基于VSP的國V公交車氣體污染物排放研究

鄒 強

(廣西玉柴機器股份有限公司，玉林 537005)

基于VSP的國V公交車氣體污染物排放研究

鄒 強

(廣西玉柴機器股份有限公司，玉林 537005)

針對滿足國V排放標準的公交車，使用瞬時比功率(VSP)方法對其氣態(tài)污染物的排放量進行了分析,對比了不同排放標準的公交車氣態(tài)污染物排放特點，實驗結果表明： CO排放速率均隨VSP增大而升高，不同排放階段公交車之間的差異不明顯；國V階段公交車的THC排放速率均略低于國III和國IV階段公交車；NOX排放速率隨VSP增大而升高，其中國III階段公交車升高幅度最大，國V階段公交車NOX排放隨車速的增加略有降低，國IV階段公交車隨車速的增加降低較為顯著.

國V公交車;瞬時比功率;氣體污染物;排放

近年來，隨著城市公共交通的快速發(fā)展，公交車數(shù)量不斷增加.但是，由于汽車保有量的增加，汽車也給人們的社會生活帶來了一些負面影響，其中較為突出的便是機動車排放污染物對環(huán)境的破壞.這些排放污染物主要包括：一氧化碳(CO)、碳氫化合物(THC)、氮氧化合物(NOX)等.因此，我國不斷推出新的排放法規(guī)，以控制機動車污染物排放量的增長.北京市已經率先執(zhí)行國V階段的排放標準，由于在正常行駛過程中公交車的實際車速較低，使得排放后處理裝置不能處于最佳的工作狀態(tài)[1]，因此有必要對國V公交車在實際道路行駛中的污染物進行研究.

1 試驗方法與車輛信息

1.1 試驗方法

論文采用車載排放測試方法(Portable Emission Measurement System，PEMS)，即在實際道路上，根據(jù)設定的工況，對所研究的公交車進行實際道路排放測試，如圖1所示.車載排放測試系統(tǒng)應用便攜式尾氣檢測技術，通過將車輛排氣管直接與車上的測量氣體污染物和顆粒物的設備裝置連接，對車輛尾氣進行直接采樣，實時測量車輛在行駛過程中各污染物的體積濃度和排氣流量，進而計算出氣體污染物和顆粒物的質量排放量，如排放因子.運用此方法進行測試能夠更好地反映車輛在實際道路行駛時的污染物排放狀態(tài)，能夠方便快捷地獲得不同車型、不同道路類型、不同時間段、不同交通狀況下的排放污染物數(shù)據(jù)[2].

圖1 車載排放測試系統(tǒng)圖

PEMS系統(tǒng)主要由SEMTECH-DS氣體排放分析儀、靜電低壓撞擊器(Electrical Low Pressure Impactor，ELPI)、排氣流量計、溫濕度計以及GPS等組成.

SEMTECH-DS氣體排放分析儀用于測量排氣中CO2、CO、THC和NOX等氣體污染物濃度，儀器分別采用不分光紅外分析法(NDIR)測量CO和CO2污染物，加熱型氫火焰離子檢測器(HFID)測量THC污染物，不分光紫外分析法(NDUV)測量NO和NO2污染物.

ELPI用于測量排氣中顆粒物的數(shù)量、質量和粒徑分布. 其結構主要由串級沖擊式采樣器、點管式幾何電暈充電器和多通道靜電計3部分組成.

GPS用于記錄公交車行駛的速度和車輛運行路線軌跡的經度、緯度和海拔高度信息；溫濕度計用于測量大氣環(huán)境中的空氣溫度和濕度，并以此參數(shù)為依據(jù)，修正SEMTECH-DS采集到的各氣體污染物濃度數(shù)據(jù)；排氣流量計用于實時測量記錄公交車排氣管排出的尾氣流量和溫度[3].

1.2 數(shù)據(jù)分析

以速度數(shù)據(jù)作為基礎，再綜合考慮加速度、風阻、道路坡度等多種因素，可以計算出車輛的瞬時比功率(Vehicle Specific Power, VSP)[4].VSP這一用以表征機動車污染物的概念最早是由JL Jimenez-Palacios于1999年提出的，該參數(shù)的計算見式(1)，包含了速度、加速度、坡度、風阻系數(shù)等多種參數(shù)，是車輛瞬時功率和車輛質量的比值.

(1)

式中:VSP為機動車比功率，kW/t；v為機動車行駛速度，m/s；a為機動車行駛加速度，m/s2；g為重力加速度，m/s2；φ為道路坡度；CR為輪胎滾動阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為機動車前迎風面積， m2；m為機動車總質量，kg.

通過計算VSP數(shù)值的大小，可以將VSP劃分區(qū)間，這些區(qū)間將機動車的行駛狀態(tài)劃分為若干個BIN，每個BIN可以對應計算出機動車的平均排放水平.通過式(1)計算出公交車每秒鐘對應的VSP數(shù)值，根據(jù)VSP數(shù)值的大小，將全部測試數(shù)據(jù)分為大致相等的6個區(qū)間，對每個區(qū)間內的污染物排放速率求平均值.VSP區(qū)間劃分如表1所示.

表1 VSP區(qū)間劃分

1.3 車輛信息

實驗所用車輛信息如表2所示.

表2 車輛信息

2 結果分析

2.1 CO排放特征

使用VSP劃分區(qū)間的方法對選取的6輛公交車數(shù)據(jù)進行分析，不同排放階段柴油車CO排放速率隨VSP變化如圖2所示 .

CO排放速率來看，所有車輛的CO排放速率均隨VSP增大而升高主要是由于隨VSP增加，車輛行駛逐漸變?yōu)楦咚?、高加速度狀態(tài)，發(fā)動機需要提供更多的空氣和燃油來保證發(fā)動機的動力輸出，驅動車輛行駛，所以在單位時間內排出的CO污染物會隨VSP增大逐漸增多.

圖2 不同排放階段柴油車CO排放速率隨VSP變化

6輛公交車基于CO2的CO排放均隨車速和VSP升高逐漸升高，主要是由于車輛在高速、高加速度行駛狀態(tài)下，發(fā)動機轉速較快，負荷也較大，缸內空氣湍流更為強烈，有利于燃油在發(fā)動機氣缸內的霧化和燃燒，在低速行駛狀態(tài)下，發(fā)動機轉速較慢，負荷較低，空氣進入氣缸后的流動強度較小，不利于燃油噴霧的擴散，燃油局部缺氧造成不完全燃燒產生大量CO排放.

CO排放的數(shù)值對比可知，不同排放階段公交車之間的差異并不明顯，國IV和國V階段公交車的改進主要通過加裝SCR等后處理裝置來控制NOx排放，但是對于CO排放沒有采取更多的措施來控制，通過增大噴油壓力或改變噴油提前角等措施優(yōu)化缸內燃燒所起的作用非常有限.

2.2 THC排放特征

使用VSP劃分區(qū)間的方法對選取的6輛公交車數(shù)據(jù)進行分析，不同排放階段柴油車THC排放速率隨VSP變化如圖3所示.

THC排放規(guī)律與CO排放規(guī)律非常相似，所有車輛的THC排放速率均隨VSP增大而升高，主要是由于隨VSP數(shù)值的增大，發(fā)動機在單位時間內進氣量和供油量增加，因而造成了單位時間內污染物排放量的增大.此外，在各VSP區(qū)間內，國V階段公交車的THC排放速率均略低于國III和國IV階段公交車.

圖3 不同排放階段柴油車THC排放速率隨VSP變化

2.3 NOX排放特征

使用VSP劃分區(qū)間的方法對6輛公交車數(shù)據(jù)進行分析，不同排放階段柴油車NOX排放速率隨VSP變化如圖4所示.

從圖中可已看出，多數(shù)公交車NOX排放速率均隨VSP增大而升高，其中國III階段公交車升高幅度最大，VSP區(qū)間編號6比區(qū)間編號1升高了130%，國IV階段公交車升高幅度最小，升高了61%.國III階段公交車沒有后處理系統(tǒng)，尾氣排放污染物的排放速率完全取決于發(fā)動機缸內的燃燒，當VSP增大時，發(fā)動機轉速和負荷增大，缸內燃燒加劇，溫度升高，高溫條件是NOX生成的主要途徑之一.國IV和國V階段公交車有SCR后處理系統(tǒng)，當車輛在高速大負荷狀態(tài)下行駛時，SCR系統(tǒng)會根據(jù)發(fā)動機工作狀態(tài)調整尿素的噴射，對原機產生的NOX進行催化還原，抑制整車NOX排放的大幅升高.

圖4 不同排放階段柴油車NOX排放速率隨VSP變化

3 結 論

1)所有車輛的THC排放速率均隨VSP增大而升高，國V階段公交車的THC排放速率均略低于國III和國IV階段公交車，THC排放均隨車速和VSP升高逐漸降低，國V階段車輛略低于國III和國IV階段車輛，在減排方面有一定優(yōu)勢，但優(yōu)勢并不顯著.

2)多數(shù)公交車NOX排放速率隨VSP增大而升高，其中國III階段公交車升高幅度最大；國III階段公交車的NOX排放隨車速的增加變化不明顯，國IV階段公交車隨車速的增加降低較為顯著，國V階段公交車NOX排放隨車速的增加略有降低，但降低幅度不大，且國III、國IV和國V 3個階段的公交車排放相差并不大.

[1] 郭佳棟，葛蘊珊，譚建偉，等.國IV公交車實際道路排放特征[J]. 環(huán)境科學研究，2014，27(5)：477-483.

[2] 樓狄明，成 偉，馮 謙.國IV天然氣公交車實際道路顆粒物排放特性[J].環(huán)境科學,2014,35(3):864-869.

[3] 劉志華. 針對PMP協(xié)議中重型柴油機顆粒物數(shù)量排放測量方法的研究[D].北京理工大學,2011.

[4] 楊洪強，帥石金，胡京南，等.重型柴油車區(qū)域達標法和窗口平均值法對中國典型路況的適應性[J].環(huán)境科學研究.2012，25(6)：699-705.

Research on Emission of Gaseous pollutants from Stage-V BusesBased on Vehiclc Specific Power

ZOU Qiang

(Guangxi Yuchai Machinery Co., Ltd，Yulin 537005，China)

The emission of their gaseous pollutants from buses in National V was analyzed by using the parameter of the Vehicle Specific Power (VSP). The characteristics of the pollutant emission were compared with that of other buses at different stages of the National Standard. The experimental results showed that, the rate of CO emission increased with the VSP without obvious difference among the buses with different stages, the rate of THC emission on the Stage V buses was slightly lower than that of the Stage III and the Stage IV buses, and the rate of NOXemission increased with the VSP, the biggest rise in the Stage III buses. The results also showed that, with the increase of the vehicle speed, the rate of NOXemission from the Stage V buses decreased slightly and the NOXemission rate from the Stage IV buses decreased significantly.

Stage-V buses；vehicle specific power (VSP)；gaseous pollutants；emission

1009-4687(2016)04-0013-04

2016-1-18

鄒 強(1972-)，男，碩士，研究方向為發(fā)動機.

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