轻型汽车道路排放的车载实验研究

胡昌俊,高运川,许琳科,任盼盼

(1.上海师范大学 生命与环境科学学院,上海 200234; 2.郑州大学 综合设计研究院有限公司,郑州 450001)

0 引 言

随着城市人口的增长和经济的发展,城市机动车保有量迅速增加,截至2012年3月底,上海市汽车保有量达201.47万辆.由此带来了极大的城市交通压力和环境压力.汽车尾气污染已日益成为城市大气环境的重要污染源,北京市中心地区机动车排放对大气中CO、HC、NO的分担率分别为63.4%、73.5%和46%;上海市中心地区机动车排放对大气中CO、HC、NO的分担率分别为86%、96%和56%[1].车辆排放法规和控制措施的不断完善,使得研究城市道路汽车尾气排放的规律也成为大家关注的热点问题.

王岐东等[2]利用车载排放测试系统,采用VSP、ES、BN对轻型车瞬态排放的特征及影响机动车排放的关键因素进行解析,具体探讨了不同工况(加速度和速度)、发动机技术(化油器车与电喷车)以及车辆行驶里程对污染物排放的影响,为机动车排放控制和排放模型的建立提供基础.贺克斌等[3]利用车载测试系统对基于“排放增量”概念建立的用于轻型车瞬态排放数学模型进行了模拟验证,通过对比道路实测和模型模拟加速度与速度的瞬态排放特征,验证了该模型的正确性与可行性,等等.本文作者利用自行设计的车载试验系统,进行实际道路的排放测试,计算了车辆道路行驶各污染物的排放因子,同时利用回归方法研究了排气量与各污染物浓度对排放因子的影响.

表1 各测试项目量程及精度

1 实验仪器及路线选择

1.1 实验仪器设备

实验测试选用2.0 L排量的第一类轻型汽车.汽车尾气选用MEXA-584L分析仪(日本HORIBA公司生产)测定,动压由L型毕托管和DP1000-ⅢB微电脑数字压力计测定,数据记录由尼康D3100数码相机拍照记录.所用仪器测量范围及精度见表1.

1.2 实验过程

将预留孔的套管固定在排气管上,L型毕托管和尾气分析仪探头通过预留孔固定在套管内,分别连接压力表和尾气分析仪,完成测试系统的安装.确定行驶道路,按不同要求行驶测试车辆,间隔1～2 s由相机拍照记录数据.实验完成,进行数据的统计和分析.

1.3 排放因子计算方法

C=C·(B/M×10-6).

(1)

Pd=1/2ρ1V2.

(2)

Q=V×πr2.

(3)

m=C×Q.

(4)

由气体动态方程PV=nRT,可得:

P1V1/T1=P2B/T2.

(5)

热力学温度T=t+ 273.15.可得:

B=P1V1T2/P2T1.

(6)

t温度下混合气密度:

ρ1=ρ混V1/B.

(7)

公式中(内导-污染物CHO、CO、HC)瞬时排放质量浓度数，单位为mg/m3;M为被测物质的分子量;B为被测气体的摩尔体积;Pd为尾气动压;ρ混为标准状态下混合尾气密度,取1.2 kg/m3[4];Q为瞬时排气量,单位为m3/s;r为套管半径,值为2.5 cm,m内导-污染物瞬时排放量,单位为g/s;取P1=P2均为一个标准大气压;V1取标况下气体摩尔体积22.4 L.

2 实验结果与讨论

2.1 测试车辆加减匀速段的排放规律

瞬态工况下由于燃油和空气供给速率的瞬时变化,导致各污染物浓度变化明显,且车辆有害排放物的40%～80%来自瞬态工况,因此用车辆瞬态工况下获得的排放数值来反映实际情况的排放状况就显得尤为重要[5].测试车辆加减匀速段各污染物浓度、排气量见表2.

表2 加减匀速各污染物平均浓度、平均排气量和平均过量空气系数

实验加速段CO与HC平均浓度最小,NO最大;匀速段CO与HC浓度均呈现大幅度增长,NO浓度大幅度降低;减速段CO浓度一定程度降低,HC浓度一定程度增加,NO浓度小范围降低.

气缸内混合气的形成和充气受曲轴转速强烈影响,加速工况下车辆曲轴角度大,使得局部混合气混合不均匀;同时,节气门的快速开启对混合气的温度和压力施加影响,加剧了气体的混合不均匀性.而CO、HC的产生主要源自于混合气的不完全燃烧,加速时车辆需要增加燃油以提供加速所需动力,λ变小,进而导致CO、HC浓度的增加,这在刘小波等[6]研究中得到证实.由于实验路段较短,所以采取高速行驶时强制减速方式减速.强制减速段节气门关闭,由表2可知此时气缸内进气不足,使得燃烧室部分地区由于混合气过稀或缸内残余废气系数过高而不能燃烧,出现断火[7],此种情况会导致HC浓度剧增.此外HC排放具有一定得延迟性,尾气取样管中气流被堵塞,造成气体分析仪动作延迟,导致排放数据与发动机数据的不同步[8].此二者是HC在匀速段及减速段维持较高浓度且在λ小幅度变大时减速段浓度高于匀速段的原因.

表2显示,在匀速及减速段为浓混合气,有利于NO的还原,所以相较于加速段,NO浓度降低.NO的产生强烈依赖温度,当车速较高时,气缸内温度较高,NO生成迅速,减速时气缸内温度降低,NO浓度迅速下降.匀速段NO浓度高于减速段,原因可能在于反应温度和滞留时间没有出现同步性.

HC大量产生于匀速段,NO和CO主要产生于加速段后期及匀速段,减速段各污染物排放速率均处于最小值.加速及匀速时排气量都处于高较值,减速段排气量急剧降低.据张鹏飞所做相关研究[9],匀速突然减速,会使供油停止,燃烧温度降低,导致HC排放出现异常的增加,而CO排放则不出现此规律.但是低速时λ较小,燃烧很不充分,使得大量未燃混合气排出,而且汽油中的HC化合物经过不完全燃烧产生了许多CO,导致CO浓度较高.刘侃侃、马东等[10-11]通过探讨不同行驶工况下汽车排放特性发现,CO与HC在低速工况下,排放量均较高;中高速工况下排放量均较低,且CO排放量随车辆平均速度的增加而降低的趋势大于HC.因为所测数据是同时所测,瞬时排气量均相同,因此认为混合气的状态(浓或稀)对CO影响程度高于HC.CO出现很大的浓度值,可能与实验场地有关.在加减匀速实验中,所选场地末端有3°左右的坡度,坡度对CO的排放会产生很大的影响.据国外研究发现,道路坡度每增加1°会使CO排放增加3.0g/mile[12].加减匀速段,HC、NO、CO瞬态排放速率变化见图1.

图1 HC、NO、CO不同工况排放变化

2.2 高速道路测试车辆的排放因子

排放速率为受排气量、污染物浓度两自变量影响的因变量.测试车辆高速道路行驶排放因子值见表2.

以《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ阶段)》中各污染物限值为标准,本实验车辆CO、

表3 高速道路的排放因子 (g/km)

HC、NO排放限值分别为1.00、0.10、0.08 g/km.实验中NO、HC排放因子满足限值,CO超出限值0.47 g/km,超出47%.至于CO超标而HC、NO满足限值,笔者认为应该与具体行驶过程中的其他因素,如催化剂的活性成分、司机驾车习惯、道路交通流量有关,需进行进一步探索.

2.3 污染物浓度、排气量对排放速率的影响程度分析

因排放速率由污染物浓度与排气量共同决定,因此研究同步情况下,不同行驶阶段,不同行驶路况下污染物浓度及排气量两自变量对排放速率这一因变量影响程度大小就显得具有重要的实际意义.

由表2,车辆NO、CO、HC在加速、匀速、减速工况下浓度比值为1.6∶1∶1、1∶5.5∶4、2.9∶1∶1.2;加速、匀速、减速工况下排气量比值为6.6∶6.1∶1;计算得相应阶段排放速率比值为14∶7∶1、2.3∶7.7∶1、2∶5.5∶1,加速及匀速段车辆排气量相当,减速段排气量急剧下降.减速段各污染物浓度没有剧烈变化,相较于加速及匀速段,排放速率变化剧烈,因此减速段排气量对排放因子的影响程度高于污染物浓度.加速及匀速段高排气量、高排放浓度导致高排放速率.鉴于加速、匀速阶段排气量大致稳定,而各污染物浓度增加或减少幅度变化剧烈,从而导致排放速率的显著变化,因此在加速及匀速段,浓度对排放因子起主要影响.

高速排气量分布稳定,平均排气速率0.035 m3/s,小于加速、匀速相应值.瞬时排气速率0.03 ～0.04 m3/s所占比例最大,达到33.8%;其次为0.01～0.03 m3/s 的32.8%;0.06 m3/s以上所占比例最小,仅为10.1%.这是因为高速道路路况好,车辆行驶稳定,除却短暂加速和减速,匀速比例高,此种情况为研究排气量与浓度对排放因子影响程度提供了方便.

图4分别为CO排放速率与浓度、HC排放速率与排气量、NO排放速率与浓度之间相关性分析.

图2 CO排放速率与浓度显著相关分析

图3 HC排放速率与排气量显著相关分析

图4 NO排放速率与浓度显著相关分析

实验共选取样本数据249个,因为各数据的实时变化,自变量与因变量之间不存在正态分布关系,制图所设置显著性可信度为0.005.

由图2、3、4得,CO浓度与排放量相关系数为0.687 2,HC瞬时排气量与排放量相关系数为0.6489,NO浓度与排放量相关系数为0.832 5.CO、NO排放量与瞬时排气量、HC排放量与浓度相关系数较小,分别为0.142 5、0.195 7、0.334 7.相关系数与相关性强弱之间的关系:r≥0.8为强相关,0.3≤r≤0.8为弱相关,0≤r≤0.3为错相关.对比上述相关系数,可知:CO浓度与排放量呈弱相关,HC瞬时排气量与排放量为弱相关,NO浓度与排放量呈强相关,即显著性相关.相同条件下,瞬时排气速率对于CO、NO、HC均为同一数值,因此所得数据利于与所得结论进行比较.

综上所述,车辆在高速道路行驶时,CO、NO排放速率主要受浓度影响,HC排放速率则受排气量影响较大.究其原因,CO与NO浓度变化较为剧烈,HC浓度变化平缓,这与对高速道路行驶排放因子与浓度关系的研究相一致.

3 结 论

由实验可以得出,车辆行驶过程中具有以下特征:

(1) 加速及匀速阶段,CO、NO浓度高,减速阶段HC浓度高;加速、匀速段排气量大,减速段排气量骤降;

(2) 高速道路排放因子较低,HC及CO排放因子在低速加速和高速减速段变化明显,NO排放因子随车辆行驶速度变化显著;

(3) 加速及匀速段,浓度对排放因子起主要影响;减速段,排气量对排放因子的影响程度高于污染物浓度.高速道路,CO、NO主要受浓度影响,HC受排气量影响较大.

(4) 不同行驶路况对污染物的产生具有极其重要的影响,其他外界条件相同时,路况越好,产生的污染物量越少.

参考文献:

[1] 杜西岭.汽车排放污染与控制[J].中小企业管理与科技(上旬刊),2009(8):271-272.

[2] 王岐东,姚志良,霍红,等.中国城市轻型车的排放特性[J].环境科学报,2008,28(9):1713-1719.

[3] 贺克斌,霍红,王岐东,等.城市轻型车实际道路瞬态排放特征[J].中国环境科学,2006,26(4):390-394.

[4] 高继东.城市机动车道路排放因子和排放特性研究[D].天津:天津大学,2008.

[5] 胡友波,徐达.瞬态工况对车辆污染物排放的影响[J].汽车工程师,2009(9):23-25.

[6] 刘小波.深圳汽车行驶工况和污染物排放关系的测试研究[D].昆明:昆明理工大学,2007.

[7] 陈燕涛.车辆道路排放测试技术的研究[D].武汉:武汉理工大学,2006.

[8] 雷伟.武汉市道路轻型车辆行驶工况与排放特性研究[D].武汉:武汉理工大学,2007.

[9] 张鹏飞.轻型汽车行驶工况下车载测试[D].西安:西安建筑科技大学,2007.

[10] 刘侃侃.典型城市交通道路机动车排放CO污染特性研究[D].北京:北京林业大学,2010.

[11] 马东,赵阳,梁宾.不同行驶工况下轻型汽车排放特性研究[J].北京汽车,2010(4):8-11.

[12] 李伟.典型城市道路机动车排放污染特征研究[D].北京:清华大学,2002.