遙測技術(shù)在機動車排氣檢測中的應(yīng)用研究

黎 楓，郝向麟，王玉兵

（1.佛山市南海區(qū)機動車排氣污染管理所，廣東 佛山 528200；2.中材地質(zhì)工程勘查研究院有限公司，北京 100102；3.河北峪耳崖黃金礦業(yè)有限責任公司，河北 承德 067601）

0 引 言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，全國機動車保有量呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢。據(jù)公安部交管局統(tǒng)計[1]，截至2012年6月底，全國機動車總保有量達2.33億輛，其中汽車就達到1.14億輛，廣東省和山東省的機動車保有量超過了2 000萬輛，佛山市在今年第三季度進入機動車保有量百萬城市的行列中。機動車保有量的大幅度增加，雖然極大地方便了交通運輸，然而隨之而來的機動車排氣污染也成為城市大氣污染的主要來源。機動車排放的污染物主要是一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）及氮氧化物（NOx），我國這3種氣體污染物已占空氣總污染物的79%[2]。因此，控制機動車排氣污染已成為當前環(huán)境污染治理的首要任務(wù)之一，而加強機動車排氣監(jiān)測則是控制機動車排氣污染的前提和基礎(chǔ)。目前我國機動車檢測主要采用怠速法、自由加速煙度法等，但這些方法的缺陷也很明顯：與實際路況排放效果差異大、檢測效率低、社會經(jīng)濟成本高等[3]。

1988年，美國丹佛大學(xué)率先成功采用非分光紅外法測出汽車尾氣中的CO，隨后通用汽車公司和休斯公司研制出的樣機可用于CO、CO2、HC及背景值的檢測。1995年新西蘭首先啟用了路面監(jiān)測汽車排放的遙測系統(tǒng)，之后在美國、加拿大、墨西哥、日本、新加坡、澳大利亞、英國以及中國臺灣、香港等國家或地區(qū)得到了重視和應(yīng)用[4]。2000年北京市和2002年廣州市先后從國外引進了機動車排氣遙測設(shè)備進行測試研究[5]。北京市于2005年底發(fā)布了DB11/318-2005《裝用點燃式發(fā)動機汽車排氣污染物限值及檢測方法（遙測法）》，規(guī)定了遙測法檢測點燃式發(fā)動機汽車排氣污染物的排放限值和檢測方法。2008年底，廣東省環(huán)保局發(fā)布了省標DB44/T 594-2009《在用汽車排氣污染物限值及檢測方法（遙測法）》，不僅檢測汽油發(fā)動機汽車（包括氣用燃料車），也檢測柴油車，而且污染物排放限值比DB11/318-2005更為嚴格。由于遙測法具有檢測成本低、效率高、不影響車輛正常行駛、真實反映車輛路面排放狀況以及有利于高排污車輛的鑒別與低排污車輛的篩選等突出優(yōu)點，可以預(yù)見遙測技術(shù)終將在我國機動車排氣污染物檢測中獲得更加廣泛的應(yīng)用，也必將成為控制機動車排氣污染的利器和尖兵。

1 遙測技術(shù)的基本原理

1.1 設(shè)備組成和測試原理

機動車排氣遙測設(shè)備主要由排氣分析系統(tǒng)、行駛狀況檢測系統(tǒng)、車牌信息記錄系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)4個部分組成。排氣分析系統(tǒng)的核心部件是氣體分析儀-光源/探測模塊，其發(fā)射的測試光束（紅外光和紫外光）經(jīng)道路對面的反射鏡反射后再被分析模塊接收。當車輛通過測試光束時，尾氣會選擇性吸收這些光束特定波段的紅外光或紫外光，分析模塊通過分析吸收光譜的變化，就能計算出CO、CO2、HC、NOx排放濃度。行駛狀況檢測系統(tǒng)由速度、加速度模塊組成，通過三點測量時間法計算經(jīng)過車輛的速度和加速度。車牌信息記錄系統(tǒng)使用攝像儀對被測車輛信息進行自動識別，數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)則將采集到的信息進行處理、存儲并實時顯示。遙測設(shè)備系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 遙測設(shè)備系統(tǒng)安裝示意圖

1.2 測試條件

1.2.1 環(huán)境條件

環(huán)境條件對遙測法檢測機動車排氣是有影響的，如雨雪天、霧天、灰霾天、沙塵天等天氣會造成不穩(wěn)定的背景值，對測量結(jié)果造成較大偏差。揚塵或附近有鍋爐、窯爐排煙的地方也不宜開展檢測工作。風(fēng)速過大也會造成很大干擾，從而影響測量結(jié)果。DB44/T 594-2009給出的測試點環(huán)境條件是：（1）風(fēng)速不能持續(xù)超過10m/s；（2）環(huán)境溫度在5～45℃范圍內(nèi)；（3）相對濕度小于80%。

1.2.2 路面條件和行駛工況

路面狀況不良會影響光束捕捉車輛排氣煙羽量，下坡道會使車輛負荷不準確，所以要求路面平坦，并且最好有一定坡度的上坡路面。文獻[4]推薦坡度為0°～5°之間。目前的標準DB44/T 594-2009要求道路為單車道行駛，車輛間距要保證兩輛車先后通過測試點的時間不小于1 s。

1.3 遙測法檢測項目和污染物限值

DB44/T 594-2009規(guī)定汽油車（包括液化石油氣和天然氣）檢測CO和HC，柴油車檢測不透光煙度。其具體要求見表1。

表1 DB44/T 594-2009遙測法檢測項目和污染物限值

DB44/T 594-2009不檢測NOx，這主要與遙測法與其他常規(guī)方法偏差大有關(guān)。據(jù)研究[6-7]，遙測法與ASM5025工況法、高怠速法進行對比，CO的檢測結(jié)果相關(guān)性較強，而HC的相關(guān)性較差，NOx的差別更是在幾十倍以上。

2 遙測技術(shù)應(yīng)用研究

2.1 測試數(shù)據(jù)

實車試驗時，經(jīng)測試獲得1 564組數(shù)據(jù)，剔除異常數(shù)據(jù)后得到1 512組有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)有效率為96.68%。綜合有效數(shù)據(jù)，得到統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 有效數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 高排污車輛篩選分析

高排污車輛是指污染物排放比正常車輛高2～3倍的車輛[8]。目前，遙測法與其他常規(guī)法檢測結(jié)果還是有一定差別，大多數(shù)地區(qū)采用遙測法僅作參考，不做判別依據(jù)，但是遙測法用于篩選高排污車輛受到較多肯定，實踐中使用遙測法選出高排污車輛，再使用常規(guī)方法進行驗證和判別是不錯的做法。本文按照DB44/T 594-2009關(guān)于2001年10月1日后的指標限值為依據(jù)，將超過限值的排污車輛作為高排污車輛，由于DB44/T 594-2009沒有規(guī)定NOx限值，NOx不作為判斷高排污車輛依據(jù)，僅作為參考。另外，由表1可見不透光度都沒有超過25%，所以可以不用考慮不透光度?，F(xiàn)假定所有車輛的排量相同，以高排污車輛濃度之和除以所有有效車輛濃度之和作為高排污車輛污染物排放量占所有有效車輛污染物排放量的比例，如圖2所示。

圖2 高排污車輛污染物排放量占所有有效車輛污染物排放量的比例

由圖2可知，僅占所有有效車輛數(shù)量10.98%的高排污車輛，其排放的污染物量以CO計占所有有效車輛排放污染物量的49.45%，這與文獻介紹的30%～80%[2]（50%[4，8]）的機動車排放污染物來自10%的高排污車的研究結(jié)果基本上是吻合的。這進一步表明篩選高排污車是治理機動車排氣污染的有效途徑。

2.2.2 比功率分布與污染物排放濃度的關(guān)系

比功率（VSP）是指車輛行駛過程中，單位車輛質(zhì)量的發(fā)動機輸出的實際功率（單位為kW/t）。比功率主要用來克服車輪旋轉(zhuǎn)阻力、空氣動力學(xué)阻力以及增加車輛動能和勢能所增加的功率。比功率簡化之后的計算式為

式中：ν——車輛行駛速度，m/s；

a——車輛行駛加速度，m/s2；

α——路面坡度角度，（°）。

由實車試驗得所有有效車輛VSP分布與排放CO、HC、NOx濃度之間的關(guān)系圖，如圖3所示。

圖3 比功率分布區(qū)間與CO、HC、NOx排放濃度之間的關(guān)系散點圖

由圖3可知，測試的排污濃度主要集中在比功率0～6 kW/t區(qū)間內(nèi)，更細分是在 0.6～5.4 kW/t區(qū)間內(nèi)。明確比功率區(qū)間的意義在于：在相同的比功率區(qū)間內(nèi)，不同測量之間會顯示基本一致的變化趨勢，這對于確保遙測測量的一致性以及與其他常規(guī)測量方法（如怠速法）有可比性，都是非常重要的[2]。另外比功率區(qū)間的確定對于建立和改進高排污車輛鑒別模型也有幫助，例如當測試結(jié)果不在可靠的比功率區(qū)間內(nèi)時，就說明誤判的可能性較大，這樣就減少了遙測法誤判的概率。研究表明，機動車的VSP能夠更真實地反映被測車輛運行工況與污染物排放量之間的關(guān)系。

2.2.3 排氣中CO、HC、NOx濃度與CO2濃度的相關(guān)性分析

遙測技術(shù)在監(jiān)測機動車排氣時，由于尾氣煙羽非常不穩(wěn)定，所以不是直接測量煙羽中的污染物濃度，而是測量CO、HC、NOx相對CO2的體積比系數(shù)（濃度比）。對同一煙羽，這些體積比系數(shù)在不同位置基本上是穩(wěn)定的。令QCO=CO/CO2、QHC=HC/CO2、QOX=NOx/CO2，有下面關(guān)系[3]：

圖4 CO、HC、NOx與CO2關(guān)系散點圖

以測試數(shù)據(jù)CO、HC、NOx的濃度對CO2濃度關(guān)系做散點圖，如圖4所示。

由圖4可知，CO與CO2線性相關(guān)性很強，所有點都穿過了擬合直線；而HC、NOx與CO2沒有明顯的線性相關(guān)性。對CO與CO2進行回歸分析，其R、R2、調(diào)整R2均為1.000，估計標準誤為0.00497；方差分析F=69 384 153.45，P=0.000，說明相關(guān)性非常強。其線性回歸方程為

3 結(jié)束語

遙測技術(shù)作為一項有一定優(yōu)勢的機動車排氣監(jiān)測技術(shù)，雖然目前應(yīng)用上還有些問題，主要是NOx、HC的檢測結(jié)果與常規(guī)檢測方法的相關(guān)性較差，但其用于篩選高排車的效率卻是非常出色的。因此，當前將遙測技術(shù)用于大批量的道路監(jiān)測，篩選出高排污車輛再用常規(guī)方法進行復(fù)測，有利于高排污車輛的污染治理。

[1]公安部交管局.全國機動車保有量達2.33億輛 駕駛?cè)藬?shù)量達2.47億人[EB/OL].[2012-07-17].http://www.mps.gov.cn/n16/n1282/n3553/3413423.htm l.

[2]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(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2008，28（4）：681-687.

[3]王鐵棟，劉文清，張玉鈞，等.機動車尾氣遙測技術(shù)和應(yīng)用研究[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報，2007，2（3）：199-202.

[4]黃新平.機動車尾氣遙測系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的探索[J].儀器儀表與分析監(jiān)測，2007（1）：42-43.

[5]錢國剛，馮于久，秦孔建，等.在用車尾氣排放遙測試驗研究[J].汽車工程，2008，30（5）：403-405.

[6]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(huán)境工程學(xué)報，2012，6（11）：4169-4173.

[7]周賢杰，周賢波，鄒敏.遙感法與高怠速法尾氣排放狀況對照檢測試驗研究[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2011，27（5）：82-85.

[8]郝艷召，于雷，王宏圖.機動車尾氣遙測技術(shù)發(fā)展歷程及應(yīng)用研究[J].安全與環(huán)境工程，2010，17（4）：46-50.