典型农用机械的污染物排放特性分析

张　丽，蒋永新，刘　娜新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆乌鲁木齐830091



典型农用机械的污染物排放特性分析

张丽，蒋永新，刘娜
新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆乌鲁木齐830091

摘要：为确定典型农用机械的污染物排放特点，本文利用EFM2尾气质量流量计和SEMTECH-DS气态污染物分析仪对CO、HC、NOx进行了测量并确立了利用MAHA测量排放颗粒物的方案和数据处理方法。通过测试拖拉机、联合收割机在怠速、行走和作业三种工况，对比不同工况下NO/NOx的比值显示在作业工况下的NO/NOx的比值最高，行走工况居中，怠速工况最小；对比不同排放标准下油耗的排放因子发现，农用机械在不同工况下的排放因子都呈现下降趋势。

关键词：农用机械；污染物排放；排放特性

近年来我国大部分地区持续出现大范围、长时间的雾霾天气加大了公众对大气污染的关注程度[1-3]，因此应更加关注技术落后的非道路机械柴油机的排放污染物[4，5]。目前针对非道路机械柴油机的排放，美国于2008年开始实施EPA排放法规的Tier4阶段；欧洲于2014年开始执行欧四排放标准；而我国于2010年开始执行“非道路移动机械柴油机排气污染排放限值”的第二阶段，与发达国家的差距较大。针对上述问题，研究了典型的农用机械拖拉机和联合收割机的排放特性，对今后非道路机械柴油机的排放污染物法规的制定具有重要意义。

1　测试方案的实现与数据处理方法

1.1测试方案的实现及测试对象的选取

农用机械排放的CO、HC、NOx通过EFM2尾气质量流量计和SEMTECH-DS气态污染物分析仪进行测量，农用机械排放的颗粒物通过MAHA进行测量。SEMTECH-DS气态污染物分析仪利用无线网络与电脑完成数据传送，MAHA利用2根R232数据线与电脑完成数据信号通讯，测试数据的接收和储存通过各测试设备的自有软件完成。

测试的拖拉机和联合收割机选取发动机运转状态良好，排气管固定牢靠，无泄漏且易与采样设备进行连接的农用机械，共计14台。对拖拉机和联合收割机的测试工况为怠速、行走和作业，选取的部分测试农用机械的参数如表1所示。

表1　农业机械信息表Table 1 The information about agricultural machinery

1.2瞬时质量排放速率计算

SEMTECH-DS气态污染物分析仪获得的数据是污染物的体积浓度，因此要先将其转换为瞬时质量排放速率后才能分析[6]。由于SEMTECH-DS气态污染物分析仪获得的排气浓度不包含水分，但实际尾气中是含有水分的，因此要将分析仪获得的污染物体积浓度转换为含水情况下的体积浓度，具体转换公式如式1、式2和式3所示：

式中，Xd、Xw分别表示各污染物的的干尾气和湿尾气浓度，COd，CO2d和H2d分别表示CO、CO2和H2的干尾气浓度。瞬时质量排放速率Pi等于尾气的标准体积流量乘以湿基浓度排放再乘以各种污染物的标准密度，具体如式4所示。其中，Pi表示第i种污染物，Pi,wet表示第i种污染物的湿基浓度，Vstd表示尾气标准体积流量，ρi,std表示第i种污染物的标准密度。

1.3油耗速率计算

依据碳平衡原理，通过排放测试结果计算能得到农用机械实时的油耗，具体如式5所示：

式中，FR表示柴油的消耗率，单位为l/s；ρ（diesel）表示柴油的密度，为0.868 g/L；ER（HC）、ER（CO）和ER（co2）分别表示HC、CO和CO2的瞬时排放速率，单位为g/s；CWFF表示柴油含碳量，取我国常用柴油的值0.866。

单位时间的油耗是指某一选定工况下单位小时的油耗的平均值，计算公式如式6所示：

式中，FC表示单位时间的油耗，单位为L/h；n表示某工况的持续时间，单位为s；i与j分别表示该工况下的开始时间和完成时间，单位为s。

1.4排放因子的计算

在各农用机械的实际排放特性测试中，根据实际工况选择基于行驶里程的排放因子、基于时间的排放因子或基于油耗的排放因子。三种排放因子的计算分别如式7、式8和式9所示：

基于行驶里程的排放因子表示每行驶1 km所排放污染物的量，单位为g/km；基于时间的排放因子表示1 h污染物的排放量，单位为g/h；基于油耗的排放因子表示每消耗1 kg燃料排放污染物的质量，单位为g/kg。EF表示基于行驶距离的排放因子，单位为g/km；P表示车辆排放的某类污染物；n表示某工况的持续时间，单位为s；i和j表示该工况的开始时间和完成时间，单位为s；D表示该工况下的车速，单位为km/s。

2　结果与分析

对7台拖拉机和7台联合收割机在怠速、行走和作业工况下分别进行了测试，其中有5台国I排放标准设备，5台国II排放标准设备和4台国0排放标准设备。

2.1拖拉机瞬时排放

T1#拖拉机各工况下污染物的瞬时排放速率如图1所示，从图中可以看出，作业和行走工况下污染物的排放速率的波动较大，而怠速工况下污染物的排放速率平稳且速率较小。其中，在作业工况下CO、PM、NOx和HC排放速率波动范围为0.017～0.162 g/s、0.004～0.011 g/s、0.056～0.260 g/s和0.008～0.025 g/s。当拖拉机准备作业时，操作者会踩下油门以增加发动机的输出功率，作业进行的一瞬间发动机负荷突然增大，污染物排放速率也同时呈现较大的峰值。

图1　T1#拖拉机瞬时排放速率Fig.1　The instantaneous emission rate of T1 # tractor

2.2联合收割机瞬时排放

T8#联合收割机的CO、PM、NOx和HC的瞬时排放速率如图2所示，从图中可以看出，作业和行走工况下污染物的排放速率的波动较大，尤其是作业工况，而怠速工况下污染物的排放速率平稳且速率值较小。其中，在作业工况下CO、PM、NOx和HC的波动范围分别为0.008～0.591 g/s、0.001 ～0.009 g/s、0.009～0.218 g/s和0.009～0.032 g/s。

图2　T8#联合收割机瞬时排放速率Fig.2　The instantaneous emission rate of T8 # harvester

2.3基于油耗的排放因子对比

拖拉机和联合收割机在各工况下基于油耗的排放因子均值如图3所示，怠速工况下的CO和HC的基于油耗的排放因子最大，这是因为怠速工况下气缸内柴油燃烧不充分的产物较多，拖拉机和联合收割机在怠速工况下设备的排放因子均值分别为87.6 g/kg和16.5 g/kg，是作业工况排放因子的4.89倍和2.53倍，是行走工况排放因子的2.19倍和1.12倍；对于NOx而言，行走工况下发动机的负荷远小于作业工况，但同时油耗也比作业工况减少了三分之二；对于PM而言，拖拉机和联合收割机在作业工况下设备的排放因子最大，分别达到了10.8 g/kg和5.08 g/kg，分别是怠速工况下排放因子的2.03倍和5.67倍，作业工况下PM排放因子较高主要是由于作业工况下发动机转速和负荷均较高，PM的排放速率是其它两种工况的10倍以上，所以虽然作业工况下设备的油耗较高，但单位时间过大的排放因子使基于油耗的排放因子大于其它两种工况。对比拖拉机和联合收割机各工况下基于油耗的排放因子可以看出，两种机械的CO、HC和NOx基于油耗的排放因子非常接近，但作业工况下拖拉机的PM排放因子比联合收割机高1.13倍，这是因为在作业工况下拖拉机的转速和负荷都大于联合收割机，高转速和高负荷容易使气缸内的柴油燃烧不充分而使排放的颗粒物增加。

图3　各工况下拖拉机和联合收割机的油耗排放因子Fig.3　The fuel consumption emission factors of tractor and harvester in running conditions

2.4NO/NOx的比值

对比拖拉机和联合收割机各工况下的NO/NOx的平均比值发现，作业工况下拖拉机和联合收割机排放的NO在NOx中的比例最大，分别为0.94和0.92，这是因为作业工况下发动机转速较高且负荷较大，柴油燃烧温度高，导致了NO的增加；同时，发动机的高转速和气缸内的高温度抑制了NO转变为NO2，所以作业工况下NO在NOx中所占比例较大。而怠速工况下，发动机转速较低且负荷较小，气缸内平均温度较低，促进了部分NO向NO2的转变，从而使怠速工况下NO在NOx中的比例只有0.78和0.73。

2.5不同排放标准下的农业机械排放因子对比

不同排放标准下怠速、行走和作业工况下CO、HC、NOx和PM的基于油耗的排放因子如图4所示。从图中可以发现，各类污染物基于油耗的排放因子随着排放标准的加严呈现下降趋势，这主要是因为拖拉机和联合收割机为了达到国II排放标准而使用了增压中冷技术，使设备气缸内的燃烧组织更均匀，作业和行走工况下的各类污染物都有不同幅度的降低。在作业工况下，国II标准的农用机械与国I标准的农用机械相比，HC减少了58%，PM减少了68%，但采用国I标准的农用机械与国0的相比各类污染物下降不明显。

图4　不同排放标准下的农用机械的油耗排放因子Fig.4　The fuel consumption emission factors of agricultural machinery under different emission standards

3　讨论

本文对拖拉机和联合收割机进行了排放特性研究，得出了一些有益的结论，对今后农用机械排放法规的制定具有重要意义。但实验中所采用的车载排放测试系统在柴油机排放颗粒测量方面尚未形成权威的测量方法，对农用机械排放的各粒径范围内的颗粒还需进行更深入的研究。在计算各类排放污染物的过程中，未对拖拉机和收割机的大小进行区分，也没有考虑测试所用农用机械的劣化情况，这些还需在后续的工作中继续研究。

4　结论

目前我国对农用机械的排放特性研究还基本处于空白阶段，本文利用车载排放测试系统对典型的农用机械（拖拉机、联合收割机）在怠速、行走和作业典型工况下的排放特性进行了实验研究。通过对农用机械的瞬时排放速率的分析发现，在作业工况下农用机械的污染物排放速率大幅度的增加，而联合收割机污染物的排放速率大于拖拉机；通过对农用机械基于油耗的排放因子分析发现，在作业工况下农用机械的CO、HC、NOx基于油耗的排放因子小于行走工况，但PM的排放因子远大于其它两种工况；通过对各排放标准下的排放因子分析发现，随着法规标准的加严农用机械各工况下的排放因子都呈现下降趋势。

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Analysis on the Pollutants Emission Characteristics of Typical Agricultural Machinery

ZHANG Li，JIANG Yong-xin，LIU Na
Institute of Agricultural Mechanization/Xinjiang Academy of Agricultural Sciences, Urumqi 830091，China

Abstract:To make sure the pollutants emission characteristics of typical agricultural machinery，this paper determined CO，HC and NOxwith EFM2 exhaust gas mass flow-meter and SEMTECH-DS gaseous pollutants analyzer and established the plan and method to determine the particulate matter with MAHA. The results showed there was the maximum NO/NOxratio in a working state，the medium value on a way and the minimum in an idle state；there was a decreasing trend of fuel consumption emission factors under different emission standards through comparing among three operating conditions of the tractor and combine harvester.

Keywords:Agricultural machinery；pollutants emission；emission characteristics

作者简介：张丽（1982-），女，助理研究员，本科，主要研究方向为数字化设计制造，循环农业. E-mail:dreambanboo@163.com

基金项目：2015年新疆维吾尔自治区科技厅高技术项目:青贮玉米地机械化残膜回收装备研究（201511104）

收稿日期：2014-12-12修回日期：2015-01-06

中图法分类号：TK421＋.5

文献标识码：A

文章编号：1000-2324（2016）01-0099-04