二冲程园林机械尾气排放在用监管探讨

2020-11-26

小型内燃机与车辆技术 2020年5期

（天津内燃机研究所（天津摩托车技术中心）天津 300072）

引言

随着人们对生活环境的重视，园林设计随处可见。以汽油割灌机和汽油油锯为代表的二冲程园林养护机械保有量越来越大。根据中国内燃机工业协会的内部市场研究报告，2016 年国内销售汽油割灌机和汽油油锯约为400×104台。这些二冲程园林机械在给生产生活带来便利的同时，也给大气环境带来了污染。

作为二冲程园林机械的动力源，小型点燃式发动机由于其自身的特点，只有新机出厂前的环保信息公开和生产一致性的要求。截止到2019 年3 月份，对比生态环境保护部公布的已经完成环保信息公开企业名单和园林机械行业相关协会会员名单，仍有大量企业没有完成环保信息公开，其产销量占到60%左右。这些超标排放的二冲程园林机械将直接进入市场，随着零部件的磨损老化[1]，整个寿命周期内始终处于高排放的状态。另外，调研中发现：用户一般会追求机械的可靠性和使用寿命，忽略污染物的排放，甚至有意识地调整和破坏化油器等排放控制关键零部件而导致更高的污染物排放；大量使用时间远远超过排放控制耐久期的二冲程园林机械仍在使用。

目前，对于非道路点燃式发动机为动力的移动机械包括二冲程园林机械的尾气排放监管，主要是在上市之前。无论是环保信息公开还是生产线一致性测试环节，监管措施的有效性都以企业的诚信为前提。如果不采取在用检测等补充监管措施，更多没有完成环保信息公开的二冲程园林机械进入市场，超期使用而超标排放的机械也不能及时淘汰，增加了二冲程园林机械对环境空气的污染。

2018 年8 月，生态环境部组织制订了《非道路移动机械污染防治技术政策》，提出加强在用非道路移动机械的排放检测和维修[2]。

本文将探讨二冲程在用机械今后的监管手段，对二冲程整机测试的可行性进行研究和验证。

1 二冲程园林机械尾气排放监管探讨

未来的在用监管方向，可以参照针对排放超标测量车辆的监管[3]。但是由于二冲程园林机械采用的是化油器供油，没有OBD，也无法通过OBD 进行尾气排放的在线监测。同时，二冲程园林机械大多在庭院，花园和森林工作，且工作时位置不固定，因此固定安装的遥感监测设备无法对其监测；移动的遥感监测设备检出率会因为现场飞扬的尘土枝叶等急剧下降[4]。户外利用便携式的分析仪对在用的二冲程园林机械进行尾气检测，灵活机动，是操作性相对较高的监管手段。

为了评估使用便携式分析仪进行户外尾气检测的可行性，选取了13 款二冲程园林机械进行户外尾气检测和实验室台架尾气检测。

1.1 被测样机

选取13 台国内多个不同规模厂家生产的二冲程园林机械，包含4 台已经完成环保信息公开机械和9 台未完成环保信息公开机械。具体的型号、用途和排量如表1 所示。

表1 被测样机信息

1.2 测试设备

户外尾气检测中使用的分析仪为Horiba 公司生产的MEXA-584L 便携式分析仪；

实验室台架尾气检测中使用的分析仪为AVL公司生产的AMA1800 稀释采样分析仪，实验中使用的其他设备均满足GB26133-2010 的要求。

1.3 测试方法

1.3.1 户外尾气检测

二冲程园林机械种类繁多，工作环境复杂多变，即使同一台机械工作时负载也会因工作对象的不同而不同，给确定测试工况带来很大难度。另外，园林机械多为手持式工具，以小巧轻便为特征，在实际工作中，园林机械的位置时刻变化，汽油机排气出口方位也随之变动，这导致无法将分析仪采样探头固定于某一特定位置，不能与汽油机排气口形成稳定的对接，进而影响测试的精度。

为了便于操作，参考机动车监管的方法，综合双怠速测试的优缺点[5]，测试中选取油门全开下空载和怠速2 个工况。一来可以统一测试工况，二来也解决了分析仪采样口对接的问题。测试流程见图1。

图1 户外尾气检测流程图

1.3.2 实验室台架尾气检测

实验室台架尾气检测按照国家标准GB26133—2010 的流程执行。

1.4 数据处理

1.4.1 户外尾气检测数据处理

户外尾气检测数据处理流程如图2 所示。

1）计算等效直采浓度

二冲程园林机械大多排量不超过80 mL，排气管出口与便携式分析仪尺寸相当，再加上处于安全考虑，园林机械都有防火网，导致便携式分析仪测量时无法插入消声器内部[6]。户外尾气检测采样过程中不可避免地采入混有空气的尾气。需要以O2含量为基础计算稀释比DF，如式（1）所示，然后计算各个污染物等效直采浓度EMEQCon，如式（2）所示。

图2 户外尾气检测数据处理流程图

式中：O2TestCon为实测氧气浓度；O2FCon为尾气中O2含量经验值，二冲程发动机取经验值2%；O2AirCon空气中氧气浓度，取20.9%；EMTestCon为实测污染物浓度；EMAirCon为空气中废气成分浓度：CO2含量取0.04%，其他废气成分含量取零。

2）估算发动机排气流量

受户外尾气检测的条件限制，简化了测量和操作，忽略温度和压力的影响，采用式（3）估算排气流量L（L/h）。

式中：V 为发动机排量，mL；n 为发动机工作转速，rpm；η 为二冲程发动机扫气效率取经验值0.88[7]。

3）计算排放量EMmass

计算排放量如式（4）所示。

式中：M 为污染物成分摩尔质量。

4）计算比排放量

计算比排放量如式（5）所示。

式中：WF 为工况点权重，第一工况取0.85，第二工况取0.15；P 为发动机功率，第一工况取实验室台架检测功率，第二工况取0 kW。

1.4.2 实验室台架尾气检测数据处理

实验室台架尾气检测数据处理按照国家标准GB26133—2010 的要求执行。

1.5 数据结果及分析

2 种测试方法所得到的测试结果汇总如表2 所示。从实验室台架检测结果可以看出，绝大多数被测样机CO 比排放值都能满足GB26133—2010 中第二阶段污染物限值的要求；合规与不合规的产品HC+NOx比排放值差异明显，完成环保信息公开的产品HC+NOx比排放值都能满足GB26133—2010 中第二阶段污染物限值的要求，比排放值为限值的70%以下，未完成环保信息公开的产品则不能满足，比排放值为限值的2 倍以上，甚至达到7 倍之多。二冲程园林机械的排放特征，后续将HC+NOx比排放值作为监管重点加以讨论。

通过对被测样机进一步分析发现，合规的产品都加装有催化转化器，而不合规产品则没有。加装催化转化器并合理调节混合气浓度可以降低二冲程汽油机HC+NOx排放60%以上[8-9]，是目前二冲程园林机械尾气合规的主流技术手段。在目前的监管环境下，一部分生产厂家会出于节约成本的考虑，不加装催化转化器；同时为了降低燃烧温度从而增加机械可靠性，有意识加浓混合气。这样就造成了合规与不合规的产品HC+NOx比排放值差异明显，为监管提供依据。

图3 给出了HC+NOx户外尾气检测结果和实验室台架检测结果对比，可以看出，二者线性相关性较为明显。将GB26133—2010 中第二阶段污染物限值按照图3 给出的拟合公式就可以得到户外尾气测试的合规临界值。户外尾气检测的结果即可对二冲程园林机械尾气进行合规性初筛。结果显示，利用此方法可以将被测的不合规机械完全识别出来。