機(jī)動(dòng)車排放污染的速度-加速度耦合影響分析

曲 亮,李孟良,高佳佳,高繼東,趙彥琳,金陶勝* (.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,國家環(huán)境保護(hù)城市空氣顆粒物污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 30007；.中國汽車技術(shù)研究中心,天津 3006)

據(jù)統(tǒng)計(jì),自20世紀(jì)90年代末至今,我國汽車工業(yè)年均增長率高達(dá)20%以上,2009年汽車產(chǎn)量達(dá)1379萬輛[1].機(jī)動(dòng)車是城市中一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)等污染物的主要來源,盡管發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)在不斷發(fā)展和完善,機(jī)動(dòng)車尾氣污染仍然是城市空氣污染防治的主要控制對(duì)象[2].

研究表明,交通發(fā)達(dá)地區(qū)患有哮喘、肺炎等呼吸系統(tǒng)疾病人要遠(yuǎn)多于其他地區(qū)[3-4].此外,車輛的污染物對(duì)人體的神經(jīng)系統(tǒng)、心血管、免疫系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)也可造成不同程度損害[5-6].即使是與車輛排放的污染物短時(shí)間的高濃度接觸,也會(huì)對(duì)健康產(chǎn)生不利的影響[7].因此,機(jī)動(dòng)車排放的研究特別是車載排放測(cè)試已受廣泛關(guān)注.

Nelson等[8]利用城市道路測(cè)試系統(tǒng)對(duì)澳大利亞六個(gè)不同等級(jí)的十二輛機(jī)動(dòng)車進(jìn)行了測(cè)試,并且分析和對(duì)比了在不同車輛型號(hào)、行駛工況和燃油等級(jí)的情況下車輛的排放情況.姚志良等[9]使用了PEMS對(duì)國2技術(shù)LPG轎車和汽油轎車的進(jìn)行了實(shí)際道路排放測(cè)試,并且分析和對(duì)比了速度對(duì)于LPG 轎車和汽油轎車排放特征及排放因子的影響.賀克斌等[10]使用清華大學(xué)構(gòu)建的車載排放測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試了北京市的8輛輕型車的實(shí)際道路瞬態(tài)排放,并解析了速度、加速度與車輛排放的數(shù)理規(guī)律.王海鯤等[11]采用一套車載排放測(cè)試系統(tǒng),對(duì)深圳市 7輛輕型車進(jìn)了車載道路排放測(cè)試,并且分析了機(jī)動(dòng)車運(yùn)行工況對(duì)排放的影響,比較和計(jì)算各測(cè)試車輛的平均排放因子.

從上述研究可見,速度和加速度對(duì)于機(jī)動(dòng)車排放污染都具一定影響,為了研究速度和加速度的耦合效應(yīng),本研究引入?yún)^(qū)間點(diǎn)概念,運(yùn)用三維分析對(duì)三者間的關(guān)系進(jìn)行分析.并且將三維分析中的各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的比功率(VSP)進(jìn)行擬合,從而更清晰地反映出VSP、速度和加速度與車輛污染物排放率間的關(guān)系,以此來分析天津市機(jī)動(dòng)車的速度,加速度和VSP對(duì)于機(jī)動(dòng)車污染物質(zhì)排放率的影響.

1 實(shí)驗(yàn)流程

本文研究對(duì)象主要是天津市的機(jī)動(dòng)車排放的污染物狀況,選取一輛運(yùn)營期夏利出租車為研究車輛,采用HORIBA公司的OBS-2200車載測(cè)試系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)車輛在不同速度和加速度工況下的污染物(HC、CO和NOx)的排放率進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控,從而獲得不同污染物質(zhì)在不同速度和加速度的情況下準(zhǔn)確的逐秒排放率,實(shí)驗(yàn)具體參數(shù)及方案見文獻(xiàn)[12].對(duì)2006年4月3～7日的高峰期(17:00～18:00),平 峰期 (14:30～15:30)和低 峰 期(20:00～21:00)實(shí)驗(yàn)車輛的污染物排放率進(jìn)行了測(cè)量,并檢測(cè)到車輛的逐秒排放率數(shù)據(jù).車輛在道路中行駛時(shí)始終遵循隨車流而行的原則,并且盡量避免超車和急剎車等現(xiàn)象,實(shí)驗(yàn)車輛基本可以反映出車輛在天津市道路上正常行駛的狀況.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過機(jī)動(dòng)車車載排放測(cè)試系統(tǒng)的道路測(cè)試,得到試驗(yàn)車輛在試驗(yàn)路段的高峰期(17:00～18:00)的最高車速為73.38km/h,平均車速為19.07km/h;在平峰期(14:30～15:30)的最高車速為115.9km/h,平均車速為30.27km/h;在低峰期(20:00～21:00)的最高車速為82.58km/h,平均車速為25.27km/h.從圖1可以看出,在這3個(gè)時(shí)間區(qū)間內(nèi),被測(cè)車輛的速度主要集中在0～70km/h,比率分別為99.5%、86.3%、98.8%;加速度主要集中在-1.5～1.5m/s2,比率分別為99.4%、97.3%、98.7%.

圖1 不同時(shí)間內(nèi)城市道路加速度與速度的點(diǎn)工況分布Fig.1 Distribution of the points of different kinds of speed and acceleration in busy time, common time and free time

3 分析與討論

3.1 速度和加速對(duì)于污染物質(zhì)排放率的影響

機(jī)動(dòng)車的加速度和速度對(duì)于車輛的排放影響非常大,而在實(shí)際的道路行駛過程中,車輛的行駛工況也非常復(fù)雜.為了便于分析,將-1.5～1.5m/s2加速度范圍內(nèi)的加速度每隔 0.5m/s2進(jìn)行分組,依次分為7個(gè)區(qū)間,再將10～70km/h范圍內(nèi)的速度每隔10km/h進(jìn)行分組,依次分為7個(gè)區(qū)間,這樣就產(chǎn)生了49個(gè)單元,每個(gè)單元代表其上、下、左、右4個(gè)方向上半個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)的平均值.最終得到HC、CO和NOx的平均排放速率隨速度和加速度變化的三維圖(圖2).由于車輛在城市道路中行駛,受路況影響,在速度較高時(shí)不能繼續(xù)以高加速度行駛,考慮到安全因素,在速度較高時(shí)也沒有急剎車情況,所以在高速高加速和高速高減速區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)是空缺的.本研究實(shí)際得到的實(shí)際單元點(diǎn)為40個(gè),最終得到HC、CO和NOx的平均排放速率隨速度和加速度變化的三維圖(圖2).

圖2 加速度和速度與3種污染物排放率的關(guān)系Fig.2 Relationship between emission indexes (HC, CO and NOx) and different operating conditions

如圖2所示,HC的排放率在加速度為1m/s2和速度為60km/h的工況下達(dá)到最大值0.0673g/s;CO的排放率在加速度為1.5m/s2和速度為40km/h的工況下達(dá)到最大值 0.706g/s;而NOx在加速度為1.5m/s2和速度為30km/h2的工況下達(dá)到最大值為0.0178g/s.3種污染物的排放率在加速度和速度較大時(shí)(速度高于 30km/h,加速度高于 0.5m/s2)的排放率呈現(xiàn)出偏高的趨勢(shì),特別是在加速度較大時(shí)(加速度高于 0.75m/s2),3種污染物質(zhì)的排放率偏高的趨勢(shì)更加明顯.

3.2 車輛比功率對(duì)于污染物排放率的影響

機(jī)動(dòng)車尾氣排放受多種因素影響, 包括車輛自身情況、行駛狀況、運(yùn)行環(huán)境,譬如車齡、行駛里程和車輛保養(yǎng)情況、速度、加速度、路面狀況、坡度、溫度、負(fù)載等[13].為全面地分析各種因素對(duì)于車輛排放的影響和準(zhǔn)確分析車輛的排放, Palacios于1999年提出了車輛VSP定義,并指出VSP是指瞬態(tài)的機(jī)動(dòng)車輸出功率與機(jī)動(dòng)車質(zhì)量的比值,這個(gè)參數(shù)適合于計(jì)算分析車輛的瞬態(tài)排放狀況[14].

為了使比功率這一參數(shù)在實(shí)際中能夠便于使用,通過對(duì)其中參數(shù)的簡化處理后,U.S.EPA給出了方便用于輕型機(jī)動(dòng)車的VSP計(jì)算公式[15]:

式中:v為車輛的速度,m/s;a為車輛的加速度,m/s2;slope表示道路的坡度,°.

本實(shí)驗(yàn)選取的道路為城市中平穩(wěn)的主干道,所以坡度在本研究中可以忽略.根據(jù)式(1)計(jì)算出實(shí)驗(yàn)測(cè)試的速度與加速度所對(duì)應(yīng)的VSP數(shù)值,結(jié)合圖 2中的污染物排放率與速度加速度的關(guān)系找出VSP與污染物排放率的對(duì)應(yīng)關(guān)系,繪制出車輛比功率與污染物排放率間的散點(diǎn)圖(40個(gè)單元點(diǎn)),并采用合適的函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合(圖3).

圖3 HC、CO和NOx排放率與VSP之間的擬合關(guān)系Fig.3 Fitting analysis of emission indexes (HC、CO and NOx) and VSP

如圖3所示,NOx的排放率的倍數(shù)隨VSP增加的變化較大,所以擬合函數(shù)的斜率較大,特別是在VSP較高時(shí),NOx的排放率呈現(xiàn)出了一定的跳躍性,說明NOx的排放率對(duì)于VSP的變化比較敏感.HC、CO的排放率的倍數(shù)隨VSP增加的變化較小,表現(xiàn)為擬合函數(shù)的斜率較小,說明 VSP的變化對(duì)于HC、CO的排放率的影響比較平和.

HC、CO和NOx的排放率與VSP之間的擬合決定系數(shù)分別為0.71、0.86和0.85,擬合度普遍較高,3種污染物的排放率成比較明顯的正相關(guān)關(guān)系,即隨著車輛比功率的增加,車輛排放的污染物的排放率都會(huì)有不同程度的增加.由此說明VSP對(duì)車輛的污染物排放率有著較大的促進(jìn)作用,兩者之間的相關(guān)關(guān)系比較密切,VSP可以作為評(píng)價(jià)車輛污染物排放率的一個(gè)重要指標(biāo).這與雷偉等[16]對(duì)愛麗舍車的實(shí)時(shí)排放數(shù)據(jù)結(jié)論相接近.

由于資源有限,本研究并沒有使用不同型號(hào)的車輛、燃油以及不同排量的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試,并且測(cè)試的季節(jié)也比較單一,不能夠完全反映出全年的排放情況.在將來的研究中,會(huì)著重分析各種不同型號(hào)的車輛和時(shí)間段內(nèi)的排放率的情況,從而進(jìn)一步完善這方面的研究.

4 結(jié)論

4.1 車輛在高速、高加速的工況下的污染物排放率普遍偏高.HC、CO和NOx3種污染物的排放率高峰時(shí)排放率分別達(dá)到0.0673、0.706和0.0178g/s,均集中在高加速度和高速(速度高于30km/h,加速度高于0.5m/s2)工況范圍內(nèi).在低速、低加速度工況下(速度低于 30km/h,加速度低于0.5m/s2),HC、CO和NOx的排放率普遍偏低,平均排放率分別為0.0212、0.2336和0.00156g/s.

4.2 通過對(duì)VSP和HC、CO和NOx的排放率進(jìn)行擬合顯示,擬合函數(shù)的決定系數(shù)分別為0.71、0.86和0.85,擬合度較高.隨著車輛VSP的增加,車輛排放的污染物質(zhì)的排放率也會(huì)有不同程度的增加,兩者成正相關(guān)關(guān)系,說明 VSP和車輛污染物排放率關(guān)系密切,VSP可以作為衡量機(jī)動(dòng)車污染物排放率的重要參數(shù).on-road vehicles in a freeway tunnel study [J]. Atmospheric Environment, 2009,43:4014-4022.

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