市區(qū)摩托車微觀排放模型研究

0 引言

摩托車產(chǎn)業(yè)是江門市支柱產(chǎn)業(yè)之一，同時(shí)江門市也是廣東乃至全國保有摩托車量最大的城市之一。2020年，江門市摩托車保有量142.01萬輛，占機(jī)動車保有量的61.5%。伴隨我們國家機(jī)動車規(guī)模的不斷擴(kuò)大，社會各界對尾氣問題已引起高度重視，汽車尾氣排放已被有效控制，然而對摩托車的排放尚不夠重視，對于其研究較少。機(jī)動車微觀排放模型是定量評價(jià)機(jī)動車實(shí)際道路排放特性的主要方法，本文主要研究采取道路試驗(yàn)方式，探究車輛行駛情況對于排放有所影響的各類因素，并且創(chuàng)建起相應(yīng)的排放模型。

當(dāng)且僅當(dāng) y=J?φ(u)，其中 J?φ=(I+ρ?φ)-1是預(yù)解算子，常數(shù)ρ＞0，I是H上的恒等映射，且J?φ是非擴(kuò)張映射，即有:

1 摩托車主要排放物及生成機(jī)理

目前，城市摩托車尾氣排放的所有有害成分中，CO、HC和NO

以及微粒是主要的污染物，嚴(yán)格排放標(biāo)準(zhǔn)和凈化措施均旨在降低這幾種污染物的含量；這幾種排放物的生成機(jī)理如下。

1.1 一氧化碳的生成機(jī)理

CO大多是在低溫環(huán)境又或是局部缺氧狀況下，因?yàn)闊N無法全部燃燒而形成的。如果燃?xì)庵械难鯕饬砍渥銜r(shí)，理論上燃料燃燒后不會存在CO。在非分層燃燒的汽油機(jī)中，可燃混合氣基本上是均勻的，其CO排放量幾乎完全取決于可燃混合氣的空燃比α或過量空氣系數(shù)φ

；在濃混合氣中（φ

＜1），CO的排放量隨φ

的減小而增加，這是因缺氧引起不完全燃燒所致。在稀混合氣當(dāng)中（φ

＞1），CO排放量相對較小。實(shí)際道路中，當(dāng)發(fā)動機(jī)負(fù)荷較大、空擋運(yùn)行又或是低速行駛狀態(tài)時(shí)，燃料無法全部燃燒，廢氣中的CO濃度便會有顯著的提升。

1.2 氮氧化合物的生成機(jī)理

氮氧化合物NO

是NO、NO

等氮氧化物的總稱。汽油機(jī)排氣中的NO

濃度與NO的濃度相比可忽略不計(jì)，NO是N

在燃燒高溫下的產(chǎn)物。溫度越高，氧濃度越高，反應(yīng)時(shí)間越長，NO的生成量越多。發(fā)動機(jī)工作在稀混合氣區(qū)，NO的生成主要是溫度起作用；在濃混合氣區(qū)主要是氧濃度起作用。所以對NO的主要控制方法就是降低最高燃燒溫度。

1.3 碳?xì)浠衔锏纳蓹C(jī)理

機(jī)動車行駛過程中污染物的排放率與車速變化密切相關(guān)，分別建立NO

、HC、CO的排放率與車輛速度變化的關(guān)系模型。選取0，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55和

2 車載排放試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

2.1 車載排放測試平臺

道路機(jī)動車排放實(shí)驗(yàn)須考慮車輛、駕駛員、路線、時(shí)間等具體影響因素，因此選取城區(qū)上下班代步較常見車型江門某企業(yè)生產(chǎn)的125型踏板摩托車；路線選擇為江門市區(qū)主干道建設(shè)三路至建設(shè)路；駕駛員8年摩托車駕齡；時(shí)間選擇中午和下午高峰出行時(shí)段。

2.2 試驗(yàn)方案

本次研究所選擇的測試平臺主要是由尾氣收集系統(tǒng)、便攜式排放分析儀、車輛工況分析系統(tǒng)以及GPS等部分構(gòu)成。排放分析儀用于實(shí)時(shí)測量車輛尾氣CO、CO

、NO

、O

的排放量，車輛運(yùn)行狀況分析通過OBD轉(zhuǎn)換接頭連接到發(fā)動機(jī)上實(shí)時(shí)采集發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)溫度等狀態(tài)參數(shù)；車輛行駛速度通過GPS采集；三組數(shù)據(jù)輸入筆記本電腦后，由排放分析軟件實(shí)時(shí)分析。試驗(yàn)平臺通過排放分析儀采集摩托車排放的體積百分比，結(jié)合OBD讀取的發(fā)動機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對機(jī)動車尾氣的瞬態(tài)質(zhì)量排放率的實(shí)時(shí)獲取。

3 微觀排放模型建立

從供給和需求方面入手，鄉(xiāng)村旅游的發(fā)展離不開良好的生態(tài)環(huán)境，而經(jīng)濟(jì)條件也是滿足親近自然享受田園風(fēng)光這一愿望的基礎(chǔ)。與此同時(shí)，鄉(xiāng)村旅游的內(nèi)涵在不斷延展，并推動有關(guān)“三農(nóng)”政策的實(shí)施。

3.1 基于速度的巡航工況排放模型

HC主要包含未全部燃燒或未燃的潤滑油、燃油及其相應(yīng)的裂解產(chǎn)物等，比如：苯、烯烴、醛、多環(huán)芳烴（PHA）酮、等200多種成分。摩托車尾氣中的HC主要有三種不同的來源，其中60%左右的HC源自于內(nèi)燃機(jī)的廢氣排放、20%～25%的HC源自于曲軸箱的外泄、剩下的15%～20%則源自于系統(tǒng)蒸發(fā)。相關(guān)研究表明，HC的形成是因?yàn)榛鹧嬖讵M隙效應(yīng)、壁面淬冷、體積淬熄、潤滑油膜的吸附等因素所造成的。發(fā)動機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，HC的生成區(qū)主要位于氣缸壁的四周處。

60 km/h共13個(gè)典型車速，針對以上車速區(qū)間，對多組排放數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評價(jià)，分別計(jì)算各速度區(qū)間下的排放率，獲取NO

、CO和HC排放率與車速的變化曲線圖（圖1-圖3）。根據(jù)圖中所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如式（1）~（3）所示。

由圖6可知，隨再生骨料取代率的增大，屈服荷載后，骨架曲線斜率略有減小，峰值荷載后，骨架曲線下降段略有變陡，表明節(jié)點(diǎn)延性隨取代率的增加而降低；軸壓比對節(jié)點(diǎn)試件的骨架曲線影響較大，試件開裂后，骨架曲線開始出現(xiàn)明顯偏差，隨軸壓比的增大，曲線上升段剛度明顯減小，峰值荷載后，骨架曲線下降段變得陡峭，延性明顯變差，節(jié)點(diǎn)承載力衰減嚴(yán)重。試件延性通過位移延性系數(shù)μ表征(μ為極限位移與屈服位移的比值)，由表4可知，除高軸壓比試件外，其余節(jié)點(diǎn)試件位移延性系數(shù)均大于3.0，所有試件位移延性系數(shù)均值為3.29，表明該組合框架節(jié)點(diǎn)具有較好的抗震性能。

根據(jù)回歸分析結(jié)果，NO

的排放率隨車速上升而逐漸增加，車速增加發(fā)動機(jī)溫度升高，高溫富氧的環(huán)境利于NO

的生成，但由于摩托車在市區(qū)路面行駛，遇紅綠燈或交通擁堵便城立即減速，高速行駛時(shí)間偏短，高速時(shí)NO

生成量增幅并不強(qiáng)烈；HC的排放隨著車速的增加先增加后減小，這是由于HC為燃料不完全燃燒的產(chǎn)物，在車速較低時(shí)，混合氣局部濃度過大，而隨著速度增加，缸內(nèi)溫度升高，燃燒過程改善，因壁面淬冷、狹隙效應(yīng)生成的HC減少；而CO隨車速升高參與燃燒的混合氣增加而增加。基于速度的二元回歸模型為車輛污染物排放率的單因素關(guān)系模型，它具有結(jié)構(gòu)形式簡單、計(jì)算量小以及方便等特點(diǎn)。但是由于車輛實(shí)際行駛過程污染物的排放受多種因素影響，因此基于速度的單因素摩托車排放模型有一定的局限性。

怠速是城市道路摩托車的重要工況之一，摩拖車發(fā)動機(jī)處于低速空轉(zhuǎn)狀態(tài)，活塞做功主要消耗在發(fā)動機(jī)運(yùn)動部件的摩擦上。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定，摩托車排放狀況也保持穩(wěn)定。但在實(shí)際行駛過程中，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下降并穩(wěn)定到怠速的過程需要一定時(shí)間，因此在怠速排放模型中以時(shí)間作為變量，定義車速小于5km/h為怠速工況。

在市區(qū)道路行駛中，由于紅綠燈和道路擁堵，摩托車經(jīng)常處于怠速、加速和巡航工況。為了實(shí)現(xiàn)對城市道路排放的精準(zhǔn)預(yù)測，則應(yīng)創(chuàng)建若干與各種工況條件向?qū)?yīng)的排放模型，其主要涉及以時(shí)間為基礎(chǔ)的怠速排放率模型、以速度為基礎(chǔ)的巡航工況排放率模型、以加速度為基礎(chǔ)的加速工況排放率模型。

3.2 基于時(shí)間的怠速排放率模型

在后方的工廠，華工最初承擔(dān)最底層的體力工作。但很快，他們就成為各個(gè)工廠“第一流工人”。在法國的港口、車站、倉庫等任何工作場地，只要看到有起重機(jī)，在里面操作的基本上是華工。法國海軍專門聲明：外籍勞工，只要華工。

怠速工況下三種污染物排放與怠速時(shí)間進(jìn)行回歸建模，采用倒數(shù)回歸方法，三個(gè)模型可采用分段函數(shù)表示，模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式如（4）~（6）所示。（圖4-圖6）

從圖4-圖6中可以看到NO

排放率在怠速停車的前18秒左右迅速下降直至穩(wěn)定狀態(tài)，而HC和CO需要大約22秒左右。建立的怠速排放率模型對于預(yù)測交叉口怠速停車的摩托車微觀排放是很有意義的。

3.3 基于加速度的加速工況排放模型

采用摩托車瞬時(shí)的加速度作為變量，根據(jù)排放率與加速度的關(guān)系，建立基于加速度的排放率模型。從圖7-圖9中可以看出加速度是影響三種污染物排放率的主要影響因素，隨著加速度的增加，特別是急減速速時(shí)，NO

、CO與HC污染物的排放率會出現(xiàn)增加，但由于摩拖車城市道路的復(fù)雜工況，整體排放率隨加速度的變化并不明顯。

大灣區(qū)內(nèi)部存在明顯的發(fā)展不平衡、不充分問題。以廣州—深圳—香港為代表的珠江東軸經(jīng)濟(jì)圈聚集了經(jīng)濟(jì)總量的60 %以上，而佛山、中山、珠海等珠江西岸地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對落后。造成這種現(xiàn)象的一個(gè)重要原因就是連接珠江東西兩岸的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后，阻礙了人流、物流、金流、技術(shù)等創(chuàng)新資源和要素的跨區(qū)域高效流動。深圳、香港的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移和經(jīng)濟(jì)輻射無法有效擴(kuò)散到珠西地區(qū),在資本、人才、技術(shù)等要素收益率差異明顯的情況下，大量創(chuàng)新資源必然從粵港澳大灣區(qū)西軸轉(zhuǎn)移到東軸。

4 結(jié)語

本文基于便攜式排放分析儀搭建車載排放測試平臺，并選取江門市城區(qū)摩托車經(jīng)常行駛的主干道進(jìn)行實(shí)際道路試驗(yàn)，系統(tǒng)分析了摩托車道路瞬態(tài)排放特性，并構(gòu)建了基于速度、加速度回歸模型，并通過多次實(shí)際試驗(yàn)，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼`差，預(yù)測誤差小于15%，可對城區(qū)摩托車道路排放特性進(jìn)行預(yù)測。模型參數(shù)簡單，可結(jié)合相應(yīng)交通仿真模型對城市摩托車排放進(jìn)行評價(jià)分析，為交通管控提供參考。

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