陈秋宇¹, 周子航¹, 邓也¹, 谭钦文¹, 孟忠伟²
1. 成都市环境保护科学研究院, 成都 611930;
2. 西华大学汽车与交通学院, 成都 610039
收稿日期: 2019-04-11; 修回日期: 2019-06-11; 录用日期: 2019-06-11
基金项目: 国家重点研发计划项目（No.2016YFC0201506）
作者简介: 陈秋宇(1992-), 男, E-mail:lianzhiwu@vip.qq.com
通讯作者（责任作者）: 孟忠伟, E-mail:mengzw@mail.xhu.edu.cn

摘要: 采用不透光烟度计采集了成都市典型工程机械（挖掘机、装载机、叉车和压路机）排气烟度，研究了机械功率对其活动水平（燃油消耗量和年均工作时间）的影响，同时也研究了机械发动机构造和机械排放标准对其排气烟度的影响；同时，采用氮硫测定仪分析了机械油品硫含量，研究了硫含量对其排气烟度的影响.试验结果表明：机械功率越大的工程机械，燃油消耗量和年均工作时间数越高.成都典型工程机械排气烟度排放水平最低的为装载机，最高的为压路机；同时，超高排放装载机与叉车的占比较高.工程机械排气烟度受机械发动机排量、机械发动机构造、机械发动机排放标准和机械用油的综合影响，通过对工程机械装配电控发动机、提高原机排放标准和使用低硫燃油均能直观反映出机械排气烟度不同程度的改善.此外，油品中硫含量越高，机械排气烟度越大.
关键词:非道路工程机械活动水平机械发动机构造排放标准排气烟度硫含量
Exhaust smoke analysis of typical non-road engineering machinery in Chengdu
CHEN Qiuyu¹, ZHOU Zihang¹, DENG Ye¹, TAN Qinwen¹, MENG Zhongwei²
1. Chengdu Academy of Environmental Sciences, Chengdu 611930;
2. School of Automobile&Transportation, Xihua University, Chengdu 610039
Received 11 April 2019; received in revised from 11 June 2019; accepted 11 June 2019
Abstract: The exhaust smoke of typical construction machinery (excavators, loaders, forklifts and road rollers) in Chengdu was collected by opacity smoke meter, and the influence of mechanical power on its activity level (fuel consumption and average annual working time) was studied. At the same time, the influence of mechanical engine construction and original mechanical discharge standards on its exhaust smoke was also studied. On the other hand, the sulfur content of mechanical oil was analyzed by nitrogen sulfur analyzer, and the influence of sulfur content on its exhaust smoke was analyized. The test results show that the higher the mechanical power, the higher the fuel consumption and the average annual working hours. The lowest exhaust emission level of Chengdu typical construction machinery is the loader, the highest is the roller, and the ultra-high-emission loader and forklift account for a relatively high proportion. Exhaust smoke of construction machinery is affected by mechanical engine displacement, mechanical engine construction, mechanical engine emission standards and mechanical oil. It can be intuitively integrated with engineering machinery to assemble electronically controlled engines, improve original engine emission standards and use low-sulfur fuels. The mechanical exhaust smoke is improved to different degrees. In addition, the higher the sulfur content in the oil, the greater the smoke of the mechanical exhaust.
Keywords: non-road engineering machineryactivity levelmechanical engine structureemission standardsexhaust smokesulfur content
1 引言(Introduction)近年来, 随着全球对环境保护问题越来越重视, 在机动车排放污染治理技术越来越成熟以及机动车排放相关法规越来越完善的情况下, 使得机动车的减排空间大幅度收缩(张琪等, 2014；陈洁等, 2016).为进一步拓宽移动源的减排空间, 挖掘更大的减排潜力, 我国将非道路移动机械排放问题列为新的关注点(Zhu et al., 2011；胡乃涛等, 2015).
我国在非道路移动源排放控制工作方面起步较晚(Wang et al., 2016；马东等, 2017), 在新生产机械排放标准方面, 2007年发布实施第一阶段排放限值标准(中华人民共和国生态环境部等, 2007), 历时12年, 才实施到第三阶段(中华人民共和国生态环境部等, 2014)；在用机械排放标准方面, 北京在2013年率先发布在用机械烟度排放限值及测量方法(北京市生态环境局等, 2013), 深圳、上海随后在2015年、2016年相继发布了地方排放标准(深圳市生态环境局等, 2015；上海市生态环境局等, 2016), 直到2018年全国才统一实施在用机械排气烟度限值及测量方法(中华人民共和国生态环境部等, 2018).同时, 由于非道路移动机械存在着使用年限长、维护保养差、排放水平低、无后处理措施等原因(肖军, 2017；刘勇, 2017；Troeger et al., 2018), 导致其颗粒物(PM)排放相当显著, 加之其管理部门众多, 流动性大, 作业时间不定, 导致各大城市目前仍没有大量的实际测试样本来分析本地区非道路移动机械排放水平(张甦, 2015；庞圣桐等, 2018；Lewis et al., 2009).
本研究基于实地问卷调查获取成都市非道路工程机械活动水平, 采用不透光烟度计采集机械排气光吸收系数, 得到机械实际年均使用时间、燃油消耗量、功率和排气烟度等排放特征, 分析了功率对机械活动水平的影响、机械构造和排放标准对排气烟度的影响, 以及采用实地抽取工程机械中的燃油分析油品中硫含量对排气烟度的影响.用于成都市掌握本地区非道路工程机械动态活动水平和基本排放情况做参考, 为深入实施减排决策作基础数据支撑.
2 试验对象与方法(Test object and method)2.1 试验对象本研究涉及被测试的非道路工程机械均在成都市全域工地中随机选择, 工地类型包括工矿仓储用地、住房用地、公共管理与服务用地、交通运输用地和商服用地5类.被测试工程机械种类为：挖掘机、装载机、压路机和叉车.其中, 挖掘机69台, 占比50%, 其中国一9台、国二39台、国三21台；装载机22台, 占比16%, 其中国一7台、国二14台、国三1台；叉车39台, 占比28%, 其中国一4台、国二22台、国三13台；压路机8台, 占比6%, 其中国一0台、国二2台、国三6台, 共计138台, 具体如图 1a所示.测试参数为排气烟度.
图 1(Fig. 1)

图 1 不同机械采样数量(a)和排放标准(b)分布 Fig. 1Distribution of different mechanical samples (a) and emission standards (b)

本次涉及被测试油品直接采用被测试工程机械油箱内用油.油品分析对象为挖掘机、装载机、压路机和叉车.其中, 挖掘机22台, 其中国一3台、国二14台、国三5台；装载机4台, 其中国一1台、国二3台；叉车4台, 其中国一1台、国二2台、国三1台；压路机3台, 其中国三3台, 共计33台, 具体如图 1b所示.分析参数为硫含量.
2.2 试验方法2.2.1 烟度测量仪器和方法试验仪器采用南华NHT-6不透光烟度计, 主要参数如表 1所示.试验方法采用GB36886—2018中的自由加载法或自由加速法.
表 1(Table 1)

表 1 南华NHT-6不透光烟度计测量参数 Table 1 The measurement parameters of Nanhua NHT-6 opacity smoke meter

表 1 南华NHT-6不透光烟度计测量参数 Table 1 The measurement parameters of Nanhua NHT-6 opacity smoke meter 测量参数 NHT-6 不透光度 0~99.9%±2% 光吸收系数/m-1 0~16 转速/(r·min-1) 300%±1%~9999%±1% 油温/℃ -50±2~120±2

2.2.2 硫含量测量仪器和方法采用德国PHOTONLAB公司的LAB TSTN氮硫测定仪分析油品中的硫含量, 主要参数如表 2所示.分析方法采用裂解紫外荧光法.
表 2(Table 2)

表 2 LAB TSTN氮硫测定仪测量参数 Table 2 The measurement parameters of LAB TSTN nitrogen sulfur analyzer

表 2 LAB TSTN氮硫测定仪测量参数 Table 2 The measurement parameters of LAB TSTN nitrogen sulfur analyzer 测量参数 LAB TSTN 分析范围 0.2ppm~40% 精确度 ±5%~±10%RSD 温度 环境温度~ 1100 ℃

3 结果与讨论(Test results and discussion)3.1 非道路机械的活动水平和燃油硫含量采用问卷调查的方式获得了挖掘机、装载机、压路机和叉车的购买时间和总工作时间, 用于计算得到机械年均工作时间, 单位为h；采用问卷调查和文献调研方式获得了机械油箱体积和月用油台账, 用于计算出燃油消耗量, 单位为L·h^-1.最终参数范围如表 3所示.
表 3(Table 3)

表 3 不同工程机械年均工作时间和燃油消耗量参数 Table 3 Annual working hours and fuel consumption parameters of different construction machinery

表 3 不同工程机械年均工作时间和燃油消耗量参数 Table 3 Annual working hours and fuel consumption parameters of different construction machinery 工程机械 年均工作时间/h 燃油消耗量/ (L·h-1) 总工作时间/h 功率/kW 挖掘机 7.1~3711.5 2.25~43.30 7.1~24428.0 36.0~266.0 装载机 188.5~1597.2 3.20~16.90 188.5~14375.0 65.0~162.0 叉车 62.0~3000.0 1.67~16.00 112.0~11801.0 36.8~256.0 压路机 16.5~2959.0 7.00~20.00 16.5~2959.0 136.0~150.0

工程机械排放的SO₂通过E_SO2=(2×Y×S)×10^-3 (李东玲等, 2012)计算得出.其中, E_SO2为工程机械的SO₂排放量(kg)；Y为燃油消耗量(kg)；S为硫含量(g·kg^-1).硫含量参数范围如表 4所示.
表 4(Table 4)

表 4 不同工程机械硫含量参数 Table 4 Sulfur content parameters of different construction machinery

表 4 不同工程机械硫含量参数 Table 4 Sulfur content parameters of different construction machinery 工程机械 硫含量/(mg·kg-1) 挖掘机 1.4~6.2 装载机 2.7~14 叉车 1.5~4.4 压路机 1.2~5.2

3.2 功率对机械活动水平的影响如图 2所示为机械功率和年均工作时间、燃油消耗量的相关性(图中拟合线仅代表变化趋势).由图可知, 成都市典型工程机械油耗在1.67~43.3 L·h^-1均有分布, 并且挖掘机、装载机、压路机和叉车的燃油消耗量都随着机械功率的增大而增大, 变化趋势由高到低依次为：挖掘机、压路机、装载机和叉车, 由此说明功率的增长能导致挖掘机比其他典型工程机械更加耗油.同时, 机械随着功率的增大, 所能承载的负载也越大, 因此油耗越高, 而同功率段甚至相同功率的同种机械在燃油消耗量方面也存在着一定差异, 这与机械工作过程中实际做功情况有关.由图 1还能看出, 挖掘机、装载机和压路机的年均工作时间也随着机械功率的增大而增大, 这是由于一般施工工地在基坑开挖阶段, 土方量较大, 加之施工工期以及现场施工条件等因素, 导致施工方会优先选择大型机械, 因此大功率机械年均工作时间相对较长, 而小型机械则多用于道路、水渠等小型施工场所, 其年均使用时间相对较短.大功率叉车在实际应用过程中较少, 因此平均意义不大, 但年均工作时间从62~3000 h均有分布.
图 2(Fig. 2)

图 2 机械发动机功率与小时油耗和年均工作时间的相关性 Fig. 2Correlation between mechanical engine power and hourly fuel consumption and annual working hours

3.3 非道路工程机械排气烟度分析3.3.1 机械发动机构造对排气烟度的影响采用南华NHT-6不透光烟度计采集了不同机械的排气烟度, 结果如图 3所示.其中, 不同工程机械的排量差别较大, 排气烟度差别也较大, 挖掘机排量在2.7~10 L, 排气烟度在0.19~2.95 m^-1；装载机排量在3.76~10 L, 排气烟度在0.59~5.78 m^-1；叉车排量在2.5~6.871 L, 排气烟度在0.28~4.26 m^-1；压路机排量在5.9~6.75 L, 排气烟度在0.23~2.1 m^-1.可见, 挖掘机和装载机排量范围相差不大, 但是装载机烟度排放水平较挖掘机低, 超高排放的装载机也容易出现, 大部分叉车排量在2~3.5 L之间, 超高排放的叉车也容易出现.由图还能看出, 排量为6 L左右的挖掘机、排量为10 L左右的装载机和排量为2.5 L左右的叉车使用频率较高, 排气烟度也偏高.不同机械是否配备电控发动机这一因素对排气烟度影响较大, 就挖掘机数据显示, 有电控发动机的挖掘机平均排气烟度在0.09~1.23 m^-1, 无电控发动机的挖掘机平均排气烟度在0.09~1.77 m^-1, 因此, 装配电控发动机的机械总体排放情况优于没有装配的.
图 3(Fig. 3)

图 3 机械发动机构造对排气烟度的影响 Fig. 3Influence of mechanical engine construction on exhaust smoke

3.3.2 原机排放标准对排气烟度的影响原机排放标准对排气烟度的影响如图 4所示(横坐标仅代表被测试的工程机械编号).其中, 国一排放标准的机械排气烟度分布较为离散, 国二排放标准的机械排气烟度分布较为集中, 国三排放标准的机械排气烟度分布更为集中, 机械排气烟度排放水平由大到小依次为：装载机、叉车、挖掘机、压路机.各个标准的挖掘机平均排气烟度分别为1.26、0.75、0.45 m^-1(国一、国二、国三), 分别递减40%、40%；装载机平均烟度为2.92、2.36 m^-1(国一、国二), 递减19%；叉车平均烟度为2.86、1.43、1.29 m^-1(国一、国二、国三), 分别递减50%、10%, 压路机平均烟度为1.54、1.11 m^-1(国二、国三), 递减28%, 可见, 机械排气烟度由国一逐渐向国三递减, 说明随着原机排放标准的加严, 工程机械排放情况改善, 通过提升排放标准, 发现挖掘机的改善程度优于叉车.
图 4(Fig. 4)

图 4 排放标准对排气烟度的影响 Fig. 4Influence of emission standards on exhaust smoke

3.4 油品硫含量对排气烟度的影响由图 5可知, 最低硫含量为1.2 ppm, 最高硫含量为14 ppm, 大部分机械油品硫含量分布在2~6 ppm之间.此外, 由图还能看出, 机械油品中硫含量越大, 排气烟度越高.分析其原因：硫含量较高的柴油在机械发动机内燃烧最终生成大量硫酸盐排出, 导致排气中颗粒物浓度增高.
图 5(Fig. 5)

图 5 不同硫含量下排气烟度分布 Fig. 5Exhaust smoke distribution of different sulfur contents

由图 6可知(横坐标仅代表被测试的工程机械编号), SO₂的排放在0.006~0.461 kg·台次^-1之间, 最低SO₂排放机械为叉车, 最高为装载机, 而叉车的SO₂排放水平最低, 这是由于在油品硫含量相似情况下, 叉车的燃油消耗量低于其它机械.
图 6(Fig. 6)

图 6 不同工程机械的SO2排放量分布 Fig. 6SO2 emission distribution map of different construction machinery

4 结论(Conclusions)1) 工程机械燃油消耗量和年均使用时间受机械功率影响, 机械功率越大, 燃油消耗量越高, 年用使用时间越长, 同时机械功率的增长导致不同工程机械之间燃油消耗量的增长趋势不同, 其中, 挖掘机增长趋势最大, 叉车最小.
2) 成都市典型工程机械排气烟度排放水平由高到低依次为：装载机、叉车、挖掘机、压路机, 超高排放装载机和叉车相比其它机械占比较高, 因此有必要采取更有效的减排手段应用于此类工程机械.同时, 由于排量6 L左右的挖掘机, 排量10 L左右的装载机和排量2.5 L左右的叉车使用频率较高, 因此需要重点关注上述排量的工程机械烟度排放情况, 并在必要的减排趋势下首先进行管控.
3) 工程机械排气烟度受机械发动机排量、机械发动机构造、机械发动机排放标准和机械用油的综合影响.改变工程机械发动机构造、提高工程机械原机排放标准或使用低硫燃油均能直观反映出机械排气烟度不同程度的改善, 但机械排量对排气烟度的影响趋势并不能较为直观地反映.
4) 油品中硫含量越高, 工程机械排气烟度越大, 因此对油品硫含量的控制, 有助于减少工程机械颗粒物的排放, 同时, 需要着重关注挖掘机和装载机的油品使用情况.

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