二沖程園林機械尾氣排放在用監管淺論
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摘要：選取多款典型的二沖程園林機械，摸索了戶外尾氣檢測和數據處理方法，并將測試結果與實驗室臺架尾氣檢測進行對比分析，結果表明該方法能夠有效識別高排放的在用二沖程園林機械，可以作為后續進行二沖程園林機械尾氣監管的測試手段。
關鍵詞：排放監管小汽油機在用
引言
隨著人們對生活環境的重視，園林設計隨處可見。以汽油割灌機和汽油油鋸為代表的二沖程園林養護機械保有量越來越大。根據中國內燃機工業協會的內部市場研究報告，2016年國內銷售汽油割灌機和汽油油鋸約為400×104臺。這些二沖程園林機械在給生產生活帶來便利的同時，也給大氣環境帶來了污染。作為二沖程園林機械的動力源，小型點燃式發動機由于其自身的特點，只有新機出廠前的環保信息公開和生產一致性的要求。截止到2019年3月份，對比生態環境保護部公布的已經完成環保信息公開企業名單和園林機械行業相關協會會員名單，仍有大量企業沒有完成環保信息公開，其產銷量占到60%左右。這些超標排放的二沖程園林機械將直接進入市場，隨著零部件的磨損老化[1]，整個壽命周期內始終處于高排放的狀態。另外，調研中發現：用戶一般會追求機械的可靠性和使用壽命，忽略污染物的排放，甚至有意識地調整和破壞化油器等排放控制關鍵零部件而導致更高的污染物排放；大量使用時間遠遠超過排放控制耐久期的二沖程園林機械仍在使用。目前，對于非道路點燃式發動機為動力的移動機械包括二沖程園林機械的尾氣排放監管，主要是在上市之前。無論是環保信息公開還是生產線一致性測試環節，監管措施的有效性都以企業的誠信為前提。如果不采取在用檢測等補充監管措施，更多沒有完成環保信息公開的二沖程園林機械進入市場，超期使用而超標排放的機械也不能及時淘汰，增加了二沖程園林機械對環境空氣的污染。2018年8月，生態環境部組織制訂了《非道路移動機械污染防治技術政策》，提出加強在用非道路移動機械的排放檢測和維修[2]。本文將探討二沖程在用機械今后的監管手段，對二沖程整機測試的可行性進行研究和驗證。
1二沖程園林機械尾氣排放監管探討
未來的在用監管方向，可以參照針對排放超標測量車輛的監管[3]。但是由于二沖程園林機械采用的是化油器供油，沒有OBD，也無法通過OBD進行尾氣排放的在線監測。同時，二沖程園林機械大多在庭院，花園和森林工作，且工作時位置不固定，因此固定安裝的遙感監測設備無法對其監測；移動的遙感監測設備檢出率會因為現場飛揚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械進行尾氣檢測，靈活機動，是操作性相對較高的監管手段。為了評估使用便攜式分析儀進行戶外尾氣檢測的可行性，選取了13款二沖程園林機械進行戶外尾氣檢測和實驗室臺架尾氣檢測。
1.1被測樣機
選取13臺國內多個不同規模廠家生產的二沖程園林機械，包含4臺已經完成環保信息公開機械和9臺未完成環保信息公開機械。具體的型號、用途和排量如表1所示。
1.2測試設備
戶外尾氣檢測中使用的分析儀為Horiba公司生產的MEXA-584L便攜式分析儀；實驗室臺架尾氣檢測中使用的分析儀為AVL公司生產的AMA1800稀釋采樣分析儀，實驗中使用的其他設備均滿足GB26133-2010的要求。
1.3測試方法
1.3.1戶外尾氣檢測。二沖程園林機械種類繁多，工作環境復雜多變，即使同一臺機械工作時負載也會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，園林機械多為手持式工具，以小巧輕便為特征，在實際工作中，園林機械的位置時刻變化，汽油機排氣出口方位也隨之變動，這導致無法將分析儀采樣探頭固定于某一特定位置，不能與汽油機排氣口形成穩定的對接，進而影響測試的精度。為了便于操作，參考機動車監管的方法，綜合雙怠速測試的優缺點[5]，測試中選取油門全開下空載和怠速2個工況。一來可以統一測試工況，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實驗室臺架尾氣檢測。實驗室臺架尾氣檢測按照國家標準GB26133—2010的流程執行。
1.4數據處理
1.4.1戶外尾氣檢測數據處理。戶外尾氣檢測數據處理流程如圖2所示。1）計算等效直采濃度二沖程園林機械大多排量不超過80mL，排氣管出口與便攜式分析儀尺寸相當，再加上處于安全考慮，園林機械都有防火網，導致便攜式分析儀測量時無法插入消聲器內部[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O2含量為基礎計算稀釋比DF，如式（1）所示，然后計算各個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為實測氧氣濃度；O2FCon為尾氣中O2含量經驗值，二沖程發動機取經驗值2%；O2AirCon空氣中氧氣濃度，取20.9%；EMTestCon為實測污染物濃度；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）估算發動機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為發動機排量，mL；n為發動機工作轉速，rpm；η為二沖程發動機掃氣效率取經驗值0.88[7]。3）計算排放量EMmass計算排放量如式（4）所示。EMmass=EMEQCon×M×L/22.4（4）式中：M為污染物成分摩爾質量。4）計算比排放量計算比排放量如式（5）所示。各種氣體=Σ21（EMmassi×WFi）Σ21（Pi×WFi）（5）式中：WF為工況點權重，第一工況取0.85，第二工況取0.15；P為發動機功率，第一工況取實驗室臺架檢測功率，第二工況取0kW。1.4.2實驗室臺架尾氣檢測數據處理。實驗室臺架尾氣檢測數據處理按照國家標準GB26133—2010的要求執行。
1.5數據結果及分析
2種測試方法所得到的測試結果匯總如表2所示。從實驗室臺架檢測結果可以看出，絕大多數被測樣機CO比排放值都能滿足GB26133—2010中第二階段污染物限值的要求；合規與不合規的產品HC+NOx比排放值差異明顯，完成環保信息公開的產品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，未完成環保信息公開的產品則不能滿足，比排放值為限值的2倍以上，甚至達到7倍之多。二沖程園林機械的排放特征，后續將HC+NOx比排放值作為監管重點加以討論。通過對被測樣機進一步分析發現，合規的產品都加裝有催化轉化器，而不合規產品則沒有。加裝催化轉化器并合理調節混合氣濃度可以降低二沖程汽油機HC+NOx排放60%以上[8-9]，是目前二沖程園林機械尾氣合規的主流技術手段。在目前的監管環境下，一部分生產廠家會出于節約成本的考慮，不加裝催化轉化器；同時為了降低燃燒溫度從而增加機械可靠性，有意識加濃混合氣。這樣就造成了合規與不合規的產品HC+NOx比排放值差異明顯，為監管提供依據。圖3給出了HC+NOx戶外尾氣檢測結果和實驗室臺架檢測結果對比，可以看出，二者線性相關性較為明顯。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臨界值。戶外尾氣檢測的結果即可對二沖程園林機械尾氣進行合規性初篩。結果顯示，利用此方法可以將被測的不合規機械完全識別出來。
2結論
國內二沖程園林機械在目前的使用環境下，大多數尾氣屬于超標排放，建議后續出臺和采取在用園林機械的尾氣輔助監管措施，減少用戶對排放關鍵零部件的調整或者破壞，引導用戶積極淘汰尾氣超標園林機械。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高于GB26133—2010中第二階段污染物限值的園林機械，后續可以通過進一步積累數據和分析以提高檢出率，進而制定適用于在用的二沖程園林機械尾氣排放法規。同時該方法中需要引用按照GB26133—2010進行實驗室臺架排放測試所得到的功率數據和分析儀讀數進行尾氣排放計算，后續需要對現用的分析儀數據采集系統進行進一步的應用開發。
作者:張順 秦靜 賈濱 丁倩嵐 單位:天津內燃機研究所（天津摩托車技術中心）