长三角典型城市公交车实际道路细颗粒物排放测试

刘登国，刘 娟，楼狄明

1.同济大学汽车学院，上海 2018042.上海市环境监测中心，上海 200234

长三角典型城市公交车实际道路细颗粒物排放测试

刘登国1,2，刘 娟1，楼狄明1

1.同济大学汽车学院，上海 2018042.上海市环境监测中心，上海 200234

为研究长三角典型城市公交车细颗粒物排放特征，采用便携式排放测试系统(PEMS)，对上海、杭州和苏州三大城市的8辆典型城市公交车开展实际道路细颗粒物排放实验。研究结果表明：长三角典型城市车辆的实际道路平均车速为22.7 km/h，怠速比例为20.4%，加减速比例为54.5%；在稳态行驶工况下，随车速增大，公交车颗粒物质量及数量排放呈逐渐增大趋势；在20 km/h车速范围内，上海国III、国IV和苏州国III公交车颗粒数浓度呈双峰粒径分布，其他公交车均为单峰分布；随比功率的增大，公交车颗粒质量呈逐渐增大的趋势，国IV公交车颗粒数量呈先下降再增大趋势，国III公交车颗粒数量呈上升趋势；公交车颗粒质量综合排放因子为0.8～189 mg/km，颗粒数量综合排放因子为6.2×1012～9.6×1014#/km。

细颗粒物；城市公交车；实际道路；长三角

公交车是城市的主要公共交通工具之一，具有站点多、频繁处于起动、制动、怠速和低速行驶等特点，大部分时间在低速大转矩和怠速工况下运行。研究表明：担负70%以上客运量的公交车是颗粒物排放大户，上海中心城区公交车颗粒物排放分担率为45%[1-2]。柴油公交车的颗粒物排放主要以粒径小于0.1 μm的细颗粒物为主，颗粒物粒径越小，对人体健康的影响越大，因此柴油车排放的颗粒物数浓度及粒径分布成为国内外众多研究的重点。公交车颗粒物排放已有研究运用便携式车载排放测试系统(PEMS)在实际道路上进行了实时测量，并取得一定的成果，楼狄明等[3]、石爱军等[4]、谭丕强等[5]、郭佳栋等[6]、郝艳召等[7]、景启国等[8]、刘志华等[9]、高继东等[10]、吴晓伟等[11]、JAYARANE等[12]、FONTARAS等[13]都对公交车颗粒数量、质量排放特性及其粒径分布进行了研究。但少见有针对不同城市公交车在实际道路颗粒物排放的研究。

利用PEMS对长三角地区的上海、杭州和苏州8辆柴油车开展实际道路的颗粒物排放测试，研究不同排放标准典型公交车细颗粒物排放特性，为长三角道路公交车排放模型的颗粒物排放因子本地化校正提供数据支持。

1 实验方案及设备

1.1 实验方案

实验对8辆公交车进行道路排放测试，其中苏州国III柴油车(以下简称苏A)、国IV LNG车(以下简称苏B)和国IV油电混合公交车(以下简称苏C)各1辆，杭州国III柴油车(以下简称杭A)、国IV柴油车 (以下简称杭B)各1辆，上海国III柴油车(以下简称沪A)、国III柴油车(加装DOC+CDPF后处理，与上海国III同一辆车，以下简称沪B)、国IV柴油车(以下简称沪C)各1辆，公交车实际道路实验采用市售的国IV柴油，车辆参数信息见表1。

上海的受试公交车在同一道路进行3次稳态实验及40 min的瞬态自由工况实验，杭州、苏州公交车分别在同一公交车线路上进行瞬态自由工况实验。

表1 长三角典型城市的受试车辆详细参数Table 1 Typical city vehicle parameters in Yangtze River Delta

1.2 实验设备

颗粒物测试设备[14]为EEPS-3090排气颗粒数量及粒径分析仪(美国)，该粒径分析仪可快速测取机动车尾气中颗粒数量浓度及粒径分布，测量粒径范围为 5.6～560 nm，在0.1s 内可测取一个完整的颗粒粒径分布图谱，并同步输出32个粒径通道的颗粒数量和粒径分布数据，此设备完全满足机动车瞬态测试要求。采用FPS-2000稀释通道，对尾气中的颗粒物进行稀释，GPS实时记录公交车行驶工况。

2 实验结果及分析

在研究不同公交车颗粒物排放特性时，为保证实验工况的一致性，在实验数据分析中，对比不同车速时只选取稳态实验工况数据进行分析研究，对比不同比功率[8，13]时只选取瞬态实验数据进行分析研究，分析综合排放因子时选取瞬态工况进行分析。

2.1 公交车行驶工况特性

表2显示了长三角典型城市公交车实际道路行驶特征。

表2 长三角典型城市公交车实际道路行驶特征Table 2 Actual road moving characteristics of typical city in Yangtze River Delta

从表2中可以看出，长三角公交车实际道路行驶具有平均车速低、怠速比例高、加减速频繁的行驶特点。公交车的平均车速为13.7～31.0 km/h，怠速比例为10.7%～33.0%，加减速比例为34.3%～69.9%。

2.2 公交车稳态颗粒物排放特性

图1为公交车颗粒物质量(PM)排放率。

图1 稳态工况颗粒物PM排放率Fig.1 Emission rate of particulate matter in steady state

从图1中可以看出，随车速的增大，PM呈逐渐增大的趋势。车速为10、20、30、40、50、60 km/h时，公交车PM排放均值分别为170、278、294、228、306、567 μg/s。随着车速的增大，发动机负荷率大部分情况下会提高，发动机本身的PM排放一般会上升；其次，车速增大时，发动机单位时间内的工作次数往往也会增加，进一步导致PM排放量呈上升趋势。其中苏B、沪A、沪B和沪C公交车PM均低于8辆公交车的平均值，苏A、苏C和杭B公交车的PM值高于8辆公交车的平均值；由于杭B的车龄为7 a，车龄较长，行驶里程最高，且行驶平均速度较低，造成PM排放差，但车速从30 km/h升到40 km/h，PM排放率降幅较大，有待进一步研究。

图2为公交车颗粒数量(PN)时间排放率。

图2 稳态工况PN排放率Fig.2 Emission rate of PN in steady state

从图2中可以看出，随车速的增大，公交车PN呈逐渐增大的趋势。车速为10、20、30、40、50、60 km/h时，公交车PN排放均值分别为1.5×1012、2.2×1012、2.0×1012、3.5×1012、5.1×1012和7.8×1012#/s。其中苏A、沪A、沪B和沪C公交车排放PN均低于8辆公交车的平均值，苏B、苏C和杭A公交车排放PN高于8辆公交车平均值。

图3为公交车在20 km/h的速度下不同粒径颗粒物的PN值。

从图3中可以看出，沪A、沪C、苏A公交车PN值出现双峰，沪A公交车排放的颗粒物粒径为9.3、80.6 nm时，PN分别为1.0×105、1.5×105#/cm3；沪C公交车排放的颗粒物粒径为10.8、45.3 nm时，PN分别为2.0×106、5.3×106#/cm3；苏A公交车排放的颗粒物粒径为9.3、60.4 nm时，PN分别为2.0×106、2.1×105# /cm3；其余5辆公交车均为单峰，其公交车排放的颗粒物粒径为10.8 nm，PN范围为0.085×106～5.1×106#/cm3，苏B公交车的PN最高，说明LNG车排放超细颗粒数量较高。

图3 车速为20 km/h稳态时PN粒径分布Fig.3 Particle size distribution at steady state of 20 km/h

2.3 公交车瞬态颗粒物排放特性

图4为公交车PM瞬态排放对比图。

图4 瞬态时不同比功率下PM排放对比Fig.4 PM emission under transient specific power VSP

从图4(a)中可以看出，随比功率的增大，国IV公交车PM瞬态排放整体呈逐渐增大的趋势，杭B呈逐渐增大的趋势，苏C在比功率为-10～-7.5 kW/t时，公交车PM值逐渐下降，比功率为-7.5～7.5 kW/t时，公交车PM排放缓慢增加且差距逐渐增大；比功率为7.5～15 kW/t时，公交车PM排放又逐渐下降。沪C、苏B公交车比功率为-10～0 kW/t时，公交车PM值逐渐下降，比功率为0～10 kW/t时，公交车PM排放缓慢增加且差距逐渐增大。由于杭B公交车的车龄较长，行驶里程最高，且行驶平均速度较低，造成PM瞬态排放较高。

从图4(b)中可以看出，随比功率的增大，国III公交车PM瞬态排放整体呈逐渐增大的趋势，苏A公交车在比功率为-10～-5 kW/t时，公交车PM值逐渐下降，在比功率大于-5 kW/t时，公交车PM排放缓慢增加且差距逐渐增大。沪A在比功率为-10～0 kW/t时，公交车PM值逐渐下降，在比功率大于0 kW/t时，公交车PM排放缓慢增加且差距逐渐增大。沪B公交车在比功率为-10～10 kW/t时，公交车PM逐渐增加，在比功率大于10 kW/t时，公交车PM排放逐渐下降。杭A公交车在比功率为-10～5 kW/t时，公交车PM逐渐增加，在比功率大于5 kW/t时，公交车排放逐渐下降。由于苏A公交车的行驶平均速度最高，发动机运行负荷高，造成PM瞬态排放较高。

图5为公交车PN瞬态排放。从图5(a)中可以看出，随比功率的增大，国IV公交车PN瞬态排放整体呈先下降后增大的趋势，国IV公交车在比功率为-10～0 kW/t时，公交车PN值逐渐下降；在比功率大于0 kW/t时，杭B和苏B公交车PN排放缓慢增加且差距逐渐增大；沪C、苏C呈现波动变化。

从图5(b)来看，随比功率的增大，国III公交车PN瞬态排放整体呈上升趋势。在比功率大于2.5 kW/t时，沪A公交车PN瞬态排放较高，原因是沪A公交车行驶里程高，行驶平均速度较高，发动机运行负荷高，没有安装DOC+CDPF。

图5 瞬态下不同比功率下PN排放Fig.5 PN emission under transient specific power VSP

2.4 公交车颗粒物综合排放因子

图6为公交车颗粒物综合排放因子。

图6 综合排放因子Fig.6 Integrated unit emission factors

从图6(a)中可以看出，PM综合排放因子范围为0.8～189 mg/km；公交车综合排放因子高，与车使用频率高、车龄、行驶工况及保养程度有关；加装DOC+CDPF后处理的国III公交车PM综合排放因子最低，与原车相比下降97%，说明国III公交车加装后处理后颗粒物减排效果显著。

从图6(b)中可以看出，公交车PN综合排放因子范围为6.2×1012～9.6×1014#/km， LNG公交车最高，说明LNG公交车排放超细PN最多，加装DOC+CDPF后处理的国III公交车综合排放因子最低，与原车相比下降99%，说明公交车加装后处理后PN减排效果显著。

3 结论

1)长三角典型城市公交车实际道路行驶均具有平均车速低、怠速比例高、加减速频繁的行驶特点，平均速度为22.7 km/h，怠速比例为20.4%，加减速比例为54.5%。

2)随车速的增大，公交车PM及PN稳态排放呈增大的趋势；公交车在车速为20 km/h下不同粒径的PN排放测试中，沪A、沪C和苏A公交车实验结果出现双峰，其余5辆公交车均为单峰。

3)随比功率的增大，国IV公交车PN瞬态排放整体呈先下降后增大的趋势，国III公交车PN瞬态排放整体呈上升趋势。

4)公交车PN综合排放因子范围为0.8～189 mg/km，公交车PN综合排放因子范围为6.2×1012～9.6×1014#/km。

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On-road Fine Particle Emissions Measurement of Typical Urban Bus in Yangtze River Delta

LIU Dengguo1,2,LIU Juan1,LOU Diming1

1.School of Automobile,Tongji University,Shanghai 201804,China2.Shanghai Environmental Monitoring Centre,Shanghai 200234,China

To study the fine particle emission characteristics of urban bus in typical cities of the Yangtze River Delta, a portable emission measurement system (PEMS) was used in this study to test the particle emissions from 8 typical urban buses operating on actual road in Shanghai, Hangzhou and Suzhou. The experimental results showed that the average speed of on-road in the Yangtze River Delta was close to 22 km/h, idle speed proportion 20.4%, and added deceleration proportion 54.5%. In steady state, the fine particle matter and number emission of buses increased with the increasing vehicle speed. Within the speed of 20 km/h, the different size particle number concentration of Suzhou China III, Shanghai China III and China IV bus appeared bimodal distributions, and remaining buses were single peak. In instant state, with the increase of VSP, the fine particle matter emission of buses gradually increased, the instant state emission particle number of China IV bus was first declined then increases, and China III bus presented a rising trend; Bus particles matter integrated emissions factor was within the range of 0.8-189 mg/km, and bus particles number integrated emissions factor was in the range of 6.2×1012-9.6×1014#/km.

fine particle;urban bus;on-road;the Yangtze River Delta

2015-12-29;

2016-02-16

上海市科委项目 (13295810500，15DZ1205502)

刘登国(1976-)，男，河北南宫人，在读博士研究生，高级工程师。

楼狄明

X831

A

1002-6002(2017)02- 0152- 06

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.02.25