遙感法在機動車排放測試中的應用研究

鄭 瓏，葛蘊珊，劉 嘉，，劉志遠

(1.北京理工大學，汽車動力性與排放測試國家專業實驗室，北京 100081；2.北京市機動車排放管理中心，北京 100176)

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2015027

遙感法在機動車排放測試中的應用研究

鄭 瓏1，葛蘊珊1，劉 嘉1，2，劉志遠2

(1.北京理工大學，汽車動力性與排放測試國家專業實驗室，北京 100081；2.北京市機動車排放管理中心，北京 100176)

為對北京市現行的遙感測試法規增設HC和NO限值提供參考意見，進行了遙感監測設備的靜態標準氣體對比實驗、遙感準確度與車速相關性實驗和BASM5024工況法對比實驗，結果顯示：遙感法靜態標準氣體測試準確度高，均值相對誤差不超過5%；車速低于40km/h時，CO和HC的遙感測量值變化不明顯，但隨著車速升高NO遙測值有一定的下降趨勢；與BASM5024工況法對比的結果表明，CO和NO的遙測值和工況值具有較強的線性相關性，而HC卻沒有。因此，經大量實驗驗證后可增設NO的排放遙感限值。

尾氣排放；遙感監測；相關性分析

前言

機動車尾氣遙感監測儀器作為一種快速監測技術，于20世紀90年代已經在國外得到了應用。由于它無須與被測車輛進行直接接觸，故可在不影響機動車正常行駛的情況下對車輛進行動態監測，尤其對污染物排放嚴重的車輛的鑒別十分迅速，很好地補充了傳統的汽車排放監管辦法。當今遙感監測主要包括：對I/M計劃的審計檢查，重排放污染車輛的篩選，清潔車輛的豁免和防止高污染車輛進入城市的入境檢查等[1-2]。

近年來，北京、廣州、中山、大連、西安、杭州、南京等大中城市都已引進機動車尾氣遙感監測設備并用于機動車污染的監測。但除了北京、廣東、山東及安徽有相關地方標準作為執法依據外，絕大部分省市仍處于對遙感設備的試用及實驗階段。目前北京市實施的遙感測試法規僅有CO一項限值[3]，而車輛排放常規污染物有CO、HC和NO 3項，加之“十二五”計劃對NO排放控制的要求，應對現行遙感法規進行修訂，希望能夠增加HC和NO，特別是NO的排放限值。本文中通過對遙感設備的靜態標準氣體比對實驗、車速與遙感測量準確度實驗及與BASM5024工況法對比實驗來驗證遙感法的準確性。為北京市地方標準的修訂提供參考和借鑒。

1 遙感測試技術原理[4]

遙感測試技術基于比爾定律：

(1)

A(λ)=σ(λ)CL

(2)

式中：I(λ)為通過污染氣體的透射光強度；I0(λ)為發射光強度；I(λ)/I0(λ)為透過率；A(λ)為吸收率；σ(λ)是標準氣體狀態下，與測量氣體無關的分子吸收系數；C為吸收氣體濃度；L為光程長度。通過對吸收率的測量可以反求出吸收分子的濃度。

汽車尾氣從排氣管中高壓噴出后，立即被環境空氣流所稀釋，濃度發生較大變化，但其成份的比例變化不大。將CO2作為參比氣體分別用QCO、QHC和QNO表示CO、HC和NO對CO2濃度的比率，即

QCO=CCO/CCO2

(3)

QHC=CHC/CCO2

(4)

QNO=CNO/CCO2

(5)

簡化后的內燃機燃燒方程為

(6)

通過碳、氧和氮的平衡可以推導出燃料完全燃燒時CO2的排放濃度：

(7)

則有

CCO=QCO×CCO2

(8)

CHC=QHC×CCO2×104

(9)

CNO=QNO×CCO2×104

(10)

需要注意的是，遙感檢測裝置得到的HC排放濃度并非THC濃度，通常是按照標定儀器的標準氣體的當量進行計算，常用的標準氣體為丙烷和1，3-丁二烯[4-5]。遙控監測系統示意圖見圖1。

2 靜態標準氣體對比實驗

本次實驗采用的是安徽寶龍公司的BDH-1Z-1221遙感測試設備，向氣體分配器中通入不同濃度的氣體，用靜態測試的方式對標準氣體的濃度進行測量。比對實驗所用標準氣體濃度如表1所示。

由表2可以直觀地看出，均值的相對誤差最大也只有5%，且有7組數據的均值相對誤差不超過1%。綜合來說，CO和NO均值的相對誤差小于HC。

表1 比對實驗所用標準氣體

表2 靜態標準氣體對比結果

3 車速與遙感準確度相關實驗

由于遙感測量的高排放工況很可能只是某種特殊情況下的瞬時高排放，因而不能馬上判定該機動車為高排污車輛。為了解決這種誤判，業內廣泛采用VSP(機動車比功率)來對遙感數據進行篩選鑒別。美國國家環保局推薦的VSP范圍為0～20kW/t,以10～20kW/t為最佳[6];國內研究給出的推薦值為0～15kW/t[7]。然而VSP是一項與速度、加速度和坡度有關的量，實際遙感測量時都會要求在平直或者略上坡路段，均速或小加速通過遙感監測設備[8]，在實際操作過程中車速對VSP大小有著較大的影響。

將汽車正常排放的排氣由橡膠管導向車頂排放，可避免車輛自身排放對遙感監測設備造成的影響。配有標準氣的氣瓶放在后備箱內，通過一個“偽排氣管”排放標準氣體。實驗所用的設備為ESP公司的RSD4600遙感監測設備。此外，需要說明的是,受實驗場地的限制，最高車速僅達到40km/h。實驗結果如圖2～圖4所示。

由圖2～圖4可以看出，CO和CO2的測量結果中除個別可能的奇點外，總體結果的準確性較高。HC測量值均值與標準值有一定的差異，但測量結果相對穩定，隨車速變化不大。而NO測量值則有隨著車速增加呈逐漸下降的趨勢。分析認為，這一變化趨勢體現了隨著車速升高，污染物濃度逐漸稀釋導致測量誤差增大。在當前遙感法規中并沒有對車速提出明確的限值，建議在遙感法規的修訂中限制車速的上限，限值有待進一步深入研究。

4 遙感法與BASM5024工況法對比

BASM5024工況法指的是穩定車速為24km/h的北京穩態加載工況法，測試時采用的是南華儀器有限公司的NHA-503廢氣分析儀。實驗地點為北京市大興區富多鑫天德檢測場。

當車輛進行BASM工況法檢測時，將遙感設備放置于檢測車輛后方1～2m處，同步采得遙感值數據進行比對分析。BDH-1s儀器采用靜態測試程序，設置系統每隔1s自動觸發1次并記錄數據。同時將車輛進入ASM工況采集數據的時間點進行記錄以保證2套系統的同步性。而RSD4600設備并不具有靜態測試的軟件功能，因而每次只能靠人為地進行擋光觸發。因而相對于BDH-1s設備而言，相同時間能夠獲得的有效數據相應要低一些。實驗總共獲得寶龍有效數據652輛車次，ESP有效數據478輛車次，共計1 130輛車次的有效數據。其對比結果如圖5～圖7所示。

為了對數據的線性相關性做出判斷，本文中先通過對線性相關系數r的計算得出其線性相關強度，然后對具有極強線性相關的回歸方程用T檢驗進行線性回歸顯著性檢驗，如表3所示。

表3 工況值(x)與遙感值(y)的線性回歸分析

由表3可知，CO和NO的回歸方程具有極強的線性相關，而HC的回歸方程只有極弱相關或者不具有線性相關。分析認為，HC結果不理想是由于二者測量原理不同所致。在BASM5024工況法中，HC的檢測原理為NDIR(不分光紅外光譜吸收法)，而遙感法對HC的檢測原理為UV-DOAS(紫外差分吸收法)，測量原理的不同造成了測量偏差：NDIR對THC中不同成分的響應時間各有長短； UV-DOAS對HC的測量用的是1，3-丁二烯標定，系統對1，3-丁二烯的響應較好，對其他種類的HC響應較差，而在機動車排氣的HC污染物中，1，3-丁二烯又只占很小的一部分。此外，在光譜吸收中1，3-丁二烯的吸收譜線又沒有明顯的峰值，因而兩種測量方法的結果相差較大。如果能改用在常規HC排放污染物中較為常見，而響應時間又較快的HC化合物來進行標定測量，應當能得到較好的結果。值得注意的是，由于在標定過程后，標準氣體直接釋放到大氣中，也要求所選擇的碳氫化合物對環境相對友好。

T檢驗結果顯示tR>t0.025(n-2)，這表明：CO和NO的遙測值與BASM工況法值具有顯著的線性(α=0.05)，可以進行二者之間的線性換算[9]。

5 結論

(1)遙感法靜態標準氣體對比結果準確度高，均值相對誤差不超過5%。

(2)CO和HC的遙感檢測結果隨車速的變化相對穩定，NO遙感值在車速超過40km/h時有一定的下降趨勢，造成測量誤差。

(3)遙感法與BASM5024工況法對比，CO和NO測量結果的線性相關性較好，HC結果不理想, 經大量實驗驗證后可以增加NO的排放遙感限值。

[1] 農加進, 黃榮, 雙菊榮.遙感測量在機動車排放調查和I/M 項目評估中應用的初步分析[J].廣州環境科學, 2005, 20(4): 17-19.

[2] 周昱, 傅立新, 楊萬順, 等.北京市機動車排放遙感監測分析[J].環境污染治理技術與設備, 2005, 6(10): 91-94.

[3] DB11/318—2005燃式發動機汽車排氣污染物限值及檢測方法(遙測法)[S].北京：北京市環境裝用點保護局，2005.

[4] 郭慧.城市機動車污染物排放的遙感測試及模型研究[D].杭州:浙江大學,2007:29-30.

[5] 鄧南.機動車尾氣遙測技術應用探討[J].廣州環境科學, 2011, 26(1): 25-29.

[6] U.S.Environmental Protection Agency.EPA420-B-04-010.Guidance on Use of Remote Sensing for Evaluation of I/M Program Performance[R].July 2004.:24-27.

[7] 曾君, 郭華芳, 胡躍明.機動車比功率在高排污車輛鑒別中的應用[J].環境科學學報,2008,20(4): 681-687.

[8] 黃新平, 黃榮.高排放車遙感篩選在臺灣的應用[J].中國環境監測, 2006, 22(2):81-83.

[9] 周賢杰, 李新宇, 周賢波,等.遙感法與ASM5025工況法對照檢測尾氣排放[J].環境工程學報,2012,6(11): 4169-4172.

A Research on the Application of Remote Sensing to Vehicle Emission Measurement

Zheng Long1, Ge Yunshan1，Liu Jia1,2& Liu Zhiyuan2

1.BeijingInstituteofTechnology,NationalLaboratoryofAutoPerformanceandEmissionTest,Beijing100081；2.BeijingMunicipalVehicleEmissionsManagementCenter,Beijing100176

For providing references on adding HC and NO limits in current remote sensing emission measurement regulation of Beijing municipality besides CO, a static standard gas comparative experiment using remote sensing monitoring device, a correlation experiment between remote sensing measurement accuracy and vehicle speed, and a comparative experiment on exhaust pollution values between remote sensing condition and BASM5024 driving mode condition are conducted.The results indicate that the static standard gas measurement using remote sensing method has a high accuracy with the maximum mean relative error not more than 5%, and when vehicle speed is less than 40km/h, the emission values of CO, HC and NO have no obvious change, while NO shows a certain downward trend with the increase in vehicle speed.The results of comparative experiment between remote sensing condition and BASM5024 operating condition show that there are a rather strong linear correlation between two conditions for CO and NO, but not for HC, therefore it is appropriate to add NO emission limit in remote sensing regulation on the basis of validation by a large amount of experiments.

exhaust emission; remote sensing monitoring; correlation analysis

*原稿收到日期為2013年4月6日，修改稿收到日期為2013年7月22日。