基于VSP的国V公交车气体污染物排放研究

邹 强

(广西玉柴机器股份有限公司，玉林 537005)

基于VSP的国V公交车气体污染物排放研究

邹 强

(广西玉柴机器股份有限公司，玉林 537005)

针对满足国V排放标准的公交车，使用瞬时比功率(VSP)方法对其气态污染物的排放量进行了分析,对比了不同排放标准的公交车气态污染物排放特点，实验结果表明： CO排放速率均随VSP增大而升高，不同排放阶段公交车之间的差异不明显；国V阶段公交车的THC排放速率均略低于国III和国IV阶段公交车；NOX排放速率随VSP增大而升高，其中国III阶段公交车升高幅度最大，国V阶段公交车NOX排放随车速的增加略有降低，国IV阶段公交车随车速的增加降低较为显著.

国V公交车;瞬时比功率;气体污染物;排放

近年来，随着城市公共交通的快速发展，公交车数量不断增加.但是，由于汽车保有量的增加，汽车也给人们的社会生活带来了一些负面影响，其中较为突出的便是机动车排放污染物对环境的破坏.这些排放污染物主要包括：一氧化碳(CO)、碳氢化合物(THC)、氮氧化合物(NOX)等.因此，我国不断推出新的排放法规，以控制机动车污染物排放量的增长.北京市已经率先执行国V阶段的排放标准，由于在正常行驶过程中公交车的实际车速较低，使得排放后处理装置不能处于最佳的工作状态[1]，因此有必要对国V公交车在实际道路行驶中的污染物进行研究.

1 试验方法与车辆信息

1.1 试验方法

论文采用车载排放测试方法(Portable Emission Measurement System，PEMS)，即在实际道路上，根据设定的工况，对所研究的公交车进行实际道路排放测试，如图1所示.车载排放测试系统应用便携式尾气检测技术，通过将车辆排气管直接与车上的测量气体污染物和颗粒物的设备装置连接，对车辆尾气进行直接采样，实时测量车辆在行驶过程中各污染物的体积浓度和排气流量，进而计算出气体污染物和颗粒物的质量排放量，如排放因子.运用此方法进行测试能够更好地反映车辆在实际道路行驶时的污染物排放状态，能够方便快捷地获得不同车型、不同道路类型、不同时间段、不同交通状况下的排放污染物数据[2].

图1 车载排放测试系统图

PEMS系统主要由SEMTECH-DS气体排放分析仪、静电低压撞击器(Electrical Low Pressure Impactor，ELPI)、排气流量计、温湿度计以及GPS等组成.

SEMTECH-DS气体排放分析仪用于测量排气中CO2、CO、THC和NOX等气体污染物浓度，仪器分别采用不分光红外分析法(NDIR)测量CO和CO2污染物，加热型氢火焰离子检测器(HFID)测量THC污染物，不分光紫外分析法(NDUV)测量NO和NO2污染物.

ELPI用于测量排气中颗粒物的数量、质量和粒径分布. 其结构主要由串级冲击式采样器、点管式几何电晕充电器和多通道静电计3部分组成.

GPS用于记录公交车行驶的速度和车辆运行路线轨迹的经度、纬度和海拔高度信息；温湿度计用于测量大气环境中的空气温度和湿度，并以此参数为依据，修正SEMTECH-DS采集到的各气体污染物浓度数据；排气流量计用于实时测量记录公交车排气管排出的尾气流量和温度[3].

1.2 数据分析

以速度数据作为基础，再综合考虑加速度、风阻、道路坡度等多种因素，可以计算出车辆的瞬时比功率(Vehicle Specific Power, VSP)[4].VSP这一用以表征机动车污染物的概念最早是由JL Jimenez-Palacios于1999年提出的，该参数的计算见式(1)，包含了速度、加速度、坡度、风阻系数等多种参数，是车辆瞬时功率和车辆质量的比值.

(1)

式中:VSP为机动车比功率，kW/t；v为机动车行驶速度，m/s；a为机动车行驶加速度，m/s2；g为重力加速度，m/s2；φ为道路坡度；CR为轮胎滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；A为机动车前迎风面积， m2；m为机动车总质量，kg.

通过计算VSP数值的大小，可以将VSP划分区间，这些区间将机动车的行驶状态划分为若干个BIN，每个BIN可以对应计算出机动车的平均排放水平.通过式(1)计算出公交车每秒钟对应的VSP数值，根据VSP数值的大小，将全部测试数据分为大致相等的6个区间，对每个区间内的污染物排放速率求平均值.VSP区间划分如表1所示.

表1 VSP区间划分

1.3 车辆信息

实验所用车辆信息如表2所示.

表2 车辆信息

2 结果分析

2.1 CO排放特征

使用VSP划分区间的方法对选取的6辆公交车数据进行分析，不同排放阶段柴油车CO排放速率随VSP变化如图2所示 .

CO排放速率来看，所有车辆的CO排放速率均随VSP增大而升高主要是由于随VSP增加，车辆行驶逐渐变为高速、高加速度状态，发动机需要提供更多的空气和燃油来保证发动机的动力输出，驱动车辆行驶，所以在单位时间内排出的CO污染物会随VSP增大逐渐增多.

图2 不同排放阶段柴油车CO排放速率随VSP变化

6辆公交车基于CO2的CO排放均随车速和VSP升高逐渐升高，主要是由于车辆在高速、高加速度行驶状态下，发动机转速较快，负荷也较大，缸内空气湍流更为强烈，有利于燃油在发动机气缸内的雾化和燃烧，在低速行驶状态下，发动机转速较慢，负荷较低，空气进入气缸后的流动强度较小，不利于燃油喷雾的扩散，燃油局部缺氧造成不完全燃烧产生大量CO排放.

CO排放的数值对比可知，不同排放阶段公交车之间的差异并不明显，国IV和国V阶段公交车的改进主要通过加装SCR等后处理装置来控制NOx排放，但是对于CO排放没有采取更多的措施来控制，通过增大喷油压力或改变喷油提前角等措施优化缸内燃烧所起的作用非常有限.

2.2 THC排放特征

使用VSP划分区间的方法对选取的6辆公交车数据进行分析，不同排放阶段柴油车THC排放速率随VSP变化如图3所示.

THC排放规律与CO排放规律非常相似，所有车辆的THC排放速率均随VSP增大而升高，主要是由于随VSP数值的增大，发动机在单位时间内进气量和供油量增加，因而造成了单位时间内污染物排放量的增大.此外，在各VSP区间内，国V阶段公交车的THC排放速率均略低于国III和国IV阶段公交车.

图3 不同排放阶段柴油车THC排放速率随VSP变化

2.3 NOX排放特征

使用VSP划分区间的方法对6辆公交车数据进行分析，不同排放阶段柴油车NOX排放速率随VSP变化如图4所示.

从图中可已看出，多数公交车NOX排放速率均随VSP增大而升高，其中国III阶段公交车升高幅度最大，VSP区间编号6比区间编号1升高了130%，国IV阶段公交车升高幅度最小，升高了61%.国III阶段公交车没有后处理系统，尾气排放污染物的排放速率完全取决于发动机缸内的燃烧，当VSP增大时，发动机转速和负荷增大，缸内燃烧加剧，温度升高，高温条件是NOX生成的主要途径之一.国IV和国V阶段公交车有SCR后处理系统，当车辆在高速大负荷状态下行驶时，SCR系统会根据发动机工作状态调整尿素的喷射，对原机产生的NOX进行催化还原，抑制整车NOX排放的大幅升高.

图4 不同排放阶段柴油车NOX排放速率随VSP变化

3 结 论

1)所有车辆的THC排放速率均随VSP增大而升高，国V阶段公交车的THC排放速率均略低于国III和国IV阶段公交车，THC排放均随车速和VSP升高逐渐降低，国V阶段车辆略低于国III和国IV阶段车辆，在减排方面有一定优势，但优势并不显著.

2)多数公交车NOX排放速率随VSP增大而升高，其中国III阶段公交车升高幅度最大；国III阶段公交车的NOX排放随车速的增加变化不明显，国IV阶段公交车随车速的增加降低较为显著，国V阶段公交车NOX排放随车速的增加略有降低，但降低幅度不大，且国III、国IV和国V 3个阶段的公交车排放相差并不大.

[1] 郭佳栋，葛蕴珊，谭建伟，等.国IV公交车实际道路排放特征[J]. 环境科学研究，2014，27(5)：477-483.

[2] 楼狄明，成 伟，冯 谦.国IV天然气公交车实际道路颗粒物排放特性[J].环境科学,2014,35(3):864-869.

[3] 刘志华. 针对PMP协议中重型柴油机颗粒物数量排放测量方法的研究[D].北京理工大学,2011.

[4] 杨洪强，帅石金，胡京南，等.重型柴油车区域达标法和窗口平均值法对中国典型路况的适应性[J].环境科学研究.2012，25(6)：699-705.

Research on Emission of Gaseous pollutants from Stage-V BusesBased on Vehiclc Specific Power

ZOU Qiang

(Guangxi Yuchai Machinery Co., Ltd，Yulin 537005，China)

The emission of their gaseous pollutants from buses in National V was analyzed by using the parameter of the Vehicle Specific Power (VSP). The characteristics of the pollutant emission were compared with that of other buses at different stages of the National Standard. The experimental results showed that, the rate of CO emission increased with the VSP without obvious difference among the buses with different stages, the rate of THC emission on the Stage V buses was slightly lower than that of the Stage III and the Stage IV buses, and the rate of NOXemission increased with the VSP, the biggest rise in the Stage III buses. The results also showed that, with the increase of the vehicle speed, the rate of NOXemission from the Stage V buses decreased slightly and the NOXemission rate from the Stage IV buses decreased significantly.

Stage-V buses；vehicle specific power (VSP)；gaseous pollutants；emission

1009-4687(2016)04-0013-04

2016-1-18

邹 强(1972-)，男，硕士，研究方向为发动机.

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