汽車速度和加速度對不同尾氣排放的影響分析*

樊杰玉 陸 鍵 邢瑩瑩

(同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 201804)

0 引 言

機動車排放帶來的空氣污染已成為城市污染物的主要來源之一[1].中國環保總局公布空氣污染源所占比重：2015—2017年，機動車排放占空氣污染貢獻的20%～30%，部分城市甚至達到了30%～50%，城市空氣污染正在逐漸由“煤煙型”轉化成“尾氣型”[2].城市管理者亟待能夠有效減少交通排放污染的管理措施與手段，而這需要對機動車排放規律的精確解析與建模[3-4].為了預測不同的道路交通條件下機動車運行尾氣排放規律，國內外學者通過排放氣體檢測與分析，建立了各種不同的機動車尾氣排放模型[5].Scora等[6]開發出綜合型的排放模型(comprehensive modal emissions model, CMEM).該模型處理以秒為單位的瞬時加速度和速度下的尾氣排放量，評測道路交通運行中機動車的瞬時排放.Ahn等[7]建立了基于加速度-速度與尾氣排放的微觀統計模型，根據實測數據對每一類車輛的排放物用加速度-速度進行不同冪次的乘積組合，確定最佳擬合.Lyons等[8]在研究中進一步指出，僅憑速度、加速度來建立統計模型對特定車輛雖然有較好的擬合效果，但是沒有具體考慮到車輛行駛過程中的油耗排放原理.加州大學河畔分校環境研究與技術中心(CE-CERT)、國際可持續研究中心(ISSRC)和全球可持續體系研究組織(GSSR)共同開發了IVE模型(international vehicle emission mode1)[9]，便于發展中國家處理機動車排放模型.Joumard等[10]研究車輛行駛工況對排放的影響時指出，速度與加速度在各種排放模型中都是必不可少的組成部分.美國華盛頓特區公路運輸協會發布的Green Book[11]中規定，選擇速度和加減速作為油耗和排放的影響因素時，可以選擇最大行駛速度.國內對排放量的影響研究則主要用MOBILE模型[12]測試國內機動車污染物的排放量，宏觀反映機動車污染物的排放水平.杜青等[13]研究了機動車實際道路的排放因子分布特征及速度、加速度對排放因子的影響規律.王曉寧等[14]通過對CMEM中標準柴油卡車和公交車的異同點比較，修改了模型的速度-加速度參數、質量參數和傳動效率參數.郝吉明等[15]通過機動車尾氣排放分析了污染物對北京市環境的影響，研究表明北京市機動車的CO年排放分擔率達76.8%，NOx年排放分擔率達40.2%.王云鵬等[16]以長春市四種不同類型的道路實測數據為基礎，研究了不同等級道路行駛工況下，排放因子和速度對排放的影響.賀克斌等[17]利用車載排放測試系統檢測了8輛輕型車的實際道路瞬態排放，分析了加速度-速度與排放的數理規律.王海鯤等[18]利用車載排放測試系統在深圳市進行了輕型車車載道路排放測試，分析機動車運行工況對排放的影響.

在道路交通系統中，機動車排放模型主要集中在對加速度和速度的統計分析及查表確認油耗等方法，無法精確計算行駛工況下各種氣體排放物的排量，且對排放與道路條件、交通行為之間的研究有一定的局限性.現有研究在宏觀排放層面，主要分析了不同道路條件(坡度、車道寬度、車道功能劃分等)對汽車排放的影響；在微觀層面，則主要集中在對車輛工況(減速、加速、怠速等)的劃分研究、不同速度與加速度時汽車尾氣的排放速率、排放因子與比功率的擬合分析等方面.然而，速度和加速度對不同氣體排放物(HC，NOx和CO)的影響差異性及不同工況下不同排放氣體的比例構成部分差異性研究較少.行駛工況的確定是定量分析尾氣排放的基礎工作，速度和加速度作為行駛工況的重要影響因素，研究速度和加速度對排放物的影響有著重要意義，不同于已有研究只分析總體排放氣體與道路條件或行駛狀態的關系，本文通過車載設備，采用實地實驗收集了不同路域環境下各種排放氣體(HC，NOx，CO)的排放數據，分析了速度與加速度對HC，NOx，CO三種排放氣體的影響差異性以及不同行駛工況下這三種氣體的排放比例差異性，研究結果為建立針對不同排放氣體的排放模型提供了理論基礎和針對性排放控制提供科學依據.

1 實驗設計

1.1 PEMS尾氣排放檢測裝置

實驗中選取1輛2010年出產的大眾朗逸進行尾氣排放實驗，該輕型測試車重1 285 kg，汽油燃料排放標準為國IV，發動機排量為1.6 L.用OBEAS-3000便攜式排放測試儀對車輛行駛過程中的HC，NOx，CO的瞬時排放和車輛的速度、加速度進行連續檢測，通過儀器自帶的GPS系統獲得車輛準確的位置和速度，輸出車輛在不同時間、地點的瞬時排放氣體質量，反映速度-加速度與燃油消耗和機動車排放的關系，為路網運行效益提供輔助決策，測試儀器見圖1.

圖1 尾氣排放檢測裝置

1.2 實驗路徑

實驗路徑選擇山西省太原市小店區，測試車輛從康寧街與G208國道交叉口開始，經過G208(3 km)—S103省道(東西段2.4 km，南北段2.6 km)—康寧街(2 km)—昌盛西街(2.1 km)—通達街(2.2 km)，測試路段總長14.3 km.

利用實驗車和OBEAS-3000排放檢測裝置進行實地測試時，檢測數據以1 s為單位，主要檢測機動車在行駛過程中的GPS信息，HC，NOx，CO的瞬時排放數據及車輛行駛的瞬時速度、加速度，共測得數據7 268組.

1.3 數據預處理

實地實驗采集數據，出現的不可控因素較多，如設備故障、系統誤差等，會在一定程度上導致數據不準確，因此，在分析數據前，進行數據預處理，對不符合常理的數據應該剔除.先將數據進行曲線擬合，檢查數據的區間范圍，見圖2.在車輛行駛過程中，速度反復起落，基本覆蓋在0～90 km/h之間；隨著速度的變化，加速度在-5～5 m/s2區間內.對偶然數據失衡或不合常規(圖2圈內的數據)進行刪除處理.

圖2 速度和加速度分布

實地實驗采集數據時，在PC端可清晰顯示，車輛啟動時車速的變化與HC，NOx，CO排放的數據變化記錄有一定延時.為保證數據分析的準確性，進行氣體排放數據與時間的校準處理.車速與不同氣體實時記錄的變化見圖3.

圖3 排放數據與速度對齊

可知HC，NOx，CO三種氣體收集數據與行駛起始時間相比較，延遲時間分別為4，3，3 s.分析數據結果時，將HC，NOx，CO的排放數據隨著時間軸向后順延4，3，3 s，跟實際排放時間對齊，再進行數據結果分析.

2 結果分析

車輛行駛狀態可分為加速、勻速、怠速、減速.研究者一般根據儀器測試精密度，采用0.1 m/s2來定義加速、勻速、減速.由于汽車在不同駕駛狀態下，氣體排放規律有明顯的差異性，不宜混淆分析不同駕駛狀態的排放規律.因此，將在分析中區分減速過程和平穩或加速過程.區分加速度和減速度的方法設定為：加速度小于-0.2 m/s2且持續5 s以上為減速過程，加速度大于-0.2 m/s2且持續5 s以上為非減速狀態(平穩或者加速過程).

2.1 非減速過程中氣體與速度、加速度的相關性

首先分析了不同排放氣體與速度與加速度的相關性，對比分析了速度與加速度對不同氣體排放的影響差異性.為避免速度與加速度之間的交互關系對相關性結果分析的影響，采用偏相關分析法來解析單種因素對不同氣體排放的影響，分析結果見表1.

表1 非減速狀況下氣體排放與速度、加速度的相關性分析

注：相關系數為Pearson相關系數；**-在95%置信水平下顯著；*-在90%置信水平下顯著.

表1顯示在不考慮偏相關情況下，CO，HC，NOx與速度和加速度都顯著相關.CO排放速率與速度負相關但與加速度正相關.在剔除了自變量相關性的偏相關分析中CO與速度顯著負相關，但與加速度不顯著相關.該結果表明速度與加速度對CO排放速率的影響有交互作用；CO的排放速率會隨速度增加而降低，但與加速度沒有顯著相關性.HC排放速率在不考慮偏相關情況下，與速度和加速度均顯著正相關.但在偏相關分析中HC與速度顯著正相關，與加速度不顯著相關.該結果表明HC的排放速率會隨速度增加而增加，但與加速度沒有顯著相關性.相關性分析結果顯示NOx排放速率與速度和加速度都顯著相關.表明NOx的排放速率會隨著速度和加速度的增加而增加.另外，偏相關分析結果表明速度對不同氣體排放速率的影響程度從大到小依次為HC>NOx>CO.

2.2 減速過程中氣體與速度、加速度的相關性分析

減速過程的結果因為減速時加速度為負值，加速度值越大，實際減速度絕對值越小.分析了不同排放氣體與速度、加速度的相關性，對比分析了速度與加速度對不同排放的影響差異性.為避免速度和加速度之間的交互關系對相關性結果分析的影響，采用偏相關分析法來解析單種因素對不同氣體排放的影響,分析結果見表2.

表2表示在偏相關分析中，CO的排放速率與速度和加速度顯著正相關，該結果表明CO的排放速率會隨著速度和加速度的增加而增加.HC的排放速率與速度顯著正相關，與加速度顯著負相關，表明HC的排放速率會隨著速度的增加而增加，隨著加速度的減小而增大.NOx的排放速率與速度顯著正相關，與加速度無顯著相關性，表明NOx的排放速率隨著速度的增加而增加，但與加速度不顯著相關.偏相關分析結果表明速度對不同氣體排放速率的影響程度從大到小依次為HC>NOx>CO.

表2 減速狀況下氣體排放與速度、加速度的相關性分析結果

2.3 氣體排放比例和速度、加速度的關系

為區分速度、加速度與CO，HC，NOx排放相關性的不同結論，進一步分析了不同行駛工況下排放氣體之間的比例差異.首先速度和加速度劃分成不同的區間范圍.速度分為：低速度(v≤30 km/h)、中速度(30

速度與加速度組合3×3共有九個不同行駛工況.在計算比例時，因為不同氣體的摩爾質量不同，直接采用質量單位計算不合理，因此，將不同氣體單位轉化為mol/s.統計了九種不同行駛工況下各種氣體排放比例的中位值，得到結果見圖4.

圖4 不同行駛工況下氣體排放比例

結果顯示不同行駛工況下不同氣體的排放比例存在明顯差異性.速度和加速度處于不同階段時，CO和HC的排放比例有明顯差異，但NOx的比例變化較小.低加速度階段，低行駛速度狀況下CO的比例為19.0%，遠高于中速度(5.1%)和高速度狀況(5.0%)； 而HC的比例為79.5%，低于中速度(93.0%)和高速度狀況(93.3%).中加速階段，低行駛速度狀況下CO的比例為23.4%，遠高于中速度(11.2%)和高速度狀況(3.8%)；而HC的比例為74.0%，低于中速度(87.4%)和高速度狀況(94.4%).高加速階段，低行駛速度和中速度狀況下CO的比例為17.1%和19.9%，高于高速度狀況(7.2%)；低速度和中速度階段HC的比例為80.1%和77.2%，低于高速度狀況(90.8%).結果表明在CO 排放比例隨速度增加而降低，HC排放比例隨速度增加而增加.

低速度行駛階段，不同加速度狀況下，CO和HC排放比例無較大變化.中速度行駛階段，CO排放比例隨加速度增大而增加，依次為低加速度(5.1%)，中加速狀況(11.2%)和高加速狀況(19.9%)；HC排放比例隨加速度增加而降低，依次為低加速狀況(93.0%)、中加速狀況(87.4%)和高加速狀況(77.2%).高速度行駛階段，不同加速度狀況下，CO和HC排放比例無較大變化.結果表明在不同速度階段，加速度對CO和HC的排放影響規律不同.

3 結 論

1) 在非減速行駛狀況下，CO排放速率會隨速度增加而降低，HC的排放速率會隨速度增加而增加，加速度對CO和HC排放速率無顯著影響.NOx的排放速率會隨著速度和加速度的增加而增加.

2) 在減速行駛狀況下，CO、HC、NOx的排放速率會隨著速度的增加而增加；CO的排放速率隨著加速度的增加而增加；NOx的排放速率與加速度無顯著相關性；HC的排放速率隨著加速度的增大而減小.

3) CO排放比例隨速度增加而減少，而HC排放比例隨速度增加而增加.在中速度階段，CO排放比例與加速度正相關，而HC排放比例與加速度負相關；在低速度與高速度階段，CO和HC排放比例在不同加速度情況下無明顯變化.

4) 加速度與速度對不同氣體排放速率與排放比例的影響存在潛在交互效應.

研究結果顯示加速度與速度對不同氣體的排放速率與比例的影響存在明顯差異性，在針對不同排放氣體的排放模型建模中應注重該差異性.研究結果為進一步針對不同氣體的微觀排放模型建立提供了理論依據.