汽車速度和加速度對不同尾氣排放的影響分析*

樊杰玉 陸 鍵 邢瑩瑩

(同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201804)

0 引 言

機(jī)動(dòng)車排放帶來的空氣污染已成為城市污染物的主要來源之一[1].中國環(huán)保總局公布空氣污染源所占比重：2015—2017年，機(jī)動(dòng)車排放占空氣污染貢獻(xiàn)的20%～30%，部分城市甚至達(dá)到了30%～50%，城市空氣污染正在逐漸由“煤煙型”轉(zhuǎn)化成“尾氣型”[2].城市管理者亟待能夠有效減少交通排放污染的管理措施與手段，而這需要對機(jī)動(dòng)車排放規(guī)律的精確解析與建模[3-4].為了預(yù)測不同的道路交通條件下機(jī)動(dòng)車運(yùn)行尾氣排放規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者通過排放氣體檢測與分析，建立了各種不同的機(jī)動(dòng)車尾氣排放模型[5].Scora等[6]開發(fā)出綜合型的排放模型(comprehensive modal emissions model, CMEM).該模型處理以秒為單位的瞬時(shí)加速度和速度下的尾氣排放量，評(píng)測道路交通運(yùn)行中機(jī)動(dòng)車的瞬時(shí)排放.Ahn等[7]建立了基于加速度-速度與尾氣排放的微觀統(tǒng)計(jì)模型，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)對每一類車輛的排放物用加速度-速度進(jìn)行不同冪次的乘積組合，確定最佳擬合.Lyons等[8]在研究中進(jìn)一步指出，僅憑速度、加速度來建立統(tǒng)計(jì)模型對特定車輛雖然有較好的擬合效果，但是沒有具體考慮到車輛行駛過程中的油耗排放原理.加州大學(xué)河畔分校環(huán)境研究與技術(shù)中心(CE-CERT)、國際可持續(xù)研究中心(ISSRC)和全球可持續(xù)體系研究組織(GSSR)共同開發(fā)了IVE模型(international vehicle emission mode1)[9]，便于發(fā)展中國家處理機(jī)動(dòng)車排放模型.Joumard等[10]研究車輛行駛工況對排放的影響時(shí)指出，速度與加速度在各種排放模型中都是必不可少的組成部分.美國華盛頓特區(qū)公路運(yùn)輸協(xié)會(huì)發(fā)布的Green Book[11]中規(guī)定，選擇速度和加減速作為油耗和排放的影響因素時(shí)，可以選擇最大行駛速度.國內(nèi)對排放量的影響研究則主要用MOBILE模型[12]測試國內(nèi)機(jī)動(dòng)車污染物的排放量，宏觀反映機(jī)動(dòng)車污染物的排放水平.杜青等[13]研究了機(jī)動(dòng)車實(shí)際道路的排放因子分布特征及速度、加速度對排放因子的影響規(guī)律.王曉寧等[14]通過對CMEM中標(biāo)準(zhǔn)柴油卡車和公交車的異同點(diǎn)比較，修改了模型的速度-加速度參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)和傳動(dòng)效率參數(shù).郝吉明等[15]通過機(jī)動(dòng)車尾氣排放分析了污染物對北京市環(huán)境的影響，研究表明北京市機(jī)動(dòng)車的CO年排放分擔(dān)率達(dá)76.8%，NOx年排放分擔(dān)率達(dá)40.2%.王云鵬等[16]以長春市四種不同類型的道路實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究了不同等級(jí)道路行駛工況下，排放因子和速度對排放的影響.賀克斌等[17]利用車載排放測試系統(tǒng)檢測了8輛輕型車的實(shí)際道路瞬態(tài)排放，分析了加速度-速度與排放的數(shù)理規(guī)律.王海鯤等[18]利用車載排放測試系統(tǒng)在深圳市進(jìn)行了輕型車車載道路排放測試，分析機(jī)動(dòng)車運(yùn)行工況對排放的影響.

在道路交通系統(tǒng)中，機(jī)動(dòng)車排放模型主要集中在對加速度和速度的統(tǒng)計(jì)分析及查表確認(rèn)油耗等方法，無法精確計(jì)算行駛工況下各種氣體排放物的排量，且對排放與道路條件、交通行為之間的研究有一定的局限性.現(xiàn)有研究在宏觀排放層面，主要分析了不同道路條件(坡度、車道寬度、車道功能劃分等)對汽車排放的影響；在微觀層面，則主要集中在對車輛工況(減速、加速、怠速等)的劃分研究、不同速度與加速度時(shí)汽車尾氣的排放速率、排放因子與比功率的擬合分析等方面.然而，速度和加速度對不同氣體排放物(HC，NOx和CO)的影響差異性及不同工況下不同排放氣體的比例構(gòu)成部分差異性研究較少.行駛工況的確定是定量分析尾氣排放的基礎(chǔ)工作，速度和加速度作為行駛工況的重要影響因素，研究速度和加速度對排放物的影響有著重要意義，不同于已有研究只分析總體排放氣體與道路條件或行駛狀態(tài)的關(guān)系，本文通過車載設(shè)備，采用實(shí)地實(shí)驗(yàn)收集了不同路域環(huán)境下各種排放氣體(HC，NOx，CO)的排放數(shù)據(jù)，分析了速度與加速度對HC，NOx，CO三種排放氣體的影響差異性以及不同行駛工況下這三種氣體的排放比例差異性，研究結(jié)果為建立針對不同排放氣體的排放模型提供了理論基礎(chǔ)和針對性排放控制提供科學(xué)依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 PEMS尾氣排放檢測裝置

實(shí)驗(yàn)中選取1輛2010年出產(chǎn)的大眾朗逸進(jìn)行尾氣排放實(shí)驗(yàn)，該輕型測試車重1 285 kg，汽油燃料排放標(biāo)準(zhǔn)為國IV，發(fā)動(dòng)機(jī)排量為1.6 L.用OBEAS-3000便攜式排放測試儀對車輛行駛過程中的HC，NOx，CO的瞬時(shí)排放和車輛的速度、加速度進(jìn)行連續(xù)檢測，通過儀器自帶的GPS系統(tǒng)獲得車輛準(zhǔn)確的位置和速度，輸出車輛在不同時(shí)間、地點(diǎn)的瞬時(shí)排放氣體質(zhì)量，反映速度-加速度與燃油消耗和機(jī)動(dòng)車排放的關(guān)系，為路網(wǎng)運(yùn)行效益提供輔助決策，測試儀器見圖1.

圖1 尾氣排放檢測裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)路徑

實(shí)驗(yàn)路徑選擇山西省太原市小店區(qū)，測試車輛從康寧街與G208國道交叉口開始，經(jīng)過G208(3 km)—S103省道(東西段2.4 km，南北段2.6 km)—康寧街(2 km)—昌盛西街(2.1 km)—通達(dá)街(2.2 km)，測試路段總長14.3 km.

利用實(shí)驗(yàn)車和OBEAS-3000排放檢測裝置進(jìn)行實(shí)地測試時(shí)，檢測數(shù)據(jù)以1 s為單位，主要檢測機(jī)動(dòng)車在行駛過程中的GPS信息，HC，NOx，CO的瞬時(shí)排放數(shù)據(jù)及車輛行駛的瞬時(shí)速度、加速度，共測得數(shù)據(jù)7 268組.

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

實(shí)地實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，出現(xiàn)的不可控因素較多，如設(shè)備故障、系統(tǒng)誤差等，會(huì)在一定程度上導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，因此，在分析數(shù)據(jù)前，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，對不符合常理的數(shù)據(jù)應(yīng)該剔除.先將數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，檢查數(shù)據(jù)的區(qū)間范圍，見圖2.在車輛行駛過程中，速度反復(fù)起落，基本覆蓋在0～90 km/h之間；隨著速度的變化，加速度在-5～5 m/s2區(qū)間內(nèi).對偶然數(shù)據(jù)失衡或不合常規(guī)(圖2圈內(nèi)的數(shù)據(jù))進(jìn)行刪除處理.

圖2 速度和加速度分布

實(shí)地實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)時(shí)，在PC端可清晰顯示，車輛啟動(dòng)時(shí)車速的變化與HC，NOx，CO排放的數(shù)據(jù)變化記錄有一定延時(shí).為保證數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，進(jìn)行氣體排放數(shù)據(jù)與時(shí)間的校準(zhǔn)處理.車速與不同氣體實(shí)時(shí)記錄的變化見圖3.

圖3 排放數(shù)據(jù)與速度對齊

可知HC，NOx，CO三種氣體收集數(shù)據(jù)與行駛起始時(shí)間相比較，延遲時(shí)間分別為4，3，3 s.分析數(shù)據(jù)結(jié)果時(shí)，將HC，NOx，CO的排放數(shù)據(jù)隨著時(shí)間軸向后順延4，3，3 s，跟實(shí)際排放時(shí)間對齊，再進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)果分析.

2 結(jié)果分析

車輛行駛狀態(tài)可分為加速、勻速、怠速、減速.研究者一般根據(jù)儀器測試精密度，采用0.1 m/s2來定義加速、勻速、減速.由于汽車在不同駕駛狀態(tài)下，氣體排放規(guī)律有明顯的差異性，不宜混淆分析不同駕駛狀態(tài)的排放規(guī)律.因此，將在分析中區(qū)分減速過程和平穩(wěn)或加速過程.區(qū)分加速度和減速度的方法設(shè)定為：加速度小于-0.2 m/s2且持續(xù)5 s以上為減速過程，加速度大于-0.2 m/s2且持續(xù)5 s以上為非減速狀態(tài)(平穩(wěn)或者加速過程).

2.1 非減速過程中氣體與速度、加速度的相關(guān)性

首先分析了不同排放氣體與速度與加速度的相關(guān)性，對比分析了速度與加速度對不同氣體排放的影響差異性.為避免速度與加速度之間的交互關(guān)系對相關(guān)性結(jié)果分析的影響，采用偏相關(guān)分析法來解析單種因素對不同氣體排放的影響，分析結(jié)果見表1.

表1 非減速狀況下氣體排放與速度、加速度的相關(guān)性分析

注：相關(guān)系數(shù)為Pearson相關(guān)系數(shù)；**-在95%置信水平下顯著；*-在90%置信水平下顯著.

表1顯示在不考慮偏相關(guān)情況下，CO，HC，NOx與速度和加速度都顯著相關(guān).CO排放速率與速度負(fù)相關(guān)但與加速度正相關(guān).在剔除了自變量相關(guān)性的偏相關(guān)分析中CO與速度顯著負(fù)相關(guān)，但與加速度不顯著相關(guān).該結(jié)果表明速度與加速度對CO排放速率的影響有交互作用；CO的排放速率會(huì)隨速度增加而降低，但與加速度沒有顯著相關(guān)性.HC排放速率在不考慮偏相關(guān)情況下，與速度和加速度均顯著正相關(guān).但在偏相關(guān)分析中HC與速度顯著正相關(guān)，與加速度不顯著相關(guān).該結(jié)果表明HC的排放速率會(huì)隨速度增加而增加，但與加速度沒有顯著相關(guān)性.相關(guān)性分析結(jié)果顯示NOx排放速率與速度和加速度都顯著相關(guān).表明NOx的排放速率會(huì)隨著速度和加速度的增加而增加.另外，偏相關(guān)分析結(jié)果表明速度對不同氣體排放速率的影響程度從大到小依次為HC>NOx>CO.

2.2 減速過程中氣體與速度、加速度的相關(guān)性分析

減速過程的結(jié)果因?yàn)闇p速時(shí)加速度為負(fù)值，加速度值越大，實(shí)際減速度絕對值越小.分析了不同排放氣體與速度、加速度的相關(guān)性，對比分析了速度與加速度對不同排放的影響差異性.為避免速度和加速度之間的交互關(guān)系對相關(guān)性結(jié)果分析的影響，采用偏相關(guān)分析法來解析單種因素對不同氣體排放的影響,分析結(jié)果見表2.

表2表示在偏相關(guān)分析中，CO的排放速率與速度和加速度顯著正相關(guān)，該結(jié)果表明CO的排放速率會(huì)隨著速度和加速度的增加而增加.HC的排放速率與速度顯著正相關(guān)，與加速度顯著負(fù)相關(guān)，表明HC的排放速率會(huì)隨著速度的增加而增加，隨著加速度的減小而增大.NOx的排放速率與速度顯著正相關(guān)，與加速度無顯著相關(guān)性，表明NOx的排放速率隨著速度的增加而增加，但與加速度不顯著相關(guān).偏相關(guān)分析結(jié)果表明速度對不同氣體排放速率的影響程度從大到小依次為HC>NOx>CO.

表2 減速狀況下氣體排放與速度、加速度的相關(guān)性分析結(jié)果

2.3 氣體排放比例和速度、加速度的關(guān)系

為區(qū)分速度、加速度與CO，HC，NOx排放相關(guān)性的不同結(jié)論，進(jìn)一步分析了不同行駛工況下排放氣體之間的比例差異.首先速度和加速度劃分成不同的區(qū)間范圍.速度分為：低速度(v≤30 km/h)、中速度(30

速度與加速度組合3×3共有九個(gè)不同行駛工況.在計(jì)算比例時(shí)，因?yàn)椴煌瑲怏w的摩爾質(zhì)量不同，直接采用質(zhì)量單位計(jì)算不合理，因此，將不同氣體單位轉(zhuǎn)化為mol/s.統(tǒng)計(jì)了九種不同行駛工況下各種氣體排放比例的中位值，得到結(jié)果見圖4.

圖4 不同行駛工況下氣體排放比例

結(jié)果顯示不同行駛工況下不同氣體的排放比例存在明顯差異性.速度和加速度處于不同階段時(shí)，CO和HC的排放比例有明顯差異，但NOx的比例變化較小.低加速度階段，低行駛速度狀況下CO的比例為19.0%，遠(yuǎn)高于中速度(5.1%)和高速度狀況(5.0%)； 而HC的比例為79.5%，低于中速度(93.0%)和高速度狀況(93.3%).中加速階段，低行駛速度狀況下CO的比例為23.4%，遠(yuǎn)高于中速度(11.2%)和高速度狀況(3.8%)；而HC的比例為74.0%，低于中速度(87.4%)和高速度狀況(94.4%).高加速階段，低行駛速度和中速度狀況下CO的比例為17.1%和19.9%，高于高速度狀況(7.2%)；低速度和中速度階段HC的比例為80.1%和77.2%，低于高速度狀況(90.8%).結(jié)果表明在CO 排放比例隨速度增加而降低，HC排放比例隨速度增加而增加.

低速度行駛階段，不同加速度狀況下，CO和HC排放比例無較大變化.中速度行駛階段，CO排放比例隨加速度增大而增加，依次為低加速度(5.1%)，中加速狀況(11.2%)和高加速狀況(19.9%)；HC排放比例隨加速度增加而降低，依次為低加速狀況(93.0%)、中加速狀況(87.4%)和高加速狀況(77.2%).高速度行駛階段，不同加速度狀況下，CO和HC排放比例無較大變化.結(jié)果表明在不同速度階段，加速度對CO和HC的排放影響規(guī)律不同.

3 結(jié) 論

1) 在非減速行駛狀況下，CO排放速率會(huì)隨速度增加而降低，HC的排放速率會(huì)隨速度增加而增加，加速度對CO和HC排放速率無顯著影響.NOx的排放速率會(huì)隨著速度和加速度的增加而增加.

2) 在減速行駛狀況下，CO、HC、NOx的排放速率會(huì)隨著速度的增加而增加；CO的排放速率隨著加速度的增加而增加；NOx的排放速率與加速度無顯著相關(guān)性；HC的排放速率隨著加速度的增大而減小.

3) CO排放比例隨速度增加而減少，而HC排放比例隨速度增加而增加.在中速度階段，CO排放比例與加速度正相關(guān)，而HC排放比例與加速度負(fù)相關(guān)；在低速度與高速度階段，CO和HC排放比例在不同加速度情況下無明顯變化.

4) 加速度與速度對不同氣體排放速率與排放比例的影響存在潛在交互效應(yīng).

研究結(jié)果顯示加速度與速度對不同氣體的排放速率與比例的影響存在明顯差異性，在針對不同排放氣體的排放模型建模中應(yīng)注重該差異性.研究結(jié)果為進(jìn)一步針對不同氣體的微觀排放模型建立提供了理論依據(jù).