效評(píng)價(jià)農(nóng)機(jī)的排放質(zhì)量。

（4）智能化、信息化、便攜化仍是未來(lái)農(nóng)機(jī)檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)，數(shù)據(jù)分析軟件與檢測(cè)硬件配套，能采集更多真實(shí)農(nóng)機(jī)排放及環(huán)境數(shù)據(jù)，綜合有效科學(xué)評(píng)價(jià)，并能遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時(shí)還需解決檢測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、存儲(chǔ)和分析的問(wèn)題，另外可以關(guān)聯(lián)故障報(bào)警系統(tǒng)，保障農(nóng)機(jī)安全使用。