基于Matlab灰色模型法的天然氣出租車隊MOBILE6.2排放特性研究

魏慧利++霍煒++趙紅++張紀鵬

摘 要：利用MOBILE6.2模擬了青島市天然氣出租車隊2015年CO、HC、NOX排放因子。采用簡易瞬態(tài)工況法檢測在役12輛捷達、32輛桑塔納出租車的排放因子，并利用測試結(jié)果對MOBILE6.2模型進行修正完成了模型的本地化。結(jié)合Matlab灰色系統(tǒng)模型預測了2016～2020年污染物排放水平。結(jié)果表明2015年青島市出租車CO、HC、NOX的排放因子分別為1.84g/km、0.66g/km、0.36g/km，導致CO排放高的原因有兩個：天然氣燃燒性能和發(fā)動機技術(shù)改變。“油改氣”降低了CO、HC、NOX80%、69%、63%的排放，減排效果在2016～2020年趨于平穩(wěn)。

關(guān)鍵詞：排放特性；MOBILE6.2；簡易瞬態(tài)工況法；灰色模型

中圖分類號：X511 文獻標識碼：A

我國城市機動車保有量實現(xiàn)了飛躍式增長，然而其引起的環(huán)保問題卻不容忽視。國內(nèi)對車輛排放污染物的研究主要針對以汽油、柴油為燃料的各種車型，對燃氣車的預測研究較少，且2003年開始實施的出租車“油改氣”政策的減排效果缺少評估研究。本文全面調(diào)查收集了青島市出租車信息，建立了青島市出租車隊的MOBILE6.2排放因子模型；采用簡易瞬態(tài)工況法檢測出租車排放因子，分析了燃氣出租車的排放特點和影響因素，并根據(jù)其測試完成了MOBILE模型的本地化；建立Matlab灰色系統(tǒng)模型，預測了青島市出租車2016～2020年的排放水平。

1. MOBILE建模

1.1 MOBILE6簡介

MOBILE是美國環(huán)保局推出的排放因子模型，可以模擬在用車隊碳氫化合物（HC）、一氧化碳（CO）、氮氫化合物（NOX）、顆粒物（PM）、有害空氣污染物及二氧化碳（CO2）的排放因子，建立地區(qū)、國家范圍的排放清單，應用廣泛。用戶需要對不同機動車模型進行參數(shù)修正后才能發(fā)展出適用于本國機動車排放的本土模型。

1.2 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)調(diào)研，設(shè)定其模型參數(shù)如下。選擇模型年為2015，評價月為1月，海拔高度為1低海拔。日峰持續(xù)時間為10A.M～4P.M，1月太陽起/落為6A.M～6P.M，最低/最高溫度為32～42°F，云量為0.4，氣壓為30.0。柴油車比例命令全部設(shè)定為0。

天然氣出租車是由輕型汽油車改造而來，在車輛登記分布命令中僅需設(shè)定輕型汽油車車型，且出租車每8年強制更新，經(jīng)調(diào)研設(shè)定車齡1～7的百分數(shù)為10、3、3、13、15、41、15，其余為0。使用年均累積行駛里程命令設(shè)定車隊行駛特征，經(jīng)調(diào)研，出租車年均行駛里程約為13.7萬km，在外部文件Reg.d中設(shè)定輸入值均為0.851。針對天然氣車隊，需要設(shè)置天然氣車輛比例和天然氣車替代排放因子命令。其中天然氣排放因子使用美國EPA對于超低排放車輛的認定標準，在外部文件ngvef.d中設(shè)定數(shù)值。

目前我國汽油燃料質(zhì)量為國Ⅳ標準，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)、國家標準文件，通過燃料程序命令設(shè)定燃料含硫量。其他相關(guān)命令使用系統(tǒng)默認值。

1.3 模擬結(jié)果

運行*.in文件輸出青島市2015年出租車的HC、CO、NOX排放因子分別為0.66、1.84、0.36g/km，滿足山東省標準CO≤7.2g/km、（HC+NOX）≤2.5g/km，測試合格。

2.簡易瞬態(tài)工況法（VMAS）測試

2.1 簡易瞬態(tài)工況法

簡易瞬態(tài)工況法（VMAS）為動態(tài)加載檢測方法，機動車在底盤測功機上根據(jù)標準的測試規(guī)程模擬實際行駛條件，檢測其排放因子，對尾氣中的CO、HC、NOX等有害物都有較好的檢測精度。VMAS測試的主要設(shè)備為：底盤測功機、汽車尾氣分析儀、氣體流量分析儀、主控計算機等。對在役的12輛捷達、32輛桑塔納出租車進行VMAS試驗檢測其排放因子。

2.2 測試結(jié)果分析

由圖1可知，除了一輛2009.10桑塔納的排放明顯超出正常范圍的故障車輛，忽略不計外，其余測試車輛的HC、NOX排放維持低水平：捷達、桑塔納HC為0.1g/km～2.0g/km，NOX為0.1g/km～1.0g/km。天然氣發(fā)動機內(nèi)，燃燒較為完全，溫度低，生成HC和NOX較少。說明天然氣燃料對HC、NOX有良好減排效果。HC、NOX變化一致，說明發(fā)動機技術(shù)改變，如后處理老化、噴油點火性能等，對于HC、NOX影響是一致的。

車隊的CO的排放水平較高，且波動最大：捷達為 0.2g/km～6.9g/km，桑塔納為0.2g/km～11.3g/km，是主要污染物。這是由于同樣工況下所需天然氣體積噴射流量遠大于汽油，工作循環(huán)變動大，發(fā)動機運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，天然氣燃燒特性導致排放增加。

CO變化與HC、NOX大致相同，該變化是由發(fā)動機技術(shù)改變引起的。但是注冊時間為2009.2、2009.6、2009.8、2011.2、2012.4捷達和2009.7、2009.9桑塔納，其CO排放卻與HC、NOX相反，說明CO的排放變化是由本身特性決定的。這是因為氧氣富足時燃料燃燒完全，生成HC減少、CO增加，且天然氣燃燒溫度低，能抑制NOX的生成；氧氣不足，則相反。此時CO與HC、NOX排放變化相反是由天然氣燃燒特性決定的。

1.8L桑塔納CO排放因子變化幅度是1.6L捷達的兩倍，而且桑塔納CO變化趨勢多與HC、NOX一致，可見大排量桑塔納與小排量捷達相比CO排放高是由發(fā)動機技術(shù)改變引起的。

由圖2可以看出，與汽油車的排放因子與累計行駛里程成正相關(guān)明顯不同，天然氣車排放因子受車齡影響較小，成離散型分布。這是由于天然氣氣體進入氣缸時不會破壞機油油膜的潤滑特性，幾乎不會產(chǎn)生積碳，而積碳會引起發(fā)動機燃燒不良導致尾氣排放超標，大幅降低了排放隨行駛里程的劣化。

2.3 修正因子計算

根據(jù)測試車輛的登記日期和公式（1）可得整個車隊VMAS的CO、HC、NOX排放因子為2.81g/km、1.04g/km、0.57g/km。

定義MOBILE的參數(shù)修正因子為排放因子模擬值和實測值之比，計算得到CO、HC、NOX的參數(shù)修正因子分別為0.65、0.63、0.63。將修正因子輸入MOBILE中，得到本土化的青島市出租車本地MOBILE排放模型。

2.4 2003～2015年青島出租車隊排放因子

使用青島市出租車本地MOBILE排放模型得到其2003～2015年排放因子如圖3所示。由圖發(fā)現(xiàn)，自2003年“油改氣”以來，CO、HC、NOX的排放因子均減小。其中CO的降幅最大，由14.7降到2.81g/km，降幅達80%；HC在2003年～2007年降幅為69%，2008年后逐漸平穩(wěn)；NOX降幅達63%?！坝透臍狻闭哂行Ы档土顺鲎廛?種污染物的排放。

3. Matlab灰色系統(tǒng)模型的出租車保有量預測

某種污染物年排放量計算公式如下。

式中EQω為ω種污染物的年排放量，P為統(tǒng)計年份車保有量，M為車年平均行駛里程，Efω為ω種污染物的排放因子。其中青島市出租車保有量P可利用灰色模型進行預測。

3.1 灰色系統(tǒng)模型

青島市出租車保有量是一個既有未知又有已知信息的灰色系統(tǒng)，灰色系統(tǒng)模型只需從保有量的實際信息的初始數(shù)據(jù)中找尋規(guī)律，即可完成未來保有量預測。將Matlab軟件和灰色模型結(jié)合編程，應用模型時只需輸入初始數(shù)據(jù)、預測數(shù)據(jù)個數(shù)即可得到預測結(jié)果，無需再次編寫計算公式，提高計算效率。

3.2 Matlab的GM（1，1）建模

（1）選定初始數(shù)據(jù)X0為2007～2015青島市年出租車保有量為：8221、9241、9136、9539、9683、9693、9826、9720、10033。

（2）建立Matlab灰色模型。調(diào)用Matlab程序建模，需要預測數(shù)據(jù)為2016～2020年出租車保有量，按照提示輸入初始數(shù)據(jù)X0、預測數(shù)據(jù)個數(shù)n=5即可完成建模。

（3）輸出2016～2020年保有量預測值為10117、10234、10353、10473、10594輛。

3.3 誤差檢驗

灰色模型建立模型后，需要通過對相對殘差q、后驗差比值C、小誤差概率P計算對模型精度進行檢驗，在Matlab中計算得到本模型的模型值、相對殘差見表1。

本模型相對殘差q<0.05，精度為二級；后驗差比值C=0.0654<0.35，精度為一級；小誤差概率為P=1>0.95，為一級。說明模型預測精度好，通過檢驗。

4. 2016年～2020年城市出租車隊排放特征

使用青島出租車本地MOBILE模型模擬計算出租車車隊2016年～2020年污染物的排放因子如圖4（a）所示，使用灰色系統(tǒng)預測其保有量，年均行駛里程Mj約為13.7萬km，根據(jù)公式（2）得到其2016～2020年污染物排放總量如圖4（b）所示。

模擬值表明，2016年～2020年期間，青島市出租車的HC、NOX排放因子水平基本穩(wěn)定，其排放總量則因為出租車數(shù)量的增加呈現(xiàn)上升趨勢。CO則在2016～2017年繼續(xù)有較大幅度地降低，由1.84g/km降低到了1.22g/km，但依然是天然氣車輛的主要污染物；CO、HC、NOX排放總量在2020年分別達到0.36t、0.15t、0.1t。

結(jié)論

（1）建立青島市出租車車隊MOBILE6.2模型，得到其2015年的HC、CO、NOX模擬排放因子；使用VMAS測試在役12輛捷達、32輛桑塔納出租車，得到青島市出租車隊HC、CO、NOX實測排放因子為1.04g/km、2.81g/km、0.57g/km，并利用實測排放因子完成MOBIEL模型本土化。發(fā)現(xiàn)天然氣出租車CO排放因子水平較高，導致CO排放高的原因有兩個：天然氣燃燒性能和發(fā)動機技術(shù)改變。

（2）結(jié)合MOBILE6.2模型和Matlab灰色模型，預測了青島市出租車2016～2020年HC、CO、NOX總排放量。結(jié)果表明，在“油改氣”政策逐步實施的2003年～2015年期間，出租車降低了超過60%左右的尾氣排放。隨著燃氣車輛數(shù)趨于穩(wěn)定，減排效果將在2016年～2020年逐步穩(wěn)定，而排放量則跟隨出租車數(shù)量的增加而有所增加。

參考文獻

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