鄒 強(qiáng)

(廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，玉林 537005)

基于VSP的國V公交車氣體污染物排放研究

鄒 強(qiáng)

(廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，玉林 537005)

針對(duì)滿足國V排放標(biāo)準(zhǔn)的公交車，使用瞬時(shí)比功率(VSP)方法對(duì)其氣態(tài)污染物的排放量進(jìn)行了分析,對(duì)比了不同排放標(biāo)準(zhǔn)的公交車氣態(tài)污染物排放特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： CO排放速率均隨VSP增大而升高，不同排放階段公交車之間的差異不明顯；國V階段公交車的THC排放速率均略低于國III和國IV階段公交車；NOX排放速率隨VSP增大而升高，其中國III階段公交車升高幅度最大，國V階段公交車NOX排放隨車速的增加略有降低，國IV階段公交車隨車速的增加降低較為顯著.

國V公交車;瞬時(shí)比功率;氣體污染物;排放

近年來，隨著城市公共交通的快速發(fā)展，公交車數(shù)量不斷增加.但是，由于汽車保有量的增加，汽車也給人們的社會(huì)生活帶來了一些負(fù)面影響，其中較為突出的便是機(jī)動(dòng)車排放污染物對(duì)環(huán)境的破壞.這些排放污染物主要包括：一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?THC)、氮氧化合物(NOX)等.因此，我國不斷推出新的排放法規(guī)，以控制機(jī)動(dòng)車污染物排放量的增長.北京市已經(jīng)率先執(zhí)行國V階段的排放標(biāo)準(zhǔn)，由于在正常行駛過程中公交車的實(shí)際車速較低，使得排放后處理裝置不能處于最佳的工作狀態(tài)[1]，因此有必要對(duì)國V公交車在實(shí)際道路行駛中的污染物進(jìn)行研究.

1 試驗(yàn)方法與車輛信息

1.1 試驗(yàn)方法

論文采用車載排放測(cè)試方法(Portable Emission Measurement System，PEMS)，即在實(shí)際道路上，根據(jù)設(shè)定的工況，對(duì)所研究的公交車進(jìn)行實(shí)際道路排放測(cè)試，如圖1所示.車載排放測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用便攜式尾氣檢測(cè)技術(shù)，通過將車輛排氣管直接與車上的測(cè)量氣體污染物和顆粒物的設(shè)備裝置連接，對(duì)車輛尾氣進(jìn)行直接采樣，實(shí)時(shí)測(cè)量車輛在行駛過程中各污染物的體積濃度和排氣流量，進(jìn)而計(jì)算出氣體污染物和顆粒物的質(zhì)量排放量，如排放因子.運(yùn)用此方法進(jìn)行測(cè)試能夠更好地反映車輛在實(shí)際道路行駛時(shí)的污染物排放狀態(tài)，能夠方便快捷地獲得不同車型、不同道路類型、不同時(shí)間段、不同交通狀況下的排放污染物數(shù)據(jù)[2].

圖1 車載排放測(cè)試系統(tǒng)圖

PEMS系統(tǒng)主要由SEMTECH-DS氣體排放分析儀、靜電低壓撞擊器(Electrical Low Pressure Impactor，ELPI)、排氣流量計(jì)、溫濕度計(jì)以及GPS等組成.

SEMTECH-DS氣體排放分析儀用于測(cè)量排氣中CO2、CO、THC和NOX等氣體污染物濃度，儀器分別采用不分光紅外分析法(NDIR)測(cè)量CO和CO2污染物，加熱型氫火焰離子檢測(cè)器(HFID)測(cè)量THC污染物，不分光紫外分析法(NDUV)測(cè)量NO和NO2污染物.

ELPI用于測(cè)量排氣中顆粒物的數(shù)量、質(zhì)量和粒徑分布. 其結(jié)構(gòu)主要由串級(jí)沖擊式采樣器、點(diǎn)管式幾何電暈充電器和多通道靜電計(jì)3部分組成.

GPS用于記錄公交車行駛的速度和車輛運(yùn)行路線軌跡的經(jīng)度、緯度和海拔高度信息；溫濕度計(jì)用于測(cè)量大氣環(huán)境中的空氣溫度和濕度，并以此參數(shù)為依據(jù)，修正SEMTECH-DS采集到的各氣體污染物濃度數(shù)據(jù)；排氣流量計(jì)用于實(shí)時(shí)測(cè)量記錄公交車排氣管排出的尾氣流量和溫度[3].

1.2 數(shù)據(jù)分析

以速度數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，再綜合考慮加速度、風(fēng)阻、道路坡度等多種因素，可以計(jì)算出車輛的瞬時(shí)比功率(Vehicle Specific Power, VSP)[4].VSP這一用以表征機(jī)動(dòng)車污染物的概念最早是由JL Jimenez-Palacios于1999年提出的，該參數(shù)的計(jì)算見式(1)，包含了速度、加速度、坡度、風(fēng)阻系數(shù)等多種參數(shù)，是車輛瞬時(shí)功率和車輛質(zhì)量的比值.

(1)

式中:VSP為機(jī)動(dòng)車比功率，kW/t；v為機(jī)動(dòng)車行駛速度，m/s；a為機(jī)動(dòng)車行駛加速度，m/s2；g為重力加速度，m/s2；φ為道路坡度；CR為輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為機(jī)動(dòng)車前迎風(fēng)面積， m2；m為機(jī)動(dòng)車總質(zhì)量，kg.

通過計(jì)算VSP數(shù)值的大小，可以將VSP劃分區(qū)間，這些區(qū)間將機(jī)動(dòng)車的行駛狀態(tài)劃分為若干個(gè)BIN，每個(gè)BIN可以對(duì)應(yīng)計(jì)算出機(jī)動(dòng)車的平均排放水平.通過式(1)計(jì)算出公交車每秒鐘對(duì)應(yīng)的VSP數(shù)值，根據(jù)VSP數(shù)值的大小，將全部測(cè)試數(shù)據(jù)分為大致相等的6個(gè)區(qū)間，對(duì)每個(gè)區(qū)間內(nèi)的污染物排放速率求平均值.VSP區(qū)間劃分如表1所示.

表1 VSP區(qū)間劃分

1.3 車輛信息

實(shí)驗(yàn)所用車輛信息如表2所示.

表2 車輛信息

2 結(jié)果分析

2.1 CO排放特征

使用VSP劃分區(qū)間的方法對(duì)選取的6輛公交車數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不同排放階段柴油車CO排放速率隨VSP變化如圖2所示 .

CO排放速率來看，所有車輛的CO排放速率均隨VSP增大而升高主要是由于隨VSP增加，車輛行駛逐漸變?yōu)楦咚?、高加速度狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)需要提供更多的空氣和燃油來保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出，驅(qū)動(dòng)車輛行駛，所以在單位時(shí)間內(nèi)排出的CO污染物會(huì)隨VSP增大逐漸增多.

圖2 不同排放階段柴油車CO排放速率隨VSP變化

6輛公交車基于CO2的CO排放均隨車速和VSP升高逐漸升高，主要是由于車輛在高速、高加速度行駛狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較快，負(fù)荷也較大，缸內(nèi)空氣湍流更為強(qiáng)烈，有利于燃油在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的霧化和燃燒，在低速行駛狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較慢，負(fù)荷較低，空氣進(jìn)入氣缸后的流動(dòng)強(qiáng)度較小，不利于燃油噴霧的擴(kuò)散，燃油局部缺氧造成不完全燃燒產(chǎn)生大量CO排放.

CO排放的數(shù)值對(duì)比可知，不同排放階段公交車之間的差異并不明顯，國IV和國V階段公交車的改進(jìn)主要通過加裝SCR等后處理裝置來控制NOx排放，但是對(duì)于CO排放沒有采取更多的措施來控制，通過增大噴油壓力或改變噴油提前角等措施優(yōu)化缸內(nèi)燃燒所起的作用非常有限.

2.2 THC排放特征

使用VSP劃分區(qū)間的方法對(duì)選取的6輛公交車數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不同排放階段柴油車THC排放速率隨VSP變化如圖3所示.

THC排放規(guī)律與CO排放規(guī)律非常相似，所有車輛的THC排放速率均隨VSP增大而升高，主要是由于隨VSP數(shù)值的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)氣量和供油量增加，因而造成了單位時(shí)間內(nèi)污染物排放量的增大.此外，在各VSP區(qū)間內(nèi)，國V階段公交車的THC排放速率均略低于國III和國IV階段公交車.

圖3 不同排放階段柴油車THC排放速率隨VSP變化

2.3 NOX排放特征

使用VSP劃分區(qū)間的方法對(duì)6輛公交車數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不同排放階段柴油車NOX排放速率隨VSP變化如圖4所示.

從圖中可已看出，多數(shù)公交車NOX排放速率均隨VSP增大而升高，其中國III階段公交車升高幅度最大，VSP區(qū)間編號(hào)6比區(qū)間編號(hào)1升高了130%，國IV階段公交車升高幅度最小，升高了61%.國III階段公交車沒有后處理系統(tǒng)，尾氣排放污染物的排放速率完全取決于發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的燃燒，當(dāng)VSP增大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷增大，缸內(nèi)燃燒加劇，溫度升高，高溫條件是NOX生成的主要途徑之一.國IV和國V階段公交車有SCR后處理系統(tǒng)，當(dāng)車輛在高速大負(fù)荷狀態(tài)下行駛時(shí)，SCR系統(tǒng)會(huì)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)調(diào)整尿素的噴射，對(duì)原機(jī)產(chǎn)生的NOX進(jìn)行催化還原，抑制整車NOX排放的大幅升高.

圖4 不同排放階段柴油車NOX排放速率隨VSP變化

3 結(jié) 論

1)所有車輛的THC排放速率均隨VSP增大而升高，國V階段公交車的THC排放速率均略低于國III和國IV階段公交車，THC排放均隨車速和VSP升高逐漸降低，國V階段車輛略低于國III和國IV階段車輛，在減排方面有一定優(yōu)勢(shì)，但優(yōu)勢(shì)并不顯著.

2)多數(shù)公交車NOX排放速率隨VSP增大而升高，其中國III階段公交車升高幅度最大；國III階段公交車的NOX排放隨車速的增加變化不明顯，國IV階段公交車隨車速的增加降低較為顯著，國V階段公交車NOX排放隨車速的增加略有降低，但降低幅度不大，且國III、國IV和國V 3個(gè)階段的公交車排放相差并不大.

[1] 郭佳棟，葛蘊(yùn)珊，譚建偉，等.國IV公交車實(shí)際道路排放特征[J]. 環(huán)境科學(xué)研究，2014，27(5)：477-483.

[2] 樓狄明，成 偉，馮 謙.國IV天然氣公交車實(shí)際道路顆粒物排放特性[J].環(huán)境科學(xué),2014,35(3):864-869.

[3] 劉志華. 針對(duì)PMP協(xié)議中重型柴油機(jī)顆粒物數(shù)量排放測(cè)量方法的研究[D].北京理工大學(xué),2011.

[4] 楊洪強(qiáng)，帥石金，胡京南，等.重型柴油車區(qū)域達(dá)標(biāo)法和窗口平均值法對(duì)中國典型路況的適應(yīng)性[J].環(huán)境科學(xué)研究.2012，25(6)：699-705.

Research on Emission of Gaseous pollutants from Stage-V BusesBased on Vehiclc Specific Power

ZOU Qiang

(Guangxi Yuchai Machinery Co., Ltd，Yulin 537005，China)

The emission of their gaseous pollutants from buses in National V was analyzed by using the parameter of the Vehicle Specific Power (VSP). The characteristics of the pollutant emission were compared with that of other buses at different stages of the National Standard. The experimental results showed that, the rate of CO emission increased with the VSP without obvious difference among the buses with different stages, the rate of THC emission on the Stage V buses was slightly lower than that of the Stage III and the Stage IV buses, and the rate of NOXemission increased with the VSP, the biggest rise in the Stage III buses. The results also showed that, with the increase of the vehicle speed, the rate of NOXemission from the Stage V buses decreased slightly and the NOXemission rate from the Stage IV buses decreased significantly.

Stage-V buses；vehicle specific power (VSP)；gaseous pollutants；emission

1009-4687(2016)04-0013-04

2016-1-18

鄒 強(qiáng)(1972-)，男，碩士，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī).

TK421+.5

A