遙感法在機(jī)動(dòng)車排放測(cè)試中的應(yīng)用研究

鄭 瓏，葛蘊(yùn)珊，劉 嘉，，劉志遠(yuǎn)

(1.北京理工大學(xué)，汽車動(dòng)力性與排放測(cè)試國(guó)家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.北京市機(jī)動(dòng)車排放管理中心，北京 100176)

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2015027

遙感法在機(jī)動(dòng)車排放測(cè)試中的應(yīng)用研究

鄭 瓏1，葛蘊(yùn)珊1，劉 嘉1，2，劉志遠(yuǎn)2

(1.北京理工大學(xué)，汽車動(dòng)力性與排放測(cè)試國(guó)家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.北京市機(jī)動(dòng)車排放管理中心，北京 100176)

為對(duì)北京市現(xiàn)行的遙感測(cè)試法規(guī)增設(shè)HC和NO限值提供參考意見(jiàn)，進(jìn)行了遙感監(jiān)測(cè)設(shè)備的靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)比實(shí)驗(yàn)、遙感準(zhǔn)確度與車速相關(guān)性實(shí)驗(yàn)和BASM5024工況法對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示：遙感法靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)氣體測(cè)試準(zhǔn)確度高，均值相對(duì)誤差不超過(guò)5%；車速低于40km/h時(shí)，CO和HC的遙感測(cè)量值變化不明顯，但隨著車速升高NO遙測(cè)值有一定的下降趨勢(shì)；與BASM5024工況法對(duì)比的結(jié)果表明，CO和NO的遙測(cè)值和工況值具有較強(qiáng)的線性相關(guān)性，而HC卻沒(méi)有。因此，經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后可增設(shè)NO的排放遙感限值。

尾氣排放；遙感監(jiān)測(cè)；相關(guān)性分析

前言

機(jī)動(dòng)車尾氣遙感監(jiān)測(cè)儀器作為一種快速監(jiān)測(cè)技術(shù)，于20世紀(jì)90年代已經(jīng)在國(guó)外得到了應(yīng)用。由于它無(wú)須與被測(cè)車輛進(jìn)行直接接觸，故可在不影響機(jī)動(dòng)車正常行駛的情況下對(duì)車輛進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，尤其對(duì)污染物排放嚴(yán)重的車輛的鑒別十分迅速，很好地補(bǔ)充了傳統(tǒng)的汽車排放監(jiān)管辦法。當(dāng)今遙感監(jiān)測(cè)主要包括：對(duì)I/M計(jì)劃的審計(jì)檢查，重排放污染車輛的篩選，清潔車輛的豁免和防止高污染車輛進(jìn)入城市的入境檢查等[1-2]。

近年來(lái)，北京、廣州、中山、大連、西安、杭州、南京等大中城市都已引進(jìn)機(jī)動(dòng)車尾氣遙感監(jiān)測(cè)設(shè)備并用于機(jī)動(dòng)車污染的監(jiān)測(cè)。但除了北京、廣東、山東及安徽有相關(guān)地方標(biāo)準(zhǔn)作為執(zhí)法依據(jù)外，絕大部分省市仍處于對(duì)遙感設(shè)備的試用及實(shí)驗(yàn)階段。目前北京市實(shí)施的遙感測(cè)試法規(guī)僅有CO一項(xiàng)限值[3]，而車輛排放常規(guī)污染物有CO、HC和NO 3項(xiàng)，加之“十二五”計(jì)劃對(duì)NO排放控制的要求，應(yīng)對(duì)現(xiàn)行遙感法規(guī)進(jìn)行修訂，希望能夠增加HC和NO，特別是NO的排放限值。本文中通過(guò)對(duì)遙感設(shè)備的靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)氣體比對(duì)實(shí)驗(yàn)、車速與遙感測(cè)量準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)及與BASM5024工況法對(duì)比實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證遙感法的準(zhǔn)確性。為北京市地方標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供參考和借鑒。

1 遙感測(cè)試技術(shù)原理[4]

遙感測(cè)試技術(shù)基于比爾定律：

(1)

A(λ)=σ(λ)CL

(2)

式中：I(λ)為通過(guò)污染氣體的透射光強(qiáng)度；I0(λ)為發(fā)射光強(qiáng)度；I(λ)/I0(λ)為透過(guò)率；A(λ)為吸收率；σ(λ)是標(biāo)準(zhǔn)氣體狀態(tài)下，與測(cè)量氣體無(wú)關(guān)的分子吸收系數(shù)；C為吸收氣體濃度；L為光程長(zhǎng)度。通過(guò)對(duì)吸收率的測(cè)量可以反求出吸收分子的濃度。

汽車尾氣從排氣管中高壓噴出后，立即被環(huán)境空氣流所稀釋，濃度發(fā)生較大變化，但其成份的比例變化不大。將CO2作為參比氣體分別用QCO、QHC和QNO表示CO、HC和NO對(duì)CO2濃度的比率，即

QCO=CCO/CCO2

(3)

QHC=CHC/CCO2

(4)

QNO=CNO/CCO2

(5)

簡(jiǎn)化后的內(nèi)燃機(jī)燃燒方程為

(6)

通過(guò)碳、氧和氮的平衡可以推導(dǎo)出燃料完全燃燒時(shí)CO2的排放濃度：

(7)

則有

CCO=QCO×CCO2

(8)

CHC=QHC×CCO2×104

(9)

CNO=QNO×CCO2×104

(10)

需要注意的是，遙感檢測(cè)裝置得到的HC排放濃度并非THC濃度，通常是按照標(biāo)定儀器的標(biāo)準(zhǔn)氣體的當(dāng)量進(jìn)行計(jì)算，常用的標(biāo)準(zhǔn)氣體為丙烷和1，3-丁二烯[4-5]。遙控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1。

2 靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)比實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)采用的是安徽寶龍公司的BDH-1Z-1221遙感測(cè)試設(shè)備，向氣體分配器中通入不同濃度的氣體，用靜態(tài)測(cè)試的方式對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度進(jìn)行測(cè)量。比對(duì)實(shí)驗(yàn)所用標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度如表1所示。

由表2可以直觀地看出，均值的相對(duì)誤差最大也只有5%，且有7組數(shù)據(jù)的均值相對(duì)誤差不超過(guò)1%。綜合來(lái)說(shuō)，CO和NO均值的相對(duì)誤差小于HC。

表1 比對(duì)實(shí)驗(yàn)所用標(biāo)準(zhǔn)氣體

表2 靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)比結(jié)果

3 車速與遙感準(zhǔn)確度相關(guān)實(shí)驗(yàn)

由于遙感測(cè)量的高排放工況很可能只是某種特殊情況下的瞬時(shí)高排放，因而不能馬上判定該機(jī)動(dòng)車為高排污車輛。為了解決這種誤判，業(yè)內(nèi)廣泛采用VSP(機(jī)動(dòng)車比功率)來(lái)對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選鑒別。美國(guó)國(guó)家環(huán)保局推薦的VSP范圍為0～20kW/t,以10～20kW/t為最佳[6];國(guó)內(nèi)研究給出的推薦值為0～15kW/t[7]。然而VSP是一項(xiàng)與速度、加速度和坡度有關(guān)的量，實(shí)際遙感測(cè)量時(shí)都會(huì)要求在平直或者略上坡路段，均速或小加速通過(guò)遙感監(jiān)測(cè)設(shè)備[8]，在實(shí)際操作過(guò)程中車速對(duì)VSP大小有著較大的影響。

將汽車正常排放的排氣由橡膠管導(dǎo)向車頂排放，可避免車輛自身排放對(duì)遙感監(jiān)測(cè)設(shè)備造成的影響。配有標(biāo)準(zhǔn)氣的氣瓶放在后備箱內(nèi)，通過(guò)一個(gè)“偽排氣管”排放標(biāo)準(zhǔn)氣體。實(shí)驗(yàn)所用的設(shè)備為ESP公司的RSD4600遙感監(jiān)測(cè)設(shè)備。此外，需要說(shuō)明的是,受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的限制，最高車速僅達(dá)到40km/h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2～圖4所示。

由圖2～圖4可以看出，CO和CO2的測(cè)量結(jié)果中除個(gè)別可能的奇點(diǎn)外，總體結(jié)果的準(zhǔn)確性較高。HC測(cè)量值均值與標(biāo)準(zhǔn)值有一定的差異，但測(cè)量結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定，隨車速變化不大。而NO測(cè)量值則有隨著車速增加呈逐漸下降的趨勢(shì)。分析認(rèn)為，這一變化趨勢(shì)體現(xiàn)了隨著車速升高，污染物濃度逐漸稀釋導(dǎo)致測(cè)量誤差增大。在當(dāng)前遙感法規(guī)中并沒(méi)有對(duì)車速提出明確的限值，建議在遙感法規(guī)的修訂中限制車速的上限，限值有待進(jìn)一步深入研究。

4 遙感法與BASM5024工況法對(duì)比

BASM5024工況法指的是穩(wěn)定車速為24km/h的北京穩(wěn)態(tài)加載工況法，測(cè)試時(shí)采用的是南華儀器有限公司的NHA-503廢氣分析儀。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為北京市大興區(qū)富多鑫天德檢測(cè)場(chǎng)。

當(dāng)車輛進(jìn)行BASM工況法檢測(cè)時(shí)，將遙感設(shè)備放置于檢測(cè)車輛后方1～2m處，同步采得遙感值數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析。BDH-1s儀器采用靜態(tài)測(cè)試程序，設(shè)置系統(tǒng)每隔1s自動(dòng)觸發(fā)1次并記錄數(shù)據(jù)。同時(shí)將車輛進(jìn)入ASM工況采集數(shù)據(jù)的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行記錄以保證2套系統(tǒng)的同步性。而RSD4600設(shè)備并不具有靜態(tài)測(cè)試的軟件功能，因而每次只能靠人為地進(jìn)行擋光觸發(fā)。因而相對(duì)于BDH-1s設(shè)備而言，相同時(shí)間能夠獲得的有效數(shù)據(jù)相應(yīng)要低一些。實(shí)驗(yàn)總共獲得寶龍有效數(shù)據(jù)652輛車次，ESP有效數(shù)據(jù)478輛車次，共計(jì)1 130輛車次的有效數(shù)據(jù)。其對(duì)比結(jié)果如圖5～圖7所示。

為了對(duì)數(shù)據(jù)的線性相關(guān)性做出判斷，本文中先通過(guò)對(duì)線性相關(guān)系數(shù)r的計(jì)算得出其線性相關(guān)強(qiáng)度，然后對(duì)具有極強(qiáng)線性相關(guān)的回歸方程用T檢驗(yàn)進(jìn)行線性回歸顯著性檢驗(yàn)，如表3所示。

表3 工況值(x)與遙感值(y)的線性回歸分析

由表3可知，CO和NO的回歸方程具有極強(qiáng)的線性相關(guān)，而HC的回歸方程只有極弱相關(guān)或者不具有線性相關(guān)。分析認(rèn)為，HC結(jié)果不理想是由于二者測(cè)量原理不同所致。在BASM5024工況法中，HC的檢測(cè)原理為NDIR(不分光紅外光譜吸收法)，而遙感法對(duì)HC的檢測(cè)原理為UV-DOAS(紫外差分吸收法)，測(cè)量原理的不同造成了測(cè)量偏差：NDIR對(duì)THC中不同成分的響應(yīng)時(shí)間各有長(zhǎng)短； UV-DOAS對(duì)HC的測(cè)量用的是1，3-丁二烯標(biāo)定，系統(tǒng)對(duì)1，3-丁二烯的響應(yīng)較好，對(duì)其他種類的HC響應(yīng)較差，而在機(jī)動(dòng)車排氣的HC污染物中，1，3-丁二烯又只占很小的一部分。此外，在光譜吸收中1，3-丁二烯的吸收譜線又沒(méi)有明顯的峰值，因而兩種測(cè)量方法的結(jié)果相差較大。如果能改用在常規(guī)HC排放污染物中較為常見(jiàn)，而響應(yīng)時(shí)間又較快的HC化合物來(lái)進(jìn)行標(biāo)定測(cè)量，應(yīng)當(dāng)能得到較好的結(jié)果。值得注意的是，由于在標(biāo)定過(guò)程后，標(biāo)準(zhǔn)氣體直接釋放到大氣中，也要求所選擇的碳?xì)浠衔飳?duì)環(huán)境相對(duì)友好。

T檢驗(yàn)結(jié)果顯示tR>t0.025(n-2)，這表明：CO和NO的遙測(cè)值與BASM工況法值具有顯著的線性(α=0.05)，可以進(jìn)行二者之間的線性換算[9]。

5 結(jié)論

(1)遙感法靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)比結(jié)果準(zhǔn)確度高，均值相對(duì)誤差不超過(guò)5%。

(2)CO和HC的遙感檢測(cè)結(jié)果隨車速的變化相對(duì)穩(wěn)定，NO遙感值在車速超過(guò)40km/h時(shí)有一定的下降趨勢(shì)，造成測(cè)量誤差。

(3)遙感法與BASM5024工況法對(duì)比，CO和NO測(cè)量結(jié)果的線性相關(guān)性較好，HC結(jié)果不理想, 經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后可以增加NO的排放遙感限值。

[1] 農(nóng)加進(jìn), 黃榮, 雙菊榮.遙感測(cè)量在機(jī)動(dòng)車排放調(diào)查和I/M 項(xiàng)目評(píng)估中應(yīng)用的初步分析[J].廣州環(huán)境科學(xué), 2005, 20(4): 17-19.

[2] 周昱, 傅立新, 楊萬(wàn)順, 等.北京市機(jī)動(dòng)車排放遙感監(jiān)測(cè)分析[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備, 2005, 6(10): 91-94.

[3] DB11/318—2005燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車排氣污染物限值及檢測(cè)方法(遙測(cè)法)[S].北京：北京市環(huán)境裝用點(diǎn)保護(hù)局，2005.

[4] 郭慧.城市機(jī)動(dòng)車污染物排放的遙感測(cè)試及模型研究[D].杭州:浙江大學(xué),2007:29-30.

[5] 鄧南.機(jī)動(dòng)車尾氣遙測(cè)技術(shù)應(yīng)用探討[J].廣州環(huán)境科學(xué), 2011, 26(1): 25-29.

[6] U.S.Environmental Protection Agency.EPA420-B-04-010.Guidance on Use of Remote Sensing for Evaluation of I/M Program Performance[R].July 2004.:24-27.

[7] 曾君, 郭華芳, 胡躍明.機(jī)動(dòng)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(bào),2008,20(4): 681-687.

[8] 黃新平, 黃榮.高排放車遙感篩選在臺(tái)灣的應(yīng)用[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè), 2006, 22(2):81-83.

[9] 周賢杰, 李新宇, 周賢波,等.遙感法與ASM5025工況法對(duì)照檢測(cè)尾氣排放[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2012,6(11): 4169-4172.

A Research on the Application of Remote Sensing to Vehicle Emission Measurement

Zheng Long1, Ge Yunshan1，Liu Jia1,2& Liu Zhiyuan2

1.BeijingInstituteofTechnology,NationalLaboratoryofAutoPerformanceandEmissionTest,Beijing100081；2.BeijingMunicipalVehicleEmissionsManagementCenter,Beijing100176

For providing references on adding HC and NO limits in current remote sensing emission measurement regulation of Beijing municipality besides CO, a static standard gas comparative experiment using remote sensing monitoring device, a correlation experiment between remote sensing measurement accuracy and vehicle speed, and a comparative experiment on exhaust pollution values between remote sensing condition and BASM5024 driving mode condition are conducted.The results indicate that the static standard gas measurement using remote sensing method has a high accuracy with the maximum mean relative error not more than 5%, and when vehicle speed is less than 40km/h, the emission values of CO, HC and NO have no obvious change, while NO shows a certain downward trend with the increase in vehicle speed.The results of comparative experiment between remote sensing condition and BASM5024 operating condition show that there are a rather strong linear correlation between two conditions for CO and NO, but not for HC, therefore it is appropriate to add NO emission limit in remote sensing regulation on the basis of validation by a large amount of experiments.

exhaust emission; remote sensing monitoring; correlation analysis

*原稿收到日期為2013年4月6日，修改稿收到日期為2013年7月22日。