城市交通環(huán)境下貨運(yùn)車輛燃油消耗與排放測(cè)算及模型構(gòu)建

曾 勇，聶 斌

(1.武警后勤學(xué)院 軍交運(yùn)輸系，天津 300309；2.蚌埠汽車士官學(xué)校 運(yùn)輸勤務(wù)系，安徽 蚌埠 233011)

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城市交通環(huán)境下貨運(yùn)車輛燃油消耗與排放測(cè)算及模型構(gòu)建

曾 勇1，聶 斌2

(1.武警后勤學(xué)院 軍交運(yùn)輸系，天津 300309；2.蚌埠汽車士官學(xué)校 運(yùn)輸勤務(wù)系，安徽 蚌埠 233011)

針對(duì)城市貨運(yùn)車輛燃油消耗及排放問題，基于城市3種不同交通狀態(tài)的劃分，分別探討各狀態(tài)下的燃油消耗規(guī)律和測(cè)算模型，并引入各狀態(tài)對(duì)應(yīng)的車速、里程、交叉口平均間隔、綜合百公里基本油耗等參數(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)貨車燃油消耗和排放與城市交通狀態(tài)有機(jī)結(jié)合。

城市交通；貨運(yùn)車輛；燃油消耗；排放

近年來，由于城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及城市化進(jìn)程的加快，城市交通量急劇增加。交通運(yùn)輸在為城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來生機(jī)的同時(shí)，其產(chǎn)生的能源與環(huán)境問題也給城市可持續(xù)發(fā)展提出了挑戰(zhàn)。統(tǒng)計(jì)表明，交通能源消費(fèi)在總能源消耗中的比例也在逐漸提高，已經(jīng)占總量的大約1/3，而道路交通系統(tǒng)則占整個(gè)交通運(yùn)輸行業(yè)能耗總量的60%以上。盡管很多城市紛紛出臺(tái)一些政策規(guī)定來限制市區(qū)內(nèi)貨車的運(yùn)行，使城市貨運(yùn)交通能耗有所下降，但依然占有較大的比例，因此，研究城市交通節(jié)能減排，仍需重視貨運(yùn)領(lǐng)域的能耗問題。

目前專門針對(duì)城市貨運(yùn)能耗的研究很少，很多研究都是關(guān)于城市交通燃油消耗方面的。如隗海林等[1]應(yīng)用車載油耗實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)長(zhǎng)春市交通進(jìn)行了實(shí)時(shí)油耗測(cè)試試驗(yàn)，建立了平均速度下的油耗模型，主干路、次干路、支路的速度油耗模型以及基于加速度的瞬時(shí)油耗模型；張健等[2]探索了我國城市道路變速交通下的車輛油耗模型；唐陽山等[3]將車輛通過交叉口的整個(gè)過程分為怠速、啟動(dòng)、加速等工況，并對(duì)代表車型進(jìn)行試驗(yàn)，探索了交叉口處車輛的燃油消耗規(guī)律；艾國和[4]分別運(yùn)用油耗儀與碳平衡法在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定了試驗(yàn)車型在城市工況下的油耗，并用油耗儀測(cè)定相同情況下在試驗(yàn)場(chǎng)的油耗，進(jìn)行了對(duì)比研究；彭美春等[5]以不同載質(zhì)量的營運(yùn)貨車為試驗(yàn)車輛，采用車載測(cè)試方法，對(duì)營運(yùn)貨車道路運(yùn)行油耗及碳排放因子進(jìn)行了研究；鄭天雷等[6]基于重型貨車發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和整車參數(shù)，對(duì)各型貨車在不同質(zhì)量、空阻系數(shù)等參數(shù)設(shè)定下的工況燃油消耗量進(jìn)行了計(jì)算；高龍等[7]研究了北京市外地進(jìn)京貨車的污染排放貢獻(xiàn)率以及超限超載帶來的污染物排放增加情況。而通過檢索發(fā)現(xiàn)，只有少量的文獻(xiàn)在研究城市交通能耗時(shí)涉及到城市貨運(yùn)能耗問題。本文著眼于節(jié)能減排，在分析貨車基本能耗前提下，分交通狀態(tài)對(duì)城市貨運(yùn)能耗情況進(jìn)行分析研究，以探索降低城市貨運(yùn)能耗、減少排放的對(duì)策措施。

1 城市貨車各交通狀態(tài)下的燃油消耗分析

城市的交通運(yùn)行狀況比較復(fù)雜，包括暢通、擁堵和交叉口排隊(duì)等待多種交通狀態(tài)。貨車在城市運(yùn)行時(shí)，各種交通狀態(tài)下所對(duì)應(yīng)的速度、百公里油耗以及行駛里程均不相同，并影響到貨運(yùn)燃油消耗量和城市環(huán)境排放。結(jié)合城市交通運(yùn)行的實(shí)際情況，可將城市貨車交通環(huán)境分為3種狀態(tài)(如圖1所示)，即交叉口道路狀態(tài)、非交叉口道路低速行駛狀態(tài)和非交叉口交通暢通狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)3種狀態(tài)下的燃油消耗模型，實(shí)現(xiàn)貨運(yùn)能耗與城市交通狀態(tài)的有機(jī)結(jié)合。

圖1 根據(jù)車速和交叉口間距區(qū)分的城市貨運(yùn)油耗3種情況

1.1 城市交叉口道路貨車燃油消耗預(yù)測(cè)分析

城市對(duì)于貨運(yùn)交通一般都有相應(yīng)的禁限規(guī)定，貨車主要是在中心市區(qū)之外運(yùn)行，或是深夜才進(jìn)入中心市區(qū)，盡管如此，城市交通特征還是會(huì)對(duì)油耗產(chǎn)生重要影響。在城市交通環(huán)境中，影響油耗預(yù)測(cè)模型的因素很多，如交通量、行駛速度、連接道路長(zhǎng)度、交叉口類型等，為了得出單車燃油消耗的預(yù)測(cè)模型，首先須對(duì)油耗指標(biāo)進(jìn)行聚類分析，找出各油耗指標(biāo)、影響因素指標(biāo)之間的相關(guān)性，從中確定對(duì)油耗影響最大的幾個(gè)因素進(jìn)行分析。據(jù)現(xiàn)有研究，在市區(qū)，油耗主要受交叉口距離和實(shí)際速度影響。設(shè)城市交叉口情況下貨車的百公里油耗為Qjc，以中型汽油貨車EQ1090為試驗(yàn)車型，依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得到的計(jì)算公式為[8]

Qjc=39.67L-0.14(1+28.12V-1.79)

(1)

式中：L為市區(qū)交叉口的平均間隔距離，m；V為貨車在市區(qū)交叉口路段平均運(yùn)行速度，km/h。其中，L的范圍是(0，3 000)，V的范圍是(0，50)。

如圖2所示，對(duì)于中型貨車來說，低速行駛或密集的交叉口均導(dǎo)致高油耗。

圖2 考慮城市交叉口的中型貨車百公里油耗情況

1.2 城市非交叉口道路貨車低速行駛狀態(tài)下油耗分析

在市區(qū)高速路、快速路、全立交道路以及市郊道路上，由于高峰車流較大而導(dǎo)致車輛低速行駛(V<50 km/h)，是影響其油耗的主要因素，此時(shí)稀疏交叉口(L>3 000 m)的影響已不顯著，故將這一交通運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)稱之為城市非交叉口道路低速行駛狀態(tài)。根據(jù)已有的研究數(shù)據(jù)[1，9]，當(dāng)試驗(yàn)車輛金杯SY6480型汽車處于均勻低速行駛時(shí)，其單位時(shí)間油耗隨著車速是先減后增。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，當(dāng)車速小于20 km/h時(shí)，加減速比較頻繁，車速相對(duì)不夠穩(wěn)定，所以在研究穩(wěn)態(tài)下油耗變化規(guī)律過程中，只取車速大于20 km/h時(shí)油耗的變化情況，然后推廣到車速小于20 km/h時(shí)的油耗。將單位時(shí)間油耗轉(zhuǎn)換為百公里油耗，并進(jìn)行曲線擬合(如圖3所示)，得到油耗Qyd與速度V的關(guān)系模型為

(2)

圖3 車輛均勻低速行駛時(shí)油耗與速度擬合曲線

1.3 城市非交叉口道路交通暢通狀態(tài)下貨車油耗分析

對(duì)應(yīng)于城市非交叉口道路低速行駛狀態(tài)，將車速≥50 km/h的交通狀態(tài)歸為交通暢通狀態(tài)。

根據(jù)前面的研究分析，各指定速度(即40 km/h，50 km/h，60 km/h，70 km/h，80 km/h)下的綜合(滿載等速)百公里油耗，為評(píng)價(jià)車輛在此交通狀態(tài)下的油耗情況提供了重要的參考依據(jù)。本文利用所有重型和中型貨車在各指定速度下油耗的平均值，采用二次方程的回歸分析結(jié)果(如圖4所示)。設(shè)貨車的行駛速度為V，通暢情況下綜合(滿載等速)百公里油耗為Qtc，回歸方程為

Qtc=16.079 9-0.074 998V+2.596 8×10-3V2

(3)

式中V的取值范圍為[50，110)。

圖4 暢通情況下貨車油耗與速度擬合曲線

1.4 城市貨車3種情況下油耗模型的匯總

對(duì)城市貨車3種情況下的油耗模型進(jìn)行匯總，并采用當(dāng)量燃油消耗的方法，對(duì)油耗模型按照指定標(biāo)準(zhǔn)車型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到可應(yīng)用于所有貨車車型的油耗計(jì)算模型(見表1)。

表1 城市貨車3種情況下的油耗模型

1.4.1 汽車當(dāng)量燃油消耗

由于貨車的車型比較多，為了便于進(jìn)一步分析、推算和比較各型貨車的燃油消耗，采用了當(dāng)量燃油消耗的概念，即各種車型相對(duì)于某一指定車型的燃油消耗[9]。選定某一車型為基準(zhǔn)車型，根據(jù)各具體車型貨車的綜合百公里油耗，即可計(jì)算出各具體車型相對(duì)于基準(zhǔn)車型的當(dāng)量燃油消耗。即

Ki=Qzi/Qzb

(4)

式中：Ki為車型i貨車的當(dāng)量燃油消耗；Qzi、Qzb分別為某車型i和指定車型的綜合百公里油耗。

1.4.2 油耗模型匯總

如上文分析，依據(jù)不同的道路情況和運(yùn)行速度，劃分出3種城市貨運(yùn)交通狀態(tài)。對(duì)于3種情況下所使用的試驗(yàn)車型，分別設(shè)定其綜合百公里油耗，并依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行推算賦值。在初始油耗模型基礎(chǔ)上，依據(jù)當(dāng)量燃油消耗Ki對(duì)模型按照指定基準(zhǔn)車型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可得到任意車型貨車在該交通狀態(tài)下的燃油消耗模型(見表1)。

2 基于3種狀態(tài)的城市貨車油耗和污染物排放量計(jì)算模型

2.1 城市貨車燃油消耗綜合計(jì)算模型

設(shè)車型i的貨車年平均行駛里程為Si(km)，其中市區(qū)交叉口道路上的行駛里程占比Pjci，非交叉口道路低速狀態(tài)下的占比Pydi，暢通狀態(tài)下的占比Pcti(Pcti=1-Pjci-Pydi)，對(duì)應(yīng)的平均運(yùn)行速度為Vjci、Vydi、Vcti(km/h)，則車型i貨車年燃油消耗量Ci(L)為

Ci=Ni(QjciSiPjc+QydiSiPydi+QctiSiPcti)/100=NiSi[Pjcif(Li,Vjci,Qzi)+Pydig(Vydi,Qzi)+Pctih(Vcti,Qzi)]/100

(5)

對(duì)于所有貨車，年燃油消耗總量C(L)為

C=∑Ni(QjciSiPjci+QydiSiPydi+QctiSiPcti)/

100=∑{NiSi[Pjcif(Li,Vjci,Qzi)+Pydi

g(Vydi,Qzi)+Pctih(Vcti,Qzi)]}/100

(6)

所有貨車的年均百公里油耗Q(L/100 km)為

Q=100C/∑NiSi

(7)

2.2 城市貨運(yùn)車輛污染物排放量測(cè)算模型

依據(jù)各型貨車的污染物排放因子，結(jié)合城市交通運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，即可測(cè)算污染物排放量。設(shè)車型i在市區(qū)交叉口道路、非交叉口道路低速狀態(tài)和暢通狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)污染物j的排放因子為Ejcij、Eydij、Ectij(g/km·veh)，則車型i貨車污染物j年排放量QEij為

QEij=Ni(EjcijSiPjci+EydijSiPydi+EctijSiPcti)

(8)

其中污染物j分別是指HC、CO、NOx。

根據(jù)式(3)，即可得到污染物j的年排放總量：

QEj=∑iNi(EjcijSiPjci+EydijSiPydi+EctijSiPcti)

(9)

車型i貨車的所有污染物年排放總量：

QEi=Ni∑j(EjcijSiPjci+EydijSiPydi+EctijSiPcti)

(10)

貨車污染物年排放總量：

QE=∑i∑jNi(EjcijSiPjci+EydijSiPydi+

EctijSiPcti)

(11)

3 模型實(shí)踐應(yīng)用

根據(jù)所建立的一系列回歸模型和推理模型，對(duì)北京市貨運(yùn)車輛的燃油消耗及排放情況進(jìn)行測(cè)算，在直接數(shù)據(jù)缺失的情況下，初步得到相應(yīng)的能耗與排放情況。以2014年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例，重、中、輕、微4型貨車分別為72 872、29 731、137 003、12輛，可見微型貨車數(shù)量很少。

根據(jù)貨車單車年平均行駛里程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，按300個(gè)工作日計(jì)算，得到4型貨車單車日平均行駛里程分別為153.4、126.7、109.7、105.7 km。依據(jù)北京市關(guān)于貨車的禁限規(guī)定，如四環(huán)路(含)以內(nèi)道路，6：00～23：00禁止載貨汽車通行；五環(huán)路主路，6：00～22：00，禁止8 t(含)以上載貨汽車通行；外省、區(qū)、市載貨汽車在辦理進(jìn)京貨運(yùn)通行證后，準(zhǔn)許每天0：00～6：00進(jìn)入五環(huán)路(含)以內(nèi)道路行駛等等，可分析出各型貨車市內(nèi)主要行駛區(qū)域，結(jié)合城市道路實(shí)際情況，進(jìn)而得到4型貨車對(duì)應(yīng)的交叉口距離分別為1 069.8、713.2、696.1、630.5 m。依據(jù)北京各型道路不間斷的實(shí)際速度測(cè)量值，可得到工作日各型道路各時(shí)間區(qū)段的平均速度(年平均值)，對(duì)于4型貨車而言，交叉口道路的平均速度分別為31.7、35.7、39.6、43.6 km/h；非交叉口道路低速狀態(tài)的平均速度分別為46.6、48.0、49.0、50.0 km/h；非交叉口道路暢通狀態(tài)的平均速度分別為56.9、63.0、71.1、78.2 km/h。依據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和測(cè)算模型最終得到的結(jié)果值見表2。

表2 北京市2014年貨車燃油消耗和排放測(cè)算結(jié)果表

這一結(jié)果反映了城市貨車燃油消耗和排放的基本規(guī)律，也對(duì)部分當(dāng)前無法直接測(cè)量的指標(biāo)給出了初步的測(cè)算值，為有關(guān)政策措施的制定提供了基本參考和決策依據(jù)。

4 結(jié) 語

本文通過劃分城市貨車運(yùn)行狀態(tài)，將燃油消耗與城市交通有機(jī)結(jié)合，有助于更真實(shí)、準(zhǔn)確地反映城市貨運(yùn)油耗，并可從貨車油耗和排放變化中反映出城市交通管理水平及效果。城市貨運(yùn)交通運(yùn)輸及其燃油消耗和環(huán)境排放是城市交通建設(shè)發(fā)展過程中必須高度重視的問題。隨著各城市陸續(xù)出臺(tái)一些有針對(duì)性的貨運(yùn)交通運(yùn)輸政策和規(guī)定，對(duì)于改善貨運(yùn)交通環(huán)境、提高燃油效率、推進(jìn)節(jié)能減排，都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 隗海林,王勁松,王云鵬,等.基于城市道路工況的汽車燃油消耗模型[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2009,39(5):1146-1150.

[2] 張健,李江.變速交通流下的車輛油耗規(guī)律[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2002,32(4):59-61.

[3] 唐陽山,張健,田國紅.城市道路交叉口的車輛運(yùn)行油耗研究[J].遼寧工學(xué)院學(xué)報(bào),2004,24(1):68-70.

[4] 艾國和.典型城市道路車輛燃油消耗研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2005:56-60.

[5] 彭春美,李嘉如,胡紅斐.營運(yùn)貨車道路運(yùn)行油耗及碳排放因子研究[J].汽車技術(shù),2015(4):37-40.

[6] 鄭天雷,金約夫,張曉龍.重型貨車關(guān)鍵參數(shù)對(duì)油耗影響的模擬分析[J].天津科技,2015,42(4):24-27.

[7] 高龍,童亮.北京市超限超載貨車污染物排放因子模型分析與建立[J].公路交通科技,2015(7):247-249.

[8] 王煒,項(xiàng)喬君,常玉林,等.城市交通系統(tǒng)能源消耗與環(huán)境影響分析方法[M].北京:科學(xué)出版社,2002:66-69.

[9] 高磊.基于城市道路工況的汽車燃油消耗模型研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2007:47-50.

(編輯：張峰)

Calculation and Model Establishment of Fuel Consumption and Emission of Freight Vehicles in City Traffic Environment

ZENG Yong1, NIE Bin2

(1.Military Traffic and Transportation Department, Logistics University of PAP, Tianjin 300309, China; 2.Transportation Service Department, Bengbu Automobile NCO Academy, Bengbu 233011, China)

To address the problems caused by fuel consumption and emission of freight vehicles in big cities, this paper, divides city traffic into three different states. The fuel consumption tendency and the calculation model under each state are discussed and the parameters like speed, mileage, average intersection interval and the basic fuel consumption of a hundred kilometers are introduced. This study is of practical value for the coordination between freight vehicle fuel consumption and the traffic in big cities.

city traffic; freight vehicles; fuel consumption; emission

2016-01-25；

2016-05-30．

曾 勇(1980—)，男，博士，講師．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2016.11.011

U471.23；X734.2

A

1674-2192(2016)11- 0044- 05