青島市重型柴油車污染物排放變化特征研究

中圖分類號：U473.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Study on Pollutant Emission Change Characteristics of Heavy Diesel Vehicles in Qingdao City

DING Xiaoyun1， ZHAO Hongl ，LUO Yong1 ，CHEN Junjie1 ， ZHANG Zeqian2（1.Collge of Mechanical and Electrical Engineering，Qingdao University，Qingdao 266071，China;2. Shenbang Intelligent Technology Group Co.，LTD.，Qingdao 266041，China）

Abstract：A thorough understanding of the pollutant emission characteristics of heavy-duty diesel vehicles is of great significance for the upgrading of the citys mobile pollution source monitoring methods. This study obtains the actual road emission data and driving condition data of heavy-duty diesel vehicles in Qingdao through remote monitoring methods. By using big data analysis techniques，the impact of specific power on the NO_x and CO₂ emissions of diesel vehicles was analyzed，as well as the temporal distribution characteristics of pollutant emissions. The results show that the contribution rates of NO_x and CO₂ pollutants under acceleration，constant speed， deceleration，and idle conditions decrease in sequence. Under uniform acceleration conditions，the emission factors of NO_x and CO₂ are relatively high in the low-speed condition range，slightly decrease in the medium-speed condition range，and continue to decrease in the high-speed condition range. Appropriately increasing the average driving speed of heavy-duty diesel vehicles can reduce their NO_x and CO₂ emissions. The pollutant emissions of heavy-duty diesel vehicles show a trend of being higher during the day and lower at night，with the peak emission period of NO_x and CO₂ being from 5：00 to 8：00 every day. Keywords： big data analysis；heavy-duty diesel vehicles；emission characteristics

近年來，城市空氣污染問題引起世界各國的廣泛關(guān)注，隨著中國機(jī)動(dòng)車保有量的不斷增加，機(jī)動(dòng)車排放帶來的城市空氣污染問題日益嚴(yán)重，已成為眾多學(xué)者探討的焦點(diǎn)。中國移動(dòng)源環(huán)境管理年報(bào)（2023）[1]顯示，2022年中國機(jī)動(dòng)車氮氧化物 （NO_x ）、一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、顆粒物（PM）排放量依次為 5.267× 10⁶t.7.430×10⁶t.1.912×10⁶t.5.300×10⁴t ，其中柴油車的 CO，HC，NO_x， PM排放量分別占機(jī)動(dòng)車排放總量的 15.5%.8.9%.88.4%.99% 以上。國內(nèi)學(xué)者對于重型柴油車排放已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，劉宗昊等[2]采用恒定轉(zhuǎn)速法和自由加速法實(shí)驗(yàn)研究重型車的 NO_x 排放規(guī)律，通過該方法測得的重型柴油車 NO_x 體積分?jǐn)?shù)可靠性高，可用于快速檢測重型柴油車的 NO_x 排放。王志紅等[3]提出了一種模型預(yù)測重型柴油車實(shí)際道路 NO_x 排放特征，可用于車載 NO_x 傳感器的故障診斷以及重型柴油車 NO_x 排放的在線監(jiān)管。吳春玲等[4]提出了一種排放評估模型，利用功基窗口法，識別車輛的排放變化和超標(biāo)情況，并基于短行程重構(gòu)PEMS（Portable EmissionMeasurement System）法，提出了車輛工況曲線重構(gòu)，對監(jiān)控國六標(biāo)準(zhǔn)重型柴油車的 NO_x 排放具有重要意義。PEMS在測量車輛實(shí)際道路 NO_x 和 CO₂ 排放方面具有較高的準(zhǔn)確性，已被廣泛應(yīng)用，但是由于PEMS設(shè)備的成本較高，安裝和運(yùn)行耗費(fèi)的時(shí)間較長，導(dǎo)致機(jī)動(dòng)車數(shù)量較多時(shí)，PEMS測試難以發(fā)揮作用。為了更高效地完成重型柴油車的排放監(jiān)測與管理，2018年頒布的《重型柴油車排放限值及測量方法（中國第六階段）》（GB17691—2018）[5]規(guī)定：自2023年7月1日起，重型柴油車應(yīng)裝備遠(yuǎn)程排放管理車載終端，并按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定向汽車生產(chǎn)企業(yè)平臺和國家平臺逐秒傳輸車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、 NO_x 濃度等數(shù)據(jù)。本研究以青島市為研究區(qū)域，基于大數(shù)據(jù)，引入機(jī)動(dòng)車比功率，分析青島市重型柴油車 NO_x 、 CO₂ 實(shí)際道路排放特征，為制定機(jī)動(dòng)車交通管控政策提供數(shù)據(jù)支持。

實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

試驗(yàn)選用最大總質(zhì)量為 4.5～12t，12～20t，20～30t，30～40t，40～50t，50t 以上的國VI重型柴油車各5輛。試驗(yàn)車輛的后處理系統(tǒng)均采用典型國VI柴油車尾氣后處理技術(shù)，配備氧化催化器（DOC）、選擇性催化還原裝置（SCR）、顆粒捕集器（DPF）和氨逃逸催化器（ASC）以降低氨排放，試驗(yàn)車況良好。試驗(yàn)區(qū)域包括青島市區(qū)、市郊、高速路，每輛試驗(yàn)車每天行駛 20km 以上。通過車載診斷系統(tǒng)（OBD）獲取重型柴油車車速、瞬時(shí) NO_x 濃度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量、瞬時(shí)燃料流量等運(yùn)行數(shù)據(jù)，獲取頻率為 1Hz ，并將獲取到的逐秒運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺。

1.2 計(jì)算方法

1.2.1 污染物排放因子計(jì)算

1） NO_x 瞬時(shí)排放質(zhì)量：污染物排放因子的計(jì)算需要 NO_x 瞬時(shí)排放質(zhì)量數(shù)據(jù)，然而通過OBD只能得到污染物的瞬時(shí)濃度，因此需要將污染物的濃度單位轉(zhuǎn)換為質(zhì)量單位，即

其中， E_NOx，i 為瞬時(shí) NO_x 質(zhì)量排放率， g/s;e_i 為 NO_x 排放濃度， ppm;ρ 為柴油密度，選取 0.85kg/L;f_Fuel，i 為燃料體積流量， L/h;f_Air，i 為空氣質(zhì)量流量， kg/h 。

2） CO₂ 瞬時(shí)排放質(zhì)量：通過車載診斷系統(tǒng)采集的車輛瞬時(shí)質(zhì)量燃油流量計(jì)算 CO₂ 質(zhì)量排放率

其中， E_CO2，i 為瞬時(shí) CO₂ 質(zhì)量排放率， g/s;η 為柴油機(jī)完全燃燒單位質(zhì)量柴油轉(zhuǎn)換成 CO₂ 的系數(shù)3.1863，無量綱（即 1kg 柴油完全燃燒排放 3.1863kg 的 CO₂ ）。

3）污染物排放因子：通過污染物排放量計(jì)算污染物排放因子

其中， EF_（i） 為 i 種污染物的排放因子， g/km;R_i 為 i 種污染物的排放量， g/s;v 為車輛的行駛速度， km/h 。1.2.2VSP計(jì)算

機(jī)動(dòng)車比功率（Vehicle Specific Power，VSP）是單位汽車總質(zhì)量具有的發(fā)動(dòng)機(jī)功率，表征了車輛在實(shí)際道路行駛時(shí)風(fēng)阻、道路坡度、加速度、環(huán)境條件、車輛自身參數(shù)等多種因素對機(jī)動(dòng)車尾氣排放的影響，與機(jī)動(dòng)車油耗排放之間具有直接物理關(guān)系。

大量實(shí)驗(yàn)表明，機(jī)動(dòng)車的比輸出功率也能影響機(jī)動(dòng)車排放量，但很難測算機(jī)動(dòng)車的瞬時(shí)輸出功率，因此JIMENEZ[提出了一種基于VSP的機(jī)動(dòng)車排放量分析法，可以測算機(jī)動(dòng)車的逐秒比輸出功率，并使用不同比輸出功率區(qū)域內(nèi)的排放量表示機(jī)動(dòng)車排放量。該模型已應(yīng)用于污染預(yù)警、排放特征分析、運(yùn)行工況等方面[]，重型車VSP計(jì)算公式為

其中，VSP為車輛比功率， kW/t;M 為機(jī)動(dòng)車質(zhì)量， t;a 為機(jī)動(dòng)車加速度， m/s²;θ 為道路坡度， %;g 為重力加速度；M'M ABC分別為道路負(fù)載系數(shù)，詳見表1。

2 VSPBin劃分

參考文獻(xiàn)[8]，根據(jù)車輛的車速以及加速度信息，將數(shù)據(jù)劃分為減速、怠速、勻速和加速3類，減速和怠速工況分別對應(yīng) Bin 1，Bin 2 區(qū)間。勻速和加速工況合并為勻加速工況，將車速數(shù)據(jù)按照 2km/h 間隔粒度進(jìn)行整理，計(jì)算其累計(jì)頻率，進(jìn)而計(jì)算中值車速，將 33±2% 中值車速、 66±2% 中值車速作為區(qū)間端點(diǎn)，計(jì)算得各端點(diǎn)分別為 26km/h.52km/h 。根據(jù)以上劃分方法，將青島市重型柴油車勻加速工況下，車速處于 0.5～ 26km/h 時(shí)定為低速工況區(qū)間， 26～52km/h 時(shí)定為中速工況區(qū)間， 52～110km/h 時(shí)定為高速工況區(qū)間，并計(jì)算勻加速區(qū)間車速分布頻率，圖1為車速區(qū)間劃分情況。

構(gòu)建符合正態(tài)分布的VSPBin分組，將勻加速工況區(qū)間內(nèi)的低速、中速、高速區(qū)間進(jìn)行VSP正態(tài)分布劃分，并按照 0.5kW/t 的粒度將劃分結(jié)果進(jìn)行正態(tài)分布擬合。擬合系數(shù)滿足正態(tài)擬合要求（不小于0.85）即可驗(yàn)證該劃分方法的可行性，能夠更加準(zhǔn)確的表征車輛實(shí)際輸出功率與排放之間的關(guān)系以及車輛運(yùn)行工況，極大地提高了實(shí)際道路運(yùn)行車輛工況的區(qū)分度，表2為VSP劃分方案。

3 排放特征分析

3.1 VSP分布情況

將青島市重型柴油車實(shí)際道路怠速、減速、勻速和加速工況的比功率數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，得到青島市重型柴油車實(shí)際道路VSP頻率分布見圖2。

由圖2可知，重型柴油車的VSP分布呈現(xiàn)明顯趨零集中特點(diǎn)，即當(dāng)VSP在 0kW/t 左右時(shí)，行駛時(shí)間所占的比例最高，為 44% ；在 -12～12kW/t 區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)占 99% ；在- -4～4kW/t 區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)占 86% 1 ?0 kW/t 的數(shù)據(jù)占 91% 。

3.2 VSP與排放的關(guān)系

分析青島市重型柴油車實(shí)際道路的 NO_x 、 CO₂ 排放特征，計(jì)算得到減速工況下平均 NO_x 、 CO₂ 排放因子均為 0.3g/km 。結(jié)合表2，將通過遙感檢測和統(tǒng)計(jì)得出的 NO_x 排放因子和通過燃油流量測算得出的CO₂ 排放因子分配到相應(yīng)的微觀運(yùn)動(dòng)模態(tài)Bin中，圖3為青島市內(nèi)重型柴油車實(shí)際路況的 NO_x 和 CO₂ 排放量情況。

由圖3可知，重型柴油車低速、中速、高速區(qū)間的 NO_x 以及 CO₂ 排放因子的變化趨勢相同，即在低速區(qū)間 Bin3～Bin20） 內(nèi)， NO_x，CO₂ 排放因子達(dá)到最大值，且整體排放因子較高，在中速區(qū)間（ Bin21～Bin34） （2內(nèi)，整體 NO_x 、 CO₂ 排放因子具有明顯降低趨勢，在高速區(qū)間（ Bin35～Bin47 內(nèi)，整體 NO_x，CO₂ 排放因子具有緩慢降低趨勢。

1） NO_x 排放特征分析。隨著車速的升高，不同VSP區(qū)間的 NO_x 平均排放因子逐漸降低，低速行駛工況區(qū)間為 0.52g/km ，中速行駛工況區(qū)間為 0.31g/km ，高速行駛工況區(qū)間為 0.07g/km 。造成這種變化的原因是，隨著車速的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高、負(fù)荷增大，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒溫度升高，高溫條件有利于 SCR 的工作，提高了其對 NO_x 的凈化效率;同時(shí)，由于車速的升高，車輛在單位里程的工作時(shí)間減少， NO_x 排放總量減少，因此車輛的平均 NO_x 排放因子下降。

低速行駛工況區(qū)間 Bin3～Bin20） 內(nèi)， NO_x 排放因子大體上呈現(xiàn)先快速增加后緩慢降低的趨勢，并且在Bin5區(qū)間內(nèi)達(dá)到最大值 1.22g/km 。 NO_x 排放因子急劇增加的原因是發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣濃度過濃或過稀，使柴油在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒不充分，燃燒條件變差，進(jìn)而導(dǎo)致SCR凈化效率變低。中速行駛工況區(qū)間（Bin21～Bin 34） 內(nèi)， NO_x 排放因子大致上呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，并在 Bin31 區(qū)間內(nèi)達(dá)到最大值 0.61g/km 。此時(shí) NO_x 排放因子增加的原因是車輛加速頻繁，加速時(shí)間長，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)局部溫度過高，排氣溫度低導(dǎo)致SCR工作效率低，使車輛的 NO_x 排放因子升高；高速行駛工況區(qū)間（B sin 35～Bin 47） 內(nèi)， NO_x 排放因子隨VSP 的增加逐漸增加，在 Bin47 區(qū)間內(nèi) NO_x 排放因子達(dá)到最大值 0.21g/km 。

2） CO₂ 排放特征分析。隨著車速的升高，不同VSP區(qū)間的 CO₂ 平均排放因子逐漸降低，低速行駛工況區(qū)間為 1.02g/km ，中速行駛工況區(qū)間為 0.74g/km ，高速行駛工況區(qū)間為 0.52g/km 。造成這種變化的原因是，低速區(qū)間內(nèi)排氣溫度較低，混合氣燃燒不充分導(dǎo)致 CO₂ 排放量較大。

低速行駛工況區(qū)間（ Bin 3～Bin 20） 內(nèi)， CO₂ 排放因子沒有較大變化，在Bin19區(qū)間內(nèi)達(dá)到最大值1.57g/km ，原因是隨著車速及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，缸內(nèi)混合氣燃燒趨于正常，但噴油量逐漸增大，空燃比減小， CO₂ 排放無明顯下降。中速、高速 （Bin 21～Bin 47） 行駛工況區(qū)間內(nèi)， CO₂ 排放因子隨著VSP增加逐漸增加，在Bir ₁34，Bin47 區(qū)間內(nèi)分別達(dá)到該工況最大值 1.13g/km，0.95g/km ，原因是車速及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，過量空氣系數(shù)較小，混合氣的形成與燃燒時(shí)間縮短，導(dǎo)致碳原子完全氧化效率下降，此時(shí)噴油量同樣處于較高的水平，燃燒效率下降， CO₂ 排放增加。

3.3污染物排放時(shí)間分布特征

圖4為青島市重型柴油車污染物排放時(shí)間分布特征。由圖4可知，機(jī)動(dòng)車 NO_x，CO₂ 排放量均呈現(xiàn)白天高、夜間低的態(tài)勢，與人們出行規(guī)律相吻合；污染物排放量均存在弱雙峰情況，但雙峰情況并不明顯，中間時(shí)段的排放量和高峰時(shí)期的排放量也比較相似。 時(shí)， NO_x 排放量達(dá)到最大值 87.87g;5：00～ 8：00 時(shí)， NO_x 排放量占日排放量的 28% 6：00～7：00 時(shí)， CO₂ 排放量達(dá)到最大值 170.13g ，并且 6：00～8：00 時(shí)， CO₂ 排放量占日排放量的 20% 。

3.4與其它研究結(jié)果的對比

本研究表明，重型柴油車在低速和低負(fù)荷工況下 NO_x 排放量較高，在高速時(shí)由于SCR凈化效率提高而降低，與呂立群等9的研究結(jié)論相符； CO₂ 排放量在低速和高負(fù)荷工況下最高，隨著車速和VSP增加先上升后趨于平穩(wěn)，與許丹丹等[1°的研究結(jié)論相符。并且 NO_x，CO₂ 排放因子均滿足重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[5的要求。

重型柴油車VSP分布呈現(xiàn)明顯的趨零集中特點(diǎn)，與劉明等[11]的研究結(jié)論相符。然而，劉明等人的研究中VSP在 -5～5kW/t 區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)占 71% ，本研究中VSP在 -4～4kW/t 區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)占 86% ，VSP分布更集中，原因是受交通信號燈、道路擁堵、路況復(fù)雜等因素的影響，柴油車怠速、低速時(shí)間較長。

重型柴油車在低速、中速、高速區(qū)間的 NO_x 排放因子分別為 0.52，0.31，0.07g/km ，馮謙等[12]的研究中 NO_x 排放因子分別為低速0.3、中速0.1、高速 0.06g/km ，與本研究 NO_x 排放因子變化趨勢相同。然而，本研究中不同車速區(qū)間的 NO_x 排放因子更高，原因是青島市地形多為丘陵，部分道路坡度較大，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大。因此，后續(xù)應(yīng)繼續(xù)開展相關(guān)排放測試研究，進(jìn)一步評估青島市地形特點(diǎn)對重型柴油車污染物排放的影響。

4結(jié)論

本研究基于遠(yuǎn)程監(jiān)測建立了適用于青島市重型柴油車的微觀運(yùn)行模態(tài)劃分法。青島市重型柴油車的VSP 呈現(xiàn)明顯的趨零集中特性;重型柴油車的污染物排放呈車速依賴性，加速、勻速、減速、怠速工況下 NO_x 和 CO₂ 的貢獻(xiàn)率依次降低，且低速工況區(qū)間的排放因子最高，隨著車速的增加，排放因子逐漸降低。污染物排放量呈現(xiàn)“白天高、夜間低\"的趨勢，污染排放的關(guān)鍵時(shí)段與城市交通早高峰時(shí)段重合。為改善青島市重型柴油車污染物排放的問題，建議通過錯(cuò)峰運(yùn)輸、智能物流調(diào)度等方式減少柴油車的低速工況時(shí)間，高污染時(shí)段（ 5：00～8：00 ）限制柴油車在市區(qū)內(nèi)的運(yùn)行，優(yōu)化道路信號配時(shí)，減少重型柴油車在路口的怠速時(shí)間。

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