深圳市混合動力巴士污染物排放特性的實驗研究*

戴知廣 苗 領

(1.深圳市環境科學研究院，廣東 深圳 518022；2.深圳職業技術學院汽車與交通學院，廣東 深圳518055)

深圳市混合動力巴士污染物排放特性的實驗研究*

戴知廣1苗 領2

(1.深圳市環境科學研究院，廣東 深圳 518022；2.深圳職業技術學院汽車與交通學院，廣東 深圳518055)

利用高精度的車載排放測試儀，對使用同種發動機的普通柴油巴士和混合動力巴士進行城市典型道路工況下的排放測試，對比2種車型的污染物排放特征。通過對2種車型基于不同車速及比功率下的排放特性分析，發現混合動力巴士有效減少了CO和顆粒物(PM)的排放，CO、PM的排放量分別為普通柴油巴士的42.4%、28.7%；然而由于混合動力巴士的匹配控制系統相對復雜，車身總質量較大，導致其NOx、碳氫化合物(HC)排放明顯高于普通柴油巴士，NOx、HC排放量分別為普通巴士的167.5%、931.4%。

混合動力巴士 車載排放測試系統 行駛工況 排放特性

隨著全球機動車保有量的增加，機動車污染物排放對環境的影響受到各國政府和科研工作者的廣泛關注[1-4]。MANCILLA等[5]在墨西哥Loma Larga隧道內收集機動車排放的顆粒物，并對顆粒物進行元素分析，從而解析顆粒物排放的污染特征；KUHNS等[6]和MAZZOLENI等[7]利用遙感測試系統分別對拉斯維加斯的重型柴油車和輕型汽油車排放的污染物進行遙感測試，確定了污染物的排放因子，并對尾氣顆粒物和氣態污染物的相關性進行了分析。隨著對機動車排放污染物監測精度的要求越來越高，對于在實際道路中行駛的機動車，由于行駛路況的復雜性，很多測試手段不能有效檢測車輛實際排放情況，檢測結果無法滿足科研需求。車載排放測試系統(PEMS)因能實時測量機動車在實際道路行駛過程中污染物的排放情況，在科研工作中得到越來越多的應用[8-12]。

近年來，我國大力推廣新能源汽車，大量混合動力巴士投入到城市的公交運營中，然而目前很少有針對混合動力巴士排放情況的相關研究，因此很難判斷混合動力巴士在改善城市大氣環境中的效果。為此，本研究利用具有高精度的PEMS分別測試混合動力巴士和普通柴油巴士在深圳市內主干道行駛過程的實際排放情況，對比2種車型的污染物排放特征，為控制城市公共交通系統對大氣質量的污染提供基礎數據。

1 實驗設計

1.1 測試系統

測試系統主要包括3部分，分別是車載排放分析儀(SEMTECH-DS，美國SENSORS公司)、荷電低壓顆粒物撞擊器(ELPI+，芬蘭DEKATI公司)和車載尾氣流量計(EFM，美國SENSORS公司)。測試車輛發動機燃燒產生的廢氣通過連接管進入EFM，EFM中含有溫度傳感器和壓差傳感器，可以測量排氣的溫度和流量，并將數據傳輸給SEMTECH-DS；SEMTECH-DS中含有非分光紅外分析模塊(NDIR)、非分散紫外分析模塊(NDUV)和氫火焰離子檢測器(HFID)，可以對EFM取樣管中的尾氣進行分析，檢測出尾氣中CO/CO2、NO/NO2和總碳氫化合物(THC)的含量，SEMTECH-DS還可以收集安裝在車頂的溫濕度計和全球定位系統(GPS)中的數據，從而分析實驗環境下的溫度、濕度和車輛行駛速度。EFM中另一取樣管中的尾氣通過稀釋系統稀釋64倍后進入ELPI+，可實時檢測出車輛在行駛過程中排放的顆粒物濃度和粒徑分布情況。SEMTECH-DS通過無線網絡、ELPI+通過數據線與隨車筆記本電腦連接，可通過筆記本電腦上的軟件對測試系統進行操作，測試系統如圖1所示。

圖1 測試系統Fig.1 Test system diagram

本次測試車輛為混合動力巴士和普通柴油巴士，為深圳市運營公交中較為普遍的車型，具有很好的代表意義，測試巴士具體參數如表1所示。

表1 測試巴士的具體參數

1.3 實驗方法

采用道路工況法分別對混合動力巴士和普通柴油巴士在實際道路上行駛時的排放情況進行測試分析，行駛道路選擇深圳主干道——深南大道，該路段車流量大，橫穿經濟發達的市中心地帶，機動車尾氣排放對區域環境質量的影響深受關注。檢測路段從深南沙河立交開始，到上步路結束，全長約為15 km。

2 實驗結果

2.1 不同車速排放特性分析

采用區間統計的方法對排放數據進行分析，將車速以5 km/h進行劃分，分為0、>0～5、……、>55～60、>60 km/h共14個區間，將各區間分別標記為Q0，Q1，……，Q13，通過分析區間內4種污染物(CO、NOx、碳氫化合物(HC)、顆粒物(PM))的排放速率(以單位時間內的排放量計，g/s)和排放因子(以單位里程內的排放量計，g/km)的平均值來反映測試車輛的排放情況。

普通柴油巴士和混合動力巴士在不同車速區間的CO排放如圖2所示。由圖2可見，隨著車速的提高，普通柴油巴士的CO排放速率和排放因子波動較大，總體呈現出現先增加后降低的趨勢，中速區的CO排放高于低速區與高速區，這與國內學者在北京等城市對機動車的研究結果相似[13-15]，這是因為市區行駛工況下，機動車在中速區內的急加速工況較多，而在低速區和高速區，機動車的加速相對平緩導致。混合動力巴士的CO排放速率隨著車速的增加呈現遞增的趨勢，主要是由于混合動力巴士中的驅動電機參與混合驅動提供扭矩輔助，使得發動機能夠保持平緩加速，不會出現瞬間排放尖峰。其次，在Q12、Q13的高速區內，混合動力巴士的CO排放速率高于普通柴油巴士，這是因為混合動力巴士含有電池組，車身質量比普通柴油巴士高22%，而發動機功率相同，因此在高速區混合動力巴士負荷明顯高于普通柴油巴士，導致混合動力巴士的CO排放更高。混合動力巴士在初始起速階段柴油發動機參與輔助驅動，因速度較慢，所以在單位里程內累積的排放因子較高。隨著車速增加，排放因子逐漸降低并趨于平緩。

圖2 普通柴油巴士和混合動力巴士在不同車速區間的CO排放Fig.2 CO emission of conventional diesel bus and hybrid bus in different vehicle speed section

普通柴油巴士和混合動力巴士在不同車速區間的NOx排放如圖3所示。由圖3可見，隨著車速的上升，普通柴油巴士的NOx排放整體變化相對平緩。這是由于低速區內發動機的急加速工況較低，高速區的加速比較平緩，導致發動機燃燒室的溫度波動相對較小，NOx排放比中速區小。隨著車速的上升，混合動力巴士NOx排放的波動較大。在怠速階段(Q0)到起速階段(Q1)，混合動力巴士的NOx排放速率高于普通柴油巴士，這是由于在該車速區間內混合動力巴士部分急加速工況電機功率不足，發動機參與輔助驅動，瞬態負荷較大，燃燒溫度相對較高，導致NOx排放速率及排放因子較高。由于發動機要驅動電機給電池組充電，負荷比普通柴油巴士高，導致發動機燃燒室溫度升高，NOx排放也相應略高。在低速區Q2～Q5內，混合動力巴士采用純電動驅動模式，發動機只負責驅動發電機給電池組充電，而普通柴油巴士在低速區有較多的加速工況，因而混合動力巴士發動機燃燒室內的溫度相對較低，NOx排放明顯低于普通柴油巴士。在發動機開始成為混合動力巴士驅動力的初期(Q6～Q8)，NOx排放出現較高的峰值，可能是該車速區間內的車輛加速相對激烈而驅動模式的切換不夠平順導致。在高速區(Q9～Q13)，由于加速相對平緩，混合動力巴士的NOx排放相對下降，但仍然高于普通柴油巴士，這也是由于混合動力巴士和普通柴油巴士的發動機功率相同，而混合動力巴士總質量偏高造成。

第二，不是所有的學生都能成為大師并進入藝術史。而且能否進入藝術史之類的問題，也絕非靠繪畫而詩意棲居的很多學生輩畫家的遠大理想。面對修煉成佛這樣的主題，他們或許只想成為修行意義上的香客而非佛本身。如同我們不能要求所有的香客都成佛一樣，我們也不能奢望所有的學生都進入藝術史。當絕大多數學生都因為主客觀原因而不能進入藝術史時，我們應該給予他們充分的尊敬，同時主動調低自己的學術評論指數，矚目并祝福他們以藝術的名義而享有的和諧生活。

圖3 普通柴油巴士和混合動力巴士在不同車速區間的NOx排放Fig.3 NOx emission of conventional diesel bus and hybrid bus in different vehicle speed section

普通柴油巴士和混合動力巴士在不同車速區間的HC排放如圖4所示。由圖4可見，在14個車速區間，混合動力巴士的HC排放速率均高于普通柴油巴士。這是因為混合動力巴士在純電動驅動階段，發動機HC排放保持穩定。發動機參與驅動后，由于發動機功率與車輛總質量的匹配度遠不如普通柴油巴士，隨著車速的增加，燃燒逐漸惡劣，HC持續上升。

圖4 普通柴油巴士和混合動力巴士在不同車速區間的HC排放Fig.4 HC emission of conventional diesel bus and hybrid bus in different vehicle speed section

普通柴油巴士和混合動力巴士在不同車速區間的PM排放如圖5所示。由圖5可見，普通柴油巴士的PM排放在全部車速區間均高于混合動力巴士。這主要是由于普通柴油巴士加速過程相對激烈，燃燒更加不充分，排放出更多因未完全燃燒而生成的燃油和潤滑油微粒。混合動力巴士由于在低速區實施純電力驅動，較高的速度區間由發動機驅動電機實施加速階段的功率輔助，因而急加速工況較少，使得PM排放大幅度降低。

圖5 普通柴油巴士和混合動力巴士在不同車速區間的PM排放Fig.5 PM emission of conventional diesel bus and hybrid bus in different vehicle speed section

2.2 不同比功率排放特性分析

比功率即發動機牽引單位質量機動車所須輸出的瞬時有效功率。對基于不同比功率下的機動車排放特征進行研究，可以很好地反映不同質量的機動車輸出功率與排放的關系[16]。在此，本研究以不同比功率區間內污染物排放速率和排放因子的平均值作為對應區間的排放參數，以有效降低數據的離散性。比功率計算的經驗公式如下：

VSP=v×(1.1×a+9.81×arctan(sinθ+0.132)+0.000 302v3

(1)

式中：VSP為機動車比功率，kW/t；v為行駛速度，m/s；a為行駛加速度，m/s2；θ為道路坡度。

對比功率測試數據進行區間統計，以3 kW/t為間隔，劃分為<-10、[-10，-7)、[-7，-4)、[-4，-1)、[-1，1]、(1，4]、(4，7]、(7，10]、>10 kW/t共9個區間，并分別標記為N4、N3、N2、N1、Z、P1、P2、P3、P4，通過分析各區間內平均排放速率和平均排放因子來反映測試車輛CO、NOx、HC和PM的排放情況。

普通柴油巴士和混合動力巴士在不同比功率區間的CO排放如圖6所示。由圖6可見，在比功率負值區間(N1～N4)普通柴油巴士和混合動力巴士的CO排放基本穩定，CO排放速率及排放因子均處于較低水平。這是因為在該區間，測試車輛處于減速階段，普通柴油巴士發動機處于怠速工況，混合動力巴士處于怠速或帶動發電機進行充電的狀態，負荷相對較低而且穩定。而在比功率正值區間(P1～P4)，CO排放隨著比功率的上升而顯著增加，普通柴油巴士的CO排放增加尤其迅速。比功率能夠直接反映出機動車的負荷情況，負荷增加時發動機燃燒惡化，CO排放增加。混合動力巴士的負荷在急加速階段有一部分有驅動電機承擔，發動機只承擔混合動力巴士負荷中的一部分，因而CO排放較普通柴油巴士低。

圖6 普通柴油巴士和混合動力巴士在不同比功率區間的CO排放Fig.6 CO emission of conventional diesel bus and hybrid bus in different vehicle specific power section

普通柴油巴士和混合動力巴士在不同比功率區間的NOx排放如圖7所示。由圖7可見，在比功率負值區間，兩種巴士的NOx排放均基本穩定，在比功率正值區間，NOx排放隨著比功率的上升而增加，與CO排放情況相似，不同的是，混合動力巴士的NOx排放增加相對迅速，這是因為負荷增加使燃油供應相應增加，燃燒室內的溫度上升，NOx排放增加。在非急加速階段，混合動力巴士發動機驅動的質量更大，燃燒室的溫度更高，NOx排放超出普通柴油巴士。在比功率接近零的Z區間，此時車速較低，導致計算出的排放因子相對較高，出現突兀的峰值。

圖7 普通柴油巴士和混合動力巴士在不同比功率區間的NOx排放Fig.7 NOx emission of conventional diesel bus and hybrid bus in different vehicle specific power section

普通柴油巴士和混合動力巴士在不同比功率區間的HC排放如圖8所示。由圖8可見，混合動力巴士在9個比功率區間的HC排放均高于普通柴油巴士。相比而言，普通柴油巴士HC排放隨比功率的變化相對較小，這主要是由于混合動力巴士發動機功率與車輛總質量的匹配度可能不及普通柴油巴士，因此HC排放隨著負荷的增加更加明顯。

圖8 普通柴油巴士和混合動力巴士在不同比功率區間的HC排放Fig.8 HC emission of conventional diesel bus and hybrid bus in different vehicle specific power section

普通柴油巴士和混合動力巴士在不同比功率區間的PM排放如圖9所示。由圖9可見，普通柴油巴士在9個比功率區間的PM排放均高于混合動力巴士。這主要是因為普通柴油巴士加速過程相對激烈，燃燒更加不充分，排放出更多因未完全燃燒而生成的燃油和潤滑油微粒。混合動力巴士由于驅動電機在加速階段的功率輔助，因而急加速工況較少，降低了PM排放。

2.3 排放總量分析

在整個測試期間內，普通柴油巴士共排放CO 153.5 g、NOx95.4 g、HC 0.6 g、PM 9.9 g，在整個測試路段上CO、NOx、HC、PM的排放因子分別為10.2、6.4、0.04、0.7 g/km。

圖9 普通柴油巴士和混合動力巴士在不同比功率區間的PM排放Fig.9 PM emission of conventional diesel bus and hybrid bus in different vehicle specific power section

在整個測試期間內，混合動力巴士共排放CO 65.1 g、NOx159.8 g、HC 5.3 g、PM 2.8 g，在整個測試路段上CO、NOx、HC、PM的排放因子分別為4.3、10.7、0.35、0.2 g/km，分別為普通柴油巴士的42.4%、167.5%、931.4%、28.7%。

可見，混合動力技術能夠有效改善CO和PM的排放，李孟良等[17]的研究也得到了相同的結論，但其研究同時顯示混合動力技術也能改善HC和NOx排放。王領輝等[18]的研究表明，混合動力技術能夠改善CO和HC排放，而NOx排放略有上升。相關研究之間存在部分差異，可能是由于對比車型選擇的不同導致，李孟良選擇的對比車型總質量相差990 kg，王領輝的對比車型總質量相差1 400 kg，而本研究采用相同品牌的原型車和混合動力車，質量相差3 000 kg。

3 結 論

(1) 在不同車速區間，普通柴油巴士的CO、PM排放幾乎全部高于混合動力巴士，而HC排放則明顯低于混合動力巴士。混合動力巴士在純電力驅動的速度區間NOx排放低于普通柴油巴士，而在怠速區、起步區及高速區發動機驅動時NOx排放高于普通柴油巴士。

(2) 在比功率負值區間，普通柴油巴士和混合動力巴士的CO、NOx、HC和PM排放均相對較低而且穩定，而在比功率正值區間，都隨著比功率的增加而迅速上升。比功率在零附近的區間，混合動力巴士的NOx、HC排放因子出現較大峰值。

(3) 混合動力技術能夠有效改善CO、PM的排放，但HC和NOx排放卻高于普通柴油巴士，這與混合動力巴士的匹配控制系統相對復雜、車身總質量較大有關。

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ExperimentalresearchontheemissioncharacteristicsofhybridbusinShenzhen

DAIZhiguang1,MIAOLing2.

(1.ShenzhenResearchInstituteofEnvironmentalSciences,ShenzhenGuangdong518022;2.SchoolofAutomotiveandTransportationEngineering,ShenzhenPolytechnicInstitute,ShenzhenGuangdong518055)

The comparison of emission characteristics between a conventional diesel bus and a hybrid bus was carried out using portable emissions measurement system (PEMS) under city road driving cycle. According to the analysis of pollutants emission characteristics under different vehicle speed and vehicle specific power,results showed that the pure electrical start mode of the hybrid bus helped reduce the emission of CO and PM,accounted for 42.4% and 28.7% of conventional diesel bus respectively. However,the complex matching control and bigger total mass made the hybrid bus discharge more NOxand HC than the conventional diesel bus,which accounted for 167.5%,931.4% of conventional diesel bus respectively.

hybrid bus; portable emissions measurement system; driving cycle; emission characteristics

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.04.014

2016-12-10)

戴知廣，男，1974年生，碩士，工程師，主要從事環境工程和污染治理研究。

*深圳市科技研發資金資助項目(No.JCY20140702172114468)。