0 引言

根据中国移动源环境管理年报^[1]，2022年，全国非道路移动机械的氮氧化物(NO_X)排放量达到473.5万t，与机动车相当；颗粒物(PM)排放量为23.2万t，占移动源颗粒物总排放量的81%。以非道路移动机械保有量大省——山东省为例，截至2023年5月，在山东省登记编码的非道路移动机械已达67万台，占全国的1/5。因此，在双碳战略背景下，研究非道路移动机械的二氧化碳(CO₂)排放特征，测算非道路移动机械CO₂排放量，对制定CO₂减排对策，具有重要的现实意义。

《非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求》(HJ 1014—2020)实施以来，其排气污染物研究主要基于便携式排放测试系统(PEMS)试验进行。Liu等^[2]基于PEMS对重型柴油车不同载荷情况下NO_X的排放特征进行了研究；Zhang等^[3]基于PEMS对限定区域内使用环节的非道路移动机械的真实排放进行了研究。颜欣迪等^[4]对青岛港内的港作机械进行了PEMS测试，针对一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、NO_X与PM 4种常规污染物进行了排放结果分析，发现大功率港作机械怠速工况难以较好地反映作业工况下的实际排放量，且港作机械实际排放水平较非道路机械平均水平高出1.5~2倍。杨保华等^[5]针对几种常规类型的非道路移动机械开展了PEMS排放测试，并分析了其NO_X的排放特性。张伟等^[6]运用包含PEMS测试数据在内的大数据分析，提出了非道路移动机械排气污染防治工作的建议。王国强等^[7]对非道路国四阶段装载机开展了PEMS试验，探究其排放CO、NO_X等常规污染物的表现，发现CO污染物限值远低于法规要求，且燃油消耗量相关系数与装载机运行工况的变化激烈程度呈正相关。周俐峻等^[8]通过对机动车开展PEMS试验，研究了机动车排气污染物中的CO₂排放特征，验证了碳平衡测算法用于核算油耗的可信度。综上，PEMS试验已广泛应用于非道路移动机械污染物检测与分析。本研究基于PEMS和油耗监测设备，对8台第四阶段新机械开展了实际作业工况测试，旨在分析机械在高功率段时的CO₂排放特征，并同步验证碳平衡法的准确性，为推进非道路移动机械减污降碳提供技术支撑。

1 试验方法 1.1 测试机械信息

本试验选取国四排放阶段的4台挖掘机和4台装载机，测试实际作业工况下，其CO₂排放特征，并实时监测油耗和CO排放水平。机械额定净功率(P_max)涉及130 kW≤P_max≤560 kW和75 kW≤P_max＜130 kW 2个功率段，具体测试机械信息见表 1。8台机械均同时进行油耗测试。

1.2 试验设备

试验依托便携式排放测试系统(OBS-ONE，日本Horiba公司)进行排放测试，OBS-ONE由主机模块、排气流量测量单元和车载诊断系统(OBD)读取单元组成，排气管尾气经排气流量测量单元后，由采样探头按1赫兹(Hz)频率实时测量CO和CO₂排放量(g/s)。同时，OBD读取单元逐秒获取车辆行车电脑中车速、发动机扭矩、转速和油耗量等参数^[9]。相关设备信息见表 2。

机械油耗监测基于cRIO数据采集控制器(美国Nationgnal Instruments公司)，采用一套搭载油耗传感器(FP-2240，日本Onosokki小野)的瞬时油耗监测系统，在机械启用时，油耗传感器会产生分别代表燃油消耗流量和燃油流动方向的两路方波，cRIO数据采集器控制器对两路方波进行采集和分析，从而得到机械工作的瞬时油耗和总油耗^[10]。

1.3 试验方法

按照《HJ 1014—2020》要求完成机械污控装置检查、OBD诊断、故障排除等试验前准备工作，之后添加标准燃油和反应剂，安装固定PEMS设备和瞬时油耗监测系统，在设备预处理完成后开展车载排放试验。结合法规中自由加载法要求及挖掘机、装载机日常工作场景，8台新生产机械在没有额外负荷作用和未磨合状态下由同一驾驶员进行重载最高效率的铲装砂石作业，达到5~7倍循环功率后停止作业，进行零点漂移检查及有效数据的筛选和处理。

2 结果分析

数据处理时应将采集到的试验数据进行时间对齐，最终测试结果四舍五入至排放标准所指示的小数点后一位，再加一位有效数字，将冷却液温度70 ℃之后的数据列为有效数据，将8台机械车载排放试验过程的有效碳排放数据逐秒累加，测试结果见表 3。其中，碳排放因子是指单位时间内，机械在试验过程中产生的CO₂排放量。

2.1 CO排放状况分析

CO排放结果见图 1。结合表 3和图 1可见，试验用挖掘机和装载机实际工况作业中CO比排放值(机械CO排放总质量与做功量的比值)远低于同功率段标准限值[(3.5~5.0) g/(kW·h)]的要求，这与崔焕星等^[11]通过稳态循环测试和斜坡循环测试得到的结论一致。加之郭勇等^[12]发现CO在PEMS测试中的重复性很差，因此，本研究碳排放因子主要基于CO₂排放量。

2.2 CO₂排放状况分析

不同机型不同功率的机械碳排放因子见图 2(机械编号同表 1)。

由图 2可见，不同机械类型上，碳排放因子在挖掘机与装载机2个机型间差别甚微。8台机械碳排放因子均在640~720 g/(kW·h)之间，平均碳排放因子为667.85 g/(kW·h)。其中挖掘机平均碳排放因子为654.39 g/(kW·h)，装载机平均碳排放因子为685.12 g/(kW·h)。功率在130 kW≤P_max≤560 kW的挖掘机平均碳排放因子为649.01 g/(kW·h)，同功率段的装载机平均碳排放因子为681.31 g/(kW·h)。

挖掘机和装载机在75 kW≤P_max＜130 kW、130 kW≤P_max≤560 kW 2个功率段中的碳排放因子差距较小。进一步分析，2种机械类型均表现出功率越小碳排放因子越大的趋势：最小功率为78.5 kW的挖掘机碳排放因子最大，最小功率为140 kW的装载机碳排放因子最大。

以上结果与黄志辉等^[13]对工程机械CO₂排放因子测算结果接近^[12]，均在600~900 g/(kW·h)之间。而《大气污染物与温室气体融合排放清单编制技术指南(试行)》(以下简称“指南”)附录(C-3)给出的国四阶段全功率段挖掘机CO₂排放因子为58 g/(kW·h)，装载机CO₂排放因子为42 g/(kW·h)，本研究中的机械在高功率段实测碳排放因子为640 ~720 g/(kW·h)，是《指南》中机械全功率段推荐值的11~17倍。推荐值在一定程度上低估了实际排放量，因此在进行碳排放清单测算时，采用功率法实测CO₂排放因子结果确定性更高。

2.3 油耗相关结果分析

为验证机动车油耗碳平衡计算法的适用性，同时采用碳平衡计算法、电子控制单元(ECU)燃料消耗量测量法及实际油耗监测法3种方式测试机械油耗，结果见表 4。

(1) 碳平衡计算法

碳平衡法以排气中的碳氢化合物(HC)、CO和CO₂等含碳化合物组分确定对应的燃料消耗量，本研究碳平衡计算法采用《重型商用车辆燃料消耗量测量方法》(GB/T 27840—2011)中装备柴油机车辆的碳平衡计算法确定燃料消耗量，将CO₂排放量单位从g/100 km变更为L/(kW·h)。计算公式如下：

$ \begin{aligned} & \;\;\;\;\;\;Q=\frac{0.115\;5}{\rho_g}[(0.866 \times \mathrm{HC})+(0.429 \times \mathrm{CO})+ \\ & \left.\left(0.273 \times \mathrm{CO}_2\right)\right] \end{aligned} $

(1)

式中：Q——柴油消耗量，L/(kW·h)；HC、CO、CO₂——HC、CO和CO₂排放量，g/(kW·h)；ρ_g——20 ℃下的柴油密度，845 kg/m³。即：

$ Q=\frac{0.115\;5}{845}\left(0.273 \times \mathrm{CO}_2\right) $

(2)

机械在正常燃烧状态下，HC和CO相对于CO₂而言排放量不足，如本研究测试CO仅占CO₂的0.1%~0.008%。根据质量守恒定律，CO₂生成量与油耗的比值接近于理论值3.15，本研究按照碳平衡计算转化系数为3.73。

(2) ECU测量油耗

将试验过程中冷却液达到70 ℃以后的逐秒OBD油耗消耗量累加后得到ECU测量的燃料消耗量，单位为L。

(3)与实测油耗比较

以油耗监测仪实测油耗为基准，将式(1)、(2)与之比对分析，结果见表 4。挖掘机和装载机在75 kW≤P_max＜130 kW、130 kW≤P_max≤560 kW 2个功率段中油耗范围介于24.72×10^-2 ~26.84×10^-2 L/(kW·h)，分别采用碳平衡计算法和ECU测量2种方法核算油耗，前者相对误差在-1.43%~2.16%，后者相对误差在-4.24%~1.75%，说明2种方法测油耗具有一致性，均可用于非道路移动机械碳排放特征分析与估算。

2.4 油耗与CO₂排放因子的关系

经油耗监测仪监测油耗与碳排放因子比对，发现二者存在较强的相关性(R²=0.929)，具体见图 3。

3 结论与建议

(1) 碳平衡计算法和ECU燃料消耗法均可用于非道路移动机械碳排放特征分析与估算。油耗与CO₂排放因子显著相关，均可用于CO₂排放量估算。

(2) 本研究调查的机械均为新生产机械，且未考虑机械劣化、活动水平等影响因素等，反映了高功率段机械CO₂排放，与《大气污染物与温室气体融合排放清单编制技术指南(试行)》附录给出的国四全功率段不一致。

(3) 借助远程联网技术获取OBD数据累加得到的ECU燃料消耗量，可以便捷、高效地估算非道路移动机械CO₂排放量。