山区城市基于P EMS的汽车排放污染物测试分析

孟雄（重庆交通大学交通运输学院，重庆400041）

山区城市基于P EMS的汽车排放污染物测试分析

孟雄
（重庆交通大学交通运输学院，重庆400041）

利用车载排放测试系统（PEMS），对某小型载客汽车进行重庆市典型道路工况下的CO、HC、NOX排放测试。研究不同行驶模式、速度区间、路面情况对汽车排放的影响，并建立特定工况下排放因子与路面坡度之间的拟合模型。

山区城市；车载排放测试系统；污染物排放测试

近些年来，随着车载排放测试技术的发展，国内外的研究人员都开始采用车载排放测试技术来更为准确真实地研究车辆在实际道路中的排放，并取得了一定的进展[1-4]。在这些研究中，研究发动机的技术水平、车辆的行驶工况居多，而研究道路的坡度对车辆排放的影响较少，因此本文采用车载排放测试技术对该问题进行研究。

1 试验准备

1.1 试验设备及车辆

本研究在SEMTECH-ECOSTAR车载尾气分析系统的基础上建立一套测试系统，SEMTECH-ECOSTAR包含三个模块：NOx氮氧化物分析仪、FEM燃油经济性分析仪、HTF（Heated Flow Tube）尾气加热流量管。具体功能如下：NOx氮氧化物分析仪采用非分散紫外分析法（NDUV）测量氮氧化物的体积浓度，FEM燃油经济性分析仪采用非分散红外分析法（NDIR）测量CO、CO2、O2以及部分碳氢的体积浓度，HTF尾气加热流量管利用平均皮托管原理实时测量尾气体积流量，质量流量，压力温度等。

该系统自带GPS，可以对应逐秒记录车辆在行驶过程中的地理位置和行驶速度，该系统另外匹配了Racelogic公司的VBOX，记录车辆行驶轨迹、速度、加速度、距离、海拔、经纬度等信息。还匹配了陀螺仪实时记录车辆的俯仰角、横摆角、侧倾角以及三个角的角速度。试验车辆是一辆2008年的华晨金杯汽油车，国Ⅱ排放，整备质量是1.7 t，总质量2.8 t，当前行驶里程为40 000 km。1.2测试方法及路线

本测试依据GB 18352.6-2016[5]（中国第六阶段），选定试验道路，严格按照SEMTECH-ECOSTAR车载尾气分析系统车载试验要求测得不同路面情况下试验车辆的CO、HC、NOx 3种污染物瞬时质量流量，通过数据研究行驶速度、行驶模式、路面情况（坡度）对汽车排放的影响。一共进行了5次试验，驾驶员包括专业驾驶员和普通私车驾驶员。驾驶员的选择是影响汽车燃油的因素之一，选取一位经验丰富的专业驾驶员，按照所选的试验路线保持一定车距，不强行超车，不脱挡滑行，正常驾驶，获得逐秒行驶数据。本试验在周五上午9：30到10：30之间进行，试验既不在节假日，也不在高峰期，代表了普通出行时间。选取了8条重庆市区典型道路进行样本采集，分别为学府大道（主干道）、海峡路（主干道）、南滨路（次干路）、重庆长江大桥（主干道）、两路口环道（环道）、菜园坝长江大桥（主干道）、南城隧道（隧道）和四公里立交（内环快速路），全长25.51 km，车辆测试路线的轨迹如图1所示。采集的数据依据速度的分布也较为均匀，因此几次试验可以较为真实地反映车辆在实际道路上的排放水平。

图1 测试路线轨迹图

2 试验结果

2.1 不同路面不同速度的影响

将速度区间划分为（0，10]、（10，20]、（20，30]、（30，40]、（40，50]、（50，60]、（60，70）共7个区间（单位：km/h）。在本研究中，车辆加速度的绝对值≤0.1时被认为是做匀速行驶[6]。坡度绝对值≤2%时，被认为是在平路面上行驶。不同路面（上坡、平路、下坡）各速度区间下以上3种污染物的瞬时质量流量，测量结果如图2～图4所示。从图中可以看出：

1）在路面状况不变的情况下，随着车速增大，CO的瞬时质量流量先增大后减小，当车速在（20，30]km/h之间，车辆在上坡和平路行驶时，CO瞬时质量流量都达到最大值；当车速在（30，40]km/h之间，车辆在下坡行驶时，CO瞬时质量流量达到最大值。另外值得注意的是：在车速相同的情况下，车辆在上坡时CO的瞬时排放量最高，其次是平路，最后是下坡；当速度在（20，50]km/h之间，3种路面状况所对应的CO瞬时质量流量相差最大，上坡时CO瞬时质量流量分别约是平路和下坡的2倍和3倍。

2）NOx瞬时质量流量除个别速度区间略有下降外，整体趋势是随着速度的增加而增加；而车辆在平路行驶时，NOx瞬时质量流量随着车速的增加先增大后减小，当车速在（20，30]km/h之间时达到最大值；车辆在上坡行驶时，NOx瞬时质量流量随着车速的增加而增大，当车速在大于60 km/h时达到最大值；车辆在下坡行驶时，NOx瞬时质量流量随着车速的增加先增大后减小，当车速在（30，40]km/h之间时达到最大值。在车速相同的情况下，NOx在上坡时的瞬时排放量最高，其次是平路，最后是下坡。

3）对于HC的排放，除个别速度区间有降低外，HC的瞬时质量流量随着车速的增加先增大后减小，同样在车速相同的情况下，HC在上坡时的瞬时排放量最高，其次是平路，最后是下坡。当车速在（20，30]km/h之间，上坡时HC瞬时排放量是下坡的7倍，是平路的4.5倍。

综上所述，路面状况以及速度对汽车的尾气排放影响很大，特别是在速度相同的情况下，上坡时3种尾气污染物的瞬时排放质量都相对平路或下坡时增加显著。

图2 CO排放情况

图3 NOx排放情况

图4 HC排放情况

2.2 路面情况对不同行驶模式下排放的影响分析

将车辆的行驶模式分为加速模式、减速模式和匀速模式，通过PEM系统测得的试验数据得到不同路面情况下3种行驶模式的污染物瞬时质量流量。由图5～图7可知，3种污染物的变化趋势大致相同，在行驶模式相同时，都是随着坡度的增大而增大，随着加速度的减小而减小。特别是在加速行驶时，3种污染物的瞬时质量流量较匀速或减速行驶时增加显著。所以车辆在加速上坡行驶时，污染物瞬时质量流量最大。

图5 CO排放情况

图6 HC排放情况

图7 NOx排放情况

2.3 加速上坡不同坡度的影响

由以上分析可知，车速在（20，50]km/h加速上坡时的3种污染物排放相对较高，而通过数据的统计可知，车辆在上坡工况的车速主要是在（20，30]km/h之间，占比为50%以上。所以进一步分析在该工况下坡度对3种污染物排放的具体影响。通过MATLAB分析试验数据，坡度值与HC、CO排放相关性很小，散点图也很散，基本没有函数关系，而坡度与NOx排放因子之间的模型的R2值较接近1。故建立车速在（25，30）km/h之间，上坡时坡度与NOx排放因子之间的模型如图8所示。

式中：x为路面纵坡坡度；y为NOx排放因子。

图8 不同坡度下NOx排放因子

3 结论

1）不同速度区间和行驶模式下，在上坡行驶时，大多数工况下3种污染物排放会增加，但各速度区间和行驶模式下的增幅不尽相同。特别是速度区间在（20，50）km/h，加速上坡行驶时3种污染物排放会显著增加。

2）利用MATLAB分析3种污染物与坡度之间的相关度，只有NOx的排放与路面坡度相关性稍高，所以建立了速度区间在（25，30）km/h之间，加速上坡时路面坡度与NOx排放之间的模型，拟合系数为0.7以上，拟合度较高。利用该模型可对不同坡度路面上、在该速度区间里行驶的车辆的NOx排放因子做出预测。

3）由于样本数量有限，路面坡度对汽车尾气污染物排放的影响也较复杂，有必要建立尾气排放与速度、加速度、坡度的联合排放模型，展开更加深入的研究。

[1]程颖，于雷，王宏图，等.基于PEMS的MOBILE与COPERT排放模型对比研究[J].交通运输系统工程与信息，2011（3）：176-181.

[2]徐伟嘉，黄建彰，刘永红，等.基于PEMS与COPERT的机动车尾气排放特征分析[J].环境科学与技术，2014（S1）：77-81.

[3]宋国华，于雷，张潇.基于PEMS技术的收费站尾气排放模型分析[J].交通运输系统工程与信息，2008（3）：49-57.

[4]万霞，黄文伟，高谋荣，等.基于PEMS的柴油乘用车气态污染物道路排放测试分析[J].车用发动机，2013（5）：74-77.

[5]环境保护部国家质量监督检验检疫总局.轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）：GB 18352.6-2016[S].北京：中国环境科学出版社，2016：12.

[6]姚志良，贺克斌，王岐东，等.IVE机动车排放模型应用研究[J].环境科学，2006（10）：1928-1933.

修改稿日期：2017-06-05

Measurement Analysis of Vehicle Emission Pollutants in Mountain Cities Based on PEMS

Meng Xiong
（SchoolofTraffic&Transportation，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400041，China）

Using the Portable Emission MeasurementSystems(PEMS),the authortests CO,HC,NOXemissions to a small type of passenger vehicle under typical road conditions in Chongqing.He studies the influence of different driving modes,speed ranges and road conditions on the vehicle emission,and establishes the fitting modelofthe emission factors with the slope ofroad surface.

mountain city;vehicle emission testsystem;pollutantemission test

TK411+.5

B

1006-3331（2017）04-0056-03

孟雄（1992-），男，硕士研究生；主要研究方向为车载尾气检测。