機動車排放污染的速度-加速度耦合影響分析

曲 亮,李孟良,高佳佳,高繼東,趙彥琳,金陶勝* (.南開大學環境科學與工程學院,國家環境保護城市空氣顆粒物污染防治重點實驗室,天津 30007；.中國汽車技術研究中心,天津 3006)

據統計,自20世紀90年代末至今,我國汽車工業年均增長率高達20%以上,2009年汽車產量達1379萬輛[1].機動車是城市中一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)等污染物的主要來源,盡管發動機技術在不斷發展和完善,機動車尾氣污染仍然是城市空氣污染防治的主要控制對象[2].

研究表明,交通發達地區患有哮喘、肺炎等呼吸系統疾病人要遠多于其他地區[3-4].此外,車輛的污染物對人體的神經系統、心血管、免疫系統和生殖系統也可造成不同程度損害[5-6].即使是與車輛排放的污染物短時間的高濃度接觸,也會對健康產生不利的影響[7].因此,機動車排放的研究特別是車載排放測試已受廣泛關注.

Nelson等[8]利用城市道路測試系統對澳大利亞六個不同等級的十二輛機動車進行了測試,并且分析和對比了在不同車輛型號、行駛工況和燃油等級的情況下車輛的排放情況.姚志良等[9]使用了PEMS對國2技術LPG轎車和汽油轎車的進行了實際道路排放測試,并且分析和對比了速度對于LPG 轎車和汽油轎車排放特征及排放因子的影響.賀克斌等[10]使用清華大學構建的車載排放測試系統測試了北京市的8輛輕型車的實際道路瞬態排放,并解析了速度、加速度與車輛排放的數理規律.王海鯤等[11]采用一套車載排放測試系統,對深圳市 7輛輕型車進了車載道路排放測試,并且分析了機動車運行工況對排放的影響,比較和計算各測試車輛的平均排放因子.

從上述研究可見,速度和加速度對于機動車排放污染都具一定影響,為了研究速度和加速度的耦合效應,本研究引入區間點概念,運用三維分析對三者間的關系進行分析.并且將三維分析中的各點對應的比功率(VSP)進行擬合,從而更清晰地反映出VSP、速度和加速度與車輛污染物排放率間的關系,以此來分析天津市機動車的速度,加速度和VSP對于機動車污染物質排放率的影響.

1 實驗流程

本文研究對象主要是天津市的機動車排放的污染物狀況,選取一輛運營期夏利出租車為研究車輛,采用HORIBA公司的OBS-2200車載測試系統對目標車輛在不同速度和加速度工況下的污染物(HC、CO和NOx)的排放率進行了實時監控,從而獲得不同污染物質在不同速度和加速度的情況下準確的逐秒排放率,實驗具體參數及方案見文獻[12].對2006年4月3～7日的高峰期(17:00～18:00),平 峰期 (14:30～15:30)和低 峰 期(20:00～21:00)實驗車輛的污染物排放率進行了測量,并檢測到車輛的逐秒排放率數據.車輛在道路中行駛時始終遵循隨車流而行的原則,并且盡量避免超車和急剎車等現象,實驗車輛基本可以反映出車輛在天津市道路上正常行駛的狀況.

2 實驗結果

通過機動車車載排放測試系統的道路測試,得到試驗車輛在試驗路段的高峰期(17:00～18:00)的最高車速為73.38km/h,平均車速為19.07km/h;在平峰期(14:30～15:30)的最高車速為115.9km/h,平均車速為30.27km/h;在低峰期(20:00～21:00)的最高車速為82.58km/h,平均車速為25.27km/h.從圖1可以看出,在這3個時間區間內,被測車輛的速度主要集中在0～70km/h,比率分別為99.5%、86.3%、98.8%;加速度主要集中在-1.5～1.5m/s2,比率分別為99.4%、97.3%、98.7%.

圖1 不同時間內城市道路加速度與速度的點工況分布Fig.1 Distribution of the points of different kinds of speed and acceleration in busy time, common time and free time

3 分析與討論

3.1 速度和加速對于污染物質排放率的影響

機動車的加速度和速度對于車輛的排放影響非常大,而在實際的道路行駛過程中,車輛的行駛工況也非常復雜.為了便于分析,將-1.5～1.5m/s2加速度范圍內的加速度每隔 0.5m/s2進行分組,依次分為7個區間,再將10～70km/h范圍內的速度每隔10km/h進行分組,依次分為7個區間,這樣就產生了49個單元,每個單元代表其上、下、左、右4個方向上半個區間范圍內的平均值.最終得到HC、CO和NOx的平均排放速率隨速度和加速度變化的三維圖(圖2).由于車輛在城市道路中行駛,受路況影響,在速度較高時不能繼續以高加速度行駛,考慮到安全因素,在速度較高時也沒有急剎車情況,所以在高速高加速和高速高減速區間內數據是空缺的.本研究實際得到的實際單元點為40個,最終得到HC、CO和NOx的平均排放速率隨速度和加速度變化的三維圖(圖2).

圖2 加速度和速度與3種污染物排放率的關系Fig.2 Relationship between emission indexes (HC, CO and NOx) and different operating conditions

如圖2所示,HC的排放率在加速度為1m/s2和速度為60km/h的工況下達到最大值0.0673g/s;CO的排放率在加速度為1.5m/s2和速度為40km/h的工況下達到最大值 0.706g/s;而NOx在加速度為1.5m/s2和速度為30km/h2的工況下達到最大值為0.0178g/s.3種污染物的排放率在加速度和速度較大時(速度高于 30km/h,加速度高于 0.5m/s2)的排放率呈現出偏高的趨勢,特別是在加速度較大時(加速度高于 0.75m/s2),3種污染物質的排放率偏高的趨勢更加明顯.

3.2 車輛比功率對于污染物排放率的影響

機動車尾氣排放受多種因素影響, 包括車輛自身情況、行駛狀況、運行環境,譬如車齡、行駛里程和車輛保養情況、速度、加速度、路面狀況、坡度、溫度、負載等[13].為全面地分析各種因素對于車輛排放的影響和準確分析車輛的排放, Palacios于1999年提出了車輛VSP定義,并指出VSP是指瞬態的機動車輸出功率與機動車質量的比值,這個參數適合于計算分析車輛的瞬態排放狀況[14].

為了使比功率這一參數在實際中能夠便于使用,通過對其中參數的簡化處理后,U.S.EPA給出了方便用于輕型機動車的VSP計算公式[15]:

式中:v為車輛的速度,m/s;a為車輛的加速度,m/s2;slope表示道路的坡度,°.

本實驗選取的道路為城市中平穩的主干道,所以坡度在本研究中可以忽略.根據式(1)計算出實驗測試的速度與加速度所對應的VSP數值,結合圖 2中的污染物排放率與速度加速度的關系找出VSP與污染物排放率的對應關系,繪制出車輛比功率與污染物排放率間的散點圖(40個單元點),并采用合適的函數對數據點進行擬合(圖3).

圖3 HC、CO和NOx排放率與VSP之間的擬合關系Fig.3 Fitting analysis of emission indexes (HC、CO and NOx) and VSP

如圖3所示,NOx的排放率的倍數隨VSP增加的變化較大,所以擬合函數的斜率較大,特別是在VSP較高時,NOx的排放率呈現出了一定的跳躍性,說明NOx的排放率對于VSP的變化比較敏感.HC、CO的排放率的倍數隨VSP增加的變化較小,表現為擬合函數的斜率較小,說明 VSP的變化對于HC、CO的排放率的影響比較平和.

HC、CO和NOx的排放率與VSP之間的擬合決定系數分別為0.71、0.86和0.85,擬合度普遍較高,3種污染物的排放率成比較明顯的正相關關系,即隨著車輛比功率的增加,車輛排放的污染物的排放率都會有不同程度的增加.由此說明VSP對車輛的污染物排放率有著較大的促進作用,兩者之間的相關關系比較密切,VSP可以作為評價車輛污染物排放率的一個重要指標.這與雷偉等[16]對愛麗舍車的實時排放數據結論相接近.

由于資源有限,本研究并沒有使用不同型號的車輛、燃油以及不同排量的發動機進行測試,并且測試的季節也比較單一,不能夠完全反映出全年的排放情況.在將來的研究中,會著重分析各種不同型號的車輛和時間段內的排放率的情況,從而進一步完善這方面的研究.

4 結論

4.1 車輛在高速、高加速的工況下的污染物排放率普遍偏高.HC、CO和NOx3種污染物的排放率高峰時排放率分別達到0.0673、0.706和0.0178g/s,均集中在高加速度和高速(速度高于30km/h,加速度高于0.5m/s2)工況范圍內.在低速、低加速度工況下(速度低于 30km/h,加速度低于0.5m/s2),HC、CO和NOx的排放率普遍偏低,平均排放率分別為0.0212、0.2336和0.00156g/s.

4.2 通過對VSP和HC、CO和NOx的排放率進行擬合顯示,擬合函數的決定系數分別為0.71、0.86和0.85,擬合度較高.隨著車輛VSP的增加,車輛排放的污染物質的排放率也會有不同程度的增加,兩者成正相關關系,說明 VSP和車輛污染物排放率關系密切,VSP可以作為衡量機動車污染物排放率的重要參數.on-road vehicles in a freeway tunnel study [J]. Atmospheric Environment, 2009,43:4014-4022.

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