非道路柴油移动机械检测

非道路柴油移动机械排放检测技术研究与应用

非道路柴油移动机械作为工程建设、农业生产、港口作业和工业运输等领域的关键装备，其排气污染物已成为大气环境的重要贡献源。为有效控制其排放水平，建立科学、规范的检测体系至关重要。本文系统阐述了非道路柴油移动机械的检测项目、范围、标准及仪器，为相关领域的监管与技术进步提供参考。

一、 检测项目与方法原理

非道路柴油移动机械的排放检测主要分为排气污染物测量和烟度测量两大类。

1. 排气污染物测量
   此项检测旨在量化机械在特定工况下排放的气态污染物和颗粒物的质量。通常采用发动机台架测试或整车底盘测功机测试。

   • 检测方法：稳态测试循环（如NRSC）与瞬态测试循环（如NRTC）

     • NRSC（非道路稳态循环）：该方法要求发动机在预先设定的多个稳态工况点（如额定转速下的不同负荷点）下运行。在每个工况点稳定后，测量其排气污染物的浓度和排气流量，终通过加权计算得出整个循环的污染物质量排放值。

     • NRTC（非道路瞬态循环）：该方法模拟了机械在实际工作中转速和负荷频繁变化的真实情况。测试时，发动机按照一个代表实际工作状态的瞬态转速-负荷序列运行。通过实时测量排气污染物的浓度和排气质量流量，积分计算得到整个循环的污染物总质量。

   • 测量原理：

     • 气态污染物（CO, HC, NOx）：采用不分光红外吸收法（NDIR）测量一氧化碳（CO）；采用氢火焰离子化法（FID）测量碳氢化合物（HC）；采用化学发光法（CLD）测量氮氧化物（NOx）。这些方法基于待测气体对特定波长红外线的选择性吸收或其在特定化学反应中的发光强度进行定量分析。

     • 颗粒物（PM）：采用部分流或全流稀释取样系统。排气经过清洁空气稀释、冷却后，通过特定材质的滤膜收集颗粒物。通过测量采样前后滤膜的质量差和稀释排气总量，计算出颗粒物的质量浓度和总质量。

2. 烟度测量
   烟度是评价柴油机燃烧状况和颗粒物排放视觉影响的直观指标，主要测量方法包括：

   • 不透光烟度法：该方法基于光吸收原理。让一束光穿过一定长度的排气烟柱，测量光线被烟气吸收和散射后的衰减程度，以光吸收系数（K值）或不透光度（N值）表示烟度大小。此方法尤其适用于高烟度排放的在线监测和执法检查。

   • 滤纸式烟度法：该方法通过抽气泵将一定体积的排气吸入并使其通过一张白色滤纸，烟气中的碳烟颗粒被截留在滤纸上形成污斑。通过测量滤纸污斑的光反射率，得出波许单位（Rb）或黑度值（FSN）来表征烟度。

二、 检测范围

非道路柴油移动机械的检测覆盖了广泛的应用领域，主要包括：

• 工程机械：挖掘机、装载机、推土机、压路机、起重机、沥青摊铺机等。

• 农业机械：拖拉机、联合收割机、农用运输车、灌溉机械等。

• 材料装卸机械：叉车、集装箱正面吊、龙门吊等。

• 机场地勤设备：行李牵引车、飞机加油车、客梯车等。

• 其他：雪犁、发电机组、空气压缩机、铁路工程车辆等。

不同应用领域的机械，其功率范围、工作特点（如负荷率、转速变化频率）存在差异，因此检测的工况循环和限值要求也相应调整。

三、 检测标准

国内外已建立了一系列针对非道路柴油移动机械排放检测的标准体系。

1. 与国外先进标准

   • 欧盟法规：欧盟阶段（Stage）标准是目前范围内为严格的法规体系之一，例如Stage V标准，其对PN（颗粒物数量）提出了限值要求。

   • 美国法规：由美国环境保护署（EPA）制定的Tier系列标准，与欧盟标准并行，是两大主要技术体系。

   • ISO标准：标准化组织发布的相关标准，如ISO 8178《往复式内燃机 排放测量》系列标准，为各国标准提供了基础性方法参考。

2. 中国标准

   • 强制性标准：中国依次实施了国一至国四阶段非道路柴油移动机械污染物排放标准。现行新的国四标准（GB 20891-2014及其修改单）大幅加严了污染物限值，并引入了PN控制要求，其测试方法主要参照NRSC和NRTC循环。

   • 在用车检测标准：针对在用非道路机械的监督抽查，主要依据《非道路柴油移动机械排气烟度限值及测量方法》（GB 36886-2018）。该标准规定了采用不透光烟度法对机械进行自由加速烟度或额定转速下负载轮毂的检测方法及限值。

四、 检测仪器与设备

完成上述检测项目需要一系列高精度的专用仪器设备。

1. 排放分析系统
   这是测量气态污染物的核心设备。一套完整的系统通常包括：

   • 采样系统：负责从排气管中抽取、输送和预处理（如除水、除尘、恒温）排气样本。

   • 分析模块：集成NDIR分析仪（测CO/CO2）、FID分析仪（测HC）、CLD分析仪（测NOx）等。

   • 控制与数据处理单元：控制整个系统的运行，采集、记录和分析数据。

2. 颗粒物采样系统

   • 全流稀释风道：将发动机全部排气引入一个大型风道中，与经过处理的洁净空气充分稀释、混合，模拟排气进入大气的状态，然后进行颗粒物采样。结果准确，但系统庞大复杂。

   • 部分流稀释系统：仅抽取一部分排气进行稀释和采样。系统相对灵活，适用于台架和PEMS测试，是现代排放实验室的主流选择。

3. 烟度计

   • 不透光烟度计：用于测量排气的光吸收系数，常用于发动机台架和在用车/机现场检测。

   • 滤纸式烟度计：用于测量波许烟度值，在某些标准和特定场合下使用。

4. 发动机台架系统
   用于进行发动机稳态和瞬态排放测试，主要包括：

   • 测功机：用于对发动机施加模拟的负载，并精确测量其转速和扭矩。

   • 发动机控制系统：控制发动机的油门、工况切换等。

   • 环境条件模拟系统：维持测试环境（如进气温度、压力）的稳定，保证测试结果的可比性。

5. 便携式排放测试系统（PEMS）
   PEMS是近年来快速发展的技术，它能够将排放分析设备小型化并集成在移动平台上，实现对机械在实际工作状态下排放的实时、原位测量。这对于监管在用机械的真实排放水平、验证实验室数据的有效性具有重要意义。

结论

随着环境保护要求的日益严格，非道路柴油移动机械的排放检测技术正朝着更、更全面、更贴近实际工况的方向发展。从实验室标准循环测试到基于PEMS的实际排放监测，检测体系不断完善。深入理解和掌握各项检测技术的内涵与应用，对于推动非道路机械行业的技术升级、落实排放法规、以及持续改善环境空气质量具有不可替代的作用。