長三角典型城市公交車實際道路細(xì)顆粒物排放測試

劉登國，劉 娟，樓狄明

1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 2018042.上海市環(huán)境監(jiān)測中心，上海 200234

長三角典型城市公交車實際道路細(xì)顆粒物排放測試

劉登國1,2，劉 娟1，樓狄明1

1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 2018042.上海市環(huán)境監(jiān)測中心，上海 200234

為研究長三角典型城市公交車細(xì)顆粒物排放特征，采用便攜式排放測試系統(tǒng)(PEMS)，對上海、杭州和蘇州三大城市的8輛典型城市公交車開展實際道路細(xì)顆粒物排放實驗。研究結(jié)果表明：長三角典型城市車輛的實際道路平均車速為22.7 km/h，怠速比例為20.4%，加減速比例為54.5%；在穩(wěn)態(tài)行駛工況下，隨車速增大，公交車顆粒物質(zhì)量及數(shù)量排放呈逐漸增大趨勢；在20 km/h車速范圍內(nèi)，上海國III、國IV和蘇州國III公交車顆粒數(shù)濃度呈雙峰粒徑分布，其他公交車均為單峰分布；隨比功率的增大，公交車顆粒質(zhì)量呈逐漸增大的趨勢，國IV公交車顆粒數(shù)量呈先下降再增大趨勢，國III公交車顆粒數(shù)量呈上升趨勢；公交車顆粒質(zhì)量綜合排放因子為0.8～189 mg/km，顆粒數(shù)量綜合排放因子為6.2×1012～9.6×1014#/km。

細(xì)顆粒物；城市公交車；實際道路；長三角

公交車是城市的主要公共交通工具之一，具有站點多、頻繁處于起動、制動、怠速和低速行駛等特點，大部分時間在低速大轉(zhuǎn)矩和怠速工況下運(yùn)行。研究表明：擔(dān)負(fù)70%以上客運(yùn)量的公交車是顆粒物排放大戶，上海中心城區(qū)公交車顆粒物排放分擔(dān)率為45%[1-2]。柴油公交車的顆粒物排放主要以粒徑小于0.1 μm的細(xì)顆粒物為主，顆粒物粒徑越小，對人體健康的影響越大，因此柴油車排放的顆粒物數(shù)濃度及粒徑分布成為國內(nèi)外眾多研究的重點。公交車顆粒物排放已有研究運(yùn)用便攜式車載排放測試系統(tǒng)(PEMS)在實際道路上進(jìn)行了實時測量，并取得一定的成果，樓狄明等[3]、石愛軍等[4]、譚丕強(qiáng)等[5]、郭佳棟等[6]、郝艷召等[7]、景啟國等[8]、劉志華等[9]、高繼東等[10]、吳曉偉等[11]、JAYARANE等[12]、FONTARAS等[13]都對公交車顆粒數(shù)量、質(zhì)量排放特性及其粒徑分布進(jìn)行了研究。但少見有針對不同城市公交車在實際道路顆粒物排放的研究。

利用PEMS對長三角地區(qū)的上海、杭州和蘇州8輛柴油車開展實際道路的顆粒物排放測試，研究不同排放標(biāo)準(zhǔn)典型公交車細(xì)顆粒物排放特性，為長三角道路公交車排放模型的顆粒物排放因子本地化校正提供數(shù)據(jù)支持。

1 實驗方案及設(shè)備

1.1 實驗方案

實驗對8輛公交車進(jìn)行道路排放測試，其中蘇州國III柴油車(以下簡稱蘇A)、國IV LNG車(以下簡稱蘇B)和國IV油電混合公交車(以下簡稱蘇C)各1輛，杭州國III柴油車(以下簡稱杭A)、國IV柴油車 (以下簡稱杭B)各1輛，上海國III柴油車(以下簡稱滬A)、國III柴油車(加裝DOC+CDPF后處理，與上海國III同一輛車，以下簡稱滬B)、國IV柴油車(以下簡稱滬C)各1輛，公交車實際道路實驗采用市售的國IV柴油，車輛參數(shù)信息見表1。

上海的受試公交車在同一道路進(jìn)行3次穩(wěn)態(tài)實驗及40 min的瞬態(tài)自由工況實驗，杭州、蘇州公交車分別在同一公交車線路上進(jìn)行瞬態(tài)自由工況實驗。

表1 長三角典型城市的受試車輛詳細(xì)參數(shù)Table 1 Typical city vehicle parameters in Yangtze River Delta

1.2 實驗設(shè)備

顆粒物測試設(shè)備[14]為EEPS-3090排氣顆粒數(shù)量及粒徑分析儀(美國)，該粒徑分析儀可快速測取機(jī)動車尾氣中顆粒數(shù)量濃度及粒徑分布，測量粒徑范圍為 5.6～560 nm，在0.1s 內(nèi)可測取一個完整的顆粒粒徑分布圖譜，并同步輸出32個粒徑通道的顆粒數(shù)量和粒徑分布數(shù)據(jù)，此設(shè)備完全滿足機(jī)動車瞬態(tài)測試要求。采用FPS-2000稀釋通道，對尾氣中的顆粒物進(jìn)行稀釋，GPS實時記錄公交車行駛工況。

2 實驗結(jié)果及分析

在研究不同公交車顆粒物排放特性時，為保證實驗工況的一致性，在實驗數(shù)據(jù)分析中，對比不同車速時只選取穩(wěn)態(tài)實驗工況數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，對比不同比功率[8，13]時只選取瞬態(tài)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，分析綜合排放因子時選取瞬態(tài)工況進(jìn)行分析。

2.1 公交車行駛工況特性

表2顯示了長三角典型城市公交車實際道路行駛特征。

表2 長三角典型城市公交車實際道路行駛特征Table 2 Actual road moving characteristics of typical city in Yangtze River Delta

從表2中可以看出，長三角公交車實際道路行駛具有平均車速低、怠速比例高、加減速頻繁的行駛特點。公交車的平均車速為13.7～31.0 km/h，怠速比例為10.7%～33.0%，加減速比例為34.3%～69.9%。

2.2 公交車穩(wěn)態(tài)顆粒物排放特性

圖1為公交車顆粒物質(zhì)量(PM)排放率。

圖1 穩(wěn)態(tài)工況顆粒物PM排放率Fig.1 Emission rate of particulate matter in steady state

從圖1中可以看出，隨車速的增大，PM呈逐漸增大的趨勢。車速為10、20、30、40、50、60 km/h時，公交車PM排放均值分別為170、278、294、228、306、567 μg/s。隨著車速的增大，發(fā)動機(jī)負(fù)荷率大部分情況下會提高，發(fā)動機(jī)本身的PM排放一般會上升；其次，車速增大時，發(fā)動機(jī)單位時間內(nèi)的工作次數(shù)往往也會增加，進(jìn)一步導(dǎo)致PM排放量呈上升趨勢。其中蘇B、滬A、滬B和滬C公交車PM均低于8輛公交車的平均值，蘇A、蘇C和杭B公交車的PM值高于8輛公交車的平均值；由于杭B的車齡為7 a，車齡較長，行駛里程最高，且行駛平均速度較低，造成PM排放差，但車速從30 km/h升到40 km/h，PM排放率降幅較大，有待進(jìn)一步研究。

圖2為公交車顆粒數(shù)量(PN)時間排放率。

圖2 穩(wěn)態(tài)工況PN排放率Fig.2 Emission rate of PN in steady state

從圖2中可以看出，隨車速的增大，公交車PN呈逐漸增大的趨勢。車速為10、20、30、40、50、60 km/h時，公交車PN排放均值分別為1.5×1012、2.2×1012、2.0×1012、3.5×1012、5.1×1012和7.8×1012#/s。其中蘇A、滬A、滬B和滬C公交車排放PN均低于8輛公交車的平均值，蘇B、蘇C和杭A公交車排放PN高于8輛公交車平均值。

圖3為公交車在20 km/h的速度下不同粒徑顆粒物的PN值。

從圖3中可以看出，滬A、滬C、蘇A公交車PN值出現(xiàn)雙峰，滬A公交車排放的顆粒物粒徑為9.3、80.6 nm時，PN分別為1.0×105、1.5×105#/cm3；滬C公交車排放的顆粒物粒徑為10.8、45.3 nm時，PN分別為2.0×106、5.3×106#/cm3；蘇A公交車排放的顆粒物粒徑為9.3、60.4 nm時，PN分別為2.0×106、2.1×105# /cm3；其余5輛公交車均為單峰，其公交車排放的顆粒物粒徑為10.8 nm，PN范圍為0.085×106～5.1×106#/cm3，蘇B公交車的PN最高，說明LNG車排放超細(xì)顆粒數(shù)量較高。

圖3 車速為20 km/h穩(wěn)態(tài)時PN粒徑分布Fig.3 Particle size distribution at steady state of 20 km/h

2.3 公交車瞬態(tài)顆粒物排放特性

圖4為公交車PM瞬態(tài)排放對比圖。

圖4 瞬態(tài)時不同比功率下PM排放對比Fig.4 PM emission under transient specific power VSP

從圖4(a)中可以看出，隨比功率的增大，國IV公交車PM瞬態(tài)排放整體呈逐漸增大的趨勢，杭B呈逐漸增大的趨勢，蘇C在比功率為-10～-7.5 kW/t時，公交車PM值逐漸下降，比功率為-7.5～7.5 kW/t時，公交車PM排放緩慢增加且差距逐漸增大；比功率為7.5～15 kW/t時，公交車PM排放又逐漸下降。滬C、蘇B公交車比功率為-10～0 kW/t時，公交車PM值逐漸下降，比功率為0～10 kW/t時，公交車PM排放緩慢增加且差距逐漸增大。由于杭B公交車的車齡較長，行駛里程最高，且行駛平均速度較低，造成PM瞬態(tài)排放較高。

從圖4(b)中可以看出，隨比功率的增大，國III公交車PM瞬態(tài)排放整體呈逐漸增大的趨勢，蘇A公交車在比功率為-10～-5 kW/t時，公交車PM值逐漸下降，在比功率大于-5 kW/t時，公交車PM排放緩慢增加且差距逐漸增大。滬A在比功率為-10～0 kW/t時，公交車PM值逐漸下降，在比功率大于0 kW/t時，公交車PM排放緩慢增加且差距逐漸增大。滬B公交車在比功率為-10～10 kW/t時，公交車PM逐漸增加，在比功率大于10 kW/t時，公交車PM排放逐漸下降。杭A公交車在比功率為-10～5 kW/t時，公交車PM逐漸增加，在比功率大于5 kW/t時，公交車排放逐漸下降。由于蘇A公交車的行駛平均速度最高，發(fā)動機(jī)運(yùn)行負(fù)荷高，造成PM瞬態(tài)排放較高。

圖5為公交車PN瞬態(tài)排放。從圖5(a)中可以看出，隨比功率的增大，國IV公交車PN瞬態(tài)排放整體呈先下降后增大的趨勢，國IV公交車在比功率為-10～0 kW/t時，公交車PN值逐漸下降；在比功率大于0 kW/t時，杭B和蘇B公交車PN排放緩慢增加且差距逐漸增大；滬C、蘇C呈現(xiàn)波動變化。

從圖5(b)來看，隨比功率的增大，國III公交車PN瞬態(tài)排放整體呈上升趨勢。在比功率大于2.5 kW/t時，滬A公交車PN瞬態(tài)排放較高，原因是滬A公交車行駛里程高，行駛平均速度較高，發(fā)動機(jī)運(yùn)行負(fù)荷高，沒有安裝DOC+CDPF。

圖5 瞬態(tài)下不同比功率下PN排放Fig.5 PN emission under transient specific power VSP

2.4 公交車顆粒物綜合排放因子

圖6為公交車顆粒物綜合排放因子。

圖6 綜合排放因子Fig.6 Integrated unit emission factors

從圖6(a)中可以看出，PM綜合排放因子范圍為0.8～189 mg/km；公交車綜合排放因子高，與車使用頻率高、車齡、行駛工況及保養(yǎng)程度有關(guān)；加裝DOC+CDPF后處理的國III公交車PM綜合排放因子最低，與原車相比下降97%，說明國III公交車加裝后處理后顆粒物減排效果顯著。

從圖6(b)中可以看出，公交車PN綜合排放因子范圍為6.2×1012～9.6×1014#/km， LNG公交車最高，說明LNG公交車排放超細(xì)PN最多，加裝DOC+CDPF后處理的國III公交車綜合排放因子最低，與原車相比下降99%，說明公交車加裝后處理后PN減排效果顯著。

3 結(jié)論

1)長三角典型城市公交車實際道路行駛均具有平均車速低、怠速比例高、加減速頻繁的行駛特點，平均速度為22.7 km/h，怠速比例為20.4%，加減速比例為54.5%。

2)隨車速的增大，公交車PM及PN穩(wěn)態(tài)排放呈增大的趨勢；公交車在車速為20 km/h下不同粒徑的PN排放測試中，滬A、滬C和蘇A公交車實驗結(jié)果出現(xiàn)雙峰，其余5輛公交車均為單峰。

3)隨比功率的增大，國IV公交車PN瞬態(tài)排放整體呈先下降后增大的趨勢，國III公交車PN瞬態(tài)排放整體呈上升趨勢。

4)公交車PN綜合排放因子范圍為0.8～189 mg/km，公交車PN綜合排放因子范圍為6.2×1012～9.6×1014#/km。

[1] 胡志遠(yuǎn)，秦艷，譚丕強(qiáng)，等.國IV柴油公交車上海市道路NOx和超細(xì)顆粒排放[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015，43(2):286-291.

HU Z Y, QIN Y, TAN P Q, et al.On-road NOx and ultrafine particle emission characteristics of China IV diesel bus in Shanghai[J]. Journal of Tongji University (natural science)，2015，43(2):286-292.

[2] 葉賢滿，徐昶，洪盛茂，等 杭州市大氣污染物排放清單及特征[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2015，31(2)：5-11.

YE X M, XU C, HONG S M, et al. Emission inventory and characteristics of air pollutants in Hangzhou [J]. Environmental Monitoring in China, 2015,31(2)：5-11.

[3] 樓狄明，王文剛，胡志遠(yuǎn)，等.基于運(yùn)行參數(shù)的煤制油公交車道路排放特性[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2013(SI):47-51.

LOU D M, WANG W G, HU Z Y, et al. Real road emission characteristics of CTL bus based on operating parameters [J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering,2013(SI):47-51.

[4] 石愛軍，馬俊文，耿春梅，等.北京市機(jī)動車尾氣排放PM10組分特征研究[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2014,30(4):44-49.

SHI A J, MA J W, GENG C M,et al. Characteristics of chemical composition of particulate matter (PM10) from Beijing vehicle [J]. Environmental Monitoring in China，2014,30(4):44-49.

[5] 譚丕強(qiáng)，李潔，胡志遠(yuǎn)，等.柴油公交車燃用不同替代燃料的排放特性[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報，2013(4):63-69.

TAN P Q, LI J, HU Z Y, et al. Emission characteristics of diesel bus burning different alternative fuels [J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering,2013(4):63-69.

[6] 郭佳棟，葛蘊(yùn)珊，譚建偉，等.國V公交車實際道路排放特性研究 [J].汽車工程，2015,37(1):120-124.

GUO J D, GE Y S, TAN J W, et al. A research on the real world emission characteristics of Stste-V buses [J].Automotive Engineering,2015，37(1):120-124.

[7] 郝艷召，于雷，宋國華，等. 基于比功率參數(shù)的北京市柴油公交車行駛和排放特征研究[J].汽車工程，2010,32(2):103-109.

HAO Y Z, YU L, SONG G H, et al. A study on driving and emission features of diesel buses in Beijing on VSP parameter [J]. Automotive Engineering，2010,32(2):103-109.

[8] 景啟國, 陳長虹, 潘漢生, 等. 公交柴油車道路排放特征的實測研究初探[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2006，26(9):1 405-1 411.

JING Q G, CHEN C H, PAN H S, et al. Preliminary analysis of on-road emission characteristics of diesel buses [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2006，26(9):1 405-1 411.

[9] 劉志華,葛蘊(yùn)珊,譚建偉, 等. 柴油公交車行駛工況解析及排放特性研究[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報, 2010,31(11):1 285-1 289.

LIU Z H, GE Y S, TAN J W, et al. Analysis of bus driving cycle and investigation of bus emission characteristic [J]. Transactions of Beijing Institute of Technology,2010,31(11):1 285-1 289.

[10] 高繼東，秦孔建，梁榮亮，等. 北京道路工況下公交車PM和NOx排放特性試驗研究[J].汽車工程，2011,33(9):757-760.

GAO J D, QIN K J, LIANG R L, et al. An experimental study on PM and NOx emission characteristics of public bus in real driving condition in Beijing [J]. Automotive Engineering，2011，33(9):757-760.

[11] 吳曉偉,彭美春,方榮華,等. 基于PEMS的柴油公交車排放測試分析[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2011(1)：146-149.

WU X W, PENG M C, FANG R H,et al. Emission testing and analysis of diesel bus based on PEMS[J].Environmental Science and Technology，2011(1)：146-149.

[12] JAYARANE E R, HE C, RISTOVSKI Z D, et al. A comparative investigation of on-road diesel and CNG buses [J]. Environmental Science and Technology,2008,42(17):6 736-6 742.

[13] FONTARAS G, MARTINI G, MANFREDI U, et al. Assessment of on-road emissions of four Euro V diesel and CNG waste collection trucks for supporting air-quality improvement initiatives in the city of Milan [J]. Science of the Total Environment,2012,426:65-72.

[14] 王瑋，胡永紅，劉紅杰，等.全流稀釋風(fēng)道機(jī)動車排放顆粒物采集系統(tǒng)的集成及其流量控制和調(diào)節(jié)[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2005,21(3):13-17.

WANG W, HU Y H,LIU H J, et al. Full-flow dilution tunnel sampling system for articulate matters from vehicle emission-its integration, flowrate control and adjustment [J]. Environmental Monitoring in China，2005,21(3):13-17.

On-road Fine Particle Emissions Measurement of Typical Urban Bus in Yangtze River Delta

LIU Dengguo1,2,LIU Juan1,LOU Diming1

1.School of Automobile,Tongji University,Shanghai 201804,China2.Shanghai Environmental Monitoring Centre,Shanghai 200234,China

To study the fine particle emission characteristics of urban bus in typical cities of the Yangtze River Delta, a portable emission measurement system (PEMS) was used in this study to test the particle emissions from 8 typical urban buses operating on actual road in Shanghai, Hangzhou and Suzhou. The experimental results showed that the average speed of on-road in the Yangtze River Delta was close to 22 km/h, idle speed proportion 20.4%, and added deceleration proportion 54.5%. In steady state, the fine particle matter and number emission of buses increased with the increasing vehicle speed. Within the speed of 20 km/h, the different size particle number concentration of Suzhou China III, Shanghai China III and China IV bus appeared bimodal distributions, and remaining buses were single peak. In instant state, with the increase of VSP, the fine particle matter emission of buses gradually increased, the instant state emission particle number of China IV bus was first declined then increases, and China III bus presented a rising trend; Bus particles matter integrated emissions factor was within the range of 0.8-189 mg/km, and bus particles number integrated emissions factor was in the range of 6.2×1012-9.6×1014#/km.

fine particle;urban bus;on-road;the Yangtze River Delta

2015-12-29;

2016-02-16

上海市科委項目 (13295810500，15DZ1205502)

劉登國(1976-)，男，河北南宮人，在讀博士研究生，高級工程師。

樓狄明

X831

A

1002-6002(2017)02- 0152- 06

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.02.25