CNG公交車道路排放與行駛工況相關性研究

王志強，張翠平，汪 洋，李阿午

(1. 太原理工大學機械工程學院，山西 太原 030024; 2. 中國汽車技術研究中心，天津 300300)

0 引 言

隨著汽車工業的迅速發展，機動車尾氣排放對我國城市環境造成了嚴重影響，同時持續不斷的能源需求也使得我國石油資源日益緊缺，目前石油能源對外依存度已經升至65.4%。因此，發展新能源汽車已經成為解決我國環境污染和能源消耗的一種重要途徑[1]。壓縮天然氣汽車（CNGV）作為新一代的清潔能源汽車，與傳統的燃油車相比，具有燃料成本低、環境污染小、安全性高等特點，能夠有效減少我國能源消耗和環境壓力。到目前為止，太原市已經將2 200余輛城市公交車完成了由傳統燃油供能到壓縮天然氣供能的轉型。因此，研究CNG公交車的行駛工況特點和排放特征對于太原市環境管理具有重要的意義。

對于公交車尾氣排放的研究，目前大多數科研單位通過發動機臺架試驗和運行簡易工況來實現，但這種方法并不能反映實際行駛路況下公交車尾氣排放特點。國外研究者De Vlieger等[2]采用VOEM車載排放測試系統進行實驗，實驗結果表明，道路類型和行駛狀態對車輛排放及油耗具有重要影響；美國加州大學Davis分校也證明了不同的駕駛方式對HC和CO排放量的影響比NOx要大[3]。我國自2004年引進車載排放技術以來，上海環境科學院[4]、清華大學以及天津大學等一些高校相繼對傳統燃油車輛尾氣的排放特點和影響因素進行研究，為發動機臺架排放實驗做了重要補充[5]。但國內專家學者針對于新能源車輛的研究比較少，僅限于彭美春[6]和高謀榮[7]分別對液化石油氣（LPG）和液化天然氣（LNG）車輛的尾氣排放特性進行的研究，而對于CNG公交車在實際道路上排放規律的研究目前仍然比較匱乏。

本次研究利用中國汽車技術研究中心提供的車載排放測試系統，選取太原市代表性路段進行實驗，以此獲得足夠的排放數據，從而得到相應的道路排放規律。旨在為太原市CNG公交車污染控制提供基礎數據。

1 實驗設計

1.1 行駛工況實驗方法

為能綜合反映太原市公交車在不同道路等級下的行駛特點，選擇了代表性路段上的1路、16路、17路、52路、57路、813路、809路等15輛公交車進行實驗研究，實驗周期為10 d。所選路段涵蓋了城市的快速路、主干路和次干路3種類型，基本能反映整個太原市城市道路特點。利用GPS全球定位系統逐秒記錄公交車行駛時的速度、加速度、里程等數據，反映太原市公交車行駛工況的特點。

1.2 尾氣排放實驗方法

1.2.1 實驗設備

尾氣排放實驗采用奧地利AVL M.O.V.E便攜式排放測試系統進行數據采集，該系統由AVL控制系統、氣體分析儀、廢氣流量計、環境傳感器以及GPS全球定位5部分構成。如圖1所示，排放測試系統可逐秒記錄汽車行駛時的速度、油耗、排放以及車輛位置（經緯度）等信息，從而完成車輛行駛工況數據和氣體排放數據的采集。氣體分析儀可對廢氣成分中 HC、CO、NOx、CO2、O2進行實時測量，其中HC、CO和CO2采用非分光紅外（NDIR）檢測法，NOx和O2采用電化學方法測量，測量準確度相對較高[8-9]。由于我國氣體排放標準中對CO2和O2排放濃度不作限制，因此本次實驗不對其排放規律進行研究。儀器在使用前后，都用標準氣體（英國Fitzpatrick Container公司）進行校準。

圖1 排放測試系統簡圖

1.2.2 實驗公交車選擇

選擇最具代表性的一輛在用813路CNG公交車進行車載排放實驗，整車型號為CKZ6127HN4，全長 12 m，整車總質量為 18 000 kg，實驗時加載質量為1 200 kg。發動機于2014年置換為CNG發動機，型號為WP7NG260E40，額定功率為191 kW，額定轉速2 300 r/min，該發動機配置氧化催化凈化器，車輛總行駛里程約為 130 000 km。

1.2.3 實驗道路的選擇

尾氣排放實驗道路由太原市城區快速路、主干路和次干路3部分組成[10]。如圖2所示，實驗公交車由下元公交公司出發途經迎澤大街、晉祠路、南內環街、平陽路、南中環街、龍城大街、太榆路最終到達大學城，車輛行駛有效道路總長度約88.3 km；其中城區快速路行駛距離約25.7 km，約占總里程29.11%；城市主干路行駛距離約32.4 km，約占行駛總里程的36.53%；城區次干路行駛距離為30.2 km，約占總里程34.2%。公交車緊跟隨車流行駛，并按公交車運行規律停靠站，基本能夠代表公交車實際運行情況。

圖2 尾氣排放實驗路線

2 實驗測試結果

2.1 公交車運行工況測試結果

實驗共采集到656 674組公交車行駛的有效數據，包括速度、加速度等特征參數，累計行駛里程達1 485 km。為描述公交車在實際道路上的運行規律，我們從測量數據中按照與整個周期平均速度相近的原則，提取一天的公交車行駛數據作為目標數據進行研究[11]。該測量日包含63 642組公交車行駛信息，將其中速度和加速度數據按區間劃分可得到相應速度-加速度分布圖，如圖3（a）所示。從圖中可以看出，實驗公交車在運行周期內加速度主要分布在–1～1 m/s2的范圍內，公交車行駛速度在0～70 km/h 范圍內變化，平均速度為 33.83 km/h，怠速時間比達到14.2%，加減速時間比分別為35.7%和24.5%。其中車速在0～20 km/h所占比例為38%，20～50 km/h 所占比例為 54%，在 40～70 km/h 所占比例為18%，說明公交車主要在中低速區間行駛，道路行駛條件不是特別順暢。

圖3（b）為尾氣排放測試時，公交車在行駛路況上的速度加速度分布圖，從統計結果中可以看出，加速區間主要集中分布在–1～1 m/s2的區間范圍內，車輛平均行駛速度為 30.2 km/h，車速在 0～20 km/h所占比例為37.5%，在20～50 km/h所占比例為43.7%，在50～70 km/h所占比例為18.8%。總體而言，尾氣排放實驗道路工況和所選測量日的行駛工況變化規律基本一致，說明公交車尾氣排放實驗時的道路工況基本能夠代表太原市公交車道路行駛工況的特點。

圖3 速度加速度分布情況

2.2 公交車排放測試結果

CNG公交車尾氣排放實驗中共獲得25 765條實時數據，其中包括速度、加速度、CO、NOx、THC濃度和發動機燃料消耗速率等參數。圖4中顯示了該公交車在實際道路行駛狀況下，車速隨時間的變化以及相應時間下尾氣中CO、NOx和THC濃度的波動情況。由圖中數據變化可知，CNG公交車的排放情況與其行駛速度密切相關，其中CO和NOx的排放濃度的變化情況基本和速度波動情況相對應，在低速和怠速時，二者排放濃度較低，隨著車速迅速提升，其相應排放濃度不斷升高，THC排放濃度在怠速和加速時升高，其他情況基本保持穩定。

3 實驗結果分析

3.1 公交車在實際道路上的基本行駛特征

圖4 實驗原始數據部分圖譜

根據GPS全球定位系統中公交車所處的位置數據（經緯度），將提取的公交車行駛數據按照城市快速路、主干路和次干路進行分類，并計算相應道路下的行駛特征值，最終所得結果如表1所示。從表中可以看出，公交車在城市快速路、主干路和次干路的平均車速分別為 59.8 km/h、32.8 km/h 和28.3 km/h，怠速比例分別為7.4%、23.3%和18.97%，說明太原市公交車的道路擁堵情況主要發生在城市主干路上。從表中還可以看出，太原市整個道路行駛工況中公交車加減速時間比例都比較高，說明了公交車行駛處于頻繁加減速狀態，這可能會對公交車燃料消耗和排放造成一定的影響。

表1 不同道路上公交車的行駛特征

3.2 速度加速度對公交車燃料消耗和排放的影響

圖5（a）為CNG公交車燃料消耗分布特征圖，從圖中可以看出，當行駛速度一定時，隨著加速度的增大，CNG燃料消耗速率基本呈遞增的趨勢。當公交車勻速和減速行駛時，燃料消耗速率相對較低；而當公交車在中高速區間（速度為30～70 km/h）加速行駛時，此時燃料消耗速率顯著提高并達到最大值24.5 L/h，約為平均值的4倍。可見避免公交車長期處于中高速加速階段行駛，可以有效降低燃料的消耗。

圖5（b）是CNG公交車CO排放特征圖，從圖中可以看出，車速對CO排放速率影響較小，CO高排放速率主要分布在公交車怠速和加速階段，尤其是在中高速加速行駛時CO排放速率較高，達到最大值0.16 g/s，約為平均排放值的3.2倍。這主要是因為公交車怠速時，過量空氣系數較低，氧氣含量較少，燃料未能充分燃燒從而使CO排放量相對較高，隨著車速和加速度的增大，過量空氣系數逐漸增大，氧氣含量升高，燃燒得到改善。但當過量空氣系數增加到一定值之后，由于此時空燃比較低使得燃燒不夠穩定，CO排放速率又迅速增大。

圖5（c）為CNG公交車NOx排放特征圖，從圖中可以看出，NOx的排放速率總體隨著速度和加速度的增大而呈現遞增的規律。在高速急加速時達到最大值0.472 g/s，約為平均排放速率的3.8倍，這主要是因為高速加速時過量空氣系數較低，氧含量較少，同時排放溫度較高也說明發動機燃燒溫度較高，這些都促進了NOx產生。

圖5 燃料消耗和污染物排放分布情況

圖5（d）是CNG公交車THC排放特征圖，從圖中可以看出，THC的排放規律和CO排放規律相似，高排放主要集中在低速加速區間，特別是當公交車由怠速狀態急劇加速時，THC排放速率迅速增加達到最大值0.053 g/s，約為平均排放速率的2.7倍。這主要是由于此時發動機中可燃混合氣體濃度較高，燃燒不充分，未燃盡的混合氣體隨著尾氣排放到空氣中，使得THC排放速率較大，之后隨著發動機中燃燒條件得到改善，THC的排放速率逐漸降低，當公交車在中高速加速行駛時，THC排放速率會略微增大，但不會超過低速加速區間的排放值。

3.3 不同行駛道路和工況下公交車的排放情況

為了進一步研究CNG公交車在太原市實際道路行駛過程中，其燃料消耗和污染物排放情況的變化特征，表2給出了被測CNG公交車在不同道路類型下百公里燃料消耗值以及所測得的污染物排放因子。從表中結果可以看出，被測CNG公交車在綜合道路上CO、NOx和THC的平均排放因子分別為3.44，9.54，1.89 g/km。在城市主干路上的CO、NOx和 THC的平均排放因子為 4.19，14.14，2.21 g/km，為快速路和次干路上相應污染物平均排放因子的1.33，1.95，1.35倍，在城市主干路上的燃料百公里消耗也明顯大于快速路和次干路道路上的燃料消耗平均值。這主要是由于城市主干路上公交車行駛比較擁堵，平均車速低，怠速及加減速時間比例高造成的。

表2 不同道路類型下燃料消耗和污染物排放情況

圖6顯示了被測CNG公交車在綜合道路上行駛時，不同行駛工況下CO、NOx和THC排放值以及燃料消耗值的平均貢獻率，從圖中可以看出，公交車在行駛里程近似相等的情況下，處于加減速狀態時，污染物排放比例和燃油消耗比例相對較高，其CO、NOx和THC的平均排放值為等速狀態下的1.34、2.78和1.60倍，燃料消耗為1.92倍，由此可見，頻繁加減速行駛會使公交車排放和燃料消耗都處于較高值。

圖6 不同類型工況對燃料消耗和污染物排放的貢獻率

4 結束語

1）太原市CNG公交車的平均車速為33.83 km/h，加速度主要在±1 m/s2范圍變化，最高車速為 70 km/h，怠速比例為14.2%，擁堵路段主要發生在主干路上，其平均車速為32.8 km/h，怠速比例達到了23.3%。尾氣排放實驗時的行駛路況和太原市綜合道路路況變化規律基本一致，因此能夠代表太原市實際道路行駛特點。

2）當CNG公交車以中高速加速行駛時，其燃料消耗速率、CO和NOx的排放速率將達到最大值，分別為整個行駛路況平均值的4，3.2，3.8倍左右，而當公交車由怠速狀態急劇加速時，此時THC的排放速率將達到最大值，為平均值的2.7倍左右，因此公交車行駛時，應該避免在這些區間內行駛，從而有利于節省燃料和降低尾氣的排放。

3）CNG公交車在變速行駛時，污染物排放比例和燃油消耗比例相對較高，其CO、NOx和THC的排放分別為等速狀態下的1.34、2.78和1.60倍，燃料消耗為1.92倍。當公交車怠速時，仍會造成一定量的燃料消耗和排放污染，故減少行駛工況怠速和加減速比例，有助于控制污染物的排放。

4）被測CNG公交車在太原市綜合道路上，其CO、NOx和THC的平均排放因子分別為3.44，9.54，1.89 g/km，在城市主干路上的 CO、NOx和 THC的平均排放因子分別是快速路和次干路上平均值的1.33、1.95和1.35倍，百公里燃料消耗也明顯增大，這主要是由于城市主干路上公交車行駛比較擁堵，公交車的長時間怠速和頻繁加減速造成的。可見加強太原市交通管理，保持公交車行駛路段暢通，對于控制CNG公交車燃料消耗和污染物排放具有重要意義。

5）本文由于時間和現實因素，僅對太原市CNG公交車的燃料消耗和污染物排放規律進行了分析和研究，也期望在實際應用中，為所有在用機動車和駕駛人員提供一定的借鑒和參考。