遥感法在机动车排放测试中的应用研究

郑 珑，葛蕴珊，刘 嘉，，刘志远

(1.北京理工大学，汽车动力性与排放测试国家专业实验室，北京 100081；2.北京市机动车排放管理中心，北京 100176)



2015027

遥感法在机动车排放测试中的应用研究

郑 珑1，葛蕴珊1，刘 嘉1，2，刘志远2

(1.北京理工大学，汽车动力性与排放测试国家专业实验室，北京 100081；2.北京市机动车排放管理中心，北京 100176)

为对北京市现行的遥感测试法规增设HC和NO限值提供参考意见，进行了遥感监测设备的静态标准气体对比实验、遥感准确度与车速相关性实验和BASM5024工况法对比实验，结果显示：遥感法静态标准气体测试准确度高，均值相对误差不超过5%；车速低于40km/h时，CO和HC的遥感测量值变化不明显，但随着车速升高NO遥测值有一定的下降趋势；与BASM5024工况法对比的结果表明，CO和NO的遥测值和工况值具有较强的线性相关性，而HC却没有。因此，经大量实验验证后可增设NO的排放遥感限值。

尾气排放；遥感监测；相关性分析

前言

机动车尾气遥感监测仪器作为一种快速监测技术，于20世纪90年代已经在国外得到了应用。由于它无须与被测车辆进行直接接触，故可在不影响机动车正常行驶的情况下对车辆进行动态监测，尤其对污染物排放严重的车辆的鉴别十分迅速，很好地补充了传统的汽车排放监管办法。当今遥感监测主要包括：对I/M计划的审计检查，重排放污染车辆的筛选，清洁车辆的豁免和防止高污染车辆进入城市的入境检查等[1-2]。

近年来，北京、广州、中山、大连、西安、杭州、南京等大中城市都已引进机动车尾气遥感监测设备并用于机动车污染的监测。但除了北京、广东、山东及安徽有相关地方标准作为执法依据外，绝大部分省市仍处于对遥感设备的试用及实验阶段。目前北京市实施的遥感测试法规仅有CO一项限值[3]，而车辆排放常规污染物有CO、HC和NO 3项，加之“十二五”计划对NO排放控制的要求，应对现行遥感法规进行修订，希望能够增加HC和NO，特别是NO的排放限值。本文中通过对遥感设备的静态标准气体比对实验、车速与遥感测量准确度实验及与BASM5024工况法对比实验来验证遥感法的准确性。为北京市地方标准的修订提供参考和借鉴。

1 遥感测试技术原理[4]

遥感测试技术基于比尔定律：

(1)

A(λ)=σ(λ)CL

(2)

式中：I(λ)为通过污染气体的透射光强度；I0(λ)为发射光强度；I(λ)/I0(λ)为透过率；A(λ)为吸收率；σ(λ)是标准气体状态下，与测量气体无关的分子吸收系数；C为吸收气体浓度；L为光程长度。通过对吸收率的测量可以反求出吸收分子的浓度。

汽车尾气从排气管中高压喷出后，立即被环境空气流所稀释，浓度发生较大变化，但其成份的比例变化不大。将CO2作为参比气体分别用QCO、QHC和QNO表示CO、HC和NO对CO2浓度的比率，即

QCO=CCO/CCO2

(3)

QHC=CHC/CCO2

(4)

QNO=CNO/CCO2

(5)

简化后的内燃机燃烧方程为

(6)

通过碳、氧和氮的平衡可以推导出燃料完全燃烧时CO2的排放浓度：

(7)

则有

CCO=QCO×CCO2

(8)

CHC=QHC×CCO2×104

(9)

CNO=QNO×CCO2×104

(10)

需要注意的是，遥感检测装置得到的HC排放浓度并非THC浓度，通常是按照标定仪器的标准气体的当量进行计算，常用的标准气体为丙烷和1，3-丁二烯[4-5]。遥控监测系统示意图见图1。

2 静态标准气体对比实验

本次实验采用的是安徽宝龙公司的BDH-1Z-1221遥感测试设备，向气体分配器中通入不同浓度的气体，用静态测试的方式对标准气体的浓度进行测量。比对实验所用标准气体浓度如表1所示。

由表2可以直观地看出，均值的相对误差最大也只有5%，且有7组数据的均值相对误差不超过1%。综合来说，CO和NO均值的相对误差小于HC。

表1 比对实验所用标准气体

表2 静态标准气体对比结果

3 车速与遥感准确度相关实验

由于遥感测量的高排放工况很可能只是某种特殊情况下的瞬时高排放，因而不能马上判定该机动车为高排污车辆。为了解决这种误判，业内广泛采用VSP(机动车比功率)来对遥感数据进行筛选鉴别。美国国家环保局推荐的VSP范围为0～20kW/t,以10～20kW/t为最佳[6];国内研究给出的推荐值为0～15kW/t[7]。然而VSP是一项与速度、加速度和坡度有关的量，实际遥感测量时都会要求在平直或者略上坡路段，均速或小加速通过遥感监测设备[8]，在实际操作过程中车速对VSP大小有着较大的影响。

将汽车正常排放的排气由橡胶管导向车顶排放，可避免车辆自身排放对遥感监测设备造成的影响。配有标准气的气瓶放在后备箱内，通过一个“伪排气管”排放标准气体。实验所用的设备为ESP公司的RSD4600遥感监测设备。此外，需要说明的是,受实验场地的限制，最高车速仅达到40km/h。实验结果如图2～图4所示。

由图2～图4可以看出，CO和CO2的测量结果中除个别可能的奇点外，总体结果的准确性较高。HC测量值均值与标准值有一定的差异，但测量结果相对稳定，随车速变化不大。而NO测量值则有随着车速增加呈逐渐下降的趋势。分析认为，这一变化趋势体现了随着车速升高，污染物浓度逐渐稀释导致测量误差增大。在当前遥感法规中并没有对车速提出明确的限值，建议在遥感法规的修订中限制车速的上限，限值有待进一步深入研究。

4 遥感法与BASM5024工况法对比

BASM5024工况法指的是稳定车速为24km/h的北京稳态加载工况法，测试时采用的是南华仪器有限公司的NHA-503废气分析仪。实验地点为北京市大兴区富多鑫天德检测场。

当车辆进行BASM工况法检测时，将遥感设备放置于检测车辆后方1～2m处，同步采得遥感值数据进行比对分析。BDH-1s仪器采用静态测试程序，设置系统每隔1s自动触发1次并记录数据。同时将车辆进入ASM工况采集数据的时间点进行记录以保证2套系统的同步性。而RSD4600设备并不具有静态测试的软件功能，因而每次只能靠人为地进行挡光触发。因而相对于BDH-1s设备而言，相同时间能够获得的有效数据相应要低一些。实验总共获得宝龙有效数据652辆车次，ESP有效数据478辆车次，共计1 130辆车次的有效数据。其对比结果如图5～图7所示。

为了对数据的线性相关性做出判断，本文中先通过对线性相关系数r的计算得出其线性相关强度，然后对具有极强线性相关的回归方程用T检验进行线性回归显著性检验，如表3所示。

表3 工况值(x)与遥感值(y)的线性回归分析

由表3可知，CO和NO的回归方程具有极强的线性相关，而HC的回归方程只有极弱相关或者不具有线性相关。分析认为，HC结果不理想是由于二者测量原理不同所致。在BASM5024工况法中，HC的检测原理为NDIR(不分光红外光谱吸收法)，而遥感法对HC的检测原理为UV-DOAS(紫外差分吸收法)，测量原理的不同造成了测量偏差：NDIR对THC中不同成分的响应时间各有长短； UV-DOAS对HC的测量用的是1，3-丁二烯标定，系统对1，3-丁二烯的响应较好，对其他种类的HC响应较差，而在机动车排气的HC污染物中，1，3-丁二烯又只占很小的一部分。此外，在光谱吸收中1，3-丁二烯的吸收谱线又没有明显的峰值，因而两种测量方法的结果相差较大。如果能改用在常规HC排放污染物中较为常见，而响应时间又较快的HC化合物来进行标定测量，应当能得到较好的结果。值得注意的是，由于在标定过程后，标准气体直接释放到大气中，也要求所选择的碳氢化合物对环境相对友好。

T检验结果显示tR>t0.025(n-2)，这表明：CO和NO的遥测值与BASM工况法值具有显著的线性(α=0.05)，可以进行二者之间的线性换算[9]。

5 结论

(1)遥感法静态标准气体对比结果准确度高，均值相对误差不超过5%。

(2)CO和HC的遥感检测结果随车速的变化相对稳定，NO遥感值在车速超过40km/h时有一定的下降趋势，造成测量误差。

(3)遥感法与BASM5024工况法对比，CO和NO测量结果的线性相关性较好，HC结果不理想, 经大量实验验证后可以增加NO的排放遥感限值。

[1] 农加进, 黄荣, 双菊荣.遥感测量在机动车排放调查和I/M 项目评估中应用的初步分析[J].广州环境科学, 2005, 20(4): 17-19.

[2] 周昱, 傅立新, 杨万顺, 等.北京市机动车排放遥感监测分析[J].环境污染治理技术与设备, 2005, 6(10): 91-94.

[3] DB11/318—2005燃式发动机汽车排气污染物限值及检测方法(遥测法)[S].北京：北京市环境装用点保护局，2005.

[4] 郭慧.城市机动车污染物排放的遥感测试及模型研究[D].杭州:浙江大学,2007:29-30.

[5] 邓南.机动车尾气遥测技术应用探讨[J].广州环境科学, 2011, 26(1): 25-29.

[6] U.S.Environmental Protection Agency.EPA420-B-04-010.Guidance on Use of Remote Sensing for Evaluation of I/M Program Performance[R].July 2004.:24-27.

[7] 曾君, 郭华芳, 胡跃明.机动车比功率在高排污车辆鉴别中的应用[J].环境科学学报,2008,20(4): 681-687.

[8] 黄新平, 黄荣.高排放车遥感筛选在台湾的应用[J].中国环境监测, 2006, 22(2):81-83.

[9] 周贤杰, 李新宇, 周贤波,等.遥感法与ASM5025工况法对照检测尾气排放[J].环境工程学报,2012,6(11): 4169-4172.

A Research on the Application of Remote Sensing to Vehicle Emission Measurement

Zheng Long1, Ge Yunshan1，Liu Jia1,2& Liu Zhiyuan2

1.BeijingInstituteofTechnology,NationalLaboratoryofAutoPerformanceandEmissionTest,Beijing100081；2.BeijingMunicipalVehicleEmissionsManagementCenter,Beijing100176

For providing references on adding HC and NO limits in current remote sensing emission measurement regulation of Beijing municipality besides CO, a static standard gas comparative experiment using remote sensing monitoring device, a correlation experiment between remote sensing measurement accuracy and vehicle speed, and a comparative experiment on exhaust pollution values between remote sensing condition and BASM5024 driving mode condition are conducted.The results indicate that the static standard gas measurement using remote sensing method has a high accuracy with the maximum mean relative error not more than 5%, and when vehicle speed is less than 40km/h, the emission values of CO, HC and NO have no obvious change, while NO shows a certain downward trend with the increase in vehicle speed.The results of comparative experiment between remote sensing condition and BASM5024 operating condition show that there are a rather strong linear correlation between two conditions for CO and NO, but not for HC, therefore it is appropriate to add NO emission limit in remote sensing regulation on the basis of validation by a large amount of experiments.

exhaust emission; remote sensing monitoring; correlation analysis

*原稿收到日期为2013年4月6日，修改稿收到日期为2013年7月22日。