机动车排放污染的速度-加速度耦合影响分析

曲 亮,李孟良,高佳佳,高继东,赵彦琳,金陶胜* (.南开大学环境科学与工程学院,国家环境保护城市空气颗粒物污染防治重点实验室,天津 30007；.中国汽车技术研究中心,天津 3006)

据统计,自20世纪90年代末至今,我国汽车工业年均增长率高达20%以上,2009年汽车产量达1379万辆[1].机动车是城市中一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)等污染物的主要来源,尽管发动机技术在不断发展和完善,机动车尾气污染仍然是城市空气污染防治的主要控制对象[2].

研究表明,交通发达地区患有哮喘、肺炎等呼吸系统疾病人要远多于其他地区[3-4].此外,车辆的污染物对人体的神经系统、心血管、免疫系统和生殖系统也可造成不同程度损害[5-6].即使是与车辆排放的污染物短时间的高浓度接触,也会对健康产生不利的影响[7].因此,机动车排放的研究特别是车载排放测试已受广泛关注.

Nelson等[8]利用城市道路测试系统对澳大利亚六个不同等级的十二辆机动车进行了测试,并且分析和对比了在不同车辆型号、行驶工况和燃油等级的情况下车辆的排放情况.姚志良等[9]使用了PEMS对国2技术LPG轿车和汽油轿车的进行了实际道路排放测试,并且分析和对比了速度对于LPG 轿车和汽油轿车排放特征及排放因子的影响.贺克斌等[10]使用清华大学构建的车载排放测试系统测试了北京市的8辆轻型车的实际道路瞬态排放,并解析了速度、加速度与车辆排放的数理规律.王海鲲等[11]采用一套车载排放测试系统,对深圳市 7辆轻型车进了车载道路排放测试,并且分析了机动车运行工况对排放的影响,比较和计算各测试车辆的平均排放因子.

从上述研究可见,速度和加速度对于机动车排放污染都具一定影响,为了研究速度和加速度的耦合效应,本研究引入区间点概念,运用三维分析对三者间的关系进行分析.并且将三维分析中的各点对应的比功率(VSP)进行拟合,从而更清晰地反映出VSP、速度和加速度与车辆污染物排放率间的关系,以此来分析天津市机动车的速度,加速度和VSP对于机动车污染物质排放率的影响.

1 实验流程

本文研究对象主要是天津市的机动车排放的污染物状况,选取一辆运营期夏利出租车为研究车辆,采用HORIBA公司的OBS-2200车载测试系统对目标车辆在不同速度和加速度工况下的污染物(HC、CO和NOx)的排放率进行了实时监控,从而获得不同污染物质在不同速度和加速度的情况下准确的逐秒排放率,实验具体参数及方案见文献[12].对2006年4月3～7日的高峰期(17:00～18:00),平 峰期 (14:30～15:30)和低 峰 期(20:00～21:00)实验车辆的污染物排放率进行了测量,并检测到车辆的逐秒排放率数据.车辆在道路中行驶时始终遵循随车流而行的原则,并且尽量避免超车和急刹车等现象,实验车辆基本可以反映出车辆在天津市道路上正常行驶的状况.

2 实验结果

通过机动车车载排放测试系统的道路测试,得到试验车辆在试验路段的高峰期(17:00～18:00)的最高车速为73.38km/h,平均车速为19.07km/h;在平峰期(14:30～15:30)的最高车速为115.9km/h,平均车速为30.27km/h;在低峰期(20:00～21:00)的最高车速为82.58km/h,平均车速为25.27km/h.从图1可以看出,在这3个时间区间内,被测车辆的速度主要集中在0～70km/h,比率分别为99.5%、86.3%、98.8%;加速度主要集中在-1.5～1.5m/s2,比率分别为99.4%、97.3%、98.7%.

图1 不同时间内城市道路加速度与速度的点工况分布Fig.1 Distribution of the points of different kinds of speed and acceleration in busy time, common time and free time

3 分析与讨论

3.1 速度和加速对于污染物质排放率的影响

机动车的加速度和速度对于车辆的排放影响非常大,而在实际的道路行驶过程中,车辆的行驶工况也非常复杂.为了便于分析,将-1.5～1.5m/s2加速度范围内的加速度每隔 0.5m/s2进行分组,依次分为7个区间,再将10～70km/h范围内的速度每隔10km/h进行分组,依次分为7个区间,这样就产生了49个单元,每个单元代表其上、下、左、右4个方向上半个区间范围内的平均值.最终得到HC、CO和NOx的平均排放速率随速度和加速度变化的三维图(图2).由于车辆在城市道路中行驶,受路况影响,在速度较高时不能继续以高加速度行驶,考虑到安全因素,在速度较高时也没有急刹车情况,所以在高速高加速和高速高减速区间内数据是空缺的.本研究实际得到的实际单元点为40个,最终得到HC、CO和NOx的平均排放速率随速度和加速度变化的三维图(图2).

图2 加速度和速度与3种污染物排放率的关系Fig.2 Relationship between emission indexes (HC, CO and NOx) and different operating conditions

如图2所示,HC的排放率在加速度为1m/s2和速度为60km/h的工况下达到最大值0.0673g/s;CO的排放率在加速度为1.5m/s2和速度为40km/h的工况下达到最大值 0.706g/s;而NOx在加速度为1.5m/s2和速度为30km/h2的工况下达到最大值为0.0178g/s.3种污染物的排放率在加速度和速度较大时(速度高于 30km/h,加速度高于 0.5m/s2)的排放率呈现出偏高的趋势,特别是在加速度较大时(加速度高于 0.75m/s2),3种污染物质的排放率偏高的趋势更加明显.

3.2 车辆比功率对于污染物排放率的影响

机动车尾气排放受多种因素影响, 包括车辆自身情况、行驶状况、运行环境,譬如车龄、行驶里程和车辆保养情况、速度、加速度、路面状况、坡度、温度、负载等[13].为全面地分析各种因素对于车辆排放的影响和准确分析车辆的排放, Palacios于1999年提出了车辆VSP定义,并指出VSP是指瞬态的机动车输出功率与机动车质量的比值,这个参数适合于计算分析车辆的瞬态排放状况[14].

为了使比功率这一参数在实际中能够便于使用,通过对其中参数的简化处理后,U.S.EPA给出了方便用于轻型机动车的VSP计算公式[15]:

式中:v为车辆的速度,m/s;a为车辆的加速度,m/s2;slope表示道路的坡度,°.

本实验选取的道路为城市中平稳的主干道,所以坡度在本研究中可以忽略.根据式(1)计算出实验测试的速度与加速度所对应的VSP数值,结合图 2中的污染物排放率与速度加速度的关系找出VSP与污染物排放率的对应关系,绘制出车辆比功率与污染物排放率间的散点图(40个单元点),并采用合适的函数对数据点进行拟合(图3).

图3 HC、CO和NOx排放率与VSP之间的拟合关系Fig.3 Fitting analysis of emission indexes (HC、CO and NOx) and VSP

如图3所示,NOx的排放率的倍数随VSP增加的变化较大,所以拟合函数的斜率较大,特别是在VSP较高时,NOx的排放率呈现出了一定的跳跃性,说明NOx的排放率对于VSP的变化比较敏感.HC、CO的排放率的倍数随VSP增加的变化较小,表现为拟合函数的斜率较小,说明 VSP的变化对于HC、CO的排放率的影响比较平和.

HC、CO和NOx的排放率与VSP之间的拟合决定系数分别为0.71、0.86和0.85,拟合度普遍较高,3种污染物的排放率成比较明显的正相关关系,即随着车辆比功率的增加,车辆排放的污染物的排放率都会有不同程度的增加.由此说明VSP对车辆的污染物排放率有着较大的促进作用,两者之间的相关关系比较密切,VSP可以作为评价车辆污染物排放率的一个重要指标.这与雷伟等[16]对爱丽舍车的实时排放数据结论相接近.

由于资源有限,本研究并没有使用不同型号的车辆、燃油以及不同排量的发动机进行测试,并且测试的季节也比较单一,不能够完全反映出全年的排放情况.在将来的研究中,会着重分析各种不同型号的车辆和时间段内的排放率的情况,从而进一步完善这方面的研究.

4 结论

4.1 车辆在高速、高加速的工况下的污染物排放率普遍偏高.HC、CO和NOx3种污染物的排放率高峰时排放率分别达到0.0673、0.706和0.0178g/s,均集中在高加速度和高速(速度高于30km/h,加速度高于0.5m/s2)工况范围内.在低速、低加速度工况下(速度低于 30km/h,加速度低于0.5m/s2),HC、CO和NOx的排放率普遍偏低,平均排放率分别为0.0212、0.2336和0.00156g/s.

4.2 通过对VSP和HC、CO和NOx的排放率进行拟合显示,拟合函数的决定系数分别为0.71、0.86和0.85,拟合度较高.随着车辆VSP的增加,车辆排放的污染物质的排放率也会有不同程度的增加,两者成正相关关系,说明 VSP和车辆污染物排放率关系密切,VSP可以作为衡量机动车污染物排放率的重要参数.on-road vehicles in a freeway tunnel study [J]. Atmospheric Environment, 2009,43:4014-4022.

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