中圖分類號：U473.9

文獻標識碼：A

Study on Pollutant Emission Change Characteristics of Heavy Diesel Vehicles in Qingdao City

DING Xiaoyun1， ZHAO Hongl ，LUO Yong1 ，CHEN Junjie1 ， ZHANG Zeqian2（1.Collge of Mechanical and Electrical Engineering，Qingdao University，Qingdao 266071，China;2. Shenbang Intelligent Technology Group Co.，LTD.，Qingdao 266041，China）

Abstract：A thorough understanding of the pollutant emission characteristics of heavy-duty diesel vehicles is of great significance for the upgrading of the citys mobile pollution source monitoring methods. This study obtains the actual road emission data and driving condition data of heavy-duty diesel vehicles in Qingdao through remote monitoring methods. By using big data analysis techniques，the impact of specific power on the NO_x and CO₂ emissions of diesel vehicles was analyzed，as well as the temporal distribution characteristics of pollutant emissions. The results show that the contribution rates of NO_x and CO₂ pollutants under acceleration，constant speed， deceleration，and idle conditions decrease in sequence. Under uniform acceleration conditions，the emission factors of NO_x and CO₂ are relatively high in the low-speed condition range，slightly decrease in the medium-speed condition range，and continue to decrease in the high-speed condition range. Appropriately increasing the average driving speed of heavy-duty diesel vehicles can reduce their NO_x and CO₂ emissions. The pollutant emissions of heavy-duty diesel vehicles show a trend of being higher during the day and lower at night，with the peak emission period of NO_x and CO₂ being from 5：00 to 8：00 every day. Keywords： big data analysis；heavy-duty diesel vehicles；emission characteristics

近年來，城市空氣污染問題引起世界各國的廣泛關注，隨著中國機動車保有量的不斷增加，機動車排放帶來的城市空氣污染問題日益嚴重，已成為眾多學者探討的焦點。中國移動源環境管理年報（2023）[1]顯示，2022年中國機動車氮氧化物 （NO_x ）、一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、顆粒物（PM）排放量依次為 5.267× 10⁶t.7.430×10⁶t.1.912×10⁶t.5.300×10⁴t ，其中柴油車的 CO，HC，NO_x， PM排放量分別占機動車排放總量的 15.5%.8.9%.88.4%.99% 以上。國內學者對于重型柴油車排放已經進行了大量研究，劉宗昊等[2]采用恒定轉速法和自由加速法實驗研究重型車的 NO_x 排放規律，通過該方法測得的重型柴油車 NO_x 體積分數可靠性高，可用于快速檢測重型柴油車的 NO_x 排放。王志紅等[3]提出了一種模型預測重型柴油車實際道路 NO_x 排放特征，可用于車載 NO_x 傳感器的故障診斷以及重型柴油車 NO_x 排放的在線監管。吳春玲等[4]提出了一種排放評估模型，利用功基窗口法，識別車輛的排放變化和超標情況，并基于短行程重構PEMS（Portable EmissionMeasurement System）法，提出了車輛工況曲線重構，對監控國六標準重型柴油車的 NO_x 排放具有重要意義。PEMS在測量車輛實際道路 NO_x 和 CO₂ 排放方面具有較高的準確性，已被廣泛應用，但是由于PEMS設備的成本較高，安裝和運行耗費的時間較長，導致機動車數量較多時，PEMS測試難以發揮作用。為了更高效地完成重型柴油車的排放監測與管理，2018年頒布的《重型柴油車排放限值及測量方法（中國第六階段）》（GB17691—2018）[5]規定：自2023年7月1日起，重型柴油車應裝備遠程排放管理車載終端，并按照標準規定向汽車生產企業平臺和國家平臺逐秒傳輸車速、發動機轉速、 NO_x 濃度等數據。本研究以青島市為研究區域，基于大數據，引入機動車比功率，分析青島市重型柴油車 NO_x 、 CO₂ 實際道路排放特征，為制定機動車交通管控政策提供數據支持。

實驗與數據處理

1.1 實驗方案

試驗選用最大總質量為 4.5～12t，12～20t，20～30t，30～40t，40～50t，50t 以上的國VI重型柴油車各5輛。試驗車輛的后處理系統均采用典型國VI柴油車尾氣后處理技術，配備氧化催化器（DOC）、選擇性催化還原裝置（SCR）、顆粒捕集器（DPF）和氨逃逸催化器（ASC）以降低氨排放，試驗車況良好。試驗區域包括青島市區、市郊、高速路，每輛試驗車每天行駛 20km 以上。通過車載診斷系統（OBD）獲取重型柴油車車速、瞬時 NO_x 濃度、發動機轉速、發動機進氣量、瞬時燃料流量等運行數據，獲取頻率為 1Hz ，并將獲取到的逐秒運行數據發送至遠程監測平臺。

1.2 計算方法

1.2.1 污染物排放因子計算

1） NO_x 瞬時排放質量：污染物排放因子的計算需要 NO_x 瞬時排放質量數據，然而通過OBD只能得到污染物的瞬時濃度，因此需要將污染物的濃度單位轉換為質量單位，即

其中， E_NOx，i 為瞬時 NO_x 質量排放率， g/s;e_i 為 NO_x 排放濃度， ppm;ρ 為柴油密度，選取 0.85kg/L;f_Fuel，i 為燃料體積流量， L/h;f_Air，i 為空氣質量流量， kg/h 。

2） CO₂ 瞬時排放質量：通過車載診斷系統采集的車輛瞬時質量燃油流量計算 CO₂ 質量排放率

其中， E_CO2，i 為瞬時 CO₂ 質量排放率， g/s;η 為柴油機完全燃燒單位質量柴油轉換成 CO₂ 的系數3.1863，無量綱（即 1kg 柴油完全燃燒排放 3.1863kg 的 CO₂ ）。

3）污染物排放因子：通過污染物排放量計算污染物排放因子

其中， EF_（i） 為 i 種污染物的排放因子， g/km;R_i 為 i 種污染物的排放量， g/s;v 為車輛的行駛速度， km/h 。1.2.2VSP計算

機動車比功率（Vehicle Specific Power，VSP）是單位汽車總質量具有的發動機功率，表征了車輛在實際道路行駛時風阻、道路坡度、加速度、環境條件、車輛自身參數等多種因素對機動車尾氣排放的影響，與機動車油耗排放之間具有直接物理關系。

大量實驗表明，機動車的比輸出功率也能影響機動車排放量，但很難測算機動車的瞬時輸出功率，因此JIMENEZ[提出了一種基于VSP的機動車排放量分析法，可以測算機動車的逐秒比輸出功率，并使用不同比輸出功率區域內的排放量表示機動車排放量。該模型已應用于污染預警、排放特征分析、運行工況等方面[]，重型車VSP計算公式為

其中，VSP為車輛比功率， kW/t;M 為機動車質量， t;a 為機動車加速度， m/s²;θ 為道路坡度， %;g 為重力加速度；M'M ABC分別為道路負載系數，詳見表1。

2 VSPBin劃分

參考文獻[8]，根據車輛的車速以及加速度信息，將數據劃分為減速、怠速、勻速和加速3類，減速和怠速工況分別對應 Bin 1，Bin 2 區間。勻速和加速工況合并為勻加速工況，將車速數據按照 2km/h 間隔粒度進行整理，計算其累計頻率，進而計算中值車速，將 33±2% 中值車速、 66±2% 中值車速作為區間端點，計算得各端點分別為 26km/h.52km/h 。根據以上劃分方法，將青島市重型柴油車勻加速工況下，車速處于 0.5～ 26km/h 時定為低速工況區間， 26～52km/h 時定為中速工況區間， 52～110km/h 時定為高速工況區間，并計算勻加速區間車速分布頻率，圖1為車速區間劃分情況。

構建符合正態分布的VSPBin分組，將勻加速工況區間內的低速、中速、高速區間進行VSP正態分布劃分，并按照 0.5kW/t 的粒度將劃分結果進行正態分布擬合。擬合系數滿足正態擬合要求（不小于0.85）即可驗證該劃分方法的可行性，能夠更加準確的表征車輛實際輸出功率與排放之間的關系以及車輛運行工況，極大地提高了實際道路運行車輛工況的區分度，表2為VSP劃分方案。

3 排放特征分析

3.1 VSP分布情況

將青島市重型柴油車實際道路怠速、減速、勻速和加速工況的比功率數據進行整合，得到青島市重型柴油車實際道路VSP頻率分布見圖2。

由圖2可知，重型柴油車的VSP分布呈現明顯趨零集中特點，即當VSP在 0kW/t 左右時，行駛時間所占的比例最高，為 44% ；在 -12～12kW/t 區間內的數據占 99% ；在- -4～4kW/t 區間內的數據占 86% 1 ?0 kW/t 的數據占 91% 。

3.2 VSP與排放的關系

分析青島市重型柴油車實際道路的 NO_x 、 CO₂ 排放特征，計算得到減速工況下平均 NO_x 、 CO₂ 排放因子均為 0.3g/km 。結合表2，將通過遙感檢測和統計得出的 NO_x 排放因子和通過燃油流量測算得出的CO₂ 排放因子分配到相應的微觀運動模態Bin中，圖3為青島市內重型柴油車實際路況的 NO_x 和 CO₂ 排放量情況。

由圖3可知，重型柴油車低速、中速、高速區間的 NO_x 以及 CO₂ 排放因子的變化趨勢相同，即在低速區間 Bin3～Bin20） 內， NO_x，CO₂ 排放因子達到最大值，且整體排放因子較高，在中速區間（ Bin21～Bin34） （2內，整體 NO_x 、 CO₂ 排放因子具有明顯降低趨勢，在高速區間（ Bin35～Bin47 內，整體 NO_x，CO₂ 排放因子具有緩慢降低趨勢。

1） NO_x 排放特征分析。隨著車速的升高，不同VSP區間的 NO_x 平均排放因子逐漸降低，低速行駛工況區間為 0.52g/km ，中速行駛工況區間為 0.31g/km ，高速行駛工況區間為 0.07g/km 。造成這種變化的原因是，隨著車速的提高，發動機轉速升高、負荷增大，發動機缸內燃燒溫度升高，高溫條件有利于 SCR 的工作，提高了其對 NO_x 的凈化效率;同時，由于車速的升高，車輛在單位里程的工作時間減少， NO_x 排放總量減少，因此車輛的平均 NO_x 排放因子下降。

低速行駛工況區間 Bin3～Bin20） 內， NO_x 排放因子大體上呈現先快速增加后緩慢降低的趨勢，并且在Bin5區間內達到最大值 1.22g/km 。 NO_x 排放因子急劇增加的原因是發動機缸內混合氣濃度過濃或過稀，使柴油在發動機缸內燃燒不充分，燃燒條件變差，進而導致SCR凈化效率變低。中速行駛工況區間（Bin21～Bin 34） 內， NO_x 排放因子大致上呈現先增加后降低的趨勢，并在 Bin31 區間內達到最大值 0.61g/km 。此時 NO_x 排放因子增加的原因是車輛加速頻繁，加速時間長，發動機內局部溫度過高，排氣溫度低導致SCR工作效率低，使車輛的 NO_x 排放因子升高；高速行駛工況區間（B sin 35～Bin 47） 內， NO_x 排放因子隨VSP 的增加逐漸增加，在 Bin47 區間內 NO_x 排放因子達到最大值 0.21g/km 。

2） CO₂ 排放特征分析。隨著車速的升高，不同VSP區間的 CO₂ 平均排放因子逐漸降低，低速行駛工況區間為 1.02g/km ，中速行駛工況區間為 0.74g/km ，高速行駛工況區間為 0.52g/km 。造成這種變化的原因是，低速區間內排氣溫度較低，混合氣燃燒不充分導致 CO₂ 排放量較大。

低速行駛工況區間（ Bin 3～Bin 20） 內， CO₂ 排放因子沒有較大變化，在Bin19區間內達到最大值1.57g/km ，原因是隨著車速及發動機轉速增加，缸內混合氣燃燒趨于正常，但噴油量逐漸增大，空燃比減小， CO₂ 排放無明顯下降。中速、高速 （Bin 21～Bin 47） 行駛工況區間內， CO₂ 排放因子隨著VSP增加逐漸增加，在Bir ₁34，Bin47 區間內分別達到該工況最大值 1.13g/km，0.95g/km ，原因是車速及發動機轉速較高，過量空氣系數較小，混合氣的形成與燃燒時間縮短，導致碳原子完全氧化效率下降，此時噴油量同樣處于較高的水平，燃燒效率下降， CO₂ 排放增加。

3.3污染物排放時間分布特征

圖4為青島市重型柴油車污染物排放時間分布特征。由圖4可知，機動車 NO_x，CO₂ 排放量均呈現白天高、夜間低的態勢，與人們出行規律相吻合；污染物排放量均存在弱雙峰情況，但雙峰情況并不明顯，中間時段的排放量和高峰時期的排放量也比較相似。 時， NO_x 排放量達到最大值 87.87g;5：00～ 8：00 時， NO_x 排放量占日排放量的 28% 6：00～7：00 時， CO₂ 排放量達到最大值 170.13g ，并且 6：00～8：00 時， CO₂ 排放量占日排放量的 20% 。

3.4與其它研究結果的對比

本研究表明，重型柴油車在低速和低負荷工況下 NO_x 排放量較高，在高速時由于SCR凈化效率提高而降低，與呂立群等9的研究結論相符； CO₂ 排放量在低速和高負荷工況下最高，隨著車速和VSP增加先上升后趨于平穩，與許丹丹等[1°的研究結論相符。并且 NO_x，CO₂ 排放因子均滿足重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[5的要求。

重型柴油車VSP分布呈現明顯的趨零集中特點，與劉明等[11]的研究結論相符。然而，劉明等人的研究中VSP在 -5～5kW/t 區間內的數據占 71% ，本研究中VSP在 -4～4kW/t 區間內的數據占 86% ，VSP分布更集中，原因是受交通信號燈、道路擁堵、路況復雜等因素的影響，柴油車怠速、低速時間較長。

重型柴油車在低速、中速、高速區間的 NO_x 排放因子分別為 0.52，0.31，0.07g/km ，馮謙等[12]的研究中 NO_x 排放因子分別為低速0.3、中速0.1、高速 0.06g/km ，與本研究 NO_x 排放因子變化趨勢相同。然而，本研究中不同車速區間的 NO_x 排放因子更高，原因是青島市地形多為丘陵，部分道路坡度較大，發動機負荷增大。因此，后續應繼續開展相關排放測試研究，進一步評估青島市地形特點對重型柴油車污染物排放的影響。

4結論

本研究基于遠程監測建立了適用于青島市重型柴油車的微觀運行模態劃分法。青島市重型柴油車的VSP 呈現明顯的趨零集中特性;重型柴油車的污染物排放呈車速依賴性，加速、勻速、減速、怠速工況下 NO_x 和 CO₂ 的貢獻率依次降低，且低速工況區間的排放因子最高，隨著車速的增加，排放因子逐漸降低。污染物排放量呈現“白天高、夜間低\"的趨勢，污染排放的關鍵時段與城市交通早高峰時段重合。為改善青島市重型柴油車污染物排放的問題，建議通過錯峰運輸、智能物流調度等方式減少柴油車的低速工況時間，高污染時段（ 5：00～8：00 ）限制柴油車在市區內的運行，優化道路信號配時，減少重型柴油車在路口的怠速時間。

參考文獻

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