胡昌俊,高運(yùn)川,許琳科,任盼盼

(1.上海師范大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,上海 200234; 2.鄭州大學(xué) 綜合設(shè)計(jì)研究院有限公司,鄭州 450001)

0 引 言

隨著城市人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,城市機(jī)動(dòng)車保有量迅速增加,截至2012年3月底,上海市汽車保有量達(dá)201.47萬輛.由此帶來了極大的城市交通壓力和環(huán)境壓力.汽車尾氣污染已日益成為城市大氣環(huán)境的重要污染源,北京市中心地區(qū)機(jī)動(dòng)車排放對(duì)大氣中CO、HC、NO的分擔(dān)率分別為63.4%、73.5%和46%;上海市中心地區(qū)機(jī)動(dòng)車排放對(duì)大氣中CO、HC、NO的分擔(dān)率分別為86%、96%和56%[1].車輛排放法規(guī)和控制措施的不斷完善,使得研究城市道路汽車尾氣排放的規(guī)律也成為大家關(guān)注的熱點(diǎn)問題.

王岐東等[2]利用車載排放測(cè)試系統(tǒng),采用VSP、ES、BN對(duì)輕型車瞬態(tài)排放的特征及影響機(jī)動(dòng)車排放的關(guān)鍵因素進(jìn)行解析,具體探討了不同工況(加速度和速度)、發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)(化油器車與電噴車)以及車輛行駛里程對(duì)污染物排放的影響,為機(jī)動(dòng)車排放控制和排放模型的建立提供基礎(chǔ).賀克斌等[3]利用車載測(cè)試系統(tǒng)對(duì)基于“排放增量”概念建立的用于輕型車瞬態(tài)排放數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了模擬驗(yàn)證,通過對(duì)比道路實(shí)測(cè)和模型模擬加速度與速度的瞬態(tài)排放特征,驗(yàn)證了該模型的正確性與可行性,等等.本文作者利用自行設(shè)計(jì)的車載試驗(yàn)系統(tǒng),進(jìn)行實(shí)際道路的排放測(cè)試,計(jì)算了車輛道路行駛各污染物的排放因子,同時(shí)利用回歸方法研究了排氣量與各污染物濃度對(duì)排放因子的影響.

表1 各測(cè)試項(xiàng)目量程及精度

1 實(shí)驗(yàn)儀器及路線選擇

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

實(shí)驗(yàn)測(cè)試選用2.0 L排量的第一類輕型汽車.汽車尾氣選用MEXA-584L分析儀(日本HORIBA公司生產(chǎn))測(cè)定,動(dòng)壓由L型畢托管和DP1000-ⅢB微電腦數(shù)字壓力計(jì)測(cè)定,數(shù)據(jù)記錄由尼康D3100數(shù)碼相機(jī)拍照記錄.所用儀器測(cè)量范圍及精度見表1.

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

將預(yù)留孔的套管固定在排氣管上,L型畢托管和尾氣分析儀探頭通過預(yù)留孔固定在套管內(nèi),分別連接壓力表和尾氣分析儀,完成測(cè)試系統(tǒng)的安裝.確定行駛道路,按不同要求行駛測(cè)試車輛,間隔1～2 s由相機(jī)拍照記錄數(shù)據(jù).實(shí)驗(yàn)完成,進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析.

1.3 排放因子計(jì)算方法

C=C·(B/M×10-6).

(1)

Pd=1/2ρ1V2.

(2)

Q=V×πr2.

(3)

m=C×Q.

(4)

由氣體動(dòng)態(tài)方程PV=nRT,可得:

P1V1/T1=P2B/T2.

(5)

熱力學(xué)溫度T=t+ 273.15.可得:

B=P1V1T2/P2T1.

(6)

t溫度下混合氣密度:

ρ1=ρ混V1/B.

(7)

公式中(內(nèi)導(dǎo)-污染物CHO、CO、HC)瞬時(shí)排放質(zhì)量濃度數(shù)，單位為mg/m3;M為被測(cè)物質(zhì)的分子量;B為被測(cè)氣體的摩爾體積;Pd為尾氣動(dòng)壓;ρ混為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下混合尾氣密度,取1.2 kg/m3[4];Q為瞬時(shí)排氣量,單位為m3/s;r為套管半徑,值為2.5 cm,m內(nèi)導(dǎo)-污染物瞬時(shí)排放量,單位為g/s;取P1=P2均為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;V1取標(biāo)況下氣體摩爾體積22.4 L.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 測(cè)試車輛加減勻速段的排放規(guī)律

瞬態(tài)工況下由于燃油和空氣供給速率的瞬時(shí)變化,導(dǎo)致各污染物濃度變化明顯,且車輛有害排放物的40%～80%來自瞬態(tài)工況,因此用車輛瞬態(tài)工況下獲得的排放數(shù)值來反映實(shí)際情況的排放狀況就顯得尤為重要[5].測(cè)試車輛加減勻速段各污染物濃度、排氣量見表2.

表2 加減勻速各污染物平均濃度、平均排氣量和平均過量空氣系數(shù)

實(shí)驗(yàn)加速段CO與HC平均濃度最小,NO最大;勻速段CO與HC濃度均呈現(xiàn)大幅度增長(zhǎng),NO濃度大幅度降低;減速段CO濃度一定程度降低,HC濃度一定程度增加,NO濃度小范圍降低.

氣缸內(nèi)混合氣的形成和充氣受曲軸轉(zhuǎn)速強(qiáng)烈影響,加速工況下車輛曲軸角度大,使得局部混合氣混合不均勻;同時(shí),節(jié)氣門的快速開啟對(duì)混合氣的溫度和壓力施加影響,加劇了氣體的混合不均勻性.而CO、HC的產(chǎn)生主要源自于混合氣的不完全燃燒,加速時(shí)車輛需要增加燃油以提供加速所需動(dòng)力,λ變小,進(jìn)而導(dǎo)致CO、HC濃度的增加,這在劉小波等[6]研究中得到證實(shí).由于實(shí)驗(yàn)路段較短,所以采取高速行駛時(shí)強(qiáng)制減速方式減速.強(qiáng)制減速段節(jié)氣門關(guān)閉,由表2可知此時(shí)氣缸內(nèi)進(jìn)氣不足,使得燃燒室部分地區(qū)由于混合氣過稀或缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)過高而不能燃燒,出現(xiàn)斷火[7],此種情況會(huì)導(dǎo)致HC濃度劇增.此外HC排放具有一定得延遲性,尾氣取樣管中氣流被堵塞,造成氣體分析儀動(dòng)作延遲,導(dǎo)致排放數(shù)據(jù)與發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)的不同步[8].此二者是HC在勻速段及減速段維持較高濃度且在λ小幅度變大時(shí)減速段濃度高于勻速段的原因.

表2顯示,在勻速及減速段為濃混合氣,有利于NO的還原,所以相較于加速段,NO濃度降低.NO的產(chǎn)生強(qiáng)烈依賴溫度,當(dāng)車速較高時(shí),氣缸內(nèi)溫度較高,NO生成迅速,減速時(shí)氣缸內(nèi)溫度降低,NO濃度迅速下降.勻速段NO濃度高于減速段,原因可能在于反應(yīng)溫度和滯留時(shí)間沒有出現(xiàn)同步性.

HC大量產(chǎn)生于勻速段,NO和CO主要產(chǎn)生于加速段后期及勻速段,減速段各污染物排放速率均處于最小值.加速及勻速時(shí)排氣量都處于高較值,減速段排氣量急劇降低.據(jù)張鵬飛所做相關(guān)研究[9],勻速突然減速,會(huì)使供油停止,燃燒溫度降低,導(dǎo)致HC排放出現(xiàn)異常的增加,而CO排放則不出現(xiàn)此規(guī)律.但是低速時(shí)λ較小,燃燒很不充分,使得大量未燃混合氣排出,而且汽油中的HC化合物經(jīng)過不完全燃燒產(chǎn)生了許多CO,導(dǎo)致CO濃度較高.劉侃侃、馬東等[10-11]通過探討不同行駛工況下汽車排放特性發(fā)現(xiàn),CO與HC在低速工況下,排放量均較高;中高速工況下排放量均較低,且CO排放量隨車輛平均速度的增加而降低的趨勢(shì)大于HC.因?yàn)樗鶞y(cè)數(shù)據(jù)是同時(shí)所測(cè),瞬時(shí)排氣量均相同,因此認(rèn)為混合氣的狀態(tài)(濃或稀)對(duì)CO影響程度高于HC.CO出現(xiàn)很大的濃度值,可能與實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地有關(guān).在加減勻速實(shí)驗(yàn)中,所選場(chǎng)地末端有3°左右的坡度,坡度對(duì)CO的排放會(huì)產(chǎn)生很大的影響.據(jù)國(guó)外研究發(fā)現(xiàn),道路坡度每增加1°會(huì)使CO排放增加3.0g/mile[12].加減勻速段,HC、NO、CO瞬態(tài)排放速率變化見圖1.

圖1 HC、NO、CO不同工況排放變化

2.2 高速道路測(cè)試車輛的排放因子

排放速率為受排氣量、污染物濃度兩自變量影響的因變量.測(cè)試車輛高速道路行駛排放因子值見表2.

以《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)Ⅲ、Ⅳ階段)》中各污染物限值為標(biāo)準(zhǔn),本實(shí)驗(yàn)車輛CO、

表3 高速道路的排放因子 (g/km)

HC、NO排放限值分別為1.00、0.10、0.08 g/km.實(shí)驗(yàn)中NO、HC排放因子滿足限值,CO超出限值0.47 g/km,超出47%.至于CO超標(biāo)而HC、NO滿足限值,筆者認(rèn)為應(yīng)該與具體行駛過程中的其他因素,如催化劑的活性成分、司機(jī)駕車習(xí)慣、道路交通流量有關(guān),需進(jìn)行進(jìn)一步探索.

2.3 污染物濃度、排氣量對(duì)排放速率的影響程度分析

因排放速率由污染物濃度與排氣量共同決定,因此研究同步情況下,不同行駛階段,不同行駛路況下污染物濃度及排氣量?jī)勺宰兞繉?duì)排放速率這一因變量影響程度大小就顯得具有重要的實(shí)際意義.

由表2,車輛NO、CO、HC在加速、勻速、減速工況下濃度比值為1.6∶1∶1、1∶5.5∶4、2.9∶1∶1.2;加速、勻速、減速工況下排氣量比值為6.6∶6.1∶1;計(jì)算得相應(yīng)階段排放速率比值為14∶7∶1、2.3∶7.7∶1、2∶5.5∶1,加速及勻速段車輛排氣量相當(dāng),減速段排氣量急劇下降.減速段各污染物濃度沒有劇烈變化,相較于加速及勻速段,排放速率變化劇烈,因此減速段排氣量對(duì)排放因子的影響程度高于污染物濃度.加速及勻速段高排氣量、高排放濃度導(dǎo)致高排放速率.鑒于加速、勻速階段排氣量大致穩(wěn)定,而各污染物濃度增加或減少幅度變化劇烈,從而導(dǎo)致排放速率的顯著變化,因此在加速及勻速段,濃度對(duì)排放因子起主要影響.

高速排氣量分布穩(wěn)定,平均排氣速率0.035 m3/s,小于加速、勻速相應(yīng)值.瞬時(shí)排氣速率0.03 ～0.04 m3/s所占比例最大,達(dá)到33.8%;其次為0.01～0.03 m3/s 的32.8%;0.06 m3/s以上所占比例最小,僅為10.1%.這是因?yàn)楦咚俚缆仿窙r好,車輛行駛穩(wěn)定,除卻短暫加速和減速,勻速比例高,此種情況為研究排氣量與濃度對(duì)排放因子影響程度提供了方便.

圖4分別為CO排放速率與濃度、HC排放速率與排氣量、NO排放速率與濃度之間相關(guān)性分析.

圖2 CO排放速率與濃度顯著相關(guān)分析

圖3 HC排放速率與排氣量顯著相關(guān)分析

圖4 NO排放速率與濃度顯著相關(guān)分析

實(shí)驗(yàn)共選取樣本數(shù)據(jù)249個(gè),因?yàn)楦鲾?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化,自變量與因變量之間不存在正態(tài)分布關(guān)系,制圖所設(shè)置顯著性可信度為0.005.

由圖2、3、4得,CO濃度與排放量相關(guān)系數(shù)為0.687 2,HC瞬時(shí)排氣量與排放量相關(guān)系數(shù)為0.6489,NO濃度與排放量相關(guān)系數(shù)為0.832 5.CO、NO排放量與瞬時(shí)排氣量、HC排放量與濃度相關(guān)系數(shù)較小,分別為0.142 5、0.195 7、0.334 7.相關(guān)系數(shù)與相關(guān)性強(qiáng)弱之間的關(guān)系:r≥0.8為強(qiáng)相關(guān),0.3≤r≤0.8為弱相關(guān),0≤r≤0.3為錯(cuò)相關(guān).對(duì)比上述相關(guān)系數(shù),可知:CO濃度與排放量呈弱相關(guān),HC瞬時(shí)排氣量與排放量為弱相關(guān),NO濃度與排放量呈強(qiáng)相關(guān),即顯著性相關(guān).相同條件下,瞬時(shí)排氣速率對(duì)于CO、NO、HC均為同一數(shù)值,因此所得數(shù)據(jù)利于與所得結(jié)論進(jìn)行比較.

綜上所述,車輛在高速道路行駛時(shí),CO、NO排放速率主要受濃度影響,HC排放速率則受排氣量影響較大.究其原因,CO與NO濃度變化較為劇烈,HC濃度變化平緩,這與對(duì)高速道路行駛排放因子與濃度關(guān)系的研究相一致.

3 結(jié) 論

由實(shí)驗(yàn)可以得出,車輛行駛過程中具有以下特征:

(1) 加速及勻速階段,CO、NO濃度高,減速階段HC濃度高;加速、勻速段排氣量大,減速段排氣量驟降;

(2) 高速道路排放因子較低,HC及CO排放因子在低速加速和高速減速段變化明顯,NO排放因子隨車輛行駛速度變化顯著;

(3) 加速及勻速段,濃度對(duì)排放因子起主要影響;減速段,排氣量對(duì)排放因子的影響程度高于污染物濃度.高速道路,CO、NO主要受濃度影響,HC受排氣量影響較大.

(4) 不同行駛路況對(duì)污染物的產(chǎn)生具有極其重要的影響,其他外界條件相同時(shí),路況越好,產(chǎn)生的污染物量越少.

參考文獻(xiàn):

[1] 杜西嶺.汽車排放污染與控制[J].中小企業(yè)管理與科技(上旬刊),2009(8):271-272.

[2] 王岐東,姚志良,霍紅,等.中國(guó)城市輕型車的排放特性[J].環(huán)境科學(xué)報(bào),2008,28(9):1713-1719.

[3] 賀克斌,霍紅,王岐東,等.城市輕型車實(shí)際道路瞬態(tài)排放特征[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2006,26(4):390-394.

[4] 高繼東.城市機(jī)動(dòng)車道路排放因子和排放特性研究[D].天津:天津大學(xué),2008.

[5] 胡友波,徐達(dá).瞬態(tài)工況對(duì)車輛污染物排放的影響[J].汽車工程師,2009(9):23-25.

[6] 劉小波.深圳汽車行駛工況和污染物排放關(guān)系的測(cè)試研究[D].昆明:昆明理工大學(xué),2007.

[7] 陳燕濤.車輛道路排放測(cè)試技術(shù)的研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2006.

[8] 雷偉.武漢市道路輕型車輛行駛工況與排放特性研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2007.

[9] 張鵬飛.輕型汽車行駛工況下車載測(cè)試[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2007.

[10] 劉侃侃.典型城市交通道路機(jī)動(dòng)車排放CO污染特性研究[D].北京:北京林業(yè)大學(xué),2010.

[11] 馬東,趙陽,梁賓.不同行駛工況下輕型汽車排放特性研究[J].北京汽車,2010(4):8-11.

[12] 李偉.典型城市道路機(jī)動(dòng)車排放污染特征研究[D].北京:清華大學(xué),2002.