國外機動車排放模型綜述研究

王燕軍，王鳴宇，吉喆，黃志輝，彭頔，解淑霞，梁占彬

(中國環(huán)境科學研究院/國家環(huán)境保護機動車污染控制與模擬國家重點實驗室，北京 100012)

機動車排放作為大氣污染的重要來源，早在二十世紀五六十年代就引起了國際上發(fā)達國家和地區(qū)(如美國、原歐共體等)的重視。但由于機動車量大面廣、型號各異、使用環(huán)境區(qū)別很大，單一機動車的排放差異較大，對單一機動車排放特征的測試無法表征特定使用條件、特定環(huán)境下機動車的整體排放水平，故在不同的歷史時期，許多國家都開發(fā)了不同的機動車排放清單模型來測算機動車的排放量，作為大氣空氣質量模擬或機動車排放管理的重要依據(jù)。

機動車排放模型主要是通過模擬機動車排放特征、代入機動車本身的使用特征進行運算來確定機動車排放量。模型模擬的基本依據(jù)仍來自車輛的排放測試，主要通過典型樣本在實驗室或道路行駛特定的環(huán)境溫度、燃油蒸氣壓、一定的劣化率及特定的測試流程下進行排放測試，從而確定單車的基礎排放因子。在基礎排放因子的基礎上，用一定的數(shù)學方法根據(jù)實際條件下各種影響因素與標準工況的差別對基礎排放因子進行修正，從而得到實際運行狀況下的排放因子，然后統(tǒng)計一定時期內(nèi)整體或局部、某種類型機動車的活動水平，測算給定范圍內(nèi)的機動車排放情況。機動車排放模型的開發(fā)使得決策者、研究人員不必對各種各樣的機動車進行大量的排放測試就可以得到近似精確的排放清單，在排放摸底、政策制定方面具有巨大的優(yōu)勢，因此一些國家在二十世紀很早的時間就開始開發(fā)相關模型，并逐步充實完善。

1 典型機動車排放模型

目前國際上機動車排放模型按照選取排放因子、車輛數(shù)據(jù)等獲取的方法不同，可分為平均速度類模型和行駛工況類模型。平均速度模型主要以MOBILE、EMFAC、COPERT、TREMOD等模型為代表，這類模型以平均速度為污染表征參數(shù)，通過修正后的排放因子乘以行駛里程得到污染物的排放總量。行駛工況類模型建立在對機動車瞬時行駛狀態(tài)的刻畫上，采用某一測試工況瞬時的速度、加速度等參數(shù)，通過一定的數(shù)學關系或物理方法耦合行駛工況與微觀排放因子，計算中觀或微觀尺度機動車動態(tài)排放或油耗，這類模型如IVE、CMEM、MOVES等。

1.1 平均速度模型

1.1.1MOBILE(MOBILE Source Emission factor)模型

美國環(huán)保局(EPA)于1978年開發(fā)了公路機動車排放因子模型MOBILE[1]，用于國家、州到地方的空氣質量規(guī)劃制訂者估算在用機動車的排放量。MOBILE模型源代碼用Fortran語言編寫。經(jīng)過20余年(1978—2006年)的發(fā)展，10余次的修訂，MOBILE已經(jīng)發(fā)展到了MOBILE 6.2，其模型的計算方法越來越完善，不僅考慮了路型和司機行為對排放的影響，而且油品參數(shù)、機動車測試參數(shù)、環(huán)境參數(shù)均有所增加，不但可以計算機動車的各類常規(guī)污染物，而且增加了顆粒物(PM)排放因子(基于美國EPA的PART 5模型)、CO2排放因子、非常規(guī)有毒空氣污染物(HAPs)排放因子的測算等，涵蓋了乘用車、卡車、公交、摩托車等不同的車型。MOBILE模型計算所采用的數(shù)據(jù)主要是通過標準的聯(lián)邦測試程序以及美國EPA對在用車所進行的測試結果，綜合考慮了車輛車型、自重、發(fā)動機類型、車輛維修保養(yǎng)情況以及車輛的行駛里程、溫度、濕度、燃油等不同客觀條件。因此，它的計算結果具有比較好的代表性和可比較性，同時由于其良好的可移植性，在全世界得到了廣泛的應用。

MOBILE排放模型的計算思路：首先根據(jù)基于聯(lián)邦測試規(guī)程(Federal Test Procedure，F(xiàn)TP)進行的新車排放測試結果獲得確定測試單車的基礎排放因子 (Basic Emission Factor，BEF)，然后依據(jù)不同的經(jīng)驗公式對不同速度下在用車排放與新車排放的差異進行速度校正。同時，根據(jù)車輛在實際道路行駛中所處的環(huán)境溫度、負載、油品等的不同進行環(huán)境、油品、負載等修正因子的修正。同時，考慮到新車在行駛一定時間和里程后車輛本身排放情況的劣化，還提出了劣化系數(shù)進行在用車排放的修正，如圖1所示。

圖1 MOBILE排放因子計算方法

1.1.2EMFAC(EMission FACtor)模型

EMFAC模型是美國加州空氣資源局(CARB)獨立開發(fā)的車輛排放模型，于1988年發(fā)布，并經(jīng)過歷次改善逐步更新。CARB于2000年5月發(fā)布了EMFAC 2000，目前已更新到最新版本EMFAC 2017[2]。除了可以計算常規(guī)的機動車污染物[黑炭(HC)、CO、NOx、PM、非甲烷有機氣體(NMOG)等]外，還增加了溫室氣體排放模型(CO2、N2O、CH4等)，更新了公交車的分類，增加了壓縮天然氣(CNG)車輛排放的測試模塊，功能變得更加強大。EMFAC模型的主題框架和計算思路與MOBILE類型是基于Java進行開發(fā)的，界面相對友好，可較容易地修正車速、運行、溫度等參數(shù)。但由于加州車輛排放標準與美國其他州不一致，故該模型外推較為困難。除了加州外，目前我國香港特別行政區(qū)改造了該模型(EMFAC-HK)用于我國香港特別行政區(qū)機動車排放清單開發(fā)。

按照車重和用途等，EMFAC模型中機動車分類如表1所示。模型中燃料類型包括了汽油(包括乙醇汽油)、柴油、天然氣等幾類，排放水平包括LEVI、ULEVI、LEVII、ULEVII、PZEV、ATPZEV、ZEV等不同類型機動車的排放水平。

EMFAC 2017版提供了三種機動車排放計算方法，一種為缺省模塊，允許用戶通過簡單的機動車保有量輸入，利用模型中默認的排放因子、修正因子、活動水平等進行機動車排放宏觀測算；第二種是定制模塊，允許用戶利用EMFAC 2017中提供的模板輸入特征型的替代活動水平進行特定模式下的機動車排放量測算；第三種為項目模塊，允許用戶通過輸入特定的車輛排放速率、特定情形下的機動車活動水平等數(shù)據(jù)進行有目的的機動車排放測算。整個計算流程如圖2所示。

表1 EMFAC模型中機動車分類

圖2 EMFAC模型計算框架

1.1.3COPERT(COmputer Programme to caculate Emissons from Road Transport)模型

COPERT是由歐洲環(huán)保局(EEA)開發(fā)的支持歐洲各國進行宏觀機動車排放清單開發(fā)的基于Windows環(huán)境下的排放模型，目前最新版本為COPERT 4[3]。COPERT模型對車型的分類如表2所示，比美國的MOBILE和EMFAC模型要更細致一些，排放階段根據(jù)歐洲法規(guī)分為歐Ⅰ前、歐Ⅰ、歐Ⅱ、歐Ⅲ、歐Ⅳ、歐Ⅴ、歐Ⅵ等，可計算的污染物不但包括HC、CO、NOx和PM等常規(guī)污染物，還包括有機碳、無機碳、苯、甲基叔丁基醚、1，3-丁二烯、甲醛、乙醛、丙烯醛等非常規(guī)污染物。

COPERT模型將機動車排放分為尾氣排放、蒸發(fā)排放和磨損排放，三類排放源加和得到總的機動車排放，各排放源具體核算的排放內(nèi)容如表3所示。計算時，具體的輸入包括燃料的特性參數(shù)[如消耗量、燃料的瑞德蒸氣壓(RVP)值、組分/含量等]、活動水平數(shù)據(jù)(分類機動車保有量、每種排放階段下車隊組成、每類型車行駛里程、在每種道路上的行駛里程等)、行駛狀況(每種車型、每種道路類型下的平均速度)及其他特性參數(shù)(環(huán)境參數(shù)、平均行駛距離、運行溫度變化范圍等)，結合程序中內(nèi)嵌的各類排放系數(shù)、冷啟動行駛里程比例等，最終計算出機動車排放。

表2 COPERT模型機動車分類

1.1.4TREMOD(TRansport Emission MODel)模型

德國道路交通排放模型主要應用于德國、瑞士、奧地利。該模型第一版始于1990年[4]，最新版為2017年的3.3版。該模型主要基于ACESS軟件平臺，允許用戶選擇車隊特征、堵塞狀況，然后計算綜合排放率。排放構成包括熱尾氣排放、啟動排放、蒸發(fā)排放。最新版本考慮了坡度、大范圍工況對排放的影響。它是德國交通排放計算模型的輸入部分，用于計算道路、非道路車輛的排放和燃料消費。

TREMOD模型由海德堡IFEU開發(fā)，主要由德國聯(lián)邦環(huán)境署、聯(lián)邦高速研究院等政府部門，汽車工業(yè)協(xié)會、石油工業(yè)協(xié)會等社會組織使用，目前版本為5.2版，無公眾版。TREMOD模型中的排放因子由HBEFA模型擬合而來。TREMOD模型分為三大模塊：(1)車隊模塊：之前年份的機動車保有量、新注冊量以及保有量存活曲線等；(2)行駛里程模塊：按道路類型、交通狀況、車輛類型劃分的行駛里程；(3)排放模塊：按車輛類型、交通狀況劃分的排放因子。

道路機動車排放量計算方法與MOBILE類似，基于保有量、行駛里程、排放因子獲得，公式如下：

E=N×M×EF

(1)

式中，N為機動車保有量(輛)；M為行駛里程(千米)；EF為排放因子(克/千米)。

1.2 行駛工況模型

1.2.1 IVE(International Vehicle Emission)模型

IVE模型是由美國加州大學河畔分校、全球可持續(xù)體系研究組織和國際可持續(xù)研究中心共同開發(fā)并于2003年發(fā)布的機動車排放模型[5]。該模型的計算思路采用了機動車宏觀模型的測算方法，也是采用基本排放因子并進行各類修正得到各類技術水平機動車的實際排放因子，不同之處在于基本排放因子的獲取上。此外，還引入了汽車比功率(Vehicle Specific Power，VSP)和發(fā)動機特征強度(Engine Stress，ES)2個參數(shù)反映行駛狀態(tài)對排放率的影響，用于表征機動車瞬態(tài)工作狀態(tài)與排放的關系。VSP一般被定義為瞬態(tài)機動車輸出功率與機動車質量的比值，是由瞬時速度、加速度、坡道阻力、輪胎阻力和空氣阻力共同組成的一個參數(shù)，單位為kW/t，計算方法如式(2)所示。

VSP=v{1.1a+9.81[atan(sinβ)]+0.132}+

0.000302v3

(2)

式中，v為車輛行駛速度(m/s)；α為車輛行駛瞬態(tài)加速度(m/s2)；β為道路坡度。

無量綱參數(shù)ES與機動車瞬時速度和發(fā)動機前20s的歷史VSP有關，如式(3)所示。

ES=0.08Pave+Rindex

(3)

式(3)中，Pave為機動車前25s到前5s的VSP平均值(kW/t)；0.08為經(jīng)驗系數(shù)，單位為t/kW；Rindex為發(fā)動機轉速指數(shù)，是瞬態(tài)速度與速度分割常數(shù)的商，速度分割常數(shù)的取值由v和VSP確定，其取值范圍見表4。

IVE模型利用上述的VSP和ES兩個參數(shù)獲取方法將機動車瞬時工作狀態(tài)分為60個VSP區(qū)間，VSP每增加4kW/t為一個區(qū)間，每個VSP區(qū)間對應不同的排放水平，其排放修正系數(shù)也不盡相同，從而建立起機動車瞬時工作狀態(tài)與排放的對應關系，從而計算機動車在不同行駛工況下的排放因子和排放量。

表4 速度分割常數(shù)取值表

1.2.2MOVES(Motor Vehicle Emission Simulator)模型

近些年來，美國EPA發(fā)布了新一代排放模型MOVES 模型[6-7]，最新版為2014年發(fā)布的MOVES 2014。今后美國EPA將利用MOVES模型取代MOBILE模型作為美國(除加州外)的機動車排放測算法規(guī)模型。MOVES模型不但可以進行宏觀層面的機動車排放計算，也可以進行區(qū)域層面機動車排放計算、可進行替代參數(shù)輸入的中觀層面機動車排放量測算。除此之外，MOVES還可以細致刻畫機動車在微觀層面的活動特征(如某個道路交叉口或某條道路)，進行微觀層面機動車排放量的測算。模型采用的開放性數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)也使得該模型的適應性較強，因此引起了廣泛的關注。

MOVES模型在開發(fā)上借鑒了IVE的開發(fā)思路，也采用了“車輛比功率”(VSP)的方法來表征除了速度以外機動車的行使特征，VSP代表車輛的牽引功率，歸一化為其自身重量，利用機動車的速度、加速度、重量和車輛道路載荷系數(shù)(A，B，C)綜合進行表征，計算方法如下：

上式中，v為速度(m/s)；a為加速度(m/s2)；m為重量(t)；A為滾動阻力(kW-s/m)；B為旋轉阻力(kW-s2/m2)；C為空氣阻力(kW-s3/m3)。

對于重型車，MOVES中采用比例牽引功率(STP)代替VSP進行計算，STP代表車輛牽引功率，按照常數(shù)縮放以適應現(xiàn)有的MOVES運行模式定義。

MOVES中定義的運行模式(VSP分區(qū))分類如表5所示。其中代表“巡航和加速”的共21種模式(VSP> 0)，代表“滑行”的1種模式(VSP ≤0)，代表空轉和減速/制動模式1種[加速度a≤-3.2或者(ai≤-1.6且ai-1≤-1.6且ai-2≤-1.6)]，總共23個分區(qū)。

1.2.3HBEFA(HandBook of Emission FActors for road transport)排放因子模型

HBEFA排放因子模型是德國、瑞士機動車排放相關機構(Infras公司)開發(fā)完成的[8-9]，計算方法主要基于小客車和重型車排放模型獲得(Passenger car and Heavy duty vehicle Emission Model，PHEM)。PHEM原理如下：利用整車臺架測試、發(fā)動機臺架測試、車載排放測試等獲取逐秒的排放數(shù)據(jù)，使用車輛速度、路面坡度、行駛阻力、傳動系統(tǒng)損失等計算逐秒的發(fā)動機動力，使用傳動比和擋位轉換模型等計算逐秒的發(fā)動機速度，建立發(fā)動機動力、發(fā)動機速度與排放之間的關系(排放圖譜或發(fā)動機圖譜)；輸入車輛特征、運行工況(交通模態(tài))、發(fā)動機全負荷曲線等，計算不同車型、不同交通狀況下的模擬值，然后基于瞬態(tài)修正函數(shù)對模擬值進行修正得到排放因子。排放圖譜為油耗或排放隨發(fā)動機動力、發(fā)動機速度的變化曲線圖，主要通過試驗方法確定。

表5 MOVES中的VSP分區(qū)

發(fā)動機動力模擬主要是基于輸入的車輛特征、運行工況計算獲得，公式如下。

Pe=PR+PL+PA+PS+Ptransmission+PAuxiliaries

(5)

其中，PR、PL、PA、PS、Ptransmission分別為克服滾動阻力、克服風阻、加速、克服路面坡度、傳動系統(tǒng)損失所需的功率，PAuxiliaries為輔助設備損失。

發(fā)動機速度模擬基于車輛速度、軸和齒輪傳動比、輪胎直徑計算獲得，公式如下。

其中，v為車輛速度(m/s)；iaxle、igear為傳動軸和齒輪傳動比；Dwheel為輪胎直徑(m)。

擋位轉換策略模擬假定駕駛者操作分為三類：快速駕駛者(速度最快)、經(jīng)濟駕駛者(燃油消耗量最低)、平均駕駛者(介于兩者之間)。

1.2.4CMEM(Comprehensive Modal Emission Model)模型

CMEM模型為加州大學河畔分校開發(fā)的綜合模式排放模型[10]。該模型主要用于考察機動車操作變化下的排放情況。CMEM模型通過表征機動車燃燒過程的參數(shù)的選取和具有物理意義的計算而得到機動車污染物排放的解析式模型。這些參數(shù)包括機動車/技術類型、燃料配送系統(tǒng)、排放控制技術和車齡、機動車質量、發(fā)動機排量、空氣動力曳力系數(shù)等。該模型中的物理基礎概念已在IVE模型中得到應用。這些數(shù)據(jù)由以下幾種參數(shù)決定：機動車/技術類型、燃料配送系統(tǒng)、排放控制技術和車齡、機動車質量、發(fā)動機排量、空氣動力曳力系數(shù)等。該模型主要用于研究不同機動車工作狀態(tài)下的排放，其分類方法也與別的排放模型不一樣(如表6所示)。該模型的另一獨有特征為對后處理裝置失效車排放的模擬，可用于預測逐秒尾氣排放和燃料消費。其缺點是需要輸入大量的基礎數(shù)據(jù)。

表6 CMEM機動車技術分類

CMEM模型運行需要兩組輸入：(1)輸入操作變量；(2)模型參數(shù)。在模型中還有四個運行條件：(1)多變的熱浸時間啟動；(2)理想空燃比運行；(3)富燃；(4)貧燃。熱穩(wěn)定機動車運行包括(2)到(4)狀況。通過機動車功率要求與兩個功率要求極限來比較，模型能夠確定在給定時間內(nèi)機動車運行的工況。當機動車功率要求超出功率增大極限時，運行工況就從理想空燃轉為富燃，運行工況對燃料/空氣比、發(fā)動機輸出排放和催化劑通過分數(shù)也有直接影響。模型的輸出是機動車尾氣管排放和燃料消耗。

2 模型適用性分析

平均速度模型往往被稱為宏觀測算模型，主要是考慮了新車技術水平、將具有大樣本量的新車排放測試結果統(tǒng)計作為基本排放因子，適用平均速度作為機動車在實際道路上行駛的典型特征參數(shù)來表征機動車在實際行駛狀況下的排放，然后綜合考慮行駛里程對排放劣化的影響以及環(huán)境溫度、負荷率和燃油特征、使用維護情況(I/M制度)等對機動車實際排放的影響，采用系數(shù)修正的方法得到綜合的排放因子。這種方法直觀明確，較為簡便，是最早出現(xiàn)的一代宏觀層面機動車排放量估算模型，如美國的MOBILE 和EMFAC模型，歐洲的COPERT模型。近些年來，僅采用平均速度作為機動車行駛特征參數(shù)的方法、弱化其他參數(shù)的影響是否可以準確預測機動車排放成為國際上關注的焦點問題之一。另一方面，用來得到基本排放因子的法規(guī)工況與機動車在實際道路上的行駛工況往往差別也較大，法規(guī)工作測試結果是否可以作為體現(xiàn)機動車基本排放狀況的基本排放因子也在持續(xù)研究關注中。盡管有著諸多爭論，但由于該類模型數(shù)據(jù)輸入?yún)?shù)較少、計算方便、在宏觀層面機動車排放清單估算上具有較強的優(yōu)勢，故仍在廣泛應用。

但由于宏觀機動車排放模型無法刻畫動態(tài)過程的機動車排放特征，越來越不太適用于機動車排放精細刻畫以及環(huán)境管理對機動車排放精細化管理的需求。在幾種數(shù)學關系類機動車排放模型中，CMEM模型需要用到具體車輛發(fā)動機的各種物理參數(shù)，更多地適用于指定車隊的動態(tài)排放刻畫，不太適宜道路有不同類型機動車排放的刻畫。HBFFA模型則需要根據(jù)不同發(fā)動機的MAP圖確定排放因子，不但需要大量的試驗來確定不同發(fā)動機在不同轉速、不同負載下的排放因子，而且具體發(fā)動機信息在交通流車輛結構刻畫時也難以獲得，在現(xiàn)階段尚不太適用于我國動態(tài)機動車排放模型開發(fā)借鑒。IVE模型和MOVES模型中都利用機動車的VSP分布作為機動車排放刻畫的一個參數(shù)，IVE模型利用發(fā)動機負荷(ES)作為機動車排放刻畫的另一個參數(shù)，而MOVES模型則利用機動車的速度、加速度作為機動車排放刻畫的另一個參數(shù)。作為交通流中的機動車行為解析時，機動車的速度、加速度容易解析，而發(fā)動機的負荷則需要通過車輛的其他參數(shù)加以計算獲取。二者相比，MOVES模型更方便用于動態(tài)過程中機動車排放特征的研究，MOVES模型也成為環(huán)境管理部門進行不同尺度機動車排放清單開發(fā)的代表性模型。不同機動車排放模型的比較如表7所示。

3 結論與啟示

目前國外機動車排放模型研究已由宏觀測算模型逐步轉向中等尺度、微觀尺度機動車排放模型開發(fā)，機動車排放清單開發(fā)已由宏觀靜態(tài)機動車排放清單開發(fā)逐步轉向基于交通流和耦合行駛工況的機動車動態(tài)排放清單開發(fā)。各種機動車模型在排放測算、政策開發(fā)評估、微觀排放測算等方面適用性不同，能同時進行不同維度機動車排放測算的模型是機動車排放模型發(fā)展的方向。

2007—2009年間，在借鑒國際上先進開發(fā)思路的基礎上，中國環(huán)境科學研究院利用多年的中國機動車臺架、道路實測結果和機動車活動水平調查數(shù)據(jù)開發(fā)了中國機動車污染排放的宏觀測算模型(Chinese Vehicle Emission Model，CVEM)，為生態(tài)環(huán)境部(原環(huán)境保護部)進行機動車污染狀況分析與決策提供了工具支撐。由于近些年來我國相關管理部門對機動車排放精細化管控的需要，我國相關科研院所，如中國環(huán)境科學研究院、清華大學、北京交通大學、北京交通發(fā)展研究院等，也正在積極探索開發(fā)適用于我國機動車行駛工況特征、車輛類型和排放等級的機動車瞬態(tài)模型，以期能夠在更高的時間、空間維度上細致刻畫機動車的動態(tài)排放過程。

表7 不同機動車排放模型應用比較