重型卡車實際道路顆粒物排放特征

王軍方，丁焰* ，尹航，譚建偉，張海燕，殷寶輝

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

2.北京理工大學(xué)機械與車輛工程學(xué)院，北京 100081

隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車排放引起的環(huán)境問題和對人體健康的影響已經(jīng)成為重要問題，汽車排放的NOx、CO、HC，以及細(xì)顆粒物(PM2.5)等更是國內(nèi)外研究的熱點［1-5］。由于超細(xì)顆粒及納米級顆粒物有更大的危害性，重型柴油車顆粒物數(shù)濃度及粒徑分布也是國內(nèi)眾多研究者［6-10］的研究重點。

研究發(fā)現(xiàn)，機動車行駛工況及運行環(huán)境是影響機動車排放的重要因素［11-13］。已經(jīng)有不少研究人員開展了運用車載排放測試系統(tǒng)在實際道路上對重型柴油車的實時測量［14-21］。

車載排放測試法是車輛在實際道路運行條件下，利用放置在車輛上的車載排放測試系統(tǒng)(portable emission measure system，PEMS)及全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)直接和實時測量機動車瞬時污染物排放量、排氣流量、地理信息及車速。這種測試方法能夠反映外界環(huán)境條件的變化對車輛排放的影響，得到實際運行中所有可能運行模式下的排放數(shù)據(jù)，在研究機動車實際道路排放特征方面具有很強的優(yōu)勢。另外，車載排放測試方法不僅可以保證測試的精度和可靠性，而且可以節(jié)約大量的測試時間和測試成本，為機動車排放因子研究提供了便捷有效的測試方法。因此，車載排放測試方法是排放因子的重要研究手段，近年來得到了重點關(guān)注和發(fā)展。

1 試驗

選擇符合國三排放標(biāo)準(zhǔn)的重型卡車為研究對象，車質(zhì)量為15 t，累積行駛里程38萬km，功率170 kW。研究重型卡車實際道路氣態(tài)常規(guī)污染物(HC、CO、NOx)以及顆粒物數(shù)濃度排放特征。

1.1 PEMS測試系統(tǒng)

用于重型車車載排放測試的PEMS包括:SEMTECH-DS排放測試系統(tǒng)、EFM流量計、Detaki公司的低壓電子撞擊器(electrical low pressure impactor，ELPI)、Detaki公司的兩級稀釋射流式稀釋器以及其他附屬設(shè)備。測試設(shè)備在重型車上的布置如圖1所示。

圖1 重型卡車車載排放測試系統(tǒng)(PEMS)Fig.1 PEMS measurement system of heavy-duty trucks

1.2 測試儀器及設(shè)備

SEMTECH-DS排放測試系統(tǒng)是經(jīng)美國國家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)認(rèn)證的排放測試設(shè)備。SEMTECH-DS采用非分散紫外線分析儀(NDUV)測試排氣中的NO和NO2濃度;采用非分散紅外線分析儀(NDIR)測試排氣中的CO和CO2濃度;采用氫火焰離子分析儀(FID)測試排氣中的HC濃度;采用電化學(xué)分析儀檢測氧濃度。SEMTECH-DS還用環(huán)境溫濕度傳感器實時監(jiān)測環(huán)境溫度、濕度和大氣壓。同時，SEMTECH-DS可以利用自帶的GPS實時記錄車輛行駛過程中逐秒的地理位置(即經(jīng)度、緯度、高度)和行駛速度信息。

EFM流量計用于測量機動車排氣瞬時體積流量和質(zhì)量流量，其量程為0～15.6 m3/min，檢測精度為±2.5%，能夠滿足測試要求，是經(jīng)US EPA認(rèn)證的測試設(shè)備。

ELPI是對顆粒物粒徑尺寸及分布進(jìn)行測量的儀器，利用微粒的慣性按空氣動力學(xué)直徑將粒徑在0.03～10 μm的微粒分為12級，可將測量范圍下擴到7 nm，可以實時記錄車輛排放的顆粒物數(shù)濃度和質(zhì)量濃度及總量［22］。

兩級稀釋器用于對車輛排氣進(jìn)行稀釋，以形成適合ELPI測量精度和測量范圍要求的均勻氣溶膠。ELPI也是經(jīng)US EPA認(rèn)證的顆粒物測試設(shè)備。

GPS包括三大部分:GPS衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)和GPS信號接收機。它可以直接而精確地測定地球表面上任一點的經(jīng)度、緯度、海拔高度，能夠精確而高速地為使用者連續(xù)提供測點的實時三維位置、三維速度和時間。測試系統(tǒng)具有良好的保密性和抗干擾性。GPS的單點定位精度可達(dá)10 m，測速精度可達(dá)0.1 m/s，能夠滿足車輛工況測試要求［23］。其外觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 全球定位系統(tǒng)(GPS)Fig.2 Photograph of GPS

1.3 數(shù)據(jù)選擇

王愛娟等［24］研究發(fā)現(xiàn)，重型卡車的行駛速度主要分布在0～50 km/h內(nèi)，最大車速可達(dá)90 km/h以上。在車速為0～40 km/h時，車輛加速度主要分布在-0.6～0.6 m/s2;在車速高于40 km/h時，車輛加速度主要集中在-0.5～0.5 m/s2(圖3)。

圖3 重型卡車速度分布［24］Fig.3 Speed Distribution of heavy-duty trucks

考慮到北京市白天禁止重型卡車進(jìn)入市區(qū)五環(huán)內(nèi)，因此對重型卡車實際道路排放測試以五環(huán)及以外線路為主，進(jìn)行穩(wěn)定車速工況測試，參考圖3，選取車速分別為0(怠速)以及15，35和70 km/h，每個工況選擇30 s穩(wěn)態(tài)時間段，取排放平均值。

2 結(jié)果及討論

2.1 常規(guī)污染物排放結(jié)果

圖4為不同車速下重型卡車的常規(guī)污染物排放量。由圖4可見，重型卡車的HC與CO排放量隨車速變化規(guī)律類似，均為排放量隨車速的增大而減小;車速為70 km/h的工況下HC和CO排放量比車速為15 km/h降低69.84%和69.15%。NOx排放規(guī)律與HC和CO不同，排放量隨車速的增加而升高，車速為70 km/h工況下比車速為15 km/h高27.41%。怠速工況下，HC、CO排放量與車速為15 km/h工況排放幾乎相當(dāng)，而NOx排放量比15 km/h工況排放低29.85%。分析認(rèn)為，隨著車速的增加，燃燒室中燃燒溫度升高，燃油充分燃燒，因而HC和CO排放量降低，而NOx排放量升高。

圖4 重型卡車車速對常規(guī)污染物排放量的影響Fig.4 Regulated pollutants emission from the truck

2.2 怠速工況下顆粒物數(shù)濃度及粒徑分布

圖5為怠速工況下顆粒物數(shù)濃度及粒徑分布。由圖5(a)可以看出，在怠速工況下30 s時間內(nèi)，排放顆粒物數(shù)量變化不大，為6.21×107～6.28×107個/cm3，變化幅度不超過0.58%。圖5(b)表明，隨粒徑的增大，顆粒物數(shù)濃度降低。顆粒物數(shù)濃度主要集中于粒徑小于20 nm的顆粒物，占總數(shù)量的33.48%，粒徑小于70 nm的顆粒占總數(shù)量的93.81%。粒徑大于770 nm的顆粒物數(shù)濃度很低，只占顆粒總數(shù)量的0.06%。

2.3 低速工況下顆粒物數(shù)濃度及粒徑分布

圖6是低速(15 km/h)工況下顆粒物數(shù)濃度與粒徑分布。由圖6(a)可以看出，在低速工況的0～5 s內(nèi)，顆粒物數(shù)濃度變化幅度比較大，但5 s之后基本比較穩(wěn)定。排放顆粒物總數(shù)量為3.49×106～11.7×106個/cm3，變化幅度平均值為14.79%，最高值為133.10%。由圖6(b)可以看出，粒徑分布呈現(xiàn)單峰狀態(tài)，峰值處于粒徑為70 nm的納米級顆粒物，數(shù)濃度占總數(shù)量的46.10%，粒徑小于120 nm的顆粒物占總數(shù)量的95.85%。粒徑高于200 nm的顆粒物數(shù)濃度很低，只占總數(shù)量的4.15%。粒徑大于770 nm的顆粒物數(shù)濃度很低，只占顆粒總數(shù)量的0.04%。

2.4 中速工況下顆粒物數(shù)濃度及粒徑分布

圖7為中速(35 km/h)工況下顆粒物數(shù)濃度與粒徑分布。由圖7可以看出，在中速穩(wěn)定工況6～10 s時間段內(nèi)，顆粒物數(shù)量變化幅度較大，其余時間段內(nèi)比較穩(wěn)定。排放顆粒物數(shù)量為5.47×106～100×106個/cm3，在6～10 s內(nèi)，變化幅度最高值達(dá)到293.11%，其余時間段變化幅度為25%～79%。由圖7(b)可以看出，粒徑分布呈單峰狀態(tài)，峰值為粒徑70 nm的納米級顆粒物，其數(shù)濃度占總數(shù)量的36.66%，粒徑小于200 nm的顆粒物占總數(shù)量的94.59%。粒徑高于490 nm的顆粒物數(shù)濃度很低，只占總數(shù)量的0.62%。粒徑高于770 nm的顆粒物只占總數(shù)量的0.03%。

2.5 高速工況下顆粒物數(shù)濃度及粒徑分布

圖8為高速(70 km/h)工況下顆粒物數(shù)濃度及粒徑分布。由圖8(a)可以看出，在高速工況下，除最初的2 s外，其余時間段內(nèi)排放的顆粒物數(shù)量(2.67×107～3.66×107個/cm3)隨時間變化不大，除最初2 s外，變化幅度不超過7.11%。從顆粒物粒徑在30 s之內(nèi)的平均分布〔圖8(b)〕可以看出，顆粒物數(shù)濃度峰值處于粒徑70 nm處，其數(shù)濃度占總數(shù)量的45.96%，粒徑小于200 nm的顆粒物占總數(shù)量的97.60%。粒徑大于320 nm的顆粒物數(shù)濃度很低，只占總數(shù)量的2.40%。粒徑高于770 nm的顆粒物占總數(shù)量的0.08%。

圖8 高速工況下顆粒物數(shù)濃度及粒徑分布Fig.8 Particles number concentration and size distribution at 70 km/h mode

從怠速工況以及車速為15，35和70 km/h的粒徑分布可以看出，隨著車速的增大，顆粒物數(shù)濃度向粒徑增大方向移動，分析認(rèn)為，可能是隨著車速的增大，構(gòu)成納米顆粒物的很多HC化合物燃燒，因而降低了這部分顆粒物濃度，這與其他研究者［7］結(jié)論一致。

3 結(jié)論

(1)重型卡車HC和CO排放量隨車速變化規(guī)律類似，表現(xiàn)為隨車速的增大而減小。NOx排放規(guī)律與HC和CO不同，表現(xiàn)為排放量隨車速的增加而升高。在怠速工況下，HC和CO排放量與車速為15 km/h幾乎相當(dāng)，而NOx排放量低29.85%。

(2)在怠速工況30 s內(nèi)，排放的顆粒物數(shù)量隨時間變化不大，變化幅度不超過0.58%。粒徑分布結(jié)果表明，隨粒徑的增大，顆粒物數(shù)濃度降低。顆粒物數(shù)濃度主要集中于粒徑小于70 nm的顆粒物，占總數(shù)量的93.81%。

(3)在15 km/h穩(wěn)定工況內(nèi)，最初5 s顆粒物數(shù)量變化幅度比較大，但5 s之后基本比較穩(wěn)定，變化幅度平均為14.79%。粒徑分布呈單峰狀態(tài)，顆粒物數(shù)濃度峰值處于粒徑為70 nm的納米級顆粒物，粒徑小于120 nm顆粒占總數(shù)量的95.85%。

(4)在35 km/h穩(wěn)定工況內(nèi)，除6～10 s外，其余時間段顆粒物數(shù)量基本比較穩(wěn)定。6～10 s變化幅度最高值為293%，其余時間段變化幅度為25%～79%。粒徑分布呈現(xiàn)單峰狀態(tài)，顆粒物數(shù)濃度峰值處于粒徑為70 nm的納米級顆粒物，粒徑小于200 nm顆粒占總數(shù)量的94.59%。

(5)在75 km/h穩(wěn)定工況內(nèi)，除最初的2 s外，其余時間段內(nèi)排放顆粒物數(shù)量隨時間變化不大。變化幅度不超過7.11%。顆粒物數(shù)濃度峰值處于粒徑為70 nm的顆粒物處，粒徑小于200 nm的顆粒物占總數(shù)量的97.60%。

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