行車速度對北京市機動車排放因子的影響

黃 宇，張 慶

（中國交通信息中心有限公司，北京100088）

0 引言

近年來，全國汽車保有量增長率保持在13%[1]左右，北京市機動車保有量目前已達550 余萬輛。隨著北京市霧霾天氣的增多，機動車污染問題再度受到社會的廣泛關注。相關研究表明，機動車排放已經(jīng)成為城市污染的主要來源。機動車的有害氣體主要通過汽車尾氣排放、曲軸箱竄氣和汽油蒸汽3 個途徑進入大氣中[2]。機動車尾氣排放的主要污染物中含有大量的一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NOx）、碳氫化合物（HC）和顆粒物（PM）。

排放因子反映了機動車的排放水平，是機動車污染控制的重要依據(jù)。機動車排放因子可以通過成熟的排放因子模型進行比較精確的估算。何東全、傅立新[3-4]等通過MOBILE 模型，謝紹東[5]通過COPERTIII模型，對中國部分城市的機動車排放因子進行了測算；王海鯤應用IVE模型計算了上海機動車污染物排放；何春玉[6]運用CMEM 模型計算了北京市機動車的排放因子。以上提到的四種模型對采用美國排放標準和歐洲排放標準的汽車市場具有較好的適用性。本文應用MOBILE模型對北京市機動車排放因子進行測定，由于我國排放標準不同于美國和歐洲標準，因此需要對模型中的相關參數(shù)結合北京市實際進行修正。

在我國一些特大型城市，交通擁堵問題嚴重，在擁堵路網(wǎng)中，汽車實際使用過程具有低速行駛、啟制動頻繁、加減速頻繁、長時間怠速行駛等特點。這些特點增加了機動車的尾氣排放，因此大城市交通擁堵區(qū)域的機動車污染問題尤其嚴重。速度、流量、密度是交通管理部門衡量交通狀態(tài)常用的參數(shù)，其中速度對于單車排放因子的影響較大。隨著對環(huán)境保護的日益重視，交通管理者在監(jiān)測道路交通網(wǎng)絡運行狀態(tài)的同時需要衡量路網(wǎng)機動車排放水平。本文采用車載尾氣檢測系統(tǒng)對北京市機動車尾氣排放進行測量，將實測數(shù)據(jù)與模型預測數(shù)據(jù)比對，研究機動車排放因子與車速之間的關系，為路網(wǎng)機動車不同交通狀態(tài)下排放建模提供基礎。

1 MOBILE模型簡介

MOBILE 模型是美國環(huán)境保護署（EPA）為解決環(huán)境污染建模的需要而設計的。MOBILE模型最初主要用于評價除加州外的的其余49 個美國本土州的道路機動車排放率。該模型中，車隊燃料主要為汽、柴油，少量以天然氣、電力驅動。MOBILE 模型可以估算汽油車、柴油車以及某些專用車輛（天然氣汽車、電動車等）的排放水平，可測排放因子包括CO、NOx、NH、排氣顆粒物、輪胎磨損顆粒物、制動器磨損顆粒物、二氧化硫（SO2）、氨（NH3）等有害空氣污染物以及二氧化碳（CO2）等。排放輸出結果為車隊污染物平均排放因子，單位為g/mile或g/h。

MOBILE模型以聯(lián)邦測試程序和補充的聯(lián)邦測試程序測的單車的基本排放因子作為標準，然后將實際參數(shù)與標準工況作對比對基本排放因子進行修正，得到實際排放因子。MOBILE 模型根據(jù)GVWR（車輛總質量）、LVW（裝有負載的車輛總量，車輛凈重加300 磅）與ALVW（調整的LVW，車輛凈重與毛重的數(shù)學平均）的不同將車型分為28 類。根據(jù)北京市在用車型分布，本文主要考慮LDGV、HDGV 兩種車型。MOBILE6 模型將道路主要分為五種類型：高速公路、無匝道路、主干道/輔助路、區(qū)域路、城市局部巷道等。

2 模型參數(shù)

2.1 車隊特征參數(shù)

車隊特征參數(shù)包括車齡、累積行駛里程、道路類型、平均速度、工作日使用強度及日分布、休息日使用強度及日分布等。根據(jù)北京市交管局數(shù)據(jù)設置相關參數(shù)，其中因北京市快速路車流密集，因此道路類型設為freeway；將速度區(qū)間2.5～65mph（4.02～104.59km/h）劃分為14 段，取各速度區(qū)間中值作為平均速度；車輛行駛里程為2km/年。

2.2 燃油相關參數(shù)

MOBILE模型和燃油有關的參數(shù)包括汽油硫含量、雷德蒸汽壓等。按照國家第四階段機動車污染物排放標準汽油硫含量為50ppb，雷德蒸汽壓為85kPa。

2.3 環(huán)境特征參數(shù)

環(huán)境特征參數(shù)包括評估年、評估月、溫度、海拔、絕對濕度、云覆蓋率、日峰時續(xù)時間、日出時間、日落時間等。根據(jù)相關氣象統(tǒng)計資料，本文MOBILE 模型中將北京市平均海拔設為48.71m，絕對濕度86grains/lb，溫度-11～18℃。

2.4 國家技術政策及規(guī)定相關參數(shù)

國家技術政策及規(guī)定相關參數(shù)包括第二階段加油排放控制技術、維修/檢修制度、反干預措施等。第二階段加油排放控制是將加油過程中產(chǎn)生的油氣回收的措施，該措施于1974 年最先在美國加利福尼亞州的圣地亞哥推行；反干預措施用來減小控制系統(tǒng)干預的頻率和對排放的影響，這些干預包括加錯油、排放控制器的消除、催化轉化器的失效等[7]。

3 MOBILE計算結果

將本研究所標定的參數(shù)輸入MOBILE模型，對北京市代表車型LDGV、HDGV 的排放因子NOx、VOC、CO、PM進行測算。圖1～圖4為MOBILE模型計算的四種排放因子隨平均速度變化曲線。圖中ALL 曲線代表全體車型（LDGV、HDGV）的平均排放水平。

圖1 NOx隨平均速度變化關系

圖2 VOC隨平均速度變化關系

圖3 CO隨平均速度變化關系

圖4 PM隨平均速度變化關系

圖1 反映了NOx隨機動車平均行駛速度的變化關系?？梢钥闯?，隨著平均速度的增大，HDGV的NOx排放逐漸增大，LDGV 的NOx排放逐漸減小，車速大于60km/h 時排放水平略有提高之后趨于穩(wěn)定。由于北京市在用機動車仍以小型汽油車為主，機動車整體的NOx排放變化趨勢與LDGV 相似，但車速大于60km/h 的排放水平上升幅度更明顯。

圖2、圖3反映了VOC、CO隨機動車平均行駛速度的變化關系?？梢钥闯?，隨著平均速度的增大，VOC、CO 排放因子在低速區(qū)排放水平較高，并且隨著速度的增大有一個顯著降低的過程，之后逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 反映了PM 隨機動車平均行駛速度的變化關系?？梢钥闯?，隨著平均速度的變化，PM 排放水平變化不大，但重型汽油車PM的整體排放水平明顯高于小型汽油車。

4 車載尾氣檢測

機動車尾氣排放測量方法主要分為兩大類[8]：一類是實驗室內測量，主要指臺架測試法，利用底盤測功機或發(fā)動機測功機模擬車輛的工況；另一類是現(xiàn)實駕駛工況下的測量，包括遙感測量、隧道測量、車載儀器測量等。底盤測功機檢測可以模擬標準的駕駛工況。常見的測量工況有美國聯(lián)邦測量工況（Federal Test Procedure）、歐洲的ECE （Economic Commission for Europe）、日本的JPN10-15。我國《點燃式發(fā)動機汽車排氣污染物排放限制及測量方法（雙怠速法及簡易工況法）》（GB 18285—2005）和《車用壓燃式發(fā)動機和壓燃式發(fā)動機汽車排氣煙度排放限值及測量方法》（GB 3847—2005）對我國的測試標準進行了詳細規(guī)定。臺架測試雖然可操作性強，但是標準的測量工況不能完全反映現(xiàn)實中汽車的實際行駛過程[9]。遙感測量是在車輛實際行駛過程中對尾氣數(shù)據(jù)進行檢測，但檢測設備只能固定于道路兩旁以收集通過道路截面機動車的排放數(shù)據(jù)，而對機動車的行駛特征（如速度、加速度）無法獲知，同時遙感監(jiān)測易受天氣條件的影響。隧道測量操作難度較大。

車載尾氣檢測就是將尾氣檢測設備安裝在機動車上，機動車上路正常行駛，通過尾氣檢測設備對機動車尾氣排放進行實時動態(tài)檢測的一種方法。隨著尾氣檢測設備制造技術的發(fā)展，尾氣檢測設備越來越小型化、檢測精度越來越高，同時車載尾氣檢測又具有可以檢測機動車實際行駛過程尾氣排放的特點。

SEMTECH—DS尾氣分析儀集成了三種汽車尾氣分析儀、O2及環(huán)境參數(shù)傳感器、GPS系統(tǒng)以及汽車運行參數(shù)接口，使用發(fā)動機掃描儀可以通過OBD 采集汽車運行參數(shù)。因此選用美國Sensors 公司的SEMTECH—DS系統(tǒng)對北京市代表車型汽車進行測試，以修正MOBILE模型參數(shù)，檢驗模型測算效果。對汽油車樣本的排放車載測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，得到CO、HC、NOx在不同行車速度下的排放值，見圖5～圖7。

圖5 CO測試、模擬結果比較

圖6 HC測試、模擬結果比較

圖7 NOx測試、模擬結果比較

為研究各排放因子與速度之間的關系，收集MOBILE 模型的輸出結果與對應速度值。對于排放因子CO、HC、NOx，分別嘗試二次、三次曲線、復合函數(shù)、冪函數(shù)模型擬合。排放因子為被解釋變量，平均速度為解釋變量。通過圖5～圖7分別對CO、HC、NOx測試結果與模擬結果進行比較，可以看出，冪曲線對于CO、HC 擬合優(yōu)度較高，擬合效果較好，而二次曲線對NOx擬合效果較好。實測數(shù)據(jù)與平均速度之間的反映了相同的趨勢，驗證了修正后的MOBILE 模型的準確性與可行性。

5 結論

車載設備檢測數(shù)據(jù)與模型預測表明，MOBILE6.2 模型對于評價平均速度對于機動車排放因子的影響具有良好的適應性。該模型結合城市路網(wǎng)交通流速度、流量、密度等參數(shù)可以有效評估擁堵狀態(tài)下機動車的整體排放水平。

研究表明低速狀態(tài)下機動車整體排放水平較高，因此有效治理特大城市道路交通網(wǎng)交通擁堵對于城市環(huán)境改善具有重要意義。

[1] 張力軍.機動車污染防治基本理論[M].北京：中國環(huán)境出版社，2010.

[2] 李岳林，郭曉汾.汽車排放與噪聲控制[M].北京：人民交通出版社，2007.

[3] 何東全，郝吉明，賀克斌，等.應用模式計算機動車排放因子[J].環(huán)境科學，1998，19（3）：7-10.

[4] 傅立新，賀克斌，何東全，等.MOBILE 汽車源排放因子計算模式研究[J]. 環(huán)境科學學報，1997，17（4）：474-479.

[5] 謝邵東，宋翔宇，沈新華，等.應用COPERTⅢ模型計算中國機動車排放因子[J]. 環(huán)境科學，2006，27（3）：415-419.

[6] 何春玉，王歧東.運用CMEM模型計算北京市機動車排放因子[J].環(huán)境科學研究，2006，19（1）：109-112.

[7] 李丹. 西安市機動車排放因子研究[D]. 西安：長安大學，2011.

[8] 張凱山. 機動車為其測量與預測[M]. 北京：科學出版社，2012.

[9] Sjoedin Ake, Lenner Magnus. On Road Measurements of Single Vehicle Pollutant Emissions, Speed and Acceleration for Large Fleets of Vehicles in Different Traffic Environments[J]. The Science of the Total Environment, 1995(169)：157-165.