輕型汽車道路排放的車載實驗研究

胡昌俊,高運川,許琳科,任盼盼

(1.上海師范大學 生命與環境科學學院,上海 200234; 2.鄭州大學 綜合設計研究院有限公司,鄭州 450001)

0 引 言

隨著城市人口的增長和經濟的發展,城市機動車保有量迅速增加,截至2012年3月底,上海市汽車保有量達201.47萬輛.由此帶來了極大的城市交通壓力和環境壓力.汽車尾氣污染已日益成為城市大氣環境的重要污染源,北京市中心地區機動車排放對大氣中CO、HC、NO的分擔率分別為63.4%、73.5%和46%;上海市中心地區機動車排放對大氣中CO、HC、NO的分擔率分別為86%、96%和56%[1].車輛排放法規和控制措施的不斷完善,使得研究城市道路汽車尾氣排放的規律也成為大家關注的熱點問題.

王岐東等[2]利用車載排放測試系統,采用VSP、ES、BN對輕型車瞬態排放的特征及影響機動車排放的關鍵因素進行解析,具體探討了不同工況(加速度和速度)、發動機技術(化油器車與電噴車)以及車輛行駛里程對污染物排放的影響,為機動車排放控制和排放模型的建立提供基礎.賀克斌等[3]利用車載測試系統對基于“排放增量”概念建立的用于輕型車瞬態排放數學模型進行了模擬驗證,通過對比道路實測和模型模擬加速度與速度的瞬態排放特征,驗證了該模型的正確性與可行性,等等.本文作者利用自行設計的車載試驗系統,進行實際道路的排放測試,計算了車輛道路行駛各污染物的排放因子,同時利用回歸方法研究了排氣量與各污染物濃度對排放因子的影響.

表1 各測試項目量程及精度

1 實驗儀器及路線選擇

1.1 實驗儀器設備

實驗測試選用2.0 L排量的第一類輕型汽車.汽車尾氣選用MEXA-584L分析儀(日本HORIBA公司生產)測定,動壓由L型畢托管和DP1000-ⅢB微電腦數字壓力計測定,數據記錄由尼康D3100數碼相機拍照記錄.所用儀器測量范圍及精度見表1.

1.2 實驗過程

將預留孔的套管固定在排氣管上,L型畢托管和尾氣分析儀探頭通過預留孔固定在套管內,分別連接壓力表和尾氣分析儀,完成測試系統的安裝.確定行駛道路,按不同要求行駛測試車輛,間隔1～2 s由相機拍照記錄數據.實驗完成,進行數據的統計和分析.

1.3 排放因子計算方法

C=C·(B/M×10-6).

(1)

Pd=1/2ρ1V2.

(2)

Q=V×πr2.

(3)

m=C×Q.

(4)

由氣體動態方程PV=nRT,可得:

P1V1/T1=P2B/T2.

(5)

熱力學溫度T=t+ 273.15.可得:

B=P1V1T2/P2T1.

(6)

t溫度下混合氣密度:

ρ1=ρ混V1/B.

(7)

公式中(內導-污染物CHO、CO、HC)瞬時排放質量濃度數，單位為mg/m3;M為被測物質的分子量;B為被測氣體的摩爾體積;Pd為尾氣動壓;ρ混為標準狀態下混合尾氣密度,取1.2 kg/m3[4];Q為瞬時排氣量,單位為m3/s;r為套管半徑,值為2.5 cm,m內導-污染物瞬時排放量,單位為g/s;取P1=P2均為一個標準大氣壓;V1取標況下氣體摩爾體積22.4 L.

2 實驗結果與討論

2.1 測試車輛加減勻速段的排放規律

瞬態工況下由于燃油和空氣供給速率的瞬時變化,導致各污染物濃度變化明顯,且車輛有害排放物的40%～80%來自瞬態工況,因此用車輛瞬態工況下獲得的排放數值來反映實際情況的排放狀況就顯得尤為重要[5].測試車輛加減勻速段各污染物濃度、排氣量見表2.

表2 加減勻速各污染物平均濃度、平均排氣量和平均過量空氣系數

實驗加速段CO與HC平均濃度最小,NO最大;勻速段CO與HC濃度均呈現大幅度增長,NO濃度大幅度降低;減速段CO濃度一定程度降低,HC濃度一定程度增加,NO濃度小范圍降低.

氣缸內混合氣的形成和充氣受曲軸轉速強烈影響,加速工況下車輛曲軸角度大,使得局部混合氣混合不均勻;同時,節氣門的快速開啟對混合氣的溫度和壓力施加影響,加劇了氣體的混合不均勻性.而CO、HC的產生主要源自于混合氣的不完全燃燒,加速時車輛需要增加燃油以提供加速所需動力,λ變小,進而導致CO、HC濃度的增加,這在劉小波等[6]研究中得到證實.由于實驗路段較短,所以采取高速行駛時強制減速方式減速.強制減速段節氣門關閉,由表2可知此時氣缸內進氣不足,使得燃燒室部分地區由于混合氣過稀或缸內殘余廢氣系數過高而不能燃燒,出現斷火[7],此種情況會導致HC濃度劇增.此外HC排放具有一定得延遲性,尾氣取樣管中氣流被堵塞,造成氣體分析儀動作延遲,導致排放數據與發動機數據的不同步[8].此二者是HC在勻速段及減速段維持較高濃度且在λ小幅度變大時減速段濃度高于勻速段的原因.

表2顯示,在勻速及減速段為濃混合氣,有利于NO的還原,所以相較于加速段,NO濃度降低.NO的產生強烈依賴溫度,當車速較高時,氣缸內溫度較高,NO生成迅速,減速時氣缸內溫度降低,NO濃度迅速下降.勻速段NO濃度高于減速段,原因可能在于反應溫度和滯留時間沒有出現同步性.

HC大量產生于勻速段,NO和CO主要產生于加速段后期及勻速段,減速段各污染物排放速率均處于最小值.加速及勻速時排氣量都處于高較值,減速段排氣量急劇降低.據張鵬飛所做相關研究[9],勻速突然減速,會使供油停止,燃燒溫度降低,導致HC排放出現異常的增加,而CO排放則不出現此規律.但是低速時λ較小,燃燒很不充分,使得大量未燃混合氣排出,而且汽油中的HC化合物經過不完全燃燒產生了許多CO,導致CO濃度較高.劉侃侃、馬東等[10-11]通過探討不同行駛工況下汽車排放特性發現,CO與HC在低速工況下,排放量均較高;中高速工況下排放量均較低,且CO排放量隨車輛平均速度的增加而降低的趨勢大于HC.因為所測數據是同時所測,瞬時排氣量均相同,因此認為混合氣的狀態(濃或稀)對CO影響程度高于HC.CO出現很大的濃度值,可能與實驗場地有關.在加減勻速實驗中,所選場地末端有3°左右的坡度,坡度對CO的排放會產生很大的影響.據國外研究發現,道路坡度每增加1°會使CO排放增加3.0g/mile[12].加減勻速段,HC、NO、CO瞬態排放速率變化見圖1.

圖1 HC、NO、CO不同工況排放變化

2.2 高速道路測試車輛的排放因子

排放速率為受排氣量、污染物濃度兩自變量影響的因變量.測試車輛高速道路行駛排放因子值見表2.

以《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ階段)》中各污染物限值為標準,本實驗車輛CO、

表3 高速道路的排放因子 (g/km)

HC、NO排放限值分別為1.00、0.10、0.08 g/km.實驗中NO、HC排放因子滿足限值,CO超出限值0.47 g/km,超出47%.至于CO超標而HC、NO滿足限值,筆者認為應該與具體行駛過程中的其他因素,如催化劑的活性成分、司機駕車習慣、道路交通流量有關,需進行進一步探索.

2.3 污染物濃度、排氣量對排放速率的影響程度分析

因排放速率由污染物濃度與排氣量共同決定,因此研究同步情況下,不同行駛階段,不同行駛路況下污染物濃度及排氣量兩自變量對排放速率這一因變量影響程度大小就顯得具有重要的實際意義.

由表2,車輛NO、CO、HC在加速、勻速、減速工況下濃度比值為1.6∶1∶1、1∶5.5∶4、2.9∶1∶1.2;加速、勻速、減速工況下排氣量比值為6.6∶6.1∶1;計算得相應階段排放速率比值為14∶7∶1、2.3∶7.7∶1、2∶5.5∶1,加速及勻速段車輛排氣量相當,減速段排氣量急劇下降.減速段各污染物濃度沒有劇烈變化,相較于加速及勻速段,排放速率變化劇烈,因此減速段排氣量對排放因子的影響程度高于污染物濃度.加速及勻速段高排氣量、高排放濃度導致高排放速率.鑒于加速、勻速階段排氣量大致穩定,而各污染物濃度增加或減少幅度變化劇烈,從而導致排放速率的顯著變化,因此在加速及勻速段,濃度對排放因子起主要影響.

高速排氣量分布穩定,平均排氣速率0.035 m3/s,小于加速、勻速相應值.瞬時排氣速率0.03 ～0.04 m3/s所占比例最大,達到33.8%;其次為0.01～0.03 m3/s 的32.8%;0.06 m3/s以上所占比例最小,僅為10.1%.這是因為高速道路路況好,車輛行駛穩定,除卻短暫加速和減速,勻速比例高,此種情況為研究排氣量與濃度對排放因子影響程度提供了方便.

圖4分別為CO排放速率與濃度、HC排放速率與排氣量、NO排放速率與濃度之間相關性分析.

圖2 CO排放速率與濃度顯著相關分析

圖3 HC排放速率與排氣量顯著相關分析

圖4 NO排放速率與濃度顯著相關分析

實驗共選取樣本數據249個,因為各數據的實時變化,自變量與因變量之間不存在正態分布關系,制圖所設置顯著性可信度為0.005.

由圖2、3、4得,CO濃度與排放量相關系數為0.687 2,HC瞬時排氣量與排放量相關系數為0.6489,NO濃度與排放量相關系數為0.832 5.CO、NO排放量與瞬時排氣量、HC排放量與濃度相關系數較小,分別為0.142 5、0.195 7、0.334 7.相關系數與相關性強弱之間的關系:r≥0.8為強相關,0.3≤r≤0.8為弱相關,0≤r≤0.3為錯相關.對比上述相關系數,可知:CO濃度與排放量呈弱相關,HC瞬時排氣量與排放量為弱相關,NO濃度與排放量呈強相關,即顯著性相關.相同條件下,瞬時排氣速率對于CO、NO、HC均為同一數值,因此所得數據利于與所得結論進行比較.

綜上所述,車輛在高速道路行駛時,CO、NO排放速率主要受濃度影響,HC排放速率則受排氣量影響較大.究其原因,CO與NO濃度變化較為劇烈,HC濃度變化平緩,這與對高速道路行駛排放因子與濃度關系的研究相一致.

3 結 論

由實驗可以得出,車輛行駛過程中具有以下特征:

(1) 加速及勻速階段,CO、NO濃度高,減速階段HC濃度高;加速、勻速段排氣量大,減速段排氣量驟降;

(2) 高速道路排放因子較低,HC及CO排放因子在低速加速和高速減速段變化明顯,NO排放因子隨車輛行駛速度變化顯著;

(3) 加速及勻速段,濃度對排放因子起主要影響;減速段,排氣量對排放因子的影響程度高于污染物濃度.高速道路,CO、NO主要受濃度影響,HC受排氣量影響較大.

(4) 不同行駛路況對污染物的產生具有極其重要的影響,其他外界條件相同時,路況越好,產生的污染物量越少.

參考文獻:

[1] 杜西嶺.汽車排放污染與控制[J].中小企業管理與科技(上旬刊),2009(8):271-272.

[2] 王岐東,姚志良,霍紅,等.中國城市輕型車的排放特性[J].環境科學報,2008,28(9):1713-1719.

[3] 賀克斌,霍紅,王岐東,等.城市輕型車實際道路瞬態排放特征[J].中國環境科學,2006,26(4):390-394.

[4] 高繼東.城市機動車道路排放因子和排放特性研究[D].天津:天津大學,2008.

[5] 胡友波,徐達.瞬態工況對車輛污染物排放的影響[J].汽車工程師,2009(9):23-25.

[6] 劉小波.深圳汽車行駛工況和污染物排放關系的測試研究[D].昆明:昆明理工大學,2007.

[7] 陳燕濤.車輛道路排放測試技術的研究[D].武漢:武漢理工大學,2006.

[8] 雷偉.武漢市道路輕型車輛行駛工況與排放特性研究[D].武漢:武漢理工大學,2007.

[9] 張鵬飛.輕型汽車行駛工況下車載測試[D].西安:西安建筑科技大學,2007.

[10] 劉侃侃.典型城市交通道路機動車排放CO污染特性研究[D].北京:北京林業大學,2010.

[11] 馬東,趙陽,梁賓.不同行駛工況下輕型汽車排放特性研究[J].北京汽車,2010(4):8-11.

[12] 李偉.典型城市道路機動車排放污染特征研究[D].北京:清華大學,2002.