基于實(shí)際道路排放的武漢市重型車排放模型構(gòu)建

杜常清，王琪琪，顏伏伍，張 佩，徐月云

(1.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300162)

隨著道路機(jī)動(dòng)車保有量和行駛里程的快速增長(zhǎng)，機(jī)動(dòng)車在城市和區(qū)域大氣污染物排放中的貢獻(xiàn)日益增長(zhǎng)[1]。機(jī)動(dòng)車排放模型可以反映機(jī)動(dòng)車污染物排放率與影響排放的數(shù)學(xué)或物理關(guān)系，還可以反映預(yù)測(cè)車輛的排放水平等[2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)行駛工況與排放特性關(guān)系做了許多研究，美國(guó)加州大學(xué)河濱分校開發(fā)了適于發(fā)展中國(guó)家城市的機(jī)動(dòng)車污染物排放模型IVE(international vehicle emission model)[3]，該模型需要大量的測(cè)試數(shù)據(jù)才能實(shí)現(xiàn)本地化使用。美國(guó)環(huán)保局(environmental protection agency,EPA) 開發(fā)了MOBILE(mobile source emission factor model,最新版本6.2)系列模型，該模型基于大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，模擬機(jī)動(dòng)車運(yùn)行狀況和背景氣候條件來(lái)計(jì)算排放因子[4]。MOBILE模型的參數(shù)基于美國(guó)環(huán)保局采集的數(shù)據(jù)，與中國(guó)車輛技術(shù)水平和行駛工況有較大差異。COPERT(computer programme to calculate emission from road transport,最新版本IV)模型是歐洲開發(fā)的排放因子模型[5]。該模型采用油耗反推法預(yù)測(cè)車輛污染物排放因子，根據(jù)道路油耗與各污染物之間的關(guān)系推算出各污染物排放因子，這與根據(jù)車載尾氣檢測(cè)(portable emission measurement system，PEMS)采集得出的污染物排放因子存在差異(PEMS基于紅外線分析得到車輛實(shí)時(shí)排放)，因此COPERT模型預(yù)測(cè)的重型車污染物排放因子與PEMS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不同。

我國(guó)學(xué)者也對(duì)機(jī)動(dòng)車排放模型進(jìn)行了深入研究，賀克斌[6]等研究了城市輕型車實(shí)際道路瞬態(tài)排放特征，萬(wàn)濤[7]、劉宇[8]分別作了捷達(dá)車和富康車的實(shí)際排放因子與MOBILE6預(yù)測(cè)值的比較分析，所作分析集中在輕型汽油車，研究主要關(guān)注對(duì)平均排放因子的預(yù)測(cè)，缺少對(duì)特定工況特征對(duì)排放影響的分析研究，并且對(duì)重型車排放特性相關(guān)研究相對(duì)較少。重型車在機(jī)動(dòng)車中的占比雖然較小，但是由于其發(fā)動(dòng)機(jī)功率大，在機(jī)動(dòng)車污染物排放占比卻較大。到目前為止重型車的排放標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的，且采用的測(cè)試工況來(lái)自歐洲，這些都導(dǎo)致我國(guó)的重型車實(shí)際道路排放因子比法規(guī)測(cè)試出的排放因子偏高，為此工信部設(shè)立中國(guó)工況開發(fā)項(xiàng)目，開發(fā)適合我國(guó)道路工況特征的重型車工況測(cè)試循環(huán)，以適應(yīng)下階段排放法規(guī)采用RDE(real driving emissions)測(cè)試的發(fā)展需求。故筆者重點(diǎn)針對(duì)重型車排放特性進(jìn)行分析。

筆者以應(yīng)用PEMS設(shè)備采集的武漢市道路試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)回歸數(shù)學(xué)方法建立了重型車道路工況排放模型，可直接將污染物排放率與道路工況影響因素之間的關(guān)系用方程表現(xiàn)出來(lái)[9]，分析道路工況特點(diǎn)對(duì)重型車實(shí)際道路排放的影響，為道路排放測(cè)試規(guī)范建立以及城市道路交通排放控制提供參考。

1 城市道路重型車排放測(cè)試

1.1 排放測(cè)試設(shè)備

道路排放(real driving emissions， RDE)測(cè)試使用便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)(PEMS)，主要進(jìn)行氣體(CO2、CO、NOx、HC)組分測(cè)量，PEMS采集系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 車載排放測(cè)試系統(tǒng)

本研究所做實(shí)驗(yàn)選用SEMTECH-DS車載尾氣分析儀，該設(shè)備集成了多種氣體分析儀及傳感器，可以準(zhǔn)確地檢測(cè)單車實(shí)際行駛工況下CO、CO2、HC,NOx等污染物的排放率，數(shù)據(jù)采樣頻率為1 Hz。選擇具有代表性的國(guó)四標(biāo)準(zhǔn)重型東風(fēng)天錦載貨車作為被測(cè)車型。在測(cè)試過(guò)程中使用GPS(global positioning system)接收設(shè)備記錄車輛的行駛速度，建立測(cè)試車輛的實(shí)際行駛工況。

1.2 排放測(cè)試路線選擇

測(cè)試路線包含武漢市部分主干路、次干路、支路、快速路以及高速路，實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)10 379 s的測(cè)試路線中，城市道路經(jīng)過(guò)交叉路口和流量較大的線路，車輛行駛過(guò)程中經(jīng)過(guò)多次加速、減速和怠速，能夠采集到足夠的車輛污染物排放數(shù)據(jù)?？焖俾放c高速路段部分使車輛能夠在勻速下高速行駛，可以采集到車輛在不同行駛速度下的排放數(shù)據(jù)。

測(cè)試路況的構(gòu)成如表1所示。

表1 測(cè)試工況構(gòu)成比例 %

2 排放預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建

2.1 模型參數(shù)選擇

機(jī)動(dòng)車排放受很多因素的影響，機(jī)動(dòng)車的排放水平不僅由發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)自身?xiàng)l件所決定，還受道路狀況和行駛狀態(tài)等外部因素影響[10]。此外，機(jī)動(dòng)車維護(hù)水平、駕駛員駕駛習(xí)慣、空調(diào)使用狀況、環(huán)境溫度和濕度以及油品質(zhì)量等因素也會(huì)影響機(jī)動(dòng)車排放水平。

車輛在實(shí)際道路行駛時(shí)，車輛行駛參數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)等是影響其排放的主要因素[11]。研究表明,車輛在實(shí)際道路行駛時(shí)，行駛速度是影響氣態(tài)污染物排放的關(guān)鍵因素[12]，應(yīng)該同時(shí)考慮車輛加速、減速對(duì)排放的影響，而且，比功率廣泛應(yīng)用在機(jī)動(dòng)車排放預(yù)測(cè)、排放特征和運(yùn)行工況分析等領(lǐng)域。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

在以往對(duì)于重型柴油車的影響因素分析中，大多集中在速度、加速度以及行駛模式的單一分析上，但是排放的變化僅依靠單獨(dú)的速度、加速度難以分析出來(lái)。因此筆者引入比功率和速度二維參數(shù)，對(duì)工況區(qū)間進(jìn)行劃分，分析尾氣排放率在各個(gè)工況區(qū)間內(nèi)的變化。

機(jī)動(dòng)車比功率(vehicle specific power, VSP)最早由美國(guó)麻省理工學(xué)院的Jimenez推導(dǎo)并應(yīng)用于遙測(cè)數(shù)據(jù)的分析中。根據(jù)VSP定義[13]，可推導(dǎo)得出VSP的計(jì)算方法，見公式(1)：

(1)

式中：VSP為機(jī)動(dòng)車比功率；Ff、Fw、Fi、Fj分別為車輛行駛滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡道阻力及加速阻力；v為車輛行駛速度；m為車輛總質(zhì)量(車輛自身質(zhì)量與載重量之和)；εi為質(zhì)量因子;g為重力加速度；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為風(fēng)阻系數(shù)；ρa(bǔ)為環(huán)境空氣密度；A為車輛擋風(fēng)面積；vm為風(fēng)速；a為車輛行駛時(shí)瞬時(shí)加速度；α為道路坡度。

瞬時(shí)輸出功率VSP是具有矢量性質(zhì)的物理量[14]，車輛制動(dòng)減速時(shí)，VSP為負(fù)值。在本次測(cè)試試驗(yàn)中，根據(jù)環(huán)境溫度、濕度、測(cè)試時(shí)間等，得到與VSP計(jì)算公式中的相關(guān)參數(shù)取值如表2所示，代入公式(1)進(jìn)行計(jì)算整理，得到公式(2)，式中m為車輛整備質(zhì)量與測(cè)試設(shè)備質(zhì)量的總和。

VSP=v(1.1a+9.793 6sinα+

(2)

表2 VSP計(jì)算參數(shù)取值

2.3 工況區(qū)間劃分方法

基于對(duì)國(guó)內(nèi)外已有模型的研究分析[15-18]，綜合多項(xiàng)研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)機(jī)動(dòng)車瞬時(shí)比功率能夠很好地反映車輛的行駛工況，相關(guān)性也比較強(qiáng)，可以在物理層面解釋其相關(guān)性。比功率就成為了建模的重要參數(shù)之一。合理選擇行駛工況代用參數(shù)是微觀模塊化處理方法的基礎(chǔ)，也是進(jìn)行以上處理的關(guān)鍵步驟。筆者選取了VSP和瞬時(shí)速度v作為劃分行駛工況區(qū)間的參數(shù)，瞬時(shí)速度時(shí)間分布比例如圖2所示，VSP時(shí)間分布比例如圖3所示。對(duì)PEMS采集到的污染物排放測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和處理。

圖2 瞬時(shí)速度時(shí)間分布比例

圖3 VSP時(shí)間分布比例

由圖2可以看出，根據(jù)試驗(yàn)車輛的實(shí)際運(yùn)行工況，怠速工況所占時(shí)間比例為20%，0～50 km/h工況所占時(shí)間比例為28%，50～80 km/h工況所占時(shí)間比例為22%，瞬時(shí)速度大于80 km/h以上的工況時(shí)間比例為30%。符合市區(qū)道路與快速環(huán)線道路結(jié)合的特點(diǎn)。從圖3可以看出，在VSP等于0時(shí)，實(shí)際工況所占時(shí)間比例最大，為30.3%，實(shí)際工況在-4 kW/ton以下所占的時(shí)間比例為4%，實(shí)際工況在-4～0 kW/ton所占的時(shí)間比例為8.7%，實(shí)際工況在大于0～4 kW/ton所占的時(shí)間比例為20.7%，實(shí)際工況在4～8 kW/ton所占的時(shí)間比例為22.8%，實(shí)際工況在大于8 kW/ton所占的時(shí)間比例為13.5%。

根據(jù)以上分析，為了使工況區(qū)間包含所有的行駛工況，并保證每個(gè)區(qū)間包含的數(shù)據(jù)量比較適中，本研究將瞬時(shí)速度劃分為3個(gè)區(qū)段，即低速段(0～50 km/h)、中速段(50～80 km/h)和高速段(大于80 km/h)。在各速度區(qū)間內(nèi)，對(duì)VSP以-4～12 kW/ton為主要?jiǎng)澐謪^(qū)間，2 kW/ton為區(qū)間間隔進(jìn)行劃分，劃分結(jié)果如表3所示。

表3 工況區(qū)間劃分方法(Bin表示工況區(qū)間)

2.4 排放模型的建立

如圖4所示，根據(jù)對(duì)不同工況區(qū)間內(nèi)的排放率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，污染物排放率并不是與比功率為簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，還與速度有關(guān)。根據(jù)速度和比功率可以建立與污染物排放率的二維回歸模型，便可得到每個(gè)工況區(qū)間內(nèi)的排放率預(yù)測(cè)值。

圖4 行駛工況區(qū)間內(nèi)污染物排放率均值

2.4.1 怠速與制動(dòng)減速工況下的排放率

怠速(Bin2)排放率與怠速時(shí)刻有關(guān)，從怠速開始到怠速結(jié)束時(shí)會(huì)經(jīng)過(guò)過(guò)渡時(shí)期，發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸從高速運(yùn)轉(zhuǎn)變?yōu)榈∷?，或者從怠速逐漸變?yōu)楦咚龠\(yùn)轉(zhuǎn)，過(guò)渡時(shí)期排放率會(huì)略高于穩(wěn)定狀態(tài)下的排放率。怠速工況的排放率可由定值表示。把加速度小于-0.18 m/s2的行駛工況定義為制動(dòng)減速(Bin1)工況，在制動(dòng)減速(Bin1)工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率小，污染物排放水平低，可將剎車工況直接篩選出來(lái)，對(duì)此區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)分析，可直接用定值來(lái)表示此時(shí)的污染物排放率。

2.4.2 實(shí)際道路排放率回歸模型

根據(jù)實(shí)際測(cè)得的工況數(shù)據(jù)，在同一個(gè)工況劃分區(qū)間內(nèi)的參數(shù)與排放的關(guān)系可以通過(guò)對(duì)不同工況區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸得到，最終建立基于速度v和比功率VSP的二維參數(shù)回歸方程。

選取武漢市城市道路的排放數(shù)據(jù)建立模型，以國(guó)四標(biāo)準(zhǔn)的重型東風(fēng)天錦作為被測(cè)車型，其車輛和測(cè)試工況構(gòu)成比例如前所述。將數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)間處理后，對(duì)各段車速下車輛污染物逐秒排放率、瞬時(shí)速度及比功率進(jìn)行回歸分析?；貧w分析采用擬合優(yōu)度R2來(lái)判定擬合的質(zhì)量，R2=SSR/SST=1-SSE/SST，其中SST=SSR+SSE，SST為總平方和，SSR為回歸平方和，SSE為殘差平方和。低速、中速和高速的排放回歸模型如表4所示。

表4 排放回歸分析模型

表4中E_CO2,E_CO,E_NOx,E_HC分別為4種尾氣污染物排放率；p為車輛瞬時(shí)比功率;v為車輛瞬時(shí)速度。

3 模型驗(yàn)證

為了保證模型的通用性，需要對(duì)模型精度進(jìn)行驗(yàn)證。選取武漢市同種車型進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。將采集到的數(shù)據(jù)先根據(jù)工況區(qū)間進(jìn)行劃分，分為怠速、制動(dòng)或減速、低速、中速和高速5個(gè)區(qū)間，再依據(jù)VSP進(jìn)一步對(duì)工況區(qū)間進(jìn)行細(xì)分，將每個(gè)區(qū)間內(nèi)速度平均值，比功率平均值帶入所得的方程中，計(jì)算出逐秒排放率的預(yù)測(cè)值，各個(gè)區(qū)間污染物排放率預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析如圖5～圖8所示。根據(jù)新采集的武漢市重型車排放數(shù)據(jù)，將劃分區(qū)間內(nèi)的速度v平均值和比功率VSP平均值帶入已得到的方程中，計(jì)算得到基于武漢城市工況數(shù)據(jù)的污染物排放預(yù)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的對(duì)比圖，可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的誤差均小于10%且誤差均值為1.9%，模型結(jié)果可用于武漢市城市道路重型車的排放預(yù)測(cè)，且模型準(zhǔn)確性良好。

圖5 CO2排放率實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值

圖6 CO排放率實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值

圖7 HC排放率實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值

圖8 NOx排放率實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值

從圖4～圖8可以看出，在每個(gè)車速區(qū)間內(nèi)，隨著車輛VSP的增加，各種排放物都增加。而VSP值較大的工況主要是加速和重載工況，因此有效控制車輛加減速的次數(shù)，減少超載可以有效地降低排放水平。

4 總結(jié)

重型車作為武漢城市車輛的重要組成部分，對(duì)城市環(huán)境具有不容忽視的作用。筆者以城市重型車為研究對(duì)象，應(yīng)用便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)(PEMS)采集車輛污染物排放測(cè)試數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。GPS系統(tǒng)采集車輛實(shí)際行駛工況數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，車輛瞬時(shí)速度v和比功率VSP劃分的行駛工況區(qū)間可以代表車輛的行駛工況特征。采用回歸分析的方法建立車輛污染物逐秒排放率與實(shí)際道路工況的排放預(yù)測(cè)模型。結(jié)果表明預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值誤差均小于10%且誤差均值為1.9%，模型準(zhǔn)確性良好。其研究結(jié)果還可與武漢市交通管理相結(jié)合，為污染物排放控制提供依據(jù)。

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