基于PEMS的高里程CNG出租車排放特性研究

沈 聰，李舜酩，王運靜，呂 猛，李 軼，祖 雷，劉澤民

(1.南京航空航天大學 能源與動力學院， 南京 210016；2.中國環境科學研究院 國家環境保護機動車污染控制與模擬重點實驗室， 北京 100012)

大氣污染源解析表明[1]，機動車排放污染物已經成為城市環境空氣污染的重要來源。作為區域機動車污染治理的重要依據，機動車污染源排放清單的制定逐步進入精細化時代[2-4]，其估算的準確性對政策制定及污染防治工作的開展至關重要。在排放清單的估算時主要是參考《道路機動車大氣污染物排放清單編制技術指南(試行)》(本文簡稱為指南)中的排放因子，其中輕型車的排放因子主要是在實驗室按認證工況通過轉鼓試驗獲得[5]。而隨著車載測試技術的發展，越來越多的研究表明：實際道路行駛工況下的機動車排放水平要比實驗室認證行駛工況下的惡劣得多[6-8]。機動車排放因子用以表征單位行駛里程內機動車污染物的排放量，作為排放清單制定的基礎，其準確性、完整性顯得尤為重要。

隨著國民經濟的快速發展，城市出租車的保有量持續上漲，其中許多城市CNG出租車的占比不斷增大。由于出租車具有行駛里程大、單車排放量高、排放劣化程度高等特點，其為城市機動車污染物排放的重要來源之一，因而備受環保工作者的重視[9-12]。據生態環境部通報，2016年北京市重污染天氣應急響應的專項督查發現，里程超過30萬km的出租車排放超標率達到80%～90%。而目前國內尚缺少專門針對高里程CNG出租車實際道路排放特性的研究。影響機動車排放的因素很多，包括技術水平、行駛工況、負載、氣候環境等[13]，其中行駛工況對機動車的實際排放影響最大。本文選取一類國Ⅳ高里程CNG出租車運用車載測試系統(PEMS)開展道路排放測試試驗，基于試驗數據分析行駛工況對其CO2、CO、NOx、HC排放的影響，為進一步完善本土化機動車排放清單模型提供數據支撐。

1 試驗

1.1 試驗設備及方法

本研究使用的車載排放測試系統為美國SENSORS公司生產的SEMTECH-ECOSTAR系統。采用非分散紅外分析法(NDIR)測量CO、CO2。采用不分光紫外線測量技術(NDUV)測量NO、NOx。采用氫離子火焰法(FID)測量總碳氫(THC)。自帶的GPS可逐秒記錄車輛的地理位置和行駛速度等信息。溫濕度計記錄試驗過程中車輛所處環境信息。尾氣流量計用于排氣流量測量。主控電腦可以實時對各模塊進行控制和數據監測。

完成設備的安裝后(設備的安裝示意圖如圖1所示)，在測試開始前，需要對儀器設備進行檢漏、預熱，并分別用標準氣對各氣態分析模塊進行標零、標定，以保證測量結果的準確性。之后參考相關技術法規[14]，按照既定的路線進行實際道路排放測試。

圖1 出租車試驗設備安裝示意圖

1.2 試驗車輛及測試環境

試驗用CNG出租車涵蓋了市面上常見的車型(主要為捷達、桑塔納等)，其累積行駛里程范圍在30～60萬km， 排放標準為國Ⅳ，排量為1.6 L。測試開展于冬季，溫度為(6±3)℃，相對濕度為24%±5%，平均大氣壓為102.7 kPa，平均海拔高度為22 m。測試路線選擇在北京燕郊境內，主要涉及到匯福路—京哈公路—迎賓路—木燕路—龍塘路—七大路—京平高速—縣道—福成路—京哈公路—東環路等，總長度約為59 km。

2 試驗數據分析

2.1 總體排放特性

運用后處理軟件對實驗數據進行預處理后，計算得到所測試高里程CNG出租車整個行程的平均綜合排放因子，其中CO2、CO、NOx、HC分別為155.13、0.09、1.42、0.93 g/km。圖2為實測平均值、國Ⅳ標準排放限值與指南里國Ⅳ替代燃料出租車的排放因子對比情況，從中可以發現：3種污染物都具有較大的差異，其中NOx、HC分別超過排放限值近18倍和9倍。這可能與后處理設備劣化失效有關，故需加強對大行駛里程CNG出租車的維護保養。結合前人研究結果[11,15-16]，發現出租車實際道路排放超標比例高，且超標程度大，若直接采用指南中的排放因子估算實際道路上的出租車污染物排放量，可能會導致排放清單被大大低估。

圖2 CNG出租車實際道路、指南中的排放因子和排放限值對比

圖3為高里程CNG出租車在加速、勻速、減速、怠速工況下CO2、CO、NOx、HC的排放占比情況。從中可以發現：雖然加速工況僅占整個測試過程的23%，但各污染物排放貢獻率均超過50%；勻速工況(加速度的絕對值小于等于0.1 m/s2被視為勻速)占整個過程的近一半，但各污染物排放貢獻率卻較?。粶p速工況下，各污染物排放貢獻率位居第2；怠速工況下，雖然其時間占比最小、排放貢獻率也最少，但此時車輛處于靜止狀態，其排放因子可認為無限大。

圖3 4種工況下各污染物的排放貢獻率

2.2 速度與排放的關系

為了分析高里程CNG出租車排放與速度的關系，結合實際行駛特點，將速度劃分為10個連續的區間，即(0,10]，(10,20]，(20,30]，(30,40]，(40,50]，(50,60]，(60,70]，(70,80]，(80,90]，(90,+∞]，各排放因子與速度區間的曲線變化情況如圖4所示?？梢钥闯觯篊O2、CO和HC的排放因子在低速區間(v≤20 km/h)內較高，隨著車速的提升總體呈下降趨勢。值得注意的是，CO在中高速區間排放因子趨近于0。NOx的排放因子總體規律比較復雜，其走勢在v≤40 km/h區間內為基本持平狀態，而在v>40 km/h區間波動較大；NOx在高速區間的排放貢獻率最高。

圖4 排放因子與速度的關系

2.3 加速度與排放的關系

為了探究高里程CNG出租車加速度對排放的影響，避免速度區間過多影響結果分析，權衡后選取了5段典型速度區間，并根據車輛行駛狀況下的加速度出現頻率將加速度劃分為10個區間，即(-∞,-1]，(-1,-0.6]，(-0.6,-0.3]，(-0.3,- 0.1]，(-0.1,0]，(0,0.1]，(0.1,0.3]，(0.3,0.6]，(0.6,1]，(1,+∞]，其變化趨勢如圖5所示。從圖5中可以明顯看出：各速度區間下CO2的排放因子隨加速度的增大總體呈上升趨勢。對于CO和HC的排放因子，在020 km/h區間，隨加速度的增大，CO的排放因子先增大后減小，HC的排放因子總體上有略微的增長。對于NOx的排放因子，隨著加速度的增大，在030 km/h區間總體呈增長趨勢。這是由于車輛加速時，發動機需要更多的燃料燃燒以提供更強勁的動力，往往會導致氣缸內溫度加劇升高，從而加劇了NOx的產生[17]。

圖5 排放因子與加速度的關系

2.4 VSP與排放的關系

機動車比功率(vehicle special power，VSP)表示發動機每牽引1 t質量所輸出的功率，單位為 kW/t，其綜合了車輛速度、加速度、道路坡度以及阻力系數等一系列參數[18]。對其簡化后，轉化成與行駛速度、加速度和坡度后的關系函數為

VSP=v[1.1a+9.81(atan(sinθ))+0.132]+

0.000 302v3

(1)

式中：v為行駛車速(m/s)；a為加速度(m/s2)；θ為道路坡度(rad)。

通過分析比功率的分布區間和頻率，并參考相關文獻[19-20]，將VSP劃分成12個區間，即(-∞,-1]，(-1,0]，0，(0,1]，(1,2]，(2,3]，(3,4]，(4,5]，(5,6]，(6,7]，(7,8]，(8,+∞]。圖6為高里程CNG出租車的VSP與其CO2、CO、NOx、HC排放因子和排放率的關系曲線，可以看出：CO2、NOx的排放因子和排放速率整體呈增長態勢，值得指出的是在VSP=0(怠速)時NOx的排放速率趨近于0。對于CO，其排放因子和排放速率整體先遞增后銳減。對于HC，其排放因子先增大后逐漸減?。黄渑欧潘俾收w呈遞增趨勢。隨著比功率的增大，發動機輸出功率愈大，耗油量增加，燃燒溫度較高，導致了高CO2、NOx排放。而較高的燃燒溫度促進了碳氫燃料的充分燃燒，從而降低了CO、HC的排放?？傮w而言，各污染物排放因子和排放速率隨VSP的變化趨勢有較高的一致性，這也再次驗證了VSP能較好地反映車輛運行工況和污染物排放情況之間的關系。

圖6 排放因子和排放速率與VSP的關系

3 結論

1) 測試高里程CNG出租車的CO2、CO、NOx和HC平均綜合排放因子分別為155.13、0.09、1.42、0.93 g/km，其中NOx和HC超標嚴重。對比發現，其與參與排放清單計算的排放因子偏差較大，這可能會導致機動車污染排放清單被低估。同時，需加強對該類出租車的維護保養。

2) 高里程CNG出租車CO2、CO和HC的排放因子在低速區間內較高，隨著車速的提升總體呈下降趨勢，而NOx的排放因子總體規律比較復雜，其隨速度上升會產生較大的波動。

3) 相比其他工況，高里程CNG出租車在加速工況下，各污染物的排放貢獻率最高。在不同的速度區間下，CO2和HC的排放因子隨加速度的增大總體呈上升趨勢。CO的排放因子隨加速度的增大先增大后減小。NOx的排放因子，在低速區間內，隨加速度波動幅度不大且變化規律較弱。而在中高速區間，隨加速度增大有明顯的增長趨勢。

4) 各排放物排放因子和排放速率隨VSP的變化趨勢有較高的一致性，用VSP能夠更好地量化高里程CNG出租車運行工況與污染物排放之間的關系。其中NOx的排放因子和排放速率整體隨VSP的增大呈增長態勢。對于CO，當VSP<0時，呈遞增趨勢；當VSP>0時，其排放因子和排放速率整體銳減。對于HC，其排放速率整體呈遞增趨勢，排放因子先增大后減小。