孟雄（重慶交通大學(xué)交通運輸學(xué)院，重慶400041）

山區(qū)城市基于P EMS的汽車排放污染物測試分析

孟雄
（重慶交通大學(xué)交通運輸學(xué)院，重慶400041）

利用車載排放測試系統(tǒng)（PEMS），對某小型載客汽車進(jìn)行重慶市典型道路工況下的CO、HC、NOX排放測試。研究不同行駛模式、速度區(qū)間、路面情況對汽車排放的影響，并建立特定工況下排放因子與路面坡度之間的擬合模型。

山區(qū)城市；車載排放測試系統(tǒng)；污染物排放測試

近些年來，隨著車載排放測試技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外的研究人員都開始采用車載排放測試技術(shù)來更為準(zhǔn)確真實地研究車輛在實際道路中的排放，并取得了一定的進(jìn)展[1-4]。在這些研究中，研究發(fā)動機的技術(shù)水平、車輛的行駛工況居多，而研究道路的坡度對車輛排放的影響較少，因此本文采用車載排放測試技術(shù)對該問題進(jìn)行研究。

1 試驗準(zhǔn)備

1.1 試驗設(shè)備及車輛

本研究在SEMTECH-ECOSTAR車載尾氣分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立一套測試系統(tǒng)，SEMTECH-ECOSTAR包含三個模塊：NOx氮氧化物分析儀、FEM燃油經(jīng)濟性分析儀、HTF（Heated Flow Tube）尾氣加熱流量管。具體功能如下：NOx氮氧化物分析儀采用非分散紫外分析法（NDUV）測量氮氧化物的體積濃度，F(xiàn)EM燃油經(jīng)濟性分析儀采用非分散紅外分析法（NDIR）測量CO、CO2、O2以及部分碳?xì)涞捏w積濃度，HTF尾氣加熱流量管利用平均皮托管原理實時測量尾氣體積流量，質(zhì)量流量，壓力溫度等。

該系統(tǒng)自帶GPS，可以對應(yīng)逐秒記錄車輛在行駛過程中的地理位置和行駛速度，該系統(tǒng)另外匹配了Racelogic公司的VBOX，記錄車輛行駛軌跡、速度、加速度、距離、海拔、經(jīng)緯度等信息。還匹配了陀螺儀實時記錄車輛的俯仰角、橫擺角、側(cè)傾角以及三個角的角速度。試驗車輛是一輛2008年的華晨金杯汽油車，國Ⅱ排放，整備質(zhì)量是1.7 t，總質(zhì)量2.8 t，當(dāng)前行駛里程為40 000 km。1.2測試方法及路線

本測試依據(jù)GB 18352.6-2016[5]（中國第六階段），選定試驗道路，嚴(yán)格按照SEMTECH-ECOSTAR車載尾氣分析系統(tǒng)車載試驗要求測得不同路面情況下試驗車輛的CO、HC、NOx 3種污染物瞬時質(zhì)量流量，通過數(shù)據(jù)研究行駛速度、行駛模式、路面情況（坡度）對汽車排放的影響。一共進(jìn)行了5次試驗，駕駛員包括專業(yè)駕駛員和普通私車駕駛員。駕駛員的選擇是影響汽車燃油的因素之一，選取一位經(jīng)驗豐富的專業(yè)駕駛員，按照所選的試驗路線保持一定車距，不強行超車，不脫擋滑行，正常駕駛，獲得逐秒行駛數(shù)據(jù)。本試驗在周五上午9：30到10：30之間進(jìn)行，試驗既不在節(jié)假日，也不在高峰期，代表了普通出行時間。選取了8條重慶市區(qū)典型道路進(jìn)行樣本采集，分別為學(xué)府大道（主干道）、海峽路（主干道）、南濱路（次干路）、重慶長江大橋（主干道）、兩路口環(huán)道（環(huán)道）、菜園壩長江大橋（主干道）、南城隧道（隧道）和四公里立交（內(nèi)環(huán)快速路），全長25.51 km，車輛測試路線的軌跡如圖1所示。采集的數(shù)據(jù)依據(jù)速度的分布也較為均勻，因此幾次試驗可以較為真實地反映車輛在實際道路上的排放水平。

圖1 測試路線軌跡圖

2 試驗結(jié)果

2.1 不同路面不同速度的影響

將速度區(qū)間劃分為（0，10]、（10，20]、（20，30]、（30，40]、（40，50]、（50，60]、（60，70）共7個區(qū)間（單位：km/h）。在本研究中，車輛加速度的絕對值≤0.1時被認(rèn)為是做勻速行駛[6]。坡度絕對值≤2%時，被認(rèn)為是在平路面上行駛。不同路面（上坡、平路、下坡）各速度區(qū)間下以上3種污染物的瞬時質(zhì)量流量，測量結(jié)果如圖2～圖4所示。從圖中可以看出：

1）在路面狀況不變的情況下，隨著車速增大，CO的瞬時質(zhì)量流量先增大后減小，當(dāng)車速在（20，30]km/h之間，車輛在上坡和平路行駛時，CO瞬時質(zhì)量流量都達(dá)到最大值；當(dāng)車速在（30，40]km/h之間，車輛在下坡行駛時，CO瞬時質(zhì)量流量達(dá)到最大值。另外值得注意的是：在車速相同的情況下，車輛在上坡時CO的瞬時排放量最高，其次是平路，最后是下坡；當(dāng)速度在（20，50]km/h之間，3種路面狀況所對應(yīng)的CO瞬時質(zhì)量流量相差最大，上坡時CO瞬時質(zhì)量流量分別約是平路和下坡的2倍和3倍。

2）NOx瞬時質(zhì)量流量除個別速度區(qū)間略有下降外，整體趨勢是隨著速度的增加而增加；而車輛在平路行駛時，NOx瞬時質(zhì)量流量隨著車速的增加先增大后減小，當(dāng)車速在（20，30]km/h之間時達(dá)到最大值；車輛在上坡行駛時，NOx瞬時質(zhì)量流量隨著車速的增加而增大，當(dāng)車速在大于60 km/h時達(dá)到最大值；車輛在下坡行駛時，NOx瞬時質(zhì)量流量隨著車速的增加先增大后減小，當(dāng)車速在（30，40]km/h之間時達(dá)到最大值。在車速相同的情況下，NOx在上坡時的瞬時排放量最高，其次是平路，最后是下坡。

3）對于HC的排放，除個別速度區(qū)間有降低外，HC的瞬時質(zhì)量流量隨著車速的增加先增大后減小，同樣在車速相同的情況下，HC在上坡時的瞬時排放量最高，其次是平路，最后是下坡。當(dāng)車速在（20，30]km/h之間，上坡時HC瞬時排放量是下坡的7倍，是平路的4.5倍。

綜上所述，路面狀況以及速度對汽車的尾氣排放影響很大，特別是在速度相同的情況下，上坡時3種尾氣污染物的瞬時排放質(zhì)量都相對平路或下坡時增加顯著。

圖2 CO排放情況

圖3 NOx排放情況

圖4 HC排放情況

2.2 路面情況對不同行駛模式下排放的影響分析

將車輛的行駛模式分為加速模式、減速模式和勻速模式，通過PEM系統(tǒng)測得的試驗數(shù)據(jù)得到不同路面情況下3種行駛模式的污染物瞬時質(zhì)量流量。由圖5～圖7可知，3種污染物的變化趨勢大致相同，在行駛模式相同時，都是隨著坡度的增大而增大，隨著加速度的減小而減小。特別是在加速行駛時，3種污染物的瞬時質(zhì)量流量較勻速或減速行駛時增加顯著。所以車輛在加速上坡行駛時，污染物瞬時質(zhì)量流量最大。

圖5 CO排放情況

圖6 HC排放情況

圖7 NOx排放情況

2.3 加速上坡不同坡度的影響

由以上分析可知，車速在（20，50]km/h加速上坡時的3種污染物排放相對較高，而通過數(shù)據(jù)的統(tǒng)計可知，車輛在上坡工況的車速主要是在（20，30]km/h之間，占比為50%以上。所以進(jìn)一步分析在該工況下坡度對3種污染物排放的具體影響。通過MATLAB分析試驗數(shù)據(jù)，坡度值與HC、CO排放相關(guān)性很小，散點圖也很散，基本沒有函數(shù)關(guān)系，而坡度與NOx排放因子之間的模型的R2值較接近1。故建立車速在（25，30）km/h之間，上坡時坡度與NOx排放因子之間的模型如圖8所示。

式中：x為路面縱坡坡度；y為NOx排放因子。

圖8 不同坡度下NOx排放因子

3 結(jié)論

1）不同速度區(qū)間和行駛模式下，在上坡行駛時，大多數(shù)工況下3種污染物排放會增加，但各速度區(qū)間和行駛模式下的增幅不盡相同。特別是速度區(qū)間在（20，50）km/h，加速上坡行駛時3種污染物排放會顯著增加。

2）利用MATLAB分析3種污染物與坡度之間的相關(guān)度，只有NOx的排放與路面坡度相關(guān)性稍高，所以建立了速度區(qū)間在（25，30）km/h之間，加速上坡時路面坡度與NOx排放之間的模型，擬合系數(shù)為0.7以上，擬合度較高。利用該模型可對不同坡度路面上、在該速度區(qū)間里行駛的車輛的NOx排放因子做出預(yù)測。

3）由于樣本數(shù)量有限，路面坡度對汽車尾氣污染物排放的影響也較復(fù)雜，有必要建立尾氣排放與速度、加速度、坡度的聯(lián)合排放模型，展開更加深入的研究。

[1]程穎，于雷，王宏圖，等.基于PEMS的MOBILE與COPERT排放模型對比研究[J].交通運輸系統(tǒng)工程與信息，2011（3）：176-181.

[2]徐偉嘉，黃建彰，劉永紅，等.基于PEMS與COPERT的機動車尾氣排放特征分析[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2014（S1）：77-81.

[3]宋國華，于雷，張瀟.基于PEMS技術(shù)的收費站尾氣排放模型分析[J].交通運輸系統(tǒng)工程與信息，2008（3）：49-57.

[4]萬霞，黃文偉，高謀榮，等.基于PEMS的柴油乘用車氣態(tài)污染物道路排放測試分析[J].車用發(fā)動機，2013（5）：74-77.

[5]環(huán)境保護(hù)部國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）：GB 18352.6-2016[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2016：12.

[6]姚志良，賀克斌，王岐東，等.IVE機動車排放模型應(yīng)用研究[J].環(huán)境科學(xué)，2006（10）：1928-1933.

修改稿日期：2017-06-05

Measurement Analysis of Vehicle Emission Pollutants in Mountain Cities Based on PEMS

Meng Xiong
（SchoolofTraffic&Transportation，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400041，China）

Using the Portable Emission MeasurementSystems(PEMS),the authortests CO,HC,NOXemissions to a small type of passenger vehicle under typical road conditions in Chongqing.He studies the influence of different driving modes,speed ranges and road conditions on the vehicle emission,and establishes the fitting modelofthe emission factors with the slope ofroad surface.

mountain city;vehicle emission testsystem;pollutantemission test

TK411+.5

B

1006-3331（2017）04-0056-03

孟雄（1992-），男，碩士研究生；主要研究方向為車載尾氣檢測。