基于MOVES分析汽油組分對機(jī)動車的污染排放影響

王同猛 管丞昊

摘 要： 選取西安市輕型客車為研究對象，利用MOVES移動源排放模型，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)，模擬計(jì)算各汽油組分對輕型客車污染排放因子的影響。經(jīng)過測算，得知硫含量和雷德蒸汽壓對CO和HC的排放敏感性較強(qiáng)，汽油中硫含量由500×10-6降至10×10-6可令CO的排放降低47.25%，HC的排放降低49.13%，而雷德蒸汽壓由14 psi降至8 psi可令CO減排36.41%，HC減排13.17%，而芳烴含量只對CO敏感，芳烴含量由50%降至20%可令CO的排放降低17.61%，而烯烴含量由10%增加到22%令NOx和CO的排放分別增加了4.46%，3.42%，而HC的排放降低了2.19%，四項(xiàng)指標(biāo)對于PM的排放均影響甚微，對CO2的排放則無影響。

關(guān) 鍵 詞：汽油組分;排放因子;MOVES;敏感性

中圖分類號：TE 624 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）06-1280-04

Analysis on Impact of Gasoline Components on Motor

Vehicle Emissions Based on MOVES

WANG Tong-meng1，GUAN Cheng-hao2

（1. College of Environmental Science and Engineering， Changan University， Shaanxi Xian 710064， China;

2. Zhejiang Guangchuan Engineering Consulting Co.，Ltd.，Zhejiang Guangchuan 310020， China）

Abstract： Taking light-duty vehicles in Xian city as the research object， combined with measurement data， effect of gasoline components on emission factor was simulated by MOVES. The results show that sulphur content and Reid vapor pressure are very sensitive to the emissions of CO and HC; the decrease of sulphur content from 500×10-6 to 10×10-6 can reduce CO and HC emission by 47.25% and 49.13%， respectively; the decrease of Reid vapor pressure from 14 psi to 8 psi can reduce CO and HC emission by 36.41% and 13.17%， respectively; the aromatic content is only sensitive to the emissions of CO， and the decrease of aromatic content from 50% to 20% can reduce emission of CO by 17.61%; the increase of olefin content from 10% to 22% can reduce emission of HC by 2.19%， while can increase the emission of NOx and CO by 4.46% and 3.42%; all of four effect factors can slightly affect emissions of PM， and have no effect on CO2 emission.

Key words： Gasoline components; Emission factors; MOVES; Sensibility

近年來，西安市的機(jī)動車保有量迅速增長，由2000年的134 757輛增長到2012年的1 319 081輛[1]，機(jī)動車數(shù)量的劇增，隨之而來的是機(jī)動車污染物排放的增加，而西安市達(dá)到國IV標(biāo)準(zhǔn)及以上的車輛僅占機(jī)動車總量的9.35%[2]，所以相對污染物排放量更大。2014年10月，西安市開始供應(yīng)國V汽油，而國內(nèi)外不少學(xué)者研究了燃油品質(zhì)對車輛排放的影響[3-11]，相比其他學(xué)者做類似研究大多利用臺架實(shí)測少量甚至一輛車，且大都只針對硫含量這一因素，本研究通過實(shí)測數(shù)據(jù)，利用MOVES模型模擬計(jì)算區(qū)域環(huán)境內(nèi)汽油各組分對機(jī)動車的污染物排放影響，并對其進(jìn)行敏感性分析，得到實(shí)際工況下燃油質(zhì)量對機(jī)動車排放污染物的影響，為國家進(jìn)一步地提高油品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)動車污染減排措施決策提供參考意見。

1 研究方法

1.1 排放模型選取

MOVES（Motor Vehicle Emission Simulator）模型[3，4]是由美國環(huán)保署（EPA）、加州大學(xué)河邊分校（UCR）及北卡州立大學(xué)（NCSU）在MOBILE模型以及NONROAD模型的基礎(chǔ)上，以大量的車載測試以及臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)開發(fā)的發(fā)新一代的綜合移動源排放模型，為當(dāng)前EPA推薦使用的用以預(yù)測道路車輛排放最先進(jìn)的工具。MOVES模型包括運(yùn)行排放、啟動排放、燃油蒸發(fā)排放等14種排放過程，可計(jì)算NOX、PM2.5、CO2等38種污染物，相比IVE、COPERT、CMEM、MOBILE[5]這幾種預(yù)測模型，MOVES模型綜合了宏觀，中觀和微觀3種情況，代表了排放模型發(fā)展的最新技術(shù)。

1.2 本情境設(shè)定

本文中采取微觀尺度進(jìn)行燃油信息敏感性分析，測算時(shí)間為2013年9月15號星期一早上六點(diǎn)到七點(diǎn)，測算地點(diǎn)為西安市南二環(huán)路，其長度為1.6 km公里，溫度為21 ℃，相對濕度為75%，選取車型為這一時(shí)段的所有輕型客車（汽油車），車輛分為自西向東以及自東向西兩個(gè)link，利用GPS以及人工計(jì)數(shù)實(shí)測得到南二環(huán)輕型車輛數(shù)自西向東為1 308輛，自東向西為1 085輛，平均行駛速度自西向東道速度為26.8 km/h，自東向西車道速度為21.7 km/h。

根據(jù)汽油的燃油配方[12]以及學(xué)者先前對汽油組分的研究[6-7]，影響污染物排放的因素主要為硫含量、雷德蒸汽壓（Reid vapor pressure，RVP）、芳香烴含量、烯烴含量四種。MOVES模型針對各種燃油中不同的組分指標(biāo)，提供了近9000種燃油類型。針對不同地區(qū)的燃油特點(diǎn)，用戶可以參考本地車用汽油標(biāo)準(zhǔn)及車用柴油標(biāo)準(zhǔn)中的各個(gè)組分指標(biāo)，從中選取最為接近的燃料配方編號，在燃油組分參數(shù)方面，考慮到2012年關(guān)中地區(qū)的車用燃油符合國III標(biāo)準(zhǔn)。

因此參照國家標(biāo)準(zhǔn)《車用汽油》（GB17930-2011）組分指標(biāo)，選取與MOVES模型給定的燃油組分中最為接近的燃油配方，再將該配方中的相關(guān)參數(shù)改為國家燃油標(biāo)準(zhǔn)中的參數(shù)，匹配后的燃油參數(shù)以及測算采用值見表1。

表1 燃油技術(shù)參數(shù)

Table 1 Parameters of fuel technology

以國III油為基準(zhǔn)，根據(jù)國I至國V汽油中各組分的含量變化[13]，設(shè)置模型計(jì)算中各參數(shù)的步長（見表2），采用單因子分析法就上述四項(xiàng)因素一一進(jìn)行模擬計(jì)算，得到PM、NOX、HC、CO、CO2這5種排放因子的排放量以及增長率，并分析各因素對污染物排放的影響。

由于本研究涉及車輛較多，又是實(shí)際區(qū)域環(huán)境，所以采用實(shí)測的參數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)合MOVES模型來測算機(jī)動車的污染物排放，并對測算結(jié)果進(jìn)行定量分析。

2 結(jié)果分析

2.1 硫含量

硫含量是汽油的主要參數(shù)之一，汽油中硫?qū)ε欧诺挠绊懼饕憩F(xiàn)在兩個(gè)方面，一是降低三元催化劑的使用效能，二是易使氧傳感器失效，產(chǎn)生錯(cuò)誤的反饋信號，從而使空燃比控制出現(xiàn)偏差，如果汽油中含硫量偏高，還會導(dǎo)致點(diǎn)火時(shí)間延遲，使點(diǎn)火溫度過高，降低發(fā)動機(jī)效率。從而影響排放[6]。測算結(jié)果如圖1所示。

圖1 各排放因子增長率隨硫含量的變化曲線

Fig.1 Curve for increasing rate of emission factors with the sulfate content

由圖1可以看到，隨著硫含量的增加，NOx、HC、CO這三種排放因子均明顯增加，其中CO的排放量最大，比其他兩種污染物多了一個(gè)數(shù)量級，占據(jù)了污染物排放的很大比重。硫含量的增長對于CO2的排放影響甚微，PM則略有增長，但是對NOx、HC、CO這三種污染物，硫含量從國V標(biāo)準(zhǔn)的10×10-6到國I標(biāo)準(zhǔn)的500×10-6，NOx、HC、CO的排放因子分別增加了96.59%、89.58%、101.28%。

表2 測算步長

Table 2 The step length in measurement

2.2 雷德蒸汽壓

圖2 各排放因子增長率隨雷德蒸汽壓值大小的變化曲線

Fig.2 Curve for increasing rate of emission factors with the RVP

雷德蒸氣壓是汽油揮發(fā)度的表示方法之一，指汽油在攝氏37.8 ℃（華氏100 F），蒸氣油料體積比為41時(shí)之蒸氣壓.？雷德蒸汽壓主要對汽油的揮發(fā)有著重要的影響，是衡量燃油揮發(fā)程度的指標(biāo)，該值越高代表揮發(fā)性越強(qiáng)[14]。測算結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著雷德蒸汽壓的增加，HC、NOx，CO的排放均是增加的趨勢，其中，HC和NOx增長趨勢比較平緩，而CO在雷德蒸汽壓處于8～10psi時(shí)增長趨勢較為平緩，但是在雷德蒸汽壓處于10～14 psi時(shí)增長迅速;隨雷德蒸汽壓的增加，CO2的增長率無明顯變化，PM則是稍微增加，NOx、HC、CO的排放因子分別增加了6.41%、15.17%、57.26%。

2.3 芳香烴含量

烯烴和芳香烴是汽油中辛烷值的主要貢獻(xiàn)者，汽油中芳香烴會增加汽車的NOx、HC和CO的排放，芳烴燃燒后在尾氣中形成致癌性的苯，并增加燃燒室積碳，導(dǎo)致尾氣排放物增加，氣缸結(jié)碳。因此降低汽油中芳烴含量，可減少汽車尾氣的相對排放量和尾氣中多環(huán)有機(jī)物的含量[7]。測算結(jié)果如圖3所示：

圖3 各排放因子增長率隨芳烴含量的變化曲線

Fig.3 Curve for increasing rate of emission factors with the aromatic content

由圖3可以看出，隨著芳烴含量的增加，HC和NOx的排放略微增長，而CO的排放增長量比較大，說明芳烴含量對機(jī)動車CO的排放影響比較大。隨著芳烴含量的增加，CO2基本沒有變化，PM略有增加，而HC和NOx的增長率分別為5.04%和5.92%，而CO的增長率最大，達(dá)到21.38%。

2.4 烯烴含量

汽油中烯烴含量高，雖然會使汽油辛烷值高，但會令NOx排放增加，且易生成臭氧，造成二次污染，烯烴的燃燒生成物還會形成有毒的二烯烴，另外烯烴本身極易被氧化生成膠體，會造成直噴發(fā)動機(jī)堵塞，并在進(jìn)油系統(tǒng)、噴嘴、氣缸內(nèi)易形成膠質(zhì)和沉淀，降低發(fā)動機(jī)效率，增加汽車排放[15]。因此，研究汽油烯烴含量對各排放因子的影響可為發(fā)動機(jī)效率的提升提供一定參考。測算結(jié)果如圖4所示。

圖4 各排放因子增長率隨烯烴含量的變化曲線

Fig.4 Curve for increasing rate of emission factors with the olefin content

由圖4可以看到，隨著烯烴含量的增加，CO以及NOx的排放略微增加，但是HC的排放卻稍稍下降。PM和CO2的排放增長率基本不變，NOx和CO的增長率分別為4.46%，3.42%，而HC的排放降低了2.19%。

3 結(jié) 論

（1）硫含量對NOx、CO、HC這三種排放因子敏感性很強(qiáng)，硫含量從國II標(biāo)準(zhǔn)以下的500×10-6降低到國V汽油標(biāo)準(zhǔn)的10×10-6，可令這三種排放因子均降低大約50%。而對PM的排放則略有降低，對CO2的排放無明顯影響。

（2）雷德蒸汽壓對CO和HC的排放敏感性較強(qiáng)，降低雷德蒸汽壓可令這兩種污染物的排放分別降低36.41%和13.17%，而對NOx的排放的敏感性相對CO和HC較弱，對于PM的排放略有影響，而對CO2基本無影響。

（3）芳香烴含量對CO的排放比較敏感，降低芳香烴含量可令CO的排放降低21.38%，而對HC，NOx的排放影響較低，對于PM和CO2的排放則影響甚微。

（4）烯烴含量對NOx和CO的排放敏感性較弱，烯烴含量的增加可降低這兩種污染物的排放分別為4.46%，3.42%，對PM和CO2的排放則基本無影響，但是烯烴含量的增加對HC的排放出現(xiàn)了負(fù)增長，令HC的排放降低了2.19%。

（5）硫含量和雷德蒸汽壓對CO和HC的排放敏感性較強(qiáng)，降低汽油中這兩項(xiàng)指標(biāo)可令CO和HC的排放大大降低，而芳烴含量只對CO影響較大，而烯烴含量的增加可略微降低HC的排放，四項(xiàng)指標(biāo)對于PM和CO2的影響則可以基本忽略。

參考文獻(xiàn)：

[1]西安統(tǒng)計(jì)局. 西安市統(tǒng)計(jì)年鑒[M]. 北京：中國統(tǒng)計(jì)出版社， 2013. 274-275.

[2]陜西省統(tǒng)計(jì)局，國家統(tǒng)計(jì)局陜西調(diào)查總隊(duì).陜西統(tǒng)計(jì)年鑒2013[M].中國統(tǒng)計(jì)出版社，2013.

[3]黃冠濤，宋國華，等.綜合移動源排放模型_MOVES[J].交通信息與安全，2010，28（4）：49-53.

[4]黃冠濤.基于MOVES的微觀層次交通排放評價(jià)[D].北京：北京交通大學(xué)碩士論文，2011.

[5]吳大磊，林怡青，彭美春，等.利用MOBILE6_2模型預(yù)測LPG出租車排放因子[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù)，2009，21（4）：46-49.

[6]劉翔. 汽油中硫含量對車輛排放的定量化分析[J]. 汽車與船舶， 2006 （12）： 95-98.

[7]李曉華. 汽油成分對發(fā)動機(jī)排放的影響分析[J]. 汽車與船舶， 2005 （1）： 61-63.

[8] 歐陽雪.西安市公交車排放特點(diǎn)及控制措施研究[D].西安：長安大學(xué)碩士論文，2010.

[9]李丹.西安市機(jī)動車排放因子研究[D].西安：長安大學(xué)碩士論文，2011.

[10]畢曄， 葛藴珊，等. 基于MOBILE6_2的北京市出租車排放污染物分析[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2007， 7（2）： 61-64.

[11]張立軍.燃油品質(zhì)對柴油機(jī)顆粒及多環(huán)芳烴形成影響的研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程， 2000 （4）： 35-38.

[12]GB17930-2011， 車用汽油[S].

[13]GB17930-2006， 車用汽油[S].

[14]崔心存. 車用替代燃料與生物質(zhì)能[M]. 北京：中國石化出版社， 2007： 26

[15]田肅寧.汽油烴組成對排放的影響[D].天津：天津大學(xué)碩士論文，2005.