城市交通环境下货运车辆燃油消耗与排放测算及模型构建

曾 勇，聂 斌

(1.武警后勤学院 军交运输系，天津 300309；2.蚌埠汽车士官学校 运输勤务系，安徽 蚌埠 233011)



城市交通环境下货运车辆燃油消耗与排放测算及模型构建

曾 勇1，聂 斌2

(1.武警后勤学院 军交运输系，天津 300309；2.蚌埠汽车士官学校 运输勤务系，安徽 蚌埠 233011)

针对城市货运车辆燃油消耗及排放问题，基于城市3种不同交通状态的划分，分别探讨各状态下的燃油消耗规律和测算模型，并引入各状态对应的车速、里程、交叉口平均间隔、综合百公里基本油耗等参数指标，实现货车燃油消耗和排放与城市交通状态有机结合。

城市交通；货运车辆；燃油消耗；排放

近年来，由于城市经济的快速发展及城市化进程的加快，城市交通量急剧增加。交通运输在为城市的经济发展带来生机的同时，其产生的能源与环境问题也给城市可持续发展提出了挑战。统计表明，交通能源消费在总能源消耗中的比例也在逐渐提高，已经占总量的大约1/3，而道路交通系统则占整个交通运输行业能耗总量的60%以上。尽管很多城市纷纷出台一些政策规定来限制市区内货车的运行，使城市货运交通能耗有所下降，但依然占有较大的比例，因此，研究城市交通节能减排，仍需重视货运领域的能耗问题。

目前专门针对城市货运能耗的研究很少，很多研究都是关于城市交通燃油消耗方面的。如隗海林等[1]应用车载油耗实时测试系统，对长春市交通进行了实时油耗测试试验，建立了平均速度下的油耗模型，主干路、次干路、支路的速度油耗模型以及基于加速度的瞬时油耗模型；张健等[2]探索了我国城市道路变速交通下的车辆油耗模型；唐阳山等[3]将车辆通过交叉口的整个过程分为怠速、启动、加速等工况，并对代表车型进行试验，探索了交叉口处车辆的燃油消耗规律；艾国和[4]分别运用油耗仪与碳平衡法在实验室内测定了试验车型在城市工况下的油耗，并用油耗仪测定相同情况下在试验场的油耗，进行了对比研究；彭美春等[5]以不同载质量的营运货车为试验车辆，采用车载测试方法，对营运货车道路运行油耗及碳排放因子进行了研究；郑天雷等[6]基于重型货车发动机试验数据和整车参数，对各型货车在不同质量、空阻系数等参数设定下的工况燃油消耗量进行了计算；高龙等[7]研究了北京市外地进京货车的污染排放贡献率以及超限超载带来的污染物排放增加情况。而通过检索发现，只有少量的文献在研究城市交通能耗时涉及到城市货运能耗问题。本文着眼于节能减排，在分析货车基本能耗前提下，分交通状态对城市货运能耗情况进行分析研究，以探索降低城市货运能耗、减少排放的对策措施。

1 城市货车各交通状态下的燃油消耗分析

城市的交通运行状况比较复杂，包括畅通、拥堵和交叉口排队等待多种交通状态。货车在城市运行时，各种交通状态下所对应的速度、百公里油耗以及行驶里程均不相同，并影响到货运燃油消耗量和城市环境排放。结合城市交通运行的实际情况，可将城市货车交通环境分为3种状态(如图1所示)，即交叉口道路状态、非交叉口道路低速行驶状态和非交叉口交通畅通状态，分别对应3种状态下的燃油消耗模型，实现货运能耗与城市交通状态的有机结合。

图1 根据车速和交叉口间距区分的城市货运油耗3种情况

1.1 城市交叉口道路货车燃油消耗预测分析

城市对于货运交通一般都有相应的禁限规定，货车主要是在中心市区之外运行，或是深夜才进入中心市区，尽管如此，城市交通特征还是会对油耗产生重要影响。在城市交通环境中，影响油耗预测模型的因素很多，如交通量、行驶速度、连接道路长度、交叉口类型等，为了得出单车燃油消耗的预测模型，首先须对油耗指标进行聚类分析，找出各油耗指标、影响因素指标之间的相关性，从中确定对油耗影响最大的几个因素进行分析。据现有研究，在市区，油耗主要受交叉口距离和实际速度影响。设城市交叉口情况下货车的百公里油耗为Qjc，以中型汽油货车EQ1090为试验车型，依据实测数据，得到的计算公式为[8]

Qjc=39.67L-0.14(1+28.12V-1.79)

(1)

式中：L为市区交叉口的平均间隔距离，m；V为货车在市区交叉口路段平均运行速度，km/h。其中，L的范围是(0，3 000)，V的范围是(0，50)。

如图2所示，对于中型货车来说，低速行驶或密集的交叉口均导致高油耗。

图2 考虑城市交叉口的中型货车百公里油耗情况

1.2 城市非交叉口道路货车低速行驶状态下油耗分析

在市区高速路、快速路、全立交道路以及市郊道路上，由于高峰车流较大而导致车辆低速行驶(V<50 km/h)，是影响其油耗的主要因素，此时稀疏交叉口(L>3 000 m)的影响已不显著，故将这一交通运行状态统称之为城市非交叉口道路低速行驶状态。根据已有的研究数据[1，9]，当试验车辆金杯SY6480型汽车处于均匀低速行驶时，其单位时间油耗随着车速是先减后增。通过对试验数据的分析，当车速小于20 km/h时，加减速比较频繁，车速相对不够稳定，所以在研究稳态下油耗变化规律过程中，只取车速大于20 km/h时油耗的变化情况，然后推广到车速小于20 km/h时的油耗。将单位时间油耗转换为百公里油耗，并进行曲线拟合(如图3所示)，得到油耗Qyd与速度V的关系模型为

(2)

图3 车辆均匀低速行驶时油耗与速度拟合曲线

1.3 城市非交叉口道路交通畅通状态下货车油耗分析

对应于城市非交叉口道路低速行驶状态，将车速≥50 km/h的交通状态归为交通畅通状态。

根据前面的研究分析，各指定速度(即40 km/h，50 km/h，60 km/h，70 km/h，80 km/h)下的综合(满载等速)百公里油耗，为评价车辆在此交通状态下的油耗情况提供了重要的参考依据。本文利用所有重型和中型货车在各指定速度下油耗的平均值，采用二次方程的回归分析结果(如图4所示)。设货车的行驶速度为V，通畅情况下综合(满载等速)百公里油耗为Qtc，回归方程为

Qtc=16.079 9-0.074 998V+2.596 8×10-3V2

(3)

式中V的取值范围为[50，110)。

图4 畅通情况下货车油耗与速度拟合曲线

1.4 城市货车3种情况下油耗模型的汇总

对城市货车3种情况下的油耗模型进行汇总，并采用当量燃油消耗的方法，对油耗模型按照指定标准车型进行转换，得到可应用于所有货车车型的油耗计算模型(见表1)。

表1 城市货车3种情况下的油耗模型

1.4.1 汽车当量燃油消耗

由于货车的车型比较多，为了便于进一步分析、推算和比较各型货车的燃油消耗，采用了当量燃油消耗的概念，即各种车型相对于某一指定车型的燃油消耗[9]。选定某一车型为基准车型，根据各具体车型货车的综合百公里油耗，即可计算出各具体车型相对于基准车型的当量燃油消耗。即

Ki=Qzi/Qzb

(4)

式中：Ki为车型i货车的当量燃油消耗；Qzi、Qzb分别为某车型i和指定车型的综合百公里油耗。

1.4.2 油耗模型汇总

如上文分析，依据不同的道路情况和运行速度，划分出3种城市货运交通状态。对于3种情况下所使用的试验车型，分别设定其综合百公里油耗，并依据相关文献或统计数据进行推算赋值。在初始油耗模型基础上，依据当量燃油消耗Ki对模型按照指定基准车型进行转换，可得到任意车型货车在该交通状态下的燃油消耗模型(见表1)。

2 基于3种状态的城市货车油耗和污染物排放量计算模型

2.1 城市货车燃油消耗综合计算模型

设车型i的货车年平均行驶里程为Si(km)，其中市区交叉口道路上的行驶里程占比Pjci，非交叉口道路低速状态下的占比Pydi，畅通状态下的占比Pcti(Pcti=1-Pjci-Pydi)，对应的平均运行速度为Vjci、Vydi、Vcti(km/h)，则车型i货车年燃油消耗量Ci(L)为

Ci=Ni(QjciSiPjc+QydiSiPydi+QctiSiPcti)/100=NiSi[Pjcif(Li,Vjci,Qzi)+Pydig(Vydi,Qzi)+Pctih(Vcti,Qzi)]/100

(5)

对于所有货车，年燃油消耗总量C(L)为

C=∑Ni(QjciSiPjci+QydiSiPydi+QctiSiPcti)/

100=∑{NiSi[Pjcif(Li,Vjci,Qzi)+Pydi

g(Vydi,Qzi)+Pctih(Vcti,Qzi)]}/100

(6)

所有货车的年均百公里油耗Q(L/100 km)为

Q=100C/∑NiSi

(7)

2.2 城市货运车辆污染物排放量测算模型

依据各型货车的污染物排放因子，结合城市交通运行状态数据，即可测算污染物排放量。设车型i在市区交叉口道路、非交叉口道路低速状态和畅通状态分别对应污染物j的排放因子为Ejcij、Eydij、Ectij(g/km·veh)，则车型i货车污染物j年排放量QEij为

QEij=Ni(EjcijSiPjci+EydijSiPydi+EctijSiPcti)

(8)

其中污染物j分别是指HC、CO、NOx。

根据式(3)，即可得到污染物j的年排放总量：

QEj=∑iNi(EjcijSiPjci+EydijSiPydi+EctijSiPcti)

(9)

车型i货车的所有污染物年排放总量：

QEi=Ni∑j(EjcijSiPjci+EydijSiPydi+EctijSiPcti)

(10)

货车污染物年排放总量：

QE=∑i∑jNi(EjcijSiPjci+EydijSiPydi+

EctijSiPcti)

(11)

3 模型实践应用

根据所建立的一系列回归模型和推理模型，对北京市货运车辆的燃油消耗及排放情况进行测算，在直接数据缺失的情况下，初步得到相应的能耗与排放情况。以2014年统计数据为例，重、中、轻、微4型货车分别为72 872、29 731、137 003、12辆，可见微型货车数量很少。

根据货车单车年平均行驶里程统计数据，按300个工作日计算，得到4型货车单车日平均行驶里程分别为153.4、126.7、109.7、105.7 km。依据北京市关于货车的禁限规定，如四环路(含)以内道路，6：00～23：00禁止载货汽车通行；五环路主路，6：00～22：00，禁止8 t(含)以上载货汽车通行；外省、区、市载货汽车在办理进京货运通行证后，准许每天0：00～6：00进入五环路(含)以内道路行驶等等，可分析出各型货车市内主要行驶区域，结合城市道路实际情况，进而得到4型货车对应的交叉口距离分别为1 069.8、713.2、696.1、630.5 m。依据北京各型道路不间断的实际速度测量值，可得到工作日各型道路各时间区段的平均速度(年平均值)，对于4型货车而言，交叉口道路的平均速度分别为31.7、35.7、39.6、43.6 km/h；非交叉口道路低速状态的平均速度分别为46.6、48.0、49.0、50.0 km/h；非交叉口道路畅通状态的平均速度分别为56.9、63.0、71.1、78.2 km/h。依据统计数据和测算模型最终得到的结果值见表2。

表2 北京市2014年货车燃油消耗和排放测算结果表

这一结果反映了城市货车燃油消耗和排放的基本规律，也对部分当前无法直接测量的指标给出了初步的测算值，为有关政策措施的制定提供了基本参考和决策依据。

4 结 语

本文通过划分城市货车运行状态，将燃油消耗与城市交通有机结合，有助于更真实、准确地反映城市货运油耗，并可从货车油耗和排放变化中反映出城市交通管理水平及效果。城市货运交通运输及其燃油消耗和环境排放是城市交通建设发展过程中必须高度重视的问题。随着各城市陆续出台一些有针对性的货运交通运输政策和规定，对于改善货运交通环境、提高燃油效率、推进节能减排，都具有重要的现实意义。

[1] 隗海林,王劲松,王云鹏,等.基于城市道路工况的汽车燃油消耗模型[J].吉林大学学报(工学版),2009,39(5):1146-1150.

[2] 张健,李江.变速交通流下的车辆油耗规律[J].吉林大学学报(工学版),2002,32(4):59-61.

[3] 唐阳山,张健,田国红.城市道路交叉口的车辆运行油耗研究[J].辽宁工学院学报,2004,24(1):68-70.

[4] 艾国和.典型城市道路车辆燃油消耗研究[D].武汉:武汉理工大学,2005:56-60.

[5] 彭春美,李嘉如,胡红斐.营运货车道路运行油耗及碳排放因子研究[J].汽车技术,2015(4):37-40.

[6] 郑天雷,金约夫,张晓龙.重型货车关键参数对油耗影响的模拟分析[J].天津科技,2015,42(4):24-27.

[7] 高龙,童亮.北京市超限超载货车污染物排放因子模型分析与建立[J].公路交通科技,2015(7):247-249.

[8] 王炜,项乔君,常玉林,等.城市交通系统能源消耗与环境影响分析方法[M].北京:科学出版社,2002:66-69.

[9] 高磊.基于城市道路工况的汽车燃油消耗模型研究[D].长春:吉林大学,2007:47-50.

(编辑：张峰)

Calculation and Model Establishment of Fuel Consumption and Emission of Freight Vehicles in City Traffic Environment

ZENG Yong1, NIE Bin2

(1.Military Traffic and Transportation Department, Logistics University of PAP, Tianjin 300309, China; 2.Transportation Service Department, Bengbu Automobile NCO Academy, Bengbu 233011, China)

To address the problems caused by fuel consumption and emission of freight vehicles in big cities, this paper, divides city traffic into three different states. The fuel consumption tendency and the calculation model under each state are discussed and the parameters like speed, mileage, average intersection interval and the basic fuel consumption of a hundred kilometers are introduced. This study is of practical value for the coordination between freight vehicle fuel consumption and the traffic in big cities.

city traffic; freight vehicles; fuel consumption; emission

2016-01-25；

2016-05-30．

曾 勇(1980—)，男，博士，讲师．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2016.11.011

U471.23；X734.2

A

1674-2192(2016)11- 0044- 05