基于PEMS的高里程CNG出租車排放特性研究

沈 聰，李舜酩，王運(yùn)靜，呂 猛，李 軼，祖 雷，劉澤民

(1.南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院， 南京 210016；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院 國家環(huán)境保護(hù)機(jī)動(dòng)車污染控制與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100012)

大氣污染源解析表明[1]，機(jī)動(dòng)車排放污染物已經(jīng)成為城市環(huán)境空氣污染的重要來源。作為區(qū)域機(jī)動(dòng)車污染治理的重要依據(jù)，機(jī)動(dòng)車污染源排放清單的制定逐步進(jìn)入精細(xì)化時(shí)代[2-4]，其估算的準(zhǔn)確性對(duì)政策制定及污染防治工作的開展至關(guān)重要。在排放清單的估算時(shí)主要是參考《道路機(jī)動(dòng)車大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南(試行)》(本文簡(jiǎn)稱為指南)中的排放因子，其中輕型車的排放因子主要是在實(shí)驗(yàn)室按認(rèn)證工況通過轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)獲得[5]。而隨著車載測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究表明：實(shí)際道路行駛工況下的機(jī)動(dòng)車排放水平要比實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證行駛工況下的惡劣得多[6-8]。機(jī)動(dòng)車排放因子用以表征單位行駛里程內(nèi)機(jī)動(dòng)車污染物的排放量，作為排放清單制定的基礎(chǔ)，其準(zhǔn)確性、完整性顯得尤為重要。

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市出租車的保有量持續(xù)上漲，其中許多城市CNG出租車的占比不斷增大。由于出租車具有行駛里程大、單車排放量高、排放劣化程度高等特點(diǎn)，其為城市機(jī)動(dòng)車污染物排放的重要來源之一，因而備受環(huán)保工作者的重視[9-12]。據(jù)生態(tài)環(huán)境部通報(bào)，2016年北京市重污染天氣應(yīng)急響應(yīng)的專項(xiàng)督查發(fā)現(xiàn)，里程超過30萬km的出租車排放超標(biāo)率達(dá)到80%～90%。而目前國內(nèi)尚缺少專門針對(duì)高里程CNG出租車實(shí)際道路排放特性的研究。影響機(jī)動(dòng)車排放的因素很多，包括技術(shù)水平、行駛工況、負(fù)載、氣候環(huán)境等[13]，其中行駛工況對(duì)機(jī)動(dòng)車的實(shí)際排放影響最大。本文選取一類國Ⅳ高里程CNG出租車運(yùn)用車載測(cè)試系統(tǒng)(PEMS)開展道路排放測(cè)試試驗(yàn)，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析行駛工況對(duì)其CO2、CO、NOx、HC排放的影響，為進(jìn)一步完善本土化機(jī)動(dòng)車排放清單模型提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

本研究使用的車載排放測(cè)試系統(tǒng)為美國SENSORS公司生產(chǎn)的SEMTECH-ECOSTAR系統(tǒng)。采用非分散紅外分析法(NDIR)測(cè)量CO、CO2。采用不分光紫外線測(cè)量技術(shù)(NDUV)測(cè)量NO、NOx。采用氫離子火焰法(FID)測(cè)量總碳?xì)?THC)。自帶的GPS可逐秒記錄車輛的地理位置和行駛速度等信息。溫濕度計(jì)記錄試驗(yàn)過程中車輛所處環(huán)境信息。尾氣流量計(jì)用于排氣流量測(cè)量。主控電腦可以實(shí)時(shí)對(duì)各模塊進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

完成設(shè)備的安裝后(設(shè)備的安裝示意圖如圖1所示)，在測(cè)試開始前，需要對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行檢漏、預(yù)熱，并分別用標(biāo)準(zhǔn)氣對(duì)各氣態(tài)分析模塊進(jìn)行標(biāo)零、標(biāo)定，以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。之后參考相關(guān)技術(shù)法規(guī)[14]，按照既定的路線進(jìn)行實(shí)際道路排放測(cè)試。

圖1 出租車試驗(yàn)設(shè)備安裝示意圖

1.2 試驗(yàn)車輛及測(cè)試環(huán)境

試驗(yàn)用CNG出租車涵蓋了市面上常見的車型(主要為捷達(dá)、桑塔納等)，其累積行駛里程范圍在30～60萬km， 排放標(biāo)準(zhǔn)為國Ⅳ，排量為1.6 L。測(cè)試開展于冬季，溫度為(6±3)℃，相對(duì)濕度為24%±5%，平均大氣壓為102.7 kPa，平均海拔高度為22 m。測(cè)試路線選擇在北京燕郊境內(nèi)，主要涉及到匯福路—京哈公路—迎賓路—木燕路—龍?zhí)谅贰叽舐贰┢礁咚佟h道—福成路—京哈公路—東環(huán)路等，總長(zhǎng)度約為59 km。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 總體排放特性

運(yùn)用后處理軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，計(jì)算得到所測(cè)試高里程CNG出租車整個(gè)行程的平均綜合排放因子，其中CO2、CO、NOx、HC分別為155.13、0.09、1.42、0.93 g/km。圖2為實(shí)測(cè)平均值、國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)排放限值與指南里國Ⅳ替代燃料出租車的排放因子對(duì)比情況，從中可以發(fā)現(xiàn)：3種污染物都具有較大的差異，其中NOx、HC分別超過排放限值近18倍和9倍。這可能與后處理設(shè)備劣化失效有關(guān)，故需加強(qiáng)對(duì)大行駛里程CNG出租車的維護(hù)保養(yǎng)。結(jié)合前人研究結(jié)果[11,15-16]，發(fā)現(xiàn)出租車實(shí)際道路排放超標(biāo)比例高，且超標(biāo)程度大，若直接采用指南中的排放因子估算實(shí)際道路上的出租車污染物排放量，可能會(huì)導(dǎo)致排放清單被大大低估。

圖2 CNG出租車實(shí)際道路、指南中的排放因子和排放限值對(duì)比

圖3為高里程CNG出租車在加速、勻速、減速、怠速工況下CO2、CO、NOx、HC的排放占比情況。從中可以發(fā)現(xiàn)：雖然加速工況僅占整個(gè)測(cè)試過程的23%，但各污染物排放貢獻(xiàn)率均超過50%；勻速工況(加速度的絕對(duì)值小于等于0.1 m/s2被視為勻速)占整個(gè)過程的近一半，但各污染物排放貢獻(xiàn)率卻較?。粶p速工況下，各污染物排放貢獻(xiàn)率位居第2；怠速工況下，雖然其時(shí)間占比最小、排放貢獻(xiàn)率也最少，但此時(shí)車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，其排放因子可認(rèn)為無限大。

圖3 4種工況下各污染物的排放貢獻(xiàn)率

2.2 速度與排放的關(guān)系

為了分析高里程CNG出租車排放與速度的關(guān)系，結(jié)合實(shí)際行駛特點(diǎn)，將速度劃分為10個(gè)連續(xù)的區(qū)間，即(0,10]，(10,20]，(20,30]，(30,40]，(40,50]，(50,60]，(60,70]，(70,80]，(80,90]，(90,+∞]，各排放因子與速度區(qū)間的曲線變化情況如圖4所示?？梢钥闯觯篊O2、CO和HC的排放因子在低速區(qū)間(v≤20 km/h)內(nèi)較高，隨著車速的提升總體呈下降趨勢(shì)。值得注意的是，CO在中高速區(qū)間排放因子趨近于0。NOx的排放因子總體規(guī)律比較復(fù)雜，其走勢(shì)在v≤40 km/h區(qū)間內(nèi)為基本持平狀態(tài)，而在v>40 km/h區(qū)間波動(dòng)較大；NOx在高速區(qū)間的排放貢獻(xiàn)率最高。

圖4 排放因子與速度的關(guān)系

2.3 加速度與排放的關(guān)系

為了探究高里程CNG出租車加速度對(duì)排放的影響，避免速度區(qū)間過多影響結(jié)果分析，權(quán)衡后選取了5段典型速度區(qū)間，并根據(jù)車輛行駛狀況下的加速度出現(xiàn)頻率將加速度劃分為10個(gè)區(qū)間，即(-∞,-1]，(-1,-0.6]，(-0.6,-0.3]，(-0.3,- 0.1]，(-0.1,0]，(0,0.1]，(0.1,0.3]，(0.3,0.6]，(0.6,1]，(1,+∞]，其變化趨勢(shì)如圖5所示。從圖5中可以明顯看出：各速度區(qū)間下CO2的排放因子隨加速度的增大總體呈上升趨勢(shì)。對(duì)于CO和HC的排放因子，在020 km/h區(qū)間，隨加速度的增大，CO的排放因子先增大后減小，HC的排放因子總體上有略微的增長(zhǎng)。對(duì)于NOx的排放因子，隨著加速度的增大，在030 km/h區(qū)間總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。這是由于車輛加速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)需要更多的燃料燃燒以提供更強(qiáng)勁的動(dòng)力，往往會(huì)導(dǎo)致氣缸內(nèi)溫度加劇升高，從而加劇了NOx的產(chǎn)生[17]。

圖5 排放因子與加速度的關(guān)系

2.4 VSP與排放的關(guān)系

機(jī)動(dòng)車比功率(vehicle special power，VSP)表示發(fā)動(dòng)機(jī)每牽引1 t質(zhì)量所輸出的功率，單位為 kW/t，其綜合了車輛速度、加速度、道路坡度以及阻力系數(shù)等一系列參數(shù)[18]。對(duì)其簡(jiǎn)化后，轉(zhuǎn)化成與行駛速度、加速度和坡度后的關(guān)系函數(shù)為

VSP=v[1.1a+9.81(atan(sinθ))+0.132]+

0.000 302v3

(1)

式中：v為行駛車速(m/s)；a為加速度(m/s2)；θ為道路坡度(rad)。

通過分析比功率的分布區(qū)間和頻率，并參考相關(guān)文獻(xiàn)[19-20]，將VSP劃分成12個(gè)區(qū)間，即(-∞,-1]，(-1,0]，0，(0,1]，(1,2]，(2,3]，(3,4]，(4,5]，(5,6]，(6,7]，(7,8]，(8,+∞]。圖6為高里程CNG出租車的VSP與其CO2、CO、NOx、HC排放因子和排放率的關(guān)系曲線，可以看出：CO2、NOx的排放因子和排放速率整體呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，值得指出的是在VSP=0(怠速)時(shí)NOx的排放速率趨近于0。對(duì)于CO，其排放因子和排放速率整體先遞增后銳減。對(duì)于HC，其排放因子先增大后逐漸減??；其排放速率整體呈遞增趨勢(shì)。隨著比功率的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率愈大，耗油量增加，燃燒溫度較高，導(dǎo)致了高CO2、NOx排放。而較高的燃燒溫度促進(jìn)了碳?xì)淙剂系某浞秩紵?，從而降低了CO、HC的排放?？傮w而言，各污染物排放因子和排放速率隨VSP的變化趨勢(shì)有較高的一致性，這也再次驗(yàn)證了VSP能較好地反映車輛運(yùn)行工況和污染物排放情況之間的關(guān)系。

圖6 排放因子和排放速率與VSP的關(guān)系

3 結(jié)論

1) 測(cè)試高里程CNG出租車的CO2、CO、NOx和HC平均綜合排放因子分別為155.13、0.09、1.42、0.93 g/km，其中NOx和HC超標(biāo)嚴(yán)重。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其與參與排放清單計(jì)算的排放因子偏差較大，這可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)動(dòng)車污染排放清單被低估。同時(shí)，需加強(qiáng)對(duì)該類出租車的維護(hù)保養(yǎng)。

2) 高里程CNG出租車CO2、CO和HC的排放因子在低速區(qū)間內(nèi)較高，隨著車速的提升總體呈下降趨勢(shì)，而NOx的排放因子總體規(guī)律比較復(fù)雜，其隨速度上升會(huì)產(chǎn)生較大的波動(dòng)。

3) 相比其他工況，高里程CNG出租車在加速工況下，各污染物的排放貢獻(xiàn)率最高。在不同的速度區(qū)間下，CO2和HC的排放因子隨加速度的增大總體呈上升趨勢(shì)。CO的排放因子隨加速度的增大先增大后減小。NOx的排放因子，在低速區(qū)間內(nèi)，隨加速度波動(dòng)幅度不大且變化規(guī)律較弱。而在中高速區(qū)間，隨加速度增大有明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

4) 各排放物排放因子和排放速率隨VSP的變化趨勢(shì)有較高的一致性，用VSP能夠更好地量化高里程CNG出租車運(yùn)行工況與污染物排放之間的關(guān)系。其中NOx的排放因子和排放速率整體隨VSP的增大呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。對(duì)于CO，當(dāng)VSP<0時(shí)，呈遞增趨勢(shì)；當(dāng)VSP>0時(shí)，其排放因子和排放速率整體銳減。對(duì)于HC，其排放速率整體呈遞增趨勢(shì)，排放因子先增大后減小。